CC BY
54
п, об/мин 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800, 600,
t, МИН
20 40 60 80 100 120 140 160 180
-Экспериментальная
-Расчетная
Рис. 4. Расчетная и экспериментальная характеристика n(f)
гибридная сеть получила управляющий вектор И = {0; 1,35; 3,21; 4,62; 15; 17,3; 24,1; 27,6; 38,8; 42,4; 49,3}. С использованием векторов значений я, Мп и С7 построена внешняя скоростная характеристика. Результаты расчетных и эксперименталь-
ных оборотов коленчатого вала при выработанном значении перемещения рейки ТНВД приведены на рис. 4.
Максимальная относительная погрешность по частоте вращения составляет 4 % при 800—1500 об/ мин — на зоне малых, неустойчивых оборотов.
К достоинствам модели, построенной на основе нечеткой нейронной сети, можно отнести возможность получения новой информации в форме некоторого прогноза, например прогноза вектора управления испытанием неизвестной модели Д ВС.
Для создания базы знаний в виде нечетких правил управления выбрана гибридная сеть на основе многослойного персептрона, которая позволяет аппроксимировать параметры режима работы ДВС во всем диапазоне их значений.
Гибридная сеть содержит только два параметрических слоя (первый и третий), параметры которых уточняются в процессе обучения. Значения погрешностей при управлении порядка 4 % соответствуют ГОСТ 15995—80 и обусловлены подбором обучающей выборки, которая использовалась при обучении гибридной сети.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Райков, И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания |Текст| / И.Я. Райков,— М., 1975,- 318 с.
2. Зубков, Е.В. Правила, функции и схемы формирования моделей режимов испытаний автотракторных ДВС [Текст] / Е.В. Зубков, А.А. Макушин, А.Н. Илюхин // Тракторы и сельхозмашины,— 2009. № 5,- С. 17-20.
3. Ярушкина, Н.Г. Основы нечетких и гибридных систем [Текст]: учеб. пособие / Н.Г. Ярушкина,— М.: Финансы и статистика, 2004,— 320 с.
4. Макушин, A.A. Применение нечеткой логики для моделирования режимов испытаний двигателей внутреннего сгорания [Текст] / A.A. Макушин, Е.В. Зубков, А.Н. Илюхин // Сборка в машиностроении, приборостроении,— 2009. № 12,- С. 39-44.
5. ГОСТ 15995-80. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний [Текст] / Госстандарт,— 57 с.
6. ГОСТ 14846—81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. 55 с.
УДК 621.1
А.Г. Батухтин
ОСОБЕННОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СОВРЕМЕННЫХ ТЕПЛОПОТРЕБЛЯЮЩИХ УСТАНОВОК В СИСТЕМАХ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
В соответствии с действующими нормами ние, не зависящее от погодных либо временных температура воздуха в помещениях в холодный условий. Однако повсеместно наблюдается непериод года должна иметь определенное значе- догрев или перегрев потребителей тепла. Эта про-
блема — ненормативный отпусктепла — присуща практически всем городам России с централизованным теплоснабжением [1].
Анализ потребления тепловой энергии абонентами города Читы Забайкальского края, оборудованными приборами учета тепловой энергии, показал значительное отклонение реального теплопотребления от расчетных значений. К примеру, для 14 (из общего числа 81) объектов, финансируемых из городского бюджета, характерно превышение фактического потребления над расчетным, причем отклонение доходит до 40 %, что определяет перетоп данных объектов. Для остальных 67 объектов характерен недоотпуск тепловой энергии. При этом общий недоотпусктепловой энергии на всех объектах составил более 22 % [2].
Поддержание комфортных температурных условий в помещениях потребителей — первоочередная задача для систем теплоснабжения, но при общем недоотпуске тепловой энергии это не представляется возможным.
