Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния управления системой теплоснабжения 10
1.1. Анализ существующих схем подключения систем теплоснабжения к тепловым сетям 10
1.2. Анализ закономерностей и функциональных связей в управлении процессами теплоснабжения зданий 20
1.3. Анализ средств и методов реализации систем многоконтурного управления теплоснабжением зданий. Постановка задач исследования 29
Выводы по главе 1 34
ГЛАВА 2. Исследование и разработка математической модели процесса управления контуром системы теплоснабжения, подключенной к тепловым сетям по зависимой схеме 36
2.1. Экспериментальные исследования динамических параметров контура системы централизованного теплоснабжения, подключенной к тепловым сетям по зависимой схеме 36
2.2. Разработка математической модели процесса теплоснабжения при подключении отопительного контура к тепловым сетям по зависимой схеме и исследование работы модели в стационарном режиме 44
2.3. Исследование нестационарного режима работы контура системы теплоснабжения, подключенного к тепловым сетям по зависимой схеме 57
2.4. Моделирование оптимального режима функционирования системы теплоснабжения, подключенной по зависимой схеме к источнику тепла 64
Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3. Разработка и исследование алгоритма управления многоконтурной системой теплоснабжения, подключенной по зависимой схеме к тепловым сетям 72
3.1. Разработка и исследование структуры системы управления многоконтурным теплоснабжением здания при зависимом подключении к тепловым сетям 72
3.2. Создание алгоритма работы системы управления многоконтурным теплоснабжением здания при зависимом подключении к тепловым сетям 86
3.3. Реализация и исследование системы многоконтурного теплоснабжения здания при зависимом подключении к тепловым сетям 94
Выводы по главе 3 109
Заключение 111
Список используемой литературы 113
- Анализ закономерностей и функциональных связей в управлении процессами теплоснабжения зданий
- Разработка математической модели процесса теплоснабжения при подключении отопительного контура к тепловым сетям по зависимой схеме и исследование работы модели в стационарном режиме
- Моделирование оптимального режима функционирования системы теплоснабжения, подключенной по зависимой схеме к источнику тепла
- Реализация и исследование системы многоконтурного теплоснабжения здания при зависимом подключении к тепловым сетям
Анализ закономерностей и функциональных связей в управлении процессами теплоснабжения зданий
В процессе централизованного теплоснабжения можно выделить три последовательных этапа, состоящие в подготовке, транспортировке и распределении теплоносителя. В соответствии с этим системы теплоснабжения содержат следующие основные элементы: источники теплоты (например, котельные или теплоэлектроцентрали), тепловые (паровые или водяные) сети и потребители теплоты.
Основными потребителями теплоты в системах теплоснабжения являются устройства отопления и вентиляции зданий, устройства горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха. Эффективность систем отопления и вентиляции зданий определяется, прежде всего, способностью поддержания в обслуживаемом помещении требуемых параметров микроклимата и чистоты воздуха, а также эксплуатационными энергетическими затратами.
Управление подачей тепла может осуществляться в различных элементах теплоснабжающей системы. В соответствии с этим различают: 1) центральное управление, которое производится в источниках централизованного теплоснабжения; 2) местное управление, осуществляемое на центральных (ЦТП) или индивидуальных тепловых пунктах (ИТП); 3) индивидуальное управление, которое осуществляется непосредственно на отопительных приборах.
При центральном управлении относительно высокое качество теплоснабжения, характеризуемое несущественными отклонениями от допустимых температур внутри каждого отапливаемого здания, достижимо только при однородной тепловой нагрузке района, например, при чисто отопительной нагрузке. Такое условие выполняется редко. Кроме того, в процессе центрального управления не может быть учтено влияние возмущающих факторов солнечного излучения и направления ветра на теплоснабжение зданий, по-разному ориентированных относительно сторон света. Не учитывается при этом и транспортное запаздывание, связанное с небольшой скоростью движения воды в тепловых сетях и различной удаленностью тепловых потребителей от источника теплоснабжения.
Лучших результатов можно добиться при сочетании центрального, местного и индивидуального управления. Однако чаще всего ограничиваются только применением центрального и местного управления в связи с тем, что производство оборудования для индивидуального управления является весьма дорогостоящим. При отсутствии индивидуального управления даже при хорошей начальной настройке абонентской системы различное потребление воды теми или иными приборами приводит к нарушениям температурного режима в отдельных точках.
