Введение к работе
Актуальность темы. Энергосбережение является одной из ключевых проблем современной экономической реформы России. Особенно остро она проявляется в теплоснабжении, на нужды которого расходуется до 40-45% всех потребляемых в стране топливно-энергетических ресурсов. Расходы тепловой энергии на единицу промышленной продукции и на квадратный метр жилой площади в РФ почти в 2 раза превышают уровни западноевропейских стран для идентичных климатических условий.
Для теплоснабжения промышленных предприятий и жилищно-коммунального сектора используется тепловая энергия низкого потенциала, большая часть которой в России и странах СНГ вырабатывается системами централизованного теплоснабжения. В последние 10-15 лет этот вид теплоснабжения получает все большее распространение в европейских странах, Китае, США и в Канаде. Обладая более высокой экономичностью и оказывая меньшее вредное влияние на экологическую обстановку, централизация теплоснабжения является одним из наиболее эффективных мероприятий по экономии топлива и эксплуатационных затрат.
Длительный опыт эксплуатации СЦТ в РФ показал, что не все их преимущества ощущаются потребителями тепловой энергии. Под воздействием случайных климатических возмущений они часто испытывают тепловой дискомфорт и перебои с подачей горячей воды на бытовые нужды.
Одной из основных причин низкой эффективности и экономичности СЦТ в РФ и других странах СНГ является практически полное отсутствие элементов автоматизации основных технологических процессов. До настоящего времени СЦТ не управляется как единый технологический комплекс. Это является одним из сдерживающих факторов, ограничивающих дальнейшее развитие этого вида теплоснабжения.
Анализ работ в области автоматизации СЦТ показал, что до настоящего времени еще не разработана общая теория управления системами данного вида, а усилия исследователей чаще всего были направлены на автоматизацию их отдельных технологических звеньев.
Высокая сложность технологических процессов в системах централизованного теплоснабжения (СЦТ) влечет за собой и значительное усложнение всего комплекса работ по их исследованию и управлению. Положение усугубляется наличием в СЦТ большого числа технологических подсистем, звеньев и устройств, что делает их исследование чрезвычайно трудоемким и высокозатратным. Проблема комплексного исследования таких сложных технических объектов может быть успешно решена только при широком применении вычислительной техники и автоматизации как самих технологических процессов на СЦТ, так и их научного исследования. Диссертация посвящена решению про-
блемы значительного повышения экономичности СЦТ за счет их системной автоматизации и оптимизации.
Разработан комплекс математических моделей, описывающих весь процесс движения теплоносителя и преобразования тепловой энергии во всех технологических звеньях СЦТ. На базе комплекса математических моделей обоснована система критериев оптимизации и синтезированы алгоритмы оптимального управления СЦТ, позволяющие автоматизировать процесс исследования основных звеньев системы и реализовать управление ими.
Цель исследования - заключается в создании математических моделей и алгоритмов управления системами централизованного теплоснабжения, позволяющих автоматизировать исследования и автоматизировать режимы их функционирования на всех основных технологических уровнях.
Объект исследования - система централизованного теплоснабжения с источниками районного уровня и тепловой нагрузкой, где большая часть абонентов являются объектами жилищно-коммунального и социально-бытового назначения.
Экспериментальные исследования проводились на системе централизованного теплоснабжения "Комендантский аэродром", от районной котельной "Молодежная" г. Санкт-Петербурга, а также на опытно-экспериментальной установке теплоснабжения административных зданий ВНИИГС.
Методы исследования основаны на использовании численных схем моделирования многомерных динамических стохастических систем, структурной и параметрической оптимизации, а также полунатурного моделирования с фрагментами реальной системы централизованного теплоснабжения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые разработаны математические модели и алгоритмы оптимизации режимов функционирования системы централизованного теплоснабжения как единым технологическим и динамическим объектом.
-
Предложена классификация систем централизованного теплоснабжения как объекта управления, представляющего собой несплошную и неоднородную макросреду с сосредоточенным управляемым подводом и рассредоточенными по ее элементам управляемыми стоками теплоты и потока массы энергоносителя, при малых скоростях движения энергоносителя и гиперинерционных элементах среды, состояния которых коррелированны между собой.
-
Разработана математическая модель множества абонентов СЦТ, содержащая два основных динамических блока пространственных статистик теплового состояния с векторной и матричными переменными, дополненных моделями тепловой сети и тепловых пунктов.
-
Разработана базовая математическая модель теплового состояния абонентов, представляющая собой систему полилинейных дифференциальных
уравнений, минимальный порядок которой равен четырем с составом компонент, позволяющим оценивать уровень теплового комфорта и величину энергетических потерь, в зависимости от климатических факторов и выбранной стратегии формирования температурного и гидравлического режима.
