CC BY
14
У
правление техническими системами и технологическими процессами
УДК 519.673:658.264 ЭС!: http://doi.org/10.25728/pu.2018.6.6
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОЛИЧЕСТВЕННОГО
ОБОСНОВАНИЯ МЕСТ РАССТАНОВКИ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ УЗЛОВ УПРАВЛЕНИЯ В КРУПНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ1
З.И. Шалагинова
Приведена математическая модель теплогидравлических режимов теплоснабжающей системы во времени с учетом транспортного запаздывания, а также возмущающих и управляющих воздействий. Разработаны интегрированные за расчетный период времени показатели степени обеспеченности потребителей, полученные на основе имитационного моделирования теплогидравлических режимов. Предложен подход к решению задачи расстановки промежуточных ступеней регулирования, основанный на построении матриц путей от конечных потребителей в направлении, обратном течению теплоносителя.
Ключевые слова: система теплоснабжения, многоуровневое моделирование, промежуточная ступень управления, показатель режимной управляемости, синтез, методика, алгоритм, расчет, информационно-вычислительный комплекс.
ВВЕДЕНИЕ
Сложность задач управления и актуальность автоматизации процессов управления в российских ТСС объясняются их особенностями — они сложились как сложные, многосвязные, пространственно разнесенные иерархические объекты, функционирующие в условиях переменности их структуры, параметров и режимов работы при многочисленных внешних и внутренних возмущениях.
Работа ТСС характеризуется рядом важных особенностей, которые необходимо учитывать при решении задач автоматизации и управления:
— непрерывность процесса производства и потребления тепла;
— разнородность присоединенной нагрузки — отопление, ГВС, вентиляция, технологические нужды;
1 Работа выполнена в рамках научного проекта 111.17.4.3 «Научно-методические основы интеллектуализации процессов развития и функционирования трубопроводных систем энергетики» (ИСЭМ СО РАН, рег. № АААА-А17-117030310437-4).
— неравномерность потребления тепла;
— режимная взаимозависимость от источников, работающих на общие тепловые сети;
— быстрота изменения гидравлических режимов и большое временное запаздывание по тракту температур.
Принятые сокращения
ГВС — горячее водоснабжение
ИВК — информационно-вычислительный
комплекс
ИТ - источник тепла
ИТП — индивидуальный тепловой пункт
КРП — контрольно-распределительный пункт
МТС — магистральная тепловая сеть
РТС — распределительная тепловая сеть
ТГР - теплогидравлический режим
ТСС — теплоснабжающая система
ЦТП — центральный тепловой пункт
Основная задача автоматизации ТСС заключается в повышении управляемости в целях обеспечения всех категорий потребителей требуемым количеством тепла заданного качества в каждый момент времени, при соблюдении технологических
ограничений на параметры теплоносителя и минимальных затратах. В общем случае эти затраты определяются такими составляющими:
— суммарный расход трудовых и материальных ресурсов на производство, транспорт и распределение тепловой энергии;
— ущерб от нарушения теплоснабжения потребителей и от низкого качества тепловой энергии;
— ущерб от повреждения оборудования, обусловленного отклонением параметров режима от допустимых значений.
В настоящее время отсутствует достаточно эффективная и простая методика оценки ущерба по перечисленным составляющим, а в отдельных случаях ущербы принципиально не могут быть определены (например, потеря трудоспособности людей: простудные заболевания из-за пониженных температур воздуха в отапливаемых помещениях или ожоги вследствие превышения температуры воды ГВС выше допустимой). В связи с этим задаче автоматизации будем придавать более узкий смысл — обеспечение потребителей тепловой энергией при минимальных затратах на ее производство, транспорт и распределение при соблюдении заданных требований по надежности и качеству теплоснабжения. Качество тепловой энергии характеризуется давлением и температурой теплоносителя, отпускаемого потребителям.
Проблема управляемости в ТСС связана с недостаточным уровнем проектирования, эксплуатации и технической оснащенности, особенно систем транспорта и распределения тепловой энергии. В силу исторического развития ТСС, в их структуру, как правило, не закладывалась четкая иерархия построения, в связи с чем существующие ТСС обладают лишь частичной управляемостью, т. е. обеспечивают требуемые параметры у отдельных потребителей в нормальных условиях и становятся плохо управляемыми при их нарушении.
1. ТРЕБОВАНИЯ К СТРУКТУРЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Разработкой принципов построения ТСС у нас в России начали заниматься еще в 1930-х гг. Первые предложения по рациональному построению тепловых сетей были сделаны в рамках разработки схемы теплофикации г. Москвы, когда предполагалось сооружение общего кольца для тепловых сетей в целях двустороннего снабжения потребителей тепловой энергией [1]. Согласно существующей сегодня российской концепции построения автоматизированных систем теплоснабжения с учетом надежности и управляемости [2], крупные ТСС с несколькими ИТ и протяженными заколь-
цованными тепловыми сетями с большим числом присоединенных разнородных потребителей для согласованной работы всех звеньев системы должны иметь несколько ступеней регулирования:
— на источниках тепла (ТЭЦ или котельных);
— в промежуточных узлах тепловой сети — КРП или ЦТП;
— в абонентских теплопотребляющих установках или в ИТП [2, 3].
При организации многоступенчатого регулирования каждая ступень облегчает работу последующей. Естественно, что для успешной работы ТСС по такой схеме необходима избыточность параметров на вводе в каждую из перечисленных ступеней управления.
