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

Петров, Сергей Петрович

Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методологические основы построения и исследования системы управления комбинированным теплоснабжением объектов промышленного и гражданского назначения

доктора технических наук: Петров, Сергей Петрович
город: Орел
год: 2010
специальность ВАК РФ: 05.13.06
цена: 450 рублей

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Методологические основы построения и исследования системы управления комбинированным теплоснабжением объектов промышленного и гражданского назначения»

Автореферат диссертации по теме "Методологические основы построения и исследования системы управления комбинированным теплоснабжением объектов промышленного и гражданского назначения"

На правах рукописи

ПЕТРОВ Сергей Петрович

004613068

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕМ ОБЪЕКТОВ ПРОМЫШЛЕННОГО И ГРАЖДАНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 8 НОЯ 2010

Орел 2010

004613068

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Орловский государственный технический

университет»

Научный консультант

- доктор технических наук, профессор Суздальцев Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Корсунов Николай Иванович

- доктор технических наук, профессор Колоколов Юрий Васильевич

- доктор технических наук Шарупич Вадим Павлович

Ведущая организация - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 11 января 2011 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д212.182.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Орловский государственный технический университет» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, ауд. 212

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Орловский государственный технический университет».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим высылать в адрес диссертационного совета Д212.182.01.

Ученый секретарь диссертационного совета

Автореферат разослан

Д212.182.01 кандидат технических наук, доцент

Волков В.Н.

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).

В России за 85 лет (начиная с плана ГОЭЛРО) созданы уникальные по своим размерам когенерационные системы преобразования энергии (КСПЭ), позволяющие за счет комбинированной выработки тепловой и электрической энергии и более высокого по сравнению с раздельной выработкой КПД экономить до 30% природных ресурсов.

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, поэтому максимальное использование объектами промышленного и гражданского назначения тепловой энергии от КСПЭ обеспечивает заметное снижение затрат на теплоснабжение.

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, 1991; С.Е. Душина, 2005; H.H. Иващенко, 1973; B.C. Карпова, 1997; A.C. Клюева, 1982, 1990; Л.А.Мелентьева, 1983; М. Месаровича, 1970; О.А.Мухина, 1980; Т.М. Райцина, 1970; В.А.Соколова, 1991, 2001; Е.П. Стефани, 1972; А.И. Суздальцева, 2002, 2004; С. А. Чистовича, 1975, 2008 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, затрудняющих управление тепловым режимом, в частности, в г. Орле протяженность магистральных и квартальных трубопроводов составляет более 240 км; объем циркулирующего в тепловых сетях теплоносителя превышает 45000 м3, ТРЗ составляет более 4 часов. Расход газа в КСЦТ на нужды 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 такого класса.

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, 1987, 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, работающая по 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 [1].

Саратовским [А.И. Андрющенко, 1997], Ульяновским [В.И. Шарапов, 1999, 2002] государственными техническими университетами и Академическим центром теплоэнергоэф-фективных технологий [С.А.Чистович, 1987, 2008] 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 и качество 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 периоды 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 периоды резких 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 обобщенному показателю 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 теплообменные станции с дозированным уровнем отпуска тепловой энергии и непосредственное подключение пиковых теплоисточников к объектам промышленного 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 допустимой погрешности min дОт < £ЗАД ;

- 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 квалиметрии, 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 Л.С. 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 [18...21] и 10 патентами РФ на изобретения и полезные модели [22...31].

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.

Прастическая 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. (подтверждено актом внедрения).

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

• Ежегодный экономический эффект от реализации новых алгоритмов управления и оптимизации параметров настроек регуляторов на объектах Орловского отделения территориального фонда обязательного медицинского страхования (ТФОМС) составляет (за счет уменьшения расхода газа) 52 млн. руб. (подтверждено актами внедрения).

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 «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век». Орел, 16-18 апреля 2005; И Международной научно - практической конференции «Энергетика и электротехника 2005». Автоматизация в промышленности. Санкт-Петербург, 17 - 20 мая 2005; VМеждународной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение -XXI 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 «Энерго- и ресурсосбережение - XXI 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 «Энерго- и 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 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 КСТ; графо-параметрического метода исследования динамики СУ КСТ; способов, 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, обозначены объект и предмет исследований, сформулированы цель, задачи и основные направления исследований, показана научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе общего анализа процесса управления тепловым режимом в КСЦТ г. Орла установлено:

- параллельно с КСЦТ теплоснабжение г. Орла обеспечивают более 100 автономно работающих котельных, в результате чего КСЦТ работает не с полной нагрузкой, что приводит к избыточному потреблению ТЭР;

- структура и принципы управления комбинированным теплоснабжением объектов промышленного и гражданского назначения не совершенны, характеризуются разнородными и разнонаправленными единичными показателями качества, при этом методологические основы анализа качества таких систем отсутствуют;

- из-за большой протяженности тепловых сетей ТРЗ в КСЦТ составляет более четырех часов. Этот фактор оказывает заметное влияние на нарушения теплового режима в КСЦТ при резком изменении температуры наружного воздуха.

При исследовании КСЦТ рассмотрены вопросы загрязнения окружающей среды [14,15]. Для определения эффективности КСЦТ и КСТ использованы энергетические и эк-сергетические методы [10,11].

Автором предложена стратегия исследования технических систем 0,М,А,5,1,Е,Ы применительно к КСТ, представляющая взаимосвязь научных элементов в виде вложения непересекающихся множеств [32]:

0(1 М о 5"о Л) £<> Л'о

С = (1)

0\ М\ т « I 1\ I Е\ е N1

где 0,М,Л,5,/,Е,Ы - этапы (крупные элементы) стратегии С научного исследования; О - общее состояние вопроса (проблемы); М - методология исследования; А - анализ проблемы; 5 - синтез; I - имитационное моделирование; Е - экспериментальные исследования; М-новизна; т, а, 5, г', е - элементы частной новизны.

В соответствии со стратегией на основе общего анализа (элемент О стратегии) сформулированы задачи и цель исследования с акцентом на управление тепловым режимом в КСЦТ. Проведен анализ управления тепловым режимом в КСЦТ, который осуществляется по температурному графику на когенерационном источнике. Температурный график связывает расчетные значения температур наружного воздуха 6 , теплоносителя на входе в здание 0 т и воздуха внутри здания 0 зависимостью [Е.Я. Соколов, 2001]:

- 0ц

Для управления тепловым режимом на объектах промышленного и гражданского назначения в КСЦТ используется принцип инвариантности (компенсации возмущающего воздействия). Поддержание заданного температурного графика осуществляется за счет управления регулирующим клапаном подачи газа на когенерационном источнике. В каждый +1) момент времени положение регулирующего клапана определяется выражением:

Хт > Хп > Хдоп" соответственно текущие, прогнозируемые и допустимые значения параметров температурного графика, при этом:

0т — 6в

<4)

где 0'Т, - измеренные значения температуры теплоносителя на выходе КИ и температуры наружного воздуха в текущий момент времени;

Хп определяется по формуле (2) при замене 8 прогнозным суточным значением температуры наружного воздуха, выдаваемым прогнозной организацией в виде линейно изменяющейся функции. Допустимое значение отклонения параметров температурного графика определяется выражением:

Хдоп

лО-j-j — AÖB3

д9вз - д9го

(5)

где дб-п, дОЕЗ - заданные расчетные значения допустимых отклонений температуры теплоносителя на входе в здание и внутреннего воздуха в здании при экспериментально определенном допустимом отклонении температуры наружного воздуха д9нэ от заданной линейно изменяющейся температуры во времени.

На рисунке 1 показан принцип и характер появления временных зон, в которых наблюдаются нарушения теплового режима на КИ и у потребителя тепловой энергии при управлении по температурному графику.

-10

e„t 1 -18 -20

evf

0 б)

0 1

3 4

, Ii

5 б

9 10 Ч 12

дет

8 9 10 Ч 12

6т j

—

V ч

а в

О 1

Т2

Тав

Л0п

8 9 10 Ч 12

а), б), с) - графики изменения температур наружного воздуха, теплоносителя на выходе ко-генерационного источника (КИ) и входе потребителя; c-d - временной отрезок резкого падения температуры наружного воздуха; I, II - соответственно зоны нарушения теплового режима на выходе КИ и входе потребителя; т,, т2 - время запаздывания на выходе КИ и входе потребителя; таЕ- время нарушения теплового режима на входе потребителя. Рисунок 1- Принцип и характер появления временных зон с нарушением теплового режима При резком изменении температуры наружного воздуха восстановление параметров температурного графика на выходе КИ происходит с некоторым запаздыванием т,, а изменение температуры теплоносителя на входе удаленного потребителя происходит на несколько часов позднее (с запаздыванием т2). Поэтому при резких изменениях температуры наружного воздуха регулирование по выражению (3) не обеспечивает на входе потребителя расчетные параметры температурного графика и вызывает температурный дискомфорт у потребителя.

Исследованию влияния ТРЗ на тепловой режим в КСЦТ посвящены работы O.A. Мухина, 1985; А.И. Суздальцева, 2007, 2009; Ю.Я. Темпеля, 1987; С.А.Чистовича, 1975 , в которых с разных точек зрения рассмотрены проблемы технологического и управленческого характера в существующих структурах управления централизованным теплоснабжением.

Однако для проведения объективного сравнительного анализа существующих и новых систем управления централизованным теплоснабжением, а также для построения и исследования новых структур управления важным фактором является разработка методологических основ построения и исследования таких систем. Это в полной мере относится к построению и исследованию комбинированной (централизованно - децентрализованной) системы теплоснабжения (КСТ) и разработке новой СУ комбинированным теплоснабжением объектов промышленного и гражданского назначения (СУ КСТ), уменьшающей:

- время реакции системы на резкое изменение температуры наружного воздуха;

- влияние транспортного запаздывания на качество теплового режима у потребителя;

- расход газа на поддержание заданного теплового режима[10];

- загрязнение окружающей среды [14,15].

В заключении первой главы сформулированы задачи исследований и сделаны выводы о необходимости формирования нового подхода к построению структуры КСТ и исследованию СУ КСТ.

Во второй главе в соответствии со стратегией исследований (элемент М стратегии 0,М,Л,Б,1,Е,М) рассмотрен предложенный автором новый подход к построению структуры КСТ и исследованию СУ КСТ. Построение структуры КСТ и СУ КСТ базируется на следующих принципах:

• Основой структуры КСТ (рисунок 2) является независимое подключение локальных контуров с пиковыми теплоисточниками к главному контуру КСЦТ через теплообменные станции с дозированным уровнем отпуска тепловой энергии и непосредственное подключение пиковых теплоисточников к объектам промышленного и гражданского назначения.

1 - ИТП потребителя; 2 - прибор учета тепловой энергии; 3 - датчик температуры теплоносителя; 4 - преобразователь расхода; 5 - теплообменная станция; 6, 7 - регуляторы давления; 8 - регулятор расхода (перепада давления); 9 - насос; КИ - когенерационный источник; ПТ- пиковый теплоисточник; КРП, ЦТП - контрольно-распределительный пункт, центральный тепловой пункт; , Ьг, Ьг - длина участков трубопроводов от КИ до подсистемы с ПТ и между подсистемами с ПТ.

Рисунок 2 - Общая структура КСТ с независимым подключением подсистем с пиковыми теплоисточниками

• 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.

