Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Шнайдер, Дмитрий Александрович. Автоматизированные системы упреждающего управления по критериям энергетической эффективности (в теплоэнергетических комплексах металлургических предприятий) : диссертация ... доктора технических наук : 05.13.06 / Шнайдер Дмитрий Александрович; [Место защиты: ГОУВПО "Южно-Уральский государственный университет"].- Челябинск, 2011.- 320 с.: ил.

смотреть введение
Введение к работе:

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., ЗакировД.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., СитасВ.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.П., 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 (экстремального управления). В период 1950-1980 г.г. появилось большое количество работ, посвященных исследованию и построению различных типов данных систем при регулярных и случайных возмущениях. Среди них следует отметить работы Арефьева Б.А., ДрейпераЧ., Ивахненко А.Г., Казакевича В.В., Красов-ского А.А., КунцевичаВ.М., Ли И., Либерзона Л.М., Медведева Г.А., Мороса-новаИ.С, Пере Р., Растригина Л.А., Родова А.Б., РотачаВ.Я., РукселяР., Та-расенко В.П., Хамзы М., ЭленаЖ. и др. Систематическое изложение вопросов, связанных с системами экстремального управления, содержится в монографиях Казакевича В.В., Растригина Л.А. В общей постановке исследованиям систем автоматической оптимизации посвящена обширная литература. Среди фундаментальных отечественных работ в данной области следует указать работы Фельдбаума А.А., ЦыпкинаЯ.З. и Пропоя А.И. Поиску и реализации эффективных решений для управления сложными производственными комплексами посвящены труды Будковского А.Г., ГлуховаВ.Н., Казаринова Л.С., Колесникова А. А., Крутько П.Д., МатвейкинаВ.Г., МирошникаИ.В., Муромцева Д.Ю., Рапопорта Э.Я., Фрадкова А.Л., Шестакова А.Л. и др.

Современные системы управления строятся как автоматизированные комплексы на базе высокопроизводительной вычислительной техники, позволяющей реализовывать сложные алгоритмы управления с использованием разнообразных численных методов и информационных технологий. При этом для современных алгоритмов управления требования оптимальности ведения технологических процессов по технико-экономическим показателям и показателям надежности являются обязательными.

Необходимость учета указанных выше факторов привела к развитию в промышленности методологии упреждающего управления, основанной на решении задач текущей оптимизации процессов в реальном времени on-line с объектом управления при заданных технических условиях. Алгоритмы упреждающего управления основываются на расчете управляющих воздействий на технологический процесс с целью оптимизации его будущего поведения, начиная 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 критериями.

Основные идеи упреждающего управления были сформулированы в рабо-ботах Пропоя А.И. (1963), Ли П., Маркуса Л. (1967), ЦыпкинаЯ.З (1968), Ри-шале Дж. и др. (1976). Дальнейшее развитие методы упреждающего управления технологическими процессами получили в работах авторов: Де Кейзер, Гарсия, Претт, Морари, Риккер, Ли, Сетербег, Маек, Роллингс, Мэйн, Кули, Оллгауэр, Бэджуелл, Кин, Райт, Женг, Куваритакис, Кэнон, Мацейовский и др. Современные методы адаптивного и модельного прогнозирующего управления технологическими процессами рассмотрены в работах авторов: Гордон Л., Бобцов А.А., Змеу К.В., Еремин Е.Л., Краснощеченко В.П., Лебедев В.Ф., Нот-кин Б.С, Прокопчук Е.Л., Решетникова Г.Н., Финаев В.П., Bourdais R., Buisson

J., Chen Т., Cooper D., Dumur D., Dougherty D., Hiskens LA., Li D., Marquez H.J., Moroan P-D., Odloak D., De Souza G., Venkat A.N., Wright S.J., Zanin A.C. и др. Однако, для рассматриваемого класса крупномасштабных распределенных нелинейных динамических систем, к которым относятся энергетические комплексы металлургических предприятий, построение точных прогнозирующих моделей является крайне сложной и объемной задачей. Реально во многих случаях подобные модели обладают недостаточной точностью оценки показателей эффективности, требуемой в соответствии с технологическими регламентами. Поэтому применение известных методов управления, основанных на построении точных прогнозирующих моделей ТОУ, для эффективного управления энергетическими комплексами металлургического производства имеет определенные ограничения.

