автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка и применение методов расчета теплогидравлических режимов в системах теплоснабжения с многоступенчатым арегулированием

РГ6 од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ СИБИРСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Шалагинова Зоя Ивановна

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЕПЛОГИДРАЕШИЕСКИХ РЕЖИМОВ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С МНОГОСТУПЕНЧАТЫМ

РЕГУЛИРОВАНИЕМ.

Специальность 05.13.16 - применение вычислительной техники,

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (энергетика).

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иркутск - 1995

Работа выполнена в Сибирском энергетическом институте СО РА! (г.Иркутск).

Научный руководитель - член кор. РАН Меренков 4.П.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Каганович Б.М. кандидат технических наук Светлов К.С.

Ведущая организация - Военный инженерно-строительный инстит

(ШСИ г.Санкт-Петербург).

Защита диссертации состоится »7_« 1995 года на

заседании диссертационного совета Д.002.30.01. при Сибирском энергетическом институте СО РАН по адресу: 664033, Иркутск-33, ул.Лермонтова, 130.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского энергетического института СО РАН.

Автореферат разослан НаГ/О/эЯ 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

А.М.Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный теплоснабжающие системы (ТСС) сложились кзк пространственно распределенные и весьма сложные системы централизованного снабжения,, характеризующиеся следующими основными структурными и режимными аспектами; совместной работой источников на общие тепловые сети в нормальных и нештатных условиях ( дефицитные, аварийные а послеаварийные режимы); наличием различного рода управляющих элементов типа контрольно-распределительных и центральных тепловых пунктов (КРП, ЦТП), распределительных станций теплоснабжения и т.п., которые позволяют реализовывать режимы функционирования в сетях разного уровня (магистральных, распределительных), существенно отличающихся как по способам организации (количественное, качественное, комбинированное регулирование), так и по параметрам транспортируемой среды.

Исследования теплогидравлических режимов и, в частности, с точки зрения режимной управляемости таких систем в различных условиях функционирования являются необходимым элементом оценки реализуемости решений, принимаемых на проектной и эксплуатационном уровнях при реконструкции сетей и планировании режимов. Актуальность этих исследований возрастает не только в связи с усложнением к ростом масштабов ТСС, но и с учетом все более усиливающихся современных требований к качеству, комфортности и надежности теплоснабжения потребителей. При этом во многих случаях необходимо знание не только температур, которые установятся в контролируемых узлах тепловой сети при изменении температур или (и) расходов, скажем, в источнике теплоты, но и промежутков времени, за которые эти события наступили. Это вызывает необходимость рассматривать теплогидравлические режимы во времени с учетом возмущающих воздействий, остывания теплоносителя по длине трубопровода и транспортного запаздывания (известно, что если давления в сети распространяются практически со скоростью звука, то перекос температур осуществляется по-существу со скоростью течения теплоносителя в

трубопроводе ). Кроме того, в силу исторического развития ТСС, в их структуру, как правило, не закладывалась четкая иерархичность построензя, в связа с чем существуйте 1СС обладает лишь частичной управляемостью, т.е. обеспечивают требуемые параметры отдельных потребителей в нормальных условиях и становятся неуправляемыми при нарушении проектных режимов. Таким образом, прогноз теплогидравлических параметров в узловых точках системы в различных режимах имеет большое и многоплановое значение, и для его осуществления требуется специальная разработка соответствуыцих постановок задач и отвечающих им математических моделей, позволяющих учитывать как особенности современных ТСС, так и современные требования к теплоснабжению, что и определяет актуальность теш диссертации.

Цели данной работы состоят в; I) постановке задач и построении математических моделей для описания и расчета во времени теплогидравлических режимов ТСС, имеющих промежуточные ступени регулирования, с учетом транспортного запаздывания и возмущающих воздействий, с присоединением у потребителей разнородной нагрузки (отопления, вентиляции и горячего водоснабжения) по всем возможным типовым схемам; 2) разработке и исследовании на этой основе методики имитации функционирования автоматизированных ТСС во времени; 3) реализации построенных математических моделей и алгоритмов в виде диалоговой вычислительной системы (ДВС); 4) применении разработанных моделей и ДВС для решения ряда исследовательских и практических задач.

Научная новизна. В диссертации впервые получены и выносятся на защиту следующие основные результаты:

1. Постановка общей задачи расчета теплогидравлических режимов в динамике для ТСС с многоступенчатым регулированием при различных возмущающих воздействиях, ее декомпозиция на отдельные подзадачи и схема увязки решений выделенных подзадач для получения общего решения.

