Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы. определение основных задач исследования. состояние проблемы энерго и ресурсосбережения в системах теплоснабжения мегаполисов
1.1. Состояние проблемы энерго- и ресурсосбережения в системах теплоснабжения
1.2. Анализ развития энергетики и ресурсосберегающих технологий в России
1.3 .Основные направления и механизмы энергосберегающей политики... 12
1.4. Сравнительный анализ ресурсо- и энергосберегающих технологий в США и России
1.5. Основные энергосберегающие мероприятия в народном хозяйстве... 18
1.6. Концепции и подходы управления ресуро и энергосбережением 20
2. Разработка методики анализов режимов эксплуатации ЦТП систем теплоснабжения на примере филиала № 3 ОАО "МОЭК" «Мосгортепло»
2.1. Оборудование центральных тепловых пунктов филиала №3 "МОЭК" «Мосгортепло»
2.2. Автоматизированная система управления, учёта и контроля техноло-гическими процессами на центральных тепловых пунктах и котельных измерительно-регулирующая система "ТРАНСФОРМЕР"
3. Иследование системы контроля и управления техно-логическим процессом на функциональном ЦТП филиала №3 ОАО "МОЭК" «Мосгортепло»
3.1. Математическая модель АСУ ТП на ЦТП в замкнутом состоянии с 96 использованием измерительно-регулирующей системы "ТРАНСФОРМЕР"
3.2. Оценка динамических качеств регуляторов в системе управления ЦТП 101 филиала №3 "МОЭК" «Мосгортепло»
3.3. Реализация интегро-дифференциальной передаточной функции в обобщённой программируемой измерительно-регулирующей системе "ТРАНСФОРМЕР" на ЦТП
3.4. Методики настройки параметров измерительно-регулирующей системы "ТРАНСФОРМЕР" АСУ ТП ЦТП филиала №3 "МОЭК" «Мосгортепло»
4. Оценка технико-экономической эффективности использования системы автоматического контроля и управления на ЦТП филиала № 3 ОАО "МОЭК" «Мосгортепло»
4.1. Показатели качества теплоснабжения и основные требования 131
4.2. Определение вероятностных характеристик параметров ЦТП по данным эксплуатации
4.3.Оценкаэкономической эффективности АСУТПЦТП 148
Выводы 155
Список используемой литературы 156
- Анализ развития энергетики и ресурсосберегающих технологий в России
- Автоматизированная система управления, учёта и контроля техноло-гическими процессами на центральных тепловых пунктах и котельных измерительно-регулирующая система "ТРАНСФОРМЕР"
- Оценка динамических качеств регуляторов в системе управления ЦТП 101 филиала №3 "МОЭК" «Мосгортепло»
- Определение вероятностных характеристик параметров ЦТП по данным эксплуатации
Введение к работе
Актуальность работы. Федеральная целевая программа энергосбережения в отрасли "Электроэнергетика" на 1999-2000 и на перспективу от 2005 и 2010 годах является основным документом для внедрения энергосберегающих технологий при выработке и распределении тепловой и электрической энергии.
Сегодня повышение эффективности использования энергии — не простой способ понижения издержек, а важнейший рычаг подъёма экономики.
Снижение эффективности работы отрасли стало отчетливо проявляться в последние годы в виде роста коммерческих потерь энергии, ухудшение загрузки оборудования, увеличение численности персонала в отрасли, падание конкурентно способности предприятий энергетики. В перспективе эти проблемы будут углубляться, так как оборудование стареет, снижаются объёмы инвестиций в энергетику, существует проблема неплатежей.
В этих условиях важнейшей задачей является существенное повышение эффективности энергетики при минимизации затрат на её функционирование и развитие. Один из способов ее решения — это энергосбережение за счёт повышения эффективности использования топлива и энергии в отрасли, а также снижения их потерь.
Повышение эффективности использования электроэнергии в энергетике требует комплексного решения экономических, организационных и технических задач и неразрывно связанно с повышением общей эффективности функционирования и развития отрасли.
Основой энергосбережения является минимизация отношения затрат на реализацию мероприятий к объёмам экономии топлива и энергии. Этот принцип реализуется путём отбора наиболее эффективных мероприятий и первоочередной реализации мер с минимальными затратами и максимальным эффектом.