В последнее время много говорят о несовершенстве принятой в России структуры ТСС с наличием ЦТП [2] в связи с большими потерями тепла и воды в распределительных сетях и низкой эффективностью установленного оборудования. И как это часто бывает, появляются призывы сломать существующую систему и вместо этого в каждом доме построить собственный тепловой пункт [4—6]. Несомненно, что системы теплоснабжения с ИТП имеют определенные преимущества по сравнению с ЦТП — это более тонкая регулировка теплового режима систем отопления, сокращение тепловых потерь и утечек воды в системах ГВС. Под ЦТП не надо отводить дорогостоящие городские земли, в этих системах отсутствуют распределительные сети ГВС, в них может быть упрощен учет энергоресурсов. Однако эти преимущества наиболее полно должны проявить себя в новом строительстве, при условии, что оборудование будет полностью установлено, отлажено, выведено на режим и затем грамотно эксплуатироваться.
Необходимо также помнить, что ни одна страна в мире по масштабам централизованного тепло -снабжения не может сравниться с Россией. Потребление тепловой энергии только в Москве превышает ее суммарное потребление в Нидерландах и Швеции, а потребление тепла в Санкт-Петербурге выше, чем в таких странах — законодателях моды в системах теплоснабжения — как Финляндия или Дания [7]. Большие масштабы и сложность российских современных ТСС определяют важную роль присутствия в них ЦТП, особенно при больших перепадах геодезических отметок.
Безусловно, энергосберегающая ТСС должна работать с применением ИТП. Однако это не значит, что ЦТП должны закрываться. Они выполняют функцию гидравлического стабилизатора и одновременно разделяют систему теплоснабжения на отдельные подсистемы. Из ЦТП в случае применения ИТП исключаются подогреватели ГВС.
При этом за ЦТП также может сохраниться двухтрубная прокладка, но РТС при этом могут работать на пониженных по сравнению с МТС значениях параметров (давлении и температуре теплоносителя). Это позволяет понизить во вторичном контуре потери тепла и теплоносителя вследствие утечек и гарантирует стабильную работу ИТП, исключая их жесткое взаимное влияние по гидравлическому тракту. Широкое внедрение средств автономного регулирования вносит непрерывные возмущения и требует сглаживания резких изменений параметров для МТС.
Возникает также вопрос — насколько велик выигрыш в сокращении расхода энергоресурсов, чтобы затевать коренную и очень дорогостоящую ломку сложившейся системы теплоснабжения. Очевидно, что в каждой конкретной системе теплоснабжения необходимо принимать индивидуальное решение с учетом всех технических и экономических факторов.
2. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Усиление экономических и технологических связей, по мере развития ТСС, сделало чрезвычайно актуальным применение системного подхода к проектированию и управлению их функционированием, поскольку решения, принимаемые по каждому из звеньев в отдельности, не обязательно являются оптимальными для системы в целом. Часто такие решения не удовлетворяют требованиям надежности и управляемости, а иногда просто нереализуемы, особенно в развивающихся системах со сложившейся структурой, где ежегодное увеличение присоединенной нагрузки требует своевременного и обоснованного решения вопросов их реконструкции и расширения.
В настоящее время, учитывая постоянно растущие цены на тепловую энергию, активизируются работы по внедрению средств учета тепла и автономного регулирования его потребления. В свою очередь, обостряется проблема экономической ответственности за сверхнормативные тепловые потери в сетях, которые могут достигать 30 % от отпущенного количества тепла. Выдвигаются более жесткие требования к управлению ТСС, включая и способность оперативно оценивать динамику изменения нагрузок в течение суток, недели, сезонов года, умения рассчитывать и назначать соответствующие режимы работы системы в целом, прогнозировать аварийные ситуации и др. Эти проблемы особенно обостряются в новых экономических отношениях и требуют новых подходов и методов для их решения с максимальным учетом перечисленных факторов.
3. ПРЕДЛАГАЕМАЯ ОБЩАЯ СХЕМА КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОБОСНОВАНИЯ УРОВНЯ АВТОМАТИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Синтез режимной управляемости состоит в выборе решений по развитию системы, которые обеспечат реализацию наиболее выгодных режимов и облегчат их смену во времени. Создание АСУТП принципиально невозможно без детального предварительного моделирования этого процесса. Поэтому для принятия решений по рациональной автоматизации и оценки их реализуемости предлагается следующая методика.
Этап 1. Имитация работы существующей системы теплоснабжения в течение отопительного периода для оценивания степени управляемости ТСС.
Этап 2. Назначение вариантов повышения управляемости:
— по экспертным оценкам;
— с помощью решения задачи по выбору рациональных мест расстановки промежуточных ступеней регулирования.
Этап 3. Имитационное моделирование работы ТСС:
— по намеченным на этапе 2 вариантам автоматизации;
— с помощью методов оптимального централизованного управления;
Этап 4. Принятие решения по автоматизации.
Рассмотрим эти этапы.
3.1. Имитация работы существующей системы теплоснабжения
Данный этап в течение отопительного периода (или любого другого) выполняется с помощью ИВК «АНГАРА-ТС» для расчета теплогидравли-ческих режимов ТСС, разработанного в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН [8—11]. Он позволяет рассчитывать сети произвольной конфигурации (разветвленные, многоконтурные) и структуры (с любым числом и размещением насосных станций, источников, потребителей, регуляторов расхода и давления) с промежуточными ступенями регулирования, с различными схемами присоединения потребителей тепла и разнородными нагрузками (отопление, вентиляция, ГВС). В качестве потребителей выступают ИТП с присоединенными местными системами теплопотребления или тепловой узел ввода в здание. Расчет производится во времени с учетом остывания по длине, транспортного запаздывания теплоносителя, при различных возмущениях на ИТ, насосных станциях, у потребителей и на участках тепловой сети [12, 13]. Под возмущением понимается изменение любого параметра системы,
переключение в сети (изменение топологии), воздействие автоматики, изменение отбора теплоносителя на ГВС в открытых системах, изменение метеоусловий и др., т. е. в качестве возмущений можно задавать как непредвиденные возмущения, так и сценарий управления.
