Автоматизированные системы упреждающего управления по критериям энергетической эффективности (в теплоэнергетических комплексах металлургических предприятий)
Автор Шнайдер Дмитрий Александрович, 01.09.2011
| Страницы: 1 2 3 4 5 |
Шнайдер Дмитрий Александрович
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
УПРЕЖДАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ПО КРИТЕРИЯМ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
/в теплоэнергетических комплексах металлургических
предприятий/ Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими
процессами и производствами (промышленность)
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Челябинск – 2011
Работа выполнена на кафедре «Автоматика и управление» ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ). Научный консультант – доктор технических наук, профессор
Казаринов Лев Сергеевич. Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки и техники РФ
Лисиенко Владимир Георгиевич;
– доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки и техники РФ
Рапопорт Эдгар Яковлевич;
Глухов Владимир Николаевич. Ведущая организация – ЗАО «Магнитогорскгазстрой», 455000, г. Магнитогорск, ул. Электросети, 19.
Защита диссертации состоится 31.10.2011 г., в 15 часов, на заседании дисертационного совета Д 212.298.03 ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский госудаственный университет» (НИУ) по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76, ауд. 1001 главного учебного корпуса.
Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, прсим направлять по адресу: 454080, г.Челябинск, пр. Ленина, 76, на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.298.03; факс: (351) 267-93-69.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского гсударственного университета.
Автореферат разослан “____”___________ г.
Д 212.298.03 Некрасов С.Г.
Актуальность проблемы. Приоритетным направлением государственной политики развития энергетической инфраструктуры Российской Федерации является проведение работ по энергосбережению и обеспечению энергетической безопасности во всех сферах хозяйственной деятельности, в т.ч. в теплоэнергетических комплексах металлургических предприятий.
Энергетические комплексы металлургических предприятий представляют собой сложные производственные системы, включающие подсистемы выработки, распределения, аккумулирования и потребления энергетических ресурсов (ЭР), в том числе вторичных энергоресурсов (ВЭР) металлургического производства (доменный газ, отработанный пар и пр.). Режимы работы данных подсистем определяются режимами работы технологического оборудования основного металлургического производства и характеризуются существенными колебаниями в выработке и потреблении ЭР. Вместе с тем, объемы потребления ЭР и утилизации ВЭР напрямую определяют энергоемкость металлургического производства, а технические параметры ЭР – качество выпускаемой продукции. Отсюда важной практической задачей является организация эффективного управления энергетическими комплексами металлургических предприятий, учитывающего динамику процессов выработки, распределения, аккумулирования и потребления ЭР, а также влияние отклонений параметров ЭР на качество производимой продукции.
В течение последнего десятилетия отечественными и зарубежными авторами опубликовано значительное количество работ, рассматривающих вопросы применения различных методов повышения эффективности энергопотребления на промышленных предприятиях. Существенный вклад в развитие работ по данному направлению внесли: Баскаков А.П., Башмаков Н.А., Данилов Н.И., Закиров Д.Г., Заславец Б.И., Казаринов Л.С., Кудрин Б.И., Ладыгичев М.Г., Лисиенко В.Г., Никифоров Г.В., Олейников В.К., Плетнев Г.П., Праховник А.В., Сазанов Б.В., Ситас В.И., Султангузин И.А., Фокин В.М., Хайд Д., Чоджой М.Х., Щелоков Я.М. и др.
В области надежности, живучести и безопасности энергетического оборудования существенный вклад внесли Барков А.В., Беляев С.А., Берлявский Г.П., Болотин В.В., Данюшевский И.А., Дьяков А.Ф., Злепко В.Ф., Израилев Ю.Л., Канцедалов В.Г., Пампуро В.И., Резинских В.Ф, Ушаков И.А., Карандаев А.С., Хромченко Ф.А., Цапко Г.П. и др.
С точки зрения управления рассматриваемые энергетические комплексы относятся к классу больших систем, являющихся нелинейными, многомерными и многосвязными, со сложным характером переходных процессов, вызванных технологическими режимами выработки и потребления ЭР. Поэтому задачи автоматизированного управления в подобных системах являются весьма сложными.
