Методологические основы построения и исследования системы управления комбинированным теплоснабжением объектов промышленного и гражданского назначения

Актуальность темы

Одной из приоритетных задач государственной энергетической политики на период до 2020 года является разработка эффективных систем управления централизованным теплоснабжением, обеспечивающих на объектах промышленного и гражданского назначения заданное качество теплового режима и экономию топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) [196].

В России за 85 лет (начиная с плана ГОЭЛРО) созданы* уникальные по своимразмерам когенерационные системы преобразования энергии (КСПЭ), позволяющие за счет комбинированной выработки тепловой и электрической энергии и более высокого по сравнению с раздельной выработкойКПД экономить до 30% природных ресурсов [68, ].

Следует отметить, что стоимость тепловой энергии в КСПЭ даже с учетом тепловых потерь в тепловых сетях в 1,5 раза меньше, чем у автономно работающих теплоисточников (котельных). Например, в городе Орле стоимость тепловой энергии в КСПЭ составляет 487 руб./Гкал, а в котельных — 912,5 руб./Гкал (приложение Е), поэтому максимальное использование объектами промышленного и гражданского назначения тепловой энергии' от КСПЭ' обеспечивает заметное снижение затрат на теплоснабжение [166].

Когенерационная система централизованного теплоснабжения (КСЦТ), как подсистема КСПЭ, изначально предназначалась для обеспечения-необходимым количеством тепловой энергии всех объектов промышленного и гражданского назначения, входящих в инфраструктуру города, но этот резерв экономии ТЭР используется не полностью, т.к. наряду с КСЦТ параллельно функционирует множество автономных систем теплоснабжения, работающих от котельных (в г. Орле функционирует более 100 котельных), вследствие чего КСЦТ работает не с полной нагрузкой.

КСЦТ относится к классу систем с большим (несколько часов) транспортным запаздыванием (ТРЗ). Наиболее полное представление о развитии теории систем управления с ТРЗ дано в работах A.A. Воронова [31]- С. Е. Душина [48]- H.H. Иващенко [53]- B.C. Карпова [54]- A.C. Клюева [57]- JI.A. Ме-лентьева [74]- М. Месаровича [30]- O.A. Мухина [80]- Т. М. Райцина [149];

B.А.Соколова [161]- Е. П. Стефани [167]- А. И. Суздальцева [172, 173, 175];

C.А. Чистовича [197, 205] и др.

КСЦТ относится к системам, характеризующимся разнородными" и разнонаправленными показателями качества: температурными (чем больше значение относительного показателя качества, тем лучше) — энергетическими и динамическими (чем меньше значение относительного показателя качества, тем лучше) и др. Причем все показатели являются значимыми, поэтому для наиболее объективной оценки систем такого класса возникает необходимость в разработке методологии обобщенной оценки качества таких систем.

КСЦТ имеет ряд особенностей [105], затрудняющих управление тепловым режимом, в: частности, в г. Орле протяженность магистральных и квартальных трубопроводов составляет более 240 кмобъем циркулирующего в тепловых сетях теплоносителя превышает 45 000 м³, ТРЗ составляет более 4 часов. Расход газа в КСЦТ на нуждьь теплоснабжения составляет в среднем 1,5 млн. м3/сутки (100 котельных расходуют 0,4 млн. м3/сутки).

Существенным недостатком КСЦТ является неспособность поддерживать заданный тепловой режим (температурный график) в периоды резких (со скоростью более 1° С/ч) изменений температуры наружного воздуха и большое ТРЗ, которое заметно снижает качество теплоснабжения потребителей, и повышает энергетические затраты на управление КСЦТ.

Следует отметить, что фактор запаздывания оказывает заметное влияние на граничные условия, при которых в СУ обеспечивается устойчивый апериодический процесс, что не в полной мере учитывается при создании моделей СУ.

