Содержание к диссертации
Введение
1 Задачи анализа и диагностирования объектов теплоэнергетики 6
1.1 Объекты исследования 6
1.2 Модели объектов и процессов 8
1.2.1 Анализ режимов работы потребителя теплоты 8
1.2.2 Анализ режимов работы источника теплоты 12
1.3 Обзор методов и систем 15
1.3.1 Расчетный комплекс 15
1.3.2 Измерительный комплекс 17
1.4 Задачи диссертационной работы 21
2 Методы диагностирования ОТЭ 23
2.1 Подход к диагностированию ОТЭ с использованием ретроспективной информации 23
2.2 Диагностирование метрологических дефектов, связанных с превышением верхней границы динамического диапазона измерений .31
2.3 Выявление фальсификации результатов измерений 45
2.4 Восстановление недостоверных результатов измерения 55
3 Прогнозирование метрологической погрешности 59
3.1 Методика аудита приборного учета тепловой энергии 59
3.2 Влияние базиса на результаты прогнозирования 64
3.3 Оценка стандартной методики 67
3.4 Пути повышения достоверности прогнозирования 74
3.5 Влияние погрешности округления на качество прогноза 80
3.6 Выводы и результаты исследования 89
4 Информационно-аналитические системы мониторинга и анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики 90
4.1 Платформа для проектирования информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики 90
4.2 Функциональные возможности системы СКУТЕР 97
5 Анализ ретроспективной информации на примере конкретных ОТЭ 99
5.1 Несанкционированный водозабор 99
5.2 Сравнение объектов 100
5.3 Сравнение периодов 101
5.4 Диагностика технического состояния теплового узла 102
5.5 Рекомендации 104
5.6 Комплексный анализ группы объектов 104
5.7 Анализ теплового режима 106
5.8 Регрессионный анализ 109
5.9 Фильтрация ретроспективной информации в задачах анализа функционирования объектов теплоснабжения 110
5.10 Моделирование теплофизических свойств теплоносителей 117
Заключение 126
Библиографический список 127
- Модели объектов и процессов
- Подход к диагностированию ОТЭ с использованием ретроспективной информации
- Методика аудита приборного учета тепловой энергии
- Платформа для проектирования информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики
Введение к работе
Одна из ключевых проблем теплоэнергетического комплекса страны заключается в явном дефиците объективных данных о выработке и потреблении тепловой энергии, а также отсутствии эффективных средств их анализа, необходимых для принятия управленческих решений как на техническом, так и на административном уровнях. Это не только усложняет управление ТЭК, делает его неэффективным, но и препятствует введению адекватных тарифов и норм потребления тепла и горячей воды, приводит к завышенным расходам на оплату потребляемых энергоресурсов.
Существенный прогресс в решении проблемы может быть достигнут за счет максимальной автоматизации процессов сбора, накопления и обработки результатов измерений параметров с целью обеспечения энергосберегающих режимов эксплуатации объектов теплоэнергетики (ОТЭ). Наличие современной алгоритмической базы и мощных вычислительных ресурсов открывает большие перспективы использования результатов измерений для решения задач диагностирования и прогнозирования технического состояния, анализа и управления ОТЭ.
Осуществление такого подхода связано с необходимостью создания автоматизированной информационно-аналитической системы ОТЭ, распределенной на совокупности автоматизированных рабочих мест с различным набором пользовательских функций. Естественно, что все эти автоматизированные рабочие места должны быть объединены в компьютерную сеть, источником обрабатываемых данных для которой являются архивы контрольно-измерительных приборов и контроллеров, накапливающих результаты измерений, поступающие с датчиков и выполняющих их предварительную обработку.
Основной предпосылкой создания ИАС ОТЭ является тенденция к внедрению на предприятиях-поставщиках (ТЭЦ, котельные) и объектах-потребителях тепловой энергии и воды систем учета и регулирования, в
состав которых входят современные средства измерения. Однако эффективность их использования в настоящее время минимальна и сводится лишь к фиксации количества потребляемых ресурсов и формированию элементарной отчетности. В тоже время возможности современного измерительного оборудования ориентированны на получение, хранение и дальнейшее использование достаточно разнообразной и детальной информации, позволяющей существенно повысить эффективность управления процессами энергоснабжения и энергосбережения.