Оптимизация управления по критериям энергетической эффективности технологического процесса является важнейшей практической задачей при проектировании и эксплуатации АСУ ТП. Данная задача возникла достаточно рано и реализовывалась в системах автоматической оптимизации (экстремалного управления). В период 1950–1980 г.г. появилось большое количество рбот, посвященных исследованию и построению различных типов данных ситем при регулярных и случайных возмущениях. Среди них следует отметить работы Арефьева Б.А., Дрейпера Ч., Ивахненко А.Г., Казакевича В.В., Красоского А.А., Кунцевича В.М., Ли И., Либерзона Л.М., Медведева Г.А., Мороснова И.С., Пере Р., Растригина Л.А., Родова А.Б., Ротача В.Я., Рукселя Р., Трасенко В.П., Хамзы М., Элена Ж. и др. Систематическое изложение вопросов, связанных с системами экстремального управления, содержится в монографях Казакевича В.В., Растригина Л.А. В общей постановке исследованиям ситем автоматической оптимизации посвящена обширная литература. Среди фундаментальных отечественных работ в данной области следует указать рботы Фельдбаума А.А., Цыпкина Я.З. и Пропоя А.И. Поиску и реализации эфективных решений для управления сложными производственными комплесами посвящены труды Будковского А.Г., Глухова В.Н., Казаринова Л.С., Клесникова А.А., Крутько П.Д., Матвейкина В.Г., Мирошника И.В., Муромцва Д.Ю., Рапопорта Э.Я., Фрадкова А.Л., Шестакова А.Л. и др.
Современные системы управления строятся как автоматизированные коплексы на базе высокопроизводительной вычислительной техники, позволящей реализовывать сложные алгоритмы управления с использованием разнобразных численных методов и информационных технологий. При этом для современных алгоритмов управления требования оптимальности ведения тенологических процессов по технико-экономическим показателям и показатлям надежности являются обязательными.
Необходимость учета указанных выше факторов привела к развитию в промышленности методологии упреждающего управления, основанной на ршении задач текущей оптимизации процессов в реальном времени on-line с объектом управления при заданных технических условиях. Алгоритмы упредающего управления основываются на расчете управляющих воздействий на технологический процесс с целью оптимизации его будущего поведения, нчиная с текущего момента времени до определенного горизонта прогноза. При этом в качестве целевых функций могут использоваться самые разнообразные функции в соответствии с техническими и технико-экономическими критриями.
Основные идеи упреждающего управления были сформулированы в рабботах Пропоя А.И. (1963), Ли И., Маркуса Л. (1967), Цыпкина Я.З (1968), Ршале Дж. и др. (1976). Дальнейшее развитие методы упреждающего управлния технологическими процессами получили в работах авторов: Де Кейзер, Гарсия, Претт, Морари, Риккер, Ли, Сетербег, Маск, Роллингс, Мэйн, Кули, Оллгауэр, Бэджуелл, Кин, Райт, Женг, Куваритакис, Кэнон, Мацейовский и др. Современные методы адаптивного и модельного прогнозирующего управлния технологическими процессами рассмотрены в работах авторов: Гордон Л., Бобцов А.А., Змеу К.В., Еремин Е.Л., Краснощеченко В.И., Лебедев В.Ф., Нокин Б.С., Прокопчук Е.Л., Решетникова Г.Н., Финаев В.И., Bourdais R., Buisson J., Chen T., Cooper D., Dumur D., Dougherty D., Hiskens I.A., Li D., Marquez H.J., Moro?an P-D., Odloak D., De Souza G., Venkat A.N., Wright S.J., Zanin A.C. и др. Однако, для рассматриваемого класса крупномасштабных распределенных нлинейных динамических систем, к которым относятся энергетические коплексы металлургических предприятий, построение точных прогнозирующих моделей является крайне сложной и объемной задачей. Реально во многих случаях подобные модели обладают недостаточной точностью оценки показтелей эффективности, требуемой в соответствии с технологическими реглментами. Поэтому применение известных методов управления, основанных на построении точных прогнозирующих моделей ТОУ, для эффективного упраления энергетическими комплексами металлургического производства имеет определенные ограничения.
В этой связи актуальной проблемой является разработка подхода к упралению, который основывается на упреждающих оценках эффективности прцессов, получаемых не на прогнозирующих моделях, заданных на основе рнее проведенных исследований, а исходя из непосредственных измерений двух сторон оценочного отношения: текущих расходов энергетических ресусов, объемов выходной продукции, а также статистики отказов и аварийных ситуаций. Построение подобных оценок в реальном времени приводит к нтривиальным задачам, так как их решение должно существенно базироваться на комбинированных моделях прямой и обратной динамики управляемых прцессов. При этом сам принцип управления, основанный на упреждающих оценках эффективности использования ресурсов до того, как эти ресурсы бдут реально использованы или исчерпаны, является естественным условием достижения функциональной и эксплуатационной эффективности в сложных технологических комплексах.
Актуальность данной проблемы поддержана научно-исследовательскими и внедренческими работами на ОАО «Магнитогорский металлургический кобинат» (ОАО «ММК»), а также грантами Федерального агентства по образванию (контракт № П229 от 23 июля 2009 г.) и Федерального агентства по науке и инновациям (контракт №02.442.11.7322 от 28 февраля 2006 г.).