• В новом подходе основной акцент сделан на подсистемы управления второго уровня, которые обеспечивают оптимальную динамику теплового режима в локальных контурах теплоснабжения с пиковыми теплоисточниками в периоды резких изменений температуры наружного воздуха, исключая влияние ТРЗ на недопустимое отклонение параметров теплоносителя от температурного графика в эти периоды.

Из известных принципов управления (прямое управление, управление с обратной связью, программное управление по заданному алгоритму в виде изменяющейся во времени функции, адаптивное управление во времени и в пространстве и т.д.) для управления подсистемами КСТ предлагается принцип управления по алгоритму в виде изменяющейся во времени функции температурного графика с учетом пиковых возмущений температуры наружного воздуха (0Н) и транспортных запаздываний теплоносителя с критерием оптимизации, минимизирующим отклонение температуры теплоносителя в пределах допустимого значения гшпД0т <еЗАД.

Этот принцип реализуется в подсистеме управления пиковым теплоисточником в 4-х нижеприведенных режимах:

- пассивный, когда теплоноситель от нагретого теплообменника подается к потребителю с запаздыванием \г относительно КИ (П);

- активный, осуществляющий подогрев теплоносителя в пиковые моменты с управлением по изменяющейся функции температурного графика с использованием типовых законов управления исполнительными механизмами в конечных регуляторах (Аф);

- активный, осуществляющий подогрев теплоносителя в пиковые моменты с упреждающей нечеткой моделью (Анм);

- активный автономный режим (при авариях или ремонтных работах магистральных трубопроводов) с управлением по изменяющейся функции температурного графика без учета запаздывания т2 (Аа).

Управление всеми режимами представлено на расширенной структурной схеме контроллера управления подачей газа в пиковый теплоисточник (рисунок 3).

Скорость изменения температуры наружного воздуха Р0Н в вычислителе 1 определяется в блоке 1.1 по следующему выражению:

ген = ен/г0,

где /„ - промежуток времени, за который определяется скорость изменения температуры наружного воздуха 9Н. Значение 10 формируется на первом выходе задатчика внутрисуточ-ных интервалов времени 1.4, например, каждую минуту; г,- временные интервалы, через которые сравниваются параметры температурных графиков; 0Т - текущая (измеряемая) температура теплоносителя на выходе пикового теплоисточника.

Пассивный режим (П) определяется следующими условиями:

П:К0н <Удн з приэтом г/т =0; Аф =0; Анм =0; Аа =0; У(/)= У(/-тг) навыходеКИ.

Активный режим подогрева теплоносителя (Аф) определяется следующими условиями:

Аф : Анм=0; Аа =0; ит—> по алгоритму в виде изменяющейся во времени функции температурного графика в соответствии с (3), (4) с учетом Увн >РЭШ; 0^- ( ; штД0т<ЕЗАД.

1 - вычислитель; 2 - нечеткая модель; 3 - блок конечного управления; 4 - блок задания режимов П.Ащл,Аа,Аф; 1.1 -вычислитель скорости К0Н; 1.2 - вычислитель разности температур Д9Т в трубопроводе на выходе пикового теплоисточника соответственно между текущим значением 8Т и заданным значением 0^,; 0Щ и 0Ш - заданная температура внутреннего воздуха в здании и прогнозируемая температура наружного воздуха; В'т - измеренное значение температуры теплоносителя на входе теплообменника; ит - значение сигнала изменения температуры теплоносителя; 1.3, 1.5 -вычислители температурного графика соответственно текущего Хт и прогнозируемого у_п; 1.4 -задатчик внутрисуточных интервалов времени; 1.6 - блок формирования управляющего воздействия; 2.1, 2.2, 2.3 - блоки фаззификации, нечеткого вывода, дефаззификации; 2.4 - база знаний, содержащая правила: фаззификации /,, нечеткого вывода /2 и дефаззификации /3.

Рисунок 3 - Расширенная структурная схема котроллера управления подачей газа

в пиковый теплоисточник подсистемы теплоснабжения Активный режим подогрева теплоносителя по алгоритму управления подачи газа с упреждающей нечеткой моделью (Ащ,) определяется следующими условиями: Анм:Аф=0, Аа =0; и7 = Кт/3 {/2 [/, (б„; ГЭ„; дб, ^ )]},в периоды Увн > К91П ; в; < вд ;где/1(0н;Увн;двт;С/т,)=>(в„;Гв„;двт;£/„);

Кт - коэффициент преобразования четкого информационного сигнала на выходе НМ в четкое значение соответствующего физического сигнала;

0н;Юн;д9т;£/тз - вектор четких значений входных параметров для НМ, соответствующий температуре наружного воздуха, скорости его изменения, разности текущей и заданной температур на выходе пикового теплоисточника, значениям сигнала управления регулятора подачи газа;

0„ ;К9„ ;д9т;[/тз - соответствующий вектор нечетких значений параметров; С/, - нечеткое значение вывода в НМ; и, - соответствующее четкое значение вывода в НМ.

Вектор четких входных параметров {6И;УВн,&.6Т,ит) на входе блока фаззификации

2.1 преобразуется в вектор нечетких параметров (термов Вн ;1/Вн д8т II,) с помощью пра-

вил фаззификации /,, а затем с помощью правила нечеткого вывода /2 на выходе блока 2.2

- >

формируется нечеткий выходной параметр V,, который на выходе блока дефаззификации 2.3 принимает четкое значение С/, и поступает на вход блока конечного управления 3, где и реализуется. Правила фаззификации /, (построение функций принадлежности) базируются на методе статистической обработки экспертной информации. Правило нечеткого вывода /2 основано на методе Мамдани, а правила дефаззификации базируются на методе центра тяжести (ЦТ).

Теоретической базой описания нечеткой упреждающей модели управления является лингвистическое представление переменных (ЛП) в виде набора элементов:

ЛП: <р\т\х\а\м*> ,

где Р* - наименование ЛП; Т* - множество значений ЛП (терм-множество); X' - область определения ЛП; П* - синтактическая процедура, позволяющая оперировать элементами Т*; Г2'(Т*) - множество сгенерированных термов; М* - семантическая процедура, позволяющая превратить новое значение ЛП в нечеткую переменную (НП), т.е. сформулировать нечеткое множество.

Задание нечетких подмножеств «А» в соответствующей ЛП осуществляется с помощью нечетких функций в виде унимодальных чисел с модой «а» в форме А = а, а, у ив виде толерантных нечетких чисел в форме В = ах, а2,а,у, где а - мода, яр с^ - границы толерантности [йр а2]. в которых функция принадлежности равна 1; а ) 0 , у ) 0 - левый и правый коэффициенты нечеткости.

Активный автономный режим нагрева теплоносителя (Аа) определяется следующими условиями:

А. : К9 н не используется, Аф - 0, Аш — 0, [/т - по температурному графику в соответствии с (3), (4) без учета запаздывания т2.

Данный подход включает и методологию анализа технических систем, в т.ч. СУ КСТ, и графо-параметрический метод исследования динамики СУ КСТ, основанный на анализе последовательной совокупности взаимосвязанных моделей подсистем управления КСТ со своими критериями оценки качества.

В третьей главе в рамках нового подхода, в соответствии со стратегией 0,М,А,Б,1,Е,М , разработаны и представлены: методология анализа СУ КСТ [9] и графо-параметрический метод исследования динамики СУ КСТ [2].

Предлагаемая методология анализа СУ базируется на теории квалиметрии с использованием обобщенного показателя качества системы в виде ад дитивного критерия, объединяющего относительные разнородные групповые показатели качества единичных свойств системы путем минимизации целевой функции, а также на использовании экспертных оценок для определения весовых коэффициентов значимости единичных свойств системы, что соответствует выражению: К° К1 - а, =>гтп, которое в развернутом виде вы-

глядит следующим образом:

= -я,, +с2 =>гшп, (6)

У т п $

где К° - обобщенный показатель (критерий) качества, численные значения которого находятся в пределах 0 < К° < 1; б, - вес значимости / - той группы групповых относительных показателей качества; К, - относительный групповой показатель качества i - той группы из

множества г групп; относительный j - тый единичный показатель качества в первой группе; - вес значимости)- того единичного показателя качества в первой группе; К2т -относительный т - тый единичный показатель качества во второй группе; - вес значимости т-того единичного показателя качества во второй группе; КЪп - относительный п -тый единичный показатель качества в третьей группе; g3n - вес значимости и -того относительного единичного показателя качества в третьей группе; К„ - относительный .у -тый единичный показатель качества в г-той группе; - вес значимости « -того относительного единичного показателя качества в г-той группе, при этом:

/ = 1...г; ] = 1,2,... ; т = 1,2,... ; п = 1,2,...; 5 = 1,2,...; 0<с,<1; £ о, = 1;

о<*,/1; £ ^ = 1; 0<*1и<1; Е я2и = 1; о<^„<1; I gJn = 1; о<&„<1;1 = ь

Особенностью методологии является то, что численные значения относительных показателей качества представляются ориентированными в одном направлении, тем самым, получая вектор однонаправленных относительных показателей качества единичных свойств системы, что позволяет производить с ними математические действия, не нарушая физических основ изменения единичных свойств в процессе функционирования системы при соблюдении следующих условий:

- если любой относительный показатель качества из групп К1гК1я,...К„ при минимизации целевой функции стремится к минимальному значению при соответствующем повышении качества системы, то его численное значение при оценке не подвергается преобразованию, что соответствует выражению:

= {7) д/сшах

- если любой относительный показатель качества из групп КХ), К1т,... Кп при минимизации целевой функции стремится к максимальному значению при соответствующем повышении качества системы, то его численное значение при оценке подвергается преобразованию по формуле:

где Дк и АУстах - абсолютное и максимальное значения единичного показателя.

В соответствии со стратегией исследований 0,М,А,Б,1,Е,Ы и предложенным подходом автором рассматривается разработанный графо-параметрический метод (Мтм) исследования динамики подсистем управления КСТ, целью которого является определение параметров регулятора пикового теплоисточника, обеспечивающего заданное качество переходного процесса при резких изменениях температуры наружного воздуха. Метод основан на совокупности отдельных моделей и критериев оценки, формально представленных выражением (9) и последовательно выполняемых от М, к М7:

М™ = <М1,М2,М3,М4,М5)М6,М7> (9)

В выражении (9) операторная модель здания М, (рисунок 5) представлена передаточной функцией, связывающей постоянные времени здания, системы отопления, датчика температуры и время запаздывания регулятора температуры (7^д, Тсо, 7"д, тРТ) с коэффициентом передачи здания К0:

Перед построением общей модели СУ [О.А. Мухин, 1986], по операторной модели здания М, определяется коэффициент передачи на границах апериодичности и устойчивости в зависимости от теплотехнических характеристик здания и параметров регулятора, что соответствует выражению:

К«=/(Тж,Тсо,ТА,х?х), (И)

при этом условием устойчивости на границе апериодичности является то, что все корни характеристического уравнения при 5 = а ± _/<в являются отрицательными вещественными (а( 0, ш = 0),а условием на границе устойчивости является то, что все корни характеристического уравнения при 51 = усо являются комплексными с отрицательной вещественной частью ( ю)0,а = 0 ), т.е. = а±ум, (а( 0, со = 0) - граница апериодичности; £0 = у'ю, ( со)0,а = 0)-граница устойчивости.

