facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

Математическое моделирование и оптимизация управления тепловыми режимами в крупных системах централизованного теплоснабжения

Математическое моделирование и оптимизация управления тепловыми режимами в крупных системах централизованного теплоснабжения
Денис Жуков, омский государственный университет путей сообщений

Омский государственный университет путей сообщений, Россия

Участник конференции

В статье рассматривается математическая модель теплового режима отапливаемых зданий. Показаны основные принципы оптимального управления тепловыми и гидравлическими режимами в системах централизованного теплоснабжения. Предложена методика разработки диспетчерского графика тепловых нагрузок.

Ключевые слова:теплоснабжение, тепловая сеть, тепловой режим, регулирование режимов.

Thearticle is describes mathematical model of a thermal modes of heated buildings and main principles of optimum control by thermal and hydraulic modes in systems of the centralized heat supply. The technique of development of the dispatching schedule of thermal loadings is offered.

Keyword: heat supply, thermal networks, thermal mode, regulation.

Система централизованного теплоснабжения (СЦТ) представляет собой комплекс различных сооружений, установок и устройств, технологически связанных и взаимодействующих между собой в общем процессе производства, транспорта, распределения и потребления тепловой энергии. Каждый элемент этой сложной системы является подсистемой со своими закономерностями функционирования и внутренними взаимодействиями. Действующие крупные СЦТ характеризуются стохастичностью практически всех элементов, значительной рассредоточенностью теплопотребляющих установок, разнородностью структуры тепловой нагрузки, различной степенью автоматизации, переменность и неопределенностью  внешних и внутренних возмущающих воздействий, сложностью гидравлических режимов и т.д. [1, 2, 3], а также возможностью регулирования на разных уровнях. По месту регулирования различаются: центральное, групповое, местное, позонное, индивидуальное. В большинстве городов в настоящее время основным, а зачастую и единственным видом, является центральное регулирование. В настоящее время отсутствуют четкие методики или рекомендации определения требуемых параметров теплоносителя (температура, давление) и разработки диспетчерского графика центрального регулирования отпуска тепловой энергии, поэтому регулирование осуществляется в основном опытом и интуицией диспетчера.

В соответствии с основными направлениями развития тепло- и электроэнергетики подключение новых и существующих теплопотребляющих систем предполагается только с помощью автоматизированных тепловых пунктов с использованием автоматики, предусматривающей количественно-качественное регулирование [5]. Действующие СЦТ крупных городов, формируемые как системы с качественным регулированием, к сожалению,  в условиях повышения степени автоматизации не готовы к переходу на количественное регулирование в полной мере. Повышение уровня автоматизации систем теплопотребления, которые работают по температуре наружного воздуха, ужесточает требования к оперативному регулированию тепловой нагрузки. Поэтому задача оптимизации управления тепловыми режимами и центрального регулирования отпуска тепловой энергии в системах теплоснабжения является весьма актуальной.

Основной задачей регулирования в системах теплоснабжения является поддержание температуры воздуха внутри помещений в заданных допустимых пределах ±(1?2)?С при непрерывном изменении внешних и внутренних возмущающих факторов, а также температуры воды, поступающей в систему горячего водоснабжения в заданных допустимых пределах 60?75?С при переменном в течение суток расходе.

В качестве целевой функции оптимизации выбирается наименьшее значение по абсолютному значению отклонения от текущих температурных режимов (сутки X):

| (Т1(X+1) – Т1(X) | ? min                                                    (1)

Предполагается, что работающие автоматизированные системы теплопотребления обеспечивают системы теплопотребления необходимым количеством тепловой энергии и теплоносителя.

Тепловой режим зданий формируется как результат совокупного влияния непрерывно изменяющихся внешних возмущающих воздействий (изменения температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра, интенсивности солнечной радиации, влажности воздуха) и внутренних возмущающих воздействий (изменение подачи тепла от системы отопления, выделение тепла при приготовлении пищи, работа электроосветительных приборов, действие солнечной радиации сквозь остекление, тепло, выделяемое людьми) [1].