Тепловой нагрузкой абонентов можно управлять за счет изменения следующих параметров: - температуры подаваемого горячего теплоносителя на входе в прибор; - расхода греющего теплоносителя через прибор; - величины поверхности нагрева; - коэффициента теплопередачи нагревательного прибора; - длительности работы (управление «пропусками»); - среднего температурного напора, например, путем переключения со схемы противотока на схему прямотока.
При центральном управлении возможно использование только двух параметров: температуры и расхода греющего теплоносителя. На значения остальных параметров можно влиять, как правило, только при местном управлении. Наибольшее распространение получили системы с центральным качественным управлением, при котором осуществляется изменение температуры на входе в отопительное устройство. Такие решения нередко дополняются количественным управлением на ЦТП или ИТП, состоящим в изменении расхода теплоносителя. При этом требуется также управление абонентскими вводами.
При централизованном водяном теплоснабжении применяют три основных схемы присоединения насосного водяного отопления к наружным тепловым сетям (рис. 1.1) [15; 55; 103].
Независимая схема присоединения системы отопления (СО) (рис. 1.1, а) содержит теплообменник. Систему заполняют подготовленной водой из обратного трубопровода Т2 тепловой сети, используя давление в ней или подпиточный насос.
Разработка математической модели процесса теплоснабжения при подключении отопительного контура к тепловым сетям по зависимой схеме и исследование работы модели в стационарном режиме
При управлении по возмущению датчики устанавливаются снаружи помещения, а в системе отопления поддерживается заданный температурный график в зависимости от наружных метеоусловий [1]. Температурный график устанавливается в зависимости от регламентируемой подачи теплоты, учитывающей технологические характеристики системы отопления и особенностей теплового режима здания. Преимущество данного подхода состоит в том, что управление осуществляется по основным факторам, определяющим тепловой режим потребления здания. Так как в контур управления не входят помещения здания, обладающие большой инерционностью, то система обладает хорошими динамическими характеристиками. Данный метод предполагает наличие обратной связи по параметру теплоносителя. Система оказывается замкнутой по управляемому параметру, а если установлен датчик температуры теплоносителя в обратном трубопроводе, то в контур системы управления войдет и система отопления. Недостатком управления по возмущению является то, что при этом реакция осуществляется только на те возмущения, которые оцениваются датчиками и заложены в закон управления, и не учитываются особенности системы отопления как объекта управления и все многообразие возмущающих факторов.
Комбинированный подход состоит в сочетании рассмотренных выше подходов, например, сочетание управления по возмущению на входе с индивидуальным управлением отопительными приборами в каждом помещении [51, 97].
Для эффективного управления системой централизованного теплоснабжения зданий при зависимом присоединении к тепловым сетям необходимо на основе математической модели энергосбережения применить алгоритм совместного управления работой регулирующего клапана и смесительного устройства.
На основе анализа характеристик, представленных на рис. 2.1., можно предложить вариант эффективного теплосбережения, в соответствии с которым в режиме ночной экономии допускается снижение внутренней температуры отапливаемых помещений за счет того, что на определенный период времени уменьшается подача теплового потока через подающий трубопровод в систему отопления (рис. 2.2).
Эмпирические характеристики температур внутреннего воздуха в отапливаемом помещении ( tк ) и наружного воздуха ( tн ) в условиях режима ночной экономии Такой подход позволяет сэкономить часть поступающего на объект тепла. При этом требуется учет времени запаздывания поступающего в тепловую нагрузку тепла. Эта характеристика определяется экспериментально и обусловлена инерционностью тепловой нагрузки. Для создания математической модели управления параметрами теплоносителя, а также для анализа влияния постоянно изменяющихся погодных условий на тепловую нагрузку были проведены экспериментальные исследования системы отопления с управляемым смесительным устройством (рис. 2.3).
На рис 2.4 представлены кривые температур в точке смешения tA , отапливаемого помещения tк , наружного воздуха tн , а также кривая проходящего через клапан V1 расхода теплоносителя G1 (измеряется в м3/ч).
