WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

КАШИНСКИЙ Антон Николаевич

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В АВТОНОМНО ОТАПЛИВАЕМОМ ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ПОМЕЩЕНИИ

Специальность 05.13.06 – «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2012

Работа выполнена на кафедре «Теплогазоснабжение, вентиляция и гидравлика» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция и гидравлика» ВлГУ, г. Владимир Евдокимов Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматические и мехатронные системы» ВлГУ, г. Владимир Веселов Олег Вениаминович кандидат технических наук, ведущий инженер ООО «РУСАЛОКС» г.Владимир Осин Алексей Викторович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», г. Нижний Новгород

Защита диссертации состоится «26» декабря 2012 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.025.01 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ) по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, ауд.335.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.

87, корпус 1.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ученому секретарю диссертационного совета Д.212.025.01.

Автореферат разослан «23» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Давыдов Н.Н.

доктор технических наук, профессор - 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Исторически в городах сложились централизованные системы (комплексы) снабжения тепловой энергией отапливаемых помещений.

Недостатком центрального отопления является значительные потери (до 10% и более) тепловой энергии при транспортировке теплоносителя (воды) по протяженным трубопроводам тепловой сети. Кроме того, значительная электроэнергия тратится на перекачку теплоносителя от источников тепла до потребителя.

В связи с этим в последнее время наметилась тенденция к применению (особенно в коттеджном строительстве) в качестве источника тепловой энергии автономных (индивидуальных) водяных газовых тепловых комплексов (систем) на базе газотеплогенераторов (котлов) разомкнутого структурного типа, работающих в соответствии с отопительным графиком. Эти комплексы не имеют протяженных тепловых трасс и связанных с ними недостатков.

В промышленных зданиях требуется поддерживать необходимые для людей метеорологические условия – определенный микроклимат. Базовым параметром микроклимата является температура воздуха отапливаемого помещения, оптимальные и допустимые значения которой даны в Санитарных правилах и нормах СанПиН 2.2.4.548-96. В соответствии с нормами оптимальные показатели микроклимата необходимо соблюдать на рабочих местах производственных помещений, на которых выполняются работы операторского типа, связанные с нервно-эмоциональным напряжением (на постах управления технологическими процессами, в залах вычислительной техники и др.) и на рабочих местах производственных помещений в соответствии с категориями (Ia,Iб,IIа,IIб,III) работ по уровню энергозатрат. Так, к примеру, для производственных помещений «оптимальные нормы температуры воздуха» в отапливаемом помещении в холодный период года равны 22-24°С (категория Iа, с энергозатратами 139Вт) и 16-18°С (для категории III, с энергозатратами более 290Вт),т.е. зона допуска (и шаг) температуры составляет 2°С.

Эффективность и качество производства, создающего материальные блага и услуги, – во многом определяется решением вопросов, связанных с комплексной автоматизацией и управлением составляющих его процессов, состоящих из основных (технологических) процессов; вспомогательных процессов, обеспечивающих бесперебойное протекание основных процессов (обеспечение всеми видами энергий (электроэнергией, теплом, паром и т.д.)) и обслуживающих (услуг) процессов (технический контроль, транспортировка, комфортность микроклимата рабочих мест и т.д.).

В данной работе ставятся и решаются две взаимосвязанные задачи. Первая – решение вопросов, позволяющих использование для отопления производственных помещений автономных водяных газовых тепловых комплексов с учетом Санитарных норм. Вторая – решение вопросов оптимизации управления тепловыми режимами отопления, позволяющих осуществлять ресурсо-энергосбережение. Обе задачи решаются на путях повышения точности регулирования (стабилизации) температуры воздуха в отапливаемом производственном помещении.

Известные автономные водяные газовые тепловые комплексы разомкнутого структурного типа содержат контур автоматического регулирования (стабилизации) температуры теплоносителя (воды) на выходе котла, поступающего в отапливаемое помещение, и «не следят» за самой температурой воздуха в помещении. Их недостатком, обусловленным их структурой и малым уровнем автоматизации, - 2 - является низкая комфортность из-за плохой стабилизации (больших колебаний, с амплитудой порядка 35°С) температуры воздуха в отапливаемых помещениях, т.е.

эти комплексы не обеспечивают, что сдерживает их масштабное применение в производстве, оптимальный нормируемый уровень температуры в отапливаемых помещениях.

В результате чего возможно появления дефицита тепла в отапливаемых помещениях либо его избыток, что приводит к перерасходу энергии (энергоносителя) и низкой экономичности системы. Системы, работающие по отопительному графику, кроме того, не позволяют повышать экономичность комплексов за счёт использования тепла, выделяемого людьми, находящимися в помещении, и/или нагревательными технологическими устройствами.

Управление тепловыми комплексами осуществляется на базе математических моделей.

Известные математические модели тепловых комплексов либо недостаточно адекватны, так как не учитывают дискретный характер преобразования энергии и информации комплексов, либо сложны и громоздки, что затрудняет их практическое применение в процессах регулирования (стабилизации) заданных температурных режимов микроклимата в помещении и приводит к сложным алгоритмам управления.

