Системный анализ, моделирование и оптимизация функционирования систем централизованного теплоснабжения в районах крайнего севера

Вид материала

Автореферат

Содержание АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени Самара – 2007 Научный руководитель Ведущая организация – Общая характеристика работы Целью настоящей диссертационной работы Основными методами исследования являются Научная новизна и значимость Практическая полезность Апробация работы. Реализация работы Объём и структура работы. На защиту выносятся следующие основные научные положения Краткое содержание работы В первой главе Вторая глава Третья глава А - коэффициент, определяющий масштабную эффективность теплоснабжения, α В четвертой главе Пятая глава ... Полное содержание

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс «Системы централизованного теплоснабжения. Современные, 37.93kb.
• Минимальная заработная плата с учетом стажа работы в районах Крайнего Севера и приравненных, 32.73kb.
• Стимулирование привлечения трудовых ресурсов и совершенствование системы гарантий работающей, 110.48kb.
• Закон РФ от 19 февраля 1993 г. N 4520-1, 210.34kb.
• Постановление Президиума Совета Федерации Независимых Профсоюзов рсфср от 22 ноября, 593.79kb.
• Положение о компенсационных выплатах работникам системы Пенсионного фонда Российской, 113.26kb.
• Решение законодательное обеспечение охраны окружающей среды, сохранения и использования, 125.2kb.
• Отреть поправки в закон «О государственных гарантиях и компенсациях для лиц, работающих, 17.12kb.
• Целлоева Мадден Яхьяновна- учитель истории лицея г. Назрань. 22 года работала учителем, 53.5kb.
• Системный анализ комплексной эффективности и оптимизация функционирования региональной, 342.12kb.

На правах рукописи

ХАФИЗОВ Ренат Назипович

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В РАЙОНАХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

3. Самара – 2007

Работа выполнена на кафедре «Управление и системный анализ в теплоэнергетике» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»


НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ


Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Дилигенский Николай Владимирович.


ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:


Доктор технических наук, профессор Батищев Виталий Иванович


Кандидат технических наук Сергеев Антон Владимирович


ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ –


ОАО «Инженерный центр энергетики Поволжья», г. Самара.


Защита диссертации состоится 24 декабря 2007 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус 6, аудитория 28.


Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, главный корпус, на имя ученого секретаря диссертационного совета.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18.


Автореферат разослан «___» ________ 2007 года.


Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.217.03

Н.Г. Губанов

«Актуальные проблемы современной науки». Естественные науки. Части 12-16, СамГТУ, Самара, 2003 – с. 43-44.

5. Немченко В.И., Хафизов Р.Н. Методика настройки температурных компенсаторов на основе системного анализа отпуска тепла // Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС-2005): Материалы международной научно-технической конференции, СамГТУ, Самара, 2005 – с. 41-43.

6. Немченко В.И., Хафизов Р.Н. Инженерная методика расчёта настроек погодного компенсатора // Математическое моделирование и краевые задачи: труды всероссийской научной конференции. Часть 2, СамГТУ, Самара, 2004 – с. 178-180.

7. Немченко В.И., Абрамов С.Ю., Абриталин А.А., Хафизов Р.Н. Проектирование режимов автоматического регулирования расхода тепловой энергии на тепловых пунктах жилых зданий // Математическое моделирование и краевые задачи: труды двенадцатой межвузовской научной конференции. Часть 2, СамГТУ, Самара, 2002 – с. 98-100.

8. Хафизов Р.Н. Реконструкция систем центрального теплоснабжения в районах крайнего севера // Научно-практическая конференция «Инновационный потенциал молодых специалистов ОАО «Газпром» как условие повышения эффективности разработки углеводородных месторождений Ямала», ЯНАО, Ямбург, 2004 г. с. 43.


Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.03

ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

(протокол № 24 от «15» ноября 2007 года)


Заказ № 856. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе.

Самарский государственный технический университет

Отдел типографии и оперативной печати

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Малые энергетические системы городов и посёлков Крайнего севера являются основой функционирования и развития промышленности региона и характеризуются наличием большого количества разнообразных источников теплоснабжения малой и средней мощности, обеспечивающих теплом и электрической энергией производственные объекты и жителей – работников газового комплекса месторождений Северного региона.

В России в настоящее время продолжается процесс реформирования энергетической отрасли страны и систем энергообеспечения промышленных предприятий жилищно–коммунального хозяйства. Параллельно с реформой энергетики предприятие ОАО «Газпром» осуществляет реструктуризацию своей организации путём выделения непрофильных видов деятельности, таких как энергетика, транспорт, связь и других, из состава газодобывающих и газотранспортных организаций.

Выделенные из производственных структур Дочерних обществ ОАО «Газпром» энергетические объекты, такие как системы производства и транспорта тепловой энергии, очистки питьевой и сточной воды, системы электроснабжения были синтезированы в отдельную структуру – стопроцентное дочернее общество ОАО «Газпром» – предприятие ООО «Газпромэнерго». ООО «Газпромэнерго» создано как рыночная организация, осуществляющая услуги по качественному и бесперебойному снабжению объектов Единой системы газоснабжения и рядовых потребителей тепловой и электрической энергией, а также по добыче, очистке и транспорту питьевой воды и утилизации стоков. ООО «Газпромэнерго» производит собственные расчёты тарифов по видам производственной деятельности организации. На современном этапе это сложный процесс, связанный определяющим образом с регулированием тарифной деятельности ООО «Газпромэнерго» со стороны государственных органов России.