Экспериментальные характеристики работы системы в реальных условиях На рис 2.4 отражены изменения возмущающего параметра tн, реагирующего параметра tк и управляющих параметров tA и Gx. В случае спада наружной температуры в исследуемой системе увеличивается подача теплоносителя через клапан Vx и уменьшается частота вращения смесительного устройство N. Это контролируется датчиком температуры tA, установленным в точке А. Из-за инерции тепловой нагрузки этот спад величины t{ влияет на температуру внутреннего воздуха tк с некоторым запаздыванием. Компенсирование этого спада производится с помощью увеличения расхода теплоносителя Gx через клапан Vx. Это увеличение продолжается до появления точки минимума на кривой tк. Если температура tн стабилизировалась, то для восстановления параметра tк до номинального значения необходимо продолжить увеличения расхода Gx. Время, прошедшее с момента начала спада tн до конца спада tк, назовем постоянной запаздывания реакции системы тз. Время, прошедшее с момента начала спада tн до восстановления tк, назовем постоянной восстановления параметра тв.
Разработка математической модели процесса теплоснабжения при подключении отопительного контура к тепловым сетям по зависимой схеме и исследование работы модели в стационарном режиме
Процесс теплообмена при подключении по зависимой схеме системы отопления с насосным смешением теплоносителя представлен на рис. 2.5. Эта схема содержит следующие элементы: 1) подающий трубопровод; 2) обратный трубопровод; 3) клапан с энергоприводом VI; 4) клапан с энергоприводом V2; 5) смесительный насос N; 6) тепловую нагрузку (обогреваемое помещение) R; 7) управляющую систему (УС); 8) датчик температуры отапливаемого помещения; 9) датчик температуры наружного воздуха; 10) датчик температуры теплоносителя. Контур тепловой нагрузки обозначен ARBA.
Из подающего трубопровода горячая вода поступает на клапан V1, который предназначен для ее подачи на тепловую нагрузку R и создания номинальной температуры в обогреваемом помещении. Далее в точке А эта вода запитывает контур ARBA тепловой нагрузки R с помощью смесительного устройства N, поддерживающего постоянный тепловой поток части поступающей горячей воды через клапан V2. Отдавшая часть тепла вода после охлаждения в контуре попадает в обратный трубопровод и возвращается во внешнюю подающую систему. Насос N, работая в номинальном режиме с постоянной частотой оборотов вала, проталкивает через клапан V2 постоянную порцию охлажденной воды из контура ARBA. Если температура наружного воздуха снижается, то УС пропорционально увеличивает открытие клапана V1 и соответственно прикрывает клапан V2, что приводит к увеличению порции тепла, подаваемого на тепловую нагрузку R. Если температура наружного воздуха возрастает, УС пропорционально прикрывает клапан V1 и соответственно открывает клапан V2, что приводит к уменьшению порции тепла, подаваемого на тепловую нагрузку R.
Моделирование оптимального режима функционирования системы теплоснабжения, подключенной по зависимой схеме к источнику тепла
Анализ формулы (3.15) показал, что слагаемое, содержащее величину tк, соответствует большей инерционности по сравнению со вторым слагаемым, содержащим t1. Поэтому основной управляющей величиной в этом случае является температура t1 в подающем трубопроводе, а основной управляемой переменой - температура tA в точке А (рис. 3.1). С другой стороны, в качестве управляющей переменой можно использовать время г, что отражено на (рис. 3.4). Выражение (3.15) можно использовать для минимизации энергетических затрат в системе теплоснабжения [63-65]. отражающий зависимость температуры теплоносителя tА от времени чистого запаздывания тз и температуры горячего теплоносителя
График функции tА(rз, t1) Данный график дает возможность определить область значений температуры теплоносителя tА, подаваемого в систему отопления, в зависимости от конкретных значений времени чистого запаздывания тз и температуры теплоносителя t1, поступающего из тепловой сети. Это позволяет сократить время тестовой настройки работы системы управления на конкретном объекте.
