Раціональні режими відпуску теплоти при різних схемах теплопостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Раціональні режими відпуску теплоти при різних схемах теплопостачання

05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Федоров Олександр Павлович

Харків - 2000

Анотація

Федоров О.П. Раціональні режими відпуску теплоти при різних схемах теплопостачання. Дисертація є рукописом на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 1999.

У дисертації розглядається процес раціонального управління опалювальною системою, що включає у себе опалювальну котельну, магістральний теплопровід та теплорозподільчу станцію. Під час теплопостачання оптимізуються процес вмикання та вимикання окремих опалювальних котлів, температура і розхід теплоносія у ТМ. Для залежної системи теплопостачання обирається місце підмішування теплоносія, для незалежної - оптимальне положення пластинчатих теплообмінників. Задача раціонального управління опалювальною системою реалізована з застосуванням методів нелінійного математичного програмування.

Оптимальне управління опалювальною системою у режимі реального часу здійснюється за допомогою спеціально розробленого програмного комплексу, адаптованого до IBM PC/AT, а у відсутності комп'ютерного забезпечення - за допомогою пакета технологічних карт. Результати наданих досліджень впроваджені у виробництво.

Ключові слова: оптимальне управління, опалювальна система, магістральний теплопровід, опалювальна котельна.

Аннотация

Федоров А.П. Рациональные режимы отпуска теплоты при разных схемах теплоснабжения. Диссертация является рукописью на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 1999.

В диссертации предлагаются подходы, алгоритмы и программные экспериментально-вычислительные комплексы (ПЭВК) для оптимального управления системой теплоснабжения (СТ), которая включает в себя: отопительные котлы (ОК), тепловые сети (ТС) и теплораспределительные станции (ТРС).

Рассматриваются два варианта схемы транспортирования теплоносителя. Для первого варианта (зависимая система) необходимый зафиксированный расход теплоносителя в отапливаемом районе поддерживается путем подмешивания теплоносителя в подающую линию трубопровода из обратной на котельной или на входе в тепловой район. Для второго варианта эта цель достигается путем создания независимой системы теплоснабжения с использованием теплообменников.

Задача управления СТ ставится как задача нелинейного программирования. В качестве целевой функции используются суммарные тепловые и гидравлические потери в СТ в стоимостном исчислении. В состав параметров управления этой системой, которые в дальнейшем будут выбираться оптимальными с помощью методов нелинейного математического программирования, входят величины тепловых нагрузок на отдельные котлы и факторы, которые определяют расход теплоносителя в элементах ТС.

Математическая модель процесса теплоснабжения разработана с учетом потерь с уходящими газами, затрат на работу дутьевых вентиляторов, а также гидравлических потерь на котельной и в ТС. Осуществлена декомпозиция общей оптимизационной задачи оптимального управления СТ на локальные взаимосвязанные оптимизационные задачи, что позволило резко сократить время ее решения и сделало возможной ее реализацию с помощью недорогих компьютеров, которые надежно работают в производственных условиях. Благодаря декомпозиции были разделены задачи поиска оптимальных значений тепловых нагрузок на отдельные котлы и поиска оптимальных расходов теплоносителя в ТС. Для решения задачи оптимального управления в режиме реального времени были разработаны ПЭВК для РС/АТ. В отсутствии ПК оптимальное управление СТ осуществляется с помощью режимных карт, для разработки которых использовался соответствующий ПЭВК.

Для создания математической модели независимой СТ, элементом которой является модель пластинчатого теплообменника, был создан специальный экспериментальный стенд и проведены экспериментальные исследования, которые показали существенное влияние степени загрязнения теплообменника на результаты исследований всей СТ. Аппроксимация экспериментальных данных, полученных с помощью экспериментального стенда, позволила получить аналитические зависимости температур теплоносителя в различных контурах теплообменника в зависимости от соотношения расходов в них и общей тепловой нагрузки. Проведенные исследования показали, что экономические характеристики (цены топлива и электроэнергии) оказывают существенное влияние на результаты решения задачи оптимального управления. Показано также, что выбор точки подмешивания теплоносителя существенно влияет на оптимальные параметры управления СТ. Как правило, более выгодно подмешивать теплоноситель на ТРС.

