В настоящее время вопросам внедрения ресурсосберегающих технологий в России уделяется значительное внимание. Особенно остро этот вопрос стоит в районах Крайнего Севера. В качестве топлива для городских котельных используется мазут, который доставляется железнодорожным транспортом из центральных регионов России, что существенно повышает стоимость вырабатываемой тепловой энергии. Продолжительность отопительного сезона, особенно в условиях Заполярья, на 2-2,5 месяца длиннее по сравнению с продолжительностью в центральных районах страны, что связано с климатическими условиями Крайнего Севера. Снижение затрат на выработку отпускаемой потребителям тепловой энергии возможно только за счет внедрения новых технологий, оборудования, технических средств управления, а также методов оптимизации, позволяющих обеспечить экономическую эффективность работы систем теплоснабжения.
Постановка задачи
В настоящее время одной из важных задач в области теплофикации городов является создание теплоснабжающих систем с параллельной работой источников тепла на общие сети [6[. Это связано с тем, что большая часть тепловых станций работает на свои локальные сети. Случайный характер отбора тепловой энергии потребителями пара и горячей воды приводит к сложным в динамическом отношении переходным процессам во всех элементах теплоэнергетической системы. Поэтому одной из актуальных проблем на сегодняшний день является задача объединения этих локальных сетей тепловых станций (ТС) и управление потоками тепловой энергии с учетом гидравлических характеристик как самих тепловых сетей, так и потребителей энергии.
Для определения оптимальной загрузки ТС необходимо знать энергетические характеристики их парогенераторов и котельной в целом, которые представляют собой зависимость между количеством подводимого топлива и получаемой теплоты. Алгоритм определения этих характеристик включает следующие этапы:
-
Определяют тепловую производительность Q1 котлов для различных нагрузочных режимов их работы.
-
Определяют потери теплоты ∆Q с учётом КПД котлов и их полезной нагрузки.
-
Определяются нагрузочные характеристики котлоагрегатов в диапазоне от минимально допустимых до максимальных.
-
Зная изменение суммарных потерь теплоты в паровых котлах, определяют их энергетические характеристики, отражающие часовой расход условного топлива, по формуле
B = 0,0342∙(Q1 + ∆Q).
5. Используя энергетические характеристики котлов, получаем энергетические характеристики котельных (ТС), знание которых позволяет формировать управляющие решения последовательности и очерёдности загрузки котельных в течение отопительного периода, а также в летний сезон.
Создание теплоснабжающих систем с параллельной работой источников тепла на общую тепловую сеть города и на общий график тепловой нагрузки позволяет решать проблемы экономии топлива от теплофикации, осуществлять эксплуатацию котлов в режимах с оптимальными КПД [5]. Рассмотренный выше подход позволяет создавать необходимый, научно обоснованный резерв мощности ТС.
Основные задачи систем управления теплоснабжением объектов коммунальной энергетики сводятся к следующим двум:
-
надежное снабжение потребителей необходимым количеством тепловой энергии с определенными качественными показателями.
-
минимизация затрат на выработку и передачу этой тепловой энергии.
Первая задача осуществляется с помощью увязки графиков подачи с графиками использования теплоты (нагрузки) посредством системы теплообменных аппаратов.
Вторая - посредством соответствия тепловой нагрузки потребителей ее выработке, то есть при помощи планирования изменения нагрузки и снижения потерь при передаче тепловой энергии. Обеспечение увязки графиков подачи и использования теплоты должно осуществляться за счет применения локальной автоматики на промежуточных ступенях от ТС до потребителей тепловой энергии.
Для решения второй задачи в данной работе предлагается осуществлять функции оценки планируемой нагрузки и формирования задания на выработку тепловой энергии ТС, используя методы ситуационного управления на базе нечеткой логики.
Решение задачи нечеткой оптимизации методами ситуационного управления
Основным фактором, оказывающими существенное влияние на тепловую нагрузку котельных, является тепловая нагрузка, используемая на отопление зданий и на горячее водоснабжение [3]. Средний тепловой поток (в ваттах), используемый на отопление зданий, определяется по формуле:
(1)
где tom - средняя температура наружного воздуха за определенный период; t1 - средняя температура внутреннего воздуха отапливаемого помещения (температура, которую нужно поддерживать на заданном уровне); t0 - расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления; q0 - укрупненный показатель максимального теплового потока на отопление жилых и общественных зданий в ваттах на 1 м2 площади здания при температуре t0;
A - общая площадь здания; K1 - коэффициент, учитывающий тепловой поток на отопление общественных зданий (при отсутствие данных он равен 0,25).