Для уменьшения влияния ТРЗ на качество управления в технических системах (ТС) используются различные методы. Известен метод компенсации ТРЗ, когда в систему управления вводится упреждение с тем, чтобы управляющие воздействия системы с запаздыванием и без запаздывания совпадали [135]. При таком методе, применительно к теплоснабжению, важное значение имеет высокая точность прогнозирования температуры наружного воздуха, что трудно осуществимо, поэтому на практике ограничиваются применением приближенных (квазиоптимальных) алгоритмов управления.

Широко известен метод управления тепловым режимом на объектах промышленного и гражданского назначения, заключающийся в многоступенчатой корректировке параметров теплоносителя на контрольно-распределительном пункте (КРП), центральных тепловых пунктах (ЦТП) и индивидуальных тепловых пунктах (ИТП) [С.А. Чистович, 1975, 2008]. При таком подходе каждая последующая ступень управления осуществляет корректировку теплового режима, установленного предыдущей ступенью.

Реализация такого подхода затрудняется тем, что в периоды резких изменений температуры наружного воздуха система управления, работающаяпо-температурному графику, не может обеспечить заданные параметры теплоносителя у потребителей, расположенных далеко от когенерационного источника (КИ). В эти периоды заметно снижается качество управления тепловым режимом объектов промышленного и гражданского назначения.

Под качеством управления тепловым режимом (согласно правилам технической эксплуатации тепловых энергоустановок) понимается способность системы управления поддерживать заданный температурный график с требуемой точностью. Так, например, в г.-Орле отклонение температуры теплоносителя от температурного графика не должно превышать |ет | < 3 ° С [145].

Саратовским [12], Ульяновским [209, 210] государственными техническими университетами и Академическим центром теплоэнергоэффективных технологий [199, 200] предложены технологические решения повышения качества теплоснабжения за счет подогрева теплоносителя пиковыми теплоисточниками у конечных потребителей. Однако до настоящего времени они до конца не • реализованы, т.к. не разработаны структура и принципы управления комбинированным теплоснабжением объектов промышленного и гражданского назначения.

Таким образом, существует ряд нерешенных научных проблем, в частности:

— не сформированы структура и принципы управления комбинированной системой теплоснабжения (КСТ) объектов промышленного и гражданского назначения, уменьшающие влияние ТРЗ на качество управления тепловым режимом в периоды резких изменений температуры наружного воздуха;

— отсутствует методология анализа КСТ с разнородными и разнонаправленными единичными показателями качества;

— существующие методы исследования динамики СУ КСЦТ не учитывают граничные условия, при которых в СУ обеспечивается устойчивый апериодический процесс, что существенно влияет на алгоритмы управления икачество теплового режима у потребителя.

Объект исследования — системы и способы теплоснабжения объектов промышленного и гражданского назначения.

Предмет исследования — методы и модели исследования и управления процессами и структурами теплоснабжения.

Цель работы — создание научных основ построения и исследования СУ, направленных на повышение качества теплового режима КСТ в периодьь резких изменений температуры наружного воздуха и экономию ТЭР.

Достижение цели предполагает решение следующих основных задач:

• Провести анализ структур теплоснабжения, методов управления* тепловым режимом в КСТ и сформировать стратегию исследований СУ КСТ.

• Разработать новые структуру и принципы управления тепловым режимом в КСТ, уменьшающие влияние ТРЗ на качество теплового режима у потребителя в периоды резких изменений температуры наружного воздуха.

• Разработать методологию анализа КСТ на основе многокритериальной оценки качества и сформировать на ее базе обобщенный показатель качества СУ.

• Разработать графо-параметрический метод исследования динамики СУ КСТ, позволяющий определять с помощью интегральных показателей оценки качества оптимальные параметры настроек регуляторов.

•Разработать способы, модели, алгоритмы и средства управления тепловым режимом в подсистемах КСТ, обеспечивающие заданную точность поддержания параметров температурного графика в периодырезких изменений, температуры-наружного воздуха;

• Провести на реально функционирующих объектах экспериментальные исследования отдельных подсистем КСТ с новыми параметрами настройки регуляторов.