Проведен анализ различных вариантов зависимых и независимых схем СТ в условиях оптимального управления ими. Показана целесообразность применения независимой СТ с пластинчатыми теплообменниками, установленными на объектах теплопотребления. Результаты представленных исследований внедрены в производство.

Ключевые слова: оптимальное управление, отопительная система, магистральный теплопровод, отопительная котельная.

котел управління опалювальний теплоносій

Summary

Fyodorov Olexander. Rational regimes of heat delivery for various heating schemes. The present thesis is a manuscript to complete for earning a candidate of technical science, the specialty 05.23.03 - Air-conditioning, lighting, heat and gas supply. The Kharkiv State Technical University of building and architecture, Kharkiv, 1999.

The thesis concerns the optimum control of heating system including heating boiler plant, heating main and heating transfer station. The processes of turning particular heating boilers on or off, heat-carrier temperature and flow rate control in the heating main are optimized when supplying consumers with heat-carrier. For dependent heating scheme re-entry point of heat-carrier shunt system is selected. For independent one the expedient location of heating transfer station with plate-type heat exchangers is done. The problem of heating system optimum control is realized by the methods of non-linear mathematical programming.

The real-time optimum control of heating system is carried out by the means of especially designed IBM PC/AT program or, if computer is not available, by the flow chart complements. The results of these researches are introduced into production.

Keywords: optimum control, heating system, heating main, heating boiler plant.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. На сучасний момент для задоволення потреб комунально-побутових споживачів населених пунктів України виробляється більш ніж 250 млн. ГДж теплової енергії на рік. Зокрема, у місті Харкові її виробляють три ТЭЦ, три районні котельні Московського, Дзержинського і Комінтернівского районів, 214 опалювальних (ОК) і виробничих котельних об'єднання “Харківтеплоенерго”, 665 відомчих котельних та ін. В цілому, у розпорядженні “Харківтеплоенерго” знаходиться 165 теплові розподільчі станції (ТРС). Багато з цих елементів системи теплопостачання (СТ) знаходяться у стані, який вимагає модернізації, цілі якої - підвищення економічної ефективності, екологічної надійності і т.п. У зв'язку з цим у дисертації пропонуються підходи, алгоритми та програмні експериментально-обчислювальні комплекси (ПЕОК) для раціонального управління СТ, що охоплює ОК, теплові мережі (ТМ) та ТРС. А якщо врахувати при цьому, що загальна довжина магістральних, розподільчих і середквартальних мереж у м. Харкові перевищує 1600 км, необхідність урахування втрат у них стає очевидною.

До складу параметрів управління цією системою, що далі будуть обиратися оптимальними за допомогою методів нелінійного математичного програмування (НМП) входять величини теплових навантажень на окремі котли та фактори, що визначають розходи теплоносія у елементах ТМ. Розглядаються два варіанти схеми транспортування теплоносія.

У першому варіанті (залежна система) потрібний зафіксований розхід теплоносія у опалювальному районі (Gр, кг/с) підтримується за рахунок підмішування теплоносія у пряму лінію трубопроводу з зворотної на котельній або на вході у тепловий район.

У другому - ця мета досягається шляхом створення двохконтурної незалежної системи теплопостачання з використанням теплообмінників. Розхід у зовнішньому контурі не змінюється, а у внутрішньому залежить від кількості ввімкнутих котлів.

Усе доведене вище свідчить, що кількість факторів, які впливають на цільову функцію (економічну ефективність) та систему обмежень у задачі раціонального управління СТ, дуже велика, та їх урахування під час вибору оптимального рішення суттєво ускладнено та може бути реалізовано тільки за допомогою сучасної обчислювальної техніки та відповідного програмного забезпечення - спеціалізованих обчислювальних комплексів. Саме цій задачі присвячена запропонована дисертація, що визначає її актуальність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана автором у 1996-1999 роках у відповідності з Держпограмою Міністерства Освіти України “Енергоресурсозберігаючі технології раціонального використання палива у будівельному виробництві” д/б теми № 0045 і відповідає основним напрямкам наукової роботи кафедри ТГВ і ТВЕР ХДТУБіА.