Выражение (3.15) можно преобразовать к следующему виду: (3.16) В полученную формулу (3.16) включим переменную t . с помощью соотношения теплового баланса. В [121] была получена зависимость, связывающая параметры t{ , tA и tк: где к - безразмерная константа, учитывающая конструкцию трубопроводов системы отопления. Для определения величины к можно использовать следующую формулу: термическое сопротивление теплоотдачи от внешней поверхности стенки трубы к воздуху в обогреваемом помещении, Вт/м2С; - термическое тр сопротивление стенки трубы, Вт/м2С; d2 - внешний диаметр трубы, м; / -длина трубопроводов в системе отопления, м.
Т.к. на основе полученных экспериментальных данных установлено, что переходные характеристики исследуемого процесса имеют вид гладких кривых, то схему управления по каналу їд можно представить в виде последовательного соединения звена чистого запаздывания и апериодического звена 1-го порядка [119]: W=—-e-ST\ (3.25) со TS + l где т3 - время чистого запаздывания; Т - постоянная системы отопления; к - коэффициент усиления; S - параметр. Проведенный в первом разделе работы анализ показал, что существенными преимуществами обладает система многоконтурного теплоснабжения. Ее частным случаем является система, основанная на пофасадном управлении подачей тепла. Она состоит из нескольких подсистем – взаимосвязанных контуров для поддержания температурного режима в каждом из имеющихся фасадов здания [115].
На рис. 3.8 представлена схема пофасадного отопления здания, позволяющая управлять распределением теплоносителя по ветвям системы. Схема теплоснабжения здания с возможностью управления расходом теплоносителя по ветвям отопительной системы (n – количество ветвей системы отопления)
Данной схеме соответствует математическая модель процесса теплоснабжения, представленная в следующем виде: тс (0=—tf1 №1 (0+т2 (0 -— №2 (0; где 71 - температура входного трубопровода; Г2 - температура обратного трубопровода; Тві - температура і-й ветви СО; Тсо- температура на входе ветвей СО; G1 - расходы теплоносителя, поступающего из магистрального трубопровода; G2 - расход теплоносителя в обратном трубопроводе; Gei -расход теплоносителя в і -й ветви СО; Gco - расход теплоносителя на входе ветвей СО.
Первое соотношение системы (3.26) характеризует процесс смешивания теплоносителя из входного и обратного трубопроводов в предположении, что переходные процессы на участке смешивания протекают мгновенно. Второе уравнение дает баланс расходов по ветвям фасадов, третье - закон сохранения тепловой энергии в СО.
В момент изменения расхода теплоносителя Gei в /-й ветви изменяется весь набор управляющих параметров Gco =] je1,Ge2,...,Gm\, что приводит к варьированию величины Т2=\Гв1,Тв2,... Гт\. В результате изменение температуры обратного трубопровода Т2 и смешивание с сетевым теплоносителем с температурой 71 приводит к изменению температуры Тсо .
Для управления температурным режимом в анализируемой схеме (рис. 3.7) используется питающий клапан К1, циркуляционный насос N с приводом на подающем трубопроводе и набор клапанов Кв1,...,Кт в ветвях системы
Анализ схемы (рис. 3.7) показывает, что качественное управление параметрами теплоносителя возможно только на общем узле смешения, а в контурах (ветвях) системы возможно только количественное управление. Это не позволяет добиться необходимой индивидуальной температуры теплоносителя, подаваемого в систему отопления каждого контура. Отсутствие возможности качественно управлять параметрами теплоносителя в каждом контуре приведет к ситуации, когда температура подаваемого в систему отопления теплоносителя будет определяться в зависимости от возмущающих воздействии на самый нагруженный контур (ветвь северного фасада). Это в свою очередь приведет к перерасходу теплоносителя в других частях системы.
Реализация и исследование системы многоконтурного теплоснабжения здания при зависимом подключении к тепловым сетям
Сигнал с выхода электронного усилителя 27 поступает на вход магнитного усилителя 29, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на элемент управления скоростью вращения 12с. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 27 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 29. В результате уменьшается момент от привода 10с циркуляционного насоса 8с, снижая поступление в счетчик 19с расхода теплоносителя из обратной 4 магистрали. В результате, при увеличивающемся расходе теплоносителя, поступающего от источника 5 по прямой 3 магистрали, сокращается расход воды из обратной магистрали 4 При этом со стороны наружного ограждения северного фасада поступает смесь с более высоким потенциалом тепловой энергии. Это приводит к повышению температуры внутреннего воздуха, контактирующего с нагревательным элементом системы отопления 1с помещения 2.
