Разработка методов и средств тестового диагностирования и анализа процессов регулирования объектов теплоэнергетики

На правах рукописи

разработка методов и средств тестового диагностирования и анализа процессов РЕГУЛИРОВАНИЯ объектов теплоэнергетики

05.13.01 ‑ Системный анализ, управление и обработка информации

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Владивосток

2009

Работа выполнена в лаборатории технической диагностики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация: Морской государственный

университет имени

адмирала ,

г. Владивосток

Защита состоится «19» июня 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 005.007.01 при Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН Владивосток, ул. Радио, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Автореферат разослан «6» мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 005.007.01, к. т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одной из стратегических задач настоящего периода является повышение эффективности производства, передачи и потребления энергоресурсов, в частности, тепловой энергии и теплоносителей. В последние годы наблюдается прогрессирующий процесс установки систем тепловой автоматики, обеспечивающей регулирование, направленное на экономию тепловой энергии и/или горячей воды. Качество эксплуатационных режимов таких систем в основном определяется степенью соответствия количества теплоты, получаемой каждым из потребителей, нормативным величинам, устанавливаемым при проектировании объектов. При этом весьма нежелательны отклонения от нормативных значений, как в большую, так и в меньшую сторону.

Различают два принципиально различных способа регулирования теплопотребления – количественный и качественный. В России (и ранее в СССР) принят качественный способ регулирования в системах централизованного теплоснабжения. Суть его заключается в том, что количество потребляемой теплоты регулируется на теплоисточнике (ТЭЦ, котельная) путем изменения температуры теплоносителя. При этом расход теплоносителя в тепловом узле каждого потребителя должен оставаться постоянным в течение всего отопительного сезона. На Западе реализуется другой, количественный способ регулирования. При этом способе температура теплоносителя поддерживается постоянной, а количество потребляемой теплоты дозируется за счет изменения расхода теплоносителя с использованием регулирующего оборудования у потребителей.

Практика постперестроечного периода в России показывает, что качественный способ регулирования осуществляется со значительными отклонениями от нормы, что связано как с занижением температуры теплоносителя в холодное время года, так и с ее превышением в периоды межсезонья. Поэтому потребители зачастую решают свои проблемы за счет установки регулирующего оборудования в тепловом узле и/или на отопительных приборах внутри помещений. Результатом этого является совмещение качественного и количественного способов регулирования. Для того чтобы оценить эффективность такого смешанного способа регулирования и разумно управлять этим процессом, необходимо определить «вклад» каждого из способов в общий результат, причем желательно оценить его с использованием понятных, отражающих определенный содержательный смысл, критериев.

Методам регулирования теплопотребления и анализа их эффективности посвящены многочисленные теоретические и практические исследования, среди которых можно выделить работы , , Аверьянова эти исследования ограничиваются рассмотрением одного из способов регулирования и, как правило, базируются на использовании моделей, не учитывающих реальное техническое состояние объекта теплоэнергетики (ОТЭ).

Регулирование теплопотребления приводит к значительным изменениям гидравлического режима системы теплопотребления. При этом возрастает вероятность проявления дефектов, приводящих к нарушению одного из основных требований нормативной базы, связанного с соблюдением баланса потоков теплоносителя в системе. Диагностирование такого рода дефектов возможно лишь с использованием специально подобранных, тестовых режимов функционирования ОТЭ. Тестовые методы диагностирования исследованы достаточно подробно в работах Чипулиса они, во-первых, ориентированы только на те объекты, которые представимы моделью гидравлических цепей (тепловые сети), и, во-вторых, не получили практического развития. В настоящее время наиболее значимой представляется задача разработки методов диагностирования, эффективных при практическом использовании, применительно к другому, более широкому классу ОТЭ – потребителям тепловой энергии. Ее актуальность определяется не только многочисленностью таких объектов, но и прогрессирующими темпами их оснащения современными средствами измерений, реализующими функции архивирования результатов измерений и последующей их передачи в компьютер. Возникают предпосылки разработки информационно-аналитических систем мониторинга и анализа эксплуатационных режимов ОТЭ с использованием ретроспективной информации.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка тестовых методов и программных средств диагностирования ОТЭ и оценки эффективности регулирования теплопотребления.

Существенным требованием к методам и программным средствам является их интеграция в промышленно эксплуатируемые информационно-аналитические системы мониторинга и анализа эксплуатационных режимов ОТЭ, разрабатываемые и внедряемые ИАПУ ДВО РАН.

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих основных задач:

-  разработка критериев оценки и методов анализа смешанного способа регулирования теплопотребления;

-  разработка метода оценки экономического эффекта регулирования теплопотребления с использованием ретроспективной информации;

-  разработка технологии поэтапного диагностирования поведенческих и физических дефектов ОТЭ;

-  разработка методов диагностирования кратных дефектов, приводящих к нарушению баланса потоков в системах теплопотребления;

− разработка и сопровождение промышленно-эксплуатируемых информационно-аналитических систем мониторинга и анализа эксплуатационных режимов ОТЭ с использованием ретроспективной информации.

