Алгоритмы автоматизированного управления подсистемой пиковой нагрузки в КСЦТ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алгоритмы автоматизированного управления подсистемой пиковой нагрузки в КСЦТ

Суздальцев А. И.,

Когенерационные системы централизованного теплоснабжения (далее КСЦТ), особенность которых заключается в комбинированной выработке тепловой и электрической энергии на ТЭЦ, позволяют сберегать ежегодно до 30 млн. тонн органического топлива благодаря более высокому КПД и низкому расходу топлива по сравнению с раздельной выработкой электрической и тепловой энергии /1/.

Основным недостатком КСЦТ является значительное транспортное запаздывание передачи тепловой энергии, обусловленное большой протяженностью трубопроводов. Экспериментальными исследованиями, проведенными в 2006 -2007 г.г. в Северном районе г.Орла (рис.1), установлено, что величина транспортного запаздывания при прохождении фронта температурной волны по магистрали с диаметром условного прохода Ду=1000 мм на участке от ТЭЦ до санатория «Лесной» (протяженность 4 км) составляет 1 час 30 минут, а на участке от ТЭЦ до ЗАО «Промвентиляция» (протяженность 7,5 км) - 2 часа 30 минут /1/.

Рисунок 1 - Величина транспортного запаздывания при прохождении фронта температурной волны по магистрали Северного района г.Орла

При изменении температуры наружного воздуха теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) изменяет температуру теплоносителя в подающем трубопроводе до значений, соответствующих температурному графику. К удаленным от ТЭЦ потребителям теплоноситель поступает через несколько часов с параметрами, отличающимися от расчетных на 3-5°С. Это связано с тепловыми потерями в тепловых сетях, которые, согласно нормативным документам, должны составлять не более 5%, а фактически достигают 12-20% /2/. В результате удаленные потребители, подключенные к КСЦТ, получают теплоноситель с температурой, не соответствующей температурному графику, и с запаздыванием. В итоге потребители не получают необходимого количества тепловой энергии для обеспечения комфортных температурных условий.

Одним из способов решения обозначенной проблемы является подключение потребителей к тепловым сетям через активно работающие пиковые нагрузки /3, 4/, однако это требует специальных алгоритмов и средств автоматизированного управления процессом передачи тепловой энергии, учитывающих особенности совместной работы ТЭЦ и пиковых нагрузок на единую тепловую сеть.

Рисунок 2 - Структурная схема автоматизированного управления подсистемой пиковой нагрузки в составе КСЦТ

В данной статье рассматриваются структура и алгоритмы автоматизированного управления подсистемой пиковой нагрузки в КСЦТ в пассивном и активном режимах. На рис. 2 представлена структурная схема автоматизированного управления подсистемой пиковой нагрузки в составе КСЦТ.

Подсистема теплоснабжения пиковой нагрузки в пассивном режиме работает следующим образом. Нагнетателем теплоносителя 11 по напорной трубе подают теплоноситель в источник тепловой энергии подсистемы теплоснабжения пиковой нагрузки в тепловой котел 16, где его незначительно подогревают и подают потребителям 20 подсистемы теплоснабжения пиковой нагрузки через трубопровод 17. В установившемся режиме горячий поток после потребителя (трубопровод 19) подсистемы теплоснабжения пиковой нагрузки разделяют на два потока, один из которых направляют по трубопроводу 9а непосредственно к нагнетателю теплоносителя, а второй - через дополнительный ввод 9б контура нагрева теплообменника 5 и трубопровод 6.

Разделение горячего потока осуществляется с помощью регулирующего органа 8 первого управляющего устройства 7, на входы которого поступают сигналы с датчиков температуры теплоносителя 15 и 14. Первым управляющим устройством формируют сигналы управления регулирующим органом 8 в соответствии с разностью двух температур таким образом, что, если значение температуры датчика температуры 14 больше или равно значению температуры датчика температуры 15, то регулирующим органом направляют поток теплоносителя после потребителя подсистемы теплоснабжения пиковой нагрузки непосредственно к нагнетателю теплоносителя 11 по трубопроводу 9а, в противном случае поток направляют к нагнетателю теплоносителя по трубопроводу 9б через дополнительный ввод контура нагрева теплообменника 5 и трубопровод 6.

Первое управляющее устройство выполнено на базе контроллера ТРМ - 32 /5/.

В качестве датчиков температуры использованы термопреобразователи сопротивления платиновые типа ТСП 100 П. Изменение направления потока теплоносителя в большой и малый контуры осуществляется регулирующим клапаном ЕСПА 02 РИ (Ду-50) с электрическим исполнительным механизмом ЕСПА 02 ПВ /6/. Ход клапана 40 мм. Время полного хода 240 с.