2.Комплекс математических моделей для решения задач:расчета во времени тепловых режимов в тепловых сетях ¡расчета теплогидравлических

рекимов тепловых пунктов (ТП) со всеми возможными типовым!? схемами присоединения разнородней тепловой нагрузки и размещения регулирующих

VГ"гг>г\гд-г«гпо • т»агт тгг|Г»тя ттотэ птгиог^п'Ргч ппопоно ФИГ1 р 7го ппч

% 4 1 х IV V ы ^ д л и * ¿5 цьАкут ■

3. Оригинальный способ дискретизации непрерывного времени с учетом сетевой специфики задачи, позволяющий производить тепловой расчет в динамике и учитывать возмущающие воздействия различного рода.

4. Универсальная методика теплогидравлического расчета ТП, использующая обобщенную избыточную схему.

5. Алгоритмы, реализующие разработанные методики и математические модели.

Практическая ценность работа. Использование методических и программных разработок обеспечивает получение количественного обоснования решений, принимаемых практически на всех уровнях управления развитием и функционированием ТСС: для анализе режимной управляемости вновь создаваемых, реконструируемых иля расширяемых ТСС при проектировании; для планирования и налвдки режимов ТСС при их эксплуатации; для обоснования графиков отпуска теплоты и имитации последствий принимаемых решений при диспетчерском управлении. При этом могут решаться следующие режимно-технологические задачи: а) анализ расчетных режимов работы ТСС для теплогидравлической экспертизы проектов новых, реконструируемых и расширяемых систем, а также режимов их наладки и эксплуатации; б) обоснование диспетчерского графика центрального регулирования отпуска теплоты с учетом дополнительных ступеней группового (на КРП. ЦТП) и местного (на индивидуальных тепловых пунктах- ИТП) регулирования, что позволит повысить экономичность работы ТЭЦ и снизить расход теплоносителя и электроэнергии на его перекачку е магистральных тепловых сетях; в) определение времени отклика конкретных потребителей на возмущения (например, на изменение температуры сетевой воды на выходе из источника или промежуточного гзла регулирования, знание которого необходимо при программном

регударовании температуры воздуха в отапливаемых помещениях ( понижением в ночные часы для определения времени начала "надтопа" I сквгекия температуры в сети); г) определение возможных последствий да потребителей и времени стабилизации режима при изменениях в сети I вынужденном отклонении параметров теплоносителя от требуемых и оценк; мероприятий по нормализации режима теплоснабжения; д) определена! допустимого времени снижения подачи теплоты в аварийных режимах и: условия допустимого снижения температуры воздуха в отапливаемы; помещениях; е) учет отпуска и потребления теплоты; ж) определенш путей улучшения эксплуатационных показателей системы теплоснабженш (увеличения пропускной способности сети, снижения температуры обратно! сетевой воды и т.д.) ,а также количественная оценка влияния каждого и: возможных мероприятий на эти показатели.

Реализация работы. Разработанные модели и алгоритмы реализованы ю языке Фортран в виде диалоговой вычислительной системы (ДВС "ДиТеГР"-Диалоговая система для расчета Тепловых и Гидравлических Режимов) ДВС ориентирована на персональные компьютеры типа 1вм рс ат 1 максимально приближена к потребностям практики в автоматизаци расчетов теплогидравлических режимов ТСС.

Предложенные в работе методы и модели апробированы на тестовы: примерах и реальных системах теплоснабжения. Показана принципиальна; возможность их применения для ТСС, имеющих промежуточные ступен регулирования, с присоединением разнородных нагрузок потребителей.

Основные результаты работы внедрены во ВНИПИэнергопроме (г.Москва) а также использованы при разработке технического задания н проектирование системы теплоснабжения автомобильного предприятия ЕЛАЗ (г.Елабуга). Разработанная ДВС включена ВНИПИзнергопромом в соста: математического и алгоритмического обеспечения САПР схе! теплоснабжения и АСУ ТП. Результаты работы используются также : Военном инженерно- строительном институте (ВИСИ, Санкт-Петербург) да

проведения НИР, в учебном процессе к для решения практических задач.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и ООО У ЖД 5 ЛИ С Ь НВ ■ ВС 5 СОЮЗНОМ СбМйКЗрЭ ПС ЗВТСМЗТИЗЗЦ!'** систем теплоснабжения ( Харьков, 1986г. ); Всесоюзной школе-семинаре "Математические модели и методы анализа развивающихся трубопроводных и гидравлических систем" (Туапсе, 1989г.); Всесоюзном симпозиуме "Современные проблемы системных исследований в энергетике" (Иркутск, 1990г.); международной научно-практической школе-семинаре "Новые информационные, энергосберегающие и экологически безопасные технологии управления развитием трубопроводных систем энергетики" (Туапсе, 1992г.); международной научно-практической школе-семинаре "Методы оптимального развития и эффективного использования трубопроводных систем энергетики" (Иркутск, 1994г.); Секции специализированных систем энергетики Ученого совета СЭЙ СО РАН (Иркутск, 1995г.)