Метою дослідження є зниження витрат паливно-енергетичних ресурсів на ОК та ТМ за рахунок центрального управління на котельних та ТРС, а саме оптимального розподілу розходів теплоносія у ТМ при виборі оптимальних навантажень на котли.

Задачі досліджень:

- формалізація та математична постановка задачі раціонального управління СТ як задачі НМП, що охоплює опалювальні котли, ТМ та ТРС;

- розробка математичної моделі об'єктів СТ, у тому числі розробка експериментального стенду для здійснення експериментальних досліджень з метою створення математичної моделі пластинчатих теплообмінників, що працюють у реальних умовах експлуатації;

- розробка метода та ПЕОК для комп'ютерного діалогового супроводження процесу центрального управління СТ у режимі реального часу. Під час розв'язання задачі методами НМП обирається оптимальний розподіл розходів теплоносія у ТМ при виборі оптимального навантаження на котли;

- розробка методів та ПЕОК для визначення оптимальних величин розходів Gтр, кг/с та температур t1, С теплоносія під час його транспортування через ТМ;

- розробка пакетів технологічних карт для раціонального управління СТ у відсутності комп'ютерного забезпечення;

- дослідження впливу геометричних та режимних характеристик СТ на результати рішення задачі раціонального управління цією системою.

Наукова новизна отриманих результатів роботи:

- на засадах математичних методів обробки результатів числового та натурного експериментів розроблено математичну модель функціонування СТ, формалізовано та поставлено як задачу НМП загальну оптимізаційну задачу раціонального управління СТ, тобто вибору оптимальних значень розходів теплоносія у ТМ при оптимальному розподілі навантаження між котлами;

- на засадах основних положень теорії складних систем здійснено декомпозицію загальної оптимізаційної задачі на задачі пошуку оптимальних значень навантажень на котли та розходів теплоносія у ТМ;

- отримані результати теоретичних та експериментальних досліджень дозволили запропонувати нові методи та залежності для раціонального управління СТ. У тому числі показано істотні економічні переваги підмішування теплоносія на ТРС у залежних СТ та встановлення теплообмінних апаратів на об'єктах теплоспоживання - у незалежних;

- отримані співвідношення для оцінки оптимальних значень температур та розходів у ТМ та ін.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено спеціальний експериментальний стенд та проведено великий обсяг експериментальних досліджень з метою створення математичної моделі пластинчатого теплообмінника, що працює у реальних умовах експлуатації;

- розроблено та апробовано ПЕОК, адаптований до IBM PC/AT, який дозволяє в режимі реального часу приймати оптимальні рішення з управління СТ;

- розроблено пакети технологічних карт для раціонального управління СТ у відсутності комп'ютерного забезпечення;

- розроблено пакети технологічних карт для паспортизації ТМ, що дозволяють визначити оптимальні значення Gопт та t1опт для різних величин теплового навантаження.

Особистий внесок здобувача:

- розроблено ПЕОК для комп'ютерного забезпечення центрального управління СТ у режимі реального часу і для створення відповідних пакетів технологічних карт;

- розроблено експериментальний стенд та проведено дослідження, які дозволили створити математичну модель незалежної СТ з пластинчатими теплообмінниками, що працюють у реальних умовах експлуатації.

На захист виносяться:

- інформаційно-управляючі системи управління СТ у режимі реального часу;

- результати досліджень раціонального управління СТ за допомогою ПК та спеціально розроблених технологічних карт.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на республіканській науково-технічній конференції (м.Змійов, вересень 1991р.) та 53-й науково-технічній конференції ХДТУБіА (м. Харків, квітень 1999 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи надруковано п'ять наукових робіт у фахових виданнях країни.