Математическую модель более просто можно построить на основе уравнений тепловых балансов, сохраняя при этом общность полученных моделей и их адекватность моделируемым процессам. Основными элементами здания, влияющими на тепловое состояние здания, являются наружное ограждение, внутреннее ограждение, светопрозрачные ограждения, внутренний воздух, вентиляция, внутренние предметы и т.д.

Баланс тепловой энергии i-го элемента определяется уравнением:

,                                                              (2)

где сi – теплоемкость элемента, Дж/(кг°С); mi – масса элемента, кг; ti – средняя температура по объему или поверхности, °С; ? – время, с; ?Qij- суммарная тепловая энергия i-го элемента за период времени dt, Вт.

Общий тепловой баланс здания, учитывающий изменение температурных состояний основных элементов, определяется  системой независимых уравнений. Присваивая индексы i от 1 до 5 соответственно теплоносителю, отопительным приборам системы отопления, внутреннему воздуху, внутренним и ограждающим конструкциям здания, получим:

где ?ij – эквивалентные коэффициенты теплообмена между основными  элементами i и j (i ? j), учитывающие теплообмен теплопередачей, конвекцией и излучением, Дж/м2?ч; F – площадь поверхности элемента, м2; L – расход инфильтрующегося воздуха, м3/с; ? – плотность воздуха, кг/м3; QJ3 и QJ5 –инсоляционная тепловая энергия, передаваемая через светопрозрачные ограждения и ограждающим конструкциям соответственно, Вт; QБ – бытовые тепловыделения, Вт.

В целях упрощения в данной системе уравнений не отражены процессы массопереноса и изменения состояния влаги в ограждающих конструкциях.

Решение системы при заданных входных возмущающих воздействиях V(?) =[tН, L, J, QБ] позволяет получать температурные параметры в элементах Т(?) =[t1, t2, t3, t4, t5] и найти оптимальное сочетание компонентов вектора управляющих параметров U(?)=[t11,G1] в любой период времени.

Задача может быть значительно упрощена при переходе на модель с сосредоточенными параметрами и при приведении внешних возмущающих воздействий к эквивалентной температуре наружного воздуха при помощи соответствующих поправок [1], а в качестве управляющего параметра принять только температуру теплоносителя на выходе теплового источника t11.

Гидравлические режимы моделируются с применением теории гидравлических цепей. Для любой произвольной схемы с установившимся течением жидкости состоящей из  n  участков, m узлов и k линейно независимых контуров выполняется условие k=n-m+1. В системе теплоснабжения с автоматическими регуляторами тепловой нагрузки допускаем, что режим движения установившийся, так как при работе систем автоматического регулирования переходный тепловой процесс намного инерционнее, чем гидравлический. Для определенной гидравлической схемы строится система уравнений, полученная из двух сетевых законов Кирхгофа, которая сводится к системе уравнений в векторно-матричной форме [4]:

Agx= G;

BSGхgx= B H                                                            (4)

где A – матрица соединений размерностью (m-1, n), однозначно отображающая структуру сети и ориентацию ее участков;

В – матрица связей размерностью (k, n), отображающая совпадение участков и выбранной системы линейно независимых контуров;

S – диагональная матрица сопротивлений участков размерностью (n, n);

G – вектор узловых расходов размерностью (m-1);

H– вектор действующих напоров размерностью (n);

Gх – диагональная матрица абсолютных значений неизвестных расходов размерностью (n, n);

gx– диагональная матрица неизвестных расходов размерностью (n, n).

В результате проведения расчета по тепловым нагрузкам помимо определения расходов теплоносителя на каждом участке и напоров в каждом узле, также определяются сопротивления всех элементов схемы, включая сопротивления неавтоматизированных систем теплопотребления. Эти сопротивления в дальнейшем используются в расчете по сопротивлениям, в результате которого определяются расходы и напоры при любых отличающихся от расчетных параметрах. Расход теплоносителя через неавтоматизированные системы отопления, полученный в результате решения, является определяющим теплового баланса и входит в первое уравнение системы (3).