Публикации. Основное содержание работы отражено в 7 публикациях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (105 наименований) и шести приложений. Изложена на страницах, содержит 34 рисунка, 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ существующего положения, аналитический обзор литературы____и

постановка вопросов. В силу исторического развития ТСС, заключающегося в быстром росте их масштабов и сложности при недостаточном уровне проектирования, зксплуатацьи и технической оснащенности, в современных теплоснабжающих системах возникло противоречие между чрезмерными масштабами, их устаревшей структурой и низким техническим уровнем. £ак следствие, эти системы имеют неудовлетворительную управляемость.

Обеспечение управляемости ТСС может быть достигнуто при условии: з) тщательней проработки на стадиях планирования и проектирования всех

Бопросов, связанных с принципами построения ТСС; б) своевременного и качественного решения вопросов расширения, реконструкции и наладки регимоз систем при ежегодном увеличении их нагрузки; в) перехода к автоматизированным системам диспетчерского управления.

Сложность современных ТСС и вопросов их управляемости обуславливает необходимость применения методов математического моделирования как решающего средства для целостного рассмотрения теплогпдравлических режимов ТСС, имеющих промежуточные ступени, регулирования, и количественного обоснования решений для задач проектирования, реконструкции, наладки режимов и диспетчерского управления.

Результаты обзора литературы показали, что аналитическим метода» расчета и математическим моделям отдельных звеньев ТСС посвященс немало работ, однако нет совместного рассмотрения в динамике тепловьи и гидравлических режимов работы ТСС в целом. Так, в СЭМ СО РА1 накоплен огромный научный и практический опыт в области разработш методов решения и моделирования гидравлических режимов ТСС слоюкй многокольцевой структуры. В связи с этим автором принимается ] качестве базового метод узловых давлений для расчета потокораспределе-ния в произвольной сети с регулируемыми параметрами.

В работах ВТИ достаточно хорошо развиты методы расчета абонентских установок закрытых систем теплоснабжения. Однако в них не рассматриваются открытые системы, а системы отопления представлены только зависимым присоединением с элеватором, имеющим постоянный коэффициент смешения, что не позволяет имитировать индивидуальное регулирование отопительных систем и учитывать вентиляционную нагрузку, которая в крупных ТСС может иметь ощутимую долю и может приводить к резко переменным режимам работы.

Помимо аналитических методов расчета ТСС параллельно развиваотс кибернетические метода (ВНШГС, ВИСИ ). Однако они не охватывает всег многообразия систем, работящих в нашей стране, и применимы,

основном, для небольших систем, работающих от котельных. Необходимость

выполнения значительного объема натурных экспериментов на каждом конкретном объекте ограничивает возможности распространения их результатов на условия других объектов, не позволяет в полной мере использовать обширный опыт, полученный на основе ранее выполненных исследований и изучения практики эксплуатации, и существенно сужает область их применения. Твкие модели применимы для решения лишь отдельных задач управления и не предназначены для задач проектирования и реконструкции ТСС, а также не позволяют имитировать различные режимы их работы.

Исходные положения и постановка вопросов. Данная работа посвящена вопросам моделирования теплогидравлических режимов ТСС с произвольной структурой и имеет своей целью имитацию многоступенчатого регулирования отпуска теплоты разнородным потребителям в соответствии с теми или пшми ступенями системы управления ТСС (КРП, ЦТП, ИГЛ). При этом, погано гидравлических параметров, важны расчет и анализ температурного юля, степени обеспеченности потребителей необходимым количеством ■ешгаты, соблюдения температурных ограничений, в том числе с учетом вменяющихся внешних факторов и внутренних возмущений. Это вызывает :еобходимоеть рассматривать теплогидравлические режимы во времени с четом возмущающих воздействий, остывания теплоносителя по длине рубоировода, транспортного запаздывания и смешения в узлах схода отеков с различными температурами.

Под возмущающими воздействиями (в дальнейшем будем называть их росто возмущениями) понимается изменение любых параметров системы ¡сак тепловых, так и гидравлических) ео времени в течение расчетного зриода. Рассматриваются следующие типы возмущений - изменения: змпературы и (или) расхода теплоносителя во времени на выходе из 5точника теплоты; отбора теплоты на отопление у потребителя по часам 'ток (программное регулирование с понижением температуры в ночные

часы); отбора теплоносителя на горячее водоснабжение у потребителя {при открытой водоразборе); гидравлического сопротивления на любом из участков сети или на некоторой их совокупности; величины действующего напора на активных ветвях (насосных станциях); уставок регуляторов; топологии сети (исключение или добавление одного или нескольких участков в любой момент времени при расчете послеаварийных режимов).