К этим мероприятиям по энергосбережению относятся мероприятия, используемые как при выработке энергии, так и мероприятия у потребителей электрической и тепловой энергии. Эти мероприятия делятся на: мало-затратные, быстроокупаемые (срок окупаемости до 2 лет), среднеокупаемые (срок окупаемости 3-4 года), окупаемые в течение 5-7 лет. Одними из эффективных энергосберегающих мероприятий, которые относятся к группе быстроокупаемых, являются:
- внедрение автоматизированных систем контроля и учёта электроэнергии (АСКУЭ) на объектах отрасли, автоматизированных систем контроля и учёта тепловой энергии (АСКУТ) в тепловых сетях и систем автоматического управления (САУ) в теплоэнергетике;
реконструкция и модернизация внутренних систем теплопотребления с обеспечением индивидуального регулирования теплопотребления и полная автоматизация центральных тепловых пунктов (ЦТП);
снижение потерь тепла и расхода электрической энергии при транспорте тепла осуществляется также за счёт внедрения АСКУТ в тепловых сетях;
снижение коммерческих потерь также может быть реализовано внедрением АСКУТ и АСКУЭ на объектах электроэнергетики;
-за счёт с установки или замены приборов учёта, внедрение АСКУЭ и АСКУТ, контроль достоверности учёта у потребителей.
В период 2001-2005 годы ставится задача разработки методических рекомендаций по экономическому управлению режимами потребителей — регуляторов.
Повышение эффективности теплоснабжения за счёт автоматизации.
Автоматизация производственных процессов является одним из решающих факторов повышения производительности труда. Особенно возрастает роль автоматизации в настоящее время, когда на первый план выдвинуты вопросы интенсивного развития производства, повышения его эффективности. Одной из основных задач структурной перестройки общественного производства является развитие топливно-энергетического комплекса страны, и, в частности, полное удовлетворение растущих потребностей в различных видах топлива и энергии.
С повышением мощности установок по производству тепловой и электрической энергии быстро увеличивается количество регулируемых параметров и операций технологического цикла на тепловых электрических станциях (ТЭС). Качественная работа всех агрегатов ТЭС не может быть обеспечена без контроля и автоматизации производства. Поэтому наряду с традиционными средствами контроля и автоматизации ТЭС все шире применяют управляющие вычислительные комплексы, основным элементами которых являются электронные вычислительные машины, микропроцессоры и микро - ЭВМ.
Одним из средств снижения энергосбережения эксплуатируемых зданий является автоматическое регулирование отпуска тепла. Особенно эффективны двухступенчатые системы регулирования.
Первая ступень регулирования представляет собой автоматизацию узлов тепловых вводов с использованием электронных регуляторов. для систем отопления и учитывает состояние теплового режима здания в целом.
Вторая ступень - это индивидуальное регулирование отопительных приборов с помощью установки регулируемых термостатов.
Применение двухступенчатой системы регулирования позволяет снизить теплопотери на 20-25 % .
Современные условия эксплуатации систем и механизмов требуют высокой надежности, быстродействия и экономичности работы элементов САУ. Качество проектного решения создаваемого механизма или системы в целом определяется на основе характеристик отдельных
элементов системы, полученных либо теоретически, либо
экспериментально. В настоящее время приоритет отдается
экспериментальным методам получения характеристик проектируемого объекта. Однако следует заметить, что экспериментальные характеристики носят частный характер, а проведение эксперимента связано с значительными трудностями по созданию экспериментальной установки и в продолжительности проведения работ.
Успех конструкторской разработки во многом зависит от полноты информации о проектируемом механизме. Поэтому на стадии разработки проекта необходимо знать характеристики создаваемого объекта хотя бы в первом приближении.
Характерной особенностью работы АСКУТ, АСКУЭ и САУ, является широкий диапазон изменения параметров. В этой связи особое значение приобретает задача обеспечения высокой надежности, быстродействия и экономичной работы элементов САУ в широком диапазоне изменения параметров регулирования. Наибольший интерес представляет получение и исследование характеристик регуляторов в условиях трудно моделируемых в лабораторных условиях.
С бурным развитием вычислительной техники и методов математического моделирования появилась возможность не только прогнозировать вид характеристик регуляторов и систем в целом, но и получать эти характеристики на стадии разработки проекта.
В настоящее время в машиностроении ведутся интенсивные работы по созданию систем автоматического проектирования (САПР). Опыт применения САПР показывает, что эффективность автоматизации проектирования, в первую очередь зависит от точности математической модели решаемой задачи и совершенства методов расчета.
Целью данной работы является совершенствование технологических процессов САУ в системах городского теплоснабжения с помощью внедрения в них регуляторов, созданных на базе микропроцессорной техники.
Современный уровень развития быстродействующих ЭВМ позволяет создать методы и программные комплексы, обладающие более широкими возможностями анализа, чем существующие до сих пор.
Цель работы заключается в совершенствование и повышение надёжности эксплуатации систем централизованного теплоснабжения на основе систем автоматического управления и контроля с использованием многофункциональных, программируемых, самонастраивающихся регуляторов, созданных на базе микропроцессорной техники, с использованием ЭВМ.