Упомянутый ИВК снабжен развитым пользовательским интерфейсом, предельно упрощающим процессы занесения и отладки информации, выполнения вычислений и обладает высоким быстродействием, в среднем 20—50 с для многоконтурных сетей, содержащих порядка 25 тыс. ветвей расчетной схемы при расчете на компьютере с процессором Intel i5/3 Ггц, причем время собственно счета составляет 3—5 с; возможностью проведения одно- и многоуровневых расчетов при наличии в ТСС промежуточных узлов управления (ЦТП); возможностью решения задач большой размерности; повышенной надежностью благодаря детальному автоматизированному контролю корректности задания исходных данных и теоретически гарантированной сходимости вычислительного процесса, обеспечивающей получение решения с наперед заданной точностью, которая задается пользователем в диалоговом режиме; возможностью графической визуализации исходной информации и интерпретации результатов расчетов (автоматизированное построение, отображение, спецификация и вывод на печать пьезометрических и температурных графиков); графическим представлением расчетной схемы на фоне городской застройки с возможностью изменения состояний элементов системы; автоматическим определением нарушений в расчетном режиме и их визуализация на схемах; возможностью работы со схемами и данными в компьютерной сети.
Ниже приведена математическая модель ТГР теплоснабжающей системы во времени [12—15].
A(T)x(T) = Q(T), Лт(т) р(т) = s(T)X(T)x(T) - H(т),
т и п — число узлов и участков расчетной схемы. А1, А2 — матрицы ориентации участков размерностью т х п, фиксирующие отдельно начальные и конечные узлы; X — диагональные матрицы порядка п, составленные из значений сопротивлений s¡ и модулей расходов |хг| на участках; Р — полный вектор узловых давлений размерностью т; х, Н — п-мерные векторы расходов и действующих напоров на ветвях; 9, О — т-мерные векторы узловых расходов тепла и теплоносителя; t1, t1 — п-мерные векторы температур в начальных и конечных узлах участков соответственно; Т — т-мерный вектор узловых температур для смешанных в узлах потоков; / — множество узлов; I — множество участков схемы I = 11 и 12 и 13; 11, 12, 13 — подмножества участков сети, потребителей, и источников; а, ^ — п-мерные векторы теплофизи-ческих характеристик и температур окружающей среды; с — удельная теплоемкость теплоносителя; At — п-мерный вектор разности температур на входе и выходе потребителя или источника тепла; Ат — п-мерный вектор времени транспорта теплоносителя по участкам; т — дискретное время наступления события, связанного с достижением температурным фронтом конечного узла участка сети: теП, О = Пг и Пт, О — дискретное множество упорядоченных по времени событий; Пг, Пт — подмножества времен исполнения возмущений гидравлических и тепловых параметров, причем, П = П (т , т ); т , т , т — моменты времени
т тч в.т в.г' в' в.т в.г ^
возмущения параметров: любого, теплового и гидравлического; V— подмножество узлов, являющих-
ся источниками возмущения; R
(v, j) _
(и/.х«)-матри-
(1) (2)
ца всех возможных путей, ведущих по направлению движения теплоносителя из узла V — источника возмущения к узлу у; п. — число таких путей; элементы матрицы:
х(тУт) + A2 х(т) ф = е(т) /;) = Ат(т) Т(т),
4Т) = F(x(T), 4Т), /0Т), а(т)),
(3)
(4)
(5)
т(у'j) = тв + j)Ax(T), v e V, j e J, т e Q, (6)
AxiT) = f(x(T)) = (Innd2 )/(4x(T)), i e /,, (7)
где A и А — матрицы инциденций узлов и участков: полная и для линейно независимых узлов размерностями m s n и (m — 1) s n соответственно,
=
0, если участок / не принадлежит к-му пути, ведущему из узла V в узел у;
1, если участок / принадлежит к-му пути из узла V в узел у;
т(у'. — вектор промежутков времени, необходимых для прохождения теплоносителем пути от узла V до узла у; размерность вектора равна числу путей п; И — п-мерная вектор-функция аналитических зависимостей, отражающих изменение температуры теплоносителя на участках.
Функция И теплофизических характеристик участка в уравнении (5) принимает различный вид в зависимости от того, какому элементу ТСС она соответствуют: сетевому трубопроводному участку, потребителю или источнику. Так, для /-й ветви трубопроводного участка, I е 1Х:
t2, i = to, i + (t1, i - to, i)eXP
П di l i k i
ex.
(8)
где к. — коэффициент теплопередачи, й. и I. — внутренний диаметр и длина участка трубопровода; с — теплоемкость теплоносителя; to . — температура окружающей среды.
Для участка-потребителя (ИТП с присоединенными местными системами теплопотребления) или ЦТП, I е 1у значение функции И вычисляется с помощью математической модели ТГР тепловых пунктов, которая является составной частью общего комплекса и представляет собой систему из 50-ти уравнений, описывающих процессы потоко-распределения, теплопередачи и теплового баланса в местных системах отопления, ГВС и вентиляции. Модель представлена в работе [14] и в данной статье не приводится в силу ограниченности объема статьи. Расчет ТГР теплового пункта производится с учетом аккумулирующей способности зданий, различных схем присоединения систем отопления и подогревателей ГВС в закрытых системах, калориферов для систем вентиляции (с рециркуляцией и без нее).
Индекс т означает, что уравнения (1)—(7) справедливы на момент времени т. Учитывая практическую безынерционность системы по гидравлическому тракту и значительные временные запаздывания по тракту температур, представляется правомерным применение квазидинамического подхода для решения рассматриваемой задачи.
Сделаем необходимые пояснения к модели (1)—(7):
— учитывая, что для решения практических задач нет необходимости рассматривать температурное поле по длине участков и достаточно знания температур по узлам сети, время т в данной модели связано с топологией, и поэтому Лт дискретизиру-ется не на равные промежутки, а на время транспорта теплоносителя до узла сети;
— зависимость от времени означает, что все величины могут быть в любой момент изменены (возмущены) по закону, заданному исследователем; сказанное относится в полной мере и к изменению структуры матрицы А(т). Следовательно, можно моделировать все типы возмущающих воздействий, в том числе и переключения в сети (изменение топологии).
