Применение энергосберегающих технологий для автоматизированного управления модульными котельными Текст научной статьи по специальности «Математика»

ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ

УДК 517.977

Применение энергосберегающих технологий для автоматизированного управления модульными

котельными

А. В. Петров,

кафедра «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем» ФГУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», аспирант

Ю. Т. Зырянов,

профессор кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем» ФГУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», доктор технических наук

Рассмотрена задача достижения энергосбережения в модульных котельных на основе реализации алгоритма оптимального управления разогревом котлов с применением параметрической идентификации.

Ключевые слова: оптимальное управление, энергосбережение, программируемые логические контроллеры, модульные котельные.

Основной целью автоматизации является исключение непосредственного участия человека в управлении техническими объектами. В настоящее время автоматизация представляет собой одно из важнейших средств роста эффективности производства, интенсификации развития отраслей.

В связи с особенностями климата России требуется большое количество тепла для обогрева помещений. На данный момент основная роль отводится централизованным системам теплоснабжения. Этот выбор обоснован, в том числе, и по показателю «тепловые потери». Одним из альтернативных вариантов может быть применение локальных источников тепла [1], а в некоторых случаях можно использовать их вместе с централизованным отоплением как резервный вариант для социально значимых объектов (школы, больницы и т. д.). Локальные источники тепла особенно важны для отдалённых объектов и малых населённых пунктов. Основным аргументом в пользу локальных котельных является следующее: чем дальше котельная от потребителя тепла, тем больше топлива нужно сжечь, чтобы доставить это тепло. Также практика показывает, что быстрее и выгоднее не строительство котельной «с нуля», а использование сборной конструкции.

Блочно-модульные котельные

Модульная котельная (рис. 1) является металлоконструкцией, представляющей собой набор модулей, которые транспортируются к месту установки, монтируются, сразу после чего котельная готова к эксплуатации. Такая конструкция включает в себя все необходимые элементы для подключения к коммуникационным сетям.

ЯЯЯм

б

Рис. 1. Блочно-модульная котельная в р. п. Инжавино Тамбовской области (служит для отопления школы)

= 14

Энергобезопасность и энергосбережение

Рис. 2. Классификация котельных по виду топлива

Модульные котельные, как и прочие, классифицируются по виду топлива (рис. 2).

Газовые котельные используют природный и сжиженный газ. Возможны два вида топлива -основной и резервный, или аварийный (например, газодизельные, газомазутные). По вариантам исполнения модульные котельные могут быть как отдельно стоящие, так и пристроенные.

Задача энергосберегающего управления

Отопительную систему можно рассматривать как систему с двумя входами и двумя выходами (рис. 3).

(1)

где

Рис. 3. Обобщённая схема объекта с двумя входами и двумя выходами

Причина такого рассмотрения - наличие как минимум двух котлов в котельной. Самая распространённая модификация газовой горелки - с модуляцией мощности. Функция модуляции мощности реализуется с помощью регулятора, который управляет газовым клапаном горелки. Управляющие воздействия щи и2 - степень открытия клапанов: от 0 (клапан закрыт) до 1 (клапан полностью открыт). Фазовые координаты г1 и г2- это температуры соответственно первого и второго котла. Самая распространённая гидравлическая схема включения котлов -параллельная - приводит к тому, что возникают связи, обозначенные пунктирными линиями на рис. 3.

Математическая задача заключается в необходимости выбора энергосберегающей стратегии управления разогревом пары котлов.

Исходными данными для решения задачи являются:

- модель динамики объекта:

- ограничение на управление:

- краевые условия:

где г - вектор фазовых координат, А и В - параметры модели объекта, и - векторное управление, I - текущее время, [*„, - временной интервал управления, г^0) и г(^) - фазовые координаты в начальный и конечный моменты времени.

Используя программную стратегию, необходимо найти функции оптимального управления [¿о^ь]) ?'=1>2, при минимизации критерия

•к

4 = {ОДО + ИгОМ-

■ ПШ1,

(4)

где /э - минимизируемая функция (сумма затрат топлива на котлах при нагреве, «разгоне»). Управляющим воздействием контролируется диаметр отверстия топливного клапана, то есть расход.

Таким образом, нужно перевести объект из начального состояния в конечное, то есть разогреть оптимальным образом. Массив исходных данных для решения задачи выглядит следующим образом:

)• (5)

Для решения задачи применяется метод синтезирующих переменных [2].

Были получены экспериментальные данные «разгона» (разогрева) пары котлов (рис. 4).

