Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОДИНАМИ ЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ 9
1.1. Характеристика геотермальных вод 9
1.2. Системы геотермального теплоснабжения 10
1.3. Проблема моделирования в гидрогеодинамике 12
1.4. Состояние изученности проблемы моделирования гидродинамических процессов 14
1.5. Состояние проблемы синтеза регуляторов для объектов
с распределенными параметрами 16
ГЛАВА 2. ЧАСТОТНЫЙ МЕТОД СИНТЕЗА СИСТЕМ С РАСПРЕДЕЛЕН НЫМИ ПАРАМЕТРАМИ 25
2.1. Основы частотного метода синтеза СРП 25
2.2. Исследование характеристик распределенного звена, охваченного положительной обратной связью 37
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ 44
3.1. Характеристика города Георгиевска и его теплового потребления 44
3.2. Геолого-гидрогеологическая изученность месторождения 47
3.3. Георгиевская опорная скважина 48
ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА
УПРАВЛЕНИЯ 49
4.1. Моделирование. :.............. 49
4.2. Построение математической модели количества отбираемой энергии. ..50
4.3. Расчет допустимого уровня понижения депрессионной воронки 51
4.4. Оценка эксплуатационных запасов термальных вод 57
4.5. Модель выкачки воды из одиночной скважины 60
4.6. Моделирование геофильтрации 63
4.7. Потери энергии в стволе скважины 67
4.8. Математическая и дискретная модели гидродинамических процессов геотермального пласта 73
ГЛАВА 5. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВОДООТБОРНЫМИ СКВАЖИНАМИ 93
5.1. Описание объекта управления 93
5.2. Конструктивные и физические параметры объекта управления 95
5.3. Анализ объекта управления 96
5.4. Синтез регулятора 98
5.5. Определение запасов устойчивости разомкнутой системы 100
5.6. Анализ работы замкнутой системы управления 101
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРА
ТУРЫ 107
ПРИЛОЖЕНИЕ! 121
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 137
- Характеристика геотермальных вод
- Основы частотного метода синтеза СРП
- Характеристика города Георгиевска и его теплового потребления
- Построение математической модели количества отбираемой энергии.
- Конструктивные и физические параметры объекта управления
Введение к работе
Проблема практического использования тепла Земли с каждым годом привлекает все более широкое внимание. В настоящее время основными энергетическими ресурсами в нашей стране являются: уголь, нефть и газ. В перспективных планах должно предусматриваться широкое использование солнечной, ветровой и геотермальной энергии. Несомненно, освоение, в частности, геотермальной энергии потребует научных исследований и разработок экономически доступных технологических схем.
Запасы геотермальных вод и пароводяных смесей оцениваются в размере более 25 млн. м3/сут (геотермальные воды) и 500 тыс. т/сут (пар). Распределяются эти ресурсы следующим образом: Западная Сибирь-54%, Предкавказье и Кавказ-12%, Средняя Азия и Казахстан-15%, Восточная Сибирь и Дальний Восток-19%.
Использование геотермальных вод в промышленных объемах начато сравнительно недавно. В 1964г. была создана специальная буровая организация по разведке месторождений геотермальных вод, в 1966г. - два промысловых управления по использованию глубинного тепла земли. Сейчас функционируют следующие управления по использованию глубинного тепла земли: Кавказское (г. Махачкала), Кубанское (г. Армавир) и Камчатское (г. Петропавловск-Камчатский), которые заняты в основном минеральными водами.
Характеристики выявленных геотермальных вод колеблются в весьма широком диапазоне: температура от 30 до 220С, минерализация 0,1-30 г/л. Основное направление использования геотермальных ресурсов - это теплоснабжение промышленных, жилищно-коммунальных и сельскохозяйственных объектов. Кроме того, геотермальные воды используются для технических целей, бальнеологии, для розлива минеральных вод, выработки электроэнергии. В перспективе предполагается широко использовать геотермальные ресурсы для выработки электроэнергии и теплоэнергии в промышленных масштабах, извлечения из них ценных компонентов, выработки биомассы для сельского хозяйства, термической обработки нефтяных горизонтов для повышения нефтеотдачи, орошения сельскохозяйственных угодий и т.д.