В выражении (9) операторная модель системы М2 через передаточные функции отдельных элементов описывает передаточную функцию на входе IV(.5)вх и выходе IV(л-)ВЬ1Х

обобщенного потребителя с учетом обеспечения инвариантности управляемой переменной к возмущающему воздействию по каналам быстрых и медленных тепловых потерь. При

М = ш -IV

2 "УПР "ВОЗМ"

или в развернутом виде:

где IVБ (х) =----передаточная функция по каналу быстрых тепловых потерь;

• 5 + 1)

К,

^мС5)= —--5" - передаточная функция по каналу медленных тепловых потерь;

(7м- 5 + 1)

™ = 1 - ,—Та— I - коэффициент, учитывающий соотношение быстрых и медленных

1(гЕ+г„);

тепловых потерь;

Кв, Км, Тв, Ти, тм - коэффициенты передачи и постоянные времени по каналам быстрых и медленных тепловых потерь;

тм- время запаздывания по каналу медленных тепловых потерь; 5 - оператор Лапласа.

В выражении (9) модель М3 (алгоритм Рауса) описывает процедуру оценки устойчивости как необходимое предварительное условие при исследовании системы:

£>(.?) = + +... + а^ + аа - характеристический полином Рауса ^^

при ап > 0.

В выражении (9) модель М4, основанная на прямом преобразовании Лапласа, пред-

М3 =

ставляет собой переходные характеристики процесса, описываемые через изображения характеристических полиномов передаточной функции М2, в виде:

М4 = ¿[М^2], (14)

где £ = х(5)|;с(0 - прямое преобразование Лапласа, а М,'2 - характеристические по-

линомы передаточной функции на входе и выходе обобщенного потребителя.

В выражении (9) модель М5, основанная на обратном преобразовании Лапласа, представляет собой переход от изображений характеристических полиномов передаточной функции М2, к временным характеристикам переходного процесса (рисунок 4), полученным при обратном преобразовании Лапласа, что соответствует выражению:

М5=г'[м4], (15)

где = • |х(5) • €'"<13 - обратное преобразование Лапласа. 2л/

0М,(М - относительные значения температуры и времени в пространстве машинных параметров; ®м * траектории управляемой переменной, характеризующие относительную величину изменения температуры теплоносителя на входе и выходе потребителя; - площадь, характеризующая относительную величину изменения перепада температур на входе и выходе потребителя, в период времени а-Ь\ I - интегральный показатель качества (относительная величина отклонения перепада

температур на входе и выходе потребителя от температурного графика в период времени Ъ-с; сЗАд, еш- относительные величины заданной и максимальной динамической погрешности; (ППР - относительное время переходного процесса; т - относительное время запаздывания в СУ (задается при моделировании).

Рисунок 4 - Временная характеристика переходного процесса, характеризующая изменение температуры теплоносителя на входе и выходе потребителя

В выражении (9) модель М6 представляет собой интегральный квадратический показатель качества переходного процесса (площадь отрицательной полуволны I, ограниченная временным отрезком Ь-с), определяемый по временной характеристике переходного процесса модели М5 (рисунок 4), в соответствии с выражением:

М6 = / = |е2сй . (16)

В выражении (9) модель М7 представляет собой интегральный показатель минимума энергетических затрат на компенсацию возмущающего воздействия, выраженный согласно принципу максимума Л.С. Понтрягина через площадь положительной полуволны, ограниченную временным отрезком а-Ь (рисунок 4), полученную с помощью вычислительной системы «МаЛСАБ» и определяемую в соответствии с выражением:

м7 = F=j(eu(/)-e,2(o)<ft. (17)

Для определения оптимальной траектории управляемой переменной из множества временных характеристик переходного процесса выбираются две (на входе и выходе обобщенного потребителя), у которых параметры настройки регуляторов пикового теплоисточника для заданной динамической погрешности езад обеспечивают минимальное значение интегрального показателя минимума энергетических затрат. Траектория является оптимальной при минимальном значении площади F (рисунок 4).

Энергетические затраты на управление тепловым режимом в СУ (связанные с компенсацией возмущающего воздействия) определяются при переходе от понятия «изменение температуры» к понятию «изменение энтальпии» (теплосодержания) при допущении, что давление в подающем и обратном трубопроводах рх = const ,р2= const.

Так как при моделировании временная характеристика переходного процесса получена в относительных единицах (изменение температуры, равное 1, соответствует

к{ =5°С, а изменение времени, равное 1, соответствует к2 =20ч), фактическая величина нагрева теплоносителя, необходимая для компенсации возмущающего воздействия в СУ (энтальпия) в периоды отклонения от температурного графика определяется по формуле:

^=*м?(М0-еи(0 )dt, (18)

где км = /с, -к2 =100-коэффициент перевода относительных машинных значений параметров в фактические, ° с ■ ч .

В этом случае энергетические затраты на управление тепловым режимом в СУ, связанные с компенсацией возмущающего воздействия, обусловленного изменением температуры наружного воздуха, с учетом формулы (18) определяются из выражения [2]:

a=m-c-F0, (19)

где т - массовый расход теплоносителя, кг/ч; с = 4,187 Дж/кг-°С - удельная теплоемкость теплоносителя (воды); - величина нагрева теплоносителя, необходимая для компенсации возмущающего воздействия в СУ, 0 С • ч.

В четвертой главе приведены результаты исследований динамики подсистем управления КСЦТ и КСТ графо-параметрическим методом с оценкой по интегральному квадра-тическому показателю качества переходного процесса и интегральному показателю минимума энергетических затрат.

Исследование динамики проводились в рамках ограничений к поведению СУ на границах апериодичности и устойчивости. При исследовании сделано допущение, что система горячего водоснабжения здания подключена к тепловой сети по независимой схеме и влияния на алгоритмы функционирования при управлении тепловым режимом в системе отопления не оказывает. Операторная модель здания М[ представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Операторная модель здания 17

По операторной модели здания получено выражение передаточной функции:

К.

зд

Т3д -д + 1

1 +

_^зд ' ^Д " ^РТ ' ^со_

(Гзд-5 + 1)-(Гд-5 + 1)-(Гсо-5 + 1)е

»-■ГСрт

где Л"зд, КС0,Ка, Кп - коэффициенты передачи здания, системы отопления, датчика температуры воздуха в здании, регулятора температуры; Гзд, Тсо, Тп - постоянные времени здания, системы отопления, датчика температуры воздуха в помещении; хрт- время запаздывания регулятора температуры; 5 - оператор Лапласа.

В области устойчивости рассмотрена устойчивость на границе апериодичности, когда все корни характеристического уравнения (х = а ± /со) отрицательные вещественные (а < 0, со = 0), и на границе устойчивости, когда корни характеристического уравнения комплексные с отрицательной вещественной частью (со > 0, а = 0) [ О.А. Мухин, 1986 ].

Входящие в характеристическое уравнение (знаменатель передаточной функции (20)) постоянные времени ТХ1, Тсо, ТА и время запаздывания хп выражены через наиболее жесткие параметры других членов характеристического уравнения. После подстановки а ± ум вместо л получено множество частных решений:

_ ЗГздГС0Гда — 2(ГЗДГС0 + ТС0Та + ТздУд )а. + 7*зд + Тсо + Тя

Лрт«

кол = ■

ТртС

(21)

При изменении а от 0 до ао и подстановке частных решений в формулу (21) на ЭВМ получены зависимости К0 = /, (Гзд), Ка =/2(Тсо), Ка=/3 (Тд), К0 = /„ (т„) на границе апериодичности [36].

Для исследования поведения подсистемы управления с запаздыванием на границе устойчивости рассмотрено характеристическое уравнение при чисто мнимом значении корней, т.е. при ^ = ¿а, где 0 < со < оо . При замене оператора 5 на комплексную переменную _/<й получены частные решения:

^о.У _ ^зд

+ Тт

ЗД

+ ТГ

зд

+ 2.

(22)

При изменении 0 2 со 2 оо и подстановке частных решений в формулу (22) на ЭВМ получены зависимости К0=/,(Гт), К0=/й(Тс0), К0=^(ТА), Л"0=/8(трт) на границе устойчивости [36]. В результате исследований установлено, что в СУ здания Ко у )) Кол и зависит от сочетания постоянных времени Тд, Тс о, Гзд, поэтому при настройке регулятора постоянную времени датчика Гд необходимо выбирать с учетом фактических значений Тс о и Тзд ■

Заметное влияние на качество управления тепловым режимом оказывают теплотехнические характеристики здания, которые принято выражать через коэффициент у = 1 - 7"м /(ТБ + Ти) [С.А.Чистович, 1975], определяющий соотношение быстрых (через окна) и медленных (через наружные ограждающие конструкции) тепловых потерь.

Автором выполнены исследования [1] и установлена зависимость постоянной времени датчика температуры воздуха от соотношения быстрых и медленных тепловых потерь

(рисунок 6). Как видно из рисунка, для наиболее тяжёлых условий работы подсистемы управления (\|/ = 0,2), т.е., когда 80% возмущающего воздействия передается по каналу быстрых тепловых потерь (через окна), постоянная времени датчика температуры воздуха в здании не должна превышать Гд < 310с. Для наиболее легких условий работы = 0,3) постоянная времени датчика температуры воздуха в здании не должна превышать

Гд <330с.

Гд

330 А 320 310 300

од

0,2

0,3

Рисунок 6 - Зависимость постоянной времени датчика температуры воздуха в здании (рисунок 5) от соотношения быстрых и медленных тепловых потерь V)/

Наиболее тяжелые и наиболее легкие условия функционирования подсистемы управления зданием приведены в таблице 1.

Таблица 1-Характеристики здания и параметры настройки регулятора

Условия работы Т 1 со Т 1 д трт

Тяжелые 4ч 1,5ч 0,8 0,2 310с 300 с

Легкие 36ч 0,1ч 0,7 0,3 330с 600 с

Таким образом, для обеспечения заданного качества теплового режима в подсистеме управления КСТ при различных теплотехнических характеристиках здания должны выбираться регуляторы с соответствующими параметрами настройки, в частности, с требуемым временем запаздывания регулятора температуры трт и определенным типом датчика, обеспечивающим необходимую величину постоянной времени Гд.

Исследование динамики подсистемы управления КСЦТ

Для исследования динамики прототипа автором на основе известных передаточных функций отдельных элементов (звеньев) [С.А.Чистович, 1975, 2008] разработана операторная модель подсистем управления КСЦТ, реализующая принцип селективной инвариантности. По операторной модели М2 (рисунок 7) определена передаточная функция подсистемы управления КСЦТ на входе обобщенного потребителя [2]:

ц, /дч_ ^ЛА.ТР с-^(Тгг,<-Тки+ТМ.ТР) ^РТ2 ^цгп -Кк.ТР С~'У'ТРТ2->ТК.ТР)

и(> (7^+1X2^5 + 1) '(711ГП5 + 1ХГктр5 + 1)

(23)

_ ( К Б | Км М ]

+ 1 (Ты* + \) У

Аналогичным образом определена передаточная функция подсистемы управления КСЦТ на выходе обобщенного потребителя [2].

