Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблем повышения энергетической эффективности технологических процессов.в металлургическом производстве.с использованием АСУТП 16
1.1. Опыт применения автоматизированных систем учета, контроля и управления потреблением топливно-энергетических ресурсов на металлургических предприятиях 16
1.2. Обзор литературы 24
1.3. Постановка цели и задач исследования 54
ГЛАВА 2. Методология упреждающего управления по критериям энергетической эффективности в теплоэнергетических комплексах металлургических предприятий 58
2.1. Структура оперативного управления теплоэнергетическими комплексами металлургических предприятий с учетом критериев энергетической эффективности 58
2.2. Подход к автоматизированному управлению технологическими процессами по критериям энергетической эффективности 61
2.3. Методы построения обратных моделей динамики технологических процессов в условиях помех на основе алгоритмов экспоненциальной фильтрации 65
Выводы к главе 2 83
ГЛАВА 3. Повышение эффективности использования топлива в котельных агрегатах 85
3.1. Принципы регулирования режимов паровых котлов 85
3.2. Динамическая модель теплоэнергетической системы электрической станции 91
3.3. Экстремальная система регулирования экономичности горения в котельных агрегатах на основе упреждающих оценок КПД топочных процессов 95
3.4. Экспериментальные исследования режимов регулирования экономичности горения в паровом котле 100
Выводы к главе 3 108
ГЛАВА 4. Повышение эффективности использования энергетических ресурсов в турбинных агрегатах 109
4.1. Методика построения энергетических характеристик турбинных агрегатов электрических станций по данным эксплуатации 109
4.2. Построение эффективных энергетических характеристик турбин ТЭС 113
4.3. Оптимизация нагрузки параллельно работающих турбинных агрегатов по показателям энергетической эффективности 120
4.4. Мониторинг резервов энергетической эффективности теплоэнергетических процессов электрических станций 131
Выводы к главе 4 137
ГЛАВА 5. Автоматизированное управление режимами паровых сетей металлургического предприятия с учетом показателей энергетической эффективности 139
5.1. Структура и режимы работы системы пароснабжения металлургического предприятия 139
5.2. Математическое моделирование сложных паровых сетей с учетом динамики аккумулирования пара 154
5.3. Автоматизированное управление пароснабжением металлургического предприятия с учетом текущих оценок показателей эффективности 174
Выводы к главе 5 179
ГЛАВА 6. Автоматизированная информационная система мониторинга остаточного ресурса энергетического оборудования на основе концепции индивидуального обобщенного ресурса 180
6.1. Методы и алгоритмы мониторинга и прогнозирования обобщенного остаточного ресурса стареющего оборудования в реальном времени 180
6.2. Программное обеспечение автоматизированной информационной системы мониторинга остаточного ресурса оборудования 204
7.3. Экспериментальные исследования эффективности автоматизированной информационной системы мониторинга остаточного ресурса энергоагрегатов электрических станций 207
Выводы к главе 6 212
ГЛАВА 7. Автоматизированные системы повышения энергетической эффективности использования тепловой энергии потребителями теплофикационных систем 213
7.1. Математическое моделирование теплового режима здания с идентификацией параметров на основе метода экспоненциальной фильтрации 213
7.2. Способы автоматического регулирования теплоснабжения зданий 222
7.3. Мониторинг и оперативное управление энергетической эффективностью потребителей систем теплоснабжения на основе макромоделирования 234
7.4. Автоматизированная система диспетчерского управления режимами теплоснабжения потребителей на основе информационно-управляющих сетей полевого уровня 250
Выводы к главе 7 257
Основные выводы и результаты 259
Список литературы 263
- Опыт применения автоматизированных систем учета, контроля и управления потреблением топливно-энергетических ресурсов на металлургических предприятиях
- Подход к автоматизированному управлению технологическими процессами по критериям энергетической эффективности
- Экстремальная система регулирования экономичности горения в котельных агрегатах на основе упреждающих оценок КПД топочных процессов
- Оптимизация нагрузки параллельно работающих турбинных агрегатов по показателям энергетической эффективности
Введение к работе
Актуальность проблемы. Приоритетным направлением государственной политики развития энергетической инфраструктуры Российской Федерации является проведение работ по энергосбережению и обеспечению энергетической безопасности во всех сферах хозяйственной деятельности, в т.ч. в теплоэнергетических комплексах металлургических предприятий.
Энергетические комплексы металлургических предприятий представляют собой сложные производственные системы, включающие подсистемы выработки, распределения, аккумулирования и потребления энергетических ресурсов (ЭР), в том числе вторичных энергоресурсов (ВЭР) металлургического производства (доменный газ, отработанный пар и пр.). Режимы работы данных подсистем определяются режимами работы технологического оборудования основного металлургического производства и характеризуются существенными колебаниями в выработке и потреблении ЭР. Вместе с тем, объемы потребления ЭР и утилизации ВЭР напрямую определяют энергоемкость металлургического производства, а технические параметры ЭР - качество выпускаемой продукции. Отсюда важной практической задачей является организация эффективного управления энергетическими комплексами металлургических предприятий, учитывающего динамику процессов выработки, распределения, аккумулирования и потребления ЭР, а также влияние отклонений параметров ЭР на качество производимой продукции.
