CC BY
14
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
И.А. КОНАХИНА
Казанский государственный энергетический университет
Представлена постановка задачи энергетической оптимизации сложных теплоэнергетических систем. В качестве объекта исследования рассмотрены системы энерготехнологического комбинирования, синтезируемые в условиях действующих и вновь проектируемых промышленных производств.
Обобщенный алгоритм проведения исследований с целью оптимизации энергетических параметров систем энерготехнологического комбинирования (ЭТКС) промышленных производств представляет собой ряд последовательно осуществляемых этапов [1]:
1) сбор исходной информации об объекте;
2) анализ границ ЭТКС, а также диапазонов допустимых значений входных и выходных параметров системы;
3) структурный анализ ЭТКС - для выявления закономерностей ее внутренней организации и поиска слабых связей, декомпозиция по которым приведет к существенному упрощению поставленной задачи;
4) математическое описание ЭТКС, которое позволит в процессе изменения ее параметров отыскать оптимальное решение;
5) синтез нового объекта, так как исходная система трансформируется в новую оптимизированную ЭТКС;
6) сравнительный анализ эффективности деятельности исходного и синтезированного объекта по одному или нескольким выбранным критериям.
Процесс поиска комплекса мероприятий продолжается до тех пор, пока не будет найдено оптимальное решение.
Исходная информация об объекте должна содержать следующие данные:
1. Общую производственную характеристику предприятия с выделением ее энергетической составляющей, а именно: объем и номенклатуру выпускаемой продукции, перечень установленного оборудования, структуру себестоимости продукции, структуру энергозатрат, а также прочих показателей для проведения технико-экономических расчетов.
2. Схемы материальных и энергетических потоков с описанием технологических процессов и установок, видов и параметров используемых энергоносителей, характеристику энергоресурсов с указанием узлов источников ВЭР и их характеристик (параметры, мощность и пр.). При этом должны учитываться затраты энергии на собственные нужды заводских источников энергоносителей.
3. Расходы энергоносителей, включая информацию о распределении всех видов энергоресурсов между структурными подразделениями промышленного комплекса, графиках выработки и потребления энергоносителей, а также данные об эксплуатационных характеристиках используемого оборудования.
© И.А. Конахина
Проблемы энергетики, 2004, № 5-6
Как правило, теплоэнергетические системы промышленных производств, представляющие собой объект исследования, обладают сложной структурной организацией, объединяющей сотни разнородных элементов посредством прямых и обратных потоков энергии и вещества. Наличие в системе обратных потоков энергии и вещества означает, что в схеме имеются и замкнутые последовательности элементов (контуры). В ходе энергетической оптимизации исследуемого объекта каждый такой контур можно рассчитать только в том случае, если предварительно условно разорвать один из его потоков, а затем провести итерационное согласование условно-входных и условно-выходных переменных, определяющих значения параметров потока [1]. Целью структурного анализа является идентификация контуров, определение минимально необходимого количества разрываемых потоков и нахождение оптимальной последовательности расчета элементов, входящих в состав объекта.
На этапе структурного анализа ЭТКС часть элементов, не оказывающих существенного влияния на изменение параметров системы, может быть исключена из рассмотрения. В задачах энергетической оптимизации такими элементами являются емкости для промежуточного хранения сырья и продуктов производства, транспортирующие элементы: насосы, вентиляторы и пр. В то же время, могут быть введены дополнительные фиктивные элементы, предназначенные для управления совокупностью потоков, параметры которых зависят друг от друга. К ним, в частности, относятся узлы смешения и разделения потоков.
Построение математической модели синтезируемой ЭТКС заключается в том, чтобы описать объект исследования в виде системы математических уравнений, в которой бы учитывались все принятые допущения для упрощения модели, а также условия, ограничивающие область допустимых решений.
