Критерии оптимальной совокупной работы топок низкотемпературного кипящего слоя на тепловую сеть

Аннотация

В статье рассмотрена задача определения оптимального режима совместной работы группы котлоагрегатов низкотемпературного кипящего слоя и сформулированы критерии эффективности функционирования для группы котлоагрегатов.

Основной текст статьи

Рассмотрим задачу определения оптимального режима совместной работы группы котлоагрегатов низкотемпературного кипящего слоя (НТКС), которая состоит из двух этапов: определение количества одновременно работающих котлоагрегатов и определения их тепловых нагрузок. В качестве критериев оптимальной работы котлоагрегатов целесообразно принять следующие: максимум КПД топок НТКС; минимум расхода условного топлива; минимум материальных затрат на используемое топливо.

Исходными данными для данной задачи оптимизации работы являются: энергетические характеристики и параметры, полученные при режимно-наладочных испытаниях, статистические показатели работы котлоагрегатов, экономические факторы, а также характеристики используемого топлива, условия эксплуатации и другие необходимые для расчетов параметры. Для получения конкретных значений необходимых исходных данных необходимо собрать и обработать эту разноплановую информацию.

Схема информационных потоков, формирующих состав данных, необходимый для решения задачи рациональной работы котлоагрегатов НТКС, представлена на рисунке 1.

В соответствии со структурой, представленной на рисунке 1 определяется суммарная производительность топок НТКС на основе прогнозов теплового спроса потребителей, нормативных и текущих значений теплотехнических характеристик потребителей и внешних факторов, заявок потребителей с учетом потерь при передаче энергии от производителя к потребителю.

САУ верхнего уровня обрабатывает данные о практической работоспособности котлоагрегатов, их энергетические характеристики (КПД, расход топлива) и др. и определяет рациональные режимы работы котлоагрегатов: находит оптимальный КПД, распределяет заданную тепловую нагрузка между отдельными агрегатами. САУ производительностью отдельного котлоагрегата используя методы управления котлоагрегатами с топками НТКС - по твердому топливу и по дутьевому воздуху обеспечивает заданная тепловая нагрузка каждого котлоагрегата в соответствии с полученным режимом работы.

Для данной задачи, как и для большинства других реальных прикладных задач, существует проблема учета неопределенности исходных данных. Причинами неопределенности является статистический характер исходных данных, полученных в результате натурных испытаний котлоагрегатов, нестабильность характеристик, погрешность приборов и другие, в том числе, субъективные факторы.

Рассмотрим постановку задачи применительно к системе теплоснабжения, в которой установлено m котлоагрегатов топок НТКС с текущей суммарной теплопроизводительность котлов Q_K (Гкал/час), ограничивается снизу потребностями потребителей.

Выделим следующие параметры, которые должны быть учтены в математической модели расчета энергетических характеристик котлов в зависимости от конструкции оборудования, сжигаемого топлива, условий эксплуатации:

• вид, марка и характеристики сжигаемого топлива: низшая теплота сгорания Q_нр, ккал/кг (кДж/кг) или ккал/м³ (кДж/м³); влажность на рабочую массу W_p, %; зольность А, %; температура подаваемого топлива в топку котла Т_п, ^oС; стоимость единицы топлива р., у.е./т или у.е./тыс.м³;
• параметры, определяемые при тепловом расчете котлоагрегатов: теоретический объем сухого воздуха, необходимый для полного сгорания топлива V_воз, м³/кг; нормативная температура холодного воздуха Т_д.п., ^oС; нормативные потери тепла с уходящими газами q_у.г., %; нормативные потери тепла на внешнее охлаждение q_з.о. и охлаждения циркуляционной системы q_охл, %; потери с физической теплотой шлаков q_ф.ш., %; нормативные энтальпии нагретой воды и питающей воды h_н.в. и h`<sub>ж.в.</sub>, ккал/кг (кДж/кг) [1];
• нормативные характеристики и параметры, определяемые при режимно-наладочных испытаниях котлоагрегатов; температура уходящих газов, Т<sub>у.г.</sub>, <sup>o</sup>С; потери тепла с уходящими газами уходят q<sub>у.г.</sub>, %; потери тепла на внешнее охлаждение q<sub>з.о.</sub> и охлаждения циркуляционной системы q<sub>охл</sub>, %; потери с физической теплотой шлаков q<sub>ф.ш.</sub>, %; потери тепла с химическим недожогом топлива q<sub>х.н.</sub>, %; коэффициент избытка воздуха α; нормативные энтальпии нагретой воды и питающей воды h<sub>н.в.</sub> и h`_ж.в., ккал/кг (кДж/кг) [1];
• корректирующие параметры, которые измеряются в процессе эксплуатации при текущем режиме работы: температура уходящих газов, Т_у.г., ^oС; температура шлаков Т_ш, ^oС; температура наружных ограждений Т_з.о., ^oС; температура элементов циркуляционной системы котлоагрегата Т_ц.с., ^oС; коэффициент избытка воздуха α; потери с химическим недожогом q_х.н, энтальпии нагретой воды и питающей воды h_н.в. и h`_ж.в., ккал/кг (кДж/кг); температура холодного воздуха, ^oС [2];
• входные управляемые переменные: состав агрегатов, загружаются; тепловая производительность каждого котлоагрегата;
• исходные параметры: оптимальный состав агрегатов под нагрузкой; оптимальная тепловая нагрузка для каждого агрегата;
• критерии эффективности функционирования системы: оптимальный КПД котельной установки; оптимальное расходование условного топлива; оптимальные финансовые затраты на обеспечение заданного тепловой нагрузки;
• другие факторы, характеризующие индивидуальные особенности установок и влияют на экономичность работы котлоагрегата.