1. Основний зміст роботи

У вступові обгрунтовано актуальність теми, доведені мета та основні завдання досліджень, охарактеризовані новизна, теоретична та практична цінність отриманих результатів, доведені дані про апробацію та публікацію основних наукових положень, які вміщує дисертація.

У першій главі розглянуті основні напрямки сучасних досліджень у галузі раціонального управління СТ. Ці питання розглядались у роботах Богуна В.А., Литвінчьовой Н.О., Масаєва І.В., Редько О.Ф., Стоянова Л.Ф., Соколова Є.Я., Чистовича С.А., Юфа Ф.І. та інші. Після огляду цих робіт та критичного аналізу сучасного стану проблеми було сформовано склад основних завдань, які необхідно розв'язати для розкриття теми дисертації.

Як приклад, було розглянуто задачу раціонального управління СТ, що складається з ОК, ТМ, ТРС та одного району, що опалюється (ТР - тепловий район), рисунок 1. ПЕОК, що розроблені у дисертації, дозволяють розв'язати задачу раціонального управління для довільної кількості котлів, теплових районів та ін. Реалізується задача якісно-кількісного регулювання на котельній та ТРС, яке передбачає змінний розхід теплоносія у ТМ. Формальна постановка задачі раціонального управління СТ може бути сформульована наступним чином. Для заданої величини загального теплового навантаження на котельну (Qк, МВт) знайти:

- оптимальні величини розходу Gтр, кг/с та температури теплоносія t1, С у прямій лінії ТМ;

- оптимальне розподілення Qк поміж окремими i-ми опалювальними котлами (тобто величини Qiопт, i = ).

Оптимальний вибір усіх вказаних параметрів управління забезпечує мінімум цільової функції оптимізаційної задачі, якою прийняті сумарні втрати енергії у СТ у вартісному визначенні Н.

Розв'язання загальної задачі раціонального управління супроводжується великими витратами комп'ютерного часу, якщо пошук оптимальних значень Q1, Q2, Q3, Gтр та ін. відбувається з використанням єдиної цільової функції та системи обмежень.

З метою прискорення процесу пошуку оптимального рішення було проведено декомпозицію загальної оптимізаційної задачі на низку локальних взаємопов'язаних оптимізаційних задач на різних ієрархічних рівнях.

Так, на першому етапі розв'язується задача вибору оптимальних значень Gтропт та t1опт для різних величин теплового навантаження на котельну Qк. У випадку, що розглядається, Qк є одночасно тепловим навантаженням на ТМ.

У другій главі ця задача розглядається більш докладно. Головні початкові дані цієї задачі наступні: Qк, МВт; геометричні та теплотехнічні характеристики теплопроводу; температурний графік теплового району (тобто залежність температури теплоносія у зворотній лінії ТМ від теплового навантаження t2 = t2 (Qк)); ціна теплової та електричної енергії Ст, гривень/МДж та Сэ, гривень/(кВтгод). За цільову функцію у цій задачі прийнято сумарні теплові трт та гідравлічні трг втрати енергії у ТМ у вартісному визначенні (тр = трг + трт, гривень/с). Ці втрати обчислюються теоретично або на базі експериментальних даних, шляхом подальшого надання їх у вигляді спеціальних апроксимаційних залежностей

тр = тр (Gтр, t1, t2(Qк)). (1)

Якщо врахувати, що залежність t2 = t2 (Qк) задано, то математична постановка оптимізаційної задачі для окремого трубопроводу прийме наступний вигляд.

Знайти

, (2)

де область визначається співвідношеннями

t1min < t1 < t1max ; Gтрmin < Gтр < Gтрmax; (3)

Qк = СGтр(t1 - t2); (4)

де t1min, t1max, Gтрmin, Gтрmax, - мінімальні та максимальні припустимі значення t1 та Gтр; С - теплоємність теплоносія.