Первое управляющее устройство работает по следующему алгоритму:

(1)

i - номер позиции регулирующего органа 8;

- нахождение регулирующего органа в i - й позиции;

- переключение рабочего органа 8 в позицию (положение), при которой поток теплоносителя направляется к трубопроводу 9а;

- переключение рабочего органа 8 в позицию (положение), при которой поток теплоносителя направляется к трубопроводу 9б;

- значения температур датчиков 14 и 15;

- время перехода регулирующего органа из одной позиции в другую, равное 240с.

При изменении температуры окружающего воздуха от ТЭЦ 1 по подающему трубопроводу 2 к потребителям 3 начинает поступать теплоноситель с измененной температурой в соответствии с температурным графиком. При этом теплоноситель с изменившейся температурой от потребителей по обратному трубопроводу 4 поступит в теплообменник 5 подсистемы теплоснабжения пиковой нагрузки с запаздыванием за счет большой протяженности трубопроводов. В этом случае управляющее устройство 7 с регулятором 8 не смогут поддерживать заданную температуру у потребителей пиковой нагрузки и тогда срабатывает второе управляющее устройство 13, которое через регулятор расхода газа 12 увеличивает или уменьшает подачу газа в тепловой генератор 16 в зависимости от показаний датчиков температуры 10 и 18 (активный режим). Третий датчик температуры 18, расположенный в подающем трубопроводе 17 подсистемы теплоснабжения пиковой нагрузки, измеряет температуру теплоносителя и подает сигнал на вход второго управляющего устройства 13. Одновременно с этим, на второй его вход поступает температура наружного воздуха с четвертого датчика температуры 10. Если температура теплоносителя в подающем трубопроводе 17 подсистемы теплоснабжения пиковой нагрузки меньше той, которая должна соответствовать по температурному графику, заложенному во второе управляющее устройство 13 при соответствующем значении температуры наружного воздуха, то вторым управляющим устройством 13 выдается сигнал регулятору подачи газа 12 об увеличении подачи газа в источник тепловой энергии подсистемы теплоснабжения пиковой нагрузки 16, в противном случае подачу газа уменьшают. При поступлении теплоносителя с измененной температурой от ТЭЦ в теплообменник 5 подсистемы теплоснабжения пиковой нагрузки второе управляющее устройство 13 отреагирует подачей газа в обратном направлении, т.е. потребители в подсистеме теплоснабжения пиковой нагрузки не почувствуют изменения температурных комфортных условий.

Второе управляющее устройство выполнено аналогично первому, только в качестве регулирующего органа расхода газа использован регулирующий клапан ЕСПА 02 РГ (Ду-15) с электрическим исполнительным механизмом ЕСПА 02 ПВ. Ход штока клапана составляет 15 мм. Время полного хода 60 с.

Второе управляющее устройство работает циклически по следующему алгоритму:

(2)

- коэффициент связи между числом импульсов управления двигателем электрического исполнительного механизма с заданной длительностью импульса и величиной перемещения штока клапана;

- коэффициент связи между величиной перемещения штока клапана и объемом подаваемого газа;

- наружная температура в градусах Цельсия;

- значение заданной температуры теплоносителя по температурному графику в градусах Цельсия;

в градусах Цельсия;

- измеренное значение температуры теплоносителя в подающем трубопроводе пиковой нагрузки датчиком 18 в градусах Цельсия;

- заданная абсолютная погрешность измерения температуры при регулировании, в градусах Цельсия;

- заданное значение приращения объема сжигаемого газа в каждом цикле регулирования в при заданной длительности импульса управления;

- число импульсов управления, соответствующее текущему объему сжигаемого газа, выраженного в количестве значений ;

- число импульсов управления, соответствующее объему сжигаемого газа, подлежащего корректировке и выраженного в количестве значений ;

- знак разности ;

- текущее значение объема газа, подаваемого в тепловой котел, .

Например, при параметрах настройки: , времени импульса , ходе клапана 1 мм, тангенсе угла наклона температурного графика, равном , и равнопроцентной характеристике клапана (), понижение температуры наружного воздуха на величину вызовет увеличение расхода газа на 20% () и изменение температуры теплоносителя в подающем трубопроводе на .

Описанные алгоритмы управления подсистемой пиковой нагрузки были проверены авторами экспериментально для пассивного и активного режимов работы пиковой нагрузки. Пассивный (рисунок 3) режим работы исследовался в ЦТП областного онкологического диспансера г. Орла. Как видно из рисунка 3, в случае отсутствия подогрева теплоносителя на пиковой нагрузке когенерационный источник не может обеспечить поддержание параметров теплоносителя в соответствии с температурным графиком с точностью ± 3%, регламентированной требованиями СНиП.

