CC BY
36
УДК 621.311
ПОДХОД К АВТОМАТИЗИРОВАННОМУ АНАЛИЗУ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЖИМОВ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАКРОМОДЕЛИРОВАНИЯ
Е.В. Гойтина, Д.А. Шнайдер
В настоящее время и на перспективу базовым подходом к теплоснабжению на крупных промышленных предприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве Российской Федерации является централизованное теплоснабжение, позволяющее снизить затраты на производство тепла за счет совместной выработки электрической и тепловой энергии. Негативными факторами централизованной выработки тепла, снижающими ее эффективность, являются затраты на транспортировку теплоносителя, утечки и потери тепла в трубопроводах. Кроме того, очень важную роль в функционировании централизованных систем теплоснабжения играет необходимость согласованной работы источников и потребителей при регулировании подачи тепла. Отсюда актуальным является решение задачи оперативного анализа эффективности процесса теплоснабжения, позволяющее своевременно выявлять потери и нерациональное использование тепла, проводить оценку эффективности и осуществлять оптимальное управление процессом теплоснабжения в различных режимах.
Известные подходы анализа режимов сложных систем основаны на разработке математической модели реальной системы с помощью специализированного программного обеспечения [1,2]. Сложность построения такой модели на практике для крупных сетей состоит в необходимости получения большого объема данных, включающих детальные характеристики трубопроводов тепловых сетей (длины, диаметры, шероховатость, зарастание и т.д.) и потребителей, что требует значительных затрат времени и средств, а в ряде случаев (например, при подземной прокладке труб) практически не реализуемо. Для оперативного анализа модель должна учитывать текущие фактические параметры теплоносителя в различных точках системы теплоснабжения и позволять оперативно рассчитывать статические и динамические режимы в случае каких-либо переключений, что накладывает дополнительные требования к сходимости используемых математических методов, объему данных и скорости вычислений. С учетом сказанного актуальной является задача разработки подхода к оперативному анализу эффективности режимов теплоснабжения, основанного на построении упрощенной макромодели тепловой сети, не требующей значительного объема исходных данных и позволяющей производить расчеты с достаточной для практического использования точностью в режиме реального времени.
Суть предлагаемого подхода состоит в представлении реальной тепловой сети в виде многоуровневой структуры с выделенными сетевыми районами, отдельными крупными потребителями и соединяющими их магистральными тепловыми сетями (рис. 1). В отличие от полной модели, отражающей состояния всех имеющихся межэле-ментных связей, в макромодели отображаются состояния значительно меньшего числа межэле-ментных связей, что соответствует описанию объекта при укрупненном выделении элементов. В основу построения макромодели для расчета тепловых сетей могут быть положены следующие принципы.
1. Сетевые районы (СР,) со сложной схемой сетевых соединений, содержащие большое количество относительно маломощных потребителей, рассматриваются как единый эквивалентный потребитель.
2. Потребители (ПД подключенные непосредственно к магистральной сети, рассматриваются как таковые.
3. При необходимости более подробного рассмотрения параметров гидравлических режимов внутри отдельных сетевых районов может быть осуществлен переход на следующий уровень макромодели, отражающий состояние потребителей (П,4) и вновь выделенных сетевых районов (СРу) внутри сетевого района СР,.
Сетевые районы и потребители характеризуются такими параметрами как потребление тепла, температура, расход, давление (напор) подаваемой и обратной сетевой воды, геодезическая отметка теплового ввода.
На основе указанных выше принципов реализуется возможность использования при анализе одной и той же тепловой сети нескольких моделей, различающихся сложностью, точностью и полнотой отображения свойств. Таким образом, в зависимости от целей моделирования может изменяться степень детализации представления и описания модели тепловой сети. При этом следует отметить, что результаты выполненного однократно более трудоемкого моделирования отдельного сетевого района могут многократно применяться в упрощенной общей макромодели, что обуславливает общее снижение объема вычислений.
Гидравлический расчет многоконтурных тепловых сетей может быть проведен с использованием расчетной гидравлической макромодели тепловой сети, подробно описанной в [3]. Для расчета гидравлических режимов тепловой сети по пред-
Е.В. Гойтина, Д.А. Шнайдер
ложенной модели необходимо составить матрицы связей согласно изложенной в [3] методике. Задача гидравлического расчета многоконтурной тепловой сети может быть решена итерационным методом с использованием расчетной макромодели сети по описанному в [3] алгоритму.
Применение описанной гидравлической макромодели тепловой сети позволяет произвести расчет режимов многоконтурной тепловой сети при заданной схеме тепловой сети на основе имеющихся данных по объектам и участкам сети. При этом благодаря относительно небольшому объему вычислений рассматриваемая макромодель может быть использована для расчета режимов тепловых сетей в реальном времени.