Отопление обеспечивает тепловой режим зданий в зимний период года с затратой около 25% энергии в балансе страны.

Поэтому совершенствование структуры и алгоритмов управления, повышающих степень автоматизации и обеспечивающих реализацию ресурсоэнергосберегающих режимов и комфортность, автономных водяных газовых тепловых комплексов «газотеплогенератор – отапливаемое производственное помещение» является весьма актуальной задачей.

Объект исследования. Система «газотеплогенератор – отапливаемое помещение».

Предмет исследования. Процессы автоматического регулирования температурных режимов микроклимата отапливаемого производственного помещения.

Целью работы является разработка новых структур и алгоритмов системы управления автономного водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор – отапливаемое производственное помещение», обеспечивающих повышение быстродействия и точности процессов стабилизации на нормируемом уровне температуры воздуха в отапливаемом производственном помещении, автоматизацию и ресурсосбережение.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести натурные экспериментальные исследования типового (индивидуального) водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор – отапливаемое помещение» с целью выявления особенностей теплового комплекса как объекта управления и параметрической идентификации.

2. Построить алгоритмы формирования дискретных сигналов управления процессами стабилизации температуры в отапливаемом помещении.

3. Разработать обобщенную математическую модель автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса, ориентированную на регулирование, анализ и синтез комплексов.

- 3 - 4. Разработать метод (способ) управления (регулирования) и структуру автономных (индивидуальных) водяных газовых тепловых комплексов, обеспечивающих микроклимат помещения с оптимальными температурными режимами.

5. Провести аналитические исследования влияния параметров комплекса на качество и точность регулирования.

6. Провести экспериментальные исследования автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса в ресурсо-энергосберегающих режимах.

Методы исследований. Для решения сформулированной задачи использованы методы теории автоматического управления, теории эксперимента и обработки данных, теории конечных автоматов, методы дифференциального и интегрального исчисления, метод «черного ящика». При исследовании процессов индивидуальных тепловых комплексов использовалось моделирование и натурные эксперименты, которые подтвердили основные теоретические положения, представленные в работе.

Достоверность результатов и выводов, представленных в диссертационной работе, подтверждается соответствием фундаментальным законам теплообмена и адекватностью математической модели, подтвержденной удовлетворительным совпадением результатов расчета и эксперимента.

Научная новизна работы.

В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Разработан, исследован и реализован метод «двойной зоны допуска» опережающего релейного регулирования температуры воздуха в помещении, позволяющий, совместно с разработанными алгоритмами управления, повысить качество и точность регулирования.

2. Разработаны модернизированные структуры автономных (индивидуальных) водяных газовых тепловых комплексов, учитывающие в совокупности как логические, так и динамические свойства составных частей (газотеплогенератор, отапливаемое помещение, управляющее устройство) комплексов, а также температурные режимы в отапливаемом помещении.

3. Предложен критерий энергоэффективности управления автономным водяным газовым тепловым комплексом и критерий компенсации возмущающих воздействий наружной температуры при прерывистом регулировании (стабилизации) температурного режима микроклимата в отапливаемом помещении.

4. Составлена и исследована модель автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса, учитывающая особенности комплекса и ориентированная на анализ и синтез управляющих устройств и программ, в которой используются параметры, полученные экспериментальным путём.

5. Проведены теоретические и экспериментальные исследования и сравнительный анализ процессов в автономном водяном газовом тепловом комплексе при различных способах (без натопа, с натопом) управления комплексом.

Практическая значимость работы.

1. Получены экспериментальные данные динамики автономного водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор–отапливаемое помещение».

2. Составленные структуры и модели компонентов комплекса позволяют выполнять проектирование и расчёт комплекса, определять динамические характеристики.

- 4 - 3. Разработанные алгоритмы управления позволяют повысить тепловую комфортность помещений и энерго-ресурсосбережение комплексов.

4. Полученные результаты исследований могут быть использованы для модернизации с целью повышения энергоэффективности действующих известных (разомкнутого типа) автономных водяных газовых тепловых комплексов, а также стать основой для инженерного решения задач автоматизации комплексов.

5. Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция и гидравлика» ВлГУ в дисциплине «теория автоматического управления».

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы, в том числе, защищенные патентом Российской Федерации, могут быть использованы при проектировании и наладке ресурсо-энергосберегающих автономных водяных газовых тепловых комплексов, при модернизации действующих автономных комплексов, при замене автономными комплексами «отработавших своё» централизованных систем отопления производственных зданий, а так же переданы ОАО «Московский завод тепловой автоматики», ООО «Инженерные решения», ООО «Производственное объединение ОВЕН».