В работе ставились и решались следующие задачи : разработать методику построения систем управления и контроля объектами городского теплоснабжения;
разработать алгоритм расчета и программу реализации построения регулятора САУ городского теплоснабжения на ЭВМ;
разработать алгоритм и комплекс прикладных программ расчета статических и динамических характеристик систем контроля и управления систем городского теплоснабжения;
спроектировать регулятор для АСКУЭ, АСУКТ и САУ систем городского теплоснабжения, работающий с объектами регулирования, которце имеют различные динамические качества;
применить предлагаемую методику для получения характеристик
регулятора аппаратуры с целью проверки её достоверности на
действующей системе городского теплоснабжения, например ЦТП;
провести оценку эффективности внедрения на ЦТП в АСУКЭ и АСУКТ
спроектированного и изготовленного обобщённого регулятора.
осуществлять степень эффективности функционирования оборудования
технологических систем централизованного теплоснабжения;
Научная новизна научной работы заключается в следующем:
в совершенствовании работы технологического оборудования централизованного теплоснабжения с помощью применения в АСКУЭ, АСКУТ и САУ регулирующей аппаратуры многофункциональной, программ-мируемой, самонастраивающейся с многоканальными входами и выходами и с встроенным дисплеем;
в определении характеристик регулирующей аппаратуры многофункциональной, программируемой, самонастраивающейся, созданной на базе микропроцессорной техники с использованием математического моделирования;
Степень достоверности и обоснованности результатов исследования подтверждается:
использованием математического аппарата, который базируется на теории решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений;
проверкой работы наиболее важных численных процедур на тестовых примерах;
согласованием полученных результатов по работе обобщённого регулятора с результатами как численных, так и натурных экспериментов в системах городского теплоснабжения;
согласованием результатов численного эксперимента по нахождению статических и динамических характеристик регуляторов с результатами, полученными экспериментально другими авторами.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработана методика получения универсальных и много
функциональных систем контроля и управления систем городского
теплоснабжения.
2. В результате математического моделирования получены новые сведе
ния о свойствах регуляторов, созданных на базе микропроцесссорной
технике;
3. Разработанный и внедренный на ЦТП регулятор является
самонастраивающимся, что облегчает его эксплуатацию и использование
на объектах городского теплоснабжения;
Предлагаемая методика может быть использована для решения обратных задач проектирования САУ системами городского теплоснабжения;
Предлагаемый регулятор имеет многоканальные входы и выходы и в зависимости от конструкции встроенного модема обеспечена связь периферийными устройствами различных модификаций;
6. Этот метод позволяет избежать дорогостоящих и трудоёмких экспериментальных работ путём замены их численным анализом соответствующих моделей.
Методика, программы и система управления системами городского теплоснабжения построения внедрены на ЦТП г. Москвы. Результаты диссертационной работы использованы в разработке теплотехнического оборудования, используемого в машиностроении.
Личный вклад автора в решении проблемы заключается в анализе имеющейся литературы по вопросам исследования работы технологического оборудования систем теплоснабжения, в создании АСКУЭ, АСКУТ и САУ, методики построения систем городского теплоснабжения, в составлении, отладке и реализации на ЭВМ комплекса прикладных программ , реализующих предлагаемую методику, в выполнении численного и натурных экспериментов, обработка, анализе и обобщении полученных результатов.
Автор защищает:
методику построения АСКУЭ, АСКУТ и САУ для систем городского теплоснабжения;
математическую модель обобщённого регулятора и его математическую реализацию на ЭВМ;
результаты расчёта статических и динамических характеристик регулятора;
результаты исследования обобщённых регуляторов на ЦТП и результаты анализа полученных характеристик как регуляторов, так и систем городского теплоснабжения в целом;
оценку эффективности внедрения в АСКУЭ, АСКУТ и САУ микропроцессорных регуляторов.
Показана актуальность темы, рассмотрены основные вопросы и пути совершенствования работы систем теплоснабжения, определены тенденции развития АСКУЭ, АСКУТ и САУ систем городского теплоснабжения -наиболее эффективный способ решения задач ресурсо- и энергосбережения. Формулируется цель и задачи работы, а также её новизна.
Анализ развития энергетики и ресурсосберегающих технологий в России
Статистические данные развития энергетики России позволяют сделать заключение, что напряженность в энергетическом хозяйстве России обусловлена рядом факторов, к числу которых следует отнести: - снижение абсолютных объемов добычи угля и нефти, сокращение темпов увеличения добычи природного газа; - постепенное исчерпание наиболее эффективных месторождений углеводородного сырья и техническую неподготовленность к освоению новых вполне эффективных по мировым критериям месторождений нефти и газа в районах крайнего Севера без нарушения экологических требований; - недостаточный ввод новых энергетических мощностей, вследствие приостановки сооружений ряда энергетических объектов из-за негативного отношения к ним со стороны общественности; - отставание по срокам ввода в эксплуатацию строящихся объектов электроэнергетики; - большие трудности с выбором площадок для новых объектов энергетики, что связано с обострением экологической ситуации в стране.
