автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация децентрализованного отопления комплекса зданий с основными схемами теплопотребления

На правах рукописи

N

СОЛДАТЕНКОВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ОТОПЛЕНИЯ КОМПЛЕКСА ЗДАНИЙ С ОСНОВНЫМИ СХЕМАМИ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород-2014

005559158

005559158

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (БГТУ им. В.Г, Шухова).

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Потапенко Евгений Анатольевич

Официальные оппоненты Еременко Юрий Иванович

доктор технических наук, профессор, СТУ НИТУ "МИСиС", заведующий кафедрой автоматизированных и информационных систем управления

Коськин Александр Васильевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО "Госуниверситет- УНПК", профессор кафедры информационных систем

Ведущая организация Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет"

Защита состоится 26 декабря 2014 г. в 13-30 на заседании диссертационного совета Д212.014.04 при Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу:

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, главный корпус, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://gos_att.bstu.ru Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан 14 ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.А. Семикопенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное развитие систем децентрализованного теплоснабжения связано с ростом объемов строительства в пригородных и сельских зонах, реконструкцией старой застройки городов и др., в результате чего возникают проблемы нехватки имеющихся мощностей централизованных источников и тепловых сетей. Строительство автономных котельных позволяет эффективнее адаптировать систему теплоснабжения к условиям потребления тепловой энергии реальными объектами, а отсутствие протяженных распределительных сетей существенно снижает потери тепла при транспортировке теплоносителя. При этом автоматизация потребителей тепловой энергии позволяет снизить максимальную температуру теплоносителя и обеспечить возможность работы нескольких источников тепла на единую сеть с возможностью эффективного функционирования каждого. Однако реконструкция и модернизация энергосистем на базе создания локальных систем автоматического регулирования (САР) отдельно стоящими зданиями в виде автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов (ИТП), в целом не дает экономии и приводит к возникновению зон с существенным избытком или недостатком тепловой энергии. Это объясняется наличием у большинства потребителей относительно недорогих тепловых узлов с водоструйными элеваторами, изначально не предназначенными для совместной работы в тепловой сети с количественным регулированием теплоносителя.

В связи с этим большое значение на современном этапе приобретает реконструкция существующих объектов теплопотребления с созданием энергоэффективных автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) и учета тепловой энергии на основе современного оборудования при решении задач о возможном совместном функционировании автоматизированных ИТП и водоструйных элеваторных узлов. Важным моментом при создании таких систем является предоставление удаленного доступа по сетям общего пользования к технологической информации с целью оперативного управления распределенными объектами.

Данное направление соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ "Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика", а также перечню критических технологий РФ "Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии", и связано с созданием современных энергоэффективных технологий по управлению энергоресурсопотреблением распределенными зданиями, энергохозяйством и инженерными инфраструктурами микрорайонов города на основе поисковых проблемно-ориентированных исследований.

Объектом исследования является система отопления комплекса зданий с автономными источниками тепла.

Предмет исследования - методы, алгоритмы и модели организации автоматизированного управления децентрализованным отоплением комплекса зданий.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности децентрализованного отопления комплекса зданий с автоматизированными ИТП и водоструйными элеваторными узлами путем управления распределенными энергосистемами.

Поставленная цель достигается при решении следующих основных

задач:

1. Анализ существующих схем теплопотребления и способов управления отоплением комплекса зданий при децентрализованном теплоснабжении.

2. Разработка математической модели системы управления отоплением здания с автоматизированным ИТП.

3. Разработка метода математического моделирования системы управления децентрализованным отоплением комплекса зданий, основанного на математических моделях распределенных энергосистем и экспериментальных исследованиях.

4. Имитационное моделирование и экспериментальные исследования управления отоплением зданий при децентрализованном теплоснабжении.

5. Разработка способа и технических решений, алгоритмов и программного обеспечения АСДУ децентрализованным теплоснабжением комплекса зданий.

Методы исследований. В работе для анализа систем отопления комплекса зданий применялись методы системного анализа, теории автоматического управления, математического и имитационного моделирования, численные методы решения дифференциальных уравнений, методы идентификации систем управления, методы структурной разработки алгоритмов и объектно-ориентированного построения программ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением адекватной математической модели и апробированной методики расчета. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается применением аттестованных средств измерения и анализом погрешности измерений. Правильность результатов работы подтверждается программной реализацией и внедрением.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан метод математического моделирования системы управления децентрализованным отоплением комплекса зданий с автоматизированными ИТП и водоструйными элеваторными узлами, основанный на имитационном моделировании и экспериментальных исследованиях;

- разработан способ управления процессом децентрализованного отопления комплекса зданий с автоматизированными ИТП и водоструйными элеваторными узлами, отличающийся управлением элеваторными узлами с

применением интеллектуального исполнительного устройства;

- установлен характер перераспределения расходов теплоносителя между зданиями комплекса с автоматизированными ИТП и водоструйными элеваторными узлами, приводящий к частичным перетопам и снижению экономии тепловой энергии;

- разработаны структуры, алгоритмы и технические решения АСДУ децентрализованным теплоснабжением комплекса зданий, реализующие энергосбережение с возможностью удаленной диспетчеризации через сеть Интернет, отличающиеся использованием технологии тонкий клиент.