Задачи, решаемые системой, должны быть сконцентрированы в двух направлениях - мониторинг (наблюдение в реальном времени за параметрами функционирования объекта, сопровождаемое выявлением нештатных и критических ситуаций с последующим оповещением пользователя об их возникновением) и ретроспективный анализ накапливаемых и хранимых системой результатов измерений. Режим ретроспективного анализа должен быть ориентирован решение широкого класса практических задач, связанных с диагностированием, прогнозированием, управлением, оценкой эффективности функционирования ОТЭ и поддержкой энергосберегающих режимов их эксплуатации.
Целью диссертационной работы является разработка методов и программных средств диагностирования и анализа ОТЭ с использованием ретроспективной информации для обеспечения энергосберегающих режимов их функционирования.
Объектами исследования в данной диссертационной работе являются средние и малопроизводительные котельные на твердом и жидком топливе, отапливаемые здания с различной тепловой нагрузкой и схемой подключения к теплосети.
Предметом исследования является ретроспективная информация о результатах измерения основных параметров функционирования ОТЭ, которая накоплена в БД НАС.
Модели объектов и процессов
По режиму потребления теплоты в течение года различают две группы потребителей: 1) сезонные потребители, нуждающиеся в теплоте только в холодный период года; 2) круглогодичные потребители, нуждающиеся в теплоте весь год.
Расходуемую потребителем теплоту называют тепловой нагрузкой. Потребность в теплоте не остается постоянной. Так сезонная нагрузка зависит главным образом от климатических условий. Главная зависимость этих потребителей - от температуры наружного воздуха. Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой. Круглогодичная нагрузка имеет слабую зависимость от температуры наружного воздуха.
При проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения возникает задача определения значения тепловой нагрузки потребителя.
Расчет нагрузок потребителей тепла состоит в определении количества тепла, необходимого для обеспечения работы следующих систем теплоснабжения потребителей в заданных условиях: - системы отопления; - системы вентиляции; - системы горячего водоснабжения (ГВС); - системы, использующие горячую воду для технологических нужд.
Определение количества тепла, потребляемого системой отопления, выполняется на основании расчетной нагрузки отопления, заявленной в договоре между потребителем и теплоснабжающей организацией или на основании характеристики отапливаемых зданий.
Определение количества тепла на отопление на основании расчетной нагрузки, заявленной в договоре. где Qomon - расчетная нагрузка системы отопления, заявленная в договоре между потребителем и теплоснабжающей организацией, Гкал/ч.
Температура внутреннего воздуха fm принимается по справочным данным в зависимости от назначения здания. Например для жилых и административных зданий fm = 18С, для учебных заведений fBH = 16С.
На основании большого практического опыта и теоретических исследований вопросов тепловой устойчивости зданий за наружную температуру принимают так называемую расчетную температуру наружного воздуха для проектирования отопления tpm, равную средней температуре наиболее холодных пятидневок, взятых из восьми наиболее холодных зим за 50 летний период. Понятно, что для каждого климатического района будет своя tpM. Значения tpM приводятся в справочных данных.
Определение количества тепла на отопление на основании отопительной характеристики здания. xo - отопительная характеристика здания, ккал/м3 ч С; V - объем здания по наружному обмеру,м3. Отопительная характеристика определяется по материалам типовых серий зданий, примененных для застройки данного района.
Определение количества тепла, потребляемого системой вентиляции, выполняется на основании расчетной нагрузки вентиляции, заявленной в договоре между потребителем и теплоснабжающей организацией или на основании характеристики вентилируемых помещений здания.
Определение количества тепла на вентиляцию на основании расчетной нагрузки, заявленной в договоре. где Меент - расчетная нагрузка системы вентиляции, заявленная в договоре между потребителем и теплоснабжающей организацией, Гкал/ч.
При температуре наружного воздуха в течение расчетного периода ниже расчетной температуры для систем вентиляции, ее значение принимается равным значению расчетной температуры наружного воздуха для системы вентиляции.