В течение последнего десятилетия отечественными и зарубежными
авторами опубликовано значительное количество работ, рассматривающих
вопросы применения различных методов повышения эффективности
энергопотребления на промышленных предприятиях. Существенный вклад в
развитие работ по данному направлению внесли: Баскаков А.П.,
Башмаков Н.А., Данилов Н.И., ЗакировД.Г., Заславец Б.И., Казаринов Л.С.,
Кудрин Б.И., Ладыгичев М.Г., Лисиенко В.Г., Никифоров Г.В.,
Олейников В.К, Плетнев Г.П., Праховник А.В., Сазанов Б.В., СитасВ.И., Султангузин И.А., Фокин В.М., Хайд Д., Чоджой М.Х., Щелоков Я.М. и др.
В области надежности, живучести и безопасности энергетического оборудования существенный вклад внесли Барков А.В., Беляев С.А., Берлявский Г.П., Болотин В.В., Данюшевский И.А., Дьяков А.Ф., Злепко В.Ф., Израилев Ю.Л., Канцедалов В.Г., Пампуро В.П., Резинских В.Ф, Ушаков И.А., Карандаев А.С, Хромченко Ф.А., Цапко Г.П. и др.
С точки зрения управления рассматриваемые энергетические комплексы относятся к классу больших систем, являющихся нелинейными, многомерными и многосвязными, со сложным характером переходных процессов, вызванных технологическими режимами выработки и потребления ЭР. Поэтому задачи автоматизированного управления в подобных системах являются весьма сложными.
Оптимизация управления по критериям энергетической эффективности технологического процесса является важнейшей практической задачей при
проектировании и эксплуатации АСУ ТП. Данная задача возникла достаточно рано и реализовывалась в системах автоматической оптимизации (экстремального управления). В период 1950-1980 г.г. появилось большое количество работ, посвященных исследованию и построению различных типов данных систем при регулярных и случайных возмущениях. Среди них следует отметить работы Арефьева Б.А., ДрейпераЧ., Ивахненко А.Г., Казакевича В.В., Красов-ского А.А., КунцевичаВ.М., Ли И., Либерзона Л.М., Медведева Г.А., Мороса-новаИ.С, Пере Р., Растригина Л.А., Родова А.Б., РотачаВ.Я., РукселяР., Та-расенко В.П., Хамзы М., ЭленаЖ. и др. Систематическое изложение вопросов, связанных с системами экстремального управления, содержится в монографиях Казакевича В.В., Растригина Л.А. В общей постановке исследованиям систем автоматической оптимизации посвящена обширная литература. Среди фундаментальных отечественных работ в данной области следует указать работы Фельдбаума А.А., ЦыпкинаЯ.З. и Пропоя А.И. Поиску и реализации эффективных решений для управления сложными производственными комплексами посвящены труды Будковского А.Г., ГлуховаВ.Н., Казаринова Л.С., Колесникова А. А., Крутько П.Д., МатвейкинаВ.Г., МирошникаИ.В., Муромцева Д.Ю., Рапопорта Э.Я., Фрадкова А.Л., Шестакова А.Л. и др.
Современные системы управления строятся как автоматизированные комплексы на базе высокопроизводительной вычислительной техники, позволяющей реализовывать сложные алгоритмы управления с использованием разнообразных численных методов и информационных технологий. При этом для современных алгоритмов управления требования оптимальности ведения технологических процессов по технико-экономическим показателям и показателям надежности являются обязательными.
Необходимость учета указанных выше факторов привела к развитию в промышленности методологии упреждающего управления, основанной на решении задач текущей оптимизации процессов в реальном времени on-line с объектом управления при заданных технических условиях. Алгоритмы упреждающего управления основываются на расчете управляющих воздействий на технологический процесс с целью оптимизации его будущего поведения, начиная с текущего момента времени до определенного горизонта прогноза. При этом в качестве целевых функций могут использоваться самые разнообразные функции в соответствии с техническими и технико-экономическими критериями.
Основные идеи упреждающего управления были сформулированы в рабо-ботах Пропоя А.И. (1963), Ли П., Маркуса Л. (1967), ЦыпкинаЯ.З (1968), Ри-шале Дж. и др. (1976). Дальнейшее развитие методы упреждающего управления технологическими процессами получили в работах авторов: Де Кейзер, Гарсия, Претт, Морари, Риккер, Ли, Сетербег, Маек, Роллингс, Мэйн, Кули, Оллгауэр, Бэджуелл, Кин, Райт, Женг, Куваритакис, Кэнон, Мацейовский и др. Современные методы адаптивного и модельного прогнозирующего управления технологическими процессами рассмотрены в работах авторов: Гордон Л., Бобцов А.А., Змеу К.В., Еремин Е.Л., Краснощеченко В.П., Лебедев В.Ф., Нот-кин Б.С, Прокопчук Е.Л., Решетникова Г.Н., Финаев В.П., Bourdais R., Buisson
J., Chen Т., Cooper D., Dumur D., Dougherty D., Hiskens LA., Li D., Marquez H.J., Moroan P-D., Odloak D., De Souza G., Venkat A.N., Wright S.J., Zanin A.C. и др. Однако, для рассматриваемого класса крупномасштабных распределенных нелинейных динамических систем, к которым относятся энергетические комплексы металлургических предприятий, построение точных прогнозирующих моделей является крайне сложной и объемной задачей. Реально во многих случаях подобные модели обладают недостаточной точностью оценки показателей эффективности, требуемой в соответствии с технологическими регламентами. Поэтому применение известных методов управления, основанных на построении точных прогнозирующих моделей ТОУ, для эффективного управления энергетическими комплексами металлургического производства имеет определенные ограничения.