Чисельна реалізація оптимізаційної задачі здійснюється методом НМП. Для її розв'язання розроблено програмний експериментально-обчислювальний комплекс (ПЄОК-1), що дозволяє оперативно отримати оптимальне рішення (Gтропт, t1опт, трmin) для заданого набору початкових даних (дивись рисунок 2, де Qк = 156 МВт).

Отримані таким чином результати для деяких значень навантаження Qк надано у таблиці 1 та апроксимуються поліномом другого ступеня

трmin = 1,6159 - 0,01059 Qк + 0,0000828; (5)

t1опт = 142,84 - 0,991Qк + 0,00672, (6)

а величина Gтропт, обчислюється за формулою (4).

Максимальна помилка апроксимації не перевищує 1,2 %.

Таблиця 1 Технологічна карта для вибору оптимальних значень Gтропт, кг/с та t1опт, С

Qк, МВт	105,4	156	171,7
t1опт, С	113	151,7	170,7
Gтропт, кг/с	271	307	310
, гр/с	1,42	1,98	2,24

Таким чином розв'язано попередню задачу вибору економічних характеристик теплоносія у ТМ.

У третій главі приступаємо до розв'язання базової задачі раціонального управління СТ, яка складається з ОК, ТМ та району, що опалюється.

Щоб забезпечити заданий та зафіксований розхід у системі опалення (Gр), слід (якщо це необхідно) додати теплоносій у пряму лінію трубопроводу з зворотної лінії на вході до ТМ (Gтрвх), тобто на виході з котельної, або на виході з ТМ (Gтрвых), тобто на ТРС (схема на рисунку 1).

Виходячи з цих міркувань, встановлюється величина розходу Gтр, що потрібна для визначення втрат у загальній оптимізаційній задачі, формальну постановку якої здійснено у першій главі. Її математична постановка у загальному вигляді (для n = 3) має вид.

Знайти

, (7)

де W- область визначення цільової функції Н, що описується співвідношеннями

Qimin < Qi < Qimax, (8)

=Qк, і = , (9)

Аналогічне обмеження накладається також на максимальну та мінімальну температури теплоносія на виході з котлів.

Основні початкові дані у задачі (7) наступні:

Qк, Gp, t2(Qк), Qimax, Qimin, Gi, і = , n, Сэ, Сг- ціна газу,

hi = hi(Qi), Ngi = Ngi(Qк), і = , - залежності втрат з вихідними газами та втрат електроенергії на роботу дуттьових вентиляторів від теплового навантаження на і- й котел за одиницю часу;

Nгi, і = - витрати на перекачування теплоносія через і- й котел;

, МДж/- теплотворна спроможність палива;

l, d, м та інші геометричні та теплотехнічні характеристики ТМ.

За цільову функцію у задачі (7) прийнято величину

Н = + . (10)

Під час обчислення цільової функції (10) величина одного з параметрів управління Q1, Q2 чи Q3 може бути представлена як функція від двох інших за допомогою (9), тобто число цих параметрів у задачі раціонального управління зменшиться на одиницю. Для обчислення у (10) реалізуються три варіанта алгоритмів.

Варіант № 1 реалізується за умов Gтр = Gтропт, коли теплоносій підмішується на котельній та на ТРС, тобто

Gр > Gтропт > G1 + G2 + G3 - Gрц1 - Gрц2 - Gрц3, (11)

де Gрц1, Gрц2, Gрц3 - розхід на рециркуляцію. Тоді

Gвхтр = Gтропт - G1 - G2 - G3 + Gрц1 + Gрц2 + Gрц3, (12)

Gвыхтр = Gр - Gтропт. У цьому випадку обчислюється за (5). Варіант № 2 реалізується за умов підмішування теплоносія виключно на виході з котельної, а № 3 - виключно на виході з ТМ. Подальше обчислення проводиться згідно формули (1).