В ряде перспективных районов, первоочередными из которых названы Северный Кавказ и Закавказье, использование геотермальных ресурсов для целей теплоснабжения должно существенно повлиять на структуру топливно-энергетического баланса, вытеснить из него значительное количество традиционных видов топлива.
Определенный интерес в плане решения вопросов практического использования термальных вод представляет георгиевское месторождение Ставропольского края. На георгиевском месторождении из тархан-чокракских и майкопских отложений с глубин 1500 - 2500м выведены термальные (55 - 65С) и минеральные (йодо-бромные) воды с минерализацией 14-18 г/л. Подземные воды оценены как перспективные для использования с целью организации бальнеолечения и теплофикации.
Забота об охране природы и окружающей среды вызывает необходимость обеспечения рациональной разработки месторождений термальных и минеральных вод с учетом трудно разрешимой проблемы утилизации минерализованных вод георгиевского месторождения и возможного распространения депрессиониой воронки при эксплуатации подземных вод.
Опыт использования геотермальных ресурсов в нашей стране указывает на высокую народнохозяйственную эффективность и конкурентоспособность этого нового направления энергетики.
Однако технико-экономический анализ современного состояния использования геотермальных ресурсов выделяет ряд проблем, тормозящих развитие молодой отрасли, некоторые из них рассмотрим в процессе работы.
Одной из центральных проблем теории и практики автоматического управления является проблема расширения класса «стандартных» распреде- ленных звеньев, из которых формируется структура регулятора в процессе синтеза, и разработки математической модели объекта регулирования, в качестве которого в данной работе рассматриваются гидродинамические и тепловые процессы в водоносном горизонте пачки «В» майкопской серии. В связи с этим, целью работы является: разработка дополнительного «стандартного» распределенного звена и исследование его характеристи; разработка тепловых и гидродинамических моделей рассматриваемого водоносного горизонта; определение количества энергии, которое можно забирать из водоносного горизонта пачки «В» майкопской серии; синтез распределенной системы управления водозабором, исходя из обес печения требуемого уровня депрессионной воронки.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи; разработана структура и исследованы характеристики дополнительного «стандартного» распределенного звена; обобщен и проанализирован опыт по изучению водоносного горизонта пачки «В» майкопской серии с учетом последних научных разработок и рекомендаций; определено количество энергии, которое можно забирать при эксплуатации водоносного горизонта, не нарушая при этом гидродинамики пласта; построены математическая и дискретная модели, описывающие забор воды из водоносного горизонта пачки «В» майкопской серии; исследована динамика объекта управления и синтезирован распределенный регулятор для системы управления водозаборными скважинами.
Научная новизна: расширен класс «стандартных» распределенных звеньев, используемых в процессе синтеза распределенного регулятора и анализа распределенных входных воздействий; разработана математическая модель гидродинамических и тепловых про цессов рассматриваемого геотермального пласта; рассчитаны максимально возможные уровни понижения депрессионной воронки; синтезирована распределенная система управления параметрами депресси онной воронки; проведен анализ распределенного объекта управления, на основе которого синтезирован распределенный высокоточный регулятор.
На защиту выносятся следующие положения: методика определения количества энергии, которое можно забирать при эксплуатации водоносного горизонта без нарушения гидродинамики пласта. » построение математической и дискретной моделей, описывающих забор воды из водоносного горизонта. задача синтеза распределенного регулятора для системы управления водо заборными скважинами.
Практическая значимость и реализация работы.
Результаты исследований используются для практической оценки тепловых возможностей исследуемого геотермального пласта и определения экономической и технической эффективности создания системы теплоснабжения г. Георгиев ска.
Все методики, рассмотренные в работе, доведены до конкретных конструктивных предложений и могут быть использованы в инженерной практике освоения геотермальных месторождений.
Работа выполнена по заданию Федерального агентства по образованию РФ ВУЗу ПГТУ на проведение в 2006 - 2007г.г. научных исследований по тематическому плану. Наименование НИР: «Анализ и синтез систем с распределенными параметрами».