Для выделенных характеристик методами регрессионного анализа были установлены их функциональные зависимости от текущей производительности котлоагрегатов. Согласно [3] по критерию остаточной дисперсии наиболее удовлетворительным видом функциональных зависимостей является регрессионные полиномы третьей степени:

Сформулируем целевую функцию критерия максимума КПД. Коэффициент полезного действия группы котлоагрегатов m определим как средневзвешенную величину КПД всех агрегатов:

1. {D} = {D₁, D₂, ..., D_m} — вектор производительности всех m агрегатов;
2. η_бр(D_i) — КПД брутто i-го агрегата (независимо от используемого топлива);
3. Q_к^бр(D_i) — теплопродуктивность i-го агрегата.

Обогрев в (2) определяется на основе количества нагреваемой воды следующим соотношением [4]:

1. D — выход нагретой воды, кг/с;
2. h_н.в. и h`_ж.в. — энтальпии нагретой воды и питающейводы.

Энтальпии нагретой и питающей воды определяются по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара в зависимости от давления и температуры воды. Последние находятся из теплового расчета и в процессе работы котлоагрегатов поддерживаются на необходимом уровне для обеспечения на выходе заданных параметров теплоносителя.

Целевую функцию критерия минимума расходы условного топлива определим как:

1. B_i^ум(D_i) — расход условного топлива для обеспечения текущей производительности D_i агрегатом;
2. B_i(D_i) — затраты натурального топлива (низкокачественное твердое топливо) на обеспечение теплового спроса i-м потребителем;
3. Э — топливный эквивалент, показывает, какое количество условного топлива эквивалентно единице массы (или объема) того или иного вида натурального топлива.

Топливный эквивалент в (4) находится как отношение низшей теплоты сгорания Q_нр данного топлива к теплоте сгорания условного топлива:

Целевую функцию критерия минимума материальных затрат на используемое топливо определим следующим образом:

1. р — цена используемого данным агрегатом вида топлива.

При постановке задачи учтем ограничения на суммарную производительность:

и диапазоны рабочей производительности для каждого котла:

Таким образом, нами была сформулированна задача оптимизации режимов работы котлоагрегатов по одному из критериев (3) – (5) при совокупности ограничений (6) и (7). В процессе определения оптимального режима работы котельной установки необходимо определить (m-1) переменных: D_Ki, где i = 1,..,(m-1).

Значение Dm, определяются из следующего соотношения:

При этом, учитывая разнокачественный характер неопределенностей в описании исходных данных, для математической формализации неопределенностей выбираем методы нечетко-интервальной математики. Таким образом, зависимости КПД η_бр и расхода твердого топлива В от производительности топок представляем в виде регрессионных полиномов 3-й степени типа (1), полученных в результате статистической обработки данных испытаний.

В качестве исходного параметра для расчета в данном случае принимается совокупная тепловая производительность котлоагрегатов Q_K^бр, которая определяется САУ верхнего уровня в зависимости от параметров окружающей среды, потребителей теплоснабжения и матмодели нестационарного теплового баланса комплекса.

Перечень ссылок

1. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / Под ред. Н. В. Кузнецова, В. В. Митора, И. Е. Дубовского, Э. С. Карасиной. М.: Энергия, 1973.
2. Трембовля В. И. Теплотехнические испытания котельных установок, В. И. Трембовля, Е. Д. Фингер, А. А. Авдеева. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 416 с.: ил.
3. Дилигенский Н. В., Дымова Л. Г., Севастьянов П. В. Нечеткое моделирование и многокритериальная оптимизация производственных систем в условиях неопределенности: технология, экономика, экология. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2004, — с. 348.
4. Канев С. Н. Учет количества теплоты и массы теплоносителя в водяных системах потребителей теплоснабжения. — Хабаровск.: Издательство: «Хабаровск» , 2005 г. — 133 с.