-----------1--------------1

КРП ^Магистральный трубопровод^

Wpтl, \УРТ2, - передаточные функции регуляторов, установленных на когенерационном источнике и центральном тепловом пункте; \VKfb \УцтП, \УМТр, ^Укв ТР1 Wзд - передаточные функции когенерационного источника, центрального теплового пункта, магистральных и квартальных трубопроводов, здания; \*/м - передаточные функции возмущающего воздействия по каналам быстрых и медленных тепловых потерь; Д0н, Дбвоз, Д9упр, Дбитп 1, ДЭитп 2 - величина изменения: температуры наружного воздуха, возмущающего и управляющего воздействий, температуры на входе и выходе потребителя.

Рисунок 7 - Операторная модель подсистемы управления КСЦТ

После проверки на устойчивость по критерию Рауса М3 путем прямого М4 и обратного М5 преобразований Лапласа по полученным передаточным функциям (V,, (я), ,(.?), с использованием вычислительной системы «МаШСАБ» выполнено построение множества временных характеристик переходного процесса для наиболее тяжелых условий работы СУ (таблица I), из которых выбрана оптимальная (рисунок 8).

8м |

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

/п.ПС.! ¡М

- интегральный показатель минимума энергетических затрат (площадь, характеризующая относительную величину изменения перепада температур на входе и выходе потребителя, в период времени а-Ь); /, - интегральный квадратический показатель качества переходного процесса (площадь, характеризующая относительную величину отклонения перепада температур на входе и выходе потребителя от температурного графика в период времени Ь-с); остальные обозначения на рисунке 4.

Рисунок 8 - Оптимальная временная характеристика подсистемы управления КСЦТ

Интегральный квадратический показатель качества переходного процесса, рассчитанный по формуле (16), составил /, = 8,80.Интегральный показатель минимума энергетических затрат, рассчитанный по формуле (17), составил ^ =2,640. Величина абсолютной динамической погрешности определена по временной характеристике (рисунок 8) с учетом

коэффициента масштабирования А, =5 составила е, =4,2° С.

Исследование динамики подсистемы управления КСТ

Таким же образом определены интегральные показатели качества и динамическая погрешность в подсистеме управления КСТ. В рамках вышеприведенных ограничений по разработанной автором операторной модели М2 (рисунок 9) определена передаточная функция подсистемы управления КСТ на входе обобщенного потребителя [2]:

-^(Трп+Тки) с~*(ТрТ2> X

(Гки* + 1)(ГНТР* + 1) '(Г т5 + 1)

.. (X,-2 +Х,-' + к2)-ти2 -52 + (2*,-' +1)-Ги +1 х

(К,''-Ги -5 + 1)2

(24)

■ ~^РТПТ ^ПТ ^ К.ТР

(Тптз + \)(Ткт?з +1/

-^стрт^ +тктр)

К,

ГБ5+1 (ТМЗ + \)

Аналогичным образом определена передаточная функция подсистемы управления КСТ на выходе обобщенного потребителя [2].

КРП Магистральный трубопровод ^

WpTT, \¥рТ11Т - передаточные функции регуляторов, установленных на входе теплообменника и пикового теплоисточника; \УТ, \Vkop, Wпт - передаточные функции теплообменника , корректирующего устройства, пикового теплоисточника; Дбн, Д8воз, ДЭупр, ДЭитп 1, Д0итп 2 - величина изменения: температуры наружного воздуха, возмущающего и управляющего воздействий, температуры на входе и выходе потребителя.

Рисунок 9 - Операторная модель подсистемы управления КСТ

После проверки на устойчивость по критерию Рауса М3 путем прямого М4 и обратного М5 преобразований Лапласа по полученным передаточным функциям 1К,2($),с использованием вычислительной системы «МаЛСАГ)» выполнено построение множества временных характеристик переходного процесса для наиболее тяжелых условий работы СУ (таблица 1), из которых выбрана оптимальная (рисунок 10).

щая относительную величину изменения перепада температур на входе и выходе потребителя, в период времени а-Ь): 12 - интегральный квадратический показатель качества переходного процесса (площадь, характеризующая относительную величина отклонения перепада температур на входе и выходе потребителя от температурного графика в период времени ¿>-с); остальные обозначения на рисунке 4.

Рисунок 10-Оптимальная временная характеристика переходного процесса подсистемы управления КСТ Интегральный квадратический показатель качества переходного процесса, рассчитанный по формуле (16), составил /2 = 7,37. Интегральный показатель минимума энергетических затрат, рассчитанный по формуле (17), составил Р2 = 2,485. Величина абсолютной динамической погрешности определена по временной характеристике (рисунок 10) с учетом

коэффициента масштабирования А, =5 составила е2 =2,5° С.

В результате проведенных исследований получены параметры настройки регулятора пикового теплоисточника, обеспечивающие для наиболее тяжелых условий работы оптимальную (по критерию минимума энергетических затрат) характеристику переходного процесса СУ КСТ:

^ртпт = 1>ЗГЗД/Л-Пттртт ; Ги = 1,6тРТт.; Гд = 0,4тРТт., (25)

где КПт, > кш " коэффициент передачи и время запаздывания регулятора пикового теплоисточника, коэффициент передачи пикового теплоисточника; Ги, Тд,7зд - постоянные интегрирования и дифференцирования регулятора пикового теплоисточника, постоянная времени здания.

В качестве примера для наиболее тяжелых условий работы (Гзд = 4ч, Кт = 9,5, Трт^ = 0,08ч) получены численные значения параметров настройки регулятора пикового теплоисточника:

ЯРТпт= 6,8; Ги =460с; Гд=115с.

В пятой главе рассмотрены разработанные автором способы, алгоритмы и средства управления тепловым режимом в отдельных подсистемах КСТ, повышающие эффективность функционирования СУ КСТ.

На рисунке 11 представлена структурная схема управления тепловым режимом в подсистеме КСТ, разработанная в соответствии с новой структурой КСТ и новыми принципами построения подсистем управления, изложенными во второй главе.

Каждая подсистема КСТ с пиковым источником подключается к основному трубопроводу через теплообменник 7, в который от КИ подается дозированное количество теплоносителя, устанавливаемое регулятором расхода (давления) 6. Основную роль в управлении температурой теплоносителя на входе потребителя 18 выполняет контроллер 16 многофункционального действия совместно с датчиками температуры 5, 12, 15, 17 и исполнительными механизмами 9, 10, 11,13.

1- когенерационный источник; 2, 3 - подающая и обратная магистрали главного контура теплоснабжения; 4- циркуляционный насос; 5, 12, 15 -датчики температуры теплоносителя; 6 -регулятор давления; 7 - теплообменник; 8а, 86 - трубопроводы подачи теплоносителя соответственно через теплообменник и обводную линию; 9, 10 - исполнительные механизмы подачи теплоносителя; 11- исполнительный механизм изменения расхода теплоносителя; 13 — исполнительный механизм подачи газа; 14 - пиковый теплоисточник; 16 - контроллер; 17-датчик температуры наружного воздуха; 18 - потребитель

Рисунок 11 - Структурная схема управления тепловым режимом пикового теплоисточника в подсистеме КСТ

Пассивный режим (П) осуществляется только за счет работы циркуляционного насоса 11 путем подачи горячего теплоносителя от теплообменника 7 через пиковый источник 14 к потребителю 18 и далее через трубопровод 8а к теплообменнику. Медленное (К0НЗ < 1° С/ч) изменение температуры наружного воздуха позволяет поддерживать на КИ заданные параметры теплоносителя и подавать его потребителю без дополнительного подогрева в пиковом источнике 14.

Активный режим подогрева теплоносителя (Аф) осуществляется в моменты резких изменений температуры наружного воздуха (К0 н ) нз ), т.е. когда температура теплоносителя на входе потребителя выходит за пределы допустимой погрешности (еЗАД). В этот период происходит нарушение температурного графика (хт - Хп) Хдоп ) и контроллер 16 по первому каналу (выход а) осуществляет управление подачей газа через исполнительный механизм подачи газа 13. Процессы горения газа, отвод продуктов сгорания и др. автором не рассматриваются, т.к. они достаточно полно описаны в справочнике эксплуатационщика газифицированных котельных [Л.Я.Порецкий, 1988].

I/(/+!)=

В этом режиме в каждый +1) момент времени положение исполнительного механизма 13 определяется выражением:

и (г), если )хт - хп| < Хдоп

£/(г)+,если |хт ~ХП|> Хдоп и (Хт " Хп) < 0 » <26) и(()~, если |хт ~ Хп|) Хдоп и (Хт ~ Хп) > 0

где £/(/)+ - работа исполнительного механизма в сторону увеличения подачи газа по температурному графику;

и^У - работа исполнительного механизма в сторону уменьшения подачи газа по температурному графику;

Этот режим заканчивается при достижении температуры на входе теплообменника температуры теплоносителя 9^ = 9тЗАД.

Активный режим с упреждающей нечеткой моделью базируется на представлении входных и выходных данных в виде лингвистических переменных, описанных в главе 2 в виде набора элементов:

ЛП: <Р\Т',Х\П\М* >, (27)

где Р*= 4 (температура наружного воздуха 8Н, скорость изменения температуры наружного воздуха И)н, температуры теплоносителя 0Т, напряжение, управляющее исполнительным механизмом подачи газа С/,, и напряжение, управляющее исполнительными механизмами подачи теплоносителя £/2);

Т* = 9 (N8, ИМ, №, N0,20, РО, РБ, РМ, РВ), значения ЛП приведены в таблице 2; X* =9„ =[+5;-35] °С, Р0Н =[-1;+1] °С-ч, 8Т=[40;70] °С;

£/, = [0; 200] %; иг = [0; 100] % - относительно базового переменного напряжения

ив =220В;

=2("И","ИЛИ");

М* = П'(Т'), процедура задания на X* нечетких подмножеств Т* в соответствии с правилами преобразования нечетких связок.

Задание нечетких подмножеств (для 0Н,Р9Н,9Т) осуществлено с помощью нечетких функций (Ь-К) -типа в виде унимодальных чисел А с модой "а" , (т.е. цА(а) = 1) следующим образом (А = а, а, у ):

Ц а Х\прих<а

, (28)

Я -\прих> а

Иа(Х)=

где а > 0, у > 0 - левый и правый коэффициенты нечеткости.

Задание нечеткого подмножества для "и]", "и2" осуществлено с помощью нечеткой функции (Ь-Я) - типа в виде толерантных нечетких чисел В = аь а2, а, у:

цв(х)=

1<1

при х < а, прих2.а2 >

(29)

1 прих^а^ а2]

где а! и Эг- границы толерантности, т.е. в промежутке [аь а2] значение функции принадлежности равно 1.

Для составления правил нечеткого вывода использован метод Мамдани. В результате сформированы 27 правил, набор которых приведен в таблице 2.