Сложность ТСС и протекающих в них процессов, иерархия структуры построения, а также различные принципы регулирования отпуска нагрузки в сетях разного уровня обусловливают целесообразность применения для моделирования ТГР систем теплоснабжения развиваемого в ИСЭМ СО РАН подхода — многоуровневого моделирования [8—10, 12], которое базируется на методах экви-валентирования и декомпозиции как расчетных схем, так и задач.
Технология многоуровневого моделирования ТСС, применяемая для решения данной задачи, обеспечивает возможности:
— уменьшения размерности расчетных задач;
— обозримости результатов расчетов;
— согласования результатов решения задач, требующих разной степени подробности моделей;
— преодоления разобщенности информационных и математических моделей при решении задач управления ТСС на разных ведомственных, территориальных, организационных и временных уровнях;
— потенциальной применимости технологий параллельных вычислений, что, в свою очередь, позволяет выполнять расчеты ТСС большой размерности за меньшее время.
Различные приемы упрощения и понижения размерности расчетных схем достаточно часто применяются при моделировании ТСС. Большая часть публикаций на эту тему имеет абстрактный теоретический характер в отрыве от конкретных объектов приложения [16, 17]. Другая часть работ посвящена конкретным задачам, где способы упрощения рассматриваются попутно и ориентированы на специальные свойства: систем [18, 19]; задач (проектирования и реконструкции [18, 19, 21], оперативного управления [19]); привлекаемых моделей (стационарных [18, 19, 21, 22], динамических [20, 23—25] и др.). Автору неизвестны работы, специально посвященные многоуровневому моделированию ТСС как комплексному подходу для анализа и управления режимами.
В связи с достаточной сложностью моделирования теплогидравлических режимов ТСС введем упрощающие предположения:
— сопротивления участков сети считаются не зависящими от температуры теплоносителя, что позволяет пользоваться моделями с сосредоточенными параметрами и рассчитывать гидравлический режим независимо от теплового;
— скоротечность гидравлических процессов порождает безынерционность реакции сети на гидравлические воздействия, что позволяет гидравлические режимы рассчитывать без временной составляющей;
— тепловые пункты (и обслуживаемые ими здания — потребители), представляющие собой сис-
темы с происходящими внутри них сложными гидравлическими и тепловыми процессами, в общей математической модели будем представлять участками с эквивалентными характеристиками (сопротивлениями, разностью температур на входе и выходе и временем транспорта теплоносителя через тепловой пункт или потребителя). Значения характеристик вычисляются с помощью математической модели ТГР теплового пункта [14].
Принятые допущения позволяют рассчитывать гидравлический режим независимо от теплового и применить декомпозицию ТСС на тепловые сети и тепловые пункты (или потребителей в случае ИТП). Таким образом, задача моделирования ТГР с промежуточными узлами управления сводится к расчету ТГР тепловой сети, которая, в свою очередь, состоит из двух подзадач — теплового и гидравлического расчета; расчета ТГР теплового пункта (ЦТП или ИТП с присоединенным зданием) и последующей их увязки.
Отсюда с очевидностью вытекает квазидинамический способ решения задачи (1)—(7) — задачи теплогидравлического расчета.
1. Рассчитывается в качестве исходного гидравлический режим (потокораспределение) (1), (2) и соответствующее ему стационарное температурное поле (3)—(5), которое будет оставаться таковым до момента возмущения тв.
2. В момент воздействия тв в зависимости от типа возмущения (тепловое или гидравлическое) производятся два вида операций:
а) если воздействие тепловое (изменение температуры на ИТ или ЦТП), то вычисляется по формуле (7) вектор Ат, соответствующий режиму п. 1; строятся матрицы ; и определяется по выражению (6) вектор промежутков времени т^. необходимых для прохождения теплоносителем пути от узла V до узла у; формируется ранжированная в порядке возрастания по времени последовательность исполнения событий по достижению температурным фронтом конечных узлов участков; затем последовательно для моментов времени из выражения (6) выполняются операции теплового расчета (3)—(5), которые продолжаются до тех пор, пока процесс не установится или пока не наступит новое возмущение;
б) если возмущение гидравлическое (изменение действующих напоров, расходов в узлах, топологии сети и пр.), то рассчитывается гидравлический режим, соответствующий этим изменениям по уравнениям (1) и (2); по формуле (7) для данного режима вычисляется новый вектор времен транспорта теплоносителя по участкам Ат и далее выполняются действия, описанные в п. а).
В системе теплоснабжения теплогидравличес-кие режимы регулируются с помощью регуляторов
расхода, давления и температуры, изменением напоров насосов, температуры или (и) расхода теплоносителя на выходе из ИТ или промежуточной ступени регулирования. При этом независимыми параметрами (управляющими) будут расходы и температуры теплоносителя на выходе из источников тепла и промежуточной ступени регулирования, напоры насосов на источниках, подкачивающих и перекачивающих подстанциях, уставки регуляторов. Давления, температуры и расходы теплоносителя в остальных узлах системы являются зависимыми параметрами.
Центральное регулирование отпуска тепла от ИТ может осуществляться тремя способами: качественное (изменением температур при постоянном расходе теплоносителя), количественное (изменением расходов при постоянной температуре теплоносителя) и комбинированное (изменением температур и расходов теплоносителя). Как правило, существующие системы работают по качественному графику. Внедрение средств автономного регулирования позволяет перейти к количественному и комбинированному регулированию.