В этой связи актуальной проблемой является разработка подхода к управлению, который основывается на упреждающих оценках эффективности процессов, получаемых не на прогнозирующих моделях, заданных на основе ранее проведенных исследований, а исходя из непосредственных измерений двух сторон оценочного отношения: текущих расходов энергетических ресурсов, объемов выходной продукции, а также статистики отказов и аварийных ситуаций. Построение подобных оценок в реальном времени приводит к нетривиальным задачам, так как их решение должно существенно базироваться на комбинированных моделях прямой и обратной динамики управляемых процессов. При этом сам принцип управления, основанный на упреждающих оценках эффективности использования ресурсов до того, как эти ресурсы будут реально использованы или исчерпаны, является естественным условием достижения функциональной и эксплуатационной эффективности в сложных технологических комплексах.
Актуальность данной проблемы поддержана научно-исследовательскими и внедренческими работами на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»), а также грантами Федерального агентства по образованию (контракт № П229 от 23 июля 2009 г.) и Федерального агентства по науке и инновациям (контракт №02.442.11.7322 от 28 февраля 2006 г.).
Целью исследований является разработка методологии упреждающего управления по критериям энергетической эффективности технологических процессов и прогнозирования технического состояния контролируемого оборудования, а также создание на базе разработанной методологии автоматизированных систем управления на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности теплоэнергетических процессов и систем оперативного планирования ремонтно-профилактических работ по текущему состоянию, определяемому на основе прогнозирования остаточного ресурса оборудования.
Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:
1. Проведение анализа решаемой проблемы и обоснование предлагаемого подхода к управлению технологическими процессами с использованием упреждающих оценок показателей энергетической эффективности, основанного на комбинированных моделях прямой и обратной динамики ТОУ.
Разработка теоретических основ построения автоматизированных систем управления теплоэнергетическими процессами металлургического производства с использованием упреждающих оценок показателей энергетической эффективности на базе методов экспоненциальной фильтрации.
Разработка экстремальной системы регулирования экономичности процессов горения в энергетических котлах электрических станций, утилизирующих ВЭР металлургического производства, на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности топочных процессов в реальном времени.
Разработка программы оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов по показателям энергетической эффективности при неполных исходных данных по расходам тепла и пара, отбираемого от каждой турбины в отдельности в процессе эксплуатации.
Разработка программы мониторинга резервов энергетической эффективности теплоэнергетических процессов электрических станций, основанной на обработке данных эксплуатации блока энергетических котлов и паровых турбин.
Разработка автоматизированной системы упреждающего оперативного управления пароснабжением в сложных производственных сетях при больших колебаниях технологических нагрузок по критерию максимума энергетической эффективности.
Разработка автоматизированной информационной системы мониторинга остаточного ресурса и оптимального планирования ремонтно-профилактических работ теплоэнергетического оборудования с использованием агрегированных показателей.
Разработка систем автоматического регулирования тепловых нагрузок потребителей и программного обеспечения мониторинга экономичности водяных систем теплоснабжения на основе макромоделирования.
Применение разработанных методов при построении автоматизированных систем диспетчерского управления теплоснабжением зданий и энергоэффективным наружным освещением на основе интеллектуальных регуляторов.
10. Внедрение и промышленная апробация разработанных автоматизиро
ванных систем.
Научная новизна результатов диссертационной работы: 1. Разработан новый подход к автоматизированному управлению технологическими процессами на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности, отличающийся использованием комбинированных моделей прямой и обратной динамики технологических объектов управления, построенных с применением методов оптимальной фильтрации. Предложены и апробированы на практике:
алгоритмы упреждающей оценки показателей энергетической эффективности на основе метода экспоненциальной фильтрации;
алгоритмы построения обратных динамических операторов с заданными передаточными свойствами в условиях помех на основе спектрального подхода;
- автоматизированные системы управления, использующие упреждающие
оценки показателей энергетической эффективности.
На основе предложенного подхода разработан новый способ и синтезирована новая структура экстремальной системы регулирования экономичности горения в энергетических котлах электрических станций на основе упреждающих оценок показателей энергоэффективности топочных процессов.
Разработана оригинальная методика и программное обеспечение моделирования и оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов в реальном времени, отличительной особенностью которой является новый метод идентификации эффективных энергетических характеристик турбоагрегатов электрических станций на основе использования как текущих данных эксплуатации, так и данных предыдущих тепловых испытаний турбоагрегатов.
Предложена концепция энергетической безопасности ТОУ, основанная на упреждающих оценках текущего обобщенного остаточного ресурса технологического оборудования по данным эксплуатации. В рамках данной концепции разработаны:
алгоритм оперативного распознания предаварийных/аварийных ситуаций на контролируемом технологическом оборудовании и приоритетного планирования ремонтно-профилактических работ по критерию минимума энергетических потерь;
оригинальное программное обеспечение автоматизированной информационной системы мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса технологического оборудования в реальном времени.
Предложена автоматизированная система упреждающего управления пароснабжением металлургического предприятия с учетом текущих оценок показателей эффективности на основе методов обратной динамики и экспоненциальной фильтрации. Разработана и реализована оригинальная математическая модель сложной паровой сети с учетом динамики аккумулирования пара в двухфазной среде.
Предложены новые способы автоматического регулирования расхода тепла в системе центрального отопления зданий в условиях большого диапазона изменения параметров теплоносителя и регулирования горячего водоснабжения зданий. Разработана оригинальная упрощенная математическая модель теплового режима здания. Предложена методика идентификации параметров математической модели теплового режима здания по фактическим данным, доступным непосредственному измерению, на основе метода экспоненциальной фильтрации.