Из формулы (1) видно, что тепловая нагрузка на отопление зданий определяется, в основном, температурой наружного воздуха.
Средний тепловой поток (в ваттах) на горячее водоснабжение зданий определяется из выражения
(2)
где m - число потребителей; a - норма расхода воды на горячее водоснабжение при температуре +55 °С на 1-го человека в сутки в литрах; b - норма расхода воды на горячее водоснабжение, потребляемой в общественных зданиях, при температуре +55 °С (принимается равной 25 литрам в сутки на одного человека); c - теплоемкость воды; tx - температура холодной (водопроводной) воды в отопительный период (принимается равной +5 °С).
Анализ выражения (2) показал, что при расчете средняя тепловая нагрузка на горячее водоснабжение получается постоянной. Реальный же отбор тепловой энергии (в виде горячей воды из крана), в отличие от рассчитанного значения, в общем виде имеет случайный характер, это связано с увеличением разбора горячей воды утром и вечером и уменьшением отбора в течение дня и ночи [5].
В системах централизованного теплоснабжения регулирование подачи теплоносителя потребителям осуществляется через центральные тепловые пункты (ЦТП) по температурному графику, отражающему в статике зависимость между температурой наружного воздуха Tи и температурами прямой Tкп и обратной Tко сетевой воды. Температурный график сетевой воды для отопительной котельной «Северная» города Мурманска приведен на рис. 1. Из опыта эксплуатации систем теплоснабжения известно, что на практике не удается обеспечить полного выполнения отопительного графика. Это объясняется рядом причин, в том числе случайным характером потребления горячей воды пользователями. Последняя причина может быть проиллюстрирована, к примеру, графиками изменения давления (рис. 2) и температуры (рис. 3) горячей воды для ЦТП № 1, которые взяты из архива системы диспетчерского контроля и управления ЦТП г. Мурманска.
Рис. 1. Температурный график сетевой воды для котельной «Северная»
Рис. 2. График изменения давления воды в ЦТП № 1 за период с 15.01 по 29.01.12, где обозначено: ГВС - горячее водоснабжение, КвП - квартальная прямая вода, КвО - квартальная обратная вода, КП - котельная прямая вода, КО - котельная обратная вода, ХВ - холодная вода
Исследования характера процессов, протекающих в системах теплоснабжения, показали, что процессы изменения давления (рис. 2) можно считать стационарными. Тогда как процессы изменения температуры (рис. 3) являются или нестационарными по математическому ожиданию (например, изменение прямой и обратной температур котельной и квартальной воды), или нестационарными по дисперсии - температура воды на горячее водоснабжение. В этой связи, характер этих процессов должен учитываться при проектировании и эксплуатации систем автоматического управления теплоснабжением [4].
Рис. 3. График изменения температуры воды в ЦТП № 1 за период с 15.01 по 29.01.12
Наиболее значимой причиной невыполнения температурного графика является влияние нагрузки по горячему водоснабжению на температуру обратной сетевой воды [1].
На рис. 4 представлен типичный график изменения температуры Tкп прямой и Tко обратной сетевой воды на коллекторе котельной. Температура прямой сетевой воды Tкп, несмотря на ее зависимость от температуры наружного воздуха, в течение суток изменяется незначительно. Так, например, за 15.01.12 колебания Tкп происходят в границах трех градусов, то есть отклонения от среднего значения Tкп составляют примерно ± 1,5 °С при расчетном значении по температурному графику 65 °С. В то же время диапазон колебаний температуры обратной сетевой воды Tкосоставляет 8,8 °С при расчетном диапазоне по температурному графику 28 °С, то есть суточные колебания Tко достигают примерно 30 процентов этого диапазона.
Причина таких колебаний температуры обратной сетевой воды кроется в принципах работы существующих систем управления ЦТП г. Мурманска. Известно, что при отсутствии разбора горячей воды, в таких ЦТП, наблюдается явление «натопа» отапливаемых помещений, в результате чего температура обратной сетевой воды повышается [6]. На графике (рис. 4) хорошо видно, что при отсутствии забора горячей воды в ночное время температура обратной сетевой воды к шести часа утра заметно повышается и постепенно понижается к вечеру (минимум Tко в районе 20-21 часа).