Экономическая и практическая значимость работы заключается в разработанных структурах, алгоритмах, программном обеспечении (ПО) и технических решениях по управлению процессами децентрализованного отопления комплексов зданий с автоматизированными ИТП и водоструйными элеваторными узлами. Предложенные решения позволяют минимизировать затраты на разработку и эксплуатацию АСДУ теплоснабжением для реконструируемых и вновь создаваемых жилых домов, зданий и сооружений; а также обеспечивают экономию тепловой энергии порядка 15% в зависимости от климатических условий.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований, связанные с разработкой и внедрением многоуровневых АСДУ децентрализованным отоплением комплексов зданий с автоматизированными ИТП и водоструйными элеваторными узлами, вошли в состав следующих проектов: модернизированная АСДУ распределенными энергосистемами комплекса зданий БГТУ им. В.Г. Шухова, АСДУ комплекса зданий НИУ БелГУ по ул. Студенческая, АСДУ инженерными системами учебно-спортивного комплекса НИУ БелГУ, АСДУ комплекса котельных ОАО "КМАпроектжилстрой".

Разработанные математические модели управления отоплением зданий, алгоритмы, структуры, схемные решения и программное обеспечение АСДУ распределенными энергосистемами используются в учебном процессе выпускающей кафедры электротехники и автоматики БГТУ им. В.Г. Шухова в рамках специализированных дисциплин.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационные исследования соответствуют паспорту специальности 05.13.06-Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство) по областям исследования - пп. 4, 5,15.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: V школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова "Проблемы тепломасообмена и гидродинамики в энергомашиностроении" (Казань, 2006); Международная научно-практическая конференция "Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии (XVIII научные чтения)", (Белгород, 2007); XV Всероссийская научно-методическая конференция "Телематика 2008" (Санкт-Петербург, 2008); Международная

научно-техническая Интернет-конференция "Новейшие технологии в электроэнергетике" (Харьков, 2009); XXIII Международная научная конференция "Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23" (Саратов, 2010); VI Международная конференция по проблемам горной промышленности и энергетики "Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики" (Тула, 2010); Международная научно-техническая конференция "Современные сложные системы управления X" (Ст. Оскол, 2012) и др.

Связь с научно—техническими и другими программами. Диссертационная работа выполнялась в рамках гранта по совместной программе Минобрнауки России и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере "Студенты, аспиранты и молодые ученые - малому наукоемкому бизнесу - ползуновские гранты" -"Повышение эффективности управления теплопотреблением комплекса зданий с автономными источниками тепла"; гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе "УМНИК" - "Разработка имитационной модели и программного обеспечения системы управления отоплением зданий при различных схемах теплопотребления" (проект № 16816) и "Разработка автоматизированной системы управления отоплением комплекса зданий" (проект № 1279ГУ 2/2013); гранта Белгородского ОФПМСП по программе "Реализация иных мероприятий субъектов РФ по поддержке и развитию малого предпринимательства" - "Разработка системы управления теплоснабжением комплекса зданий" (проект № 8-ИГ от 17.08.2011).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 26 печатных работах, в том числе - одна монография, десять научных статей, опубликованных в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, три научные статьи, опубликованные в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Украины. Получено два свидетельства Российской Федерации о регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад соискателя. Все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результаты исследований получены автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии.

На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну работы, способ управления и технические решения, алгоритмы и программное обеспечение АСДУ децентрализованным теплоснабжением комплекса зданий с автоматизированными ИТП и водоструйными элеваторными узлами.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, включающего 26 таблиц, 85 рисунков, список литературы из 144 наименований, и шести приложений на 42 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна, практическая значимость и внедрение результатов работы, сформулированы положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе приведен анализ современного состояния в области децентрализованного теплоснабжения зданий, выявлены основные возмущающие воздействия, влияющие на температурный режим помещений, представлены основные способы и принципы автоматического регулирования отопления. Рассмотрены основные существующие схемы теплопотребления зданий: зависимое присоединение со смешением теплоносителя на основе водоструйного элеваторного узла, зависимое и независимое присоединение с установкой насоса и регуляторов прямого действия, схемы автоматизированных ИТП с зависимым и независимым присоединением к тепловым сетям, индивидуальное и пофасадное регулирование; показаны их преимущества и недостатки. Представлены особенности автоматизации децентрализованного отопления комплексов зданий с различными гидравлическими схемами и различным объемом теплоносителя, в т. ч. способы сепарации контуров отопления и защиты котлов от понижения температуры возвращаемого теплоносителя — применение смесительных клапанов, насосов и гидравлических стрелок.

Выполнен обзор существующих методов и математических моделей расчета систем теплоснабжения зданий, описаны преимущества имитационного моделирования. Отмечено, что вопросы автоматизации процесса отопления рассматривались в работах Н.М. Зингера, В.И. Ливчака, А. Мировски, Е.Я. Соколова, Ю.А. Табунщикова, С.А. Чистовича, а также ведущих специалистов МЭИ (технический университет) и др.

В результате отмечено, что системы отопления зданий гидравлически неустойчивы и требуют постоянного по величине расхода теплоносителя. Изменение расхода ведет к гидравлической разрегулировке системы -теплоноситель прекращает поступать в отдельные стояки, и отопление подключенных к ним потребителей прекращается. При этом известные методы защиты систем теплопотребления от неблагоприятных гидравлических режимов работы тепловых сетей и используемые приборы не исключают их безаварийную работу. Также представлены особенности современных промышленных АСДУ теплоснабжением комплексов зданий и отмечено, что в последнее время принципиально новым подходом стало создание удаленных автоматизированных рабочих мест (АРМ), связанных с технологическим процессом через сеть Интернет на базе №еЬ8САОА. Показаны основные способы организации совместной работы АСДУ на уровне человеко-машинного интерфейса и сети Интернет: отправка электронных сообщений, генерация НТМЬ-отчетов, технологии "толстый" и "тонкий" клиент. На основании выводов, сделанных из проведенного

анализа, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена разработке метода математического моделирования системы управления децентрализованным отоплением комплекса зданий, основанного на математических моделях распределенных энергосистем и экспериментальных исследованиях.