В этой связи актуальной проблемой является разработка подхода к управлению, который основывается на упреждающих оценках эффективности процессов, получаемых не на прогнозирующих моделях, заданных на основе ранее проведенных исследований, а исходя из непосредственных измерений двух сторон оценочного отношения: текущих расходов энергетических ресурсов, объемов выходной продукции, а также статистики отказов и аварийных ситуаций. Построение подобных оценок в реальном времени приводит к нетривиальным задачам, так как их решение должно существенно базироваться на комбинированных моделях прямой и обратной динамики управляемых процессов. При этом сам принцип управления, основанный на упреждающих оценках эффективности использования ресурсов до того, как эти ресурсы будут 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 комбинат» (ОАО «ММК»), а также грантами Федерального агентства по образованию (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 оборудования, а также создание на базе разработанной методологии автоматизированных систем управления на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности теплоэнергетических процессов и систем оперативного планирования ремонтно-профилактических работ по текущему состоянию, определяемому на основе прогнозирования остаточного ресурса оборудования.

Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:

1. Проведение анализа решаемой проблемы и обоснование предлагаемого подхода к управлению технологическими процессами с использованием упреждающих оценок показателей энергетической эффективности, основанного на комбинированных моделях прямой и обратной динамики ТОУ.

  1. Разработка теоретических основ построения автоматизированных систем управления теплоэнергетическими процессами металлургического производства с использованием упреждающих оценок показателей энергетической эффективности на базе методов экспоненциальной фильтрации.

  2. Разработка экстремальной системы регулирования экономичности процессов горения в энергетических котлах электрических станций, утилизирующих ВЭР металлургического производства, на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности топочных процессов в реальном времени.

  3. 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.

  4. Разработка программы мониторинга резервов энергетической эффективности теплоэнергетических процессов электрических станций, основанной на обработке данных эксплуатации блока энергетических котлов и паровых турбин.

  5. Разработка автоматизированной системы упреждающего оперативного управления пароснабжением в сложных производственных сетях при больших колебаниях технологических нагрузок по критерию максимума энергетической эффективности.

  6. Разработка автоматизированной информационной системы мониторинга остаточного ресурса и оптимального планирования ремонтно-профилактических работ теплоэнергетического оборудования с использованием агрегированных показателей.

  7. Разработка систем автоматического регулирования тепловых нагрузок потребителей и программного обеспечения мониторинга экономичности водяных систем теплоснабжения на основе макромоделирования.

  8. Применение разработанных методов при построении автоматизированных систем диспетчерского управления теплоснабжением зданий и энергоэффективным наружным освещением на основе интеллектуальных регуляторов.

10. Внедрение и промышленная апробация разработанных автоматизиро
ванных систем.

Научная новизна результатов диссертационной работы: 1. Разработан новый подход к автоматизированному управлению технологическими процессами на основе упреждающих оценок показателей энергетической 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 эффективности на основе метода экспоненциальной фильтрации;

алгоритмы построения обратных динамических операторов с заданными передаточными свойствами в условиях помех на основе спектрального подхода;

- автоматизированные системы управления, использующие упреждающие
оценки показателей энергетической эффективности.

  1. На основе предложенного подхода разработан новый способ и синтезирована новая структура экстремальной системы регулирования экономичности горения в энергетических котлах электрических станций на основе упреждающих оценок показателей энергоэффективности топочных процессов.

  2. Разработана оригинальная методика и программное обеспечение моделирования и оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов в реальном времени, отличительной особенностью которой является новый метод идентификации эффективных энергетических характеристик турбоагрегатов электрических станций на основе использования как текущих данных эксплуатации, так и данных предыдущих тепловых испытаний турбоагрегатов.

  3. Предложена концепция энергетической безопасности ТОУ, основанная на упреждающих оценках текущего обобщенного остаточного ресурса технологического оборудования по данным эксплуатации. В рамках данной концепции разработаны:

алгоритм оперативного распознания предаварийных/аварийных ситуаций на контролируемом технологическом оборудовании и приоритетного планирования ремонтно-профилактических работ по критерию минимума энергетических потерь;

оригинальное программное обеспечение автоматизированной информационной системы мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса технологического оборудования в реальном времени.