Подход к диагностированию ОТЭ с использованием ретроспективной информации
Одна из основных идей технической диагностики [26], на использовании которой построено множество методов определения исправности технических объектов и поиска в них неисправностей, заключается в сопоставлении поведения испытуемого объекта диагностирования с его поведением в заведомо исправном техническом состоянии.
Однако использование этой идеи применительно к объектам теплоэнергетики [68-71] требует учета ряда специфических особенностей, присущих ОТЭ. Первая из них связана с принятой на практике технологией диагностирования и классом диагностируемых дефектов. Поясним это обстоятельство более подробно.
Чрезвычайно острые и широко известные проблемы топливно-энергетического комплекса страны побуждают энергоснабжающие организации искать малозатратные способы пополнения своего бюджета, совмещая их осуществление с наведением элементарного порядка в энергетическом хозяйстве. Этим объясняется значительное ужесточение контроля потребителей тепловой энергии со стороны теплоснабжающих организаций (ТЭЦ, котельных). Известно, что существует целый ряд нормативных документов, в которых отражены требования к техническому состоянию, режимам эксплуатации тепловых узлов потребителей и к установленным на них средствам измерений. Невыполнение этих требований влечет за собой значительные финансовые потери - штрафы, перевод от оплаты по показаниям приборов к оплате по счетам теплоснабжающей организации.
Появившиеся возможности контроля тепловых узлов с использованием измерительного оборудования нового поколения и информационно-аналитических систем активно используются инспекторами теплоснабжающих организаций при предъявлении и обосновании претензий к потребителям тепловой энергии. Вынужденные ответные меры со стороны потребителей заключаются в организации эффективной системы сервисного обслуживания. Здесь под обслуживаемым объектом понимается некий системный объект, включающий тепловой узел с установленными на нем контрольно-измерительными приборами, выполняющими функции учета тепла и являющимися источником информации при решении диагностических задач.
При сервисном обслуживании ОТЭ в качестве первоочередной возникает задача определения соответствия тепловых узлов и установленных на них средств измерений предъявляемым к ним требованиям и, в случае их невыполнения, - задача выявления и устранения причин, вызвавших это несоответствие.
Таким образом, при сложившемся порядке эксплуатации ОТЭ процесс диагностирования их технического состояния естественным образом распадается на две части.
1. Оперативное наблюдение за функционированием системы. Результатом наблюдения является информация (количественная или качественная) о соответствии или несоответствии требованиям к объектам наблюдения. Если какое-либо требование не выполняется, то, естественно, сужается область возможных причин (дефектов), приведших к этому.
2. Анализ результатов наблюдения с целью определения дефектов объектов диагностирования и последующего их устранения.
Будем полагать, что техническое состояние диагностируемого объекта определяется физическими дефектами оборудования теплового узла, средств измерений, а также «поведенческими» дефектами системы.
Не претендуя на полноту отражения всех требований, предъявляемых к тепловым системам, и, тем более, формализацию класса дефектов тепловых узлов и средств измерений, отметим на содержательном уровне лишь некоторые из них для лучшего понимания сути излагаемого далее материала.
В качестве примера приведем часть основных требований, на выполнении которых заостряют внимание теплоснабжающие организации, являются следующие.
1. Расход теплоносителя не должен превышать определенной величины (отражена в договоре с теплоснабжающей организацией).
2. Измерения расхода должны осуществляться в диапазоне, обеспечивающем требуемую точность для используемого средства измерения.
3. Разность температур теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах теплового узла (приведенная к температуре наружного воздуха) должна быть не меньше определенной величины.
4. Разность расходов в прямом и обратном трубопроводах закрытой системы теплопотребления не должна превышать величины 2% от (Мпр + Мобр), где Мпр(.Мобр) - расход теплоносителя по показаниям прибора в прямом (обратном) трубопроводе.
Источником информации для определения соответствия тепловых систем требованиям нормативной базы, являются средства измерения, определяющие и аккумулирующие значения величин основных параметров отэ.
Дефекты объектов диагностирования будем подразделять на поведенческие и физические. Поведенческие дефекты связываются с возникновением нештатных и критических (предаварийных) ситуаций, которые необходимо своевременно выявлять и устранять во избежании ситуаций аварийных. Примерами поведенческих дефектов являются нештатные ситуации, приводящие к нарушению требований 1-5-3, приведенных выше.
