УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ГАЗА В ПИКОВЫЙ ТЕПЛОИСТОЧНИК СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
CONTROL DEVICE FOR GAS SUPPLY TO PEAK HEAT SOURCE OF DISTRICT HEAT SUPPLY SYSTEM

Изобретение устройство управления подачей газа в пиковый теплоисточник системы централизованного теплоснабжения относится к теплотехнике, преимущественно предназначено для автоматического регулирования температуры теплоносителя на выходе пикового теплоисточника в момент резкого изменения температуры окружающего воздуха.
Известно устройство управления подачей газа в пиковый теплоисточник системы ценрализованного теплоснабжения, реализованное в системе по патенту RU №72748, МПК F24D 3/02, бюл. №12 от 2008 г. Оно имеет следующие недостатки:
из-за последовательно подключенных теплообменников к централизованной системе теплоснабжения любое изменение теплоносителя в одном теплообменнике влияет на пиковые источники соседних подсистем и соответственно на устройство управления ими;
при медленном изменении температуры наружного воздуха в минусовом направлении теплоноситель с заданной температурой поступает от централизованной сети (от ТЭЦ) через теплообменник в пиковый теплоисточник, который в этот момент находится в выключенном состоянии. А в моменты резкого изменения температуры устройство управления включает подачу газа в пиковый теплоисточник, который осуществляет подогрев теплоносителя до заданной температуры. Однако период подогрева носит расплывчатый характер, так как момент резкого изменения температуры наружного воздуха не определен и не определен момент появления теплоносителя с заданной температурой на входе теплообменника после завершения резкого изменения температуры (конец подачи газа в пиковый теплоисточник).
Известно также устройство управления подачей газа в пиковый теплоисточник системы централизованного теплоснабжения, лишенное первого недостатка, например, реализованное в патенте RU №78907, МПК F24D 3/02, бюл. №34 от 2008 г. Оно содержит три датчика температуры, установленные соответственно в трубопроводе на выходе пикового подогревателя (теплового генератора), в трубопроводе на выходе потребителя и снаружи здания, регулятор подачи газа в пиковый теплоисточник и контроллер управления, входы которого связаны с указанными датчиками температуры, а один из выходов подключен к регулятору подачи газа. Это устройство принято за прототип.
Оно имеет следующие недостатки:
- так как не определены моменты резкого изменения температуры наружного воздуха, то периоды подогрева носят расплывчатый характер, отчего алгоритмы управления не в состоянии исключить колебательные процессы в управлении подачей газа в пиковый теплоисточник;
- так как изменение наружной температуры окружающего воздуха носит случайный характер, а температура теплоносителя на входе теплообменника и на выходе пикового теплоисточника не имеют однозначной функциональной связи как между собой, так между ними и выходными параметрами контроллера, то подача газа может быть включена преждевременно или с запаздыванием. В первом случае расходуются излишки газа, во втором происходит несвоевременное выравнивание температуры теплоносителя у потребителя, т.е. возникает температурный дискомфорт внутри здания.
Задача, решаемая изобретением, заключается в более четком определении границ периода подогрева теплоносителя в пиковом теплоисточнике и исключении колебательного процесса управления подачей газа в моменты резкого изменения температуры наружного воздуха.
Сущность заключается в том, что устройство управления подачей газа в пиковый теплоисточник, подключенный через теплообменник к системе централизованного теплоснабжения, содержащее три датчика температуры, первый из которых установлен на выходе пикового теплоисточника, измеряющий температуру теплоносителя, второй датчик температуры наружного воздуха, регулятор подачи газа в пиковый теплоисточник и контроллер управления, входы которого соединены с указанными датчиками температуры, а выход подключен к регулятору подачи газа, а третий датчик температуры теплоносителя установлен на входе теплообменника со стороны центрального трубопровода, при этом контроллер управления содержит вычислитель, блок быстрого реагирования и блок управления регулятором подачи газа, причем входы вычислителя связаны с выходами первого и второго датчиков температуры, а его выходы - со входами блока быстрого реагирования, выходы которого связаны с третьим входом вычислителя и первым входом блока управления регулятором подачи газа, второй вход которого связан с выходом третьего датчика температуры, а выход второго датчика температуры подключены к дополнительному входу блока быстрого реагирования, причем блок быстрого реагирования выполнен в виде нечеткой модели, содержащей базу правил и последовательно подключенные блок фаззификации, блок принятия решений и блок дефаззификации, которые функционально связаны с базой правил, при этом в блоке фаззификации использованы термы с треугольной и трапецеидальной формами, в блоке принятия решений использовано правило импликации Мамдани, при этом база правил в блоке быстрого реагирования содержит правила фаззификации, принятия решения, дефаззификации, правила вычисления параметров в вычислителе и расчетный температурный график, связывающий задаваемую температуру теплоносителя на выходе пикового теплоисточника с изменением температуры наружного воздуха.