При имитации работы системы по графику центрального качественного регулирования в неавтоматизированных системах нужно задать в качестве исходных данных сценарий произведенного за рассматриваемый период регулирования: изменение во времени температуры теплоносителя на выходе ИТ (при наличии нескольких ИТ для каждого из них). Информация о моментах регулирования и значениях температур берется из журналов диспетчеров, которые ведутся на предприятиях тепловых сетей (либо на ИТ). Кроме температур, в них фиксируются давления на насосных станциях и ИТ в течение всего отопительного сезона. Для систем с промежуточными ступенями регулирования необходимо задать моменты исполнения возмущений, места их приложения и новые значения параметров. При выполнении расчетов на предстоящий период сценарии задаются по температурному графику [26].
При количественном регулировании задается сценарий изменения расходов на выходах ИТ, ЦТП и (или) ИТП с указанием времени их исполнения. При комбинированном регулировании в сценарий возмущения включаются изменения температур и расходов.
В принципе, таким образом можно смоделировать любые виды регулирования, управления или внешнего возмущения, а именно:
— изменение отбора теплоносителя ГВС по часам суток в открытых системах;
— изменение гидравлического сопротивления на любом из участков сети или на некоторой их совокупности (при закрытии-открытии регулирующей арматуры);
— изменение уставок регуляторов (значение параметра, который должен поддерживать регулятор);
— переключения в сети, т. е. изменение топологии — исключение или добавление одного или нескольких участков в любой момент времени (послеаварийные режимы);
— изменение напоров насосных станций;
— воздействия автоматики;
— изменение метеоусловий и др.
После формирования сценария возмущений выполняется динамический теплогидравлический расчет с помощью ИВК «АНГАРА-ТС», т. е. осуществляется ретроспективный анализ работы системы за истекший период. Результаты расчета позволят получить интегрированные за период времени показатели:
— по количеству недополученной потребителями теплоты;
— по избыточному количеству теплоты, отпущенной потребителям;
— по суммарным (сверхнормативным) потерям тепла в сети.
Было бы неправильно для оценки обеспеченности потребителей пользоваться средней за расчетный период обеспеченной нагрузкой. Она может оказаться близкой к требуемой, в то время как в отдельные моменты времени потребитель недополучал требуемое количество тепла, а в другие был «перетоплен». Поэтому будем пользоваться показателями степени обеспеченности в каждый момент времени с последующим вычислением интегральных показателей.
Качество теплоснабжения отдельного 1-го потребителя можно оценить по степени отклонения количества полученной им теплоты 9г- от требуемого значения 9* [27—29]. Степень обеспеченности 1-го потребителя в момент времени т можно выразить характеристикой:
Q? (т) = (9*(т) - 9.(т))9, i е /,,
(9)
где 9 — весовой коэффициент; 9 = 1, если (9* (т) — 9г(т)) > 0, т. е. потребитель ощущает дефицит теплоты; 9 = 0, если (9* (т) — 9г(т)) < 0, т. е. потребитель обеспечен тепловой энергией в нужном количестве или находится в состоянии «перетопа».
Суммарный дефицит тепла 1-го потребителя за расчетный период Т при к-м сценарии регулирования можно определить соотношением
Суммарный дефицит тепла для всех потребителей при к-м сценарии регулирования
D(k) = £ у?(к) .
i е I-.
(11)
Средний дефицит за расчетный период Т при к-м сценарии
= 11 (т)А, / е 12. (12)
ср 1 о
Повторив расчеты N раз для различных сценариев внешних возмущений при заданных правилах управления, можно вычислить среднеожидаемый дефицит 1-го потребителя:
М
Дисперсия:
ш?
i
-I N = 1 £ (к)
N
к = 1
i е J2-
(13)
1 N
К £
N - 1
k = 1
•?(кА
N
i е h-
1 £ fa?
N
к = 1
г»? (к)
(14)
Аналогично формулам (9)—(14) вычисляются интегрированные за расчетный период времени показатели избыточного количества тепловой энергии, отпущенной потребителям.
Избыточное количество тепла, отпущенного 1-му потребителю в момент времени т:
(т) = (9*(т) - 9.(т))9, i е L,
(15)
где 9 = 1, если (9* (т) — 9(т)) < 0, т. е. потребитель «перетоплен», 9 = 0, если (9* (т) — 9(т)) > 0, т. е. потребитель обеспечен требуемым количеством теплоты или ощущает дефицит.
Суммарное избыточное количество теплоты, отпущенное /-му потребителю за расчетный период Т при к-м сценарии регулирования:
^П(к) = | Qn(к) (т¥т, i е L
2
(16)
Суммарное избыточное количество теплоты для всех потребителей при к-м сценарии регулирования:
у?(к) = J Q?(к)
i е I2'
(10)
п(к) = £
п(к)
i е U
(17)
2
а
о
Средний избыток тепла за расчетный период Т при k-м сценарии:
= T i Qn(k) (T)dT, i e /2. (18)
ср T о
Средний ожидаемый избыток тепла i-го потребителя:
М
Дисперсия:
= 1 L ^П(к), i e /2.
N kT i icp
2
(19)
2
N
1
^n(k) гср
N
^JL i
/ e /2'
(20)
Обозначив 9г- — нормативные потери тепла на
участке, а 9ф — потери, полученные расчетным путем (причем в расчете учитывается способ прокладки, состояние и тип изоляции, в том числе и влажность), получим значения превышения потерь тепла на участках теплосети над нормативными:
пП0т (т) = (9ф (т) - 9" (т))9, / е Iр (21)
где 9 = 1, если 9ф (т) — 9н (т) > 0, т. е. состояние изоляции не обеспечивает нормативные потери, 9 = 0, если 9ф (т) — 9" (т) < 0, т. е. потери в сети не превышают нормативные.
Суммарное превышение потерь тепла над нормативными на /-м участке за расчетный период Т при к-м сценарии регулирования:
уПот(к) = j Qnox(k) (T)dT, i e /1.
(22)
Суммарное превышение потерь для всех участков сети при к-м сценарии:
L(k) = L ^
пот(к)
i e /i .