Научная новизна работы.

1. Разработаны критерии и методы оценки эффективности регулирования теплопотребления. Новизна подхода определяется формированием для решения задачи базовых оценочных функций, получаемых с использованием аппарата регрессионного анализа ретроспективной информации с учетом реального технического состояния теплоэнергетических объектов и реальных параметров функционирования источников теплоты.

2. Впервые предложен тестовый подход к диагностированию дефектов ОТЭ, основанный на реконфигурации объекта с использованием измерительного и/или запорно-регулирующего оборудования.

3. Разработан аналитический метод диагностирования ОТЭ, ориентированный на поиск кратных дефектов, приводящих к нарушению баланса потоков теплоносителя. Снято практически невыполнимое ограничение, связанное с постоянством гидравлического режима в процессе диагностирования ОТЭ.

4. Разработан алгоритм выбора адекватных результатов измерений для решения задачи тестового диагностирования ОТЭ.

Методы исследования.

Анализ ретроспективной информации, регрессионный анализ и имитационное моделирование.

Достоверность результатов исследований обеспечена применением апробированных статистических методов анализа ретроспективной информации и имитационного моделирования.

Практическая значимость и внедрение результатов исследования. Полученные в работе результаты имеют существенную практическую значимость при вводе в эксплуатацию и обслуживании систем учета тепловой энергии, а так же при разработке новых автоматизированных систем учета и регулирования процессами теплопотребления и выработки тепловой энергии. Автор работы являлся ответственным исполнителем промышленно эксплуатируемых информационно-аналитических систем мониторинга и анализа эксплуатационных режимов котельных «Курс» и «Южная», г. Арсеньев (эксплуатируется с 2006 г.); инженерной инфраструктуры ВДЦ «Океан», г. Владивосток (эксплуатируется с 2002 г.); системы учета тепловой энергии и регулирования теплопотребления ИАПУ ДВО РАН (эксплуатируется с 2003 г.).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «КБД-Инфо-2004», г. Сочи; международной конференции «Автоматическое управление технологическими процессами производства, распределения и потребления» (2006 г., С.-Петербург); трех международных конференциях «Коммерческий учет энергоносителей» (2004-2006 гг., С.-Петербург); двух международных симпозиумах «Надежность и качество» (г. Пенза, 2006-2007 гг.); на конференциях энергетиков (г. Владивосток, 2006г., 2008г.).седьмой Российской конференции с международным участием, (г. Томск, 2008);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 4 из них в рекомендуемых ВАК научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 137 страниц основного текста состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 69 наименований. Диссертационная работа включает 48 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается область исследования, обосновывается актуальность и научная новизна работы.

В первой главе диссертационной работы дается классификация тепловых систем, описываются основные модели объектов. Приводится обзор методов диагностирования и анализа процессов регулирования. В заключение главы формулируется цель диссертационной работы и основные задачи научного и прикладного характера, ориентированные на разработку методов и программных средств, используемых при проектировании в ИАПУ ДВО РАН информационно-аналитических систем ОТЭ.

Во второй главе предлагаются критерии и методы анализа эффективности регулирования теплопотребления. Рассмотрение ведется в двух аспектах. Первый из них связан с оценкой эффективности с точки зрения близости параметров теплового режима к нормативным значениям, задаваемым температурным графиком источника тепловой энергии. Второй направлен на оценку экономического эффекта, получаемого за счет регулирования процессов теплопотребления.

Эффективность систем теплопотребления определяется степенью соответствия количества теплоты, получаемой каждым из потребителей, нормативным величинам, устанавливаемым при проектировании объектов. Для реализации эффективных режимов теплопотребления необходимо выполнять их регулирование. Качественный способ регулирования, реализуемый на теплоисточнике, предполагает изменение температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха при постоянстве расхода теплоносителя в тепловом узле каждого потребителя. Количественный способ подразумевает регулирование количества потребляемой теплоты за счет изменения расхода теплоносителя. На практике зачастую осуществляется смешанный способ регулирования теплопотребления. При этом в значительной степени осложняется задача оценки эффективности процессов регулирования и настройки регулирующего оборудования с целью обеспечения оптимальных режимов теплопотребления.

Предлагаемая методика анализа смешанного способа регулирования (с точки зрения близости параметров теплового режима к нормативным значениям) рассмотрена на конкретном примере. На рис. 1 приведена принципиальная схема установки регулирующего и измерительного оборудования в тепловом узле здания федерального казначейства по Приморскому краю. Регулирование осуществляется путем изменения коэффициента смешения при помощи клапана с электроприводом,

Рис.1

установленного на подающем трубопроводе.

