Таблиця 1
Залежність транспортних втрат у магістральному теплопроводі Нтрg⋅⋅ від від розходу теплоносія G, кг/с та температури води у прямому трубопроводі t1g, С°°
- залежность іН1min = H1min(Q1), Н2min = H2min(Q2), Н3min = H3min(Q3), Нтр,g(Gg, t1,g), отримані після розв’язання задачі другого рівня.
Математична постановка задачі третього рівня для системи, схема якої наведена на рисунку 1, має вигляд:
Знайти
min S (Q1, Q2, Q3, G1, G2, G3), (11)
Q1, Q2, Q3, G1, G2, G3 ∈∈ ΩΩ
де область ΩΩ визначається обмеженнями:
G1p = G2 + Gвс, G2p = G3 + Gвe, Gвс + Gвe = G1, (12)
 + Q2 = Q1к,  + Q3 = Q2к,
де Gвс та Gве - розходи теплоносія на відрізках мережі ВС та ВЕ (рисунок 1).
Ця задача може розглядатись як задача Лагранжа та реалізовуватись методом заміни перемінних. Тоді розмірність оптимізаційної задачі третього рівня знижається з 6 до 3, а відповідна задача нелінійного математичного програмування прийме вигляд [3].
Знайти
min S(Q1, G2, G3). (13)
Інші параметри управління (Q2, Q3, G1), а також Gвс та Gве встановлюються шляхом розв’язання системи рівнянь (12). Мінімум розшукується методом Нелдера-Міда.
Для реалізації оптимізаційної задачі було розроблено ПЕОК, який надає повну інформацію про основні характеристики ОС для оптимального варіанту її функціонування. Усі початкові дані для роботи обчислювального комплексу, що також включають інформацію про реальний стан економічних характеристик ОС, можна оперативно змінювати шляхом редагування відповідного файла початкових даних.
У четвертій главі за допомогою розробленого ПЕОК було досліджено вплив геометричних та режимних характеристик системи теплопостачання на результати розв’язання оптимізаційної задачі оптимального управління. Найбільш важливі з них надані нижче.
Як приклад, розглянемо результати розв’язання цієї задачі для наступних основних початкових даних: Q1к = 233 МВт, Q2к = 197 МВт. Було отримано результати: G2опт = 843 кг/с; G3опт = 430 кг/с; Q1опт = 320 МВт; Smin = 0,126 гривень/с. Аналогічні результати було отримано для інших величин навантажень Q1к та Q2к. Отримані значення G2опт та G3опт були використані під час розв’язання задачі четвертого рівня. В результаті було отримано G2gопт = 550 кг/с; G3gопт =550 кг/с, які максимально наближені до G2опт та G3опт, але припустимі з точки зору гідравлічних вимог до системи.
Результати цього розв’язання для різних Q = Q1к + Q2к наведено на рисунку 3. На цьому графіку можна побачити, що за збільшення Q, починаючи з Q ≅≅ 348 МВт (крапка В), подальший ріст оптимального теплового навантаження на котельну
№ 1(Q1) припиняється, бо “спрацьовує” обмеження Q1 ≤≤ Q1max = 320 МВт. При цьому загальна тенденція характеру кривих свідчить, що якщо підвищити встановлену потужність на котельній № 1, то сумарні втрати Smin у області, праворуч від крапки В на рисунку 3 знижатимуться порівняно з варіантом оптимізації з вказаним вище обмеженням.
Таким чином, можна зробити висновок, що подальше збільшення встановленої потужності котельної № 1 раціонально не тільки з точки зору екології (бо вона міститься за межами міста), але й точки зору підвищення економічної ефективності ОС в цілому.
Цікаво відмітити, що у діапазоні навантажень до самого
Q = 348 МВт оптимальне теплове навантаження на другу котельну буде дорівнювати нулю, що пояснюється її більш низькими економічними характеристиками порівняно з першою. Що ж до котельної № 3, то хоч їй й притаманні низькі економічні характеристики, але вона знаходиться поруч з опалювальним районом № 2, тому втрати на транспорт теплоносія у цей район не великі. У зв’язку з цим оптимальному варіанту відповідає сумісне опалення теплового району № 2 котельними № 1 та № 3, економічні характеристики котрих зрівнюються із врахуванням транспортних втрат. Також слід відмітити, що у оптимальному рішенні розхід G2опт становив 550 кг/с за умови Q2опт ≅≅ 0, тобто котельна № 2 працювала у режимі насосної станції. Це пояснюється тим, що транспортування теплоти на відрізку АВ (рисунок 1) буде вигіднішим за малих розходів, компенсація яких на вході до району № 1 відбуватиметься за рахунок насосів котельної № 2.
Подальші дослідження кривих на рисунку 3 свідчать, що за будь-яких значень Qк величини оптимальних навантажень Q2опт та Q3опт не перевищують відповідно 110 МВт та 100 МВт. Це дозволяє зробити висновок, що обладнання котельних № 2 та № 3, яке забезпечує встановлені потужності по-за цими межами, може бути законсервоване вже на поточному етапі реконструкції ОС. Це вигідно як з екологічної, так і з економічної точок зору.