(23)
Отметим, что при вычислениях по формулам (21)—(23) попутно можно определить наиболее неблагополучные участки, которые нужно в первую очередь перекладывать, что имеет большое значение на практике при ограниченных финансовых средствах.
3.2. Синтез режимной управляемости сети теплоснабжения
После проведения имитационных расчетов работы системы за истекший период и получения значений показателей (9)—(20) можно перейти к решению вопроса размещения дополнительных узлов регулирования. Нормальный режим функционирования систем теплоснабжения определяется как расчетный режим функционирования при нормальных условиях, когда обеспечиваются значения заданных параметров режима работы в установленных пределах. Система управляема, если она способна реализовать все расчетные режимы. Синтез режимной управляемости состоит в выборе решений по развитию системы, которые обеспечат реализацию наиболее выгодных режимов и облегчат их смену во времени.
Варианты повышения степени управляемости исследуемой ТСС (расстановка КРП, ЦТП и ИТП с соответствующим набором регулирующих органов) можно назначить как по экспертным оценкам специалистов, хорошо знающих систему и имеющих большой опыт эксплуатации, так и с помощью решения задачи расстановки промежуточных ступеней регулирования, которую можно решить, применяя изложенный далее подход.
Сначала выполняется анализ существующего состояния ТСС и режимов при сложившихся условиях эксплуатации. Выявляются «узкие места», нарушения режима и количественно оценивается имеющийся уровень снабжения потребителей. Для этого выполняются расчеты по воспроизведению теплогидравлических режимов ТСС при существующей схеме их эксплуатации и параметрах на ИТ и ЦТП, которые поддерживались в прошедшем отопительном и летнем периодах.
При проектировании новых и реконструкции действующих ТСС, а также при разработке эксплуатационных режимов рассматриваются все основные гидравлические режимы. В том числе [30]: расчетный — по расчетным расходам сетевой воды в отопительный период; летний — при максимальной нагрузке ГВС в неотопительный период; статический — при отсутствии циркуляции теплоносителя в тепловой сети; некоторые наиболее вероятные аварийные режимы. Для открытых ТСС: зимний — при максимальном отборе воды на ГВС из обратного трубопровода; переходный (осеннее-весенний) — при максимальном отборе воды на ГВС из подающего трубопровода.
Для оценки управляемости в любом из перечисленных режимов необходимо задать сценарий регулирования в рассматриваемом периоде и рассчитать ТГР по модели (1)—(8). Для анализа дефицитных режимов в условиях ограничения мощности ИТ или ограничения сетевой воды на ЦТП (вследствие аварийной ситуации) и послеаварий-
ср
о
n
ных режимов, сопровождающихся целенаправленными переключениями перемычек в сети (изменение топологии), расчеты необходимо производить на период ремонтно-восстановительных работ при новой конфигурации сети. При этом система должна обеспечивать резервную норму подачи тепловой энергии потребителям в соответствии со справочно-нормативными документами [30, 31]:
ф9р < 9 < 9Р,
где 9Р и 9 — количество теплоты, отпущенное на абонентский ввод потребителя в расчетном и текущем режимах; ф — допустимое снижение подачи теплоты потребителю в аварийном или дефицитном режиме. Для потребителей первой категории ф = 1.
Вычислив значения дефицитов и «перетопов» для всех потребителей системы по уравнениям (9)—(20) параллельно с расчетами по модели (1)—(8), проранжируем потребителей в рамках каждой распределительной сети по признаку их обеспеченности требуемым количеством тепла за расчетный период.
Далее будем работать с каждой распределительной сетью отдельно. Все узлы разветвления схемы сети можно рассматривать как обобщенные потребители, предшествующие по потоку определенным группам реальных потребителей. Учитывая свойство иерархической подчиненности потребителей в указанном смысле, можно наметить места установки дополнительных узлов регулирования (КРП, ЦТП) для минимизации дефицита («перетопа») у реальных потребителей нижележащих уровней. Алгоритм состоит в построении путей от потребителей в направлении, обратном течению теплоносителя, полученного из расчета потоко-распределения (см. рисунок).
Значения дефицита и «перетопа» потребителя присваивается подводящему участку. В узле связи участков, принадлежащих путям от различных потребителей (назовем его узел г), делается проверка обеспеченности теплом для всех ответвлений и суммирование дефицитов (и «перетопов»
раздельно) (П^), вычисленных по уравне-
ниям (10), (12), (16), (18).
Затем вычисляется средний суммарный дефицит (и «перетоп») всех потребителей, связанных с данным узлом г за расчетный период:
4кСР = 14%.
Z ср rp z ^ -
пксР = 1 ni -
z ср rp z ^
Для узлов, соединяющих несколько неблагополучных ответвлений (три и более) вычисляется требуемая тепловая нагрузка в узле. Установка ЦТП намечается, если Б ср составляет более 10 %
z ср
Схема алгоритма расстановки промежуточных ступеней управления
от требуемой нагрузки, и эта нагрузка лежит в пределах от 2 до 10 МВт, что составляет оптимальную нагрузку ЦТП.
Если в РТС имеются только единицы неблагополучных потребителей, а основная масса получает требуемое тепло, то рациональнее установить ИТП и осуществлять местное регулирование.
Таким образом, намечается несколько различных вариантов автоматизации, которые следует проверить на обеспечение режимной управляемости и сравнить по затратам и окупаемости.