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:

III Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (Москва, МГСУ, 2009г.);

Международных конференциях по математической теории управления и механике (Суздаль, 2009г., 2011г.);

Международная научно-техническая интернет конференция «Строительная наука 2010»;

ХХХ Российской школы, посвящённой 65-летию Победы. «Наука и технология». (Миасс, 2010г).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

Результаты научно-исследовательских испытаний автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор– отапливаемое помещение» в типовых и энергосберегающих режимах;

Структуры автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса;

Математические модели основных компонентов автономных (индивидуальных) водяных газовых тепловых комплексов «газотеплогенератор–отапливаемое помещение», ориентированные на анализ и синтез комплексов;

Критерий энергоэффективности управления комплексом;

Критерий (коэффициент) компенсации возмущающих воздействий наружной температуры при прерывистом (релейном) регулировании (стабилизации) температурного режима микроклимата в отапливаемом помещении;

Метод «двойной зоны допуска» и алгоритмы регулирования температуры в отапливаемом помещении в энергосберегающих режимах.

Публикации.

По теме исследований опубликовано 13 научных работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, получен один патент РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации.

- 5 - Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, а также списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 1страницах, в том числе: 170 страниц основного текста, иллюстрированного рисунками и 3 таблицами, список литературы из 122 наименований на 12 страницах, а также 3 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные направления исследований, приведены краткие аннотации глав диссертации.

В первой главе рассмотрены основные требования к работе автономных водяных газовых тепловых комплексов «газотеплогенератор–отапливаемое помещение», дан обзор существующих структур тепловых комплексов, анализ этих структур, алгоритмов управления, поставлена задача исследования.

Основными требованиями к работе тепловых комплексов являются энергоэффективность, комфортность отапливаемых помещений, высокое быстродействие и точность регулирования температуры в помещении.

Разработкам тепловых (отопительных) комплексов и вопросам управления посвящены работы В.Н. Богословского, А.Н. Сканави, А.В. Мошкарина, В.П.

Созинова, О.Д. Самарина, И.Н. Егорова, В.П. Туркина, А.Я. Ткачука, В.Я. Ротача и другие.

В известных работах не рассматривались вопросы влияния динамических параметров (постоянных времени, задержек) на точность, качество, быстродействие и энергоэффективность работы индивидуальных тепловых комплексов.

Кроме того, тепловые комплексы рассматривались (на базе дифференциальных уравнений) только как динамические объекты и не рассматривались как информационные (логические) объекты.

Проведённый анализ структур автономных водяных газовых тепловых комплексов позволяет разделить их на две группы: структуры разомкнутого типа без учёта наружной температуры и структуры разомкнутого типа с учётом наружной температуры.

В обеих группах осуществляется регулирование (стабилизация) температуры теплоносителя на выходе или/и входе котла и не контролируется температура в отапливаемом помещении. Такие структуры не обеспечивают комфортность помещений и энергоэффективность комплексов.

Показано, что в настоящее время существует потребность в разработке структур энергосберегающих тепловых комплексов «газотеплогенератор– отапливаемое помещение» с управлением, обеспечивающим высокое быстродействие, качество и точность регулирования температурных режимов микроклимата помещений.

Из проведённого обзора и анализа следует, что при разработке энергосберегающего индивидуального теплового комплекса желательно использовать замкнутую структуру комплекса, учитывающую информацию о температуре в отапливаемом помещении, и опережающее релейное (дискретное) управление мощностью теплового потока газотеплогенератора (котла).

Исходя их вышеизложенного были сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты экспериментального исследования автономного (индивидуального) водяного теплового комплекса «газотеплогенератор – - 6 - отапливаемое помещение», состоящего из газотеплогенератора (котла) Hermann (23,7кВт) и отапливаемого помещения («полигона») 70м2 кирпичного здания с капитальными (0,61м) ограждениями. Коэффициент аккумуляции теплоты (полученный экспериментально – расчетным методом), эквивалентный постоянной времени, исследуемого помещения составляет 307мин. Удельные тепловые потери помещения (q·V,где q– удельная тепловая характеристика помещения или здания, V– объем помещения или здания по наружному обмеру) полученные экспериментальным путем в соответствии с уравнением теплового баланса помещения составляют 618Вт/°С.

Целью экспериментальных исследований являлось определение особенностей теплового водяного комплекса как объекта управления и параметрическая (количественная) идентификация комплекса, которые должны быть отражены в разрабатываемой структуре (модели) комплекса, учитывающей системное динамическое единство (котёл–помещение) комплекса.

Экспериментальные исследования проводились методом «черного ящика».

При этом на вход комплекса (котла), работающего по разомкнутой структуре, подавались ступенчатые воздействия (установки) и оценивались переходные процессы (задержки, постоянные времени) во временной области. В результате экспериментальных исследований установлено, что переходные (разгонные) процессы в комплексе близки к переходным процессам динамических звеньев, реализующих экспоненциальные зависимости.

На рис. 1 приведены, в качестве примера, осциллограммы переходного процесса котла при переходе теплоносителя с 16°С на 50°С. Постоянная времени котла Та=0,6мин. Заданная температура теплоносителя (50°С) на выходе котла устройством управления котла поддерживается в коридоре 50±5°С, т.е.