Разработана оригинальная автоматизированная система мониторинга и оперативного управления энергетической эффективностью потребителей систем теплоснабжения на основе макромоделирования.
Научная значимость работы. Разработан новый подход к автоматизированному управлению технологическими процессами на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности, а также к прогнозированию технического состояния контролируемого технологического оборудования, позволяющий повысить энергетическую эффективность и безопасность
ТОУ, работающих в динамических режимах при больших колебаниях параметров ЭР и технологических нагрузок.
Практическая ценность работы. Предложенный подход реализован в теплоэнергетическом комплексе металлургического предприятия (ОАО «ММК») и может быть использован в качестве основы для управления технологическими процессами по критериям энергетической эффективности и прогнозирования технического состояния оборудования различного назначения.
Практическая полезность и научная новизна полученных результатов подтверждены 3 патентами РФ на изобретения, 2 свидетельствами на программы для ЭВМ, актами внедрения и испытаний.
Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработанных автоматизированных систем на ОАО «ММК» составляет более 45 млн. рублей.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методология автоматизированного управления технологическими процессами на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности технологического оборудования с использованием комбинированных моделей прямой и обратной динамики ТОУ, построенных с применением методов оптимальной фильтрации.
Предложенные и апробированные на практике:
алгоритмы упреждающей оценки показателей энергетической эффективности на основе метода экспоненциальной фильтрации;
алгоритмы построения обратных динамических операторов с заданными передаточными свойствами в условиях помех на основе спектрального подхода;
автоматизированные системы управления, использующие упреждающие оценки показателей энергетической эффективности.
Способ экстремального регулирования экономичности горения в энергетических котлах электрических станций на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности топочных процессов в реальном времени.
Методика оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов электрических станций на основе использования метода идентификации эффективных энергетических характеристик по данным текущей эксплуатации и предыдущих тепловых испытаний турбоагрегатов.
Метод упреждающей оценки текущего обобщенного остаточного ресурса теплоэнергетического оборудования по данным эксплуатации на основе использования концепции обобщенного ресурса.
Математическая модель и структура автоматизированной системы оперативного упреждающего управления сложной паровой сетью с учетом динамики аккумулирования пара в двухфазной среде.
Способы автоматического регулирования расхода тепла в системе центрального отопления здания в условиях большого диапазона изменения параметров теплоносителя и регулирования горячего водоснабжения здания.
Структура автоматизированной системы мониторинга и оперативного управления энергетической эффективностью потребителей систем теплоснабжения на основе макромоделирования.
Результаты реализации предложенных методов и автоматизированных систем упреждающего управления по критериям энергетической эффективности в теплоэнергетическом комплексе ОАО «ММК».
Методы исследования. При решении поставленных задач применялся аппарат теории обыкновенных дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных, методы теории автоматического управления, автоматического регулирования, автоматизированных информационных систем, выбросов случайных процессов, математической статистики, прогнозирующего управления, математического моделирования, теории систем теплоснабжения.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата, теории автоматического управления и методов математического моделирования исследуемых объектов и систем управления. Справедливость выводов относительно адекватности используемых математических моделей, достоверности, работоспособности и эффективности предложенных алгоритмов управления подтверждена результатами компьютерного моделирования, а также результатами натурных испытаний на реальных объектах теплоэнергетического комплекса промплощадки ОАО «ММК».
Реализация результатов работы. Полученные в работе теоретические положения применены для решения практических задач, связанных с управлением эффективностью теплоэнергетических процессов и прогнозированием технического состояния оборудования металлургического производства и других отраслей промышленности. В частности, разработанные способы, методы и алгоритмы использованы при построении следующих систем:
система автоматического регулирования подачи воздуха в паровой котел ст. №5 ЦЭС ОАО «ММК» по критерию максимума КПД топочных процессов;
программа оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов ТЭЦ ОАО «ММК»;
программа мониторинга резервов энергетической эффективности теплоэнергетических процессов ТЭЦ ОАО «ММК», основанная на обработке данных эксплуатации блока энергетических котлов и паровых турбин;
-программное обеспечение управления экономичностью водяных тепловых сетей ОАО «ММК» на основе макромоделирования;
автоматизированная информационная система мониторинга остаточного ресурса и планирования ремонтно-профилактических работ по текущему состоянию энергооборудования ЦЭС ОАО «ММК» (АИС «Ресурс»);
системы автоматического регулирования отопления и горячего водоснабжения зданий промышленной площадки ОАО «ММК».
Кроме того, разработанные автоматизированные системы управления были успешно внедрены в ЖКХ г. Челябинска и Челябинской области.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 18 научно-технических и научно-практических конференциях, в том числе 6 Международных и 7 Всероссийских конференциях: II Международная научно-техническая конференция «Энергосбережение на промышленных предприятиях» (Магнитогорск, 2000); 3-я Всероссийская научная конференция (Санкт-Петербург, 2005); XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий (Екатеринбург, 2006); Всероссийская научно-практическая Интернет-конференция «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (Пермь, 2006); VI Международная научно-практическая конференция (Новочеркасск, 2006); XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий (Миасс, 2007); Международная научно-техническая конференция (Магнитогорск, 2007); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2008); 2-ая международная научно-практическая конференция «Интеграция науки и производства» (г. Тамбов 2009); 3-я международная научно-практическая конференция «Интеграция науки и производства» (г. Тамбов 2009); конференция «Автоматизация инженерных систем в ЖКХ и промышленности» в рамках X всероссийского совещания по энергосбережению (г. Екатеринбург, 2010); X Международная научно-практическая конференция (Новочеркасск, 2010); 5-я конференция «Автоматизация инженерных систем в ЖКХ и промышленности» в рамках 11-го всероссийского совещания по энергосбережению (г. Екатеринбург, 2011).