В диссертации рассматриваются следующие цели регулирования (z*), которые должно обеспечивать установленное в ТСС оборудование :

1. Поддержание на необходимом уровне t* температуры воздуха внутри помещений tBH

2*: t = t* = const,

i вн вн '

причем t* для каждого потребителя может иметь свое значение и е течение отдельных периодов расчета меняться в зависимости oi обстоятельств и потребностей абонентов. Например, в нормальном режиме функционирования ТСС параметр t* может быть задан усредненног константой или графиком изменения в течении суток с понижением t i жилых помещениях в ночные часы, согласно условиям комфортности, либс на предприятиях и в общественных местах в нерабочее время. В условия: ограничения мощности t*H может быть пониженной, но не менее минималькс -допустимой по санитарным нормам,

2. Поддержание температуры воды на горячее водоснабжение на заданном уровне в нормальном режиме функционирования в соответствии со СНи!

z *: 60°С s t£ s 75°С для открытых систем,

i*i 50°С - s 75°С для закрытых систем,

В дефицитном режиме допускается полное отключение системы горячеп водоснабжения жилых и общественных зданий.

3. Поддержание температуры приточного воздуха в вентилируемых поме щениях на заданном уровне в зависимости от типа и назначения помещена,

* mn < tP < где.

3 Пр пр пр * ^

fcnpf ъпрП» ъпрХ" Расчетная, минимально-допустимая и максимально

допустимая температуры приточного воздуха в вентилируемом помещении.

4. Поддержание постоянного расхода воды в местных системах

отопления, оборудованных регуляторами ЯССТСЯКСТ22 расхода * *

i i G = G = const

4 О с с

5. Поддержание в условиях ограничения мощности источников теплоты или ограничения сетевой вода на КРП (вследствие аварийной ситуации) резервной нормы подачи тепла потребителям в соответствии со справочно-нормативными документами

Ф ,-0* Г. где:

количество теплоты, отпущенное на абонентский веод потребителя; ^-количество теплоты, необходимое потребителю в расчетном режиме; ф- допустимое снижение подачи теплоты потребителям в аварийном или дефицитном режиме.

Постановка задачи теплогидравлического расчета ТСС и ее декомпози-цня.

S33Q1

- по источникам теплоты: графики центрального регулирования во времени для каждого источника, т.е. значение температуры (или расхода зри количественном, либо того и другого при комбинированном регулировании) теплоносителя на выходе из источника во временном разрезе (например, в течение суток или любого другого расчетного 1ериода); действующий напор; узел с фиксированным давлением и его зеличина для одного из источников, относительно которого будут определиться давления в остальных узлах системы;

- по сети: топология и размещение насосных станций, источников, ютребителей, регуляторов давления или расхода; гидравлические и инструктивные характеристики участков трубопроводов; тип и места установки регуляторов (давления, расхода) и их уставки (значения 1араметров, которые должны поддерживаться регуляторами); и гидравлические характеристики насосных станций;

-12- по потребителям: тип и величина присоединенной нагрузк (отопление, горячее водоснабжение, вентиляция); схемы присоединения п всем видам подключенной нагрузки; конструктивные и технически! характеристики оборудования (подогревателей, элеваторов, насосо: смешения, калориферов), аккумулирующая способность зданий и т.д. типы, места установки и уставки регуляторов (температуры на горяче! водоснабжение или вентиляцию, расхода, либо постоянства расхода н; систему отопления, ограничения расхода на ввод в целом и т.д.) требуемые значения и пределы допустимых отклонений регулируемы; параметров (температуры воздуха внутри отапливаемых помещений приточного воздуха на вентиляцию и воды на горячее водоснабжение);

- по системе в целом: климатические данные; список внешни; возмущений с указанием времени их исполнения и новых значена изменившихся параметров.

Требгется_ощ1едешть^ давления и температуры в узлах сети в любо( момент времени; расходы теплоносителя и потери тепла по участкам; температуры внутреннего воздуха в помещениях, приточного воздуха н< вентиляцию и воды на горячее водоснабжение у потребителей в кажды! момент расчетного времени; суммарное количество теплоты и отдельно ш видам присоединенной нагрузки, полученные потребителями за расчетные период; время отклика в отдельных (указанных исследователем) узлах нг внешние возмущения; время стабилизации теплового режима системы поел« возмущений; факт нарушения обеспечения потребителей требуемы! количеством теплоты, а также технологических ограничений для заданногс сценария внешних возмущений.

В связи с существенной сложностью моделирования теплогидравлическш режимов ТСС введены следующие упрощающие предположения: I; теплоноситель считается практически несжимаемым; 2) теплоемкост! теплоносителя принимается постоянной, не зависящей от его плотности I температуры; 3) сопротивление участков сети не зависит от температурь

еплоносителя, что позволяет рассчитывать гидравлический режим езависимо от теплового; 4) гидравлический режим в сети стзнэвливаетея мгновенно, так как давление распространяется риблизительно со скоростью звука, что позволит производить расчет отокораспределения без временной составляющей.

Все перечисленные допущения вполне приемлемы для водяных тепловых етей в силу физических свойств теплоносителя в диапазоне его рабочих емператур и давлений .