' На основе выполненного анализа и структуры типового ИТП с зависимым присоединением к источнику тепла, разработана обобщенная функциональная схема управления отоплением здания с автоматизированным ИТП, представленная на рисунке 1. Схема содержит следующие элементы: БК - блок погодной компенсации (управление по возмущению); БР - блок регулирования (управление по отклонению); БЗ — блок защиты (контроль допустимого диапазона температуры теплоносителя в обратном трубопроводе); БП — блок логического переключения входных сигналов и и х2 в зависимости от температуры Т02 ; П1 — ПЗ элементы-преобразователи выходных величин (сопротивлений) датчиков температуры Д1 - ДЗ в измеряемые ими физические величины (температуры); исполнительный механизм ИМ в виде электродвигателя с постоянной частотой вращения вала; регулирующий орган РО в виде седельного клапана; узел смешивания теплоносителей УС от присоединяемых тепловых сетей и от обратного трубопровода системы отопления здания через перемычку с обратным клапаном; объект управления ОУ (система отопления здания).

Рисунок 1. Функциональная схема управления отоплением здания с ИТП

Обозначения основных величин функциональной схемы: Г3 -температура наружного воздуха; Г3* - преобразованная температура наружного воздуха; Т0 - расчетная температура теплоносителя в подающем трубопроводе системы отопления здания; Та — управляющее отклонение температуры теплоносителя в подающем трубопроводе системы отопления здания (задается диспетчером для коррекции Т0); е - отклонение по температуре величины Т0и хг — приведенный управляющий сигнал блока регулирования БР; V - выходной сигнал блока переключения БП; Хт, -приведенная величина перемещения РО; С\ - расчетный расход теплоносителя через РО; Тх — температура теплоносителя на вводе в ИТП, формируемая котловой установкой в зависимости от Т3; Т01 и Т02 -

температуры теплоносителя соответственно в подающем и обратном трубопроводах системы отопления здания; Г01 и Тог - преобразованные температурь, Г„, и Т02 соответственно; Й.-Лэ - выходные сопротивления датчиков температуры Д1-ДЗ; н, и щ - управляющие сигналы блока БЗ, задающие перемещение ИМ в сторону открытия или закрытия ги соответственно; и - выходной сигнал блока БЗ.

Исходя из экспериментальных исследований и с учетом закона сохранения теплоты в УС, динамические свойства системы отопления здания по каналу регулирования "Ог702" описываются системой уравнении (1). Следовательно, задача управления отоплением сводится к регулированию температуры Г01 в системе отопления за счет смешивания теплоносителей с температурами Т\ и Т02. Следует отметить, что величина Г02, подвержена различным возмущениям, в первую очередь - условиям окружающей среды. Анализ экспериментальных данных показывает, что параметры к, т„ г2 незначительно изменяются и зависят от температуры Г3.

G0lO

f.r/'y + fr, + = kTn(t).

(1)

Л2 " dt

Разработана математическая модель управления отоплением здания с автоматизированным ИТП в виде структурной схемы с переменной структурой, представленная на рисунке 2. Схема содержит следующие основные блоки: СБ 1.1 - блок погодной компенсации (управление по возмущению); СБ 1.2 - блок регулирования температуры по отклонению, СБ1 3 - блок защиты и переключения (контроль температуры Г02 и внешнее управление); СБ2 - блок ИМ; СБЗ - блок РО; СБ4 - узел смешивания теплоносителей; СБ5 - объект управления (система отопления здания). СБ 1.2

СБЗ

(I1S*1)(ES+1)_

Gt-K")

Рисунок 2 Математическая модель управления отоплением здания с автоматизированным ИТП в виде структурной схемы В современных системах регулирования расхода теплоносителя широкое применение находят электродвигатели с постоянной частотой

вращения вала, которые могут находиться только в трех состояниях: перемещение РО в прямом или обратном направлении, и неподвижность. Известно, что с помощью импульсного регулирования можно приближенно реализовать П- и ПИ-законы. Однако при реализации регулятора с интегрированным ИМ современными контроллерами, возможно достаточно точное решение дифференциальных уравнений (например, методом Дормана-Принса), при этом отпадает необходимость применения обратных связей в виде датчиков положения. Дополнительные обозначения на схеме (см. рисунок 2) следующие: Xj - зона нечувствительности; Хр - полоса пропорциональности, выраженная в единицах температуры; к„„ Ти — коэффициенты регулятора; т„, к„ — коэффициенты ИМ; //0 — начальное значение положения штока регулирующего клапана ИМ (от 0 до к,,,).

Для определения расходов теплоносителя Gjj на вводе каждого здания выполняется гидравлический расчет, основанный на применении законов неразрывности струи и сохранения энергии — аналогов уравнений Кирхгофа:

(2)

п m

2 S/OGyiOjG,, <0| - £ «i(0 = 0,

где G\j — расход теплоносителя на вводе j-го здания, G„ — суммарный расход теплоносителя в гидравлической системе комплекса п зданий, S) -гидравлическое сопротивление системы отопления у-го здания, Н, — напор <го сетевого насоса источника тепла.