осуществляется релейное (логическое) управление нагревом теплоносителя по верхнему значению Рис 1. Осциллограмма пуска котла Hermann. Та=0,6мин – (50+5°С) температуры и по постоянная времени котла, к-п-к =6мин.30с – запаздывание нижнему значению (50-5°С) цепочки котёл–помещение–котёл температуры теплоносителя, т.е. обобщённая математическая модель теплового комплекса кроме динамических свойств должна отражать и дискретные (логические) свойства комплекса.

На рис.2 приведена осциллограмма переходного процесса температуры в помещении (при включении котла на температуру теплоносителя 50°С) при нагреве температуры в помещении с 16,5°С до 20°С. Постоянная времени соответствует Та=160мин. На рис. 3 приведена осциллограмма переходного процесса температуры в помещении при включении котла и переходе теплоносителя с 19,5°С на 16,5°С.

Постоянная времени при охлаждении помещения Та=240мин. Температура на улице в - 7 - период проведения измерений составляла +3±0,5°С. Определялись переходные процессы температуры в помещении при наружных температурах в диапазоне +3°С 15°С и при различной мощности котла (теплового потока на выходе котла).

Путём многочисленных расчётов и экспериментов установлено, что постоянные времени при нагреве помещения в разы отличаются от постоянных времени при охлаждении помещения, что обусловило необходимость проведения исследования и описания Рис 2. Осциллограмма изменения температуры воздуха в (моделью) теплового помещении при включенном котле, Та=160мин. – постоянкомплекса во временной ная времени процесса нагрева помещения области.

Особенностью тепловых комплексов как объектов управления, таким образом, является то, что переходные процессы нагрева и охлаждения в них являются асимметричными, а это, в свою очередь, определяет и специфику управления (алгоритмов) комплексами.

На рис. 4 приведена осциллограмма изменения температуры воздуха в течении 7 суток при температуре воды на выходе из котла 60°С. В течении 7 дней температура в помещении колебалась в пределах 3,5°С при колебаниях наружной температуры от +3°С до 3°С. Такое колебание температуры в помещении не соответствует условиям комфортности, которые Рис 3. Осциллограмма изменения температуры воздопускают колебания духа в помещении при выключении котла.

температуры в помещении в Та=240мин. – постоянная времени при охлаждении пределах 2°С. Индипомещения видуальные тепловые комплексы, работающие по разомкнутой (без датчика отрицательной обратной связи по температуре в помещении), не обеспечивают стабильной температуры в помещении, что приводит к дискомфорту, а также к перерасходу энергии.

В третьей главе представлены аналитические зависимости опережающего (прогностического) управления температурой в отапливаемом помещении.

Предложен критерий энергоэффективности управления тепловым комплексом.

- 8 - Приведены результаты исследования влияния задержек и постоянных времени тепловых процессов на качество и точность регулирования температуры в Рис 4. Осциллограмма изменения температуры воздуха в помещении в течении 7 суток при температуре воды на выходе из котла 60°С помещении. Разработан метод (способ) повышения точности регулирования, позволяющий наряду с разработанными алгоритмами осуществлять энергосберегающее управление комплексом. В главе приведены также разработанные структуры и математические модели отопительного комплекса. При разработке математических моделей автономного водяного газового теплового комплекса было сделано предположение, подтвержденного экспериментально, что в «узких» (0,5°С;

1°С) зонах регулирования (стабилизации) температуры в натопленном, с установившимися (квазиустановившимися) тепловыми процессами, помещении переходные процессы близки к экспоненте.

Рассмотрен вопрос определения моментов времени (t1) изменения режимов (в соответствии с тепловым балансом комплекса) работы котла для обеспечения выхода температуры (tпи) в помещении с одного уровня (ночь, выходные) на другой (более высокий) заданный уровень температуры (tпз) в желаемый момент времени (t4) как в режиме разогрева без натопа, так и в режиме разогрева помещения с натопом при ступенчатом (дискретном) управлении с точностью до 5%.

Момент времени (t1) определяется формулой:t1=t4-(+3Т), где – транспортно - теплоинерционная (экспериментальная) задержка цепочки котёл – отапливаемое помещение; Т – постоянная времени переходного процесса. Время, таким образом, опережающего переключения тепловой мощности котла составляет +3Т по сравнению с моментом времени (t4).

Для быстрого разогрева помещения используется режим натопа. При натопе с выхода котла вместо исходной тепловой мощности Q1, теплоносителя подаётся поток большей мощности (Q3). Натоп из-за перерегулирования переходного процесса может - 9 - привести к перенатопу и, в итоге, к перерасходу энергии. Перерегулирования (перерасхода энергии) не будет, если переключение с повышенной мощности котла Q3 на мощность Q2, соответствующую тепловому балансу при tпз, происходит с опережением при достижении уровня tпп температуры в помещении, который определяется зависимостью:

tпп tпи (tпв tпи )1 exp[( ) /Т], (1) ф (tпв tпи ) где ф ф T ln, – длительность переходного процесса (фронта); 2 – за(tпв tпз ) держка на отключение цепочки котёл–помещение; tпв – температура в помещении, соответствующая натопу (Q3); tпз – заданная температура; Т – постоянная времени при натопе.