Особенно большое негативное влияние на энергетическую ситуацию в России оказывает сохранение в течение длительного времени высокого уровня энергоемкости экономики, главным образом, как следствие крайне медленного распространения энерго- и ресурсосберегающих технологий и технических средств, низкого технического уровня основных производственных фондов, довольно высокого исчерпания ресурса, медленного технического перевооружения, а также несовершенства структуры народного хозяйства, которая характеризуется, как правило, необоснованно высокой долей в нем ресурсо- и энергоемких продукции и производств.
Определенное негативное влияние на энергоемкость оказывает в настоящее время отсутствие законодательного регулирования и эффективных экономических стимулов и целостной системы управления энергопотреблением и энергосбережением. Под управлением в данном контексте следует понимать научно обоснованные стандарты и нормы расхода топлива, электрической и тепловой энергии, а также требований по обязательному оснащению потребителей энергоресурсов приборами учет, контроля и регулирования, правил и нормативов экономического стимулирования энергосбережения.
На современном этапе развитии общества со всей остротой встает вопрос экологический. Возможное глобальное потепление климата, истощение стратосферного озонного слоя, кислотные дожди, накопление в почве промышленных районов токсичных тяжелых металлов и пестицидов в сельскохозяйственных зонах, загрязнение больших территорий радионуклидами заставляют искать новые направления технологического развития. В решении проблемы сохранения . восстановительных способностей живой природы, как и задачи бережного использования ее истощаемых минеральных ресурсов, центральным объектом внимания опять же выступает энергетика, поскольку сжигание всех видов топлива дает от двух третей до трех четвертей эмиссии в атмосферу кислотных и тепличных газов, загрязнений территорий тяжелыми металлами и радионуклидами.
По данным Европейской экономической комиссии ООН (ЕЭК) делается вывод, что, несмотря на значительное повышение эффективности использования энергии, спрос на первичные энергоресурсы по-прежнему будет возрастать в регионе ЕЭК до 2010 г. Доля ископаемого топлива по-прежнему остается доминирующей — 83-84% в 2010 г., доля менее загрязняющих источников энергии (гидроэнергия, атомная и солнечная энергия и природный газ) будет увеличиваться и достигнет величины 16-17%. Это позволит в регионе ЕЭК в 2010 г. сократить объем выбросов SO2 на 10-16 млн.т, N02 - 2,6-2,9 млн.т, пыли - 104-154 млн.т и С02 - 2080 -3080 млн.т. Но этот объем сокращения загрязнения к 2010 г. может оказаться недостаточным и потребуются дополнительные меры по борьбе с загрязнением
Исследования, выполненные как у нас, так и за рубежом, свидетельствуют о том, что надежность энергоснабжения, сдерживание темпов роста негативного влияния энергетики на окружающую среду и получение значительного социального и экономического эффекта в народном хозяйстве могут быть обеспечены на основе ресурсо- и энергосбережения, т.е. путем сокращения непроизводительных потерь, повышения эффективности использования топлива, электрической и тепловой энергии, осуществления прогрессивных сдвигов в ресурсоемкости и структуре экономики.
Государственная энергосберегающая политика включает в себя: анализ потенциала энергосбережения и выбор приоритетных направлений его использования; формирование нормативно-правовых механизмов; формирование экономической среды, способствующей энергосбережению; государственную поддержку инновационных и инвестиционных проектов, в первую очередь по созданию систем учета, контроля и регулирования расхода энергоресурсов; формирование структуры управления энергосбережением на федеральном и региональном уровнях; формирование общественного мнения и поддержку энергосбережения; подготовку квалифицированных кадров в области проведения энергосберегающей политики. Предварительная оценка неиспользованного технологического потенциала энергосбережения и его величина в России оценивается ныне в 480-570 млн.т.у.т. Из общего потенциала энергосбережения 150-180 млн. т.у.т. приходится на ТЭК, около 100 млн. т.у.т. может дать жилищно-коммунальное хозяйство, 55-65 млн. т.у.т. сельское хозяйство, 45-50 млн. т.у.т. - транспорт и 160-150 млн. т.у.т. - промышленность. Практически достижимая общая величина годовой экономии энергии может оцениваться в 180-200 млн. т.у.т. Для получения этой экономии потребуется выделение для целей энергосбережения всего лишь 5% стоимости используемых в народном хозяйстве энергоресурсов.
Оптимистические объемы экономии энергоресурсов достигаются, если будут обеспечены возможности использования высококачественного отечественного и импортного оборудования. Существенную помощь в производстве энергосберегающего оборудования и материалов может оказать конверсия предприятий военной промышленности. Но и в этом случае Потребность в современной технике оценивается в 15-20% от общих инвестиций в энергосбережение. В основном они должны быть направлены для комплектации технологических линий по производству энергосберегающих технологий и оборудования, а также на закупку наиболее сложных видов современной техники.