Т.к. расходы теплоносителя на вводах тепловых узлов комплекса зданий зависят от положений штоков регулирующих клапанов в ИТП и изменяются во времени в соответствии с логикой работы локальных контроллеров, то гидравлические сопротивления систем отопления целесообразно определять экспериментально. В случае совместного применения ИТП и водоструйных элеваторных узлов при изменении сопротивления системы отопления любого здания с ИТП, произойдет перераспределение теплоносителя между всеми зданиями комплекса, что может привести к разрегулировке системы теплоснабжения, ухудшению эффективности ее функционирования, и к снижению экономии тепловой энергии. Следует отметить, что такой эффект зависит от общего расхода теплоносителя Gu в гидравлической системе комплекса зданий в установившемся режиме, и определяется совмещением характеристик сетевых насосов источника тепла и отопительной сети.

Основа и методика применения разработанного математического метода моделирования системы управления децентрализованным отоплением комплекса зданий, содержащего п систем отопления с автоматизированными ИТП и m систем отопления с водоструйными элеваторными узлами, представлены во второй главе. При этом для всех п+пг зданий проводится

параметрическая идентификация систем отопления и экспериментально определяется влияние температуры наружного воздуха Г3 на коэффициенты К гь г2 уравнений движения объектов управления; для каждого /-го здания с автоматизированным ИТП применяются модель, представленная на рисунке 2, а для каждогоу'-го здания с водоструйным элеваторным узлом — во второй главе; экспериментально определяются гидравлические сопротивления систем отопления и с учетом характеристики сетевых насосов источника тепловой энергии определяются расчетные расходы теплоносителя на вводе всех п+т зданий.

Третья глава посвящена разработке имитационной модели, экспериментальным исследованиям и моделированию управления отоплением комплекса зданий при децентрализованном теплоснабжении.

Исходя из анализа экспериментальных динамических характеристик систем отопления зданий, выполнена параметрическая идентификация с глубиной выборки N=500 значений и периодом дискретизации г0=115 с. В результате были получены оценки параметров моделей ОУ исследуемых комплексов зданий по каналам регулирования "Г01-Г0г ■

На основе разработанной модели исследовалось влияние параметров различных ИМ с РО при переходе ИТП здания в режим пониженного теплопотребления (Та=5°С). Сравнительные результаты имитационного моделирования (см. рисунок 3) показывают, что увеличение быстродействия ИМ приводит к функционированию его электродвигателя в режиме частого срабатывания. Однако переходные процессы колебательного типа в системе должны быть исключены, так как они способствуют преждевременному выходу из строя электродвигателя ИМ.

60

S

| 60

- подающий трубопровод ■■ обратный трубопровод \

1 -подающий трубопровод г обратный трубопровод

I-

>

— --ш*-

00.00 00.15 00:30 00 45 01:00 01:15 время, чэс:мин

00:15 00:30 00:45 01:00 01:15 01:30 время, чэс:мин

Рисунок 3. Зависимости изменения температур теплоносителя в системе отопления здания с применением ИМ AME 20 (а) и AME 30 (б)

Длительность перехода в новое установившееся состояние для Т02 превышает 1,5 ч, и определяется переходными процессами в системе отопления. В исследуемом случае для ИМ AME 20 и AME 30 (Danfoss,

Дания) перерегулирование температуры Т0[ составляет 0,93% и 6,25%, а расчетное потребление тепловой энергии 1,16256 ГДж и 1,1623 ГДж соответственно. Следовательно, при замене ИМ необходимо изменять настроечные коэффициенты блока регулятора БР (например Т„).

Разработанная модель применялась для исследования системы управления децентрализованным отоплением комплекса трех и пяти зданий с применением ИТП и водоструйных элеваторных узлов в двух вариантах: со стабилизацией общего расхода С„ в системе (например, при наличии других инженерных систем), и без стабилизации. Исследуемый процесс характерен для автоматизированных систем управления теплопотреблением при программном снижении температуры в ночное время, в выходные и праздничные дни, быстром натопе в помещениях, ограничении максимальной и минимальной температур теплоносителя в системах и др.

В первом комплексе трех зданий рассчитывается перераспределение расходов теплоносителя между системами отопления. ИТП зданий 11 и 12 переводятся в режим пониженного теплопотребления на 3°С и 2°С соответственно. За счет контура стабилизации температуры Т0] в ИТП расход теплоносителя Оп2 уменьшается на 1,68 м3/ч (14,3 %), С„4 уменьшается на 1,54 м3/ч (9,9 %). В здании 13 с водоструйным элеваторным узлом расход Ся1 напротив, увеличивается на 3,22 м3/ч (46 %) для варианта 1 (см. рисунок 4, а), и увеличивается на 0,02 м3/ч (0,3 %) для варианта 2.

1 — здание 21

2 -здание 22 Ибг

3 — здание 23 Ибг

4 —• здание 24 //г*

5...... здание 25 '/1'25

J-

I~

00:00 00:15 00:30 00:45 01:00 01:15 01:30 01:45 арвглр. чэс:мин

00:00 00:15 00:30 00-45 01:00 01:15 01:30 01:45 время, уас:мим

Рисунок 4. Зависимости изменения расходов теплоносителя на вводе в тепловые пункты комплекса трех зданий (а) и тепловой мощности комплекса пяти зданий (б)

Результаты экспериментальных исследований перераспределения расходов теплоносителя в системе отопления комплекса трех зданий в установившемся режиме представлены в таблице 1. Относительная погрешность расчетного определения расхода не превышает ± 5 %.