Кроме того, результаты диссертационной работы были представлены на 7 выставках: Межрегиональный специализированный форум-выставка «ЖКХ -проблемы и решения» (г. Челябинск, 2009); Третья региональная выставка-форум «Малый и средний бизнес Магнитки. Инновационные технологии» (г. Магнитогорск, 2009); XV межрегиональная специализированная выставка «ЖКХ новые стандарты. Энергосбережение. Отопление и Вентиляция» (г. Челябинск, 2010); «Весенняя строительная ярмарка Энерго- и ресурсосбережение 2010» (г. Челябинск, 2010); «Энергетика. Энергоэффективность -2010» (г. Челябинск, 2010); Международный форум «Изменение климата и экология промышленного города» (г. Челябинск, 2010); Четырнадцатой межрегиональной выставке «Весенняя строительная ярмарка. Энергосбережение. Коммунальное хозяйство» (г. Челябинск, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 65 работ, в том числе 30 статей в изданиях по списку ВАК, 3 патента РФ на изобретения, а также в соавторстве изданы учебное пособие «Автоматизированные информационно-управляющие системы» в 2-х частях (294 с), монография «Автоматизированные системы управления в энергосбережении» (228 с), монография «Автоматизированные системы управления энергоэффективным освещением» (208 с.)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 224 наименования, 8 приложений. Диссертация изложена на 283 страницах и включает 107 рисунков, 22 таблицы.
Опыт применения автоматизированных систем учета, контроля и управления потреблением топливно-энергетических ресурсов на металлургических предприятиях
На современном этапе экономика России характеризуется высокой энергоемкостью, в 2-3 раза превышающей удельную энергоемкость экономик развитых стран. Причинами такого положения, кроме более суровых климатических условий и территориального фактора, является сформировавшаяся в течение длительного периода времени структура промышленного производства и нарастающая технологическая отсталость энергоемких отраслей промышленности. Поэтому целью политики государства в данной сфере является жесткое и безусловное достижение намеченных стратегических ориентиров роста энергоэффективности в промышленности, в том числе в металлургии, с использованием широкого спектра автоматизированных систем учета, контроля и управления потреблением топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).
Характерной особенностью металлургического производства является то, что наиболее значительная доля энергетических ресурсов тратиться не на процессы нагрева и отопления, а именно на реализацию собственно технологий. За рубежом для эффективного управления производством и устойчивого обеспечения заданных показателей качества металлопродукции уже достаточно давно используются системы автоматизированного контроля и управления с учетом нескольких этапов обработки стали. Так, например, на заводе Florange фирмы Sollac (Франция) [196] разработаны и внедрены программы и методы управления, дающие возможность проследить и оценить изменение технологических параметров во времени, обнаружить тенденцию их отклонения от оптимальных значений и своевременно оказать влияние на ход технологического процесса. Управление распространено на 26 агрегатов. На металлургическом заводе фирмы «Син - Ниппон Сэйтэцу» (Япония) [106] - одном из наиболее автоматизированных предприятий этой отрасли - используется система управления цехом горячей прокатки, подключенная к общеза- водской сети на базе ЭВМ. Сеть имеет систему групповой обработки, включающую четыре подчиненных системы: централизованного общезаводского управления, постоянного контроля за производством, постоянного контроля за качеством продукции и основной массив данных. Система групповой обработки связана с неавтономными системами управления отдельными крупными производствами, такими, как доменные печи, сталеплавильный цех, цех горячей прокатки и т.д.
Существуют отечественные разработки автоматизированных систем в данной области. Далее, в качестве примера, рассмотрим автоматизированную систему учета, контроля и управления потреблением ТЭР на ОАО «ММК».