  1. Предложена автоматизированная система упреждающего управления пароснабжением металлургического предприятия с учетом текущих оценок показателей эффективности на основе методов обратной динамики и экспоненциальной фильтрации. Разработана и реализована оригинальная математическая модель сложной паровой сети с учетом динамики аккумулирования пара в двухфазной среде.

  2. Предложены новые способы автоматического регулирования расхода тепла в системе центрального отопления зданий в условиях большого диапазона изменения параметров теплоносителя и регулирования горячего водоснабжения зданий. Разработана оригинальная упрощенная математическая модель теплового режима здания. Предложена методика идентификации параметров математической модели теплового режима здания по фактическим данным, доступным непосредственному измерению, на основе метода экспоненциальной фильтрации.

  3. Разработана оригинальная автоматизированная система мониторинга и оперативного управления энергетической эффективностью потребителей систем теплоснабжения на основе макромоделирования.

Научная значимость работы. Разработан новый подход к автоматизированному управлению технологическими процессами на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности, а также к прогнозированию технического состояния контролируемого технологического оборудования, позволяющий повысить энергетическую эффективность и безопасность

ТОУ, работающих в динамических режимах при больших колебаниях параметров ЭР и технологических нагрузок.

Практическая ценность работы. Предложенный подход реализован в теплоэнергетическом комплексе металлургического предприятия (ОАО «ММК») и может быть использован в качестве основы для управления технологическими процессами по критериям энергетической эффективности и прогнозирования технического состояния оборудования различного назначения.

Практическая полезность и научная новизна полученных результатов подтверждены 3 патентами РФ на изобретения, 2 свидетельствами на программы для ЭВМ, актами внедрения и испытаний.

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработанных автоматизированных систем на ОАО «ММК» составляет более 45 млн. рублей.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Методология автоматизированного управления технологическими процессами на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности технологического оборудования с использованием комбинированных моделей прямой и обратной динамики ТОУ, построенных с применением методов оптимальной фильтрации.

  2. Предложенные и апробированные на практике:

алгоритмы упреждающей оценки показателей энергетической эффективности на основе метода экспоненциальной фильтрации;

алгоритмы построения обратных динамических операторов с заданными передаточными свойствами в условиях помех на основе спектрального подхода;

автоматизированные системы управления, использующие упреждающие оценки показателей энергетической эффективности.

  1. Способ экстремального регулирования экономичности горения в энергетических котлах электрических станций на основе упреждающих оценок показателей энергетической эффективности топочных процессов в реальном времени.

  2. Методика оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов электрических станций на основе использования метода идентификации эффективных энергетических характеристик по данным текущей эксплуатации и предыдущих тепловых испытаний турбоагрегатов.

  3. Метод упреждающей оценки текущего обобщенного остаточного ресурса теплоэнергетического оборудования по данным эксплуатации на основе использования концепции обобщенного ресурса.

  4. Математическая модель и структура автоматизированной системы оперативного упреждающего управления сложной паровой сетью с учетом динамики аккумулирования пара в двухфазной среде.

  5. Способы автоматического регулирования расхода тепла в системе центрального отопления здания в условиях большого диапазона изменения параметров теплоносителя и регулирования горячего водоснабжения здания.

  1. Структура автоматизированной системы мониторинга и оперативного управления энергетической эффективностью потребителей систем теплоснабжения на основе макромоделирования.

  2. Результаты реализации предложенных методов и автоматизированных систем упреждающего управления по критериям энергетической эффективности в теплоэнергетическом комплексе ОАО «ММК».

Методы исследования. При решении поставленных задач применялся аппарат теории обыкновенных дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных, методы теории автоматического управления, автоматического регулирования, автоматизированных информационных систем, выбросов случайных процессов, математической статистики, прогнозирующего управления, математического моделирования, теории систем теплоснабжения.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата, теории автоматического управления и методов математического моделирования исследуемых объектов и систем управления. Справедливость выводов относительно адекватности используемых математических моделей, достоверности, работоспособности и эффективности предложенных алгоритмов управления подтверждена результатами компьютерного моделирования, а также результатами натурных испытаний на реальных объектах теплоэнергетического комплекса промплощадки ОАО «ММК».