В общем виде задача энергетической оптимизации объекта сводится к смешанной задаче нелинейного программирования, которая формулируется следующим образом: найти экстремум функции [2]
установки, по которым задаются ограничивающие условия; индексы «min» и «max» указывают, соответственно, на минимальное и максимальное значение; Lt
- некоторое конечное множество дискретных элементов размерности t; Ss -размерность рассматриваемого пространства; Y - совокупность дискретно изменяющихся параметров; Y - вектор независимых параметров.
При этом предполагается, что при фиксированных значениях Y функции
(1)
где R - область допустимых значений, задаваемая условиями:
p = 1, а ;
(2)
Y min ^ Y ^ Y max , Y Є Ss ;
(3)
Y Є Lt,
(4)
где f = {,f2,..., fa} - совокупность технологических характеристик узлов
г $) и /р $) дифференцируемы.
Все допущения, принятые в ходе моделирования задачи энергетической оптимизации ЭТКС промышленного предприятия, можно разделить на две группы. Первая группа характеризует особенности построения структуры объекта и выбора включаемого в него оборудования; вторая - задает ограничения на некоторые значимые параметры, тем самым сужая область определения и область допустимых решений.
В частности, к допущениям первой группы относятся:
1. Выделение элементов ЭТКС, конструктивное исполнение которых в ходе решения задачи не изменяется. Их нагрузка также принимается величиной постоянной и соответствует номинальным значениям, указанным в технологическом регламенте стадии.
2. Выделение элементов ЭТКС, конструктивное исполнение которых остается неизменным, однако режимные характеристики (термодинамические и расходные) претерпевают изменения.
3. Выделение элементов, конструктивное исполнение которых изменяется при достижении некоторых значений режимных параметров.
4. Введение фиктивных управляющих элементов ЭТКС. Данные элементы необходимы для организации управления внешними потоками системы, представляющими собой «буферную» подпитку ЭТКС энергоресурсами требуемых параметров.
Допущения второй группы предусматривают:
1. Введение ограничения параметров потоков, которые в выделенной области меняются непрерывно.
2. Введение ограничений параметров потоков, которые в выделенной области меняются скачкообразно. К примеру, определенному давлению перегретого пара, подаваемого в паровую турбину, соответствуют некоторые диапазоны температур перегрева. При изменении давления соответственно изменится и диапазон допустимых температур перегрева пара.
В ходе принятия допущений образуется некоторая иерархия параметров системы, которая непосредственно влияет на решения, принимаемые в ходе построения иерархии элементов модели и решения по ее декомпозиции.
В ходе моделирования какого-либо объекта, независимо от его сложности и уровня рассмотрения, выделяется ряд этапов, которые представлены на рис. 1.
После того как обобщенная структура математической модели объекта определена, производится ее декомпозиция и выстраивается иерархическая система составляющих ее элементов.
Решения по декомпозиции математической модели, в принципе, повторяют решения, принятые в ходе структурной декомпозиции моделируемой ЭТКС. Однако с учетом принятых допущений и результатов графоаналитического анализа иерархическая структура элементов самой математической модели может иметь существенные различия по сравнению с иерархией элементов, построенной только на основе структурного анализа ЭТКС. Методика определения оптимальной последовательности расчета элементов модели, разрабатываемой для ЭТКС действующих предприятий, также имеет особенности [1]. В таких объектах имеются связи с жестко фиксированными параметрами. Разрыв по этим связям не дает возможности регистрировать параметрические возмущения, поэтому даже в тех случаях, когда структурный анализ указывает на «жесткие» связи как на места, наиболее выгодные для разрыва, их следует исключать из
области рассмотрения.
Рис. 1. Основные этапы построения математической модели ЭТКС
Выбор структуры элементов математической модели основывается на решениях, принятых в ходе ее декомпозиции. При этом элементы модели представляются в виде расчетных блоков. Часть элементов может быть объединена в единый расчетный блок, если их функционирование подчинено общей цели, представляющей собой подзадачу в рамках реализуемой математической модели.
Композиция модели представляет собой совокупность расчетных блоков и уравнений связи между ними. По существу это полное математическое описание поведения моделируемого объекта как некоторой совокупности связанных между собой элементов.