Пример преобразования схем в разных расчетах приведен на рис. 1.

Рис. 1. Пример преобразования схемы теплосети.

Обозначения: ИТЭ – источник тепловой энергии, А – автоматизированный потребитель,

НА – неавтоматизированный потребитель

По результатам проведения исследований численными методами предложена методика изменения диспетчерского графика тепловых нагрузок, исходя из минимизации амплитуды изменения температуры t11:

1. Определение начального состояния Т(0) на основании данных о значениях U и V на предыдущих интервалах ??i-1 и ??i-2.

2. Определение состояния Т(i) по прогнозируемым параметрам V(i) и V(i+1).

3. Определение отклонения температуры внутреннего воздуха t3 от заданного значения.

4. Если данное отклонение в конце интервала ??i меньше допустимого, то изменение U(i) не производится, в противном случае параметры U(i) изменяются t11±?t11  и определяется новое состояние Т(i).

5. При отклонении фактических параметров от прогнозируемыхV производится корректировка U(i).

6. Повторение шагов 1-5 с использованием состояния Т(i-1)=Т(i).

Данная методика реализована в разработанной автором программе. Примерная форма задания приведена на рис.2.

Рис.2. Примерная форма задания функций температур наружного воздуха и теплоносителя

Расчет диспетчерского графика центрального регулирования тепловых режимов по методике позволяет значительно повысить эффективность СЦТ:

во-первых, снижаются риски повреждаемости трубопроводов тепловых сетей за счет уменьшения амплитуды изменения температуры теплоносителя в подающих трубопроводах, что повышает надежность теплоснабжения;

во-вторых, повышается экономичность при производстве энергии на ТЭЦ за счет разности приростов расхода топлива на выработку энергии при различных температурах теплоносителя и снижения количества пусков-остановов основного теплогенерирующего оборудования.

 

Литература:

1. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления / С.А. Чистович, В.К. Аверьянов, Ю.Я. Темпель, С.И. Быков. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. – 248 с.

2. Михайленко И.М. Оптимальное управление системами централизованного теплоснабжения. – СПб.: Стройиздат, СПб, 2003. – 240 с.

3. Монахов Г.В., Войтинская Ю.А. Моделирование управления режимами тепловых сетей. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 224 с.

4. Хасилев В.Я., Меренков А.П., Каганович Б.М. и др. Методы и алгоритмы расчета тепловых сетей. – М.: Энергия, 1978. – 176 с.

5. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года (утв. распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. №1715-р) [Электронный ресурс] URL: http://www.zakonprost.ru/content/base/part/645999 (дата обращения: 02.04.2012).

Комментарии: 3

Марьина Надежда Леонидовна

Статья интересная, главное актуальна на сегодняшний день повышением экономичности расхода топлива при производстве электроэнергии. Убеждают расчетная методика переложенная в разработанное программное обеспечение задания функций температур. Удачи Вам в дальнейших исследованиях! Вопросы поднимаемые Вами сейчас актуальны, как никогда.

Таратин Вячеслав Викторович

Статья отличная, информационно насыщенная, прекрасно аргументирована математически и графически. Хочется пожелать автору дальнейших успехов на научном поприще!

Игнатова Анна Михайловна

Отличная статья на актуальную тему, так держать, желаю воплотится вашим разработкам на практике!
Комментарии: 3

Марьина Надежда Леонидовна

Статья интересная, главное актуальна на сегодняшний день повышением экономичности расхода топлива при производстве электроэнергии. Убеждают расчетная методика переложенная в разработанное программное обеспечение задания функций температур. Удачи Вам в дальнейших исследованиях! Вопросы поднимаемые Вами сейчас актуальны, как никогда.

Таратин Вячеслав Викторович

Статья отличная, информационно насыщенная, прекрасно аргументирована математически и графически. Хочется пожелать автору дальнейших успехов на научном поприще!

Игнатова Анна Михайловна

Отличная статья на актуальную тему, так держать, желаю воплотится вашим разработкам на практике!
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.