Температурный график (см. рис. 1) является линейной статической моделью системы теплоснабжения и не отражает имеющие в ней место сложные динамические процессы, обусловленные разнородностью потребителей, распределенностью подключений тепловой нагрузки вдоль тепловых сетей, двухступенчатым подогревом горячей воды. Перечисленные причины приводят к запаздыванию реакции температуры обратной сетевой на возмущение по температуре прямой воды, которое может быть выявлено при сравнительном анализе сглаженных часовых данных по температуре прямой и обратной сетевой воды (рис. 4). Температура прямой сетевой воды Tкп 15.01.12 примерно в 16:00 начала расти. Спустя 8 часов, начала расти температура обратной сетевой воды Tко. Такой же характер реакции Tко наблюдается и 16 января, время запаздывание здесь несколько иное - чуть больше 9 часов. Разницу во времени запаздывания можно объяснить различным временем суток. В первом случае - время вечернее, когда наблюдается интенсивный отбор горячей воды и, соответственно, переходные процессы протекают быстрее. Во втором случае - середина рабочего дня и расход воды более стабильный.
Рис. 4. Оценка времени транспортировки теплоносителя по теплосети
Существующие проблемы увязки графиков подачи и использования теплоты, нестационарный характер изменения метеоусловий и нагрузки потребителя, различные тепловые режимы у потребителей, необходимость упреждающего управления отпуска тепла с учетом метеоусловий при ограничениях на энергоресурсы предопределяют интеллектуализацию систем управления теплоснабжением.
В отличие от существующей практики за основу управления объектами в основных эксплуатационных режимах предлагается использование методов ситуационного управления. Система принятия решений реализуется на базе советующих систем с нечеткой логикой в классе «ситуация - стратегия управления - действие» [2, 4]. Нечеткая логика используется здесь для формализации нечетких понятий, определяющих нагрузку котельной, режимы работы промежуточных ступеней управления при централизованном теплоснабжении [5]. К таким понятиям относятся нечёткие лингвистические переменные сезон, месяц, день недели, время суток, температура наружного воздуха, скорость ветра. Эти факторы, оказывающие влияние на нагрузку тепловых станций, а следовательно, и на работу тепловых сетей b, представлены в таблице.
Лингвистические переменные, определяющие нагрузку котельной
|
Обозначение |
Название |
Область значений (универсальное множество) |
Термы |
|
τсез |
Сезон |
От 1 января до 31 декабря |
«лето», «осень», «зима», «весна» |
|
τмес |
Месяц |
От января до декабря |
«янв», «февр», «март», «апр», «май», «июнь», «июль», «авг», «сент», «окт», «нояб», «дек» |
|
τнед |
День недели |
Рабочий или выходной |
«рабочий», «выходной» |
|
τсут |
Время суток |
От 00:00 до 24:00 |
«ночь», «утро», «день», «вечер» |
|
Tн.в |
Температура наружного воздуха |
От -32 до +32 °С |
«ниже», «-32», «-28», «-24», «-20», «-16», «-12», «-8», «-4», «0», «4», «8», «12», «16», «20», «24», «28», «32», «выше» |
|
vв |
Скорость ветра |
от 0 до 20 м/с |
«0», «5», «10», «15», «выше» |
Для проверки работоспособности нечеткого подхода для решения задачи оценки ситуации при формировании заданий на управление ТС разработана модель блока оценки ситуации в среде MATLAB - SIMULINK, которая представлена на рис. 5. В зависимости от сезона, времени суток, дня недели, а также характеристик наружной среды, блоком оценки ситуаций осуществляется расчёт технического состояния, необходимой производительности источников тепловой энергии. Такой подход позволяет решать проблемы экономии топлива от теплофикации, увеличивать степень загрузки основного оборудования, осуществлять эксплуатацию котлов в режимах с оптимальными (наилучшими) значениями КПД [5].
Рис. 5. Модель блока оценки ситуации
Заключение
Полученные результаты моделирования и экспериментальные данные по формированию заданий и их реализации на источниках тепловой энергии и потребителях показали, что параллельная работа ТС на общие тепловые сети имеет ряд экономических и энергетических преимуществ. Повышается надёжность и маневренность теплофикационной системы. Появляется возможность отказаться от эксплуатации неэффективных котлов. Снижается удельный расход топлива за счёт эксплуатации котлов с оптимальными КПД; появляется возможность организации режимов работы котлов ТС в базовом и регулировочном режимах.
Рецензенты:
-
Совлуков А.С., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, г. Москва;
-
Середа В.И., д.т.н., профессор, проректор по информационным технологиям и дистанционному обучению МГТУ, заведующий кафедрой высшей математики и программного обеспечения ЭВМ, г. Москва.
Работа поступила в редакцию 23.07.2012.