Така декомпозиція загальної оптимізаційної задачі дозволила використовувати результати попередніх досліджень (5, 6,) і супроводжується виключенням величини Gтр з складу оптимізуючих параметрів задачі раціонального управління СТ, що суттєво спрощує її та дозволяє використати результати її розв'язання у режимі реального часу. Тому ця задача може бути сформульована наступним чином.

Знайти

, (13)

де 1 - область визначення Н, що описується співвідношен-нями (9). Пошук екстремуму задачі раціонального управління СТ здійснюється методом НМП, а факт досягнення оптимального рішення визначається шляхом дослідження поведінки функції мети у області екстремуму.

Для розв'язання задачі раціонального управління СТ було розроблено спеціальний ПЕОК-2, адаптований до IBM PC/AT, який дозволяє управляти СТ у режимі реального часу.

Також у третій главі доведені деякі результати досліджень впливу різних геометричних та режимних характеристик на рішення задачі раціонального управління СТ. Так, зокрема, було досліджено вплив величин діаметрів теплопроводу на оптимальний розподіл теплового навантаження поміж окремими котлоагрегатами. Задачу оптимізації було реалізовано для варіанту № 3, коли теплоносій підмішується на ТРС. Зі збільшенням навантаження на котельну кожний черговий котел вмикається тоді, коли це збільшує економічну ефективність СТ в цілому. Результати розрахунків надані у таблиці 2. З цих даних витікає, що розподіл сумарного навантаження Qк відбувається відповідно до економічних характеристик котлів.

Розглядаючи дані, наведені у таблиці 2, можна прийти до висновку, що з ростом d зменшаються порогові навантаження, при яких вмикається кожний черговий котел. Це пояснюється тим, що із ростом d зменшаються гідравлічні втрати у ТМ; за рахунок цього зменшаються додаткові втрати від вмикання кожного наступного котла, що спричиняє ріст розходу у ТМ. Тому черговий котел доцільно вмикати за більш низьких значень порогових навантажень Qк.

Також було досліджено вплив ціни електроенергії на величини оптимальних навантажень Q1опт, Q2опт та Q3опт. Граничні значення Qк, за яких із його ростом вмикається кожний наступний котел, суттєво залежить від Сэ. Так, наприклад, оптимальне вмикання котла № 3 відбувається за умов: Сэ = 0,3 гривні/(квтгод), Qк = 200 МВт; Сэ = 0,2 гривні/(квтгод), Qк = 180 МВт; Сэ = 0,1 гривні/(кВтгод), Qк = 140 МВт. Причини таких змін у оптимальних режимах аналогічні наведеним під час опису досліджень впливу d на Q1опт, Q2опт та Q3опт.

Результати досліджень впливу місця підмішування теплоносія (Gвхтр = 0 або Gвыхтр = 0, варіанти 3 та 2) дозволяють зробити наступні висновки. Для варіанту 3 має місце значний виграш економічності для випадку ввімкнення одного чи двох котлів, тому що у цьому випадку зменшуються (порівняно з варіантом 2 ) гідравлічні витрати у ТМ.

Таблиця 2 Оцінка впливу діаметру труб магістрального теплопроводу d на вибір оптимальних значень Q1 = Q1опт, Q2 = Q2опт, Q3 = Q3опт, МВт та Нmin, гривень/година

Qк, МВт	d = 0,72 м	d = 0,92 м	0,72 м	0,92 м
	Q1	Q2	Q3	Q1	Q2	Q3	Нmin
60	60	0	0	60	0	0	93,8	93,15
80	80	0	0	40	40	0	132,5	125,5
100	50	50	0	50	50	0	162,2	154,5
160	80	80	0	80	80	0	275,6	265,1
180	90	90	0	60,5	60,5	59	322,4	302
220	110	110	0	76,7	76,7	66,6	428,2	381,6
240	85,3	85,3	69,4	85,3	85,3	69,4	484,3	427,4

У четвертій главі надані результати експериментальних та чисельних досліджень, що пов'язані з модернізацією СТ району “Аеропорт” м. Харкова. Велика забрудненість системи опалення у споживачів спричинила модернізацію усієї системи. Розглядались два альтернативні варіанти модернізації, спрощені схеми яких наведені на рисунку 3. Головна мета цієї модернізації- розділити між собою контури I з “чистим” та II з “забрудненим” теплоносієм. У варіанті А пластинчаті теплообмінники монтуються на котельній, у варіанті В - на об'єктах споживачів теплоти (СпТ). Тоді розхід теплоносія у ТМ Gтр для першого варіанту залишається незмінним та дорівнює розходу у СпТ Gр. У варіанті В Gтр = var та визначається кількістю увімкнутих котлів.