Основным видом деятельности ООО «Газпромэнерго» является производство тепловой энергии. Формирование тарифов на выработку теплоты производится, исходя из количества предполагаемой к выработке тепловой энергии и объема планируемого потребления природного газа. В целях минимизации затрат, достижения наибольшей экономии топливно-энергетических ресурсов и повышения дохода организации необходимо оптимизировать процессы выработки, транспорта и потребления тепловой энергии и минимизировать потребление природного газа котельными.

Характер функционирования систем теплоснабжения в районах Крайнего севера определяющим образом связан с климатом региона. Суровые климатические условия приводят к повышенному числу отказов в работе энергооборудования. Воздействие низких, экстремальных температур на систему централизованного теплоснабжения влечёт за собой увеличение диапазонов регулирования отопительной нагрузки, повышение требований к надёжности и безопасности функционирования энергетического оборудования, к точности поддержания температурных режимов теплоснабжения.

Реальное состояние основного теплопроизводящего оборудования и показатели функционирования энергетического хозяйства газовой отрасли, в целом, в условиях ограниченности инвестиционных ресурсов диктует требования повышения комплексной эффективности функционирования систем централизованного теплоснабжения, формирования оптимальных стратегий развития региональных энергосистем и совершенствования используемых энергетических технологий. Одним из главных путей интенсификации и повышения эффективности систем централизованного теплоснабжения является автоматизация процессов теплообеспечения на базе современных средств вычислительной техники. Важную роль в решении существующих задач призваны сыграть автоматизированные системы регулирования отопительной нагрузки.

Повышение эффективности автоматического управления централизованным теплоснабжением должно основываться на системном анализе работы существующей системы теплоснабжения, на комплексном исследовании характера взаимодействий процессов выработки, транспорта и потребления тепловой энергии, на выявлении резервов экономии теплоты. Реализация систем автоматического управления режимами работы систем централизованного теплоснабжения требует совершенствования способов и структур управления процессом теплоснабжения. Для решения этих задач необходимо использовать математические модели, позволяющие исследовать эффективность различные методов управления. Моделирование позволяет отыскать те функций управления, которые дают наибольший эффект. Имитационное моделирование даёт возможность находить рациональные режимы работы технологического оборудования. На основе математических моделей, имитирующих процессы теплоснабжения, появляется возможность расширения состава решаемых задач и функций управления теплоснабжением.

Мероприятия по модернизации и совершенствованию позволят в дальнейшем повысить энергетическую эффективность и технико-экономические показатели систем централизованного теплообеспечения.

В соответствии с изложенным, тема диссертационной работы, посвящённой комплексному исследованию систем централизованного теплоснабжения в районах Крайнего севера на основе реальных показателей функционирования и разработке направлений повышения эффективности теплообеспечения с использованием систем автоматического регулирования является актуальной.

Целью настоящей диссертационной работы является системный анализ, математическое моделирование и комплексное оценивание эффективности региональной системы централизованного теплоснабжения, совершенствование режимов и структур систем автоматического регулирования теплообеспечением на объектах и предприятиях Крайнего севера.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

1. Комплексный анализ функционирования системы централизованного теплоснабжения, структуризация и исследование реальных статистических показателей деятельности, оценка частных показателей эффективности теплообеспечения в районах Крайнего севера.

2. Построение математических моделей системы централизованного теплоснабжения, идентификация моделей на основе реальной статистики функционирования системы теплообеспечения, оценка аппроксимативных свойств полученных моделей и исследование на их основе структурных и функциональных свойств системы теплоснабжения.

3. Комплексный анализ способов и алгоритмов регулирования, структур систем автоматического управления теплообеспечением потребителей.

4. Построение обобщённых критериев и показателей качества функционирования системы централизованного теплоснабжения, многокритериальное оценивание системной эффективности теплообеспечения.

5. Интегральная оценка потенциала экономии ТЭР в процессе функционирования системы централизованного теплоснабжения при организации автоматического регулирования отопительной нагрузки.

Основными методами исследования являются: методы системного анализа, теории управления, теории чувствительности, методы идентификации, методы статистического анализа, теория производственных функций, методология многокритериальной оценки эффективности Data Envelopment Analysis (DEA), математическое программирование.

Научная новизна и значимость работы характеризуется следующими результатами:

1. Предложена концепция системного анализа организации централизованного теплоснабжения в районах Крайнего севера, отличающаяся комплексным использованием методологии современных методов математического моделирования, теории чувствительности и многокритериального оценивания, позволяющая вскрывать общесистемные закономерности протекания процессов и выявлять наиболее значимые факторы, влияющие на теплообеспечение потребителей.

2. Построен комплекс структурных и функциональных математических моделей функционирования систем централизованного теплоснабжения, в отличие от существующих сконструированных на базе различных конструкций производственных функций, проведена идентификация структур и параметров моделей, показавшая их адекватность исследуемым процессам.