3.3. Имитация работы сети теплоснабжения
После расстановки промежуточных ступеней регулирования осуществляется имитация работы ТСС по намеченным в п. 3.2 вариантам автоматизации. Для имитации многоступенчатого регулирования ТСС была разработана избыточная схема обобщенного теплового пункта, в которой заложены различные схемы присоединения теплотехнического оборудования, а также обозначены места установки регулирующей арматуры. Универсальная математическая модель теплогидравлических режимов тепловых пунктов, разработанная в ИСЭМ СО РАН [14], позволяет моделировать работу как ЦТП, так и ИТП. В данной статье модель не приводится в силу ограниченности объема статьи. В случае ЦТП под тепловым пунктом понимается узел регулирования и присоединенные к нему трубопроводы РТС до вводов в здания (для учета тепловых потерь в разводящих сетях). В случае ИТП — узел регулирования с присоединенными местными системами отопления, вентиляции и ГВС. В зависимости от назначения теплового пункта (ЦТП или ИТП) в нем может присутствовать тот или иной набор теплотехнического оборудования и регулирующих органов.
Имитация работы ТСС при многоступенчатом регулировании проводится аналогично описанному выше принципу с применением многоуров-
невого моделирования [32, 33]. Сравнение намеченных вариантов автоматизации по показателям (18)—(20) позволит выбрать наиболее рациональный вариант автоматизации тепловых сетей. Можно дополнить выбор вариантов сравнением по затратам на автоматизацию и срокам окупаемости. Выбор рациональной схемы автоматизации должен дополняться разработкой методов оптимального централизованного управления, что служит предметом отдельного рассмотрения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повышение надежности, экономичности и качества работы современных сетей теплоснабжения требуют комплекса мероприятий, связанных как с внедрением технических средств измерения, регулирования и учета отпуска и потребления тепловой энергии, так и с разработкой методов и математических моделей для анализа и повышения режимной управляемости.
Анализ режимной управляемости требует привлечения математических моделей, позволяющих имитировать работу сетей теплоснабжения во времени в соответствии с заданным сценарием возмущающих и управляющих воздействий. Предложенная математическая модель для расчета тепло-гидравлических режимов во времени основана на многоуровневом подходе, позволяющем имитировать режимы крупных сетей с промежуточными ступенями управления, проводить расчеты сетей большой размерности за меньшее время.
Для количественной оценки режимной управляемости предложены интегральные за расчетный период показатели обеспеченности потребителей тепловой энергией, основанные на разработанной в ИСЭМ СО РАН динамической модели для расчета теплогидравлических режимов сетей теплоснабжения.
Разработанные интегральные показатели степени обеспеченности потребителей, позволяют принять решение о размещении дополнительных узлов управления для повышения режимной управляемости. Разработана общая схема количественного обоснования уровня автоматизации сетей теплоснабжения и алгоритм определения мест дополнительных узлов регулирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Громов Н.К. Городские теплофикационные системы. — М.: Энергия, 1974. — 253 с.
2. Чистович С.А., Аверьянов В.К., Темпель Ю.Я., Быков С.И. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления. — Л.: Стройиздат, 1987. — 248 с.
3. Чистович С.А., Громов Н.К. Принципы рационального построения тепловых сетей и управления режимами их работы. — Киев, 1982.
4. Давыдов А.Н. Экономическая эффективность ликвидации ЦТП // Новости теплоснабжения. — 2004. — № 12.
5. Дубсон М.И. Методы и способы контроля за техническим состоянием и эксплуатацией тепловых сетей и эффективной работой ИТП на опыте предприятия «Ригас Силтумс» // Новости теплоснабжения. — 2008. — № 4.
6. Ливчак В.И. Установка ИТП в зданиях вместо замены изношенного оборудования в ЦТП и перекладки сетей горячего водоснабжения // Энергосбережение. — 2008. — № 1. — С. 36—40.
7. Башмаков И.А. Повышение энергоэффективности в системах теплоснабжения. Часть 1. Проблемы российских систем теплоснабжения // Энергосбережение. — 2010. — № 2. — С. 46—51.
8. Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И., Алексеев А.В. Опыт разработки и применения информационно-вычислительных комплексов для расчета и организации режимов работы крупных систем теплоснабжения // Тр. между-нар. науч. конф. «Энергетика и рыночная экономика», Улан-Батор, 2005. — С. 323—329.
9. Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И., Алексеев А.В. Принципы реализации и направления развития ПВК для расчета режимов теплоснабжающих систем / Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании // Тр. X Байкальской Всерос. конф., Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2005. — Часть II. — С. 285—294.
10. Токарев В.В., Шалагинова З.И. Разработка методики многоуровневого наладочного теплогидравлического расчета систем теплоснабжения и ее реализация в составе ИВК «АНГАРА-ТС» / Математическое моделирование трубопроводных систем энергетики: Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем». — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010. — С. 300—314.
11. Токарев В.В., Шалагинова З.И. Опыт применения информационно-вычислительного комплекса «АНГАРА-ТС» для организации режимов и разработки наладочных мероприятий теплоснабжающих систем крупных городов // Вестник ИРГТУ. — 2011. — № 12 (59). — Раздел «Энергетика». — С. 240—248.
12. Шалагинова З.И. Методы теплогидравлического анализа режимов крупных теплоснабжающих систем // Теплоэнергетика. — 2009. — № 12. — С. 44—49.
13. Алексеев А.В., Гребнева О.А., Новицкий Н.Н. и др. Математические модели и методы для оценки и реализации потенциала энергосбережения при управлении режимами теплоснабжающих систем / Исследования и разработки Сибирского отделения Российской академии наук в области энергоэффективных технологий. — Новосибирск: Научно-исследовательский институт молекулярной биологии и биофизики, 2009. — С. 38—49.
14. Шалагинова З.И. Математическая модель для расчета теплогидравлических режимов тепловых пунктов теплоснабжающих систем // Теплоэнергетика. — 2016. — № 3. — С. 69—80.
15. Шалагинова З.И. Разработка и применение методов расчета теплогидравлических режимов в системах теплоснабжения с многоступенчатым регулированием: автореф. дис. ... канд. техн. наук. — Иркутск: Сиб. энергетический ин-т, 1995. — 24 с.