Для каждого из рассматриваемых блоков определяется количество уравнений, связывающих параметры входящих и выходящих связей узла (пу), и
количество независимых параметров, входящих в них (пн). Указанные величины можно получить с помощью соотношений [3]:
пн = пп + пн.у. - пнеопр. , (5)
пу = пп — пн, (6)
»
где пп - общее количество параметров входящих связей; пнеопр. - количество неопределённостей в параметрах выходящих из узла связей; пн.у. - количество условий, наложенных на параметры входящих связей; пп - общее число параметров узла.
В ходе реализации математической модели на ЭВМ производится идентификация параметров модели. Результаты энергетической оптимизации ЭТКС должны быть проанализированы с точки зрения адекватности реальным процессам.
Синтез объекта представляет собой метод, позволяющий реализовать задачу обобщения полученных в процессе исследований данных и на основе этого обобщения получить новый, модифицированный объект, обладающий наилучшими характеристиками из всех возможных в условиях, ограниченных областью определения.
В основу синтеза объекта с оптимизированными параметрами положено представление о том, что все технологические и теплоэнергетические системы управляемы. Система, посредством которой осуществляется управляющее воздействие, называемая системой управления, в общем виде представлена на рис. 2. Таким образом, модель описывает систему конструирования и управления объектом для достижения цели [4].
Рис. 2. Обобщенная структура системы управления Х- входные контролируемые параметры; У - выходные параметры; и - управляющие воздействия
Критерии оптимизации синтезируемого объекта выбираются в зависимости от поставленной задачи. В задачах по совершенствованию энергетических показателей теплоэнергетических объектов, в том числе и ЭТКС, основным источником информации является энергетический баланс данных объектов, который в общем виде представляется как
2 е. =2 ег +2 ег +2, е,, (7)
11 I ,
где й. - подведеный к объекту энергоноситель г-того вида, кВт; й.™ - полезное использование энергоносителя .-того вида в ходе проведения технологического процесса в рассматриваемом объекте, кВт; 2™т - потери энергоносителя г-того вида в ходе проведения технологического процесса в рассматриваемом © Проблемы энергетики, 2004, № 5-6
объекте, кВт; й, - образовавшийся в объекте энергоноситель /-того типа (в том
числе и ВЭР, находящий применение на смежных стадиях производства или у внешних потребителей), кВт.
В качестве основного показателя эффективности энергоиспользования обычно используется энергетический (в тепловых процессах - тепловой) КПД
2 а"°"+2 е, 2е“от
п _ йпол _ ________./ _ 1 _ _г______ (о)
Пт _ еподв _ 2 е. " "2 а '
Однако пт в задачах энергетической оптимизации целесообразно заменить показателем полезного использования энергии КПИ
Еде?“” (9)
ПКПИ = vve"”“ '
Данный показатель позволяет учитывать целевое использование энергии' В числитель (9) включены только «полезные эффекты» процессов потребления энергетических ресурсов' В частности, отвод теплоты в окружающую среду посредством систем оборотного водоснабжения не является «полезным эффектом», так как этот процесс не соответствует целевому использованию тепловой энергии, а предназначен только для интенсификации теплового сброса в атмосферу'
Summary
The statement of the task for optimization of complicated heat power systems is submitted. As object of research combined technological and power production systems synthesized in conditions of working and again projected industrial productions are considered.
Литература
1. Назмеев Ю.Г. Конахина И. А. Организация энерготехнологических комплексов в нефтехимической промышленности. - М.: Издательство МЭИ, 2001.
2. Методы математического моделирования и оптимизации теплоэнергетических установок. / Под ред. Г.Б. Левенталя и Л.С. Попырина.
- М.: Наука, 1972.
3. Сазанов Б.В., Ситас В.И. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
4. Элементы теории систем и численные методы моделирования процессов тепломассопереноса / В.С.Швыдкий, Н.А.Спирин, М.Г. Ладыгичев и др. -М.: «Интермет Инжиниринг», 1999.
Поступила 05.05.2004