Сложность моделирования теплогидравлических режимов ТСС связана с етевой структурой и большой размерностью задачи, поэтому для ее реше-ия используем принцип декомпозиции на подзадачи расчета теплогидрав-ических режимов: I) тепловых сетей; 2) потребителей. Каждая подзада-а, в свою очередь, также сводится к решению двух подзадач: а) расчета адравлического режима и на его основе б) расчета теплового режима, ри этом тепловой расчет производится во времени.

Учитывая практическую безынерционнооть системы по гидравлическому ракту и значительные временные запаздывания по тракту температур, редставляется правомерным использование квазиданамического подхода яя решения этой задачи.

Таким образом, задача расчета тешгогидрзвлических режимов ТСС водится к последовательному выполнению задач гидравлического и валового расчета тепловых сетей, а также гидравлического и теплового асчета потребителей, информационная связь между отдельными задачами рис. I) осуществляется через динамическую модель данных (ДМД).

На первом этапе выполняется расчет установившегося потокораспре-?ления в тепловой сети, затем осуществляется тепловой расчет во вре-эни. При возникновении внешнего возмущения, которое задается исследо-ателем в исходных данных, осуществляется корректировка значения воз-ущаемого параметра и, в зависимости от типа возмущения, продолжается эпловой расчет либо для прежнего гидравлического режима (если это

расчет теплогидравлического режима системы теплоснабжения

р о е т с б х о о р д.

т

с е о п п л р о

н л и я, е>

дад

Я М

и 0

Н Д

А Е

М Л

И Ь

ч

Е Д

С А

К Н

А Н

Я Ы

X

I___________________________]

-> - функциональная связь

—* - информационная связь

Рис.1 Увязка задач теплогидравлического расчета ТСС.

было температурное возмущение), либо для для вновь пересчитанного (дл всех остальных типов возмущений). При прохождении температурным фрон том потребителя осуществляется расчет его теплогидравлического режима

Математическая модель теплогидравлических режимов тепловых сетей представляет собой следующую систему уравнений:

, Л-, ,- 1 А " х' "о"1. С1)

< т ■ А'' ' Р 4 Т > = Б^Х^'х^-н"1' (2)

К"'' Х > г' ь'^' + А X" = 6 Т! С«

= 1 К С40

2 ь' 1 - ГСх ' '. -ь^ а, ) (5)

т<V,)> 1' ^^ ТеП С6)

= * С х ' х ' ) х 1 1 с 7;

где:

Д-<т ) ; АТ-(т.-п); А-(га-1)>п -матрицы ИНЦИДеНЦИЙ УЗЛОВ И В8ТВ6Й (участков) расчетной схемы: полная, транспонированная и для линейно-независимых узлов, соответственно:

А а,-<тхп) - матрицы ориентации ветвей , фиксирующие отдельно

19 2

начальные и конечные узлы, соответственно; диагональные матрицы порядка п, составленные из величин

сопротивлений и модулей расходов ;ж А! на участках; Р- полный вектор узловых давлений размерностью ш; х, н - п-мерные векторы расходов и действующих напоров на ветвях ; О, О - т-мерные векторы узловых расходов тепла и теплоносителя ь - п-мерные векторы температур в начальных и конечных узлах

участков, соответственно ; Т - т-мерный вектор узловых температур для смешанных в узлах потоков; Г- п-мерная функция с элементами :

(8)

Л - множество узлов;

1^.1,.1,- подмножества участков сети, потребителей, источников и участков сети, составляющих путь к узлу соответственно ;

I, я^а, п-мерные векторы дайн участков, потерь тепла с единиц длины участка, теплофизических характеристик и температур окружагаце!

среды, соответственно;

с - удельная теплоемкость теплоносителя ;

Дъ - п-мерный вектор разности температур на входе и выходе из потребителя (источника тепла) ;

К-п-мерный вектор времени транспорта теплоносителя по участкам;

1- дискретное время наступления события, связанного с достижение! температурным фронтом конечного узла участка сети: аеП; п = ПгиЯт;

Й- дискретное множество упорядоченных по времени событий;

йг, ^-подмножества времен исполнения возмущений гидравлических и тепловых параметров, соответственно, причем, Пт= Пт(авт.тег );

V 1ВТ, 1ВГ-моменты времени возмущения параметров: любого, тепловог и гидравлического, соответственно;

я'"-'1 -(г, х п)- матрица всех возможных путей, ведущих из узла V источника возмущения по направлению движения теплоносителя к узлу j п - количество таких путей; V-подмножество узлов, являюцихс источниками возмущения; элементы матрицы:

' 0, если ветвь (участок) 1 не принадлежит а-му пути, ведущему из V в ^;

^ I, если ветвь л принадлежит ¿--му пути аз V в л

т''""'0вектор промежутков времени, необходимых для прохождения теплоносителем пути от узла V до узла ; размерность вектора равна числу путей п..