16. SakalkarV, Hajel P. Multilevel decomposition based nondeter-ministic design optimization for structural systems // Advances in Engineering Software. — 2011. — Vol. 42, iss. 1—2. — P. 1—11. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.adveng-soft.2010.10.002.
17. Lu J., Han J., Hu Y., Zhang G. Multilevel decision-making: A survey // Information Sciences. — 2016. — Vol. 346. — P. 463—487. — DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ins.2016.01.084.
18. Lazzaretto A., Toffolo A., Morandin M., von Spakovsky M.R. Criteria for the decomposition of energy systems in local/global optimizations // Energy. — 2010. — Vol. 35, iss. 2. — P. 1157—1163. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.ener-gy.2009.06.009.
19. Nardo A.D., Cavallo A., Natale M.D., et al. Dynamic Control of Water Distribution System Based on Network Partitioning // Procedia Engineering. — 2016. — Vol. 154. — P. 1275—1282. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.460.
20. Schweiger G., Larsson P.-O., Magnusson F., et al. District heating and cooling systems — Framework for Modelica-based simulation and dynamic optimization // Energy. — 2017. — Vol. 137. — P. 566—578. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.en-ergy.2017.05.115.
21. Vesterlund M., Dahl J. A method for the simulation and optimization of district heating systems with meshed networks // Energy Conversion and Management. — 2015. — Vol. 89. — P. 555—567. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.encon-man.2014.10.002.
22. Guelpa E, Toro C., Sciacovelli A., et al. Optimal operation of large district heating networks through fast fluid-dynamic simulation // Energy. — 2016. — Vol. 102. — P. 586—595. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.02.058.
23. Vesterlund M, Toffolo A., Dahl J. Optimization of multi-source complex district heating network, a case study // Energy. — 2017. — Vol. 126. — P. 53—63. — DOI: https://doi.org/ 10.1016/j.energy.2017.03.018.
24. Guelpa E., Sciacovelli A., Verda V. Thermo-fluid dynamic model of large district heating networks for the analysis of primary energy savings // Energy. — 2017. — DOI: https://doi.org/ 10.1016/j.energy.2017.07.177.
25. Gilani B.S., Bachmann M, Kriegel M. Evaluation of the temperature regimes of multi-level thermal networks in urban areas through exergy analysis // Energy Procedia. — Sept. 2017. — Vol. 122. — P. 385—390. DOI: https://doi.org/10.1016/j.egy-pro.2017.07.424.
26. Шалагинова З.И. Задачи и методы расчета температурных графиков отпуска тепла на основе теплогидравлического моделирования систем теплоснабжения // Теплоэнергетика. — 2004. — № 7. — С. 41—49.
27. Шалагинова З.И. Проблемы обеспечения режимной управляемости современных теплоснабжающих систем и воз-
можные подходы к их решению // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. — Надежность систем энергетики: экономические и информационные аспекты. — СПб., 1997. — Вып. 49. — С. 504—512.
28. Шалагинова З.И. Методы анализа режимной управляемости и их применение для оценки качества функционирования теплоснабжающих систем // Теплоэнергетика. — 2012. — № 5. — С. 63.
29. Новицкий Н.Н., Сухарев М.Г., Тевяшев А.Д. и др. Трубопроводные системы энергетики: Методические и прикладные проблемы математического моделирования. — Новосибирск, 2015. — 476 с.
30. СП 124.13330.2012. Свод правил. Тепловые сети. Актуализированная редакция СНиП 41-02—2003 / утв. Приказом Минрегиона РФ от 30.06.2012, № 280.
31. СП 60.13330.2012. Свод правил. Отопление, вентиляция и кондиционирование». Актуализированная редакция СНиП 41-01—2003.
32. Новицкий Н.Н., Шалагинова З.И., Токарев В.В., Гребнева О.А. Технология разработки эксплуатационных режимов крупных систем теплоснабжения на базе методов многоуровневого теплогидравлического моделирования // Известия Российской академии наук. Энергетика. — 2018. — № 1. — С. 12—24.
33. Шалагинова З.И., Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Гребнева О.А. Многоуровневое моделирование теплогидравлических режимов больших систем теплоснабжения // Сб. статей всероссийской конференции «Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление», 1—3 сентября 2015 г., Иркутск, Россия. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2015. — С. 389—398.
Статья представлена к публикации членом редколлегии
И.Б. Ядыкиным.
Шалагинова Зоя Ивановна — канд. техн. наук,
вед. науч. сотрудник, Институт систем энергетики
им. Л.А. Мелентьева СО РАН, г. Иркутск,
Н shalaginova@isem.irk.ru.
Новая книга
Волковицкий А.К., Каршаков Е.В., Павлов Б.В. Магнитоградиентные измерительные системы и комплексы: моногр. в 2 т. — Т. 1: Принципы измерений и структура магнитоградиентных комплексов. — 149 с. — Т. 2: Обработка информации и применение магнитоградиентных комплексов. — 134 с. — М.: ИПУ РАН, 2018.
Представлены направления исследований в двух аспектах — инженерном и информационном. В первом томе рассмотрены основные принципы магнитоградиентных измерений и особенности их технической реализации. Рассмотрены основные варианты структуры магнитоградиентных измерительных систем. Дан анализ технических характеристик и особенностей магниточувствительных датчиков и возможностей их применения в составе измерительных систем. Приведена обобщенная модель процесса измерений параметров магнитоградиентного поля. Второй том посвящен аспектам вычислительной обработки данных при магнитоградиентных измерениях. Особое внимание уделено алгоритмам калибровки измерительных систем и комплексов, установленных на подвижных носителях. Рассмотрены основные принципы и алгоритмы решения задачи магнитоградиентного обнаружения. Приведены примеры применения магнитоградиентных комплексов.
Для широкого круга специалистов в области измерений магнитного поля, разработчиков технических средств, алгоритмов и программ вычислительной обработки измерений, а также для студентов и аспирантов соответствующих специальностей.