Регулятор температуры выдерживает температуру в подающем трубопроводе после узла смешения tсм в соответствии с установленным (при настройке регулятора) графиком зависимости tсм от температуры наружного воздуха tнв. M1, M2, (t1, t2) – массовые расходы (температуры) теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, Mп – расход подмеса (из обратного в подающий трубопровод, осуществляемый с помощью насоса). Значения параметров M1, M2, t1 , t2, tнв измеряются соответствующими датчиками и доступны для анализа, а значения Mп и tсм принимаются или

вычисляются в дальнейшем на основании анализа результатов измерений. Визуальный анализ графиков изменения M1, tнв и потребленной тепловой энергии Qф по часам суток (рис. 2) свидетельствует о

безусловном регулировании теплопотребления.

Рис.2

Вначале оценим степень близости нормативного и фактического теплопотребления. Аппроксимация результатов измерений на конкретной выборке позволяет определить фактическую зависимость теплопотребления Qф от изменения температуры наружного воздуха:

(1) Qф(Гкал)=0,153 – 0,0047 tнв, R2=89,3 %.

Нормативная зависимость теплопотребления от tнв имеет вид:

(2) Qн (Гкал)= Qмакс. н.(18 - tнв) / 42= Qмакс. н.( 0,42 – 0,024 tнв),

где Qмакс. н. - максимальная нормативная тепловая нагрузка равна Qмакс. ф. На практике зачастую значение Qмакс. н. неизвестно либо вызывает серьезные сомнения. Поэтому сравнение зависимостей (1) и (2) проблематично. Однако несложные преобразования позволяют выразить их в процентах:

(3) Qф (%)=57,59 – 1,77 tнв,

(4) Qн (%)=42 – 2,4 tнв.

Сравнение выражений (3) и (4) свидетельствует о том, что с понижением tнв реальное теплопотребление растет медленнее, чем предусмотрено нормативом.

Эффективность регулирования на теплоисточнике, ориентированного на изменение температуры теплоносителя t1 от температуры наружного воздуха tнв, можно оценить степенью близости значений t1 к нормативным значениям отопительного графика источника. На рис. 3 представлена фактическая тенденция (линейная) изменения температуры теплоносителя t1ф=63,43-0,43*tнв в зависимости от температуры наружного воздуха в сравнении с нормативной зависимостью t1н=70-2,5tнв. Из рисунка видно, что регулирование t1 практически не проводилось. При уменьшении tнв на 10°С температура t1 фактически возрастала на 4,3°С вместо нормативного увеличения на 25°С. Количественно величину занижения фактической температуры теплоносителя на входе теплового узла

Рис.3

относительно нормативной оценим с помощью коэффициента Kд. т. = ( t1н - t1ф) / t1н*100%, который назовем коэффициентом дефицита температуры теплоносителя. Как следует из рис. 3, фактическая температура теплоносителя, поступающего от источника на объект, значительно ниже требуемой, что и привело к весьма существенному дефициту величины этого параметра. Значение коэффициента Kд. т. превышает +40% в области низких температур. Однако в области положительных температур Kд. т. достигает значения –32%, что свидетельствует об избыточной температуре теплоносителя в теплые периоды времени работы источника теплоты (перетопы). Предположительно в этой области, в основном, должно проявляться действие регулятора, установленного в тепловом узле потребителя.

Оценка эффективности количественного регулирования теплопотребления связывается с анализом зависимости температуры теплоносителя после узла смешения tсм от температуры наружного воздуха. Именно на ее поддержание ориентирован регулятор температуры. Безусловно, интересна так же фактическая зависимость разности температур ∆tсм=tсм–t2 от tнв, поскольку она определяет эффективность работы системы отопления. Отметим, что в нашем случае нет результатов измерения параметра tсм. Однако его значения можно вычислить, исходя из имеющихся измеренных значений t1, t2 и M1. В работе обосновывается правомочность использования следующего выражения для приближенного вычисления значений искомого параметра:

(5) tсм ≈ (M1(t1 - t2)+ Mмаксt2) / Mмакс= M1 / M макс (t1 - t2) + t2,

где Mмакс– максимальное значение расхода теплоносителя для случая, когда весь теплоноситель, без подмеса, транспортируется в систему после узла смешения.

На рис.4 показана фактическая тенденция изменения температуры теплоносителя tсм ф(оС)=55,5-0,73tнв в зависимости от температуры наружного воздуха в сравнении с нормативной зависимостью tсм н ( оС) = 56-1,68tнв. Там же представлено распределение значений дефицита температуры теплоносителя после узла смешения: Kд т. см=(t1см н - t1см ф) / t1н*100%.

Сопоставление отображенных на рис.2 и рис.3 нормативных и фактических зависимостей t1 и tсм от tнв показывает, что коэффициент при tнв нормативной зависимости t1н(оС)=70-2,5tнв примерно в шесть!