и

г

и

г

2

2

ваяюиягаи

Рис. 4. «Разгон» котлов

«Разгон» котлов - это результат натурного эксперимента. Не следует сразу включать котлы на полную мощность, так как объект из-за своей инертности не может так быстро нагреваться. Количество сэкономленного топлива по сравнению с обычным прогревом отопительной системы, когда просто оба котла включают сразу на полную мощность, можно определить как площадь над экспонентой, срезанная линией у=1. Первый котёл был выключен а второй включен на полную мощность Происходил разогрев второго котла до 93 °С, затем включалась в работу автоматика защиты котла от перегрева. При проведении параметрической идентификации были получены все необходимые коэффициенты для синтеза функций оптимального управления.

Кроме «разгона» котлов оптимальным образом автоматика выполняет ряд функций. Рассмотрим их подробнее.

Основное преимущество применения автоматики - погодозависимое управление. Если температура наружного воздуха понижается, то автоматика сама повысит температуру прямой воды. Если же потеплеет - понизит температуру воды на выходе из котельной. Регулировка температуры теплоносителя на нужды отопления осуществляется автоматически по погодозависимому программируемому графику (рис. 5) путём смешивания объёмов сетевой воды от котла и обратного трубопровода тепловой сети. Данная схема обеспечивается установкой трёхходо-

вого смесительного клапана на подающем трубопроводе тепловой сети с подмесом из обратного трубопровода (рис. 6). Также предусмотрена защита от перегрева обратной воды.

Т пря мой,°С 100 о0

80

70

4,60

50

40

30

20

Тулицы,°С

Рис. 5. Пример отопительного графика

Применение контроллеров DVP-EH для управления работой котельной

В случае аварии система автоматического управления включит в работу резервное устройство (котёл, насос) и выдаст локальное аварийное сообще-

швзшшяи

= 16

Энергобезопасность и энергосбережение

отопительным график

f(T) А3уст Рз

1

в теплосеть

из теплосети

z4ycT

I

u4 1 г

Р

4 / z

горячая вода -►

холодная вода

Рис. 6. Схема котельной из двух контуров (контур отопления и контур горячего водоснабжения)

Рис. 7. Контроллер серии DVP-EH управляет работой котельной

Рис. 8. Сенсорная панель с изображённым главным окном программы

ние, отправит его на сотовый телефон оператора и электронную почту обслуживающей организации.

В качестве центра такой системы хорошо зарекомендовали себя программируемые логические контроллеры фирмы Delta (рис. 7) [3].

Для связи с оператором используются сенсорные панели фирм Delta и Weintek c операционной системой Windows CE (рис. 8). Использование современных микропроцессорных устройств позволяет реализовать на их базе энергосберегающие алгоритмы.

Р

u

u

газ

2

Р

2

u

2

4

газ

2

ваяюиягаи

Вывод

Применение современных микропроцессорных устройств для автоматизированного управления модульными котельными позволяет исключить человеческий фактор из процесса управления. В статье представлена формализованная постановка задачи выбора энергосберегающей стратегии управления разогревом пары котлов. Для

её решения предложено использовать метод синтезирующих переменных. Путём натурного эксперимента получены данные «разгона» (разогрева) пары котлов, с использованием которых решается задача энергосберегающего управления на основе применения алгоритмов параметрической идентификации модели динамики объекта.

Литература

1. Фундатор Ю. В. Резервы малой энергетики // Энергобезопасность в документах и фактах. - 2006. -№ 6.

2. Муромцев Д. Ю. Методы и алгоритмы синтеза энергосберегающего управления технологическими объектами: Монография. - Тамбов; М.; СПб.; Баку; Вена: Изд-во «Нобелистика», 2005. - 202 с.

3. Петров А. В. Программируемые логические контроллеры // Сборник статей магистрантов. Вып. 14. -Тамбов: Тамбовполиграфиздат, 2008. - С. 83-87.

4. Муромцев Ю. Л., Грибков А. Н., Петров А. В. Методика анализа работоспособности алгоритмического обеспечения систем энергосберегающего управления // Известия Томского политехнического университета. -2009. - Т. 314. - № 5. - С. 44-48.

Application of energy-saving technologies for automated control of heating station

A. V. Petrov,

postgraduate student of Department of Designing electronic and microprocessor-based system

of Tambov State Technical University

Yu. T. Zyryanov,

D. T. S, Professor of Department of Design electronic and microprocessor-based systems

of Tambov State Technical University

The problem of energy-economy in the boiler unit is soluted on the basis of implementing the algorithm of optimal control of heating boilers with the use of parametric identification.

Keywords: optimal control, energy-economy, programmable logic controllers, modular boilers.

ИИШЖШ