З метою оцінки економічної ефективності варіантів А та В для різних значень Qк була розв'язана оптимізаційна задача (13), отримані результати надані у таблиці 3.

Під час розв'язання цієї задачі значення температур t1к та t2к, які необхідні для оцінки теплових витрат у ТМ, для варіанту В обчислювались за залежностями t1к(Qк) та t2к(Qк) (рисунок 5), що були отримані апроксімацією результатів експериментальних досліджень, які проводились для різних співвідношень розходів Gк та Gр та величин навантаження Qк. Досліджувались діючі теплообмінники зі ступенем забруднення, що відповідає реальним умовам. Результати експерименту оброблялись аналітично за допомогою ПК. Для визначення цих залежностей був розроблений експериментальний стенд, структурна схема якого надана на рисунку 4. Усі прибори перевірялись за допомо- гою повірочної лабораторії фірми Danfoss.

Таблиця 3 Залежності Q1опт, Q2опт, Q3опт, МВт та , гривен/година від Qк, МВт

Qк, МВт	Q1, МВт	Q2, МВт	Q3, МВт	Hmin, грн/г	Q1, МВт	Q2, МВт	Q3, МВт	Hmin, грн/г
	Варіант А	Варіант В
3	1,5	1,5	0	34,74	1,5	1,5	0	17,41
3,5	1,75	1,75	0	35,84	1,75	1,75	0	18,55
4	2	2	0	37,02	2	2	0	19,74
4,5	2,25	2,25	0	38,25	2,25	2,25	0	20,99
5	1,69	1,69	1,62	39,36	2,5	2,5	0	22,28
5,5	1,86	1,86	1,77	40,49	2,75	2,75	0	23,60
6	2,03	2,03	1,94	41,67	2,03	2,03	1,94	42,23

Аналізуючи результати досліджень щодо оптимального розподілу навантажень поміж окремими котлами, надані у таблиці 3, можна зробити наступні висновки:

- порогові значення Qк, при яких відбувається вмикання кожного наступного котла зі збільшенням навантаження на котельну значно нижчі для варіанта А, ніж для варіанта В, причини цього ті ж самі, що надані у главі 3;

- за умови вмикання усіх трьох котлів витрати практично однакові для варіантів А та В. Якщо ввімкнено один або два котли, сумарні витрати для варіанту В будуть суттєво нижче завдяки зменшенню гідравлічних витрат у ТМ. Сумарний економічний ефект від уведення до дії варіанту В становитиме 134 000 гривень за опалювальний сезон.

У випадку відсутності комп'ютерного забезпечення таблиця 4 може бути використана як технологічна режимна карта для раціонального управління у режимі реального часу.

Висновки

1. Обгрунтовано доцільність та економічну ефективність раціонального управління системою теплопостачання, що включає у себе опалювальні котельні, теплові мережі та теплові розподільчі станції. Помітна економія паливно-енергетичних ресурсів (практично без витрат додаткових коштів) може бути досягнута за рахунок вибору навантаження на окремі котли при умові оптимальних розходів теплоносія у теплових мережах. Показано, що якщо під час управління опалювальної котельної не урахувати витрати у теплових мережах, то це спричинить погрішність у знайденій оптимальній величині навантаження на окремі котли до 30 % від величини загального навантаження.