раз превышает коэффициент при tнв зависимости фактической t1ф(оС)=63,4-0,43tнв. В то же время соответствующие коэффициенты в зависимостях

tсм н(оС)=56-1,68tнв и

tсм ф(оС)= 55,5 -0,73tнв

различаются (примерно)

Рис. 4

только в два раза. Следовательно, фактическая температура теплоносителя после узла смешения tсм ф существенно ближе к нормативной tсм н, чем фактическая температура на входе теплового узла t1ф к нормативной t1н. Безусловно, это объясняется тем, что использование регулятора значительно (в три раза) сглаживает негативное влияние низкой температуры теплоносителя, поступающего от источника теплоты. Однако рассогласование фактической и нормативной зависимостей tсм ф и tсм н от tнв, не смотря на положительное влияние регулятора, все же весьма велико. Можно предположить, что необходима корректировка настроечной характеристики регулятора tсм = kрtнв+b, которую можно выполнить путем изменения значения коэффициента kр.

Оценку эффективности работы системы отопления, которую нельзя получить с использованием величин ∆tф и ∆tн (поскольку принцип качественного регулирования был нарушен использованием регулятора температуры) можно выполнить по степени расхождения ∆tсм ф и ∆tсм н, так как именно разность температур теплоносителя после узла смешения определяет (при постоянстве расхода Mсм) теплопотребление объекта. Ниже приведены нормативная и фактическая зависимости ∆tсм от температуры наружного воздуха:

(6)  ∆tсм н ( оС) = 11,2–0,62 tнв,

(7)  ∆tсм ф ( оС) = 6,4–0,18tнв.

Эти же зависимости, выраженные в процентах, выглядят следующим образом:

(8)  ∆tсм н(%) = 42 – 2,4 tнв,

(9)  ∆tсм ф(%)=59,7 – 1,68 tнв.

Выражение нормативной зависимости (8) повторяет выражение (4), что вполне естественно, т. к. именно значение ∆tсм определяет количество потребляемой объектом тепловой энергии (при Mсм =const). Выражения (9) и (3) для фактических зависимостей близки друг другу, что подтверждает правильность приближенного вычисления значений tсм. Эффективность системы отопления с использованием вычисленных значений tсм ф определяется по следующей формуле: Kэфф от=(1-(∆ tсм н - ∆ tсм ф) / ∆ tсм н)*100%.

Далее рассматривается задача оценки экономической эффективности регулирования теплопотребления, полученной за счет регулирования на объекте, то есть за счет количественного регулирования (регулирования расхода теплоносителя на вводе теплового узла). Очевидно, что экономическая эффективность может быть определена путем сравнения двух величин – Qрег и Q, где Qрег – количество тепловой энергии, потребленной объектом Pрег с установленным на нем регулирующим оборудованием, а Q – база для сравнения, определяемая как количество тепловой энергии, потребленной объектом P без регулирующего оборудования. В идеальном случае для решения задачи необходимо иметь две копии объекта, находящиеся в абсолютно одинаковых условиях, один из которых снабжен регулирующим оборудованием, а другой нет. Однако реальность такого варианта практически исключается.

Предлагается в качестве базы для сравнения принять некий виртуальный (модельный) объект PВ без регулирующего оборудования с гидравлическим режимом прошлого отопительного сезона и тепловым режимом анализируемого периода. Определим величину QВ теплопотребления для такого виртуального объекта PВ. Для этого построим регрессионную модель системы теплопотребления (для простоты ограничимся рассмотрением закрытой системы, то есть такой, из которой не осуществляется забор теплоносителя для нужд горячего водоснабжения), отражающую связь параметров гидравлического и теплового режима. По этой модели определим температуру теплоносителя в обратном трубопроводе tВ2 для объекта PВ и далее вычислим его теплопотребление QВ = MВ1 (tВ1 - tВ2), где MВ1 – расход теплоносителя в подающем трубопроводе в предыдущем сезоне, tВ1 – температура теплоносителя в подающем трубопроводе анализируемого периода.

В качестве регрессионной модели системы теплопотребления воспользуемся функцией (назовем ее эталонной) t2 = f (M1, t1), отражающей зависимость температуры t2 теплоносителя в обратном трубопроводе от расхода M1 и температуры t1 теплоносителя в подающем трубопроводе.