Для оценки эффективности автоматического управления тепловыми комплексами предложен критерий (коэффициент Кэ) энергоэффективности управления:

(4 *) где =4 – зона допуска (20±2С) колебания температуры в помеКЭ , 22 tн * / щении по СНиП 2.04.05-91*; * – зона допуска колебания температуры при Рис 5. Зависимость критерия энергоэффективности управления (Кэ) тепловым комплексом от зоны допуска (*) и наружной температуры (tн) при =управлении; tн – наружная температура.

На рис. 5 приведена зависимость Кэ от зоны допуска (* и наружной температуры при =4).

Повышение точности (при уменьшении *) регулирования температуры позволяет получить энергосбережение теплового комплекса до qV(22-tн-*/2)Кэ [Дж/с].

- 10 - При центральном отоплении, а так же в известных индивидуальных (автономных) тепловых комплексах широко используется при регулировании (стабилизации) температуры отапливаемого помещения метод (способ) «диапазона» (зоны допуска колебания заданной температуры ), при котором тепловая мощность отопительного потока при выходе заданной температуры за пределы верхней границы зоны допуска снижается, а при выходе за пределы нижней границы – повышается.

Этот метод из-за задержек и теплоинерционности процессов приводит к перерегулированию (i) переходного процесса и, как следствие, к перерасходу энергии и к дискомфорту (см. рис. 6а). Предложены метод «двойной зоны допуска» регулирования температуры (см. рис.6б), при котором за счёт опережающего снижения мощности потока на выходе котла и опережающего повышения мощности котла при выходе переходного процесса за границы внутренней зоны допуска (**) Рис 6. Переходные процессы (качественные) в тепловом комплексе при использовании известных алгоритмов управления (а) и при разработанном (б) алгоритме («двойная зона допуска») регулирования температуры в помещении температуры в помещении осуществляется уменьшение перерегулирования, что позволяет увеличить качество и точность процесса регулирования температуры в помещении, что, в итоге, увеличивает комфортность и энергосбережение теплового комплекса. Получены аналитические зависимости для определения границ «вложенного» коридора регулирования II (зоны допуска **).

На базе предложенных обобщённых (логико) – динамических функций разработана структура газового теплогенератора, структуры отапливаемого помещения и структура теплового комплекса (рис.7).

Рис. 7. Обобщенная логико – динамическая структура (модель) автономного водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор– отапливаемое помещение» с алгоритмами регулирования температуры в помещении по способу «двойной зоны допуска». 1, 23, 24 – триггеры («Память») с раздельными входами (R,S); 2,7,8,16,17 – логические элементы И (конъюнкция); 3,9,18,26 – логические элементы ИЛИ (дизъюнкция); 4,5,11,12,27 – задержки (i); 6,13 – логические элементы НЕ (инверсия); 10 – датчик температуры воды (tв) на выходе котла;

t1,tср,t2 – верхнее, среднее и нижнее значение температуры воды в поле допуска 2 от задаваемого значения tср; 19 – датчик обратной связи по температуре воздуха в помещении (при работе по замкнутому контуру); 20 – переходные процессы температуры (tп) в помещении; tА – «1» уровень температуры переключения котла на меньшую тепловую мощность; tБ – «0» уровень температуры переключения котла на большую тепловую мощность выходного потока воды; 21 – переходные процессы температуры воды на выходе котла; 22 – управляющее устройство (УУ, ЭВМ, верхний уровень); 25 – датчик объёмного расхода (Q) насоса в гидравлическом контуре отопления помещения, Qmin – минимально допустимое значение расхода в контуре; 28 – блок насоса; x1 – сигнал с датчика давления газа в трубопроводе питания клапана (распределителя) 3; x2–x6 – двоичные сигналы управления (УУ); y1–y5 –выходные двоичные сигналы; tн – наружная температура; tпз – заданная температура в помещении; x7 – блокировка по наличию пламени в котле и разрежения; yi(t+1)=(yi(t)+Si(t+1)) i(t+1) – дискретный выходной сигнал элемента «память», i=1,2,3.

- 11 - 12 - Структура комплекса содержит ветвь регулирования температуры теплоносителя (воды) и ветвь регулирования (стабилизации) методом «двойной зоны допуска» температуры отапливаемого помещения.