Во втором комплексе пяти зданий рассчитывается потребление тепловой энергии. Здание 22 с ИТП, обладающее наибольшей тепловой нагрузкой, переводится в режим пониженного теплопотребления на 3 °С;

остальные здания - оборудованы элеваторными узлами. Из анализа

изменений тепловых мощностей IV за время моделирования (см. рисунок 4, 6)

следует, что для здания 22 Ж22 скачкообразно снижается на 0,0816 МВт,

после чего экспоненциально возрастает на 0,0633 МВт. В первом варианте в

установившемся режиме 1У21 увеличивается на 0,0149 МВт, \У2Ъ

увеличивается на 0,0121 МВт, 1Г24 увеличивается на 0,0066 МВт,

увеличивается на 0,00828 МВт. Во втором варианте перераспределение

расходов незначительно, и в установившемся режиме 1У2Х увеличивается на

0,0002 МВт, 1Г23 увеличивается на 0,0001 МВт, 1Г24 увеличивается на

0 0001 МВт, 1У25 увеличивается на 0,00006 МВт. ' ■> J Таблица 1

Экспериментальные значения расхода теплоносителя в системе отопления 3-х зданм;

С„ = сог^

б,, * СО!^

Расход теплоносителя, м /ч

Здание 11

10,2

10,2

Здание 12

13,3

13,2

Здание 13

10,6

7,0

В пределах длительности имитационного моделирования оценивалось потребление тепловой энергии каждым зданием. Значения расчетной потребляемой тепловой энергии представлены в таблице 2. При этом, у, тепловая энергия без изменения режима работы тепловых пунктов; (¿2 тепловая энергия с учетом перехода ИТП здания 22 в режим пониженного потребления для варианта 1; тепловая энергия с учетом перехода ИТП здания 22 в режим пониженного потребления для варианта 2. Таблица 2

О и ГДж ГДж Ом ГДж АОп=Ог-Ол А Ог^ОъОл

1,7886 1,9517 1,7899 0,1631 0,0013

2,6500 2,3444 2,3444 -0,3056 -0,3056

1.4526 1,5851 1,4537 0,1325 0,0011

0,7830 0,8544 0,7836 0,0714 0.0006

Здание 25 0,9994 1,0905 1,0000 0,0911 0.0006

Из анализа результатов следует, чт ^ш.^ал ----" „ 0/ ч

отношению к общей нагрузке комплекса максимальна, и равна 34,53 /о. За счет внедрения автоматизированного ИТП для здания 22 абсолютная экономия тепловой энергии составляет 0,3056 ГДж, а относительная 3,98 /о по отношению ко всему комплексу зданий. Общая экономия тепловой энергии во 2-м варианте, не смотря на увеличение расхода теплоносителя в нерегулируемых тепловых пунктах, составляет 0,3020 ГДж (3,94*). 1"М варианте наблюдается незначительный перерасход тепловой энергии 0 1525 ГДж (1 99 %), даже при внедрении автоматизированного И111 для здания с наибольшей тепловой нагрузкой. Это обусловлено значительным увеличением расходов теплоносителя в зданиях с водоструйными элеваторными узлами, и снижением перепада температур теплоносителя между подающим и обратным трубопроводами в ИТП здания 22 на 5,0 /о.

Четвертая глава посвящена разработке способа управления и технических решений, алгоритмов и программного обеспечения АСДУ децентрализованным теплоснабжением комплекса зданий с автоматизированными и неавтоматизированными тепловыми узлами.

При управлении распределенными потребителями энергии применение двухуровневой структуры АСДУ нецелесообразно, т.к. локальное оборудование нижнего уровня, не смотря на наличие цифровых интерфейсов связи, не поддерживает стандартные протоколы коммуникации и способно работать в сетях с ограниченным набором сетевых топологий. Для эффективного управления и преодоления этих ограничений разработана структура трехуровневой АСДУ энергопотреблением комплекса зданий при децентрализованном теплоснабжении с возможностью доступа через сеть Интернет на основе технологии тонкий клиент, представленная на рисунке 5.

Рисунок 5. Структура АСДУ энергопотреблением распределенными объектами

АСДУ энергопотреблением зданий структурно содержит 3 уровня:

1. Нижний уровень - включает энергоэффективиое регулирующее оборудование ИТП (электронные регуляторы, клапаны с ИМ, и т.д.), теплосчетчики с комплектом датчиков, счетчики холодной воды, электросчетчики, и т.д. Также могут быть задействованы дополнительные контроллеры, выполняющие специализированные функции: мониторинг значений с дополнительных датчиков, управление регуляторами в зависимости от внешних воздействий, оценка аварийных ситуаций по показаниям датчиков, управление клапанами и/или электроприводами и т.д.

2. Средний уровень - включает программируемые контроллеры и специальное программное обеспечение (диспетчер данных на рисунке 6, а). На этом уровне осуществляется сбор информации с устройств нижнего

уровня по специализированным протоколам, ее предварительная обработка и передача по стандартному протоколу вверх по иерархии; а также передача управляющих команд на контроллеры нижнего уровня.

3. Верхний уровень - включает специализированное ПО с возможностью удаленной диспетчеризации через сеть Интернет по технологии тонкий клиент, управляющее ПО с функциями автоматизированного управления системой теплопотребления зданий, СУБД для хранения архивной технологической информации, и локальную SCADA-систему с поддержкой ОРС. На этом уровне осуществляется основная обработка информации с распределенных объектов, регулирование работы энергосистемы, документирование данных, и динамическое отображение информации удаленным клиентам по протоколу HTTP в стандартный вео-браузер (см. рисунок 6, б). Поскольку функции управления, как правило, принадлежат главному специалисту организации, то управляющие АРМ размещаются в защищенной локальной среде, а клиенты через Интернет работают в режиме мониторинга.