Подальші дослідження стосуються вивчання впливу різних геометричних параметрів ОС на результати розв’язання оптимізаційної задачі. Так, як приклад, на рисунку 4 надані залежності Smin від довжини l магістрального теплопроводу. Показано, що нарощування цієї довжини за умов фіксованих Q1, G2, G3 супроводжується суттєво більшими втратами, ніж для варіанту, коли Q1, G2, G3 є перемінні оптимізації.
У п’ятій главі розглядається розв’язання задачі оптимального управління ОС за умов відсутності комп’ютерного забезпечення за допомогою пакетів технологічних карт.
Розглядаються три різновиди технологічних карт:
1)Для оцінки  та  , МДж. Під час розрахунків реалізується задача 1-го рівня за умови припущення лінійного закону залежності tнв = tнв(ττ) та сумарного (змішаного) графіку теплового навантаження на опалення та гаряче водопостачання.
2)Для оцінки Q1опт, Q2опт та Q3опт. Під час розрахунків реалізується задача 3-го рівня для G2 = G2gопт = 550 кг/с та G3 = G3gопт = 550 кг/с. Результати розрахунків надані у карті, яка наведена у таблиці 2. Аналогічні карти розроблено для інших комбінацій G2 та G3, які припустимі з позицій вимог гідравлічної надійності.
3)Для оцінки Qm1опт, Qm2опт та Qm3опт. Під час розрахунків реалізовувалась задача другого рівня.
Наведемо приклад використання одного з видів технологічних карт. Нехай Q = 400 МВт. Тоді з таблиці 2 отримуємо оптимальні величини навантажень на котельні та величину витрат
Q1опт = 320 МВт; Q2опт = 28,3 МВт; Q3опт = 50,6 МВт;
Smin = 0,118 гривень/с.
З метою оцінити економічний ефект від використання запропонованої комп’ютерної технології у реальній практиці були зважені втрати з неоптимальним розподілом теплових навантажень поміж опалювальними котельними та їх окремими котлами. Загальний економічний ефект від впровадження цієї технології становитиме 0,03 гривень на 1 ГДж теплової енергії, що виробляється.
Таблиця 2
Технологічна карта для оцінки Q1опт, Q2опт, Q3опт та S
Висновки
1. Проведено формалізацію та математичну постановку загальної оптимізаційної задачі управління ОС як задачі НМП. Проведено декомпозицію загальної задачі оптимального управління ОС та розроблено структуру локальних взаємопов’язаних оптимізаційних задач. Розроблено спеціальну структуру математичних моделей процесів, що відбуваються у системі теплопостачання, яка дозволяє шукати оптимальне рішення не з довільного набору перемінних, а з множини оптимальних рішень, що були отримані заздалегідь шляхом розв’язання оптимізаційних задач на попередніх ієрархічних рівнях. Це дає можливість реалізувати задачу оптимального управління ОС у режимі реального часу.
2. Розроблено ПЕОК для оптимального управління ОС у режимі реального часу, адаптований до IBM PC/AT. Цей комплекс дозволяє оптимально розподілити навантаження поміж опалювальними котельними; оптимально розподілити розходи теплоносія у елементах ОС; встановити оптимальний склад працюючих котлів у кожній з опалювальних котельних та оптимальний розподіл навантаження поміж цими котлами.
3. Окреслено шляхи раціональної консервації надмірних встановлених потужностей застарілих котельних, що містяться у
межах міст, коли уводяться у дію нові потужності сучасної потужної котельної, що будується за межами міста.
4. Визначено раціональність транспортування теплоносія за підвищених температур та відповідно знижених розходів, коли гідравлічні втрати превалюють над тепловими.
5. Подальше віддалення котельної за межи міста з одночасною оптимізацією основних параметрів управління ОС супроводжується суттєво меншим ростом втрат, ніж у випадку, коли ці параметри прийнято зафіксованими.
6. Розроблено пакет технологічних карт для оптимального управління ОС у відсутності комп’ютерного забезпечення.
7. Результати досліджень за темою дисертації було впроваджено у практику управління ОС, що дозволило знизити ціну 1 Гдж теплової енергії на 0,03 гривень.
Основний зміст дисертаційної роботи викладено в наступних публікаціях:
1. Гвоздецкий А.В. Исследование влияния температуры и расхода теплоносителя на величину транспортных потерь в магистральном теплопроводе // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. научн.- тех. сб.- К.: Техніка.- Вып. 13, 1998.- С. 66-69.
2. Редько А.Ф., Стоянов Л.Ф., Гвоздецкий А.В. Исследование влияния экономических характеристик отопительных котельных на оптимальное распределение отопительных нагрузок между ними // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. научн.- тех. сб.- К.: Техніка. -Вып. 14, 1998.- С. 100-102.
3. Гвоздецкий А.В. Решение задачи оптимального управления отопительной котельной с использованием стандартных программных комплексов // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБіА ХОТВ АБУ, 1998.- С. 125-129.
4. Стоянов Ф.А., Стоянов Л.Ф., Гвоздецкий А.В. Оптимальное управление группой отопительных котельных // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. научн.- тех. сб.- К.: Техніка. -Вып. 14, 1998.- С. 121-126.
5. Редько А.Ф., Стоянов Ф.А., Стоянов Л.Ф., Гвоздецкий А.В. Оптимальное управление группой отопительных котельных с использованием технологических карт // Вісник державного університету “Львівська політехніка”.- Львів: 1998.- С. 43-46.
Анотація
Гвоздецький О.В. Оптимальні режими експлуатації групи опалювальних котельних з різними техніко-економічними характеристиками. Дисертація є рукописом на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Донбаська державна академія будівництва та архітектури, Макіївка, 1999.
У дисертації пропонуються нові інформаційні технології управління складними ОС за умов змінного споживання теплоти. Розроблено спеціальну структуру математичних моделей процесів, що відбуваються у системі теплопостачання. Задача оптимального управління ОС реалізується у режимі реального часу, що дозволяє оптимально розподілити теплове навантаження поміж опалювальними котельними; оптимально розподілити розходи теплоносія у елементах ОС; встановити оптимальний склад працюючих котлів у кожній з опалювальних котельних та оптимальний розподіл навантаження поміж цими котлами.
Оптимальне управління ОС у режимі реального часу відбувається за допомогою ПЕОК, адаптованого до IBM PC/AT, а у відсутності комп’ютерного забезпечення - за допомогою спеціально розробленого пакету технологічних карт. Результати наведених досліджень впроваджено у виробництво.
Ключові слова: система теплопостачання, оптимальне управління, нелінійне математичне програмування.
Аннотация
Гвоздецкий А.В. Оптимальные режимы эксплуатации группы отопительных котельных с различными технико-экономическими характеристиками. Диссертация является рукописью на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 1999.
В диссертации предлагаются новые информационные технологии управления сложными ОС в условиях переменного потребления теплоты. Проведена формализация и математическая постановка общей оптимизационной задачи управления ОС как задачи НМП. Проведена декомпозиция общей задачи оптимального управления ОС и разработана структура локальных взаимосвязанных оптимизационных задач. Разработана специальная структура математических моделей процессов, которые происходят в системе теплоснабжения, что позволяет искать оптимальное решение не из произвольного набора переменных, а из множества оптимальных решений, которые были получены заранее путем решения оптимизационных задач на предыдущих иерархических уровнях. Это дает возможность реализовать задачу оптимального управления ОС в режиме реального времени.
Разработан ПЭВК для оптимального управления ОС в режиме реального времени, адаптированный к IBM PC/AT. Этот комплекс позволяет оптимально распределить нагрузки между отопительными котельными; оптимально распределить расходы теплоносителя в элементах ОС; установить оптимальный состав работающих котлов в каждой из отопительных котельных и оптимальное распределение нагрузки между этими котлами.
Обозначены пути рациональной консервации чрезмерных установленных мощностей устаревших котельных, расположенных в границах городов, когда водятся в действие новые мощности современной мощной котельной, которая строится за пределами города. Определена рациональность транспортирования теплоносителя при повышенных температурах и соответственно сниженных расходах, когда гидравлические потери превалируют над тепловыми.
Показано, что дальнейшее отдаление котельной за границы города с одновременной оптимизацией основных параметров управление ОС сопровождается существенно меньшим ростом потерь, чем в случае, когда эти параметры приняты зафиксированными. Разработан пакет технологических карт для оптимального управления ОС в отсутствия компьютерного обеспечения.
Результаты исследований по теме диссертации были внедрены в практику управления ОС, что позволило снизить цену 1 Гдж тепловой энергии на 0,03 гривен.
Ключевые слова: система теплоснабжения, оптимальное управление, нелинейное математическое программирование.
Summary
Gvozdetsky A. V. Optimum operation regimes of group of heating boiler plants with various technological performances. The present thesis is a manuscript to complete for earning a candidate of technical science, the specialty 05.23.03 - Air-conditioning, lighting, heat and gas supply. The Donbass State Academy of building and architecture, Makyiyvka, 1999.
The thesis concerns the information technologies of control of complex heating systems on conditions that the heat consumption is widely varied.
The special mathematical model of processes occurring in heating system is suggested. The real-time optimum control of heating system is carried out, allowing to distribute the heat load optimally between the boiler plants; to distribute the heat-carrier flow rate optimally between the heating system elements; to determine the optimum set of working boilers for each boiler plants and optimum heat load distribution between these working boilers.
The real-time optimum control of heating system is carried out by the means of especially designed IBM PC/AT programs or, if computer is not available, by the flow chart complements. The results of these researches are introduced into production.
Keywords: heating system, optimum control, non-linear mathematical programming.
| 