Методика аудита приборного учета тепловой энергии
Одной из основных характеристик качества результатов измерений является их достоверность. Использование недостоверных результатов в технологическом процессе может привести к весьма нежелательным, а порой и необратимым последствиям - брак выпускаемой продукции, аварии технологического оборудования. Недостоверные результаты, используемые в коммерческих целях (например, коммерческий учет тепловой энергии), ведут к нарушению экономического баланса во взаимоотношениях продавца и потребителя.
Определение достоверности результатов измерений [67, 73] - задача весьма непростая. Более того, решить эту задачу исчерпывающе не всегда возможно. Действительно, имея лишь один измерительный прибор, невозможно судить о достоверности результатов его измерений даже в том случае, если прибор прошел поверку и, следовательно, должен удовлетворять характеристикам, приведенным в его паспорте. Это объясняется тем обстоятельством, что условия поверки и реальных измерений зачастую весьма существенно различаются. Например, при измерении расхода теплоносителя в системе теплопотребления на результат измерений влияют многие факторы, такие как наличие различных примесей (фракций) в теплоносителе, вибрации, правильность установки расходомеров, температура теплоносителя и т.д. Однако в основном к недостоверным результатам приводят метрологические дефекты измерительных приборов. Большое внимание исследователей привлекают дефекты, связанные с постепенной деградацией метрологических характеристик приборов, приводящих к тому, что со временем погрешность измерений превышает указанную в паспорте прибора допустимую величину.
Рассмотрим другой класс метрологических дефектов, приводящих к значительным искажениям результатов измерений. Он специфичен, относится к измерительному оборудованию отдельных производителей и связан с превышением значения измеряемой величины верхнего порога динамического диапазона прибора [74] (в котором должна обеспечиваться требуемая точность измерений).
В ряде случаев для оценки достоверности можно воспользоваться базовыми закономерностями, свойственными объекту, параметры которого подлежат измерению.
Однако в отдельных случаях можно с большой степенью вероятности, практически гарантированно, выделять недостоверные результаты измерений. Причем речь идет не о крайних случаях, таких, например, как следующий: результат измерения расхода теплоносителя равен 0, в то время как с очевидностью наблюдается его транспортировка по трубопроводу, в который встроен расходомер. Поскольку подобные крайние случаи выявляются обычно без всяких затруднений, они не представляют особого интереса.
Вернемся к нетривиальному случаю, при котором превышение верхнего порога динамического диапазона измерительного прибора приводит к неадекватным результатам измерений. Примером измерительного прибора, для которого характерны подобного рода метрологические дефекты, является теплосчетчик Multical III UF (Дания).
Этот теплосчетчик, в отличие от большинства других, обладает следующим недостатком. При выходе измеряемой величины расхода теплоносителя за верхнюю границу динамического диапазона измерений (д.д.и.) прибора Мтах (в котором должна обеспечиваться требуемая точность измерений) этот прибор не фиксирует нештатную ситуацию. Данный недостаток не является существенным при использовании таких измерительных приборов в стране производителя (как, впрочем, и во многих других странах), поскольку тепловые узлы в системах теплопотребления в обязательном порядке оснащаются средствами автоматического регулирования, не позволяющими выйти расходу теплоносителя за пределы допустимой величины. Существующая практика, характерная для сегодняшней России, перегружена тепловыми узлами, в которых либо отсутствует, либо неисправна тепловая автоматика.
Результаты измерений, записываемые в память интегратора, в зависимости от величины превышения допустимого порога, приведены на графике (рис. 4). Здесь в качестве примера приведены результаты измерений расхода прибором со значением верхней границы динамического диапазона Мпах=10т/ч в сопоставлении с фактическими величинами расходов. Результаты получены на проливочном стенде, используемом для поверки датчиков расхода.