• Провести сравнительный анализ результатов исследования СУ КСЦТ и СУ КСТ по обобщенномупоказателю качества.

• Выполнить расчеты технико-экономической эффективности СУ КСТ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в" разработке нового подхода* к построению и исследованию СУ КСТ, содержащего совокупность взаимосвязанных научных элементов, в частности:

1. Разработанную новую структуру КСТ и новые принципы построения подсистем управления тепловым, режимом в КСТ, заключающиеся в следующем:

1.1 Основой структуры КСТ является независимое подключение локальных контуров с пиковыми теплоисточниками к главному контуру через те-плообменные станции с дозированным уровнем отпуска тепловойэнергии и непосредственное подключение пиковых теплоисточников к объектампромышленного и гражданского назначения.

1.2 Структура СУ КСТ представляется трехуровневой. На нижнем (первом) уровне сосредоточены подсистемы управления: тепловым режимом у потребителей, на среднем (втором) уровне — подсистемы управления, тепловым режимом в локальных контурах с пиковыми теплоисточниками, на верхнем (третьем) уровне — подсистема централизованного управления, обеспечивающая контроль, мониторинг и принятие решений по всему комплексу вопросов теплоснабжения.

1.3 Подсистемы второго уровня строятся на следующих^ принципах управления:

— первый принцип базируется на алгоритме в виде изменяющейся во времени функции температурного графика с учетом пиковых возмущений температуры наружного воздуха и транспортных запаздываний теплоносителя с критерием оптимизации, минимизирующим отклонение температуры теплоносителя на входе потребителя в пределах допустимойпогрешности min Д0Т < еЗЛД ;

— второй принцип базируется на нечеткой упреждающей модели, основанной на представлении параметров в виде лингвистических переменных с нечеткими подмножествами (L-R) — типа с функциями принадлежности в виде унимодальных и толерантных нечетких чисел.

2 Разработанную методологию анализа КСТ, основанную на теории ква-лиметрии, с использованием аддитивного метода объединения относительных разнородных показателей качества единичных свойств системы в обобщенный показатель оценки качества, отличающуюся минимизацией целевой функции обобщенного показателя качества и использованием весовых коэффициентов и экспертных оценок для определения значимости единичных свойств СУ.

3 Разработанный графо-параметрический метод исследования динамики СУ КСТ, основанный на операторном представлении модели управления, прямом и обратном преобразованиях Лапласа, построении временных характеристик переходного процесса с помощью вычислительных систем «MathCAD», «MathLAB», «LabVJEW», анализе устойчивости по критерию Рауса, оценке переходного процесса с помощью интегрального квадратического показателя качества и интегрального показателя минимума энергетических затрат с использованием для оценки энергетических затрат принципа максимума JI.C. Понтрягина.

4 Разработанные способы, модели, алгоритмы и средства управления тепловым режимом в КСТ, обеспечивающие заданную точность поддержания параметров температурного графика при минимальных энергетических затратах, защищенные 4 авторскими свидетельствами [1.4] и 10 патентами РФ на изобретения и полезные модели [92. 101].

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использования теоретических положений и методов, корректностью постановки задач при проведении исследований, согласованностью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными на реально функционирующих объектах.

Как совокупный результат выполненной автором диссертационной работы на защиту выносятся следующие научные положения:

• Новые структура и принципы управления тепловым режимом в подсистемах КСТ.

• Методология анализа КСТ по обобщенному показателю качества.

• Графо-параметрический метод исследования динамики подсистем управления КСТ.

• Модели, способы, алгоритмы и средства управления тепловым режимом в подсистемах управления КСТ.

• Результаты экспериментальных исследований отдельных подсистем.

КСТ.

Практическая значимость работы.