В числе причин недоотпуска, обусловленного неоптимальной работой систем транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии, следующие:
1. Разрегулировка абонентов друг относительно друга вследствие их разной удаленности от источника теплоснабжения. Конфигурация тепловой сети может быть сложной, абоненты расположены на разных расстояниях от источников теплоснабжения. К примеру, не в самой большой системе теплоснабжения г. Читы запаздывание температурных откликов различных лучей теплосетей составляет от 1 до 8 часов [3].
2. Отсутствие комплексного учета факторов, воздействующих на эффективность теплоснабжения, при формировании графиков отпуска тепла от источников теплоснабжения. К таким факторам можно отнести погодные условия, суточное изменение нагрузки горячего водоснабжения (ГВС), потери тепла на участках тепловой сети, инерционное запаздывание теплоносителя, аккумулирующую способность зданий, техническое состояние теплосети, а также множество схем абонентских вводов и неоднородность соотношения разных видов тепловой нагрузки у различных потребителей.
3. Увеличение тепловой нагрузки. С каждым годом тепловые сети значительно расширяются, ведется строительство большого количества бла-
гоустроенных зданий. Увеличение же нагрузки не учтено в действующих графиках отпуска тепла от источников теплоснабжения. Во многих городах графики регулирования не пересчиты-вались еще с 90-х годов и необоснованно отклонялись от оптимальных значений.
4. Установка местных и индивидуальных средств автоматики. Потребители тепла самостоятельно устанавливают на вводах и перед отопительными приборами средства автоматического регулирования, что никак не учитывается на источниках теплоснабжения. Результаты испытаний и расчетов показывают экономическую целесообразность энергосбережения путем индивидуального автоматического регулирования отопительных приборов и оборудования абонентских вводов автоматическими узлами управления, но только для конкретного абонента, а не для всей системы в целом. К недостаткам применения на абонентских вводах современных систем автоматического регулирования отпуска теплоты можно отнести значительные требования к графикам центрального регулирования тепловой нагрузки и значительное влияние автоматизированных узлов одних потребителей на качество теплоснабжения соседних. Применение систем автоматического регулирования с установками насосного смешения у части потребителей провоцирует периодические недото-пы и перетопы у соседних.
Можно сделать следующий вывод: к основным причинам неоптимальной работы современных систем транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии в России можно отнести разветвленность и разную инерционность участков тепловых сетей, а также влияние различной степени автоматизации потребителей тепловой энергии и разнородности их тепловых нагрузок, не учитываемые в графиках центрального регулирования.
Проведенные применительно к открытым и закрытым системам теплоснабжения вычислительные и натурные эксперименты [2—4] показали, что корректировка суточных графиков отпуска тепла от источников теплоснабжения с учетом функционирования тепловых сетей и потребителей позволяет снизить затраты на производство тепловой энергии. Предложенная методика корректировки графиков отпуска тепла основана на математическом моделировании систем централизованного теплоснабжения.
Данная методика может быть применена и для систем, имеющих абонентов, оборудованных современными системами автоматического регулирования (САР).
В работе [4] предложена математическая модель «источник теплоснабжения — тепловая сеть — потребители тепла» основанная на системах нелинейных алгебраических уравнений, составляемых на основе условий соблюдения закона сплошности и закона сохранения энергии. В основе модели — уравнения двух типов: для независимых контуров (1) и узлов теплосети (2).
(1)
с с
1^ = 0,
где 5,- — сопротивление /-го участка контура с теплосети, мс2/м6; V/ — расход теплоносителя на
/-м участке контура с, м3/с; — алгебраиче-
с
екая сумма напоров насосных групп на всех / участках контура с, м; К- — расход теплоносителя входящий или исходящий из узла у, м"/с.
К основным уравнениям добавляются выражения, учитывающие потери тепла на участках тепловой сети и инерционное запаздывание теплоносителя.
Вид уравнений (1) и (2) математической модели определяется схемами присоединения абонентских установок к тепловой сети и автоматикой, установленной на абонентских вводах. С учетом этого задача моделирования закрытых систем теплоснабжения сводится к моделированию существующих видов абонентских вводов.