Автоматизированная система учета, контроля и управления потреблением ТЭР на ОАО «ММК» имеет четко выраженную уровневую организацию и представляет собой набор связанных компонентов, которые и определяют внутреннюю структуру системы. Система состоит из трех уровней. 1) уровень I (нижний). Данный уровень представлен подсистемой «ПТК сбора данных нижнего уровня» и обеспечивает измерение требуемых технологических параметров, формирование на основе измерений первичных данных в цифровом виде и предоставление сформированной информации на следующий уровень. 2) уровень II - уровень сбора, предварительной обработки данных и распреде ления данных телеметрии. Назначение уровня - сбор информации с нижнего уровня, распределение собранной информации по различным потребителям, обеспечение записи собранной информации в базу данных, предоставление собранной информации персоналу в оперативном режиме. Уровень II включает в себя следующие подсистемы: подсистему сбора и предварительной обработки данных, подсистему диспетчерского контроля и управления, подсистему «Промышленная база данных». 3) уровень III - уровень использования данных и взаимодействия с системами управления производственными ресурсами. Назначение уровня - обработка и хранение информации, поступающей из различных источников. Уровень III позволяет делать различную обработку поступающей с нижнего уровня информации и ее представление, включает в себя подсистему «Энергосервер». На рис. 1.1 приведена функциональная схема автоматизированной системы контроля, учета и управления потреблением ТЭР на ОАО «ММК». На рис. 1.2 приведена структурная схема информационно-управляющей сети рассматриваемой АСУ. Подсистема ПТК сбора данных нижнего уровня выполняет сбор информации от контроллеров-вычислителей семейства «Логика», установленных в точках учета топливных газов и передает информацию на следующий уровень системы. Подсистема включает в себя следующие компоненты: датчики и преобразователи; корректоры-вычислители; технологическую сеть сбора данных. Подсистема сбора и предварительной обработки обеспечивает сбор данных телеметрии от различных источников (от подсистемы сбора данных, АСДУ «Электро» и АСДУ «Энерго») и их доставку потребителям, заинтересованным в получении информации. Также подсистема производит предварительную обработку получаемых от различных источников данных. Подсистема включает в себя следующие компоненты: - узлы сбора данных с нижнего уровня, выполняющие сбор данных с контрол леров-вычислителей семейства «Логика» (СПГ-762) и передачу потребителям информации; - узел предварительной обработки данных и записи в промышленную БД, обеспечивающий реализацию следующих механизмов: записи учетной информа ции в промышленную базу данных с целью долговременного хранения, целостно сти учетных данных, предварительных вычислений групповых каналов; - узел протоколирования и статистики, обеспечивающий сбор протокольной и статистической информации с узлов подсистемы; - узел обмена данными с подсистемой диспетчеризации, реализующий механизм передачи оперативных данных, собранных другими узлами, подсистеме диспетчеризации;
Подход к автоматизированному управлению технологическими процессами по критериям энергетической эффективности
Развитие теории оптимального управления связано с ростом требований как к быстродействию и точности систем регулирования, так и переходом к рыночной экономике. Увеличение быстродействия возможно лишь при правильном распределении ограниченных ресурсов управления, поэтому учет ограничений на управление стал одним из центральных в теории оптимального управления. С другой стороны, построение систем регулирования высокой точности привело к необходимости учета при синтезе регуляторов взаимовлияния отдельных частей (каналов) системы. Синтез таких сложных многомерных (многосвязных) систем также составляет предмет теории оптимального управления.
В настоящее время, построена математическая теория оптимального управления. На ее основе разработаны способы построения оптимальных по быстродействию-систем и процедуры аналитического конструирования оптимальных регуляторов. Аналитическое конструирование регуляторов вместе с теорией оптимальных наблюдателей (оптимальных фильтров) образуют совокупность методов, которые широко используются при проектировании современных сложных систем регулирования.
Сложность задач теории оптимального управления потребовала более широкой математической базы для ее построения. В данной теории используются вариационное исчисление, теория дифференциальных уравнений, теории матриц. Развитие оптимального управления на этой базе привело к пересмотру многих разделов теории автоматического управления, поэтому теорию оптимального управления иногда называют современной теорией управления.
Современные системы управления строятся как автоматизированные комплексы на базе высокопроизводительной вычислительной техники, позволяющей реализовывать сложные алгоритмы управления с использованием разнообразных численных методов и информационных технологий. Разработка алгоритмов управления здесь осуществляется как на основе знания известных алгоритмов обработки информации и управления, так и инженерных эвристик. Поэтому разработку алгоритмов управления для автоматизированных систем следует рассматривать как инженерное искусство, которое приобретается на основе опыта реализации практических задач управления. К современным алгоритмам управления, наряду с классическим требованием качества процессов регулирования, ставятся требования оптимальности ведения технологических процессов по технико-экономическим показателям и показателям надежности. Это налагает свою специфику на построение алгоритмов управления.
Например, из практики известно, что, зачастую, технологический объект приносит наибольший технико-экономический эффект, когда работает в предельном режиме. Поэтому эффективная система управления должна вести технологический процесс каю можно ближе к предельному режиму, не выходя за допустимые пределы. Кроме того, технологические объекты часто работают при широких вариациях параметров режимов. В этом; случае оптимальное задание на управление будет нестационарным, зависимым от текущих значений режимных параметров. В процессе эксплуатации, как технологического объекта, так и системы; управления, могут возникать отказы оборудования, выход режимных параметров; за пределы допустимых значений, происходит старение оборудования и т.д. Надежная система управления должна обеспечивать в данных случаях безопасность ведения технологического процесса. Необходимо также отметить, что для технологических процессов могут отсутствовать точные математические модели объекта управления, либо эти модели могут быть слишком сложны, чтобы были экономически оправданными соответствующие задачи идентификации и оптимального управления. Классическая математическая теория оптимального управления для линейных задач с. интегральными квадратичными критериями качества не учитывала все эти факторы, поэтому многие инженеры и техники считали эту теорию непрактичной.
Необходимость учета указанных выше факторов привела к развитию в промышленности более общей методологии упреждающего управления, основанной на решении задач текущей оптимизации процессов в реальном времени on-line с объектом управления при заданных технических условиях.
Алгоритмы упреждающего управления основываются на расчете управляющих воздействий на технологический процесс с целью оптимизации его будущего поведения, начиная с текущего момента времени до определенного горизонта прогноза. При этом в качестве целевых функций могут использоваться самые разнообразные функции в соответствии с техническими критериями. На входные воздействия и выходные реакции процесса накладываются технические ограничения, которые могут иметь любую вычислительную форму. Динамика процесса описывается в виде модели, которая также может иметь любую вычислительную форму. Решение задачи оптимизации осуществляется в реальном времени в каждый такт работы системы управления. Для определения текущих значений параметров технологического процесса используются специальные задачи идентификации, которые также решаются в реальном времени на каждом такте процесса управления. При этом на каждом такте решения задачи управления горизонт прогноза сдвигается вперед в соответствии с текущим временем.