3. Предложен состав частных критериев эффективности функционирования систем централизованного теплоснабжения, являющихся основной разработки системно обоснованных направлений повышения эффективности использования природного газа и тепловой энергии.

4. Предложен системный подход к исследованию применимости различных способов регулирования систем теплоснабжения, методов сбора и использования структурной информации о тепловых режимах, проведено моделирования процессов, позволившее обосновать способы построения и алгоритмы управления систем автоматического регулирования тепловой нагрузки.

5. Разработана методология построения системных, многокритериальных оценок эффективности функционирования централизованных систем теплоснабжения, давшая возможность предложить и обосновать рациональные режимы и способы организации теплообеспечения.

6. Предложены комплексные подходы интегральной оценки потенциала экономии ТЭР в системах централизованного теплоснабжения, являющиеся основой разработки энергосберегающей политики в теплообеспечении потребителей.

Практическая полезность (ценность) диссертации заключается в следующих полученных результатах:

1. Разработаны направления повышения эффективности систем централизованного теплоснабжения;

2. Предложены рациональные энергоэффективные режимы и энергосберегающие мероприятия, разработаны методики оценки потенциала экономии ТЭР в системах теплоснабжения.

3. Разработаны алгоритмы и способы управления, структуры и системы автоматического регулирования тепловой нагрузки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на международных, российских и межвузовских конференциях: на третьей и четвертой международной конференции молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара 2003, 2004); на всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара 2002, 2004); На научно-практической конференции «Инновационный потенциал молодых специалистов ОАО «Газпром» как условие повышения эффективности разработки углеводородных месторождений Ямала» (ЯНАО, пос. Ямбург, 2004).

Реализация работы. Полученные в диссертационной работе решения и разработанные методики были использованы при разработке Энергетической Программы перспективного развития ООО «Газпромэнерго» до 2010 года, Программы энергосбережения ООО «Газпромэнерго» до 2010 года, формировании приоритетных предложений модернизации промышленно-отопительных котельных филиалов ООО «ГПЭ» и инвестиционных проектов реконструкции источников теплоснабжения и вошли в Проект программы НИОКР ООО «Газпромэнерго» на 2007 г.

Полученные научные результаты использованы в учебном процессе на кафедре системного анализа и управления в теплоэнергетике Самарского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ,

из них 2 по списку, рекомендованному ВАК.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и библиографического списка. Основной текст изложен на 170 страницах, содержит 70 рисунков, 31 таблицу. Библиографический список включает 82 наименования.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Концепция системного анализа организации централизованного теплоснабжения в района Крайнего севера.

2. Комплекс математических моделей функционирования системы централизованного теплоснабжения, учитывающих взаимодействие топливно-энергетических и материальных потоков в теплообеспечении, методики идентификации моделей и оценки показателей качества моделирования процессов теплоснабжения.

3. Критерии эффективности системы централизованного теплоснабжения и способы их построения.

4. Способы рациональной организации и алгоритмы управления систем автоматического регулирования теплоснабжением в районах Крайнего севера.

5. Методология формирования многокритериальных оценок эффективности системы теплообеспечения и результаты обобщённого оценивания системы теплообеспечения.

6. Методика интегральной оценки потенциала экономии топливно-энергетических ресурсов и энергосберегающие направления совершенствования систем централизованного теплоснабжения.


КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертации рассмотрен следующий комплекс теоретических и прикладных вопросов.

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель работы, дана общая характеристика, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор методов системного анализа и математического моделирования энергетических систем, рассмотрены методы регулирования отопительной нагрузки в системах централизованного теплоснабжения, критерии и способы оценки эффективности производственных энергетических систем.

Проанализирован широко распространённый класс моделей производственных систем в форме производственных функции. Этот класс моделей, описывающий процессы преобразования исходных ресурсов в конечную продукцию, в работе выбран в качестве базового для исследования функционирования систем централизованного теплоснабжения.

Изучены вопросы идентификации моделей производственных систем и в качестве базового способа идентификации параметров производственных функций выбран метод наименьших квадратов (МНК).

Рассмотрены методы управления отопительной нагрузкой для различных видов систем централизованного теплоснабжения – качественный, количественный и качественно-количественный, сводящиеся, соответственно, к регулированию температур, расходов теплоносителей и их совместных воздействий. Проанализированы характеристики различных способов регулирования расчётных режимов теплоснабжения отопительных систем для рассматриваемого региона с учётом климатических условий и бытовых тепловыделений в зданиях. Для дальнейшего анализа выбраны четыре наиболее целесообразных метода автоматического регулирования отопительной нагрузки для систем централизованного теплоснабжения в районах Крайнего севера: качественное регулирование по температуре прямой сетевой воды, качественное регулирование по температуре обратной сетевой воды и качественно-количественное регулирование с учётом бытовых тепловыделений по температурам прямой и обратной сетевой воды.