Энергосбережение позволяет снизить затраты на обеспечение народного хозяйства энергоресурсами значительно сокращая потребность в энергии для народного хозяйства. Энергосбережение позволяет внести весомый, если не основной, вклад в решение экологических проблем благодаря снижению эмиссии токсичных и кислотных газов. Предотвращение сжигания топлива в объеме располагаемого потенциала его экономики в России позволило бы снизить выбросы кислотных газов и золы на 18-22% , а тепличных газов (СОг) — на 25% от современного уровня.
Автоматизированная система управления, учёта и контроля техноло-гическими процессами на центральных тепловых пунктах и котельных измерительно-регулирующая система "ТРАНСФОРМЕР"
Многообразие тепловых схем размещения теплоэнергетического оборудования на ЦТП предъявляет повышенные требования к приборам теплотехнического контроля и управления технологическими процессами в системе городского теплоснабжения. Этим требованиями удовлетворяет многофункциональный, универсальный, микропроцессорный прибор "Трансформер", описание которого приведено в этом параграфе.
«Трансформер» представляет собой многофункциональный микропроцессорный программируемый прибор, управляющий одновременно значительным числом технологических процессов с индикацией результатов управления на четырехразрядном дисплее в мнемонической, текстовой и цифровой форме. Установка в прибор соответствующего модуля модема для проводной, телефонной или радиосвязи с соответствующим программным обеспечением позволяет осуществить диспетчеризацию работы автоматики и параметров объекта управления на компьютерный диспетчерский пункт.
Для управления одним технологическим процессом подключаются от одного до нескольких электронных модулей. Комплект не более чем из трёх модулей конструктивно объединяется в блок базовый или расширения снабжённым одним модулем приема-передачи и питания. Автоматика прибора, если в её составе имеются технологические процессы управления насосным оборудованием, в силу специфики их эксплуатации, обязательно имеет обобщающие алгоритмы связывающие алгоритмы отдельных алгоритмы насосных технологических процессов. Это алгоритмы: - обеспечивающие при кратковременном отключении электропитания прибора задержку включения насосного оборудования до тех пор, пока в ЦТП не установится устойчивая подача энергопитания; - не допускающие одновременного включения или выключения насосов в ЦТП, работающих в автоматическом режиме, формируя соответствующие задержки между включениями насосами, при этом порядок включение насосного оборудования, обеспечивается следующим: насосы пожаротушения; насосы холодного водоснабжения (ХВС); насосы циркуляции горячего водоснабжения (ГВС); насосы подпитки отопительной системы; насосы циркуляции системы отопления; насосы дренажного приямка и другие. В зависимости от состояния внешних датчиков или требования заказчика порядок включения насосов может измениться.
Системы управления холодным и горячим водоснабжением включают в себя следующие технологические процессы: - холодное водоснабжение на подпитку систем с постоянным расходом воды (горячее водоснабжение, котловое оборудование и др.); - холодное водоснабжение на потребителя; - горячее водоснабжение на потребителя с регулированием давления; - горячее водоснабжение на потребителя с регулированием температуры. Обобщённая мнемосхема водоснабжения представленная на рис.2.4. охватывает всю совокупность технологических процессов имеющихся в виде программного обеспечения. На мнемосхеме имеются следующие обозначения и допущения: - дискретные параметры имеют перед обозначением индекс «d»; - насосное оборудование представлено в виде одного насоса и соответствующего ему датчика перепада, следует принимать как совокупность п - насосов; - водоподогреватель может быть в объёме, требуемом для обеспечения заданной тепловой мощности; - ряд пропорциональных параметров используется только для контроля и не применяется для управления. 2.2.1 Л. Технологические процессы управления насосами холодного водоснабжения Версия — 2.2.1.1.А (управление насосами без контроля наличия воды на входе) В управлении участвуют не более четырёх насосов ХВС по следующей схеме: - для минимальной конфигурации два насоса - основной и резервный; - для максимальной конфигурации четыре насоса — основной, 1-й дополни-тельный, 2-й дополнительный, и резервный».
Давление в системе холодного водоснабжения должно быть достаточным для доставки её к потребителю с требуемым перепадом давления. Заданная величина давления определяется давлением, создаваемым городским водопроводом и, если это необходимо, давлением, создаваемым насосной группой ХВС.