Необходимо отметить, что основные идеи упреждающего управления были сформулированы в 60-х годах прошлого столетия. Так, например, в указанной выше работе А. И. Пропоя [213] (1963) был описан алгоритм управления с движущимся горизонтом. В работе [203] (Ли и Маркус, 1967) сформулирован принцип управления, который основывается на быстром расчете оптимального управления на период времени, следующий за текущим тактом, и использовании из полученного решения лишь первого шага управления. Указанная процедура итеративно повторяется для каждого текущего такта времени. В работе Я. 3. Цыпкина [171] (1968) высказана идея использования в критериях оптимальности для задач управления и адаптации операторов текущего усреднения в реальном времени.
Первое промышленное применение упреждающего управления было представлено в докладе [218] (Ришале и др., 1976) и опубликовано в работе [219] (Ришале и др., 1978). Следует указать также более позднюю работу указанного автора [217] (Ришале, 1993). Основные черты предложенного алгоритма управления следующие: - линейная дискретная модель технологического процесса; - задание требуемого поведения процесса на основе желаемой траектории; - целевой функционал - квадратичное уклонение от желаемой траектории на конечном интервале прогноза; - на все параметры процесса наложены ограничения в соответствии с техническими условиями; - задачи идентификации и оптимизации рассматриваются как дуальные друг другу и решаются с использованием эвристического алгоритма квадратичного программирования.
Экстремальная система регулирования экономичности горения в котельных агрегатах на основе упреждающих оценок КПД топочных процессов
Особенностью работы котлов теплоэнергетических комплексов металлургических предприятий является то, что характеристики топлива, сжигаемого в топках котлов, являются переменными во времени. Это обусловлено тем, что наряду с природным газом в топках котлов на металлургических предприятиях сжигается доменный и коксовый газы, характеристики которых (давление и калорийность) варьируются в зависимости от технологических процессов в домнах и коксовых батареях. Нестабильность параметров режимов топочных процессов, в свою очередь, обуславливает снижение экономичности работы котлов.
Компенсировать влияние дестабилизирующих факторов можно на основе оптимальной коррекции экономичности процесса горения; проводимой в режиме автоматического регулирования. В работе предложен новый способ оптимальной коррекции экономичности процесса горения в топке парового котла на-основе упреждающих оценок КПД топочных процессов, исходя из текущих значений потребления топлива и выработки пара. Целью коррекции подачи воздуха является-достижение максимального КПД топочных процессов. На предложенный способ получен патент РФ на изобретение [119].
Проведена разработка автоматизированной системы мониторинга .режимов котла и экстремальной системы регулирования экономичности горения на основе упреждающих оценок КПД топочных процессов. Программное обеспечение разработанной автоматизированной системы основывается на алгоритмах цифровой фильтрации, реализующих на фоне помех вычисление оценки текущего КПД топочных процессов, а также коэффициентов влияния отклонения подачи топлива и подачи воздуха на КПД котла, которые служат индикаторами оптимальности процесса горения в топке котла.
Внедрение на паровом котле ст. №5 ЦЭС ОАО «ММК» экспериментальной версии разработанной системы автоматического регулирования подачи воздуха в паровой котел позволило реализовать в следящем режиме оптимизацию топочных процессов по критерию максимума КПД (брутто). В результате оценка суммарной экономии топлива на котле ст.№5 после внедрения системы в период с июля, по де кабрь 2009 г. по сравнению с аналогичным периодом 2008 г. составила 935,98 т.у.т. Задача повышения эффективности использования энергетических ресурсов на тепловых электростанциях (ТЭС) во многом связана с оптимизацией распределения тепловой нагрузки между турбинными агрегатами. Особую актуальность данная задача приобретает при работе различных по параметрам турбинных агрегатов на общий паровой коллектор. В этом случае оптимальное перераспределение тепловой нагрузки позволяет минимизировать общее потребление топлива ТЭС при заданных объемах выработки тепловой и электрической энергии. Решение задачи повышения эффективности работающих на общий коллектор турбинных агрегатов связано с построением фактических энергетических характеристик агрегатов с учетом данных эксплуатации и нормативных характеристик, а также разработкой алгоритмического и программного обеспечения оптимизации нагрузки турбин в реальных условиях ограниченного объема доступных для измерения технологических параметров.
Рассмотрим вопрос определения эффективных энергетических характеристик оборудования на основе данных испытаний и эксплуатации.
Указанные данные, как правило, характеризуются большим разбросом, определяемым вариациями режимных факторов и эксплуатационных условий. Конкретно, например, характеристика (рис. 4.1) не ограничена сверху, так как возможности нерационального использования природного газа теоретически не ограничены. Поэтому представляет интерес нижняя граница данных, которая определяет эффективные неулучшаемые решения.
Выделение эффективных энергетических характеристик на основе статистических данных требует использования специального математического аппарата. Типовой метод наименьших квадратов здесь не подходит. Метод наименьших квадратов позволяет выделить усредненные характеристики, а не эффективные. Разница между ними иллюстрирована на рис. 4.1. Здесь кривая (I) - усредненная характеристика, (II) - эффективная характеристика. Поэтому здесь необходимо использовать специальные методы кластеризации данных.
Исходным пунктом построения эффективных характеристик является сбор данных испытаний и эксплуатации, результаты которого представляются в виде таблицы наблюдений
Оптимизация нагрузки параллельно работающих турбинных агрегатов по показателям энергетической эффективности
Мониторинг экономичности резервов энергетической эффективности теплоэнергетических процессов электрических станций вводится с целью оценки резервов потребления топлива, как по составляющим факторам резервов, так и по агрегатам в целом и функциональным группам агрегатов [144].