Существенная особенность ОТЭ связана с тем обстоятельством, что поведение объекта (значения параметров во времени) в заведомо исправном техническом состоянии весьма проблематично получить по его диагностической модели. Такая ситуация весьма характерна для теплоэнергетики, поскольку заложенные в процессе проектирования базовые соотношения между параметрами объектов в силу ряда причин не выполняются на последующих этапах их «жизни». В таких случаях в качестве альтернативы могут служить результаты измерений параметров объектов в процессе их эксплуатации или при реализации специально подобранных, тестовых режимах. Для формирования эталонной выборки, служащей для определения эталонной функции t2 = f (M1, t1), будем использовать часовые архивы теловычислителей, в которых накапливаются результаты измерений параметров теплопотребления. Результаты измерений, характеризующие поведение объекта на выборке, используемой для определения эталонной функции, а так же сам объект и режимы его эксплуатации должны отвечать следующим условиям, выполнение которых необходимо для качественного решения задачи:

- результаты измерений на эталонной выборке должны быть выполнены с погрешностью, не превышающей допустимое значение;

- в объекте не должно быть физических дефектов;

- режимы функционирования должны быть нормативными, то есть на эталонной выборке должны отсутствовать поведенческие дефекты;

- должна быть обеспечена адекватная передача результатов измерений со средств измерений в базу данных компьютера для дальнейшей обработки.

Аппроксимируя результаты измерений на эталонной выборке, можно определить с помощью аппарата регрессионного анализа линейную функцию t2 = aM1 + bt1 + c, и достоверность аппроксимации с использованием коэффициента детерминации.

Применение методики оценки экономической эффективности регулирования теплопотребления рассмотрено на конкретном примере.

Для анализа взята выборка архивных данных системы учета тепловой энергии, установленной в тепловом узле ИАПУ ДВО РАН в 2003 году. На рис. 5 представлена диаграмма

экономической эффективности регулирования теплопотребления

Рис.5

за 5 месяцев отопительного сезона 2007 – 2008 года.

Третья глава посвящена изложению тестовых методов диагностирования ОТЭ. В теплоэнергетике, безусловно, предпочтительнее использовать функциональные методы, реализация которых проходит в эксплуатационном режиме, прерывать который, особенно в течение отопительного сезона, весьма нежелательно. Однако во многих случаях добиться удовлетворительных результатов не удается с использованием методов функционального диагностирования. При этом практически неизбежной становится организация специальных режимов работы объекта, т. е. переход к тестовым методам.

Рассмотрению тестовых методов предшествует трактовка понятий достоверности и допустимости результатов измерений, используемых в процессе диагностирования. При этом под объектом диагностирования в данной главе понимается система теплопотребления с установленным на ней контрольно-измерительным оборудованием.

Результат измерения M расхода теплоносителя является достоверным, если |M-Mф| 0,01pM, и недостоверным в противном случае. Здесь Mф – фактический расход теплоносителя, p – допустимая погрешность (в процентах) измерения M.

В задачах учета тепловой энергии используется модельное представление объекта, опирающееся на отображение баланса потоков в системе теплопотребления: M1=M2 (M1=M2+Mгвс) для закрытой (открытой) системы теплопотребления, а так же модель объекта (в неизвестном в общем случае техническом состоянии) M1=M2+M* (M1= M2+Mгвс+M*) для закрытой (открытой) системы теплопотребления. Здесь M* – расхождение баланса потоков, которое не должно, согласно требованиям нормативной базы, превышать p(M1+ M2) для закрытой и p(M1+ M2+Mгвс) для открытой системы. Величина M* определяется многими факторами. Для простоты (без потери общности рассмотрения) ограничимся двумя из них, доминирующими на практике – инструментальными погрешностями измерительных приборов и утечками.

Величина M* связана с достоверностью результатов измерений M1, M2, и Mгвс, но однозначного заключения о достоверности не позволяет сделать. Однако она может и должна нести в себе конструктивный смысл. Причем он связывается не с верой в истинность результатов измерений, а с их приемлемостью для решений конкретной задачи (коммерческого учета теплоты). Введем другое понятие, отвечающее данному смыслу: результаты измерений являются допустимыми, если величина M* меньше допустимого порога (p % от суммы значений измеряемых величин), и недопустимыми в противном случае.

Процесс диагностирования ОТЭ (с учетом существующей практики эксплуатации и технического обслуживания ОТЭ) естественным образом распадается на два этапа:

1. Оперативное наблюдение за функционированием ОТЭ, результатом которого является информация о соответствии или несоответствии требованиям нормативной базы область возможных причин (дефектов), приведших к этому.

2. Анализ результатов наблюдения с целью определения дефектов ОТЭ.

Будем полагать, что техническое состояние ОТЭ определяется физическими дефектами оборудования теплового узла, средств измерений, а также «поведенческими» дефектами объекта. Поведенческие дефекты связываются с возникновением нештатных и критических (предаварийных) ситуаций, которые необходимо своевременно выявлять и устранять во избежание ситуаций аварийных. На первом этапе диагностирования выявляются нештатные или критические ситуации, приводящие к отклонениям от нормы в поведении объекта. В общем случае возникновение нештатной или критической ситуации может вызываться несколькими причинами, действующими одновременно. Очевидно, что при этом задача усложняется (по аналогии с задачей диагностирования кратных неисправностей).