а 6 ,,,

Рисунок 6. Диспетчер данных (а) и экранная форма АРМ для одного из корпусов (о)

Для повышения эффективности функционирования системы теплоснабжения комплекса зданий с автоматизированными ИТП и элеваторными узлами необходимо управлять расходом теплоносителя на вводе элеваторных узлов в зависимости от температуры наружного воздуха и коэффициентов настройки регуляторов в зданиях с ИТП. Основные схемные решения и математическая модель системы управления для элеваторных узлов представлены в главе 4. Разработанное управляющее ПО, написанное на Microsoft Visual Studio 2010 (С++) в виде отдельного программного модуля, реализует управление отоплением всего комплекса здании согласно алгоритму, представленному на рисунке 7. Получение текущих значении переменных, характеризующих состояние зданий с ИТП и элеваторными узлами, осуществляется путем обращения по специальному разработанному протоколу к диспетчеру данных.

управление кпапгмом 1

1

*г

уирзяпение клапэном

Рисунок 7. Упрощенная блок-схема алгоритма работы управляющего ПО В приложениях к диссертации приведены результаты ?рТгмеИнтГТаЛЬНЫХ ИССЛеДОВ™ ™ отопления комплексов« аХа'оГГИНГОВ ТГРаММ' ПРИМ6Р запроса/ответа

ГбликаГГ о "Р Ла °бМеНа инФ°Рма™ наименования рукописных сввдстельств Г" Р^таты НИР по данной тематике, копии

внедрГшТгяу ГУ РСТВе/Н0Й РеГИСТраЦИИ пРогРамм Д™ ЭВМ и акты внедрения АСДУ энергоснабжением зданий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан метод математического моделирования системы управления децентрализованным отоплением комплекса зданий, основанный на математических моделях распределенных энергосистем и экспериментальных исследованиях, позволяющий определять параметры теплоносителя при изменении температуры наружного воздуха, качественном регулировании тепла в автономных источниках, количественном регулировании в автоматизированных ИТП и др. Метод позволяет исследовать взаимодействие автоматизированных ИТП и водоструйных элеваторных узлов с целью повышения эффективности управления распределенными энергосистемами зданий.

2. По результатам экспериментальных исследований систем отопления зданий были определены оценки параметров модели объектов управления, и показано, что коэффициент преобразования к находится в интервале (0,784 ... 0,906), постоянные времени т, - (59,0 ... 305,6) с, х2 -(565,2 ... 2536,6) с. Параметрическая идентификация выполнялась с глубиной выборки 500 значений, периодом дискретизации т0= 115 с, а наибольшее значение функции потерь £ = 0,120987. Однако найденные значения параметров модели в процессе функционирования системы могут незначительно изменяться, например, из-за изменений температуры

наружного воздуха.

3. В математическом пакете МАТЬАВ 7.10 (112010а) с использованием модуля расширения БтиНпк разработана структура имитационной модели системы управления децентрализованным отоплением комплекса зданий с автоматизированными ИТП и водоструйными элеваторными узлами. В результате имитационного моделирования

установлено следующее:

- применение в автоматизированном ИТП ПИ- или И-регуляторов с различными значениями коэффициентов настройки Ха, Хр, Х„, не оказывает существенного влияния на теплопотребление здания (31,82 МДж или 2,7 %), что связано с инерционностью системы отопления, но приводит к изменению

перерегулирования (до 4,8 %);

- задание зоны нечувствительности Ха=\°С приводит к уменьшению колебательности по каналу регулирования - То," с 4-х до 2-х, но вносит статическую ошибку; расчетное потребление тепловой энергии снижается на 2,4% (до 1134,68 МДж), что объясняется уменьшением температур Г01 и Т02 на величину статической ошибки до 53,7 и 43,1 °С соответственно;

- в рабочем интервале изменения Хр и Х„ можно выделить три зоны различных диапазонов настройки коэффициентов регулятора, определяющие характер переходного процесса - монотонный, апериодический и колебательный; при уменьшении точности с ±0,5 до ±1 °С максимальная колебательность в системе уменьшается с 198 до 91, а диапазон настроек для

апериодического характера переходных процессов увеличивается с 14,78 до 85,12 %, для колебательного - снижается с 82,46 до 10,92 %.

4. Показано, что для комплекса трех зданий с различными инженерными системами зданий изменение расхода &'1; через любой автоматизированный объект приводит к перераспределению расходов теплоносителя между распределенными объектами, определяющемуся их гидравлическими сопротивлениями (зависят от положения штоков регулирующих клапанов в локальных САР). При отключении 1-го ИТП расход в здании с элеваторным узлом увеличивается на 6 %, отключении 2-го ИТП - увеличивается на 8 %, а одновременно двух ИТП — увеличивается на 28 %. В нерегулируемых системах отопления это приводит к перетопу, а в целом по комплексу зданий - к снижению экономии тепловой энергии.

5. Для комплекса трех зданий с двумя автоматизированными ИТП и одним элеваторным узлом установлено, что при переходе ИТП в режим пониженного теплопотребления (на 3 и 2 °С), расход теплоносителя в первом здании снижается на 14,33 %, во втором здании — на 9,97 %, а в здании с элеваторным узлом - увеличивается на 46 %. Экспериментальные исследования показывают, что наибольшая относительная погрешность при моделировании не превышает ±5 %.

6. В результате имитационного моделирования системы отопления комплекса пяти зданий с двумя автоматизированными ИТП и тремя элеваторными узлами было установлено, что при переходе ИТП зданий с наибольшей тепловой нагрузкой (56,9 %) в режим пониженного теплопотребления (на 3 °С), общая экономия тепловой энергии зданиями с автоматизированными ИТП составляет 6,28 % от суммарного потребления тепла комплексом зданий. При стабилизированном сетевом расходе перерасход тепла составил 3,81 %, а при изменяющемся — экономия составила 6,22 %.

7. При реконструкциях существующих систем теплопотребления зданий с водоструйными элеваторными узлами необходимо учитывать, что частичное создание автоматизированных ИТП для комплекса здании приведёт к заметной экономии тепловой энергии при различных режимах работы систем теплопотребления только с применением сетевых насосов без систем стабилизации общего расхода, либо сбросом излишка теплоносителя в тепловые сети.

8. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение среднего уровня АСДУ в виде отдельного модуля — диспетчера данных (свидетельство 2014614331 РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ), позволяющего организовать централизованное взаимодействие между контроллерами и устройствами нижнего уровня с одной стороны, и управляющим программным обеспечением верхнего уровня, ууеЬ-сервером, и СУБД с другой.

9. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение верхнего уровня АСДУ теплоснабжением комплекса зданий, включая

автоматизированное рабочее место диспетчера с возможностью удаленной диспетчеризации через сеть Интернет по технологии тонкий клиент. На основе предложенного метода разработан способ управления процессом децентрализованного отопления комплекса зданий с автоматизированными ИТП и водоструйными элеваторными узлами, обеспечивающий согласованное управление температурными режимами зданий в зависимости от температуры наружного воздуха. На алгоритмы и программное обеспечение в составе управляющей подсистемы верхнего уровня АСДУ, реализующей способ, получено свидетельство 2014614330 РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ.

10 В результате внедрения разработанных АСДУ распределенными энергосистемами комплексов зданий БГТУ им. В.Г. Шухова, НИУ Б ел ГУ, учебно-спортивного комплекса НИУ БелГУ, комплекса котельных ОАО "КМАпроектжилстрой", была подтверждена высокая эффективность использования предложенных решений для управления энергохозяйством распределенных объектов. За счет эффективного управления теплоносителем и экономии тепловой энергии экономический эффект для ОАО "КМАпроектжилстрой" составил 1,5 млн руб., а для БГТУ им. В.Г. Шухова -порядка 2500 Гкал. Можно прогнозировать, что в случае теплой зимы и/или переходных периодов отопительного сезона (осень/весна) экономия тепловой энергии будет больше.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монография

1. Потапенко Е. А. Особенности управления процессом отопления распределенного комплекса зданий: монография / Е.А. Потапенко, A.C. Солдатенков. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. - 163 с.

В изданиях из списка ВАК РФ

2. Потапенко А.Н. Автоматизированное управление процессом централизованного теплоснабжения распределенного комплекса зданий с учетом моделирования этих процессов / А.Н. Потапенко, Е.А. Потапенко, A.C. Солдатенков, А.О.Яковлев // Известия высших учебных заведении. Проблемы энергетики. - 2007. - № 7-8. - С. 120-134.

3 Солдатенков A.C. Инновации в автоматизированных системах централизованного и децентрализованного теплоснабжения зданий образовательного назначения / A.C. Солдатенков, Е.А.Потапенко, А О. Яковлев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук.-2010.-Т. 12, №4 (3).-С. 618-622.

4. Потапенко Е.А. Исследование алгоритмов управления процессом отопления здания с зависимым теплоснабжением / Е.А.Потапенко, A.C. Солдатенков, А.О. Яковлев // Научно-технические ведомости СПБ ГГ1У.

-2011.-№2-С. 74-78.

5 Потапенко Е А. Возможности исследования процессов отопления распределенного комплекса зданий на основе стратифицированной модели

теплоснабжения / Е.А. Потапенко, A.C. Солдатенков // Известия Самарского научного центра РАН. - 2011. - Т. 13, №1 (2). - С. 467-471.

6. Потапенко Е.А. Разработка структуры автоматического регулятора в системах теплоснабжения зданий и сооружений для повышения энергосбережения / Е.А. Потапенко, A.C. Солдатенков // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2011. -№2. - С. 155-160.

7. Потапенко А.Н. Математическое моделирование процессов отопления распределенного комплекса зданий при различных схемах теплопотребления / А.Н. Потапенко, A.C. Солдатенков, Е.А. Потапенко // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2011-Т.13, №4 (4). - С. 998-1002.

8. Солдатенков A.C. Разработка и исследование математической модели управления автоматизированным индивидуальным тепловым пунктом / A.C. Солдатенков, А.Н. Потапенко, С.Н. Глаголев // Научно-технические ведомости СПБ ГПУ. - 2012. - №1 (140) - С. 41-48.

9. Потапенко А.Н. Математическое моделирование управления процессом теплопотребления комплекса зданий / А.Н. Потапенко, A.C. Солдатенков, С.Н. Глаголев// Научно-технические ведомости СПБ ГПУ. -2012.-№2(145)-С. 71-80.

10. Потапенко Е.А. Исследование математической модели управления автоматизированным индивидуальным тепловым пунктом с типовыми регуляторами / Е.А. Потапенко, A.C. Солдатенков, А.Н. Потапенко, С.Н. Глаголев// Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2012. - Т. 14, №1 (2). - С. 679-684.

11. Потапенко А.Н. Особенности математической модели управления комплексом зданий с распределёнными энергосистемами / А.Н. Потапенко, A.C. Солдатенков, Е.А. Потапенко, С.Н. Глаголев // Известия Самарского научного центра РАН. - 2012 - Т. 14, №1 (2). - С. 672-678.

В изданиях из списка ВАК Украины

12. Потапенко А.Н. Особенности управления распределенным комплексом зданий с возможностью энергосбережения / А.Н. Потапенко, A.C. Солдатенков, А.О. Яковлев // Св1тлотехнжа та електроенергетика. -2009.-№1 (17).-С. 36-41.

