Коррекция процессов регулирования в системах теплоснабжения параметрами регулятора ECL Comfort 200
Автор: Кодкин Владимир Львович, Аникин Александр Сергеевич, Балденков Александр Александрович, Качалин Андрей Юрьевич
Рубрика: Краткие сообщения
Статья в выпуске: 3 т.15, 2015 года.
Бесплатный доступ
Разработка энергосберегающих мероприятий в сфере коммунального хозяйства является очень важной и необходимой составной частью как разработки новых систем теплоснабжения, так и непосредственной эксплуатации уже существующих. Широкое применение в тепловых системах автоматических регуляторов выявило ряд проблем. Процессы изменения температуры теплоносителя в таких системах носят колебательный характер. Экспериментальная идентификация наиболее часто применяемых контроллеров для систем отопления, таких как ECL Comfort (производитель Danfoss), Vitotronic (производитель Viessmann), 90С (производитель ESBE), показала, что единственно возможным вариантом корректировки данных регуляторов может быть метод, опирающийся на их идентификацию как динамических нелинейных регуляторов. Представлены экспериментальные исследования в реальной системе отопления с целью определения потенциальных возможностей ее оптимизации по потреблению ресурсов. Результаты исследования дополнены теоретическим анализом динамики в системах теплоснабжения, основанным на методе гармонического баланса, который позволил качественно установить характер изменения процессов регулирования.
Тепловые системы, регулятор температуры теплоносителя
Короткий адрес: https://sciup.org/147155053
IDR: 147155053 | DOI: 10.14529/ctcr150320
Текст краткого сообщения Коррекция процессов регулирования в системах теплоснабжения параметрами регулятора ECL Comfort 200
В коммунальном хозяйстве потребление тепловой энергии практически на порядок превосходит потребление электрической энергии в связи с нуждами отопления и горячего водоснабжения. Помимо этого график тепловой нагрузки в течение отопительного сезона сильно варьируется (в 5–6 раз) не только от времени суток, но и от климатических условий [1]. В связи с этим повышение энергоэффективности в системах теплоснабжения за счет обеспечения в них качественного процесса регулирования является актуальной задачей.
При идентификации широко используемых регуляторов ECL Comfort 200, Vitotronic 300-K, ESBE Series 90 был получен ряд динамических характеристик каждого из них при различных параметрах настройки. Анализ этих характеристик показал, что их вариация может существенно изменить процессы в замкнутой системе регулирования в тех случаях, когда объект управления описывается дифференциальными уравнениями не выше 3-го порядка (например: небольшие и средних системы отопления с одним циркуляционным контуром). Данное заключение было подтверждено математическим моделированием подобных систем. Между тем, опыт наладки реальных котельных показал, что изменение параметра «постоянная времени интегрирования» в 1,5–2 раза процессы в системе качественно не изменяет.
Коррекция процессов регулирования в системах теплоснабжения параметрами регулятора ECL Comfort 200
Для определения возможности коррекции процессов регулирования в реальной системе отопления, а, следовательно, и потенциальные возможности оптимизации их по потреблению ресурсов, были проведены экспериментальные исследования на котельной. Она расположена на крыше жилого дома и имеет один циркуляционный контур с системой регулирования на базе ECL Comfort 200. Система регулирования построена по стандартной схеме и соответствует инструкции на ECL Comfort [2]. Температура регулируемого теплоносителя измеряется с помощью стандартного датчика Pt1000 и отображается на панели регулятора с точностью до 1 °С.
Первоначально установленные параметры регулятора, соответствующие рекомендациям заводских инструкций [2], следующие:
Ти = 150 с; Tштока = 240 с; Хp = 150 °С; Nz = 3 °С, где Ти – постоянная интегрирования; Tштока – время хода штока; Хp – зона пропорциональности; Nz – зона нечувствительности.
Соответствующий им процесс регулирования (рис. 1) представляет собой периодические колебания с амплитудой до 10 °С, а, следовательно, на эту величину температура теплоносителя превышает требуемое значение. Изменение Т и в 5 раз не внесло существенных изменений (см. рис. 1).

Рис. 1. Графики температуры теплоносителя при Т и = 30 с и Т и = 150 с
Частотная характеристика регулятора, определённая по разработанной методике представлена на рис. 2.

Рис. 2. Частотные характеристики регулятора ECL Comfort 200 при Т и = 30 с и Т и = 150 с
Для «повышения» динамики были установлены следующие параметры регулятора температуры:
Т и = 5 с; Х p = 30 °С; T штока = 240 с; N z = 1 °С.
Частотная характеристика такого регулятора представлена на рис. 3, а процесс регулирования температуры – на рис. 4.

Рис. 3. Частотные характеристики регулятора ECL Comfort 200 при Т и = 5 с и Т и = 150 с

Рис. 4. Графики температур теплоносителя при Т и = 5 с и Т и = 150 с
Амплитуда колебаний уменьшилась в 3 раза, а частота увеличилась в 5 раз. При таком процессе регулирования есть возможность снизить температуру теплоносителя на 5–6 °С, что соответствует снижению потребления энергоресурсов на 3–4 %. А сами результаты изменения характеристик показывают потенциальную возможность оптимизации процесса отопления с данными регуляторами.
Экспериментальные исследования могут быть «дополнены» качественным теоретическим анализом, проведённым методом гармонического баланса [3].
Исходная структура системы отопления может быть сведена к схеме, представленной на рис. 5.

Рис. 5. Структура системы отопления
Условия гармонического баланса для автоколебаний выглядят:
w^ = Wp • wOp W • Крэ = 1;
*c) = -1800; Крэ = А; А = ^ = Wp • W.JmJ,
Условия гармонического баланса по ЛЧХ системы отопления:
Wa = Wop • WpT; W2 = Wop • Wp2;
W p! - при Т и = 150; W p2 - при Т и = 5.
Соответствующие этим условиям амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастотные (ФЧХ) характеристики системы отопления представлены на рис. 6.

Рис. 6. АЧХ и ФЧХ с различными параметрами регулятора
При изменении параметров регулятора, условие гармонического баланса перемещается в зону более высоких частот и меньших амплитуд (см. рис. 6). Аналогично тому, что наблюдалось в эксперименте, объект управления – отапливаемое здание – имеет «падающую» частотную характеристику с «отстающей» фазой.
Заключение
-
1. Идентификация регулятора по разработанной методике даёт достаточно точные представления о нём, чтобы существенно скорректировать процессы регулирования в системе отопления.
-
2. Отапливаемые здания можно идентифицировать звеньями не выше третьего порядка в частотном диапазоне, достаточном для эффективной коррекции.
-
3. Коррекция процессов регулирования позволит добиться снижения амплитуды автоколебаний температуры теплоносителя на 5–10 °С, что соответствует снижению исходной температуры на 10 °С и снижению энергопотребления на 10 %.
Список литературы Коррекция процессов регулирования в системах теплоснабжения параметрами регулятора ECL Comfort 200
- Концепция развития теплоснабжения в России, включая коммунальную энергетику, на среднесрочную перспективу/под ред. чл-корр. А.В. РАН Клименко; принята Департаментом Госэнергонадзора РФ. -М., 2002.
- ECL Comfort 200. Руководство пользователя. -http://www.danfoss-rus.ru/catalog/sections_files/VI7BC550_P30.pdf.
- Цыпкин, Я.З. Основы теории автоматических систем/Я.З. Цыпкин. -М.: Наука, 1977. -560 с.