Указанные методики построения математических моделей распределенных процессов внедрены в учебный процесс Пятигорского государственного университета по специальности 220201.65 (210100) ~ Управление и информатика в технических системах (используются в курсовом и дипломном проектировании, при чтении лекций по спец. курсам).
Апробация работы.
Материалы диссертации опубликованы в 10 научных работах и докладывались на 3-й Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии», г. Санкт-Петербург, 2005г.; 2-й международной научно-технической конференции «Инфокоммуникационные технологии в науке и технике», г. Кисловодск, 2006г.; международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика», г. Пятигорск, 2006г.
Структура и объём работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 139 наименований, 2-х приложений. Содержание работы изложено на 120 страницах, содержит 28 рисунков, 11 таблиц.
Характеристика геотермальных вод
Технические требования, предъявляемые к геотермальным ресурсам, могут быть различными в зависимости от сферы их использования (выработка электроэнергии, отопление, техническое водоснабжение и т.д.). В свою очередь, область применения и эффективность использования геотермальных вод, того или иного месторождения, зависит от их энергетического потенциала, общего их запаса и дебита скважин, химического состава, минерализации и агрессивности вод, наличия потребителя и его удаленности, температурного и гидравлического режима скважин, глубины залегания водоносных пластов, их характеристик и некоторых других факторов.
Как показывает опыт, в большинстве случаев наиболее эффективной областью использования геотермальных вод является отопление, горячее и техническое водоснабжение промышленных, гражданских, коммунальных и сельскохозяйственных объектов.
В соответствии с приведенными факторами геотермальные месторождения можно классифицировать по температуре, степени водоотдачи пластов, химическому составу, газовой насыщенности, степени минерализации, характеру применения.
По степени водоотдачи геотермальные скважины разделяются на высо-кодебитные (0,02м /с и более), среднедебитные (0,005-0,02м /с) и малодебит-ные (менее 0,005м3/с).
Температура отдельных геотермальных вод колеблется в довольно широких пределах. Поэтому температура, как критерий для подразделения подземных вод по их качественным показателям, нашла отражение во многих зарубежных и отечественных классификациях. В связи с разносторонним подходом к оценке геотермальных вод по их качественным показателям и значительной условностью при выборе температурного диапазона, единой классификации пока нет. По тепловому потенциалу геотермальные воды можно разбить на следующие группы: перегретые (более 100С), высокотермальные (60-100С), термальные (40-60С) и слаботермальные (до 40СС).
Геотермальные воды по степени минерализации подразделяются на пресные (до 1 г/л), слабосолоноватые (1-3 г/л), сильносолоноватые (3-Ю г/л), слабосоленые (10-20 г/л), соленые (20-35 г/л), сильносоленые (35-50 г/л), слабые рассолы (50-75 г/л), рассолы (75-100 г/л), крепкие рассолы (более 100 г/л). Для нужд теплоэнергетики могут быть использованы и высокоминерализованные воды, однако, в каждом конкретном случае необходимо находить оптимальные технико-экономические решения.
Подразделение геотермальных вод по химическому признаку основано на классификации Сулина. При этом выделяют четыре типа вод: гидрокарбо-натно-натриевый, сульфатно-натриевый, хлормагниевый, хлоркальциевый.
По газовому составу геотермальные воды подразделяются на агрессивные (углекислые и сероводородные) и нейтральные (азотные и метановые).
Химический и газовый состав геотермальных вод, а также минерализация, наряду с энергетическим потенциалом, должны учитываться при выборе схемы или системы теплоснабжения.
Основы частотного метода синтеза СРП
Рассмотрим основные результаты, полученные в /71/, по разработке частотного метода синтеза СРП. Обобщение критерия Найквиста на системы управления, передаточная функция которых может быть представлена отношением аналитических целых функций, основывается на использовании принципа аргумента для аналитических функций где Ф р (s) - передаточная функция разомкнутой системы; mj - число нулей функции 1+ Ф р (s), лежащих в контуре с; 1 - число полюсов функции 1+ Фрф, лежащих в контуре с.