Прогрессирующее развитие техники, в том числе электроники, способствовало развитию сложных систем автоматического регулирования. Современная система автоматического регулирования обладает рядом преимуществ, которых было трудно добиться в начале прошлого века, когда происходило становление централизованного теплоснабжения. Одно из главных достоинств САР — возможность реализации сложных законов автоматического регулирования. Кроме того, в большинство стандартных систем заложена возможность перепрограммирования, т. е. изменения законов регулирования и управления системой. Современные САР отпуска тепловой энергии потребителю в центра-
лизованных системах теплоснабжения выполняют следующие функции:
поддержание требуемого температурного графика в подающем и обратном трубопроводах системы теплоснабжения в зависимости от температуры наружного воздуха;
поддержание заданной температуры воздуха в представительных помещениях;
поддержание требуемой температуры воды на горячее водоснабжение;
снижение теплопотребления здания в ночное время и в нерабочие дни;
ограничение температуры обратной сетевой воды.
Для моделирования потребителей тепловой энергии с САР необходимо знать настройки данных систем, характеризующие их работу. При рассмотрении отдельных потребителей необходимо учитывать их индивидуальные настройки, а при комплексном моделировании можно использовать настройки, оптимальные для данного региона и типа здания или рекомендуемые в региональных нормативных документах. Рассмотрим математические модели наиболее распространенных абонентских вводов, оборудованных САР, с зависимым присоединением отопительных установок, имеющих насосное смешение; автоматика представлена регулятором температуры (РТ) и регулятором расхода (РР) , а также регулятором перепада давления (РПД).
При наличии насосного смешения в системах отопления последовательные схемы присоединения подогревателей ГВС не применяются. Поскольку коэффициент смешения в данных системах может меняться, то построение графика центрального качественного регулирования для подобных систем не имеет смысла. Вследствие чего разработка моделей данных потребителей сводится к получению зависимости температуры обратной сетевой воды (после потребителя) от температуры прямой сетевой воды (перед потребителем) для двух схем.
Для описания работы потребителя тепловой энергии в режиме реального времени необходимо получить зависимости температуры обратной сетевой воды от температуры прямой сетевой воды при нерасчетных значениях нагрузки горячего водоснабжения и температуры наружного воздуха. Нахождение прямой аналитической зависимости не представляется возмож-
ным. Для нахождения необходимой температуры прямой сетевой воды перед потребителем в условиях покрытия нерасчетных нагрузок отопления и ГВС и температуры обратной сетевой воды в зависимости от температуры прямой сетевой воды необходимо построить температурный график центрального качественного регулирования совмещенной тепловой нагрузки. Особенности функционирования насосного смешения при зависимом подключении отопительных установок определяют только два вида схем подключения подогревателей ГВС: смешанную и параллельную.
Работа абонентов, оборудованных сложными САР, во многом обусловлена их настройками. Поскольку температурные графики теплосети изменяются в процессе их работы (и ежегодно утверждаются органами местной власти), то основные настройки САР у потребителей должны корректироваться с учетом изменений. Введение нормирования основных настроекдля различных типов потребителей необходимо для обеспечения максимального эффекта во всей системе. К основным настройкам САР, подлежащим нормированию относятся те, которые формируют значения температуры х03 сетевой воды после смешения в зависимых отопительных системах и температуры воды во внутреннем контуре в независимых, а также температуру /, воды на нужды ГВС. Отклонение настроек у конкретных потребителей от оптимальных значений приводит к перерасходу топлива в системе, определяемому завышенными значениями температуры обратной сетевой воды. К примеру, увеличение температуры х03 на 10 °С от расчетного значения
приводит к завышению температуры обратной сетевой воды после отопительной системы х02 до 9 °С.
Наличие насосного смешения определяет особенный гидравлический режим рассматриваемых потребителей. На рис. 1 изображен пьезометрический график реальной отопительной установки потребителя, оборудованной трехходовым клапаном регулятора расхода и циркуляционным насосом.
