Подход к автоматизированному анализу эффективности режимов теплоснабжения на основе макромоделирования

В настоящее время и на перспективу базовым подходом к теплоснабжению на крупных промышленных предприятиях и в жилищнокоммунальном хозяйстве Российской Федерации является централизованное теплоснабжение, позволяющее снизить затраты на производство тепла за счет совместной выработки электрической и тепловой энергии. Негативными факторами централизованной выработки тепла, снижающими ее эффективность, являются затраты на транспортировку теплоносителя, утечки и потери тепла в трубопроводах. Кроме того, очень важную роль в функционировании централизованных систем теплоснабжения играет необходимость согласованной работы источников и потребителей при регулировании подачи тепла. Отсюда актуальным является решение задачи оперативного анализа эффективности процесса теплоснабжения, позволяющее своевременно выявлять потери и нерациональное использование тепла, проводить оценку эффективности и осуществлять оптимальное управление процессом теплоснабжения в различных режимах.

Известные подходы анализа режимов сложных систем основаны на разработке математической модели реальной системы с помощью специализированного программного обеспечения [1,2]. Сложность построения такой модели на практике для крупных сетей состоит в необходимости получения большого объема данных, включающих детальные характеристики трубопроводов тепловых сетей (длины, диаметры, шероховатость, зарастание и т.д.) и потребителей, что требует значительных затрат времени и средств, а в ряде случаев (например, при подземной прокладке труб) практически не реализуемо. Для оперативного анализа модель должна учитывать текущие фактические параметры теплоносителя в различных точках системы теплоснабжения и позволять оперативно рассчитывать статические и динамические режимы в случае каких-либо переключений, что накладывает дополнительные требования к сходимости используемых математических методов, объему данных и скорости вычислений. С учетом сказанного актуальной является задача разработки подхода к оперативному анализу эффективности режимов теплоснабжения, основанного на построении упрощенной макромодели тепловой сети, не требующей значительного объема исходных данных и позволяющей производить расчеты с достаточной для практического использования точностью в режиме реального времени.

Суть предлагаемого подхода состоит в представлении реальной тепловой сети в виде многоуровневой структуры с выделенными сетевыми районами, отдельными крупными потребителями и соединяющими их магистральными тепловыми сетями (рис. 1). В отличие от полной модели, отражающей состояния всех имеющихся межэлементных связей, в макромодели отображаются состояния значительно меньшего числа межэлементных связей, что соответствует описанию объекта при укрупненном выделении элементов. В основу построения макромодели для расчета тепловых сетей могут быть положены следующие принципы.

• 1.    Сетевые районы (СР,) со сложной схемой сетевых соединений, содержащие большое количество относительно маломощных потребителей, рассматриваются как единый эквивалентный потребитель.

• 2.    Потребители (П₇), подключенные непосредственно к магистральной сети, рассматриваются как таковые.

• 3.    При необходимости более подробного рассмотрения параметров гидравлических режимов внутри отдельных сетевых районов может быть осуществлен переход на следующий уровень макромодели, отражающий состояние потребителей (Hjj и вновь выделенных сетевых районов (СРу) внутри сетевого района СР,.

Сетевые районы и потребители характеризуются такими параметрами как потребление тепла, температура, расход, давление (напор) подаваемой и обратной сетевой воды, геодезическая отметка теплового ввода.

На основе указанных выше принципов реализуется возможность использования при анализе одной и той же тепловой сети нескольких моделей, различающихся сложностью, точностью и полнотой отображения свойств. Таким образом, в зависимости от целей моделирования может изменяться степень детализации представления и описания модели тепловой сети. При этом следует отметить, что результаты выполненного однократно более трудоемкого моделирования отдельного сетевого района могут многократно применяться в упрощенной общей макромодели, что обуславливает общее снижение объема вычислений.

Гидравлический расчет многоконтурных тепловых сетей может быть проведен с использованием расчетной гидравлической макромодели тепловой сети, подробно описанной в [3]. Для расчета гидравлических режимов тепловой сети по пред-

Рис. 1. Многоуровневая структура тепловой сети

ложенной модели необходимо составить матрицы связей согласно изложенной в [3] методике. Задача гидравлического расчета многоконтурной тепловой сети может быть решена итерационным методом с использованием расчетной макромодели сети по описанному в [3] алгоритму.