Вторая глава посвящена структуризации, классификации и анализу экспериментальных данных о функционировании и характеристиках системы централизованного теплоснабжения. В качестве конкретного типового объекта исследования взята система централизованного теплоснабжения поселка Пангоды Надымского района Ямало-ненецкого автономного округа.

Проанализированы географические и климатические условия рассматриваемого региона, выявлены статистически значимые значения температур наружного воздуха, достигающие абсолютно минимальных значений до –60 ⁰С, и длительности отопительного периода, находящегося в диапазоне 6700 – 7200 часов в год. Эти значения предъявляют дополнительные, жесткие требования к точному поддержанию температурных режимов теплоснабжения и к надёжности систем теплообеспечения. Выполнен сбор данных и изучены реальные режимы теплоснабжения производственных и жилищно-бытовых объектов посёлка.

Рассмотрена производственная структура управления энергетической компании Надымского района ООО «Газпромэнерго. Изучена система централизованного теплоснабжения посёлка, состоящая из трёх котельных – центральной, жилого сектора, промышленной зоны. Котельные взаимосвязаны и взаимозависимы по тепловым и гидравлическим режимам теплофикационных сетей. Котельные обеспечивают теплоснабжение производственных и социальных объектов посёлка Пангоды. Исследована существующая система организации учёта топливно-энергетических ресурсов в теплообеспечении потребителей.

Собраны экспериментальные данные и проведён часовой и суточный анализ показателей и характеристик централизованного теплоснабжения. Исследованы режимы отпуска тепловой энергии от котельных и характеристики потребления теплоты производственными зданиями для различных температур наружного воздуха. Выполнен анализ соответствия параметров отопительной воды на источниках теплоснабжения и потребителях тепла.

По результатам анализа централизованного теплоснабжения выявлены следующие основные недостатки существующей системы теплообеспечения: нормативные параметры централизованного теплоснабжения со стороны источника тепла не соответствуют требованиям качественного регулирования отпуска теплоты; наблюдаются постоянные колебания расхода отопительной воды в тепловой сети и, как следствие, имеет место неравномерный характер теплоснабжения; не соблюдаются температурные режимы при транспорте теплоносителей; недостаточна точность поддержания температуры прямой сетевой воды на источнике теплоснабжения и температура обратной сетевой воды отличается от расчётной; имеется разрегулировка гидравлических режимов тепловой сети, при этом колебания значений расходов по сравнению с расчётными значениями как в общей транспортной сети, так и во внутренних локальных системах отопления происходят как в одну, так и в другую сторону; подача теплоты потребителям не соответствует температурам наружного воздуха – наблюдается явный перетоп потребителей при повышенных и дефицит теплоты при пониженных значениях температур наружного воздуха.

Третья глава диссертации посвящена комплексному анализу функциональной структуры системы централизованного теплоснабжения от центральной котельной. Синтезирована поточная структурная замкнутая модель системы, построены и идентифицированы математические модели тепловых объектов системы централизованного теплоснабжения в форме производственных функций (ПФ) и проведён анализ аппроксимативных свойств полученных модельных зависимостей. На основе построенных математических моделей определены частные показатели качества функционирования системы централизованного теплоснабжения и исследована эффективность методов качественного и качественно-количественного автоматического регулирования. Предложена техническая реализация автоматического регулирования отопительной нагрузки на источнике теплоснабжения.

Проанализирована функциональная структура системы централизованного теплоснабжения. Основными элементами структуры являются: источники тепловой энергии в виде центральной и промышленно-отопительных котельных, совокупность участков прямых трубопроводов от источников теплоснабжения до потребителей, множество потребителей тепловой энергии, совокупность участков обратных трубопроводов от потребителей, тепловые узлы теплоисточников и тепловые пункты потребления тепла (рисунок 1).



Рисунок 1 – Функциональная структура системы централизованного теплоснабжения

На основе анализа реальной функциональной структуры построена агрегированная, математическая, потоковая модель системы централизованного теплоснабжения в виде двух блоков производства и потребления тепловой энергии, а также прямых и обратных связей между ними в виде материальных и энергетических потоков.



Рисунок 2. Агрегированная потоковая алгоритмическая модель:

«Теплопроизводство–теплопотребление»


Модели для элементов системы теплоснабжения построены в форме производственных функций, адекватно описывающие функционирование тепловых объектов. Для всех построенных математических моделей проведена идентификация параметров на основе реальных статистических данных теплоснабжения.

Для источника теплоснабжения построена модель в форме неднородной двухфакторной производственной функции (ПФ) Кобба-Дугласа следующей конструкции:

(1)

где Q₁ - объём производства тепловой энергии в котельной; G_топ- внешнее воздействие на объект регулирования – расход природного газа на котельную;

Q₂ - поток теплоты по обратному трубопроводу от потребителей тепловой энергии; А - коэффициент, определяющий масштабную эффективность теплоснабжения, α и β факторные эластичности производства тепловой энергии, соответственно, по входным воздействиям Q₂ и G_топ:

;

Модели потребления тепла была сконструирована в виде аналогичной ПФ в следующей форме:

(2)

где t_НВ - внешнее возмущающее воздействие – температура наружного воздуха; А_о - масштабный коэффициент;

;

В конкретных расчётах для удобства вычислений вместо температуры наружного воздуха t_НВ использовалась величина относительного теплового потока на отопление , также адекватно характеризующая внешние климатические условия.

Для сконструированных ПФ (1), (2) на основе суточных и часовых фактических значений величин теплопроизводства и теплопотребления методом МНК была проведена идентификация параметров А, α, β, А₀, α₀, β₀ и изучены аппроксимативные и содержательные свойства полученных моделей.

Общее качество полученных моделей оценивалось коэффициентом детерминации R², среднеквадратичным отклонением  и F–критерием Фишера. Значимость полученных параметров моделей определялась t-критерием Стьюдента.

Значение коэффициента детерминации R² для теплоисточника составило 0,9995 и для объектов теплоснабжения 0,9957 по среднесуточным данным, 0,9195 по часовым, что свидетельствует о высоких описательных свойствах моделей. Величина среднеквадратичной невязки для построенных моделей находится в районе 0,01-0,0131 %.

В общем, анализ характеристик и показателей качества ПФ показал, что модели с удовлетворительной точностью описывают процессы теплоснабжения. Оценки расчетов значимы по F-статистике на всех рассматриваемых интервалах. Все коэффициенты по t-критерию Стьюдента также являются значимыми.

На рисунках 3, 4 и 5 представлены графические результаты сопоставления фактических данных и модельных расчётов объектов производства тепловой энергии Q₁ и потоков тепловой энергии в обратном трубопроводе Q₂. Наглядно видны хорошие аппроксимативные свойства построенных моделей.

Для построенных и идентифицированных моделей были изучены факторные эластичности , , характеризующие относительную эффективность использования соответствующих энергетических факторов.

На основе модели неоднородной ПФ для теплоисточника (1) были получены значения эластичностей производства тепловой энергии по теплоте обратного трубопровода  и затратам топлива , составляющие 0,9101 и 0,0753 соответственно.



Рисунок 3 – Расчетные и фактические объемы производства тепловой энергии

– Модельные расчёты; – Фактические данные.




Рисунок 4 – Расчетные и фактические потоки теплоты в обратном трубопроводе

– Модельные расчёты; – Фактические данные.



Рисунок 5 – Расчетные и фактические потоки теплоты в обратном трубопроводе

– Модельные расчёты; – Фактические данные.


Эти значения говорят об основном вкладе в производство тепловой энергии в системе теплоснабжения теплоты, вернувшейся от потребителей и о значительно меньшем вкладе теплоты от сжигания природного газа непосредственно в котельной. В целом, эти значения факторных эластичностей  и  свидетельствуют об определяющей роли и эффективной работе обратной тепловой сети замкнутого контура системы централизованного теплоснабжения.

Для модели неоднородной ПФ потребителей тепловой энергии (2) эластичности использования тепловой энергии от теплоисточника ₀ составляют 1,0308 для суточных данных и 0,9822 для часовых. Значение факторных эластичностей для температур наружного воздуха ₀ составляют -0,0566 и -0,0491, соответственно, для суточных и часовых данных. Эти значения эластичностей ₀ и ₀ свидетельствуют о полной определяющей роли мощности котельной в теплоснабжении потребителей и о слабом влиянии температуры наружного воздуха t_НВ на тепловые характеристики потребителей. Такое малое влияние t_НВ на тепловые режимы потребителей в анализируемой системе объясняется тем, что тепловые характеристики систем централизованного теплоснабжения, в соответствии с установленным выше, определяются, в основном, замкнутым контуром теплоснабжения. Потоки теплоносителя по обратному трубопроводу оказывают определяющее регулирующее воздействие на тепловые режимы потребителей, и влияние возмущающего фактора – температуры t_НВ при этом мало. Отрицательные значения эластичностей ₀ указывают на то, что возмущающие воздействия со стороны внешней среды становится более значимыми при уменьшении температуры наружного воздуха t_НВ.

На основе построенных математических моделей теплоэнергетических объектов и имитационного моделирования процессов автоматического регулирования отопительной нагрузки проанализирована работа системы централизованного теплоснабжения, получены энергетические характеристики и построены графики функционирования системы для каждого способа регулирования при фактической и расчётной наружной температуре.

Моделирование процессов качественного и качественно-количественного автоматического регулирования показало, что расчётная разность температур в подающем и обратном трубопроводах во всём рабочем диапазоне изменений температуры наружного воздуха не достигается. Однако качественно-количественный способ регулирования по сравнению с качественным способом уменьшает гидравлическую нагрузку на тепловые сети и снижает расход тепла на отопление потребителей.

На основе анализа результатов моделирования определен наиболее предпочтительный способ регулирования отопительной нагрузки на источнике теплоснабжения – метод качественно-количественного автоматического регулирования по температуре обратной сетевой воды. При таком способе регулирования достигается максимальная экономия топливно-энергетических ресурсов в процессе функционирования системы централизованного теплоснабжения.

Построена функциональная схема технической реализации этого способа автоматического регулирования отопительной нагрузки на источнике теплоснабжения с двумя регуляторами: расхода теплоносителя во внешнем контуре и температуры сетевой воды (рисунок 6).

Регулятор расхода непосредственно воздействует на частотно регулируемый привод, установленный на линии циркуляции теплоносителя в тепловой сети. Регулятор температуры воздействует на расход газа, идущего на нагрев теплоносителя во внутреннем контуре, тем самым, изменяя температуру сетевой воды во внешнем контуре. Корректирующим воздействием для обоих регуляторов является температура наружного воздуха.




Рисунок 6 – Функциональная схема автоматического

регулирования тепловой сети


В четвертой главе проведен комплексный анализ системы управления централизованным теплоснабжением с учётом процессов транспорта тепловой энергии.

Построена модель замкнутого контура системы управления централизованным теплоснабжением, представляющая собой совокупность источника теплоснабжения, блока, описывающего транспорт теплоносителя к потребителю и от потребителя, потребителя тепла и систему взаимосвязей в виде материальных и энергетических потоков.

Представлена модель замкнутого контура системы управления централизованным теплоснабжением с моделями объектов в виде производственных функций (рисунок 7).



Рисунок 7 – Агрегированная алгоритмическая модель теплоснабжения:

«Производство–транспорт–потребление теплоты»

Модель теплоисточника использовалась та же, что и в третьей главе.

Агрегированная функциональная модель системы транспорта теплоты для определения температуры теплоносителя в процессе транспортировки к конечному потребителю синтезирована в форме ПФ, удобной для моделирования качественного автоматического регулирования отопительной нагрузки.

(3)

где t₁ - температура сетевой воды в прямом трубопроводе на источнике теплоснабжения;  - температура сетевой воды в прямом трубопроводе перед потребителем;

Построена и идентифицирована функциональная модель элемента транспортировки теплоты с входными воздействиями – расходом теплоносителя на отопление G₂ и температурой сетевой воды t₁ в форме трёхфакторной производственной функции Кобба-Дугласа для суточных и часовых фактических значений теплоносителя, удобная для моделирования качественно-количественного регулирования:

(4)

где Q’₁ - количество теплоты, поступающей к потребителю; G₂, t₁ - расход и температура сетевой воды, поступающие на вход элемента транспорта теплоносителя, t_НВ - внешнее возмущающее воздействие – температура наружного воздуха; A - коэффициент масштабной эффективности теплоснабжения, α, β и γ факторные эластичности по входным воздействиям:

;;

(5)

Также построены двухфакторные неоднородные модели объектов индивидуального потребления для суточных и часовых фактических значений теплопотребления, аналогичные модели агрегированного потребителя.

Значения коэффициентов детерминации для моделей транспортировки, потребления и агрегированного транспорта теплоты составили 0,9885(0,9046), 0,9997(0,9217) и 0,9978(0,9617), соответственно, для суточных и часовых значений, что свидетельствует о хороших описательных свойствах моделей. Величина среднеквадратичной невязки для построенных моделей находится в диапазоне 0,0063-0,0463 %.

В общем, анализ характеристик и показателей качества ПФ показал, что модели удовлетворительно описывают процессы теплоснабжения. Оценки расчетов по F-статистике и коэффициенты по t-критерию на всех рассматриваемых интервалах являются значимыми.

Для построенных и идентифицированных моделей были изучены факторные эластичности , , , характеризующие относительную эффективность использования соответствующих ресурсов.

Для модели неоднородной ПФ объекта управления транспорта теплоты (4) эластичности по расходу теплоносителя , температуре сетевой воды  и температуре наружного воздуха  составляют 0,1209 (0,2999), 1,5145 (0,8631) и -0,0070 (0,1228), соответственно, для суточных и часовых значений. Эти значения эластичностей означают, что основной вклад в транспортировку теплоты к потребителям вносит фактор – температура отопительной воды t₁. Влияние расхода теплоносителя G₂ существенно ниже. Возмущающее воздействие по температуре окружающего воздуха t_НВ также мало. Для модели неоднородной ПФ объекта потребления тепловой энергии значения эластичностей по теплоте в прямом трубопроводе  и температуре наружного воздуха  составляют 0,9715 и - 0,0318 для суточных данных и 0,9785 -0,0628 для часовых данных. Эти значения эластичностей соответствуют ранее полученным величинам для группового потребителя. Значения эластичностей для агрегированной модели системы транспорта аналогичны и составляют 0,9962 (0,0045) и 0,9940 (0,0124).

На рисунках 8, 9 и 10 для суточных данных приведено графическое сопоставление фактических данных и модельных расчётов для систем транспортировки, потребления и агрегированного транспорта тепловой энергии, наглядно иллюстрирующее удовлетворительные аппроксимативные свойства построенных моделей.

На основе построенных математических моделей теплоэнергетических объектов и алгоритмов моделирования автоматического регулирования отопительной нагрузки проанализирована работа замкнутого контура системы централизованного теплоснабжения.




Рисунок 8 – Расчётная и фактическая температура сетевой воды.

– Модельные расчёты; – Фактические данные.




Рисунок 9 - Расчётные и фактические потоки тепла в прямом контуре.

– Модельные расчёты; – Фактические данные.



Рисунок 10 - Расчётные и фактические объёмы потребления теплоты.

– Модельные расчёты; – Фактические данные.

Исследованы режимы потребления теплоты потребителем при моделировании автоматического регулирования отопительной нагрузки на источнике теплоснабжения и индивидуальном тепловом пункте, получены энергетические характеристики и построены графики функционирования элементов транспорта и потребления тепловой энергии для каждого способа регулирования посредством моделирования соответствующих параметров сетевой воды при фактической и расчётной наружной температуре.

Моделирование процессов качественного автоматического регулирования на источнике теплоснабжения выявило значительное снижение температуры сетевой воды при транспортировке теплоносителя, приводящее к необеспечению расчётных графиков температур на абонентском вводе потребителей. При этом поддержание расчётного значения расхода сетевой воды увеличивает расход тепла на отопление.

Анализ моделирования процесса автоматического качественно-количественного регулирования на источнике теплоснабжения показал, что вследствие разрегулировки гидравлического режима подачи теплоты от источника до потребителя тепловой энергии проблемы, выявленные при качественном регулировании тепловой нагрузки, частично разрешаются, но не решаются полностью.

Целесообразным, для достижения требуемых параметров сетевой воды на абонентском вводе, является организация автоматического регулирования отопительной нагрузки на индивидуальном тепловом пункте потребителя. Анализ потребления тепловой энергии зданием при различных способах автоматического регулирования, проведенный при помощи математических моделей потребителей тепловой энергии, показал, что наиболее экономный режим потребления теплоты наблюдается при качественно-количественном регулировании по температуре обратной сетевой воды. Построена функциональная схема технической реализации этого метода автоматического регулирования отопительной нагрузки на индивидуальном пункте потребителя (рисунок 11).

Регулятор расхода получает информацию о параметрах сетевой воды на абонентском вводе потребителя и воздействует на регулирующий клапан, установленный на обратной линии теплоносителя. Корректирующим воздействием для регулятора является температура наружного воздуха.




Рисунок 11 – Функциональная схема автоматизированного индивидуального теплового пункта

Пятая глава диссертации посвящена анализу системной эффективности функционирования системы централизованного теплоснабжения и её базовых элементов на основе построения многокритериальных оценок показателей теплообеспечения. В качестве способа получения обобщённых оценок эффективности использован широко распространённый в западной литературе метод Data Envelopment Analysis (DEA). В немногочисленных русскоязычных статьях этот метод называется «анализ среды функционирования». Одним из главных достоинств метода DEA является минимальное использование субъективной информации о рангах частных критериев качества, сворачиваемых в обобщённый критерий эффективности.

Обобщённые критерии эффективности на основе частных показателей качества – выходных характеристик Y_i и величин затраченных ресурсов X_j - для каждого многомерного многосвязного n-ого объекта на базе метода DEA формируются в виде максимизируемых функционалов:

,

(5)

Область допустимых значений весов G, весовые коэффициенты u_in, ν_jn и далее величины обобщенных критериев эффективности f_n отыскиваются путём решения совокупности N задач математического программирования. Последние формируются на основе допущения, что численные значения всех показателей комплексной эффективности f_n (n=1,2…N) для каждого из N объектов являются конечными, и ранжировка этих значений осуществляется на числовом интервале [0,1].




Рисунок 12 – Система связей централизованного теплоснабжения

, .

(6)

Система соотношений (5) и (6) для n={1,2,…N} определяет N задач нелинейного программирования. Решение каждой из n-задач для n-ого объекта даёт значение обобщённого показателя эффективности f_n, ранжированное на единичном интервале [0,1], и соответствующие ему весовые коэффициенты u_n={u_1n,u_2n,…u_kn} и ν_n={ν_1n,ν_2n,…ν_mn}, максимизирующие функционал (5).

В соответствии с методом DEA система централизованного теплоснабжения рассматривается как множество N состояний тепловых объектов с 2 и 3 входами и 1 выходом, отвечающих, соответственно, входам и выходам построенных ранее производственных функций.

Входными воздействиями тепловых объектов полагаются расход топлива и температура наружного воздуха, выходом – потребление тепловой энергии на отопление.

При этом функционал оценки сравнительной эффективности представлен в виде:

n=1,2…N

(7)

Состояния систем теплоснабжения оценивались на временном интервале 1 месяц по среднесуточным режимным параметрам и N бралось равным 32.

Рассматриваются 5 вариантов организации теплоснабжения производственных, административных и бытовых потребителей тепла от совокупности существующих котельных, различающиеся способами регулирования температурных режимов и точками сбора исходной информации.

На рисунке 13 приведены показатели обобщённой эффективности функционирования системы теплоснабжения за месяц, являющиеся решениями 32 задач нелинейного программирования (5), (6) с функционалом (7) для реальных режимов теплообеспечения.



Рисунок 13 – Показатели сравнительной эффективности системы централизованного теплоснабжения

Из решения задачи обобщенного оценивания следует, что системная эффективность теплообеспечения снижается в отдельные дни на 45 % относительно номинальной и в среднем ниже на 25% по отношению к достижимой.

На основе средних за месяц показателей теплоснабжения аналогичным образом, путем решения пяти задач нелинейного программирования (5), (6), найдены численные значения показателей системной эффективности различных вариантов организации централизованного теплоснабжения, представленные в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнительная эффективность системы централизованного теплоснабжения при различных методах регулирования отопительной нагрузки

№ п/п	Метод автоматического регулирования
1	Реальный режим теплоснабжения	0,495	0,002921	0,25	0,960
2	Качественный по температуре прямой сетевой воды	0,495	0,002927	0,25	0,992
3	Качественный по температуре обратной сетевой воды	0,495	0,002927	0,25	0,992
4	Качественно-количественный по температуре прямой сетевой воды с учётом бытовых тепловыделений	0,495	0,002927	0,25	0,997
5	Качественно-количественный по температуре обратной сетевой воды с учётом бытовых тепловыделений	0,495	0,002927	0,25	1,000

Из результатов, представленных в таблице, следует, что вариант с использованием метода качественно-количественного регулирования по температуре обратной сетевой воды с учётом бытовых тепловыделений является наилучшим. Он позволяет более чем на 4 % повысить системную эффективность теплоснабжения.

По результатам проведённого анализа были предложены следующие направления совершенствования рассмотренной системы централизованного теплоснабжения:

1. Организовать автоматизацию тепловых пунктов на источниках теплоснабжения. Регулирование отопительной нагрузки производить качественно-количественным методом по температуре обратной сетевой воды с учётом бытовых тепловыделений;

2. Организовать автоматизацию индивидуальных тепловых пунктов потребителей. Регулирование отопительной нагрузки производить качественно-количественным методом по температуре обратной сетевой воды с учётом бытовых тепловыделений;

3. Привести в соответствие значения температур и расходов сетевой воды на источнике и потребителях тепловой энергии с расчетным графиком регулирования отопительной нагрузки;

На основе систем учета и регулирования тепловой энергии на источниках тепловой энергии и функциональной структуры централизованного теплоснабжения, разработана структура коммерческого учета централизованного теплоснабжения, представленная на рисунке 14. Структура построена на базе серийных счетчиков тепловой энергии и предложенных схем автоматизации. Результаты измерений температуры, давления и расхода природного газа, а также вычисленные значения параметров теплоносителя передаются для архивации по локальной сети теплоисточника на специализированный сервер производственно-диспетчерской службы управления энерговодоснабжения поселка Пангоды, далее на сервер диспетчерской Надымского филиала и в Центральный диспетчерский пункт в городе Москва. Текущая и архивная информация доступна в режиме реального времени для использования пользователями по локальной сети на соответствующих теплоисточниках и в корпоративной сети. Информация об отпущенной тепловой энергии применяется при расчетах топливных, тепловых и других балансах, а также для планирования отпуска теплоносителя и финансовых затрат на производство тепловой энергии таких как: топливо, исходная вода, электроэнергия, трудовые и капитальные ресурсы.



Рисунок 14 – Структурная схема системы учета и регулирования теплоснабжением

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная диссертационная работа посвящена системному анализу функционирования системы централизованного теплоснабжения в районе Крайнего севера, построению и идентификации моделей теплообеспечения, анализу методов качественного и качественно-количественного регулирования и комплексной оценке эффективности теплообеспечения потребителей.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен системный анализ функционирования системы централизованного теплоснабжения, структурированы и изучены статистические характеристики деятельности и исследованы показатели эффективности теплообеспечения.

2. Построены математические модели системы централизованного теплоснабжения в форме производственных функций и проведена идентификация построенных моделей по реальным статистически данным, оценены показатели качества, оценены аппроксимативные свойства математических моделей.

3. На основе полученных моделей проведен сравнительный анализ эффективности различных способов управления централизованным теплоснабжением при организации качественного и качественно-количественного автоматического регулирования отопительной нагрузки.

4. Построены критерии оценки системной эффективности режимов и способов управления централизованным теплоснабжением, проведено многокритериальное оценивание эффективности функционирования систем теплообеспечения.

5. На основе проведённого анализа сформулированы направления и предложены мероприятия повышения энергоэффективности систем централизованного теплоснабжения.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

1. Немченко В.И., Хафизов Р.Н. Методика настройки температурных компенсаторов на основе системного анализа отпуска тепла // Вестник Самарского Государственного Технического Университета, серия «Технические науки» - № 33, СамГТУ, Самара, 2005 - с. 56-60.

2. Хафизов Р.Н. Моделирование функционирования системы централизованного теплоснабжения // Вестник Самарского Государственного Технического Университета, серия «Технические науки» - №20 (2), СамГТУ, Самара, 2007 - с. 83–87.

3. Абрамов С.Ю., Хафизов Р.Н., Немченко В.И. Разработка автоматизированной системы управления индивидуальных тепловых пунктов зданий // Труды третьей международной конференции молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы современной науки». Естественные науки. Части 12-16, СамГТУ, Самара, 2002 – с. 8

4. Абрамов С.Ю., Хафизов Р.Н., Немченко В.И. Методика анализа централизованного теплоснабжения города по показаниям теплосчётчиков // Труды четвёртой международной конференции молодых учёных и студентов