№ ен (температура наружного воздуха) (адаптированная к температурному графику температура теплоносителя на пыходе пикового теплоисточника) Увн (скорость изменения Тн) Ш (положение исполнительного механизма подачи газа) иг (положение исполнительных механизмов подачи теплоносителя)

1 ЫВ (отриц. больш.) РО (полож. близкая к нулю) ив, го РВ го

2 РВ РМ го

3 Р8 (полож. малая) № РМ го

4 го РБ го

5 РВ РО го

6 РМ (полож. средн.) ш РБ го

7 го РО го

8 РВ го го

9 РВ (полож. большая) ыв,го го го

10 РВ го РВ

И ЫМ (отриц. средн.) РО (полож. близкая к нулю) ЫВ РВ го

12 го РБ го

13 РВ РО го

14 РБ (полож. малая) ИВ РБ го

15 го РО го

16 РВ го го

17 РМ (полож. средн.) ыв РО го

18 го.рв го РВ

19 РВ (полож. большая) любая го РВ

20 N8 (отриц. малая) РО (полож. близкая к нулю) Ш РБ го

21 го РО го

22 РВ го го

23 РБ (полож. малая) ЫВ РО го

24 го,рв го РВ

25 РМ (полож. средн.), РВ любая го РВ

26 РБ (полож. малая) любая любая го го

27 Р8, РМ, РВ любая го РВ

Предложенная нечеткая модель ориентирована на известную программу «Система нечеткого вывода» в системе «МаЛСАО» и в настоящее время находится в стадии отладки.

В контроллере 16 также реализуется режим, когда температура на входе теплообменника 7 превышает заданную в сторону положительных температур. В этом случае сиг-

нал на выходе "а" отсутствует, т.е. £/(/)=0, а управление теплоносителем осуществляется исполнительными механизмами 9,10 по алгоритму:

гО) -11, если ^5 * 'при этом = ° (30^

и" [0, если &<б5м1

где () - текущая температура на входе теплообменника;

()5ззя - заданная температура на входе теплообменника.

= 1 означает включение исполнительных механизмов 9, 10 для подачи теплоносителя в пиковый теплоисточник, минуя теплообменник;

означает отключение механизмов 9, 10 для подачи теплоносителя в пиковый теплоисточник через теплообменник.

Описанные принципы и алгоритмы управления реализованы в изобретениях автора [24, 25, 28, 30]. В процессе выполнения работы автором также разработан ряд конструкций регуляторов прямого действия для ИТП, ЦТП и КРП, защищенных изобретениями [18-23, 31]. Отдельные изобретения внедрены в действующих системах теплоснабжения г. Орла [2].

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных по специально разработанной методике [2] в период с 01.02.07г. по 28.02.07г. на реально функционирующих объектах г.Орла: а) - МЛПУ «Детская инфекционная больница»; б) - ОГУЗ «Орловский онкологический диспансер».

Цель экспериментальных исследований:

- определение возможности работы подсистемы управления с пиковыми теплоисточниками в новой структуре КСТ;

- определение величины отклонения температуры теплоносителя от температурного графика на входе потребителя в подсистемах управления с пиковыми теплоисточниками с новыми параметрами настройки, полученными в главе 4, и без них в периоды резкого изменения температуры наружного воздуха;

- оценка адекватности модели подсистемы управления КСТ реальному процессу управления.

Исходные данные

МЛПУ «Детская инфекционная больница» расположена на расстоянии 3140 м, а ОГУЗ «Орловский онкологический диспансер» на расстоянии 4550 м от когенерационного источника. Транспортное запаздывание до МЛПУ «Детская инфекционная больница» и ОГУЗ «Орловский онкологический диспансер» составляет соответственно 2 ч и 3,5 ч. Диаметр магистральных трубопроводов составляет 300 мм.

Схема подключения подсистем управления МЛПУ «Детская инфекционная больница» и ОГУЗ «Орловский онкологический диспансер» к магистрали Советского района г. Орла приведена на рисунке 12.

Особенность экспериментальных объектов заключалась в том, что в МЛПУ «Детская инфекционная больница» и ОГУЗ «Орловский онкологический диспансер» к трубопроводам подачи теплоносителя в лечебно-профилактические учреждения одновременно были подключены две подсистемы управления. Одна подсистема с помощью пикового теплоисточника обеспечивала управление тепловым режимом в здании лечебного корпуса (ОП-1 и ОП-3). Другая подсистема обеспечивала управление тепловым режимом в здании гаражей (ОП-2) и здании пищеблока (ОП-4) без пикового теплоисточника.

На пиковых теплоисточниках были установлены контроллеры ТРМ-32 . Исследования проводились с параметрами настройки для наиболее тяжелых условий работы подсистемы управления = 6,8; ТИ =460с; Гд=115с.

а) - МЛПУ «Детская инфекционная больница»; б) - ОГУЗ «Орловский онкологический диспансер». 1 - термопреобразователь сопротивления (датчик температуры); 2 - преобразователь расхода; 3 - те-пловычислитель; 4, 5, 6 - задвижки в подающем трубопроводе, на перемычке и в обратном трубопроводе; 7 - исполнительный механизм; 8 - контроллер; 9 - циркуляционный насос.

Рисунок 12 - Схема подключения подсистем управления тепловым режимом обобщенных потребителей, подключенных к магистрали Советского района г. Орла Поддержание температуры теплоносителя в пределах допустимой погрешности в подсистемах управления с пиковыми теплоисточниками обеспечивалось за счет подогрева теплоносителя в локальных контурах теплоснабжения в периоды резких понижений температуры наружного воздуха. В качестве примера на рисунке 13 представлен один из таких графиков (в период с 22.02.07 по 25.02.07г).

в«». - - °с

О 12 24 36 48 ч 72

/ г

а) МЛПУ «Детская инфекционная больница»; б) ОГУЗ «Орловский онкологический диспансер». 1,2 - соответственно моменты включения и выключения пикового подогревателя; слева - объекты без пиковых теплоисточников; справа - объекты с пиковыми теплоисточниками. Рисунок 13 - Параметры температуры теплоносителя на входе обобщенных потребителей

Подогрев производился в те моменты, когда температура в магистральном трубопроводе и подсистемах управления без пикового теплоисточника ОП-2 и ОП-4 выходила за пределы допустимой погрешности. Моменты включения и отключения пикового теплоисточника отмечены на рисунке 13 цифрами 1 и 2.

В результате проведенных исследований [2] установлено, что в подсистемах управления с пиковыми теплоисточниками ОП-1 и ОП-3 (рисунок 13 справа) в периоды резких изменений температуры наружного воздуха отклонение температуры теплоносителя не превышало допустимого значения |ет|^ ±3° С. В этот же период в подсистемах управления без пиковых теплоисточников ОП-2 и ОП-4 (рисунок 13 слева) наблюдалось заметное отклонение температуры теплоносителя от температурного графика, которое восстанавливалось через некоторое время, равное величине транспортного запаздывания.

В частности, в МЛПУ «Детская инфекционная больница» величина отклонения температуры теплоносителя в подсистеме управления без пикового теплоисточника составляла

еоп-21 = С , а в подсистеме управления с пиковым теплоисточником еогм 1 = - 2,4°С (рисунок 13, а).

Аналогичная картина наблюдалась в ОГУЗ «Орловский онкологический диспансер». Величина отклонения температуры теплоносителя в подсистеме управления без пикового

теплоисточника составляла еоп.2, = - 4,5° С, а в подсистеме управления с пиковым теплоисточником боп., , = - 2,4°С (рисунок 13, б).

В результате экспериментальных исследований установлено, что время работы пиковых теплоисточников за отопительный сезон (5000 ч) составляет в среднем 500 ч, т.е. 10%. Этот фактор имеет важное значение, т.к. при работе пиковых теплоисточников по предложенному автором алгоритму не только обеспечивается заданный тепловой режим на объектах промышленного и гражданского строительства, но и меньше загрязняется окружающая среда [14,15].

Адекватность модели подсистемы управления КСТ реальному процессу управления подтверждается тем, что результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с результатами теоретических исследований. В частности, полученное с использованием вычислительной системы «МаЙгСАБ», значение динамической погрешности в модели управления подсистемой КСТ (временная характеристика приведена на рисунке 10), составило е3 = -2,5°С, в то время как экспериментальное значение динамической погрешности (рисунок 13) в МЛПУ «Детская инфекционная больница» и в ОГУЗ «Орловский онкологический диспансер» составило еогц, =-2,4°С, т.е. ошибка аппроксимации не превышала 4%.

Проверка адекватности операторной модели и реально функционирующей системы управления осуществлялась с помощью коэффициента детерминации путем статистического анализа результатов математического моделирования и экспериментальных исследований. В качестве критерия сравнения принята величина отклонения управляемой переменной от температурного графика (динамическая погрешность), полученная в результате моделирования (рисунок 4) и экспериментальных исследований (рисунок 13).

Коэффициент детерминации [И.И. Елисеева, 2008] представляет собой коэффициент корреляции, возведенный в квадрат, и показывает долю вариации результативной переменной, находящейся под воздействием изучаемых факторов, т.е. определяет, какая доля вариации оцениваемой переменной учтена в модели и обусловлена влиянием выбранных факторов. Чем ближе значение коэффициента к единице, тем более значимой является модель.

Модель принято считать адекватной, если для заданной доверительной вероятности Р = 0,95 коэффициент детерминации:

1(*э-Ьт)г

г2=1-~„->0,6, (31)

1(ЛЭ - Кср)2

где Лэ - величина отклонения управляемой переменной от температурного графика за контрольный период по результатам экспериментальных исследований [2],° С; йЭСР - средняя величина отклонения управляемой переменной от температурного графика за контрольный период по результатам экспериментальных исследований [2],°С; Ит • величина отклонения управляемой переменной от температурного графика по результатам моделирования, ° С .

Подставив в формулу (31) численные значения параметров: кт = 1,38° С; Лэ = 1,27°С; АЭ СР = 1,06° С [2], получим:

г2 = 0,73 >0,6,

что с доверительной вероятностью Р = 0,95 позволяет признать модель адекватной.

В седьмой главе в соответствии методологией анализа, приведенной в главе 3, экспертной комиссией определено 5 групп единичных свойств со своими показателями качества: температурными (/ =3), энергетическими (т=5), динамическими (л=5), эксплуатационными (р=3) и патентно-правовыми (г=2) [9]. При этом в качестве критерия оптимизации принят функционал, минимизирующий целевую функцию (6).

Из всего множества частных показателей в соответствии с методикой [37] для анализа были выбраны 8 показателей, приведенных в таблице 3 (первый столбец), при этом веса значимости групповых показателей качества были установлены равными: о, = 0,3; о2 = 0,25; ст3 = 0,2; о4 =0,15; о5 = 0,1, а веса значимости внутри групповых показателей качества установлены равными:

gn = 0,3; gn = 0,3; g¡3 = 0,4; g1¡ = 0,3; g22 = 0,2; g23 = 0,25; g24 = 0,15; g2í = 0,1; ё3. = 0,3; Яз: = 0,25; £33 = 0,25; = 0,1; £35 = 0,1.

Указанные веса значимости относительных показателей качества определялись пуге> статистической обработки ответов группы специалистов - экспертов из 10 человек при и: многократных опросах до совпадения данных у не менее трех человек по каждому показа телю. Это значение принималось в качестве веса значимости соответствующего показателя. При этом в окончательном варианте оценки весов значимости происходила их корректиров

ка до выполнения условия = 1 и £ gij = 1.

Относительные показатели первой группы ориентированы в направлении максимиза ции при повышении качества систем, то есть чем больше температура в системе, тем лучше поэтому в столбце 4 они преобразованы с помощью выражения (7), а показатели осталь ных групп ориентированы в направлении минимизации при повышении качества систе мы, то есть чем меньше параметр, тем лучше, поэтому в столбце 4 они записаны без преоб разования.