В тоже время южный фасад отапливаемого здания подвергается интенсивному воздействию солнечной радиации. Поэтому температура наружного воздуха, контактирующего с наружным ограждением помещения 2, поднялась от м -10С до -68С. Тогда сигнал от датчика температуры 13ю с увеличенным значением поступает в элемент управления температуры 17ю.
Сигнал от датчика температуры 13ю имеет значение более высокое, чем сигнал от блока задания 26, поэтому на выходе блока сравнения 25 появляется сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 27 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 28. За счет этого в электронном усилителе 27 компенсируется нелинейность характеристики привода 12ю циркуляционного насоса 8ю. Сигнал с выхода электронного усилителя поступает на вход магнитного усилителя 29, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 12ю. Положительная полярность сигнала электронного усилителя 27 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 29. В результате увеличивается момент от привода 10ю циркуляционного насоса 8ю, увеличивая поступление в счетчик 19ю расхода теплоносителя из обратной 4 магистрали. В результате при уменьшающемся расходе горячего теплоносителя, поступающего от источника 5 по прямой магистрали 3, увеличивается расход из обратной магистрали 4. В систему отопления 1ю помещения 2 со стороны наружного ограждения южного фасада поступает смесь с более низким потенциалом тепловой энергии. Это приводит к понижению температуры внутреннего воздуха, контактирующего с нагревательным элементом системы отопления 1ю помещения 2.
Наличие потоков внутреннего воздуха с более высокой температурой, полученной от нагревательного прибора со стороны северного фасада и потока внутреннего воздуха с более низкой температурой из-за контакта с нагревательным прибором со стороны южного фасада, приводит к смешиванию потоков в помещении 2 и обеспечению нормируемых комфортных условий отапливаемого здания.
В предложенном варианте при преимущественной солнечной радиации на южный фасад и ветровой нагрузке на северный фасад отапливаемого здания, восточный и западный фасады подвергаются частичному воздействию с различной интенсивностью, как солнечной радиации, так и ветровой нагрузки. Поэтому процессы поддержания температурных режимов внутреннего воздуха в помещениях, расположенных со стороны восточного и западного фасада, аналогичны процессам управления подачей тепла к северному и южному фасадам. Изменение соотношения расходов теплоносителя регистрируется датчиком давления
В связи с тем, что наружное ограждение фасадов отапливаемого здания в течение отопительного периода с различной интенсивностью подвергаются изменяющимся погодно-климатическим воздействиям, отклонения от нормируемой разницы температур снаружи и внутри помещения 2 имеет широкие границы. Это требует для поддержания энергосберегающего расхода горячего теплоносителя осуществлять управление его подачей в прямую магистраль 3 с учетом изменяющегося давления в контуре повторной циркуляции для систем отопления 1с (1ю, 1в, 1з). В результате при обеспечении комфортных параметров температурного режима внутреннего воздуха в помещении 2 не требуется дополнительных затрат горячего теплоносителя для компенсации теплопотерь со стороны обдуваемого ветром северного фасада. Это связано с сокращением его расхода при поступлении тепловой энергии солнечного излучения со стороны южного фасада.
При отсутствии поступления теплоты солнечной радиации на наружное ограждение южного фасада и наличии ветровой нагрузки на северный фасад расход горячего теплоносителя в системе отопления 1с увеличивается для поддержания комфортных условий температурного режима помещения 2. Излишнее количество теплоносителя отбирается из обратной магистрали 4 в контуре повторной циркуляции, что приводит к снижению давления фиксируемого датчиком давления 15. При этом сигнал, поступающий от датчика давления 15 в регулятор давления 14, будет меньше, чем сигнал от блока задания 21 на выходе блока сравнения 20. Появляется сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 22 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 23. За счет этого в электронном усилителе 22 компенсируется нелинейность характеристики привода 9 циркуляционного насоса 6 контура общей циркуляции. Сигнал с выхода электронного усилителя 22 поступает на вход магнитного усилителя 24, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на элемент управления скоростью вращения 11.