Как видно из графика, давление теплоносителя в подающей линии снижается на клапане регулятора расхода (участок 5—6) ниже давления в обратной линии, при этом давление в насосе может повышаться как на уровень давления до клапана, так и ниже (участок 8—9). Поскольку гидравлические характеристики клапанов, применяемых в САР, нормируются производителями, то значение перепада давления может быть определено для любого типа клапана в зависимости от расхода.
В отличие от гидравлики теплопотребляю-щих установок, не оборудованных сложными системами САР, системы с насосным смешением обладают рядом особенностей:
при уменьшении сопротивления клапана располагаемый напор на входе уменьшается, при этом напор во внутренней системе увеличивается;
увеличение сопротивления клапана приводит к увеличению располагаемого напора на входе;
напор, создаваемый насосом, изменяется незначительно;
температура теплоносителя после смешения определяется настройками САР.
Рис. 1. Пьезометрический график (—•--в подающем трубопроводе; -■--в обратном трубопроводе)
Для дальнейшего изложения введем следующее обозначение: выражение А = [/)]?[Д]:[С] означает, что А = Д если верно утверждение А в противном случае Л = С.
Абонентский ввод с параллельной схемой включения подогревателя ГВС. На рис. 2 представлена схема абонентского ввода с параллельным присоединением систем отопления и ГВС.
Уравнения типа (1) для данной схемы принимают следующий вид:
±5о К2 - М=о,
с с
где 50 — перепад давлений между прямым и обратным трубопроводом перед отопительной установкой, мс2/м6; Уо — расход сетевой воды из подающей линии в систему отопления потребителя, м~/с.
Расход сетевой воды на отопительную установку до точки смешения с учетом настроек системы автоматического регулирования вычисляется по формуле
К = К01 - V
2 о о
К =[К <^ГХ]?[К]
у _ у01Т03 ~т02
о о
где Ко01 — расчетный расход сетевой воды во внутренней системе отопления потребителя, м~Ус; Иррах — расход через полностью открытый регулятор расхода, мУс.
Расчетный расход сетевой воды во внутренней системе отопления потребителя, определяется температурой х03, зависящей от температуры наружного воздуха и настроек САР.
Перепад давлений между прямым и обратным трубопроводом перед отопительной установкой выражается формулой
С _ СПР с°бр о ~°РР °РР '
где — сопротивление РР при расходе У0, мс2/ м6; 5ррр — сопротивление перемычки между обратным и прямым трубопроводом при расходе Уъ мс2/м6.
Уравнения типа (2) принимают вид
+(К + К) = о,
где (7; — расход сетевой воды на подогреватель ГВС, м3/с,
Т, — т
02
Рис. 2. Схема системы отопления потребителей, оборудованных сложными САР, с присоединением установки ГВС по параллельной схеме, а отопительной установки — по зависимой схеме
V: = [Кгт <К£ах]?[
У™* — расход через полностью открытый регулятор температуры, м~/с.
Необходимый расход воды на систему ГВС
Угт определяется из расчета подогревателя ГВС по методикам, представленным в [5] или [6].
Большинство производителей сложных САР рекомендуют устанавливать на абонентском вводе РПД. При его наличии уравнения типа (2) останутся неизменными, а уравнения типа (1) примут вид
Для узлов подающей линии теплосети в уравнениях типа (2) используется знак вычитания, для узлов обратной линии — знак сложения.
Зная расходы сетевой воды, можно определить температуру обратной сетевой воды:
То =
т2гве К + Т02 К
КТ + К
^ К' + ^РПД
(( + К1
Сопротивление РПД, ^рдд, может быть определено как
^рпд = [^АВ >^рпд + ]:[^АВ
5ав
на абонентском вводе (настройка РПД), мс2/м6;
ОГШП
лРПд — сопротивление полностью открытого РПД, мс2/м6.