2. Проведено формалізацію і математичну постановку загальної задачі раціонального управління системою теплопостачання, яка охоплює пошук оптимальних величин навантаження на окремі котли і розходів теплоносія у теплових мережах. Математична модель процесу теплопостачання розроблена з урахуванням втрат з відхідними газами, витрат на роботу дутьових вентиляторів, а також гідравлічних втрат на котельній та у теплових мережах. Враховувалися також теплові втрати в останній. Для розробки математичної моделі пластинчатого теплообмінника як одного з елементів загальної моделі незалежної системи теплопостачання був створений експериментальний стенд і проведені спеціальні експериментальні дослідження, які продемонстрували значний вплив ступеня забруднення теплообмінника на результати досліджень всієї системи. Задача раціонального управління системи теплопостачання реалізована методом нелінійного математичного программування.

3. Проведено декомпозицію загальної задачі раціонального управління системою теплопостачання на локальні, що дозволило різко скоротити час її розв'язання та уможливило її реалізацію за допомогою недорогих комп'ютерів, що надійно працюють у виробничих умовах. Завдяки декомпозиції було розділено задачі пошуку оптимальних значень навантажень на котли та розходів теплоносія у теплових мережах.

4. Розроблено програмні експериментально-обчислювальні комплекси (ПЕОК-1 та ПЕОК-2), що дозволяють оперативно розв'язувати як загальну задачу раціонального управління системи теплопостачання, так і локальні оптимизаційні задачі у режимі реального часу. У відсутності персонального комп'ютера раціональне управління системою теплопостачання можна здійснювати за допомогою спеціально розроблених режимних карт.

5. Показано істотний вплив розмірів теплових мереж та ціни енергоресурсів на результати розв'язання задачі раціонального управління системи теплопостачання і розроблено залежності, що дозволяють врахувати ці параметри під час розв'язання задачі управління системою теплопостачання.

6. Показано, що вибір місця підмішування теплоносія суттєво впливає на економічні характеристики залежної системи теплопостачання. Розроблені алгоритми та пакети прикладних програм (ПЕОК-2) дозволяють розв'язувати задачу раціонального управління системою теплопостачання з урахуванням цих факторів. Як правило, вигідніше підмішувати теплоносій на тепловії розподільчої станції.

7. Проведено аналіз різних варіантів залежних та незалежних схем систем теплопостачання за умов раціонального управління ними. Визначено доцільність використання незалежної системи з пластинчатим теплообмінником на об'єктах теплоспоживання. Річний економічний ефект від впровадження такої схеми за умов раціонального управління системи теплопостачання в цілому складає 134000 гривень.

Основні праці по темі дисертації

1. Зингер Н.М., Сиротенко В.А., Тарадай А.М., Бармина А.С., Федоров А.П. Автоматизация и диспетчерское управление системой теплоснабжения городского района // Теплоэнергетика.- 1987.- № 10.- С. 38-41.

2. Русланов Г.В., Федоров А.П., Гольдин Э.И. Экономить, распределяя нагрузку между котлоагрегатами, позволяет предлагаемая методика // Городское хозяйство Украины.- 1990.- № 2.- С.32.

3. Бабак Н.Ю., Стоянов Ф.А., Федоров А.П. Выбор оптимальных геометрических характеристик системы трубопроводов теплофикационной сети // Тезисы доклада республиканской научно-технической конференции “Математическое моделирование и вычислительный эксперимент для совершенствования энергетических и транспортных турбоустановок в процессе исследования, проектирования, диагностирования и безопасного функционирования” (Змиев,1991г.) -- г.Харьков, 1991 г. - С.131.

4. Федоров А.П. Исследование влияния места подмешивания теплоносителя на экономическую эффективность отопительной системы в целом // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБіА, ХОТВАБУ. - № 6, 1999.- С. 154 - 159.

5. Федоров А.П. Выбор оптимальных величин режимных характеристик магистрального теплопровода // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. научн.- тех. сб.- К.: Техніка. - № 18, 1999.- С. 133-137.

6. Федоров А.П. и др. Авторское свидетельство СССР № 1244524, 1986.

Размещено на Allbest.ru