Составлена логико–динамическая математическая модель автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса:

_ ' ' tп (t) y5 (t) y5 (t ) y5 (t) y5 (t ) 3 ф1 4 ф' y5(t) y5(t 3 T1 ln((tпв tп1) /(tпв tп2)) (2) _ ' y5 y5(t T2 ln((tп2 tпм) /(tп1 tпм))) где y5=x1·x2·x7·y1·y2·y3; 3’=1+3 – задержка (время запаздывания) комплекса на разогрев; 4’=2+4 – задержка комплекса на охлаждение помещения; Т1 и Т2 – постоянные времени разогрева и охлаждения помещения.

Полученные замкнутая структура и математическая модель отражают как информационные (логические) свойства, так и (через длительность фронтов ф1, фпереходных процессов) динамические свойства автономных водяных газовых тепловых комплексов в симбиозе, что позволяет осуществить «сквозное» моделирование комплексов на ЭВМ и использовать модели при непосредственном управлении тепловыми комплексами.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований автономного водяного газового теплового комплекса. Определялись: задержки (i), постоянные времени (Тi) процессов, длительность фронтов (фi) процессов, параметры температуры в помещении (tA, tБ), по которым осуществляется переход с одной мощности (температуры) теплового потока на другую мощность (температуру) теплового потока при дискретном (релейном) управлении; перерегулирование (i); «отрезки» времени опережающего (прогностического) без натопа и с натопом разогрева помещения; зоны (коридоры I, II) допуска Рис 8. Осциллограммы изменения температуры в (*,**) температур;

помещении при задержке 2=30мин и перерегулировании 1= приведены аналитические 0,4°С зависимости для оценки энергоэффективности тепловых комплексов. Исследование процессов перерегулирования проводилось для «коридора I» с диапазоном температуры в помещении 18–19С при различной наружной (tн) температуре и при различных задержках (2=10, 20, 30мин) без натопа и с натопом. Перерегулирование () верхней границы коридора (*) при этом находилось в пределах 0,11,5С, перерегулирование нижней границы «коридора I» менее 0,1С.

- 13 - На рис. 8 в качестве примера приведена осциллограмма изменению температуры в помещении при задержке 2=30мин. и перерегулировании 1=0,4С.

Исследованы режимы опережающего отопления помещений без натопа и с натопом с точностью ±0,2С при переходе с температуры 1516С на температуру в помещении 19С. В первом случае время переходного процесса Тпп=139мин (расчётное (132мин). При натопе (при переходе Рис 9. Осциллограммы натопа помещения с температуры с температуры на выходе 15°С на 19°С; Тпп=11мин. – время перехода температуры с котла с 30С уровня с 15°С на 19°С на 70С) время переходного процесса температуры в помещении (см. рис. 9) составляет 11мин. (расчётное – 12,6мин.), т.е. при натопе время процесса на порядок меньше времени переходного процесса при опережающем отоплении в соответствии с тепловым балансом комплекса. Расхождение расчётных данных и экспериментальных результатов при опережающем отоплении менее 15%.

В главе приведены результаты экспериментальных исследований переходных процессов при регулировании температуры в помещении методом «двойной зоны допуска». На Рис 10. Осциллограммы температуры в помещении рис. 10 в качестве примера при регулировании методом «двойной зоны допуска» с приведены осциллограммы *=0,5С и **=0,24°С в диапазоне, 1919,5°С;

температуры в помещении 1–температура по контактному термометру ТК-05.1;

при регулировании методом 2– линия переключения температуры котла (35–65–35°С) «двойной зоны допуска» в диапазоне 1919,5С (*=0,5С, **=0,24С) при ступенчатом изменении температуры воды на выходе котла по циклу 35–65–35С, при наружной температуре tн=-8-8,5С.

- 14 - На рис. 11 приведены осциллограммы температур теплового комплекса при регулировании методом «двойной зоны допуска» в диапазоне температуры 20,421,4С (*=1С), при наружной температуре tн=6,59,5С.

Эксперименты подтвердили возможность при использовании метода «двойной зоны допуска» повысить точность регулирования температуры в помещении с зоной допуска до *=0,5С, что позволяет не только повысить комфортность помещения, но и, при Рис 11. Осциллограммы температур теплового комплекса «размещении» при регулировании методом двойной зоны допуска с (стабилизации) зоны * у *=1°С в диапазоне 20,421,4°С при наружной температуре нижней границы поля tн=6,59,5°С (зоны) допуска , осуществлять существенную экономию энергии.

В этом случае коэффициент (К) энергосбережения, приведённый к отапливаемому помещению, будет определяться зависимостью K=(t1-(t2+*/2))/t1 ( 3 ) где t1 – верхнее значение нормы температуры воздуха в помещении, t2 – нижнее значение нормы температуры воздуха в помещении, t2+*/2=t3 – средняя температура воздуха в помещении при энергосберегающем регулировании температуры воздуха.

В холодный период года для производственных помещений при категории работ Ia, при оптимальной (СанПиН 2.1.2.548-96) норме (22-24°С) температуры микроклимата помещения и при зоне допуска *=0,5°С К=(24-(22+0,25))/24=0,0729 или 7,38%, тоже, но при категории работ III, допустимой норме (13,015,9°С) температуры К=(15,9-13-0,25)/15,9=0,16 или 16%.