Приведенные выше уравнения описывают: (1-2) - первый и второ законы Кирхгофа в узловой форме, т.е. соблюдение материального баланс в узлах и суммарного нулевого изменения потерь напора для любог контура сети ; (3) - тепловые балансы в узлах; (4)-условие равенств начальных температур ь для потоков, исходящих из общего узла; (5)

падение температуры теплоносителя по ветвям схемы; (6) и (7) - время транспорта температурного фронта от узла возмущения до узла с координатой ^ и по ¿- му линейному участку, соответственно. Значок (т)

в правом верхнем углу означает, что соотношения (1-7) справедливы на момент времени т, т.е. модель квазистационарна.

Анализ приведенной модели (1)-(7) показывает, что она при введенных ранее допущениях логически распадается на две относительно самостоятельные подсистемы. Так, неизвестное распределение потоков и давлений в сети может быть определено из (1)-(2) и не зависит от распределения температур, что подтверждает обоснованность и целесообразность декомпозиции общей задачи.

Моделирование и методика расчета тепловых режимов тепловых сетей во времени. Время транспорта теплоносителя по участкам вычисляется исходя из значений их длин и диаметров, а также расхода теплоносителя в соответствии с (7). Суммарное время следования температурного фронта от источника возмущения до узла о координатой ;[ складывается из времен транспорта по участкам, лежащим на пути к этому узлу:

а""'' '' = К: Д1 V ел,'. (9)

В модели заложено два способа вычисления остывания теплоносителя по длине трубопровода: по нормативным потерям и с учетом теплообмена с окружающей средой.

Зависимость от времени в (1-7) означает, что все величины могут

быть в любой момент времени изменены (возмущены) по закону, заданному

исследователем. Сказанное относится в полной мере и к изменению (т)

структуры матрицы А . Следовательно, можно моделировать все типы возмущающих воздействий, указанных выше.

Учитывая тот факт, что дам решения практических задач нет необходимости рассматривать температурное поле по длине участков и достаточно знания температур по узлам сети, врет а в данной модели связано с топологией, и поэтому ¿а дискретизируется не на равные

промежутки» а на время транспорта до узла сети. Отсюда следуе' возможность рассмотрения лишь следующих моментов времени:

i = т + X , J = 1,2.....п , где СЮ)

кз Ъ X

х- последовательность моментов времени по достижению температурны] фронтом конечных узлов участков, которая строится на основе операцш (9) путем построения матриц ft'v'1' с последующим упорядочиванием ni времени исполнения событий; пх -число членов последовательности эе;

Отсюда вытекает общая схема решения задачи (1-7) теплогидравличес-кого расчета тепловых сетей.

1. Рассчитываются в качестве исходного гидравлический режим (1-2) i соответствующее ему стационарное температурное поле, которое буде' оставаться таковым до момента % .

" в

2. В момент воздействия i в зависимости от типа возмущена (теплового или гидравлического) производятся два вида операций:

1) если воздействие тепловое (изменение температуры), то:

а) в соответствии с (7) вычисляется вектор At для гидравлического режима из п.1; б) строятся матрицы r<v""; в) определяются из (9; соответствующие i'v'j 1 и формируется последовательность эе; г) зате! последовательно для моментов времени из (10) выполняются операцш теплового расчета (3-5), которые выполняются до тех пор, пока процес( не установится или пока не наступит новое возмущение;

2) если возмущение гидравлическое (изменение действующих напоров, расходов в узлах, топологии сети и пр.), то:

а) рассчитывается гидравлический режим, соответствующий этш изменениям; б) по (7) для данного режима вычисляется вектор Дт и далее выполняются действия, описанные в п.п. 1)6-1)г.

Математическая модель теплогидравлических режимов тепловых пунктов,

При моделировании работы теплового пункта была создана избыточна* схема обобщенного теплового пункта (ТП), в которой заложены различи» возможные схемы присоединения теплотехнического оборудования, а тэкже

обозначены места возможной установки регулирующей арматуры .

Согласно этой обобщенной схеме модель позволяет рассматривать сле-

тпиглштю пуочп пппрла ни 1тсаггг*ст тго ;■'-—ГЯ-'^Т г»»ппгт тгаитго • оат>тяг>тгоа о о |готзотппт*

Цдг I'-V* 1иш ни! и1иш1ыш<и ^ии^ь/штил ^ и^иЮи I ириИ

или насосом смешения, независимая, непосредственное присоединение; горячего водоснабжения: параллельная, предвключенная, завключенная и двухступенчатые последовательная и смешанная; общеобменной приточной вентиляции с рециркуляцией и без нее. Предусматривается возможность оснащения ТП регуляторами температуры воды на горячее водоснабжение и вентиляцию, регуляторами постоянства расхода воды на отопление, а также регуляторами отопления, работающими по отклонению температуры внутреннего воздуха (* ак:> от заданной величины, и регуляторами ограничения расхода на ввод в целом. В зависимости от типа теплового пункта (ЦТП или ИТП) в нем может присутствовать тот или иной набор теплотехнического оборудования и регулирующей арматуры.

Путем исключения лишних связей из обобщенного ТП компонуется нужный вариант. Компоновка схемы и выбор соответствующих уравнений, описывающих процессы теплообмена в оставшемся наборе оборудования, производится автоматически.

Математическая модель теплогидравлического режима теплового пункта в автореферате не приводится из-за ограниченного объема. Отметим только, что она представляет собой систему из 50 уравнений, которая охватывает все виды схем присоединения различных систем (отопления, вентиляции и горячего водоснабжения) и описывает процессы теплопередачи и теплового баланса. Данная система уравнений решается иетодом Ньютона. Известно, однако, что метод Ньютона эффективен для уточнения приблизительно известных корней решаемой системы уравнений и почти не-пригоден в тех случаях, когда значения независимых переменных достаточно далеки от отыскиваемых корней. Данная же система уравнений сложна для совместного решения еще и ввиду разнохарактерности присутствующих уравнений (линейных, нелинейных, степенных, в том числе

и с дробными показателями, логарифмических,экспоненциальных и т.д.) к большого разброса по абсолютным значениям искомых величин (от одногс порядка для температур, например, наружного воздуха или средкегс температурного напора в подогревателях, и до 1010 для теплово£ производительности теплообменников). Поэтому для приведения уравнение к одному порядку используются масштабирующие коэффициенты, а ди улучшения сходимости процесса - метод Матвеева, который основан нг выборе оптимальной длины шага в методе Ньютона. Он применим доц решения систем уравнений даже в том случае, когда значения переменные начального приближения сильно отличаются от корней, что позволяет найти решение меньшим количеством итераций и улучшить сходимосте процесса.

В данной работе предлагается еще один подход, позволяющий описанну* выше систему свести к двум, условно независимым подсистемам, которые далее решаются последовательно. При атом решение первой системь выполняет роль входных данных для второй. С помощью соответствующие преобразований каждая подсистема сводится к решению лишь одногс уравнения с одним неизвестным.

Изложенное в работе математическое и алгоритмическое обеспечение реализовано в виде диалоговой вычислительной системы (ДВС) "ДиТеГР". Обмен данными между отдельными программами осуществляется черег транзитную область или так называемую динамическую модель данные (ДВД). ДМД предназначена для организации взаимодействия отдельные прикладных программ с данными, имеющими матричную структуру, I позволяет осуществлять совместную работу отдельных программ в одно! пакете, когда результаты одной задачи используются в качестве исходные данных для другой. ДМД представляет собой полный набор информации с рассматриваемом объекте (тепловые, гидравлические и конструктивные характеристики для всех узлов и участков системы, оборудована! тепловых пунктов и местных систем отопления, вентиляции и горячегс

водоснабжения) и отражает состояние ТСС на каждый номент расчетного времени.

Данная ДВС обладает развитым пользовательским интерфейсом, упрощающим процессы занесения и отладки информации, проведения вычислений И управления внешними устройствами ПЭВМ. Интерфейс ДВС ориентирован на специалистов мало знакомых с вычислительной техникой п, в частности, с I. С помощью простых экранных форм пользователю предоставляется возможность формирования состава, файловой структуры и содержания локальной базы данных, управления процессом счета, манипулирования потоками информации в интерактивном режиме. ДВС обладает следующими основными особенностями: I) возможностью решения задач из области управления режимами для сетей произвольной конфигурации (разветвленных, иногоконтурных) и структуры (с произвольным числом и размещением источников теплоты, насосных станций, потребителей, регуляторов давления и расхода), с различными схемам;? присоединения потребителей теплоты, имеющих разнородные нагрузки; 2) устойчивой сходимостью вычислительного процесса, обеспечивающего получение решения с наперед заданной точностью: 3) повышенной надежностью благодаря детальной автоматизированной экспертизе корректности задания исходных данных; 4) возможностью компактного хранения и накопления данных для различных схем или их вариантов и манипулирования данными в диалоговом режиме (ввод, копирование, уничтожение, поиск, просмотр, редактирование); 5) возможностью графической визуализации исходной информации (характеристик насосных станций и источников); 6) наличием подсистемы самодокументирования, позволяющей на любом этапе диалога получать развернутую инструкцию о его смысловом содержании, возможных действиях и необходимых условиях; 7) наличием динамической модели данных, позволяющей осуществлять обмен данными и стыковку автономных программ в едином комплексе, когда результаты расчета одной программы

используются в качестве исходных данных для другой.