-
Предложена совокупность общесистемных и частных целей управления и критериев оптимизации, позволяющая решить задачу управления объектом такого класса.
-
Предложена стратегия формирования температурного и гидравлического режима СЦТ в виде оптимального сочетания вектора средних значений и пространственной ковариации температуры и расхода теплоносителя, реализуемая подсистемами централизованного балансного и локально-корректирующего управлений.
-
Разработан алгоритм централизованного балансного управления в форме суточных программ изменения температуры теплоносителя в тепловой сети и расхода теплоносителя на тепловых пунктах абонентов или их групп, осуществляемого по прогнозам климатических факторов и тепловых нагрузок абонентов, используемых для формирования единой для множества абонентов задающей программы теплового комфорта.
-
Предложен способ формирования программ управления ля каждого технологического режима по собственным критериям оптимизации, отражающим реально достижимые цели управления, с последующим формированием внережимных программ, осредненных по прогнозам условных вероятностей появления этих режимов.
-
Обосновано разделение локально-корректирующего управления на две взаимосвязанные задачи - определение числа независимо управляемых групп (фокусировка ЛК) и формирование оперативных управлений в группах в форме параметризованных стратегий замкнутого типа.
10. Разработан метод оценивания параметров математических моделей
контуров ЦБУ и ЛКУ в форме параметрической оптимизации по интегральному
критерию качества.
На защиту выносятся результаты по гш. 1-9.
Практическая ценность заключается в обосновании и использовании на практике принципов технической и программной реализации оптимального управления и исследования во всех технологических подсистемах СЦТ.
Эти принципы заключаются в следующем:
1. Отделении синтезирующей и формирующей частей от исполнительной части управляющей системы, что обеспечивает легкую внедряемость результатов для любой технологической конфигурации СЦТ, и автоматизацию процессов исследования ее основных подсистем.
-
Учете всех реальных технологических режимов функционирования СЦТ, что обеспечивает высокую экономичность управлений в любой режимной ситуации, вплоть до аварийной.
-
Адаптивности стратегий управления как на синтезирующем (задающем), так и на исполнительном уровнях, чем достигается простота ввода в эксплуатацию экспериментальных систем и значительное сокращение пуско-наладочных работ.
-
Оптимизации параметров технологического оборудования облегчает наладку и проектирование новых и реконструируемых подсистем СЦТ.
На основании результатов исследования были разработаны техническое задание на проектирование АСУ ТП и пакет прикладных программ для исследования и управления СЦТ, который был передан во Всероссийский НИИ гидротехники и специальных строительных работ (ВНИИГС, Санкт-Петербург).
Результаты исследований были использованы Научно-внедренческой фирмой "АСУ-РОСТ", которая осуществила доработку пакета прикладных программ и разработала типовое техническое задание на разработку АСУ ТП централизованного теплоснабжения, которые были переданы для внедрения в Курские тепловые сети и на Курскую атомігую станцию.
Результаты исследования в части управления центральными тепловыми пунктами СЦТ были переданы для использования в своих разработках в НИИ Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова.
Алгоритмы идентификации математических моделей и синтеза оптимальных управлений в форме прикладных исследовательских программ и методических рекомендаций внедрены в НИПТИМЭСХ НЗ РФ.
Апробация. Основные материалы диссертации обсуждались и были одобрены на Научно-техническом совете ВНИИГС в 1985-1989 гг., на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ЛСХИ (Санкт-Петербург, 1986 и 1987 гг.). Отдельные результаты исследований обсуждались: на научно-техническом совещании по проблемам экономии тепловой энергии в тепличном овощеводстве (г. Ворошиловград, апрель 1981 г.); на Ш Всесоюзном совещании по автоматизации в овощеводстве (г. Каунас, июнь 1982 г.); на IV Конгрессе по адаптивным системам (г. Ленинград, июнь 1985 г.); на Всесоюзном научно-техническом совещании по проблемам экономии тепловой и электрической энергии в системах теплоснабжения (г. Киев, апрель 1988 г.); на Всесоюзном научно-техническом совещании по проблемам автоматизации систем теплоснабжения (г. Горький, сентябрь 1989 г.); на российско-германском симпозиуме по централизованному теплоснабжению (г. Владимир, апрель 1991 г.).
Кроме того, результаты исследования в части управления тепловыми сетями и проекта АСУ ТП СЦТ были представлены на 25-ом Конгрессе "УНИШАЛЬ" в Будапеште в 1991 г., а по управлению отпуском и распределением тепловой энергией в СЦТ и на 26-ом Конгрессе "УНИШАЛЬ" в Париже в 1992 г.
Публикация. Основные результаты опубликованы в 38 работах.
Объем работы. Диссертация изложена на 300 страницах и включает введение, семь глав, заключение, 74 рисунка, 9 таблиц, список литературы (228 наименований, из них 31 на иностранных языках).