Применение описанной гидравлической макромодели тепловой сети позволяет произвести расчет режимов многоконтурной тепловой сети при заданной схеме тепловой сети на основе имеющихся данных по объектам и участкам сети. При этом благодаря относительно небольшому объему вычислений рассматриваемая макромодель может быть использована для расчета режимов тепловых сетей в реальном времени.

Результаты моделирования различных вариантов функционирования тепловой сети на основе обобщенной макромодели могут быть использованы для проведения сравнительного анализа режимов функционирования тепловых сетей и оценки их эффективности. Эффективность режимов теплоснабжения оценивается с помощью показателей эффективности (показателей качества). Для тепловых сетей показатели эффективности функционирования характеризуют уровень использования теплового потенциала сетевой воды и степень соответствия оцениваемой системы своему назначению [4, 5].

Показатели эффективности системы, как правило, представляют собой некоторое множество функций^ от характеристик системы х,:

Ук⁼Дх_ьХ2,...,х_п), к=1,К, n=\,N, где К - мощность множества показателей эффективности системы, N - мощность множества характеристик системы.

К характеристикам функционирования тепловой сети будем относить:

• •    расход тепловой энергии в тепловой сети;

• •    температуру теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети;

• •    разность значений температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах или температура теплоносителя в обратном трубопроводе тепловой сети;

• •    расход теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети;

• •    удельный среднечасовой расход теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети;

• •    затраты электроэнергии на передачу тепловой энергии, включая затраты насосными группами источников теплоснабжения;

• •    удельные затраты электроэнергии на передачу тепловой энергии.

Для получения критерия эффективности при использовании указанных характеристик целесообразно использовать несколько подходов:

Подход к автоматизированному анализу эффективности режимов теплоснабжения...

• 1.    Выбирается один главный показатель, например, температура теплоносителя в обратном трубопроводе, и оптимальной считается система, для которой этот показатель достигает экстремума, при условии, что остальные показатели удовлетворяют системе ограничений, заданных в виде неравенств.

• 2.    Ранжирование показателей по важности. При сравнении систем одноименные показатели эффективности сопоставляются в порядке убывания их важности по определенным алгоритмам.

• 3.    Мультипликативные и аддитивные методы получения критериев эффективности основываются на объединении всех или части показателей с помощью операций умножения или сложения в обобщенные показатели. Если в произведение (сумму) включается часть показателей, то остальные частные показатели включаются в ограничения. Показатели, образующие произведение (сумму), могут иметь весовые коэффициенты.

Конкретный вид критериев эффективности определяется в зависимости от поставленных целей и особенностей тепловых систем объектов. Сопоставление действительных значений показателей режимов функционирования тепловых сетей, рассчитанных на основе использования макромодели [3], с их нормативными значениями на основе выбранного критерия эффективности позволяет проводить оценку эффективности функционирования тепловых сетей и тем самым оперативно влиять на улучшение режимов теплоснабжения.

На практике использование математической макромодели может быть положено в основу построения систем диспетчерского управления. В настоящее время применение автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) является одним из основных направлений повышения эффективности функционирования систем централизованного теплоснабжения. При этом в функции современных АСДУ, помимо сбора и отображения в реальном времени информации о параметрах техпроцесса, входит реализация автоматизированного управления технологическим объектом в режиме «советчика» диспетчеру. Построенная адекватная макромодель системы теплоснабжения позволяет предварительно производить расчет параметров и режимов теплоснабжения, после чего диспетчер принимает решение о реальном использовании того или иного режима.

На рис. 2 представлена укрупненная структура АСДУ системы теплоснабжения. Как видно из рис. 2, выработка управляющих воздействий осуществляется на основе анализа данных о текущих параметрах тепло потребления путем сравнения с расчетными значениями, полученными по результатам математического моделирования объекта управления. Для настройки параметров модели должна периодически повторяться процедура идентификации на основе данных эксплуатации, полученных из АСДУ.

Предложенный подход к автоматизированно-

Рис. 2. Структура АСДУ тепловой сети му анализу режимов теплоснабжения на основе макромоделирования был апробирован при регулировании режимов теплоснабжения промпло-щадки ОАО «ММК» (г. Магнитогорск). Полученные результаты свидетельствуют о возможности практического использования подхода в расчетах тепловых сетей. В целом, данный подход позволяет оперативно управлять схемой теплоснабжения, и тем самым повысить надежность и качество обеспечения потребителей тепловой энергией.