Рисунок 3 - Параметры теплоносителя в ЦТП областного онкологического диспансера (подогрев пиковой нагрузкой отключен): , - расчетные параметры теплоносителя; ,.- фактические параметры теплоносителя и наружного воздуха

Отклонения фактических параметров теплоносителя от расчетных в наиболее холодный период года (с 1 по 28 февраля 2007 г.) составили в среднем 12%. Управление параметрами теплоносителя осуществлялось только за счет изменения температуры на ТЭЦ (качественное регулирование) при постоянном значении расхода в локальном контуре, равном 8 мі/ч. Следовательно, «недотоп» потребителей составил в среднем 12%.

В этот же период (с 1 по 28 февраля 2007 г.) экспериментальными исследованиями, проведенными в детской инфекционной больнице г. Орла (рисунок 4), установлено, что при подогреве теплоносителя активно работающей пиковой нагрузкой отклонение параметров теплоносителя от температурного графика составило не более 3%, что соответствует требованиям СНиП.

автоматизированный управление теплоноситель

Рисунок 4 - Параметры теплоносителя в ЦТП детской инфекционной больницы (подогрев пиковой нагрузкой и автоматика включены): , - расчетные параметры теплоносителя; ,.- фактические параметры теплоносителя и наружного воздуха

Выводы

Включение в КСЦТ подсистемы пиковой нагрузки, работающей в пассивном режиме с управлением по алгоритму (1), не обеспечивает поддержание температуры у потребителей в заданном диапазоне температур, регламентированных СНиП, а резкое изменение температуры наружного воздуха за счет больших транспортных запаздываний теплоносителя от ТЭЦ до потребителя приводит к «недотопу» потребителей (в эксперименте до 12%).

Включение в КСЦТ подсистемы пиковой нагрузки, работающей в активном режиме с управлением по алгоритму (2), позволяет независимо от изменения температуры наружного воздуха значительно уменьшать влияние транспортного запаздывания теплоносителя от ТЭЦ до потребителя с одной стороны, с другой стороны - обеспечивать температурный режим у потребителей в соответствии со СниП.

Включение в КСЦТ подсистем пиковых нагрузок, работающих в пассивном и активном режимах, обеспечивает безопасность потребителей тепловой энергии в момент аварии в центральном трубопроводе КСЦТ и особенно в холодное время года.

Так как эксперименты проводились в разных подсистемах пиковых нагрузок и в разных режимах, хотя в одно и то же время и питающихся от одной КСЦТ, то окончательные выводы могут быть сделаны только после экспериментов с подсистемой пиковых нагрузок с алгоритмом управления, объединяющим алгоритмы (1) и (2), с учетом энергетических затрат на дополнительный подогрев в пиковой нагрузке.

Литература

1. Петров, С.П. Автоматизация когенерационных систем теплоснабжения с распределенными пиковыми нагрузками [Текст] / Монография. / С.П. Петров под общ. ред. д.т.н., проф. А. И. Суздальцева - М.: Машиностроение - 1, 2007. - 304 с.: ил.

2. Хаванов, П.А. Автономное теплоснабжение - альтернатива или шаг назад [Текст] / П. А. Хаванов, В. Л. Беккер // Теплоэнергоэффективные технологии, 2006. № 3. - С. 19 - 24.

3. Чистович, С.А. Эффективность автоматического регулирования систем отопления зданий [Текст] / С.А. Чистович / Теплоэнергоффективные технологии, 2003. № 1. - С.28.

4. Суздальцев, А.И. Подходы к управлению когенерационной системой централизованного теплоснабжения, ориентированные на повышение ее эффективности [Текст] / А.И. Суздальцев, С.П. Петров, Н.А. Загородних. Известия Тульского государственного университета. Серия “Технологическая системотехника”. Выпуск 10, ТулГУ, 2006 г. - С. 49-53.

5. Каталог «Измерители температуры, регуляторы, контроллеры для систем отопления, горячего водоснабжения и приточной вентиляции"/ Контроллер для регулирования температуры в системах отопления и ГВС «ОВЕН» ТРМ-32-Щ 4, 2007. - 2 с.

6. Регулирующий клапан ЕСПА с электрическим исполнительным механизмом. Инструкция по монтажу, настройке и эксплуатации [Текст] - М: Машиноимпорт,1999. - 30 с.

Размещено на Allbest.ru