Приведено доказательство критерия Найквиста для систем управления, передаточные функции которых (Op(s)) могут быть представлены отношением аналитических целых функций. При отображении контура а на всю правую полуплоскость s показано, что для устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы mi - m2=0. Основная трудность применения критерия Найквиста к системам управления, передаточные функции которых представлены в виде отношения аналитических целых функций, связана с необходимостью вычисления разности mj - т2, которая может оказаться разностью двух бесконечно больших чисел. В /31/ приведены условия, которым должна удовлетворять передаточная функция разомкнутой системы, представленная в виде отношения аналитически целых функций. Эти условия заключаются в следующем: \\mp\s) = const ; внутри контура интегрирования передаточная функция должна быть мероморфной. Таким образом, необходимо исследовать в каждом конкретном случае передаточную функцию разомкнутой системы. Пространственно-инвариантную систему управления можно представить как совокупность независимых контуров управления по каждой пространственной моде входного воздействия. В /71/ показано, что если каждый контур асимптотически устойчив, то и система управления в целом устойчива. Передаточная функция по каждому контуру пространственно-инвариантной системы может быть представлена отношением бесконечных полиномов. Для определения возможности применения критерия Найквиста к каждому контуру системы управления необходимо, провести анализ передаточной функции каждого из контуров. Примеры исследования передаточных функций показаны в /68-78/. Пусть имеется передаточная функция разомкнутой пространственно-инвариантной системы управления по каждой моде входного воздействия
Характеристика города Георгиевска и его теплового потребления
Город Георгиевск - город краевого подчинения, расположен в восточной части Ставропольского края.
Это один из промышленных центров. В целом Георгиевский район является, преимущественно, сельскохозяйственным. Климат района континентальный, с довольно резкими колебаниями температур, значительным количеством осадков и сильными ветрами. Осадки выпадают, в основном, в осенне-зимнее время года. Территория Георгиевского района представляет собой неравномерно расчлененную равнину 121, понижающуюся с запада (абсолютные отметки 450 - 500 м) на восток и северо-восток (130 - 150 м). В этом же направлении резко очерченные формы рельефа постепенно сглаживаются, долины рек, речек, балок приобретают мягкие пологие очертания и ландшафт становится типично равнинным. Поверхность городской территории характеризуется равнинным рельефом с общим уклоном на восток в сторону реки Подкумок. При определении тепловых нагрузок городских потребителей климатологическая характеристика города Георгиевска принята следующая:
1. Расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем отопления- 18 С.
2. Средняя температура наиболее холодного месяца —4,1 С.
3. Средняя температура наружного воздуха за отопительный период - 0 С.
4. Средняя продолжительность отопительного периода - 175 суток.
Город условно разделен на три планировочных района: северный, центральный, южный. Северный район - это район преимущественно одноэтажной и индивидуальной застройки. В центральном районе, наряду с индивидуальной застройкой, имеется 1-5 этажный жилой фонд. Южный район застроен индивидуальными жилыми домами.
При определении среднечасовых расходов тепла на бытовое горячее водоснабжение норма расхода горячей воды в жилых многоэтажных зданиях, оборудованных ванными, принята равной 105 литров в сутки на одного жителя. Для жителей неблагоустроенной одноэтажной застройки средняя норма расхода горячей воды - 8,3 литров в сутки на одного жителя.
Удельные среднечасовые расходы тепла на горячее водоснабжение при расчетной температуре воды 55С составили для жителей многоэтажной застройки 218,8 ккал/ч-чел, а в одноэтажной неблагоустроенной застройки -17,3 ккал/ч-чел.
При определении удельных среднечасовых расходов тепла на горячее водоснабжение общественных зданий нормы расхода горячей воды (при расчетной температуре 55С) были приняты для зданий микрорайонного значения в количестве 15 литров в сутки и для зданий районного городского значения - 10 литров в сутки на одного жителя. Удельные среднечасовые расходы тепла на горячее водоснабжение на одного жителя по общественным зданиям определялась, при расчетной температуре горячей воды 55С и составляют на одного жителя для зданий микрорайонного значения 31,3 ккал/ч и для зданий городского значения - 20,8ккал/ч.