0
1
2
3
<mrow><mover accent="true"><mi>T</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>н</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>н</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Δ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>T</mi><mi>т</mi></mrow>
На фиг.1 представлена структурная схема отдельного участка системы централизованного теплоснабжения с устройством управления подачей газа в пиковый теплоисточник, на фиг.2 - функциональная схема контроллера управления, где обозначены: 1 - теплообменник; 2 - насос; 3 - пиковый теплоисточник; 4 - потребитель тепловой энергии; 5 - регулятор подачи газа; 6 - контроллер управления; 7 - первый датчик температуры теплоносителя, установленный на выходе теплоисточника 3; 8 - второй датчик температуры, измеряющий температуру наружного воздуха; 9 - третий датчик температуры теплоносителя, установленный на входе теплообменника 1 со стороны прямого трубопровода централизованного теплоснабжения с теплоносителем от ТЭЦ; 6-1 - вычислитель, в котором осуществляется периодическое вычисление скорости VTн изменения температуры наружного воздуха Tн и отклонения ΔTт измеренной температуры теплоносителя Tт от заданного расчетного значения температуры Тр по температурному графику, т.е. ΔTт=f/(Тт, Тр); ББР - блок быстрого реагирования, исполненный в виде нечеткой модели, включающей: 6-2 - блок фаззификации, 6-3 - блок принятия решения, 6-4 - блок дефаззификации; 6-5 - база правил; 6-6 - блок управления регулятором подачи газа в пиковый теплоисточник. Входы вычислителя 6-1 подключены к выходам датчиков температуры 7, 8 (фиг.1) и к первому выходу базы правил 6-5 ББР, а выходы вычислителя (VTн, ΔTт) подключены ко входам блока фаззификации 6-2 ББР, третий вход которого связан с выходом датчика температуры наружного воздуха 8, а четвертый вход подключен к второму выходу f базы правил 6-5, при этом выход блока фаззификации 6-2 связан через блок принятия решения 6-3 и блок дефаззификации 6-4 с первым входом блока управления 6-6, второй вход которого связан с выходом третьего датчика температуры 9 (Tт′), причем вторые входы блоков 6-3 и 6-4 связаны соответственно с третьим f и четвертым f выходами базы правил 6-5. Блок фаззификации 6-2 решает задачу преобразования четких входных сигналов Тн, VTн, ΔTт в нечеткие термы с помощью правил , т.е. на выходе получаются нечеткие термы как термы
,
,
.
<mrow><mover accent="true"><mi>T</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>н</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>н</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Δ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>T</mi><mi>т</mi></mrow>
1
Термы
,
,
имеют треугольную форму, что определяется правилом f. Блок принятия решения 6-3 осуществляет выбор терма
<mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>i</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>i</mi></mrow>
2
3
из множества
блока 6-5, используя правило f, которое определяет взаимосвязь между всеми нечеткими термами в данный момент времени, а блок 6-4 преобразует нечеткий терм
, используя правило f, в четкое значение напряжения Ui, которое окончательно формируется боком управления 6-6 как Ut.
0
0
1
0
<mrow><mover accent="true"><mi>T</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>н</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>н</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Δ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>T</mi><mi>т</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>i</mi><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>T</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>н</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>н</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Δ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>T</mi><mi>т</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mi>i</mi><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Устройство управления работает следующим образом (фиг.1, фиг.2). При медленном изменении температуры окружающего воздуха (скорость изменения температуры VTн меньше заданной, что фиксируется в вычислителе 6-1) теплоноситель от ТЭЦ, проходя теплообменник 1 с заданной температурой Tт′, во вторичной цепи теплообменника создает необходимую температуру теплоносителя, который с помощью насоса 2 направляет его через пиковый теплоисточник 3 потребителю 4, откуда он возвращается вновь в теплообменник 1. Пиковый теплоисточник 3 находится в пассивном режиме, т.е. газ не поступает через регулирующий клапан регулятора 5 в теплоисточник 3. Вычислитель 6-1 периодически опрашивает состояние датчиков температуры Tн и Tт и осуществляет вычисление параметров VTн и ΔTт по правилам f, включающим значение частоты опроса состояний датчиков, алгоритм вычисления скорости, а также алгоритм вычисления ΔTт=f(Tт, Tp). При резком изменении в минусовую сторону температуры Tн скорость VTн становится выше установленной, что фиксируется на выходе вычислителя 6-1, а значения температуры теплоносителя на входе теплообменника Tт′ за счет наличия большого транспортного запаздывания также выходит из заданного допуска, что фиксируется в блоке управления 6- 6. В этом случае блок быстрого реагирования ББР осуществляет преобразование измеренных четких и рассчитанных значений Tн, VTн, ΔTт в нечеткие термы
,
,
в блоке фаззификации 6-2 с помощью правил f, поступающих из базы правил 6-5, а затем в блоке принятия решений ББР 6-3 формируется выходной нечеткий терм
(
,
,
,
) и через блок дефаззификации 6-4 в четком выражении поступает в блок управления 6-6 как
, где окончательно формируется в виде конкретного управляющего сигнала и подается на регулятор передачи газа 5, который устанавливает через исполнительный механизм заслонку газового клапана в соответствующее положение. В следующем цикле измерения параметров (определяется блоком 6-5 через правила f) все повторяется описанным образом до момента получения значения VTн, меньшего заданного. Окончательно подача газа в пиковый теплоисточник 3 прекращается по приходу теплоносителя на вход теплообменника 1 с температурой Tт′, равной заданной, которая фиксируется в блоке управления 6-6.
Описанное устройство управления с вычислителем, блоком быстрого реагирования в виде нечеткой модели, блоком управления подачей газа и их связями, указанными на фиг.2, было исследовано на имитационной компьютерной модели, в результате чего получено сокращение времени переходного процесса в 3 раза, при этом погрешность температуры теплоносителя на выходе пикового теплоисточника не выходила из заданного допуска. Последнее говорит о том, что температура теплоносителя на входе потребителя в момент резких изменений температуры воздуха остается в заданных пределах, т.е. температурный дискомфорт у потребителя внутри здания не допускается.