Платформа для проектирования информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики
Одно из основных направлений работ лаборатории технической диагностики института автоматики и процессов управления ДВО РАН, ориентировано на разработку, внедрение и сопровождение информационно-аналитических систем (ИАС) мониторинга и анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики Дальневосточного региона России. В этой связи уместно отметить следующие законченные и эксплуатируемые в настоящее время ИАС. В 2000 году была завершена разработка системы оперативного наблюдения и анализа потребителей тепла «СОНА» [8, 11, 13, 44], используемой до настоящего времени при сервисном обслуживании тепловых узлов и установленных на них приборов учета тепловой энергии. С 2001 года во Всероссийском детском центре «Океан» эксплуатируется ИС мониторинга и анализа эксплуатационных режимов источников теплоты «ИСМА-ОКЕАН» [7,45,46,47].
Длительный опыт эксплуатации и сопровождения выше приведенных систем [9, 12, 19] показал, что выбранные ранее простые средства и архитектурные решения уже не соответствуют масштабам системы и современным технологическим средствам разработки программ. Появилась потребность в модернизации системы и создании аналогичных программных средств для других объектов теплоснабжения. Опыт развития и модернизации аналогичных систем других разработчиков, а также собственные практические и теоретические наработки показывают основные направления развития системы.
Появление систем автоматизации разработки программных систем АСУ ТП (SCADA) как зарубежных, так и отечественных производителей, позволяет строить обширные и разветвленные сети сбора данных, включая в них измерительные приборы различных типов и обеспечивающих драйверами доступа к ним. Использование средств быстрой разработки программных систем CAD/CASE исключает перепрограммирование модулей системы при отсутствии новых типов измерителей, а при добавлении новых типов устройств требует лишь написания дополнительных драйверов и включение их в систему.
Ведущими принципами при создании новой версии информационно-аналитической системы для ОТЭ являются следующие:
1. Поэтапность разработки программных средств в приоритетном порядке. Приоритетность разработки определяется наличием реально используемых типов измерителей и перспективностью их использования в будущем.
2. Унификация форматов данных и протоколов обмена данными для различных типов измерителей и средств связи подсистем, а также между подсистемами (единообразное описание интерфейсов обмена данными между подсистемами)
3. Модульная организация, с обеспечением добавления новых и удаления устаревших модулей из системы без ее полной перетрансляции. Возможность модульной реализации системы, в частности, обеспечивается стандартизацией форматов данных и интерфейсов взаимодействия модулей.
4. Иерархическое, многоуровневое построение, которое в сочетании с модульностью позволяет формировать автоматизированные рабочие места (АРМ) с различной функциональностью.
5. Многоуровневое протоколирование работы системы с различной степенью подробности и с возможностью полного сохранения данных, полученных из внешних источников (то есть от приборов) и повторного ввода сохраненных исходных данных.
6. Полное тестирование подсистем на стендах и в период внедрения и опытной эксплуатации - то есть работа на самом подробном уровне протоколирования с регулярным анализом функционирования системы по этим протоколам и накоплением статистических данных по быстродействию, объемам данных и отказам всех устройств/функций/подсистем.
7. Возможность тиражирования (клонирования) системы. Упрощение настройки и реконфигурации системы для установки на новый объект эксплуатации без изменения и перепрограммирования и перетрансляции исходного кода, возможность введения новых типов приборов (использование стандартных драйверов устройств от поставщика оборудования или их самостоятельная разработка при отсутствии стандартных) и их включение в систему по возможности без изменения существующего кода (т.е. необходимо иметь развитый набор метасистемных средств для наращивания ее функциональных возможностей и соответствующих АРМ администрирования и конфигурации системы).
8. Увеличение объема хранимых данных, как в связи с увеличением числа обслуживаемых объектов и числа измерителей на них, так и удлинением хранимой истории измерений приводит к обработке значительного объема данных и выборке по разнообразным запросам для фильтрации и анализа данных.
Развитие аналитических возможностей системы. Современные методы математической статистики [1, 78, 79] и анализа ("добычи") данных [80] (OLAP и Data-Mining) уже давно используются в области финансов, маркетинга, медицине, системах поддержки принятия решений и имеют разнообразные средства для построения и анализа таких моделей по фактическим рядам данных различного вида. Имеется несколько программных пакетов как отечественных (например, пакет «СТАТИСТИКА» от StatSoft) так и зарубежных разработчиков, в том числе разработчиков СУБД.
Похожие диссертации на Разработка методов и средств анализа и диагностирования объектов теплоэнергетики с использованием ретроспективной информации