Целью исследований является разработка методологии упреждающего управления по критериям энергетической эффективности технологических процессов и прогнозирования технического состояния контролируемого обрудования, а также создание на базе разработанной методологии автоматизрованных систем управления на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности теплоэнергетических процессов и систем опративного планирования ремонтно-профилактических работ по текущему сстоянию, определяемому на основе прогнозирования остаточного ресурса обрудования.
Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:
1. Проведение анализа решаемой проблемы и обоснование предлагаемого подхода к управлению технологическими процессами с использованием упрждающих оценок показателей энергетической эффективности, основанного на комбинированных моделях прямой и обратной динамики ТОУ.
2. Разработка теоретических основ построения автоматизированных ситем управления теплоэнергетическими процессами металлургического проиводства с использованием упреждающих оценок показателей энергетической эффективности на базе методов экспоненциальной фильтрации.
3. Разработка экстремальной системы регулирования экономичности прцессов горения в энергетических котлах электрических станций, утилизирущих ВЭР металлургического производства, на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности топочных процессов в реальном времени.
4. Разработка программы оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов по показателям энергетической эффективности при неполных исходных данных по расходам тепла и пара, отбираемого от каждой турбины в отдельности в процессе эксплуатации.
5. Разработка программы мониторинга резервов энергетической эффетивности теплоэнергетических процессов электрических станций, основанной на обработке данных эксплуатации блока энергетических котлов и паровых турбин.
6. Разработка автоматизированной системы упреждающего оперативного управления пароснабжением в сложных производственных сетях при больших колебаниях технологических нагрузок по критерию максимума энергетичской эффективности.
7. Разработка автоматизированной информационной системы мониторига остаточного ресурса и оптимального планирования ремонтно - профилактических работ теплоэнергетического оборудования с использованем агрегированных показателей.
8. Разработка систем автоматического регулирования тепловых нагрузок потребителей и программного обеспечения мониторинга экономичности водных систем теплоснабжения на основе макромоделирования.
9. Применение разработанных методов при построении автоматизированых систем диспетчерского управления теплоснабжением зданий и энергоэфективным наружным освещением на основе интеллектуальных регуляторов.
10. Внедрение и промышленная апробация разработанных автоматизирванных систем.
Научная новизна результатов диссертационной работы:
1. Разработан новый подход к автоматизированному управлению технлогическими процессами на основе упреждающих оценок показателей энергтической эффективности, отличающийся использованием комбинированных моделей прямой и обратной динамики технологических объектов управления, построенных с применением методов оптимальной фильтрации.
Предложены и апробированы на практике:
– алгоритмы упреждающей оценки показателей энергетической эффектиности на основе метода экспоненциальной фильтрации;
– алгоритмы построения обратных динамических операторов с заданными передаточными свойствами в условиях помех на основе спектрального подхда;
– автоматизированные системы управления, использующие упреждающие оценки показателей энергетической эффективности.
2. На основе предложенного подхода разработан новый способ и синтезрована новая структура экстремальной системы регулирования экономичности горения в энергетических котлах электрических станций на основе упредающих оценок показателей энергоэффективности топочных процессов.
3. Разработана оригинальная методика и программное обеспечение модлирования и оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов в реальном времени, отличительной особенностью которой является новый мтод идентификации эффективных энергетических характеристик турбоагрегтов электрических станций на основе использования как текущих данных экплуатации, так и данных предыдущих тепловых испытаний турбоагрегатов.
4. Предложена концепция энергетической безопасности ТОУ, основанная на упреждающих оценках текущего обобщенного остаточного ресурса технлогического оборудования по данным эксплуатации. В рамках данной концеции разработаны:
– алгоритм оперативного распознания предаварийных/аварийных ситуаций на контролируемом технологическом оборудовании и приоритетного планирвания ремонтно-профилактических работ по критерию минимума энергетичских потерь;
– оригинальное программное обеспечение автоматизированной информционной системы мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса технлогического оборудования в реальном времени.
5. Предложена автоматизированная система упреждающего управления пароснабжением металлургического предприятия с учетом текущих оценок показателей эффективности на основе методов обратной динамики и экспненциальной фильтрации. Разработана и реализована оригинальная математческая модель сложной паровой сети с учетом динамики аккумулирования пра в двухфазной среде.
6. Предложены новые способы автоматического регулирования расхода тепла в системе центрального отопления зданий в условиях большого диапзона изменения параметров теплоносителя и регулирования горячего водснабжения зданий. Разработана оригинальная упрощенная математическая мдель теплового режима здания. Предложена методика идентификации парметров математической модели теплового режима здания по фактическим данным, доступным непосредственному измерению, на основе метода экспненциальной фильтрации.
| Страницы: 1 2 3 4 5 |