В теплый же период года при категории работ III, при оптимальной норме (1618°С) при *=0,5°С, К=0,097 или 9,7%. Таким образом коэффициент энергосбережения при оптимальной и допустимой норме отопления для производственных помещений находится в пределах 7-16%.

Энергосбережение (Э), приведённое к отапливаемому помещению, опреЭ=qV(t1-t2-*/2), [Вт] ( 4 ) деляется зависимостью где для исследуемого помещения (70м2) qV=600[Вт/С].

При оптимальной норме температуры в помещении в холодный и теплый периоды года разница (по СанПиН) t1-t2=2°С. Тогда при *=1°С Э=600(20,5)=900Дж/с.

За отопительный период энергосбережение (Э*) составит Э*=Э·3600·24·n, [Дж] ( 5 ) где n – длительность отопительного периода (в Подмосковье n200суток).

- 15 - Для исследованного помещения (70м2) Э*=900·3600·24·2001,56·1010Дж.

Экономичность энергии по газу (Эг) комплекса определяется зависимостью Эг=Э*/, [Дж] ( 6 ) где – КПД котла (от 0,80,9). При КПД котла 80% Эг=1,56·107/0,8=1,95·107кДж=4,6·106ккал.

При низшей теплоте сгорания (Qпс) природных газов порядка 36000кДж/м3 за один отопительный период сбережение газа W одним тепловым комплексом будет сос ставлять W Эг / Qп 1,95107 / 36000 540м3.

Энергосбережение (Wр) по газу в России за отопительный период может быть ориентировочно оценено по укрупнённой зависимости Wp=W·n* [м3], где n* – число, приведённых к площади отапливаемого помещения в 70м2, автономных (индивидуальных) водяных газовых тепловых комплексов РФ.

В главе, на основе экспериментальных и теоретических исследований, предложены рекомендации по выбору и совершенствованию систем автоматического регулирования для инженерного решения задач автоматизации автономных водяных газовых тепловых комплексов (систем) производств с выходом на единую систему оперативного управления.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. В результате экспериментальных исследований типового автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор– отапливаемое помещение» разомкнутой (без обратной связи по температуре воздуха в отапливаемом помещении) структуры установлено:

Тепловой комплекс обладает малой комфортностью (температура воздуха в помещении колеблется с амплитудой до 23С) и «расточителен» по расходу энергии;

Быстродействие газотеплогенератора (котла Hermann), обогревающего помещение площадью 70м2, находится в пределах 12мин.;

Длительность переходных процессов температуры в помещении (при ступенчатом воздействии) составляет десятки и сотни минут (40300мин.);

Переходные процессы в комплексе близки к переходным процессам динамических звеньев, реализующих экспоненциальные зависимости, но эти звенья асимметричны по постоянным времени (их величины), асимметричны также и задержки (транспортно – теплоинерционные); постоянные времени при нагреве и охлаждении помещения отличаются в разы, что создаёт препятствие исследованию комплексов в частотной (на базе передаточных функций) области и обуславливает исследование их во временной области.

2. Исследовано влияние постоянных времени и задержек на перерегулирование переходного процесса температуры. Установлено, что перерегулирование при нагреве помещения может достигать 11,5С, перерегулированием при охлаждении (~0,1С) в помещении с капитальными наружными ограждениями можно пренебречь.

3. Предложены аналитические зависимости, позволяющие осуществлять высокоточное (до ±0,2С) опережающее (без натопа и с натопом) регулирование температуры в помещении при переходе с низких температур (1416С) в помещении на повышенный уровень (19С) температур воздуха.

4. Разработаны замкнутые (с обратной связью по температуре воздуха в отапливаемом помещении) структуры автономных водяных газовых тепловых комплексов, отражающие логические (информационные) и динамические свойства - 16 - составных частей (газотеплогенератор, отапливаемое помещение, управляющее устройство) комплексов, содержащие два контура, включающих элементы запоминания дискретных сигналов управления, релейного регулирования: контур регулирования температуры воздуха в помещении и «вложенный» в него контур регулирования температуры теплоносителя (воды), поступающего в отапливаемое помещение; и обеспечивающие автоматизацию комплексов.

5. Составлена математическая модель, учитывающая особенности (асимметрии параметров) водяного газового теплового комплекса как объекта управления и ориентированная на анализ и синтез управляющих устройств комплексов. Предложен критерий энергоэффективности управления автономными водяными газовыми тепловыми комплексами и критерий (коэффициент) компенсации возмущающих воздействий наружной температуры при прерывистом (релейном) регулировании (стабилизации) температурного режима микроклимата в отапливаемом помещении.