Суммарная тепловая нагрузка потребителей города на уровне 1990г. определена в количестве 368,7 т/ч пара и 229,6 Гкал/ч в горячей воде, в том числе: тепловая нагрузка жилищно-коммунального сектора города, покрытие которой предусматривается от системы централизованного теплоснабжения составляет 74,1 Гкал/ч наибольшее тепловое потребление ожидается в Южном (33,8 Гкал/ч) и Центральном (31,9 Гкал/ч) районах, суммарной тепловой нагрузки жилищно-коммунального сектора.
В настоящее время теплоснабжение жилых и общественных зданий города, оборудованных системами центрального отопления, осуществляется от 35 отопительных котельных с котлами типа ДКВР, Универсал, ТВГ, Энергия и ФНКВ.
Все отопительные котельные в качестве основного топлива используют природный газ ставропольских месторождений. Теплоснабжение промышленных предприятий города осуществляется от 28 собственных источников тепла.
class4 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА
УПРАВЛЕНИЯ class4
Построение математической модели количества отбираемой энергии
Количество отбираемой энергии зависит от дебита термоводозабора, а дебит влияет на размер депрессионной воронки и на понижение уровня в водоносном горизонте и водоупорных пластах. Поэтому для построения математической модели необходимо:
1. Определить количество отбираемой энергии;
2. Определить допустимый уровень понижения депрессионной воронки;
3. Оценить эксплуатационные запасы термальных вод;
4. Составить математическую модель процесса выкачки воды из оди
ночной скважины.
Расчет допустимого уровня понижения депрессионной воронки
Задачи гидрогеологических расчетов при оценке эксплуатационных запасов подземных вод, как уже отмечалось, связаны с определением возможной производительности водозаборных сооружений в определенных условиях работы (срок эксплуатации, обеспечение надлежащего качества воды, экономическая эффективность). Обычно на практике расход водозаборных сооружений принимается известным и равным проектируемому водопотреб-лению. В отдельных случаях требуется определение максимально возможной производительности водозаборных сооружений. Расчетная величина понижения уровня воды в скважинах проектируемого водозабора Sc к концу периода его эксплуатации не должна превышать максимально допустимого в конкретных природных условиях понижения Здоп- При Бс доп производительность водозабора, а соответственно и эксплутационные запасы считаются обеспеченными на принятый в расчетах срок.
Величина допустимого понижения Бдоп устанавливается в конкретной природной обстановке исходя из возможностей водоподъемного оборудования и характера залегания водоносных горизонтов.
Прогнозирование допустимых понижений при оценке эксплутацион-ных запасов термальных вод пачки «В» майкопской серии производилось с использованием фактических данных по скважинам Георгиевской опорной и 1Ге, пробуренных в связи с разведкой нефтегазоносности недр. Полученные данные и величины поправок, учитывающих эффект термолифта (Sm), потери напора на трение (ASW), газонасыщенность подземных вод (ASr), значения допустимых понижений приведены в таблицах 4.1,4.2,4.3,4.4.
Конструктивные и физические параметры объекта управления
Конструктивные параметры объекта управления приведены в таблице 5.1. (значения параметров заданы в системе СИ).
Конструктивные параметры
Физические параметры, используемые при моделировании объекта управления были выбраны следующими (с учетом верификации модели объекта управления): Коэффициент фильтрации - Коэффициент Число шагов дискретизации по координатам x,y,z было выбрано равным 20. Шаг по координатам: Ах= 150 м, ду = 130 м., AZ = 20M.
Перетекание между горизонтами не учитывалось из-за ограниченного времени откачки. По этой причине коэффициент разделяющих глинистых прослоев задавался равным 10"5м/сут.
Анализ объекта управления
Входным воздействием на систему управления является желаемое понижение уровня, которое связано соотношением (4.31) с расходом. Изменяя расход, управляем понижением уровня в зоне заборных скважин
Функцией выхода системы управления служит текущее понижение уровня в зоне расположения контрольных скважин S(x = х ,у,т) .
Вычислим частотные характеристики объекта управления. Для этого представим входное воздействие (понижение уровня в зоне расположения заборных скважин) в виде:
