Разработка методов и алгоритмов эффективного управления автономными системами теплоснабжения

Автономные системы теплоснабжения обеспечивают тепловой энергией в виде отопления и горячего водоснабжения население, проживающее как в небольших населенных пунктах, так и в отдельных районах городов. На территории Российской Федерации, в силу природных и территориальных условий, автономные системы теплоснабжения часто не имеют альтернатив, но при этом внедрение новых технологий в этих системах отстает от научно-технического прогресса. Такое отставание обусловлено, с одной стороны, инерцией мышления и сложившейся традицией внедрять пусть простые, но надежные решения, а с другой стороны отсутствием проработанных решений, гарантирующих повышение энергоэффективности энергетического оборудования. Применяемые в автономных системах теплоснабжения паровые котлы, как правило, в силу своей повышенной опасности при эксплуатации имеют штатные системы автоматического управления, обеспечивающую как энергетическую эффективность, так и надежность эксплуатации. Водогрейные котлы, особенно котлы с ручной подачей топлива, либо управляются полностью вручную, либо системы автоматического управления отвечают только за часть энергетического оборудования (например, за подачу топлива и подачу воздуха). При ручном управлении энергетическим оборудованием на котельных в автономных системах теплоснабжения средства измерений используются максимально простые, предназначенные только для визуального контроля. Поэтому вопрос повышения энергетической эффективности автономных систем теплоснабжения является системным, требующим комплексного научного подхода. На крупных тепловых электростанциях успешно применяются различные автоматизированные системы управления, обеспечивающие надежность и высокую энергетическую эффективность выработки тепловой и электрической энергии. Высокая стоимость и избыточная для автономных систем теплоснабжения функциональность этих систем делает невозможность их внедрения на котельных средней и малой мощности. Для газовых и жидкотопливных котлов средней и малой мощности существуют компактные системы автоматического управления, в том числе позволяющие эксплуатацию таких котлов без непрерывного присутствия обслуживающего персонала. Высокая энергоэффективность таких котлов обусловлена типом сжигаемого топлива, поскольку как жидкое, так и газообразное топливо можно достаточно точно дозировать. Процесс горения топлива в газовых и жидкотопливных котлах в целом равномерен, не подвержен резким изменениям, что позволяет построить систему управления на простых ПИД-регуляторах. В автономных системах теплоснабжения газовые и жидкотопливные котлы не имеют широкого применения по двум причинам: высокая стоимость жидкого топлива и ограниченность возможности подключения к источнику газоснабжения. Поэтому в атономных системах теплоснабжения наибольшее распространение получили твердотопливные котлы, использующие в качестве топлива дрова или уголь. Подача топлива в такие котлы, как правило, осуществляется периодично ручным или автоматизированным способом. Процесса горения топлива в твердотопливных котлах принципиально отличается от процесса горения в газовых и жидкотопливных котлах: он имеет периодичную зависимость от системы подачи, поэтому характеризуется как не равномерностью тепловыделения, так и не равномерностью требуемого для горения объема воздуха. Это повышает сложность системы управления процессом горения для твердотопливных котлов, а так же невозможность применения существующих алгоритмов и моделей, используемых в системах управления котлов с непрерывной равномерной подачей топлива. Кроме непосредственно источника теплоснабжения, для автономных систем теплоснабжения так же является характерным наличие сильной связи через теплоноситель с системой транспортировки тепловой энергии до потребителей. Автономные сети теплоснабжения имеют меньшую инерционность, по сравнению с сетями централизованного теплоснабжения городов, больше подвержены влиянию потребителей и погодных условий. Поэтому повышение энергетической эффективности автономных систем теплоснабжения только за счет автоматизации управления котлами на котельных нецелесообразно. Повышение энергетической эффективности автономных систем теплоснабжения является комплексной задачей, которая не может быть сведена к сумме частных решений из-за сильного взаимного влияния как источника тепла на сеть теплоснабжения, так и наоборот, а так же сильного влияния внешних факторов. Требуется комплексное решение на основе обобщенной модели автономной системы теплоснабжения. В текущих экономических условиях, возросших требованиях к энергосбережению и экологичности, вопрос разработки автоматизированных систем управления (АСУ) для рассматриваемых систем становится актуальным. Современные измерительные и микропроцессорные устройства позволяют реализовать экономически целесообразное решение для автономных систем теплоснабжения, но в настоящее время отсутствуют научные основы для разработки эффективных систем управления такими системами. На текущий момент существуют и прошли апробацию частные не системные решения отдельных задач управления, которые могут быть положены в основу решения поставленной задачи. Данный проект направлен на разработку эффективной математической модели и алгоритма управления автономными системами теплоснабжения, как единого комплексного объекта по критерию минимума удельного расхода топлива и электрической энергии на отпуск и транспортировку тепловой энергии. Научная новизна работы заключается в разработке нового метода и алгоритма управления процессом выработки и передачи тепловой энергии в автономных системах теплоснабжения обеспечивающих снижение потребления энергоресурсов и учитывающих особенности процесса сжигания различных видов топлива. Повышение энергетической эффективности автономных систем теплоснабжения позволит повысить экологичность таких автономных систем, снизить потребление топлива на выработку тепловой энергии и, как следствие, уменьшить "углеродный след" автономных систем теплоснабжения. Выполненные в рамках данного проекта методические, алгоритмические и аппаратные разработки будут иметь практическую апробацию с целью подтверждения на практике теоретических научных результатов.