Отдельные показатели качества, в частности, значения температур (п.п.1.1, 1.2, 1. таблицы 3) и величина транспортного запаздывания в СУКСЦТ (п. 3.1 таблицы 3) опре делены путем проведения предварительных экспериментальных исследований [2]. Сред ний удельный расход топлива (п.2.1 таблицы 3) рассчитан по методике [15] и состави 171 кг/Гкал.

Таблица 3 - Массив единичных свойств и показателей качества системы централизованного теплоснабжения с когенерационным источником и автономно работающими пиковыми теплоисточниками (КСЦГ)____

Наименование групп единичных свойств и их параметров Диапазон изменения параметра Относительный показатель качества: измеренный (расчетный) 8к Принятое значение показателя качества Весовая значимость показателей качества ст,,^

1 Температурные {/) Кч,, 1.1 Температура теплоносителя на выходе ТЭЦ Ки 70-100°С 0,80 0,20 а, =0,3 г.. = 0,3

1.2 Температура теплоносителя на входе потребителя К12 70-95°С 0,79 0,21 £>2=0,3 ■ёи

1.3 Температура внутреннего воздуха у потребителя А'13 18-22 °С 0,72 0,28 £,3 = 0,4

2 Энергетические (т) К1т 2.1 Средний удельный расход топлива, Кп 2.5 Интегральный показатель минимума энергозатрат 153,5-174 кг/Ткал 2,1-3,3 0,98 0,80 0,98 0,80 а2 =0Д5 =0,3 ' £25 =0Д .

3 Динамические (и) К,п 3.1 Время транспортного запаздывания К„ 0,4-4ч 0,875 0,875 03 =од 8п = 0,3 '

3.4 Динамическая погрешность ±3°С 0,4 0,4 = 0,1 £зл

3.5 Интегральный квадратиче-ский показатель качества переходного процесса Л"35 5-10 0,88 0,88 &35 = 0,1 ,

** Расчет выполнен для суммарной тепловой нагрузки ТГК-4 и 110 котельных г. Орла [15].

По данным, приведенным в таблице 3, по формуле (6) с учетом рассчитанного по формуле (17) интегрального показателя минимума энергетических затрат Кг, определен обобщенный показатель качества рассматриваемой системы прототипа К°- 0,247 .

Аналогичным образом в соответствии с методикой [37] определены отдельные показатели качества СУ КСТ. В частности, определены значения температур (п.п.1.1, 1.2, 1.3 таблицы 4), определена в процессе испытаний отдельных подсистем величина транспортного запаздывания (п.3.1 таблицы 4) [2]. Рассчитанный по методике [15] средний удельный расход топлива (п.2.1 в таблицы 4) составил 159,8 кг/Гкал.[35].

Таблица 4 - Массив единичных свойств и показателей качества системы комбинированного теплоснабжения с когенерационным и пиковьми теплоисточниками, работающими на единую тепловую сеть (КСТ)____

Наименование групп единичных свойств и их параметров Диапазон изменения параметра Относительный показатель качества: измеренный (расчетный) дк Принятое значение показателя качества Весовая значимость показателей качества О^,^

1 Температурные (/') 1.1 Температура теплоносителя на выходе ТЭЦ К1, 70-100°С 0,80 0,20 а, =0,3 а. =0,3

1.2 Температура теплоносителя на входе потребителя Кп 70 -95 °С 0,84 0,16 ^=0,3

1.3 Температура внутреннего воздуха у потребителя Кп 18-22°С 0,99 0,01 гг,3=о,4 .

2 Энергетические (т) Кгт 2.1 Средний удельный расход топлива, К21 2.5 Интегральный показатель минимума энергозатрат/^ 153,5-174 кг/Гкал 2,1-3,3 0,918 0,753 0,918 0,753 я21=о,з г» = о,1 'ёгт

3 Динамические (я) К}п а, = 0,2

3.1 Время транспортного запаздывания Кг, 0,4 - 4ч 0,1 од = о,з

3.4 Динамическая погрешность к» ±з°с 0,2 0,2 г,4 = 0,1

3.5 Интегральный квадратиче-ский показатель качества переходного процесса Кг5 6,5-10 0,737 0,737 £,5 = 0,1

По данным, приведенным в таблице 4, по формуле (6), с учетом рассчитанного п формуле (17) интегрального показателя минимума энергетических затрат К25, определе

обобщенный показатель качества СУ КСТ, К° =0,157, позволяющий сделать вывод о боле высоком качестве функционирования новой системы управления.

Сравнительная оценка отдельных параметров СУ КСЦТ и СУ КСТ приведена в таб лице 5.

Таблица 5 - Сравнительная оценка параметров СУ КСЦТ и СУ КСТ

Параметры Условное обозначение Значение параметров Улучшение показателя качества в % или абсолютных величинах

СУ КСЦТ СУ КСТ

Обобщенный относительный показатель качества СУ min/Г 0,247 0,157 36

Интегральный показатель минимума энергетических затрат F 2,640 2,485 6

Интегральный квадратический показатель качества переходного процесса I 8,80 7,37 16

Годовой расход топлива (газа), млн. м3 729 686 43

Годовой экономический эффект, млн. руб. Э - - 52

Срок окупаемости, лет т 1 OK - - 2,6

В заключении сформулированы основные результаты работы. В приложениях отражены результаты моделирования и экспериментальных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе решена актуальная научно-техническая проблема, состоящая в разработке научных основ построения и исследования СУ КСТ, включающих:

1.3 Подсистемы второго уровня строятся на следующих принципах управления:

2 Разработанную методологию анализа КСТ, основанную на теории квалиметрии, с использованием аддитивного метода объединения относительных разнородных показателей качества единичных свойств системы в обобщенный показатель многокритериальной 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 позволяет более точно и на порядок быстрее, чем экспериментальные методы определять параметры настройки регуляторов пиковых теплоисточников. При работе последних с новыми параметрами настройки качество теплового режима на объектах промышленного и гражданского назначения г.Орла повышается на 16%, а экономия ТЭР составляет 52 млн.руб.

4 Проведенные с использованием разработанного автором графо-параметрического метода модельные исследования СУ прототипа (СУ КСЦТ) и СУ с новой структурой (СУ КСТ) позволили получить ряд динамических параметров для обобщенной сравнительной оценки СУ с одной стороны, а с другой стороны использовать их в экспериментальных исследованиях для определения параметров настроек регулятора пикового теплоисточника подсистеме управления КСТ.

5 Полученные оценочные данные, в том числе с использованием разработанной ме тодологии анализа КСТ, позволяют утверждать, что в диссертации решены все поставлег ные задачи, при этом новый подход к построению СУ КСТ позволяет за счет управлени подогревом пиковыми теплоисточниками в подсистемах управления КСТ при резких изме нениях температуры наружного воздуха, исключить влияние транспортного запаздывани на качество управления тепловым режимом на объектах промышленного и гражданског назначения, а сама СУ КСТ при ее реализации позволяет обеспечить тепловой комфорт потребителя и экономию топливно-энергетических ресурсов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях

Монографии

1 Петров, С.П. Автоматизация когенерационных систем теплоснабжения с распреде ленными пиковыми нагрузками [Текст]: монография / С.П. Петров; под общей редакцие д-ра техн. наук, проф. А.И. Суздальцева. - М.: Машиностроение -1,2007. - 304 с.

2 Петров, С.П. Анализ и синтез системы управления процессом передачи тепле вой энергии в когенерационной системе централизованного теплоснабжения. [Текст]: мс нография/ С.П. Петров, М.Н. Маяков; под общей редакцией д-ра техн. наук, проф. А.И. Суздальцева. - Орел: Издательский дом «Орлик и К», 2009.-314 с. (Личное участие 250 с.

Публикации в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ

3 Суздальцев, А.И. Параметрический синтез системы управления локальным kohtj ром теплоснабжения по критерию минимума энергетических затрат [Текст] / А.И. Су: дальцев, С.П. Петров // Мехатроника, автоматизация, управление, 2009. - № 2. - С. 74-7J (Личное участие 2 с.)

4 Петров, С.П. Метод качественно-количественного импульсно-шагового управлени в когенерационных системах теплоснабжения [Текст] / С.П. Петров // Мехатроника, авте матизация, управление, 2006. - № 5. - С. 46 -53.

5 Суздальцев, А.И. Нечеткая модель в алгоритмах управления пиковыми подогревг телями в подсистемах теплоснабжения Ч. 1 [Текст] / А.И. Суздальцев, H.A. Загородних, С.П. Петров, Н.А.Сафронова // Информационные системы и технологии. - Орел: ОрелГП 2010. - № 1.-С. 93- 100. (Личное участие 2 с.)

6 Суздальцев, А.И. Нечеткая модель в алгоритмах управления пиковыми подогревг телями в подсистемах теплоснабжения Ч. 2 [Текст] / А.И. Суздальцев, Н.А.Загородних, С.П Петров, Н.А.Сафронова // Информационные системы и технологии. - Орел: ОрелГТУ, 2010. № 2. -С. 104- 109. (Личное участие2 с.)

7 Суздальцев, А.И. Алгоритмы автоматизированного управления подсистемой пик вой нагрузки в КСЦТ [Текст] / А.И. Суздальцев, С.П. Петров, // Информационные системы технологии. - Орел: ОрелГТУ, 2009. - №. 5 - С. 111-117. (Личное участие 4 с.)

8 Суздальцев, А.И. Подходы к управлению когенерационной системой централизм ванного теплоснабжения, ориентированные на повышение ее эффективности [Текст] / А.И

Суздальцев, С.П. Петров, H.A. Загородних // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника». - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. Вып.10. - С. 49 - 53. (Личное участие 3 с.)

9 Суздальцев, А.И. Об одном методе оценки качества технических систем, характеризующихся разнородными свойствами и показателями качества [Текст] / А.И. Суздальцев, С.П. Петров, Н.А.Сафронова // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел: ОрелГТУ, 2010. - № 1. - С. 119 -123. (Личное участие 2 с.)

10 Суздальцев, А.И. Оценка эффективности когенерационной системы преобразования энергии эксергетическим методом [Текст] / А.И.Суздальцев, С.П. Петров // Справочник. Инженерный журнал, 2010. №2.-С. 38-40.

11 Петров, С.П. Метод расчета эффективности различных моделей когенерационных систем теплоснабжения с распределенными пиковыми нагрузками [Текст] / С.П. Петров // Справочник. Инженерный журнал, 2006. - № 4. - С. 62-64.

12 Петров, С.П. Зависимость динамических характеристик объекта управления и параметров регулятора в функционально завершенной САУ когенерационной системы теплоснабжения [Текст]/ С.П. Петров// Справочник. Инженерный журнал, 2006. - № 5.- С. 53-57.

13 Петров, С.П. Исследование режимов работы абонентского ввода когенерационной системы теплоснабжения [Текст] / С.П. Петров //Справочник. Инженерный журнал, 2007. - № 1.-С. 45-47.

14 Петров, С.П. Повышение безопасности жизнедеятельности при теплоснабжении от когенерационных систем с распределенными пиковыми нагрузками, 4.1. Когенерационные системы с пиковыми нагрузками и надежность теплоснабжения [Текст]/ С.П. Петров // Безопасность жизнедеятельности, 2006. -№10.-С. 10-14.

15 Петров, С.П. Повышение безопасности жизнедеятельности при теплоснабжении от когенерационных систем с распределенными пиковыми нагрузками, ч. 2. Анализ эффективности источников энергоснабжения, используемых в когенерационных системах теплоснабжения [Текст] / С.П. Петров // Безопасность жизнедеятельности, 2006. -№ 11. — С.7-10.

16 Куклик, Л.Ф Индивидуальное регулирование температуры [Текст] / Л.Ф. Куклик, В.Д. Курбан, С.П. Петров // Водоснабжение и сан. техника, 1984. - № 8. - С. 12-13. (Личное участие 1 с.)

17 Чистович, С.А. Системы отопления с одноместным присоединением радиаторов [Текст] / С.П. Петров, С.А. Чистович, A.C. Шутов, С.П. Петров, О.А.Токаренко // Водоснабжение и сан. техника, 1986. - № 10. - С. 15-17. (Личное участие 1 с.)

Авторские свидетельства и патенты на изобретения

18 A.c. 1118969 СССР МКИ G 05 D 23/02. Устройство для регулирования температуры [Текст] / Л.Ф. Куклик, С.А. Чистович, С.П. Петров. - Опубл. 15.10.84. Бюл. № 38. (Личное участие 40%)

19 A.c. 1140102 СССР МКИ G 05 D 23/02. Регулятор температуры [Текст] / Л.Ф. Куклик, С.А. Чистович, С.П. Петров. - Опубл. 15.02.85. Бюл. № 6. (Личное участие 40%)

20 A.c. 1153317 СССР МКИ G 05 D 23/02. Регулятор температуры [Текст] / Л.Ф. Куклик, В.Д. Курбан, Е.А. Толочко, С.П. Петров. - Опубл. 30.04.85. Бюл. № 16. (Личное участие 25%)

21 A.c. 1536360 СССР МКИ G 05 D 23/02. Регулятор температуры [Текст] / В.В. Ермолаев, В.И. Черноштан, А.П. Майоров, С.П. Петров, Н.В. Ткаченко. - Опубл. 15.01.90. Бюл. № 2. (Личное участие 20%)

22 Патент РФ № 2297023 МПК G05D 23/00 на изобретение. Регулятор температуры [Текст] / С.П. Петров, А.И. Суздальцев, О.С. Петрова - Опуб. 10.04.07, Бюл. № 10. (Личное участие 50%)

23 Патент РФ № 2302031 МПК G05D 23/02 на изобретение. Регулятор температуры [Текст] / С.П. Петров, С.А. Чистович, А.И. Суздальцев, О.С. Петрова. - Опуб. 27.06.07. Бюл. № 18. (Личное участие 25%) 35

24 Патент РФ № 2304254 МПК F24D 3/02 на изобретение. Способ теплоснабжеш [Текст] / С.П. Петров, А.И. Суздальцев. - Опуб. 10/08.07. Бюл. № 22. (Личное участие 50%)

25 Патент РФ № 2304255 МПК F24D 3/02 на изобретение. Способ теплоснабжеш [Текст] / С.П. Петров, А.И. Суздальцев. - Опуб. 10.08.07. Бюл. № 22. (Личное участие 50%)

26 Патент РФ Ks 2315892 МПК F03D 9/00 на изобретение. Ветроэнергетическая уст новка [Текст] / В.И. Загрядский, С.П. Петров, А.И. Савескул. - Опуб. 27.01.08. Бюл. Ks (Личное участие 33%)

Патенты на полезную модель

27 Патент РФ К» 70719 МПК G05D 16/00 на полезную модель. Регулятор давления газа [Текст] / К.В. Подмастерьев, С.П. Петров, Т.В. Костикова, Н.М. Скворцова, О.С. Петр ва. - Опуб. 10.02.08. Бюл. № 4. (Личное участие 25%)

28 Патент РФ № 72748 МПК F24D 3/02 на полезную модель. Система централизм ванного теплоснабжения [Текст] / А.И. Суздальцев, С.П. Петров, H.A. Загородних. - Опу 27.04.08. Бюл. Ks 12. (Личное участие 33%)

29 Патент РФ № 75065 МПК G05B 23/00 на полезную модель. Датчик температур [Текст] / К.В. Подмастерьев, С.П. Петров, О.С. Петрова. - Опуб. 20.07.08. Бюл. Ks 20. (Ли ное участие 33%)

30 Патент РФ № 78907 МПК F24D 3/02 на полезную модель. Система централиз! ванного теплоснабжения [Текст] / А.И. Суздальцев, С.П. Петров, H.A. Загородних, М. Маяков - Опуб. 10.12.2008. Бюл. № 34. (Личное участие 25%)

31 Патент РФ № 79192 МПК G05B 23/00 на полезную модель. Датчик температуры [Текст] / К.В. Подмастерьев, С.П. Петров, О.С. Петрова. - Опуб. 20.12.08. Бюл. № 35. (Личное участие 33%)

Публикации в журналах и сборниках международных и всероссийских конф ренций

32 Суздальцев, А.И. Основы стратегии научного исследования технических систем [Текст] / А.И. Суздальцев, С.П. Петров // Известия Орел ГТУ. - Орел: ОрелГТУ, 2008. - J 1. - С. 222-227. (Личное участие 2 с.)

33 Петров, С.П. Графо-параметрический метод оценки эффективности систем управления локальным контуром теплоснабжения с пиковой нагрузкой [Текст] /С.П. Пе ров, А.И. Суздальцев // Известия Орел ГТУ,- Орел: ОрелГТУ, 2008,- № 2,- С. 76-83.(Личн< участие 4 с.)

34 Петров, С.П. Оценка качества переходного процесса в СУ КСЦТ по интегрально\ квадратическому критерию [Текст] /С.П. Петров, М.Н. Маяков, H.A. Сафронова // Фунд ментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел: ОрелГТУ, 2009. - № - С. 89-95. (Личное участие 3 с.)

35 Петров, С.П. Методика расчета эксергетического КПД энергоблока с построение эксергетических диаграмм [Текст] /С.П. Петров, А.И. Суздальцев // Фундаментальные прикладные проблемы техники и технологии.- Орел: ОрелГТУ, 2009. - № 5. - С. 87-9 (Личное участие 3 с.)

36 Суздальцев, А.И. Определение граничных условий при выполнении параметрич ского синтеза СУ КСТ [Текст] /А.И. Суздальцев, С.П. Петров // ИТНОП Материалы I Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в наук образовании и производстве»,- Орел: ОрелГТУ, 2010.- С. 220-225.(Личное участие 3 с.)

37 Петров, С.П. Методика сравнительной оценки качества технических систем, х растеризующихся разнородными свойствами [Текст] / С.П. Петров, А.И. Суздальцев, Hj Сафронова // ИТНОП Материалы IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве». - Орел: ОрелГГ 2010. - Ks 1. - С. 108-113. (Личное участие 2 с.)

38 Петров, С.П. Операционный метод исследования функционально завершеннь1'

САУ когенерационных систем теплоснабжения [Текст] /С.П. Петров // Справочник. Инженерный журнал, 2007. -№ 8.-С. 57-62.

39 Петров С.П. Автономные системы отопления с автоматическим регулированием [Текст] / С.П. Петров, О.С. Петрова // В сб. Энергетика Региона. - Екатеринбург, 2005.

- № 3. - С. 7- 8. (Личное участие 1 с.)

40 Петров, С.П. Эффективность когенерационных систем централизованного теплоснабжения [Текст] / С.П. Петров, A.C. Комаристый, М.А. Маяков // Материалы пятой международной научно-практической интернет-конференции. В сб. энерго- и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2007. - С.57- 60. (Личное участие 2 с.)

41 Петров, С.П. Внедрение АСУ ТП в учебно-научно-производственном комплексе Орловского государственного технического университета [Текст]/ С.П. Петров // Труды Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» 22-23 апреля. - Воронеж, 2008. - С. 199-200.

42 Петров, С.П. Влияние качества управления тепловым режимом когенерационной системы централизованного теплоснабжения на ее эффективность [Текст] / С.П. Петров, A.C. Комаристый, М.Н. Маяков // Материалы шестой международной научно-практической интернет-конференции. В сб. энерго- и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2008. - С. 30-34. (Личное участие 2 с.)

43 Петров, С.П. Зависимость температурного режима здания от соотношения быстрых и медленных тепловых потерь и изменения параметров теплоносителя в тепловой сети [Текст] / С.П. Петров, М.Н. Маяков // Материалы шестой международной научно-практической интернет-конференции. В сб. энерго- и ресурсосбережение XXI век.- Орел, 2008.- С. 34-38. (Личное участие 2 с.)

44 Петров, С.П. Методика расчета погрешности отклонения температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах когенерационной системы централизованного теплоснабжения от температурного графика // [Текст] / С.П. Петров, М.Н. Маяков, // Мате риалы седьмой международной научно-практической интернет-конференции. В сб. энерго-и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2009. - С. 43 - 46. (Личное участие 2 с.)

45 Петров, С.П. Методика расчета тепловых потерь в когенерационных системах теплоснабжения [Текст] / С.П. Петров // Материалы четвертой международной научно-практической интернет - конференции. В сб. энерго - и ресурсосбережение XXI век.

- Орел, 2006. - С. 83 - 88.

46 Петров, С.П. Алгоритм управления тепловым и гидравлическим режимами работы когенерационных систем теплоснабжения [Текст] / С.П. Петров // Материалы четвертой международной научно-практической интернет - конференции. В сб. энерго - и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2006. - С. 237 - 240.

47 Петров, С.П. Методика проведения тепловой и гидравлической регулировки в когенерационных системах теплоснабжения [Текст] / С.П. Петров // Материалы четвертой международной научно-практической интернет - конференции. В сб. энерго - и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2006. - С. 190 - 193.

48 Петров, С.П. Методика определения величины транспортного запаздывания в когенерационной системе теплоснабжения с использованием приборов учета [Текст]/ С.П. Петров // Материалы четвертой международной научно-практической интернет - конференции. В сб. энерго - и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2006. - С. 193 - 196.

49 Петров, С.П. Особенности работы абонентского ввода когенерационной системы теплоснабжения в условиях индивидуального автоматического регулирования [Текст] / С.П. Петров // Материалы четвертой международной научно - практической интернет -конференции. В сб. энерго - и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2006. - С. 197 -199.

50 Петров, С.П. Исследование гидравлических и регулировочных характеристик индивидуального регулятора для систем отопления с одноместным присоединением [Текст]

/С.П. Петров, Ю.И.Савенков, А.С.Шугов // В кн. Индустриальные отопительн вентиляционные и санитарно-технические системы и технология монтажа. Сб. науч. i ВНИИГС. - Л., 1985. - С.65-71. (Личное участие 3 с.)

51 Петров, С.П. Горизонтальные системы отопления с индивидуальным автоматич ским регулированием [Текст] / С.П. Петров, А.С.Шутов // Материалы научно-практическ< конференции «Проектирование, монтаж и наладка автоматизированных систем теплосна жения». - Л., 1987. - С.15-16. (Личное участие 1 с.)

52 Чистович, С.А. Перспективы использования приборов энергосберегающей техн логии в бивалентных и поливалентных системах теплоснабжения [Текст] / С.А. Чистови С.П. Петров // ЦНИИТЭИ приборостроения. № 1. - М. - 1990,- 36 с. (Личное участие 18 с.

53 Петров, С.П. Внедрение автоматизированной системы управления температурнь режимом «АСУ-ТР» на теплопотребляющих объектах ОрелГТУ [Текст] / С.П. Петров, Е.. Качанова, О.С. Петрова // Материалы второй международной научно-практической инте нет- конференции. В сб. энерго- и ресурсосбережение XXI век.- Орел, Орел ГТУ, 2004.- < 118-120. (Личное участие 1 с.)

54 Петров, С.П. Внедрение энергосберегающих технологий в Орловском государс венном техническом университете [Текст] / С.П. Петров // Материалы VI Всероссийско: совещания-выставки по энергосбережению. В сб. Энергетика Региона,- Екатеринбург, 200 -№ 2. - С. 49 -50.

55 Петров, С.П. Эффективность автоматизации когенерационных систем централиз ванного теплоснабжения с распределенными пиковыми нагрузками [Текст] I С.П. Петров Материалы третьей международной научно-практической интернет-конференции. В с энерго - и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2005. - С. 93-96.

56 Петров, С.П. Когенерационные системы централизованного теплоснабжения отопления с распределенными пиковыми источниками тепловой энергии [Текст] / С.П. Пе ров // Материалы третьей международной научно- практической интернет- конференцш В сб. энерго- и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2005.- С. 31-33.

57 Петров, С.П. Исследование динамических характеристик функционально заве, шенной САУ когенерационной системы централизованного теплоснабжения и отопления распределенными пиковыми нагрузками [Текст] / С.П. Петров, О.С. Петрова // Материал третьей международной научно-практической интернет-конференции. В сб. энерго- и р сурсосбережение XXI век. - Орел, 2005. - С. 50-57. (Личное участие 4 с.)

58 Петров, С.П. Повышение эффективности когенерационных систем теплоснабж ния при использовании аккумуляторов тепловой энергии [Текст] / С.П. Петров // Сборш трудов международной научно-технической конференции. «Приборостроение 2005». - Ви ница-Ялта, 2005. - С.172 -174.

59 Петров, С.П. Зависимость параметров теплоносителя на абонентском вводе ког нерационной системы централизованного теплоснабжения от статических характерней других абонентских систем и тепловой сети [Текст] / С.П. Петров // Известия ОрелГТ' - Сер. Машиностроение. Приборостроение. - Орел: ОрелГТУ, 2005. - № 2. - С. 50-51.

60 Петров, С.П. Методика проведения гидравлического расчета тепловых сетей в к генерационных системах теплоснабжения [Текст]/ С.П. Петров // Материалы четвертой м ждународной научно-практической интернет - конференции. В сб. энерго - и ресурс сбежение XXI век. - Орел, 2006. - С. 88-91.

61 Петров, С.П. Программное регулирование температуры воздуха в здании с и пользованием математической модели нестационарных тепловых процессов [Текс / С.П. Петров II Материалы третьей международной научно - практической интернет -конференции. В сб. энерго- и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2005. - С. 139-142.

62 Петров, С.П. Эффективность использования пиковых нагрузок в когенерационнь системах централизованного теплоснабжения [Текст] / С.П. Петров // Сборник трудов ме?

дународной научно-технической конференции. «Приборостроение 2005». - Винница - Ялта, 2005.-С. 174-176.

63 Петров, С.П. Автоматизация когенерационных систем централизованного теплоснабжения с распределенными пиковыми источниками тепловой энергии [Текст] / С.П. Петров // Материалы третьей международной научно-практической интернет-конференции. В сб. энерго- и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2005. - С.163-167.

64 Петров, С.П. Анализ функционально завершенной САУ когенерационной системы централизованного теплоснабжения на примере отапливаемого помещения и разработка структурной схемы объекта управления [Текст] / С.П. Петров, О.С. Петрова // Материалы третьей международной научно-практической интернет-конференции. В сб. энерго- и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2005. - С. 207-213. (Личное участие 4 с.)

65 Петров, С.П. Исследование когенерационных систем централизованного теплоснабжения с распределенными пиковыми нагрузками методом математического моделирования функционально завершенных САУ [Текст] / С.П. Петров // Материалы третьей международной научно-практической интернет- конференции. В сб. энерго- и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2005. - С. 239- 242.

66 Петров, С.П. Моделирование функционально завершенной САУ когенерационной системы централизованного теплоснабжения на примере отапливаемого помещения [Текст] / С.П. Петров, О.С. Петрова // Материалы третьей международной научно-практической интернет- конференции. В сб. энерго- и ресурсосбережение XXI век. - Орел, 2005.

- С. 261-266. (Личное участие 3 с.)

67 Петров, С.П. Зависимость параметров теплоносителя на абонентском вводе когенерационной системы централизованного теплоснабжения от динамических характеристик других абонентских вводов и тепловой сети [Текст] / С.П. Петров // Известия Орел ГТУ.

- Сер. Машиностроение. Приборостроение. - Орел: ОрелГТУ, 2005. - № 3. - С. 52-53.

ЛР ИД № 00670 от 05.01.2000 Подписано в печать . /€ ■ -) ® '-Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2 Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфической базе ОрелГТУ 302025, г. Орел, ул. Московская, 65.

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Петров, Сергей Петрович

Введение.

Глава 1 Общее состояние вопроса.

1.1 Постановка задачи управления тепловым режимом объектов промышленного и гражданского назначения и методика ее решения.

1.2 Проблематика управления централизованным теплоснабжением объектов промышленного и гражданского назначения.

1.3 КСЦТ как подсистема КСПЭ и задачи управления.

1.3.1 Анализ структуры управления КСЦТ.

1.3.2 Основные задачи управления, решаемые в КСЦТ.

1.4 Принципы управления процессом передачи тепловой энергии в

КСЦТ и характеристика ступеней управления.

1.5 Методы управления тепловым режимом в КСЦТ.

1.5.1 Управление тепловым режимом в КРП и ЦТП.

1.5.2 Управление в абонентском вводе здания и индивидуальное управление в отапливаемых помещениях.

1.6 Анализ влияния возмущающих воздействий на тепловой режим в подсистемах управления КСЦТ.

1.6.1 Влияние возмущающих воздействий в тепловой сети на параметры теплоносителя в абонентском вводе здания.

1.6.2 Влияние статических характеристик соседних потребителей и тепловой сети на параметры теплоносителя в абонентском вводе здания.

1.7 Влияние транспортного запаздывания в трубопроводах на качество управления тепловым режимом в КСЦТ.

1.8 Проблема загрязнения окружающей среды и безопасность жизнедеятельности.

1.9 Технические средства и алгоритмы управления тепловым режимом в КСЦТ.

Выводы.

Глава 2 Формирование нового подхода и принципов построения СУ тепловым режимом комбинированной системы теплоснабжения (КСТ).

2.1 Общая структура КСТ как подсистемы КСПЭ.

2.2 Стратегия научного исследования.

2.3 Принципы управления тепловым режимом в подсистеме управления КСТ в периоды резкого изменения температуры наружного воздуха.

2.4 Режимы управления пиковым теплоисточником в периоды резкого изменения температуры наружного воздуха.

Выводы.

Глава 3 Методологические основы построения и исследования технических систем (ТС) в рамках нового подхода.

3.1 Постановка задачи анализа проблемы.

3.2 Выбор методов анализа и критериев оценки качества.

3.3 Методология анализа технических систем с оценкой по обобщенному показателю качества.

3.4 Графо-параметрический метод исследования подсистем управления

КСЦТиКСТ.

Выводы.

Глава 4 Исследование динамики подсистем управления КСЦТ и КСТ графо-параметрическим методом.

4.1 Классификация моделей управления.

4.2 Инвариантность управляющего и возмущающего воздействий.

4.3 Ограничения к поведению СУ на границах апериодичности и устойчивости.

4.4 Формирование модели СУ КСЦТ.

4.5 Исследование динамики переходных процессов модели СУ КСЦТ графо-параметрическим методом.

4.6 Оценка СУ КСЦТ по интегральному квадратическому показателю качества переходного процесса и интегральному показателю минимума энергетических затрат.

4.7 Исследование динамики переходных процессов модели СУ КСТ графо-параметрическим методом.

4.8 Оценка СУ КСТ по интегральному квадратическому показателю качества переходного процесса и интегральному показателю минимума энергетических затрат.

4.9 Оценка эффективности СУ КСЦТ и СУ КСТ энергетическим методом на примере г.Орла.

4.9.1 Оценка энергетических затрат в СУ КСЦТ.

4.9.2 Оценка энергетических затрат в СУ КСТ.

4.10 Методика оценки эксергетического КПД КСПЭ.

Выводы.

Глава 5 Разработка новых способов, алгоритмов и средств управления тепловым режимом в отдельных подсистемах КСТ.

5.1 Постановка задачи управления тепловым режимом в отдельных подсистемах КСТ.

5.2 Управление тепловым режимом в отдельных подсистемах КСТ.

5.2.1 Управление тепловым режимом в контуре когенерационного источника.'.

5.2.2 Управление в контуре обобщенного потребителя.

5.2.3 Управление в контуре пикового теплоисточника.

5.3 Управление тепловым режимом пикового теплоисточника контроллером с жесткими параметрами настройки.

5.4 Нечеткие алгоритмы управления в контуре пикового теплоисточника.

5.5 Представление входных и выходных данных нечеткой модели управления пиковым теплоисточником в подсистеме КСТ.

Выводы.

Глава 6 Экспериментальные исследования.

6.1 Постановка задачи экспериментальных исследований параметров теплоносителя в КСТ.

6.2 Характеристика объектов, средств автоматизации и приборов контроля.

6.3 Методика проведения экспериментальных исследований.

6.4 Результаты экспериментальных исследований.

6.5 Расчет экономической эффективности СУ КСТ на примере г.Орла.

6.6 Проверка адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Выводы.

Глава 7 Сравнительный анализ СУ КСЦТ и СУ КСТ по обобщенному показателю качества.

7.1 Анализ показателей качества СУ КСЦТ.

7.2 Анализ показателей качества СУ КСТ.

7.3 Основные результаты работы.

Введение 2010 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Петров, Сергей Петрович

В России за 85 лет (начиная с плана ГОЭЛРО) созданы* уникальные по своим- размерам когенерационные системы преобразования энергии (КСПЭ), позволяющие за счет комбинированной выработки тепловой и электрической энергии и более высокого по сравнению с раздельной выработкой- КПД 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 км; объем циркулирующего в тепловых сетях теплоносителя превышает 45000 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).

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, работающая- по-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:

- существующие методы исследования динамики СУ КСЦТ не учитывают граничные условия, при которых в СУ обеспечивается устойчивый апериодический процесс, что существенно влияет на алгоритмы управления и- качество 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 способы, модели, алгоритмы и средства управления тепловым режимом в подсистемах КСТ, обеспечивающие заданную точность поддержания параметров температурного графика в периоды; резких изменений, температуры-наружного воздуха;

• Провести сравнительный анализ результатов исследования СУ КСЦТ и СУ КСТ по обобщенному; показателю 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 тепловой; энергии и непосредственное подключение пиковых теплоисточников к объектам; промышленного 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:

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.

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].

• 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.

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).

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 «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век». Орел, 16-18 апреля 2005; II Международной научно - практической конференции «Энергетика и электротехника 2005». Автоматизация- в промышленности. Санкт — Петербург, 17 - 20 мая 2005; V Международной научно» - практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение -XXI 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 «Энерго- и ресурсосбережение -XXI 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 «Энерго- и 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.

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00