Если давление воды на входе насоса ХВС меньше минимально-допустимого значения, то автоматика системы водоснабжения включает насос ХВС, а при увеличении давления выше максимально-допустимого значения - выключает насос ХВС. Дискретный датчик давления (с!Рхд_вх;) типа электроконтактного манометра (ЭКМ), устанавливается перед насосами ХВС и сигнализирует о предельно-допустимых значениях давления воды в водопроводе. При увеличении давления воды в водопроводе больше максимально-допустимого значения контакт «максимум» замкнут, то насос выключается. При уменьшении давления воды в водопроводе меньше минимально-допустимого значения контакт «минимум» замкнут, то насос включается. Одновременное нахождение контактов в состоянии «разомкнуто» не изменяет предварительно установленное состояние насоса. Одновременное нахождение контактов в состоянии «замкнуто», характеризует неправильную настройку ЭКМ или выход его из строя при этом автоматика прибора не изменяет предварительно установленное состояние насоса. При значительном увеличении расхода воды в системе водоснабжения, давление на входе потребителя понижается, и производительности одного работающего насоса ХВС может быть недостаточно для поддержания требуемого значения давления в системе водоснабжения. Для компенсации увеличения расхода воды потребуется установка дополнительных насосов ХВС. Количество дополнительных насосов может быть различным и зависит от величины изменения расхода воды потребителем. Для управления работой дополнительных насосов ХВС, в обратном трубопроводе ГВС и на выходе системы ХВС устанавливаются датчики давления, соответственно, (dPr-обр) и (с!Рхд_вых). Аналогично датчику (с!Рхд_вх) указанные датчики сигнализируют о снижении (или превышении) давления воды на выходах системы соответственно горячего и холодного водоснабжения меньше или больше заданных допустимых значений.
Автоматика системы ХВС обеспечивает включение дополнительных насосов при уменьшении давления на выходе системы водоснабжения меньше заданных допустимых значений и их выключение при снижении расхода воды и увеличении давления воды больше допустимых значений по датчикам (dPr-обр) и (с!Рхд_вых) также же, как по датчику (с!Рхд_вх). Разрешение на включение группы насосов обеспечивается по минимальному уровню давления от дискретного датчика (с!Рхд_вх) ЭКМ, установленного на входе группы. Запрещение на включение группы насосов обеспечивается по максимальному уровню давления от дискретного датчика ( 1Рхд_вх) ЭКМ, установленного на входе группы. При минимальном уровне давления от дискретного датчика производится включение дополнительного насоса, а при максимальном уровне давления от дискретного датчика производится выключение дополнительного насоса. Для учета имеющихся переходных процессов в системе после включения (выключения) дополнительного насоса производится задержка, в течение которой блокируется контроль состояния дискретных датчиков ЭКМ. По дискретным сигналам от датчиков перепада давления каждого насоса или от общего датчика перепада давления (сІРпд), для конфигурации из двух насосов, контролируется исправная работа насоса. При аварии насоса от него отключается напряжение и включается напряжение на резервный насос. Повторное включение аварийного насоса возможно только после перевода автоматики в ручной режим, а затем вновь в автоматический режим.
Оценка динамических качеств регуляторов в системе управления ЦТП 101 филиала №3 "МОЭК" «Мосгортепло»
С помощью программного комплекса "Проектирование динамических систем" были построены и проанализированы динамические характеристики (временные и частотные) для системы контроля и управления технологическим процессом на ЦТП. В качестве примера было рассмотрено регулирование температуры теплоносителя в ГВС на ЦТП. На рис. 3.6 дана реализация математической модели в линейном (непрерывном) виде, которая была представлена в предыдущем параграфе. На рис. 3.6 показана распечатка экрана дисплея, на котором в виде необходимом для компьютерной реализации линейной модели АСУ ТП даны передаточные функции отдельных динамических звеньев, входящих в структурную схему (см. рис. 3.5), и значения коэффициентов и постоянных времени, реализуемых в математической модели. На рис 3.7 приведены логарифмические частотные характеристики (ЛЧХ) (амплитудная - 1 (ЛАЧХ) и фазовая - 2 (ЛФЧХ)) для линейной (непрерывной) математической модели АСУ ГВС в замкнутом состоянии. На рис. 3.8 проведено сопоставление логарифмических частотных характеристик для линейной (непрерывной) математической модели АСУ ГВС в разомкнутом (амплитудная — 3; фазовая - 4) и замкнутом (амплитудная — 1; фазовая - 2) состояниях. Для анализа системы в разомкнутом состоянии в расчётах коэффициент главной обратной связи принимался равным нулю ( Кт = 0 ).
На рис. 3.9 представлены кривые переходных процессов сигнала на выходе объекта регулирования (температуры на выходе теплообменника— 1) и сигнала, поступающего с регулирующего органа (расхода регулирующего клапана — 2) для линейной (непрерывной) математической модели АСУ ГВС. Временные кривые были получены при подаче на вход регулирующего органа ступенчатого сигнала в 1 градус угла по ворота запорного устройства.
Анализируя характеристики, показанные на рис. 3.7, можно отметить, что ЛАЧХ имеет некоторый всплеск на частоте 0, 158 Гц. Это говорит о некотором колебательном характере поведения выходного параметра АСУ ГВС, которым является температура теплоносителя. Небольшая колебательность температуры теплоносителя отмечается и на кривой переходного процесса (см. рис. 3.9 кривая -2).