где т2гвс — температура сетевой воды после верхней ступени ГВС, °С.
Абонентский ввод с двухступенчатой смешанной схемой включения подогревателя ГВС.
На рис. 3 представлена схема абонентского ввода со смешанной схемой включения подогревателя ГВС.
Уравнения типа (1) для данной схемы принимают следующий вид:
(К + к\)2} - =
с
где 5г1 — сопротивление подогревателя ГВС нижней ступени, мс2/м6; Уг] — расход сетевой воды на верхнюю ступень подогревателя ГВС, мУс.
Рис. 3. Схема системы отопления потребителей, оборудованных сложными САР, с присоединением установки ГВС по двухступенчатой, смешанной схеме, а отопительной установки — по зависимой схеме
Ул=[Ул<Уп
Сопротивление РПД в данном случае может быть определено как
Требуемый расход сетевой воды Уг\ в подогреватель ГВС верхней ступени является функцией расхода сетевой воды на систему отопления. В случае автоматического поддержания температуры воды на нужды ГВС при известном У0 можно найти у^ методом последовательных приближений при условии сохранения расчетного значения /, по методикам, представленным в [5] или [6].
Уравнения типа (2) принимают вид
+(К + К1) = 0.
При наличии РПД на абонентском вводе уравнения типа (2) для данной схемы останутся неизменными, а уравнения типа (1) примут вид
Зная расходы сетевой воды, можно определить температуру обратной сетевой воды:
T =
(т2гвс ' К + T02 ' К ) " Q ГВС
у:+Vn
-[so Ус
о+^РПД (К + K\f\ - М=0.
где т2гвс — температура сетевой воды после верхней ступени ГВС, ° С; 3 гвс — тепловая нагрузка нижней ступени подогревателя ГВС.
Разработка моделей функционирования потребителей тепловой энергии, оборудованных сложными САР, проводилась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Батухтин, А.Г. Методы повышения эффективности функционирования современных систем транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии [Текст] / А.Г. Батухтин, М.С. Басс, С.Г. Батухтин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока,- 2009. № 2,- С. 199-202.
2. Батухтин, А.Г. Применение оптимизационных моделей функционирования систем теплоснабжения для снижения себестоимости тепловой энергии и увеличения располагаемой мощности станции [Текст] / А.Г. Батухтин, В.В. Маккавеев // Промышленная энергетика. 2010. N° 2,— С. 7—8.
3. Батухтин, А.Г. Влияние протяженности тепловых сетей на режимы отпуска теплоты от ТЭЦ с учетом функционирования потребителей [Текст] / А.Г. Батухтин, O.E. Куприянов // Промышленная энергетика,— 2005. N° 5,— С.39—41.
4. Иванов, С.А. Методика расчета параметров потребителя при качественно-количественном регулировании в открытых системах централизованного теплоснабжения [Текст] / С.А. Иванов, А.Г. Батухтин, В.В. Маккавеев // Промышленная энергетика,- 2008. №4,- С. 32-34.
5. Маккавеев, В.В. Математическая модель ряда абонентских вводов закрытых систем теплоснабжения [Текст] / В.В. Маккавеев, А.Г. Батухтин // Научно-технические ведомости СПбГТУ.— 2009. № 3,- С. 200-207.
6. Батухтин, А.Г. Оптимизация отпуска теплоты от ТЭЦ на основе математического моделирования с учетом функционирования различных типов потребителей [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук / А.Г. Батухтин / ВСГТ,— Улан-Удэ, 2005,- 16 с.
УДК 523.4
СПИН
В конце XIX века немецкий археолог Генрих Шлиман произвел раскопки в Греции и Малой Азии с целью открыть памятники материальной культуры эпохи Гомера. Раскопки Г. Шлимана,
В.Ф. Космач
ЗЕМЛИ
хотя и не имели строгого научного характера и достаточно убедительных оснований [1], тем не менее дали огромный материал по истории древней Трои, Микен и острова Крит [2].