6. Предложен, исследован и использован при натурных экспериментах метод «двойной зоны допуска» опережающего релейного регулирования, позволяющий, совместно с разработанными алгоритмами формирования управляющих сигналов, повысить качество и точность (с зоной допуска до 0,5С) регулирования (стабилизации) температуры, в рамках Санитарных норм для производственных помещений, микроклимата в отапливаемом помещении, обеспечивающей в замкнутой структуре автономных водяных газовых тепловых комплексов повышение комфортности и ресурсо-энергосбережение до 7-16%, что для исследованного комплекса с отапливаемым помещением площадью 70м2 за период (200 суток) отопительного сезона соответствует экономии энергии до 4,6·106 ккал или экономии до 540м3 газа.

7. Полученные в работе результаты могут быть положены в основу программ моделирования комплексов на ЭВМ при выполнении студенческих научных работ, а так же использованы при ресурсо-энергосберегающей модернизации действующих автономных водяных газовых тепловых комплексов и при внедрении (в качестве автоматизированных составных – интегрированных частей) их в автоматизированное производство с единой системой оперативного управления.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях по перечню ВАК:

1. Кашинский, А.Н. Исследования динамических характеристик теплового комплекса в системах автоматического регулирования температуры воздуха / А.Н. Кашинский // Главный энергетик. – 2011.– №6. – С. 41-45.

2. Евдокимов, А.И. Энергосберегающий способ управления автономным комплексом «газовый теплогенератор – отапливаемое помещение» / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский // Главный энергетик. – 2011.– №11. – С. 25-30 (соискатель – 50%).

3. Кашинский, А.Н. Критерий энергоэффективности управления индивидуальным тепловым комплексом «газовый теплогенератор – отапливаемое помещение» / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. –2011. – №10. – С. 6-8 (соискатель – 50%).

Патенты Российской Федерации:

4. Кашинский, А.Н. Система автоматического регулирования отопления здания / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский, К.И. Зуев // Патент RU 83627 U1 Заявка № 2009106410/22(008614) Приоритет полезной модели 24 февраля 2009г.

- 17 - Публикации в научных журналах и изданиях:

5. Евдокимов, А.И. Обобщённые информационно – динамические функции элементов и устройств систем управления / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский, К.И.

Зуев // Тезисы докладов международной конференции по математической теории управления и механике. – Москва : МИАН, 2009. – С. 61-62.

6. Кашинский, А.Н. Экспериментальные исследования динамики теплового комплекса «Газовый котёл – отапливаемое помещение» / А.Н. Кашинский // Строительная наука 2010: Материалы международной научно-технической конференции. – Владимир, 2010. – С. 371-376.

7. Кашинский, А.Н. Система автоматического регулирования отопления здания / А.Н. Кашинский // Наука и технологии. – Том 1. Краткие сообщения ХХХ Российской школы посвящённой 65-летию Победы. – Екатеринбург, 2010. – С. 145147.

8. Кашинский, А.Н. Энергосберегающие системы автоматического регулирования отопления помещений / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский // Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции : Третья Международная научно-техническая конференция : сборник докладов. – Москва : МГСУ, 2009. – С.

140-141.

9. Кашинский, А.Н. Математическая модель, управление и структура энергосберегающих индивидуальных (автономных) газовых отопительных комплексов / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский // Тезисы докладов международной конференции по математической теории управления и механике. – Москва : МИАН, 2011. – С. 81-83.

10. Кашинский, А.Н. Энергосберегающие структура и управление индивидуальных тепловых комплексов «газовый теплогенератор – отапливаемое помещение» / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский // Владим. гос. ун-т. Владимир, 2011г.

– 9 с.: ил. – Рус. – Деп. – в ВИНИТИ 31.05.11 №260-В2011.

11. Кашинский, А.Н. Информационно (логико) – динамическая структура и математическая модель энергосберегающих индивидуальных (автономных) тепловых комплексов «газовый теплогенератор – отапливаемое помещение» / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский // Владим. гос. ун-т. Владимир, 2011г. – 12 с.: ил. –Рус. – Деп. – в ВИНИТИ 19.07.11 №347-В2011.

12. Кашинский, А.Н. Энергосберегающие автономные водяные теплоснабжающие комплексы. Экспериментальные исследования и разработка инновационного энергоэффективного метода управления водяным теплоснабжающим комплексом : монография / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский, В.И. Тарасенко // Инновации в строительстве и архитектуре. – Владимир, 2011. – С.

77-105.

13. Кашинский, А.Н. Критерий (коэффициент) компенсации возмущающих воздействий наружной температуры при прерывистом (релейном) регулировании (стабилизации) температурного режима микроклимата в отапливаемом помещении / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский // Владим. гос. ун-т. Владимир, 2012г. – 5 с.: ил. – Рус. – Деп. – в ВИНИТИ 20.01.12 №12-В20Личный вклад соискателя [2], [3], [5], [13] – математические модели; [4], [8], [8], [10], [11] – алгоритмы и структуры; [12] – теоретические и экспериментальные исследования алгоритмов и структур системы управления - 18 - Подписано в печать 21.11.2012.

Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз.

Заказ Издательство Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

600000, Владимир, ул. Горького, 87.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.