• Использование разработанных автором подсистем' и моделей управления тепловым режимом в локальных контурах с пиковыми теплоисточниками позволяет организовать оптимальную структуру управления КСТ.

• Применение полученных с помощью графо-параметрического метода параметров настройки контроллера управления тепловым режимом с алгоритмом в виде, изменяющейся во времени функции температурного графика позволяет учитывать пиковые возмущения температуры наружного воздуха и ТРЗ.

• Результаты экспериментальных исследований отдельных подсистем КСТ, полученные на реальных объектах, подтверждают возможность функционирования КСТ с новыми параметрами настройки контроллера.

Реализация результатов работы.

• На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований ^ на реально функционирующих объектах муниципального унитарного производственного предприятия (МУПП) «Орелгортеплоэнерго» реализованы разработанные автором" алгоритмы управления тепловым режимом в подсистемах управления КСТ. Ежегодный экономический эффект (за счет уменьшения расхода газа) составляет 52 млн руб. (приложение И).

• По результатам исследований, выполненных автором, в ЗАО «OPJI-ЭКС» выпущена опытная партия регуляторов температуры РТ-2512, параметры которых определены графо-параметрическим методом с помощью специально разработанного автором пакета прикладных программ Фортран 4 CL. Место хранения ИВЦ’ЗАО «ОРЛЭКС». Регуляторы обеспечивают экономию тепловой энергии 7% (приложение К).

• Ежегодный экономический эффект от реализации новых алгоритмов управления и оптимизации параметров настроек регуляторов на объектах Орловского отделения территориального фо^а обязательного медицинского страхования (ТФОМС) составляет (за счет уменьшения расхода газа)] 52 млн руб. (приложение И). /.

• Результаты исследований, выполненных автором~ист1Шьзуются в учебно-методическом процессе ОрелГТУ (приложение М).

Диссертационная работа выполнена в рамках проекта НК-66П «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии».

Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, доложены на: III Международном семинаре «Компьютеризация и автоматизация, учет электрической и тепловой энергии». Санкт-Петербург, 13−16 ноября 2003; III Международной специализированной выставке-семинаре «Энергосбережение в ЖКХ». Автоматизированные системы учета, контроля и управления в ЖКХ. Санкт-Петербург, 25−27 мая 2004; III Международной научно-практической интернет-конференции «Энергои ресурсосбережение — XXI век». Орел, 16−18 апреля 2005; II Международной научно — практической конференции «Энергетика и электротехника 2005″. Автоматизацияв промышленности. Санкт — Петербург, 17 — 20 мая 2005; V Международной научно» — практической интернет-конференции «Энергои ресурсосбережениеXXI век». Орел, 14−16 апреля 2006; IV Всероссийской научно-технической конференции «Автоматическое управление технологическими процессами». Санкт-Петербург, 12−15 декабря 2007; VI Международной научно-практической интернет-конференции «Энергои ресурсосбережениеXXI век». Орел, 12−14 апреля 2007; III Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве». Орел, 24−25 апреля, 2008; XVII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». Алушта, 18−25 сентября 2008; IX Международной научно-практической интернет-конференции «Энергои ресурсосбережение — XXI век». Орел, 20−22 апреля 2010; IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве». Орел, 22−23 апреля, 2010.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 67 печатных работ, в том числе 2 монографии, 15 публикаций в рецензируемых научно-технических журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4 авторских свидетельства, 5 патентов на изобретение, 5 патентов на полезную модель, 36 публикаций в рецензируемых журналах и сборниках международных и всероссийских конференций.

Личный вклад автора заключается в разработке: новой структуры КСТ и новых принципов построения подсистем управления тепловым режимом в КСТ, методологии анализа КСТграфо-параметрического метода исследования динамики СУ КСТспособов, моделей, алгоритмов и средств управления тепловым режимом в КСТ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 227 наименований, изложена на 300 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 42 таблицы и 11 приложений.