13. Солдатенков A.C. Исследование процессов перераспределения энергоносителя при частичной автоматизации распределенного комплекса зданий / A.C. Солдатенков, А.Н. Потапенко // Свплотехшка та електроенергетика. - 2009. - №2 (18). - С. 4-8.

14. Солдатенков A.C. Возможности применения систем управления электроприводами на базе контроллеров в индивидуальных тепловых пунктах / A.C. Солдатенков, А.Н. Потапенко, H.A. Семилетов // Вюник Нащонального техшчного ушверситету "ХПГ. Зб1рник наукових праць. Сергя: Проблеми автоматизованого електроприводу. Teopitf i практика. - X.: НТУ "ХПГ. - 2013. № 36 (1009). - С. 433-434.

В других изданиях

15. Потапенко А.Н. Экспериментальные исследования и разработка математической модели управления процессом отопления распределенного комплекса зданий / А.Н.Потапенко, Е.А.Потапенко, A.C. Солдатенков, А.О.Яковлев // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении. V Школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е.Алемасова, 3-9 сентября 2006: Материалы докладов. -Казань: Исслед. центр пробл. энерг. КазНЦ РАН, 2006. - С. 192-195.

16. Потапенко А.Н. Управление процессом теплоснабжения зданий с возможностью имитационного моделирования / А.Н. Потапенко, A.C. Солдатенков, А.О. Яковлев // Сб. докл. Междунар. науч.-пракгич. конф. "Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии (XVIII научные чтения)'". - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. - С. 102-106.

17. Потапенко А.Н. Особенности имитационного моделирования управления процессом теплоснабжения зданий с учетом экспериментальных данных / А.Н.Потапенко, A.C. Солдатенков, А.О.Яковлев // Сб. докл. Междунар. науч.-практич. конф. "Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии (XVIII научные чтения)". - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. - С. 98-101.

18. Солдатенков A.C. Возможности моделирования управления процессом теплоснабжения зданий // Сб. трудов Международной научно-практической конференции "Образование, наука, производство и управление". - Старый Оскол: СТИ МИСиС, 2007. - Т.З. - С. 95-98.

19. Белоусов A.B. Особенности математической модели управления распределенными энергосистемами с учетом локального энергоисточника / A.B. Белоусов, А.Н. Потапенко, A.C. Солдатенков И Труды XV Всероссийской научно-методич. конф. "Телематика' 2008". - СПб.: Изд-во С-ПГИТМО, 2008. - Т. 1, Секция А,В,С. - С. 34-36.

20. Солдатенков A.C. Исследование процессов перераспределения энергоносителя при частичной автоматизации распределенного комплекса зданий / A.C. Солдатенков, А.Н.Потапенко // Сборник материалов Международной научно-технической Интернет-конференции "Новейшие технологии в электроэнергетике" - Харьков: Изд-во ХН АГХ, 2009 - С. 78-79.

21. Потапенко А.Н. Особенности управления распределенным комплексом зданий с возможностью энергосбережения / А.Н.Потапенко, A.C. Солдатенков, А.О.Яковлев // Сборник материалов Международной научно-технической Интернет-конференции "Новейшие технологии в электроэнергетике". - Харьков: Изд-во ХНАГХ, 2009. - С. 68-70.

22. Солдатенков A.C. Особенности математической модели управления процессом отопления здания / A.C. Солдатенков, Е.А. Потапенко // Математические методы в технике и технологиях - ММТ-23. Сборник трудов XXIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т. 9. Секция 10 / под общ. ред. В С. Балакирева. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 26-29.

23.Солдатенков A.C. Имитационное моделирование и экспериментальные исследования автоматизированной системы управления теплоснабжением комплекса зданий / A.C. Солдатенков, А.О. Яковлев // VI Международная конференции по проблемам горной промышленности и энергетики. Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики. Материалы конференции. Т.1 / под ред. проф. P.A. Ковалёва. - Тула: Тульский ГУ, 2010. - С. 419-426.

24. Солдатенков A.C. Повышение эффективности управления теплопотреблением комплекса зданий с автономными источниками тепла / A.C. Солдатенков, Е.А. Потапенко // Ползуновский альманах. - 2010. - №2. -С. 303-307.

25. Солдатенков A.C. Математическое моделирование процесса отопления здания на базе автоматизированного теплового пункта / A.C. Солдатенков // Сб. материалов Международной научно-технической конференции "Современные сложные системы управления X" — Старый Оскол: СТИ МИСиС. - 2012. - с. 57-61.

26. Чередников A.B. Возможности применения web-технологий для разработки супервизорных систем управления технологическими процессами / A.B. Чередников, A.C. Солдатенков // Сб. материалов международной научно-технической конференции: Современные сложные системы управления X - Старый Оскол: СТИ МИСиС. - 2012. - с. 72-74.

Полученные объекты интеллектуальной собственности

27. Свидетельство 2014614330 Российской Федерации о гос. регистрации программы для ЭВМ. Программа расчета параметров системы отопления здания с автоматизированным индивидуальным тепловым пунктом / A.C. Солдатенков, А.Н. Потапенко, Е.А. Потапенко; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова". - №2014611451, заявл. 25.02.2014; опубл. 22.04.2014.

28. Свидетельство 2014614331 Российской Федерации о гос. регистрации программы для ЭВМ. Диспетчер данных - Программа сбора и регистрации параметров распределенных объектов / A.C. Солдатенков, А.Н. Потапенко, Е.А. Потапенко; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова". -№ 2014611455, заявл. 25.02.2014; опубл. 22.04.2014.

Подписано в печать 22.10.14. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 298

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете

им. В.Г. Шухова, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46