Практическое применение разработанных моделей и алгоритмов для расчета тепдогидравличееких режимов ТСС. На основе выполнении исследований разработана общая методика использования ДВС "ДиТеГР" до расчета теплогидравлических режимов автоматизированных ТСС с многосту пенчатым регулированием. Методика ориентирована на инженера-технолох (диспетчера), понимащего не только технологию, тепловые и гидравли ческие режимы, но и иерархию задач АСУ ТП и планирования режимов и функционирования, но не требует от пользователя детального изучени компьютера, операционной системы и методов, положенных в основу ДВС.

Практическая апробация разработанных моделей и алгоритмов был проведена на тестовых примерах и реальных схемах районо теплоснабжения гг.Иркутска и Новосибирска. Результаты расчето приводятся в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В процессе исследований автором были получены следующие результаты

1. Сформулирована задача моделирования во времени теплогидравличес ких режимов ТСС с многоступенчатым регулированием.

2. Разработаны математические модели теплогидравлических режимо тепловых сетей, тепловых пунктов и ТСС в целом.

3. Обоснованы способы декомпозиции и применение квазидинамическог подхода, положенные в основу методики решения задачи в целом.

4. Разработаны методики и алгоритмы расчета динамики тепловы режимов в тепловых сетях с учетом транспортного запаздывания остывания теплоносителя по длине трубопровода, смешения потоков различными температурами и возмущающих воздействий.

5. Разработана универсальная методика расчета теплогидравлических режимов тепловых пунктов с произвольными схемами и составо

оборудования, основанная на применении избыточной схемы и

обеспечивающая автоматическое формирование модели и проведение расчета теплового пункта конкретной конфигурации.

6. Методические и алгоритмические разработки реализованы в диалоговой вычислительной системе "ДиТеГР", обеспечивающей решение следующих задач: I) расчета тепловых и гидравлических параметров в произвольной точке расчетной схемы в любой момент времени! 2) определения реакции системы на возмущающие воздействия во времени; 3) оценки времени стабилизации режима после возникшего возмущения; 4) расчета послеаварийных и дефицитных режимов; 5) имитации работы системы по графикам центрального качественного, количественного и комбинированного регулирования на источниках теплоты; 6) имитации многоступенчатого регулирования отпуска теплоты; 7) определения количества теплоты, отпущенного и потребленного за расчетный период;

8) определения расчетных расходов теплоносителя на тепловых пунктах;

9) расчета дроссельных шайб на вводах потребителей тепла,

7. Методические алгоритмические и программные разработки прошли апробацию на реальных теплоснабжающих системах гг^Елабуги, Иркутска, Новосибирска и включены в состав математического и алгоритмического обеспечения САПР схем теплоснабжения и АСУ ТП.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Воропай H.H., Новицкий H.H., Сеннова Е.В., Шалагинова З.И. и др. Методы управления физико-техническими системами энергетики в новых условиях.- Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма, 1995,-334с.

2. Меренков A.n., Сеннова Е.В., Шалагинова З.И. и др. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-,водо-,нефте-и газоснабжения- Новосибирск: ВО Наука, Сибирская издательская фирма, 1992,-407с.

3. СидяерВ.Г., Шалагинова. З.И. "Математическая модель теплогид-равлических режимов тепловых сетей". Тезисы доклада в материалах

Всесоюзного семинара по автоматизации систем теплоснабжения е научном Совете АН СССР. Харьков, 24-25 ноября 1988г.

4. Сидлер В.Г., Шалагинова З.И. Математическая модель для иссл вания режимов функционирования теплоснабжающих систем./ Совремекн проблемы системных исследований в энергетике.: Раздел 2. Управлеи функционированием, надежность, безопасность и риск в энергетик современные проблемы и методы их решения. Иркутск, 1990г. -150с.

5. Сидлер В.Г., Шалагинова З.И. Математическая модель теплогидрав лических режимов абонентских вводов. /Методы анализа и оптимальног синтеза трубопроводных систем.: Раздел 3. Математические модели методы для анализа и управления состоянием трубопроводных систем Иркутск, 1991г. -205с.

6. Шалагинова З.И. Программно-вычислительный комплекс "ТиГР ТСС для исследования режимной управляемости теплоснабжащих систем имеющих промежуточные ступени регулирования. /Новые информационны технологии управления развитием и функционированием трубопровода! систем энергетики.: Раздел 3. Алгоритмическое и программно обеспечение новых информационных технологий управления развитием функционированием трубопроводных систем. Иркутск, 1993г. - 165с.

7. Шалагинова З.И., Токарев В.В. Развитие диалоговой вычислитель ной системы для расчета теплогидравлических режимов теплоснабжении систем "ДиТеГр" графической подсистемой построения схем присоедине ния потребителей.: Тез.докл. Международной научно-практической школ -семинара., г.Иркутск, 3-8 июля 1994г., - Иркутск, 1994г.- 122с.

Соискатель

Отпечатано в СЭЙ СО РАН Тираж ЮОэкз. Заказ $ 539