Рассмотрим задачу диагностирования системы, когда на первом этапе выявлена нештатная ситуация, связанная с нарушением баланса потоков в закрытой системе теплопотребления, схематично представленной на рис.6а).

 

Рис. 6а Рис. 6б

Как и ранее, будем полагать, что рассогласование результатов измерений может быть вызвано двумя причинами – утечкой и погрешностями измерений расходомеров 1 и 2. При этом важно знать долю каждого из этих факторов в величине рассогласования расходов. Для решения задачи воспользуемся следующим приемом. Поменяем расходомеры местами (рис.6б), обеспечивая при этом неизменность всех прочих условий измерений, главное из которых - сохранение значений расходов в прямом и обратном трубопроводах. Если после такой замены картина не изменится (M11-M22=M21–M12) то, очевидно, что причина не в погрешностях расходомеров, а в утечке. Если же в результате измерений согласно схеме рис.6б получим обратный результат (M11-M22)= -(M21-M12), то рассогласование объясняется погрешностями приборов. Однако наиболее вероятны не эти крайние случаи, а другие, определяемые соотношениями: M11-M22¹M21-M12; M21-M12¹-(M21-M12). При этом рассогласования вызываются совместным влиянием утечки и погрешностей расходомеров. На практике важно знать количественные характеристики этих величин.

Введем для упрощения следующие обозначения: M11=а, M22=b, M21=с, M12=d; Δ1(Δ2) – погрешности расходомеров в долях; d1(d2) – в процентах; k1=1+Δ1, k2=1+Δ2.. Назовем k1 и k2 коэффициентами погрешностей расходомеров. Далее сформулируем формальную постановку задачи диагностирования.

Дана система четырех уравнений: k1M1=a, k2M2=b, k2M1=с, k1M2=d. Необходимо определить количественные характеристики неизвестных системы.

Приведенная выше система имеет бесконечное множество решений. Для сужения множества решений с целью перехода к области «рабочих значений» примем допущение о том, что относительная погрешность каждого расходомера не может превышать (по модулю) 20%. Исходя из этого, построим графические и аналитические зависимости для определения интервалов искомых значений переменных системы.

Обозначим k=k2/k1. Величина k определяется из системы уравнений: k=b/d=c/a. Далее имеем: k2=kk1, 1+Δ2=k(1+Δ1), Δ2=k-1+kΔ1. Умножив обе части последнего уравнения на 100, получим d2=100(k–1)+kd1. Сопоставим оси абсцисс d1, оси ординат d2 и ограничим пространство прямыми d1=20%, d2=20% , d1=-20%, d2=-20%, что соответствует принятому ограничению относительно “рабочих” решений. На рис. 7 приведена номограмма, отражающая графики прямых, уравнений d2=100(k–1)+kd1 и вписанные в область рабочих решений.

Из номограммы для любого конкретного значения k несложно определить граничные значения искомых величин погрешностей расходомеров и расходов в подающем и обратном трубопроводах. Однако получаемые при этом «интервальные» решения нельзя признать удобными для дальнейшего использования. На практике первоочередной интерес

Рис.7

представляют не значения погрешностей приборов измерения расходов, а то, насколько они рассогласованы, то есть насколько расходятся их показания при измерении одинаковых величин. То же можно сказать и о расходах. Интерес представляют в основном не конкретные значения M1, M2 и даже не конкретное значение их разности (утечки), а относительная утечка, показывающая, насколько велики относительные потери теплоносителя в системе. С учетом этого модифицируем постановку задачи и в качестве искомых величин примем относительную утечку dM и относительную разность коэффициентов погрешностей dk расходомеров:

(10) dM (%) = 100( M1 – M2) / (0,5(M1 + M2)),

(11) dk (%) = 100(k1 - k2) / (0,5(k1 + k2)).

Показывается, что решением системы четырех уравнений относительно переменных dM (%) и dk (%) являются выражения:

dM (%) = 100 (a - d) / (0,5(a + d)) или dM (%) = 100 (c - b) / (0,5(c + b)),

dk (%) = 100(a - c) / (0,5(a + c)) или dk (%) = 100(d - b) / (0,5(d + b)).

Далее приводится решение задачи диагностирования применительно к более сложному классу систем теплопотребления - открытым системам, т. е. таким, из которых производится отбор теплоносителя на нужды горячего водоснабжения. Рассмотрение ведется для другого класса кратных дефектов, а именно для погрешностей расходомеров (переменные k1 и k2) и перетока из системы холодного водоснабжения в систему отопления (переменная Mхв). Исходной для решения задачи является система уравнений k1M=a, k2(M+Mхв)=b, k2M=с.

Рассмотренные выше методы базируются на предположении о постоянстве расхода теплоносителя при выполнении процесса диагностирования. Однако данное ограничение является практически не выполнимым. С целью его устранения рассматривается не четыре конкретных результата измерения a, b, c, d в системе уравнений (применительно к задаче диагностирования закрытой системы), а четыре последовательности результатов измерений A=a1, a2, ..., an , B=b1, b2,…, bn и C=c1, c2,…, cm , D=d1, d2,…, dm, полученные в моменты времени t1, t2, . . , tn, соответствующие измерениям при первоначальном расположении расходомеров (рис.6а) и в моменты времени t1, t2,…, tm, соответствующие измерениям после перестановки расходомеров (рис.6б). При этом предполагается, что отсчет времени после перестановки расходомеров ведется заново, начиная с t1.

Представим системы уравнений в модифицированном виде:

(12) i = 1, 2, . . . , n; j = 1, 2, . . ., m

Показывается, что при выполнении равенства aibi=cjdj обеспечивается равенство расходов в моменты времени ti и tj. Вполне вероятно, что точное равенство не соблюдается ни на одной паре значений ti и tj. В этом случае можно воспользоваться приближенным решением (13), заключающимся в выборе пары ti и tj c минимальным отклонением от нуля значения ei, j в %

(13) .

Предлагается алгоритм поиска искомой пары ti и tj, позволяющий перейти от перебора n×m к перебору максимум n+m вариантов.

В четвертой главе рассматривается специфика решения задачи учета и регулирования теплопотребления для системы объектов. Под системой P понимается множество P={P1,…, Pi,…, Pn} объектов-потребителей, питаемых от одного источника тепловой энергии, суммарное теплопотребление которых равно теплопотреблению всей системы. Система P называется полной, если в ней организованы измерения параметров теплопотребления, как для всей системы, так и для каждого из ее объектов. В противном случае (реализованы измерения для m из n объектов), система является неполной. Представляет интерес дифференцировать общую экономию, выделив в ней две части – за счет приборного учета (измерения) и за счет регулирования теплопотребления.

Наиболее актуальна задача анализа эффективности приборного учета и регулирования для неполной системы. В работе исследуется, с использованием результатов главы 2, неполная конкретная система , включающая 15 объектов, 11 из которых оснащены приборами учета и регулирования теплопотребления. Приводятся выражения для определения общего эффекта Qэфф и его составляющих Qуч (Qрег), полученных за счет учета (регулирования):

(14) Qэфф = ∑ni=1 Qiнорм+ Qпот - Qизм, Qiнорм = T Qiмакс(tiвн-tнв)/( tiвн-tмин),

где Qiнорм – нормативное теплопотребление объекта Pi, Qпот – потери тепла в каналах транспортировки теплоносителя, Qiмакс – максимальное часовое потребление объекта Pi при минимальной среднесуточной температуре наружного воздуха tмин, T – интервал времени в часах,

(15) Qрег=∑mj=1 Qjрег,

(16) Qуч = Qэфф - Qрег, Qрег=∑mj=1 Qjрег.

Величина Qjрег регулирования для каждого из m объектов определяется с использованием методики оценки экономического эффекта регулирования (последний раздел главы 2).

Зачастую на практике установку приборов учета и регулирования первоначально выполняют не на всех объектах системы, а тех из них, нормативное теплопотребление которых велико по сравнению с остальными. Это объясняется естественным стремлением получить наибольший эффект при ограниченных капитальных затратах. С этой точки зрения важно знание величины Q*, включающей суммарное теплопотребление части системы, не охваченной учетом и регулированием, а так же потери в трубопроводах системы, поскольку величина Q* позволяет судить о целесообразности работ по учету и регулированию на остальных объектах системы. Показывается, что

(17) Q*= ∑n-mj=1 Qjфакт + Qпот= Qизм -∑mi=1 Qiизм.

Пятая глава посвящена краткому описанию конкретных, промышленно эксплуатируемых информационно-аналитических систем (ИАС), в разработке которых принимал участие в качестве ответственного исполнителя автор диссертационной работы.

В конце 2002 г. были завершены работы по созданию рабочей версии ИАС источников теплоты ИСМА-ОКЕАН. Система внедрена и эксплуатируется в котельной ВДЦ «Океан» г. Владивостока. В последующем проводилась модернизация системы с учетом инженерной инфраструктуры всего объекта. Задачи, решаемые системой, концентрируются в двух направлениях – мониторинг (наблюдение в реальном времени за параметрами объекта, сопровождаемое выявлением нештатных и критических ситуаций) и ретроспективный анализ накапливаемых и хранимых системой результатов.

В 2005 году была разработана система АИСТ для двух котельных г. Арсеньев. При этом было решено, учитывая опыт предыдущей разработки, не идти по пути ее адаптации к новым объектам, а создать принципиально новую систему на базе современных технологий в области инструментального обеспечения и программных средств.