Реализация результатов работы. Полученные в работе теоретические положения применены для решения практических задач, связанных с управлением эффективностью теплоэнергетических процессов и прогнозированием технического состояния оборудования металлургического производства и других отраслей промышленности. В частности, разработанные способы, методы и алгоритмы использованы при построении следующих систем:

система автоматического регулирования подачи воздуха в паровой котел ст. №5 ЦЭС ОАО «ММК» по критерию максимума КПД топочных процессов;

программа оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов ТЭЦ ОАО «ММК»;

программа мониторинга резервов энергетической эффективности теплоэнергетических процессов ТЭЦ ОАО «ММК», основанная на обработке данных эксплуатации блока энергетических котлов и паровых турбин;

-программное обеспечение управления экономичностью водяных тепловых сетей ОАО «ММК» на основе макромоделирования;

автоматизированная информационная система мониторинга остаточного ресурса и планирования ремонтно-профилактических работ по текущему состоянию энергооборудования ЦЭС ОАО «ММК» (АИС «Ресурс»);

системы автоматического регулирования отопления и горячего водоснабжения зданий промышленной площадки ОАО «ММК».

Кроме того, разработанные автоматизированные системы управления были успешно внедрены в ЖКХ г. Челябинска и Челябинской области.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 18 научно-технических и научно-практических конференциях, в том числе 6 Международных и 7 Всероссийских конференциях: II Международная научно-техническая конференция «Энергосбережение на промышленных предприятиях» (Магнитогорск, 2000); 3-я Всероссийская научная конференция (Санкт-Петербург, 2005); XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий (Екатеринбург, 2006); Всероссийская научно-практическая Интернет-конференция «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (Пермь, 2006); VI Международная научно-практическая конференция (Новочеркасск, 2006); XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий (Миасс, 2007); Международная научно-техническая конференция (Магнитогорск, 2007); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2008); 2-ая международная научно-практическая конференция «Интеграция науки и производства» (г. Тамбов 2009); 3-я международная научно-практическая конференция «Интеграция науки и производства» (г. Тамбов 2009); конференция «Автоматизация инженерных систем в ЖКХ и промышленности» в рамках X всероссийского совещания по энергосбережению (г. Екатеринбург, 2010); X Международная научно-практическая конференция (Новочеркасск, 2010); 5-я конференция «Автоматизация инженерных систем в ЖКХ и промышленности» в рамках 11-го всероссийского совещания по энергосбережению (г. Екатеринбург, 2011).

Кроме того, результаты диссертационной работы были представлены на 7 выставках: Межрегиональный специализированный форум-выставка «ЖКХ -проблемы и решения» (г. Челябинск, 2009); Третья региональная выставка-форум «Малый и средний бизнес Магнитки. Инновационные технологии» (г. Магнитогорск, 2009); XV межрегиональная специализированная выставка «ЖКХ новые стандарты. Энергосбережение. Отопление и Вентиляция» (г. Челябинск, 2010); «Весенняя строительная ярмарка Энерго- и ресурсосбережение 2010» (г. Челябинск, 2010); «Энергетика. Энергоэффективность -2010» (г. Челябинск, 2010); Международный форум «Изменение климата и экология промышленного города» (г. Челябинск, 2010); Четырнадцатой межрегиональной выставке «Весенняя строительная ярмарка. Энергосбережение. Коммунальное хозяйство» (г. Челябинск, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликована 65 работ, в том числе 30 статей в изданиях по списку ВАК, 3 патента РФ на изобретения, а также в соавторстве изданы учебное пособие «Автоматизированные информационно-управляющие системы» в 2-х частях (294 с), монография «Автоматизированные системы управления в энергосбережении» (228 с), монография «Автоматизированные системы управления энергоэффективным освещением» (208 с.)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 224 наименования, 8 приложений. Диссертация изложена на 283 страницах и включает 107 рисунков, 22 таблицы.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net