Кривые, приведённые на рис. 3.8, подтверждают колебательность поведения температуры теплоносителя в ГВС. Далее следует отметить, что значение ЛАЧХ АСУ в разомкнутом состоянии отрицательно при значении ЛФЧХ близком - 180й (см. рис. 3.8 кривые - 3,4). Это говорит о том, что АСУ ГВС устойчива по критерию Найквиста в замкнутом состоянии.
Работоспособность математической модели АСУ в линейном (непрерывном) виде и её компьютерной реализации подтверждена совпадением значений ЛАЧХ и ЛФЧХ моделей в разомкнутом и замкнутом состояниях при со — оо и различием со —» 0.
Вид кривых переходных процессов (см. рис.3.9) полностью подтверждает некоторую колебательность температуры теплоносителя ГВС, что соответствует ЛАФЧХ, показанных на рис. 3.7. и 3.8.
В дальнейшем был проведён анализ дискретной (нелинейной) математической модели АСУ ГВС. На рис. 3.10 и 3.11 показана компьютерная реализация математической модели (3.7)-(3.15) в нелинейном (дискретном) виде, которая была представлена в предыдущем параграфе. На рис. 3.10 и 3.11 показана распечатка экрана дисплея, на котором в виде необходимом для компьютерной реализации нелинейной модели АСУ даны передаточные функции отдельных динамических звеньев, входящих в структурную схему ( см. рис. 3.4), и значения коэффициентов и постоянных времени, реализуемых в математической модели. Нелинейные зависимости, представленные на рис. 3.2 и 3.3, моделируются с помощью специальных операторов.
Стоит отметить, что компьютерная реализация, т.е. программа расчёта динамических характеристик для нелинейной модели оказалась более сложной, а время получения результата более продолжительным, чем для линейной модели.
Динамические характеристики для нелинейной (дискретной) модели приведены на рис. 3.12 . На рис. 3.12 представлены кривые переходных процессов выходного сигнала объекта регулирования (температуры на выходе теплообменника - 1) и сигнала на выходе регулирующего органа (расход регулирующего клапана - 2) для нелинейной (дискретной) математической модели АСУ ГВС. Переходные процессы были получены при подаче на вход в систему единичного ступенчатого сигнала в виде угла поворота на 1 градус запорного устройства РО.
Анализируя кривые переходных процессов на рис. 3.12, можно сделать вывод, что колебательность у них присутствует, как и у кривых, построенных для линейной модели (см. рис. 3.9). Это говорит о качественном совпадении результатов расчёта с использованием линейной и нелинейной моделей АСУ ГВС на ЦТП. Очевидно, что количественно кривые, приведённые на рис. 3.9 и рис 3.12 отличаются, что демонстрирует учёт нелинейных зависимостей в математической модели и влияние этого учёта на вид динамических характеристик АСУ ГВС. Таким образом, можно отметить: - правильность составленной математической модели, корректность учёта в ней нелинейных зависимостей и приведение её к линейному виду; работоспособность программного комплекса "Проектирование динамических систем" и безошибочное его использование при расчёте динамических характеристик АСУ; - возможность анализа качества динамических характеристик АСУ ГВС с использованием линейной математической модели; - невозможность получения количественных результатов только с помощью линейной модели и необходимость учёта нелинейных зависимостей для более точных расчётов. Далее рассмотрим реализацию интегро-дифференциальной передаточной функции в обобщённом регулирующем приборе "ТРАНСФОРМЕРЕ", вывод системы конечно-разностных уравнений (КРУ), реализующих передаточную функцию (3.13) и последовательность ввода исходных данных для программирования КРУ в программаторе "ТРАНСФОРМЕРА".
Определение вероятностных характеристик параметров ЦТП по данным эксплуатации
При решении задач управления, в том числе при разработке математического обеспечения АСУ технологическими процессами и техническими объектами вероятностно-статистическая оценка хода технологического процесса позволяет повысить эффективность управления, снизить потери производства дать рекомендации по дальнейшей модернизации и улучшению качества управления. Кроме того, вероятностные характеристики параметров технологии ЦТП могут использоваться для исследования технологического оборудования с целью его совершенствования и выбора технологических режимов и диспетчеризации.
На основе оценок статистических характеристик параметров ЦТП реализуются различные информационные функции АСУ ТП: непрерывные и дискретные измерения, обнаружение отклонений технологических параметров, регистрация аварийных ситуаций, вычисление технико-экономических показателей, диагностика протекания технологических процессов и другие.