Результаты моделирования различных вариантов функционирования тепловой сети на основе обобщенной макромодели могут быть использованы для проведения сравнительного анализа режимов функционирования тепловых сетей и оценки их эффективности. Эффективность режимов теплоснабжения оценивается с помощью показателей эффективности (показателей качества). Для тепловых сетей показатели эффективности функционирования характеризуют уровень использования теплового потенциала сетевой воды и степень соответствия оцениваемой системы своему назначению [4, 5].
Показатели эффективности системы, как правило, представляют собой некоторое множество функций^ от характеристик системы х,:
Ук^Лхьх2,...,х„), к=1,К, п = 1Д, где К - мощность множества показателей эффективности системы, N - мощность множества характеристик системы.
К характеристикам функционирования тепловой сети будем относить:
• расход тепловой энергии в тепловой сети;
• температуру теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети;
• разность значений температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах или температура теплоносителя в обратном трубопроводе тепловой сети;
• расход теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети;
• удельный среднечасовой расход теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети;
• затраты электроэнергии на передачу тепловой энергии, включая затраты насосными группами источников теплоснабжения;
• удельные затраты электроэнергии на передачу тепловой энергии.
Для получения критерия эффективности при использовании указанных характеристик целесообразно использовать несколько подходов:
10
Вестник ЮУрГУ, № 7, 2007
Подход к автоматизированному анализу эффективности режимов теплоснабжения...
1. Выбирается один главный показатель, например, температура теплоносителя в обратном трубопроводе, и оптимальной считается система, для которой этот показатель достигает экстремума, при условии, что остальные показатели удовлетворяют системе ограничений, заданных в виде неравенств.
2. Ранжирование показателей по важности. При сравнении систем одноименные показатели эффективности сопоставляются в порядке убывания их важности по определенным алгоритмам.
3. Мультипликативные и аддитивные методы получения критериев эффективности основываются на объединении всех или части показателей с помощью операций умножения или сложения в обобщенные показатели. Если в произведение (сумму) включается часть показателей, то остальные частные показатели включаются в ограничения. Показатели, образующие произведение (сумму), могут иметь весовые коэффициенты.
Конкретный вид критериев эффективности определяется в зависимости от поставленных целей и особенностей тепловых систем объектов. Сопоставление действительных значений показателей режимов функционирования тепловых сетей, рассчитанных на основе использования макромодели [3], с их нормативными значениями на основе выбранного критерия эффективности позволяет проводить оценку эффективности функционирования тепловых сетей и тем самым оперативно влиять на улучшение режимов теплоснабжения.
На практике использование математической макромодели может быть положено в основу построения систем диспетчерского управления. В настоящее время применение автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) является одним из основных направлений повышения эффективности функционирования систем централизованного теплоснабжения. При этом в функции современных АСДУ, помимо сбора и отображения в реальном времени информации о параметрах техпроцесса, входит реализация автоматизированного управления технологическим объектом в режиме «советчика» диспетчеру. Построенная адекватная макромодель системы теплоснабжения позволяет предварительно производить расчет параметров и режимов теплоснабжения, после чего диспетчер принимает решение о реальном использовании того или иного режима.
На рис. 2 представлена укрупненная структура АСДУ системы теплоснабжения. Как видно из рис. 2, выработка управляющих воздействий осуществляется на основе анализа данных о текущих параметрах тепло потребления путем сравнения с
расчетными значениями, полученными по результатам математического моделирования объекта управления. Для настройки параметров модели должна периодически повторяться процедура идентификации на основе данных эксплуатации, полученных из АСДУ.
Предложенный подход к автоматизированно-
Рис. 2. Структура АСДУ тепловой сети
му анализу режимов теплоснабжения на основе макромоделирования был апробирован при регулировании режимов теплоснабжения промпло-щадки ОАО «ММК» (г. Магнитогорск). Полученные результаты свидетельствуют о возможности практического использования подхода в расчетах тепловых сетей. В целом, данный подход позволяет оперативно управлять схемой теплоснабжения, и тем самым повысить надежность и качество обеспечения потребителей тепловой энергией.
Литература
1. Гидравлические расчеты тепловых сетей. -
Сервер: http://www.politerm. сот. ru/zuluthermo/ind
ex. html.
2. Информационно-графическая система «Паспортизация и расчет гидравлических режимов тепловых сетей». - Сервер: http://www.city сот. ru/potok/citycom/docs/heatgraph. html.
3. Гойтина Е.В. Автоматизация расчета гидравлических режимов многоконтурных тепловых сетей// XXVI Российская школа по проблемем науки и технологий. Краткие сообщения - Екатеринбург: УрОРАН, 2006. -С. 124-126.
4. Методика определения нормативных значений показателей функционирования водяных тепловых сетей систем коммунального теплоснабжения. - МДК 4.03.2001.
5. Рябцев Г.А., Рябцев В.И. Экономия энергетических ресурсов// Промышленная энергетика. -2003. - №8.