Рис.8

На рис.8 приведена функциональная схема компьютерной сети системы АИСТ. Все компьютеры системы объединены в локальную сеть, обеспечивающую передачу данных между ними и доступ к общей базе данных. Общая база данных позволяет проводить анализ ретроспективной информации, получать обобщенные характеристики режимов работы, подготавливать необходимую отчетную информацию. Система ретроспективного анализа включает в себя набор независимых программных модулей, ориентированных на решение требуемых прикладных задач и обладающих определенной функциональной направленностью.

Основные результаты работы

1.  Разработаны критерии оценки и методы анализа смешанного способа регулирования теплопотребления.

2.  Предложен метод оценки эффективности процессов регулирования теплопотребления с использованием регрессионной модели объекта.

3.  Разработаны математические модели нештатных и критических ситуаций объектов теплоэнергетики.

4.  Предложена методика поэтапного диагностирования поведенческих и физических дефектов ОТЭ.

5. Разработан тестовый подход к диагностированию ОТЭ, основанный на реконфигурации измерительного и/или запорно-регулирующего оборудования в системе теплопотребления.

6. Разработан аналитический метод диагностирования ОТЭ, ориентированный на поиск кратных дефектов, приводящих к нарушению баланса потоков теплоносителя.

7. Разработаны и интегрированы в информационно-аналитическую систему мониторинга и анализа потребителей тепловой энергии программные средства анализа эффективности регулирования теплопотребления с использованием регрессионного анализа ретроспективной информации.

8. Сданы в промышленную эксплуатацию автоматизированные информационно-аналитические системы источников тепловой энергии (г. Арсеньев), инженерной инфраструктуры ВДЦ «Океан», и системы учета и регулирования тепловой энергии ИАПУ ДВО РАН.

Публикации по теме диссертации

1.  , , Чипулис процессов мониторинга, регулирования и анализа режимов функционирования источников теплоты // Информатизация и системы управления в промышленности, М., №1. 2004. С.5-8.

2.  Бабенко , регулирование и анализ режимов функционирования источников теплоты (на примере котельной ВДЦ «Океан») // Экологический вестник Приморья. N6. 2004 г.

3.  , , Разумов разработки и использования средств измерения, регулирования и мониторинга источников теплоты // Материалы Приморской конференции энергетиков, Находка, 11-13.09.03г.

4.  , Чипулис качества регулирования тепловых режимов объектов теплоэнергетики // Тезисы докладов Международной конференции «КБД-Инфо-2004». Сочи, 1-10 октября 2004. C. 35.

5.  , Чипулис эффективности применения тепловой автоматики с использованием архивной информации тепловычислителей // Труды Международной конференции “Автоматическое управление технологическими процессами производства, распределения и потребления тепла”. С.-Петербург. 23-24 ноября 2004. С.166-175.

6.  , Чипулис эффективности применения тепловой автоматики // Международная научно-практическая конференция «Коммерческий учет энергоносителей», С.-Петербург, 21-24 ноября 2004 г.

7.  , , Чипулис разработки и эксплуатации информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики // Вестник ДВО РАН, 2005г., №6, С.59-65.

8.  Виноградов теплопотребления объекта при использовании автоматического регулирования // Приборы и Системы. Управление, контроль, диагностика. №11 2005г.

9.  , Чипулис эффективности процессов регулирования теплопотребления // Датчики и системы. №3 2006г.

10.  , , Чипулис параметров технологических процессов выработки тепловой энергии // Международная научно-практическая конференция «Коммерческий учет энергоносителей». С.-Петербург. 23-25 мая 2006, С. 390-402.

11.  , , Чипулис учета и анализа параметров технологических процессов выработки тепловой энергии // Сборник статей и докладов, посвященных 10-летию образования Госэнергонадзора в Приморском крае. Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2006, С. 64-77.

12.  , , Чипулис и анализ параметров технологических процессов выработки тепловой энергии // Информатизация и системы управления в промышленности, М, 2006, №7, С. 4-9.

13.  Виноградов качества теплопотребления объекта и эффективности применения автоматического регулирования // Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2007», Пенза, 25 мая – 31 мая, 2007г.

14.  , , Раздобудько и анализ эксплуатационных режимов источников теплоты // Измерительная техника, №11 2008г.

Личный вклад автора. Все основные результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично. В опубликованных в соавторстве работах [1, 3, 7, 11, 12] автору принадлежит описание технических средств измерения и управления, входящих в состав ИАС ОТЭ; работе [4, 5, 6, 9] – применение методики оценки эффективности регулирования для конкретного объекта; работах [2, 10, 14] – описание структуры ИАС и отдельных программных модулей.

Разработка методов и средств тестового диагностирования и анализа процессов регулирования объектов теплоэнергетики

Автореферат

Подписано к печати 14 .04.2009	Усл. п.л. 1.0	Уч.-изд. л. 0.8
Формат 60х84/16	Тираж 100 экз.	Заказ 17
Издано ИАПУ ДВО РАН. 690041, Отпечатано участком оперативной печати ИАПУ ДВО РАН 690041, Владивосток, Радио, 5