Конкретно для анализа работы АСУ ТП большую роль имеют оценки вероятностных характеристик технологических параметров центральных тепловых пунктов: математическое ожидание, дисперсия, корреляционные и взаимные корреляционные функции, а также спектральные характеристики. Особенно большую роль играет оценка корреляционных и взаимных корреляционных функций, которые могут применяться для различных целей: — установление скрытых особенностей случайных процессов и скрытых свойств объектов управления (наличие скрытых периодичностей); — решение большинства задач централизованного контроля с учетом заданной погрешности контроля при определении сигналов управления; — оценки интервалов корреляции, используемых при определении условий эксплуатации технологического оборудования; — решение практически важной задачи по оценки точности и надежности вероятностных характеристик случайных процессов, полученных по экспериментальным данным; — при построении математических моделей, позволяющих решать различные задачи управления при оптимизации структуры АСУ ТП. Для сбора данных по оценке вероятностно-статистических характеристик были выбраны и обработаны реализации случайных процессов в наиболее характерные месяцы: февраль - месяц зимнего максимума тепловой нагрузки и август — месяц летнего минимума тепловой нагрузки.
Эксперимент проводился на ЦТП с помощью метода пассивной регистрации основных параметров. Далее значения параметров технологического процесса в периоды несоответствия технологическим режимам отбраковывались (аварии, остановы, отказы основного и вспомогательного оборудования). Основные оценочные характеристики обрабатывались в среде Excel и частично были преобразованы и представлены в MS Word. Вычисления вероятностных характеристик производим по температуре теплоносителя в подающей линии сети ТІ. Обработка остальных параметров относительно ТІ проводится аналогично. Остальными параметрами являются: Т2 - температура теплоносителя в обратной линии сети; ТЗ - температура воды в прямой линии отопления; Т4 - температура воды в обратной линии отопления; Тнв - мгновенная температура наружного воздуха; Тгвсі — температура горячей воды на входе в ЦТП; Тгвс2 - температура горячей воды на выходе из ЦТП; РЗ - давление воды в прямой линии отопления; Р4 — давление воды в обратной линии отопления; Ргвс- давление теплоносителя в подающей линии сети; Рхвс - давление воды на выходе ХВС из ЦТП.
Взаимная корреляция параметров выполнена для всего периода (за год) экспериментальной эксплуатации АСУ на ЦТП. Результаты расчёта сведены в таблицу 4.1. Анализ результатов расчёта показывает, что влияние многих параметров следует учитывать при эксплуатации объектов этого класса.
Для ЦТП корреляция между температурой подающей линии сети ТІ и температурами Т2, ТЗ, Т4 -особенно ощутима. Температура наружного воздуха Тнв — даёт отрицательную корреляцию и несколько демпфирует влияние других параметров. Поэтому её практически можно не учитывать при построении грубой модели управления.
Для более точного определения взаимного влияния различных эксплуатационных параметров, характеризующих работу ЦТП и АСУ ТП на ЦТП, был проведён анализ статистических характеристик для двух характерных временных периодов работы технологического оборудования и АСУ. Был взят зимний период - февраль месяц и летний - август месяц. Для этих месяцев были сделаны более точные расчёты.
Более точный расчёт взаимных корреляций в феврале выполнен по тому же алгоритму, что годовая оценка. Однако, зимняя тенденция влияния отдельных факторов обнаруживает, что можно ограничиться при анализе результатов лишь параметрами ТІ, Т2, ТЗ, Т4, Тнв. Для этого месяца даже Тгвсі и Трвс2 могут оказаться незначимыми, что означает упрощение исследуемой модели и возможности использования её как базовый при накоплении (архивировании) данных для уточнения предварительно принятой модели. Результаты расчёта взаимных корреляций в феврале представлены в таблице 4.3.
Изменение дисперсии D х в течение суток в феврале для выбранных параметров отражено на рис. 4.3 и 4.4. Следует отметить, что для температур ТІ и Т2 графики по своей конфигурации очень близки, следуя по максимальным отклонениям с некоторым запаздыванием. Это свидетельство того, что между ними имеется довольно простая или пропорциональная зависимость. Тогда в качестве одного из одиночных показателей можно использовать как D зі , так D Т2 . Кроме того один из этих параметров при расчёте технико-экономических показателей можно использовать в качестве резервного.
Для оценки автокорреляционной функции изменения температуры теплоносителя в подающей линии сети (ТІ) в феврале (см. рис. 4.5) исходим из условий некоррелированности значений случайного процесса, что предполагает нахождения интервала корреляции. Исходя из приведённого выше предположения, в данной работе предлагается следующий алгоритм расчёта нормированной автокорреляционной функции:
Технологический эффект управления будет заключаться в повышении производительности, экономичности, безотказности, долговечности работы оборудования, снижении себестоимости, повышения качества продукции. Для этой цели необходимо построить математическую модель по формированию экономического эффекта АСУ ТП в режиме нормальной эксплуатации технологического объекта. Оценка эффективности работы АСУ ТП на ЦТП была проведена отдельно для зимнего ( для февраля) и летнего ( для августа) периодов. В таблице 4.10 и на рис. 4.12 дана дисперсия температуры теплоносителя в обратной линии сети Т2 .