Для достижения указанных целей в рамках данной работы разработана программа мониторинга резервов энергетической эффективности теплоэнергетических процессов электрических станций, основанная на обработке данных эксплуатации блока энергетических котлов и паровых турбин. Программа осуществляет в реальном времени оценку резервов повышения эффективности теплоэнергетических процессов по базовым показателям. Реализация указанных резервов может быть осуществлена с использованием автоматизированных систем управления режимами котлов и турбин, описанных выше..
В качестве агрегатов рассматриваются котлы и турбины электрических станций. Функциональной группой оборудования считается совокупность котлов, объединенных единым коллектором свежего пара одинаковых параметров, или турбин. Электрическая станция включает в себя оборудование, состоящее из нескольких функциональных групп.
Ведение мониторинга экономичности энергетической эффективности теплоэнергетических процессов позволяет оценить не только резервы использования топлива на электрической станции, но и указать места возникновения перерасхода энергетических ресурсов и наметить пути- их устранения . Использование выявленных резервов обеспечит достижение предельно-высокого уровня тепловой экономичности.
Критическим моментом методики выявления резервов использования топлива являются базовые нормативы, относительно которых ведется отсчет резервов. Нормы удельных расходов топлива разрабатываются на основе детального расчета и анализа оптимальных режимов работы электростанций с использованием нормативных характеристик основного и вспомогательного оборудования, графиков нагрузок и учетом реальных условий эксплуатации. В случае проведения реконструкции или модернизации оборудования должны составляться новые нормативные характеристики, учитывающие фактический эффект проведенных мероприятий.
Нормы удельных расходов топлива и нормативные характеристики оборудования характеризуют предельную тепловую экономичность агрегата (электростанции). Нормативный уровень тепловой экономичности может быть достигнут в пределе, но не может быть превзойден (при одинаковых условиях сопоставления). Таким образом, по мере освоения оборудования, повышения уровня его эксплуатации, ликвидации потерь топлива и снижения расходов электроэнергии и тепла на собственные нужды фактические величины удельных расходов топлива будут приближаться к нормативным. Совпадение этих величин в определенных пределах возможно через определенный период эксплуатации. Поэтому не следует смешивать базовые нормативные уровни удельных расходов топлива с плановыми нормами текущего года и требовать их выполнения (достижения) в текущем году или месяце. Это приведет только к искажению норм (завышению удельных расходов топлива) при их разработке и использовании.
Таким образом, резервы.экономичности энергетической эффективности теплоэнергетических процессов необходимо оценивать относительно плановых норм текущего года, отличающихся от нормативных значений допуском на эксплуатацию. Именно такой подход заложен в методику автоматизированного мониторинга экономичности энергетической эффективности теплоэнергетических процессов электрических станций.
Сама процедура автоматизированного мониторингахостоит в расчете текущих резервов тепловой экономичности оборудования по данным эксплуатации. С этой целью ведется автоматизированная информационная база данных показателей!тепловой экономичности. Информационная1 база данных не только осуществляет информационную поддержку мониторинга тепловой-экономичности, но и позволяет производить, анализ экономичности оборудования, выявлять причины снижения его экономичности. Тем самым осуществляется информационная поддержка принятия решенийпо повышению показателей экономичности энергетического оборудования.
Процедура автоматизированного мониторинга может выполняться в разных режимах использования. Так, она может быть использована для информационной поддержки энергетического аудита станций либо информационной поддержки наладочных работ. Ее также можно использовать в качестве месячного отчета электрических станций о тепловой экономичности энергетического оборудования. Наибольший эффект процедура автоматизированного мониторинга даст при ее использовании в составе АСУ ТП электрических станций. В этом случае достигается непрерывный во времени мониторинг тепловой экономичности энергетического оборудования станций, позволяющий выявить текущие резервы повышения экономичности и указать пути их реализации.
На основе изложенных выше подходов к оценке тепловой экономичности оборудования электрических станций была разработана автоматизированная информационная база данных показателей тепловой экономичности. Информационная база данных построена в пакете Microsoft Office на основе программ Excel, Access.
Работа с информационной базой данных начинается с инициализирующей заставки (рис. 4.10). После нажатия кнопки «Пуск» пользователю открывается окно (рис. 4.11).
Пользователь выбирает опцию «Просмотр архивных данных» либо «Создание нового отчета». При просмотре архивных данных пользователь задает дату, наименование станции и функциональной группы оборудования, вид оборудования. Поеле этого пользователю предоставляется возможность выбора просмотра таблицы архивных исходных данных либо просмотра архивного отчета (рис. 4.12).
При выборе таблицы архивных исходных данных печатается список всех исходных значений параметров оборудования, режимов и теплотехнических констант, необходимых для расчета показателей тепловой экономичности энергетического оборудования соответствующей функциональной группы на выбранную дату.
При выборе опции «Просмотр архивного отчета» печатается отчет по форме на соответствующую выбранную дату. При создании нового отчета пользователю предоставляются аналогичные опции «Создание таблицы исходных данных» и «Просмотр отчета» (рис. 4.13).
По опции «Создание таблицы исходных данных» пользователю предоставляется список исходных значений параметров оборудования, режимов и теплотехнических констант, которые он должен ввести для последующего расчета показателей тепловой экономичности энергетического оборудования соответствующей функциональной группы на заданную дату. Расчет показателей тепловой экономичности происходит в соответствии с разработанными методиками, приведенными в данном отчете.
