Современные информационные технологии/ 3. Программное
обеспечение
к.т.н. Долотовский И.В.
Саратовский государственный технический
университет
имени Гагарина Ю.А.
Программный модуль расчета состояний систем
оборотного водоснабжения
Системы оборотного водоснабжения промышленных предприятий представляют сложные комплексы, включающие теплообменное оборудование технологических производств, водоохлаждающие устройства (преимущественно градирни вентиляторного типа) и насосы для воды. Поэтому для решения задач эффективного планирования, анализа и прогрессивного нормирования потребления электроэнергии для этого объекта за любой заданный промежуток времени с необходимой степенью детализации (аппарат, установка, производство, предприятие) требуется создание специализированных информационно-аналитических систем (ИАС), учитывающих технологическую топологию предприятий, состав оборудования, режимы эксплуатации, технико-экономические характеристики потребителей воды и систем оборотного водоснабжения.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования внутрипроизводственных систем энергообеспечения энергоемких промышленных предприятий позволили сформировать методологию оценки и анализа потребления энергоресурсов, водопотребления и водоотведения, а также разработать комплекс показателей энергетической эффективности и математические модели их расчета [1–2].
На основе этих исследований разработан программный комплекс (ПК), фундаментальная организация которого базируется на блочно-иерархическом принципе и реализована в отдельных его компонентах – программных модулях (ПМ), взаимосвязанных друг с другом.
Основой каждого ПМ является программное обеспечение, разработанное с использованием метода Stepwise Refinement – пошагового усовершенствования, когда первоначально были определены данные и способы их обработки в целом для системы энергообеспечения, водоснабжения или водоотведения, после чего процедура определения осуществлялась во все возрастающей степени подробности (производства, установки, аппараты).
Программный модуль расчета состояний системы оборотного водоснабжения включает следующие блоки (рис. 1):
информационные блоки структурированных
данных
1 – основное водопотребляющее технологическое оборудование производств и установок;
2 – регламентные расходные нормы технологических и энергетических потоков, водопотребления и водоотведения;
1–7 – информационно-аналитические блоки; I–IV
–информационные каналы
Рис.1 Структура взаимосвязей блоков в ПМ
3 – удельное фактическое водопотребление и водоотведение в технологических установках – результат обработки фактических показателей производств за расчетный период времени;
информационно-аналитический блок
моделирующих программ
4 – иерархически структурированные взаимосвязанные программы, выходы которых могут использоваться в других ПМ ИАС и ПК.
Итоговым результатом блока в зависимости от решаемых задач является баланс предприятия за расчетный период времени с указанием количества потребленной воды и отводимых стоков и /или фактические абсолютные и удельные показатели водопотребления и водоотведения по оборудованию, установкам, производствам, предприятию;
информационно-справочные блоки структурированных данных
5 – утвержденные и расчетные методики нормирования водопотребления и водоотведения на предприятии;
6 – нормативно-методические документы – структурированная информация в виде ГОСТов, РД, инструкций, правил, указаний, методик по вопросам энергосбережения и нормирования водопотребления и водоотведения;
7 – инструкции пользователю ПМ и ПК.
Взаимосвязь между блоками ПМ осуществляется по активизируемым каналам связи I–IV (рис.1). При активизации канала I пользователь получает доступ к структурированным данным по оборудованию с возможностью необходимых изменений его характеристик. По информационному каналу II осуществляется ввод расходов нормируемых материальных технологических потоков и других исходных данных.
Затем осуществляется активизация канала III, по которому вводится информация о результатах измерений расходов воды и электроэнергии в характерных режимах работы оборудования.
Вывод информации осуществляется по каналу IV, который включает различные виды балансов водопотребления и водоотведения, и показатели эффективности работы элементов.
Работа с информационными блоками 5–7 осуществляется путем активизации канала связи V, когда выбирается текстовая информация – методики расчета и нормирования, нормативно-методическая документация или инструкции пользователю, в зависимости от уровня иерархии объекта (аппарат, установка, производство) для систем водопотребления или водоотведения.
Следует отметить, что II, III каналы связи могут быть выходами других систем (АСУТП и АСУП).
При автономной работе с использованием ПМ и ПК ввод информации по каналам II и III может активизироваться пользователем по мере необходимости для корректировки уже имеющейся информации за предыдущий период.
Приведенный ПМ обладает свойством расширяемости – по мере увеличения
функциональных возможностей предприятия (реконструкция или модернизация
производств, изменение номенклатуры выпускаемой продукции) в блоках ПМ можно
внести необходимые изменения и дополнения. Кроме того, при увеличении решаемых
задач (например, дополнительного решения технико-экономических задач) в ПМ
добавляются соответствующие необходимые блоки. Так, при оптимизации водопотребления
в зависимости от переменных режимов эксплуатации в качестве целевой функции (критерия
эффективности) принимаются годовые эксплуатационные затраты 
, а оптимальный расход воды определяется минимизацией
функционала
,
где
индексом 
обозначены переменные
режимы эксплуатации, отличающиеся температурой воздуха по сухому и мокрому
термометрам и временем стояния этих температур 
; 
– цена электроэнергии,
руб./кВт×ч, и
подпиточной воды, руб./т, в систему оборотного водоснабжения; 
– мощность насосов воды
и вентиляторов градирен системы водоснабжения, кВт; 
– технологические и
экологические затраты в i-м процессе,
где эксплуатируется водоохлаждаемое оборудование, руб./ч; 
– расход оборотной
воды в системе, т/ч; 
– доля потерь воды с
испарением и уносом, зависящая от типа водоохладителя; 
.
В качестве примера приведем результаты комплексной оптимизации расходных характеристик, включая расходы воздуха в градирне, для системы водоснабжения с одновентиляторной градирней типа СК-400. Расходы воды и воздуха для базового варианта системы равны соответственно 680 кг/с (номинальный) и 1800 кг/с (вентилятор «Нема»). Суммарная мощность установленных насосов 480 кВт, вентилятора – 250 кВт.
Расчеты выполнены для условий V-й климатической зоны России. Результаты оптимизации расходов воды и воздуха для различных режимов эксплуатации приведены на рис.2.
а)
б)
Рис.
2 Оптимальные эксплуатационные расходы воды и воздуха в градирне
для двух интервалов температур окружающего воздуха: а – -5…+15; б –20…30
С использованием разработанного ПМ расчета и оптимизации характеристик системы оборотного водоснабжения предлагается применить следящую по расходу воды систему автоматического управления электродвигателями, основанную на преобразователях частоты питающего напряжения.
В технологических системах энергоемких предприятий при переходе к регулируемому электроприводу насосов подсистем оборотного водоснабжения, наибольшая экономия энергии будет достигнута, если расходы воды в переменных режимах эксплуатации поддерживаются в диапазоне, при котором достигается минимум суммарных затрат, в том числе затрат на технологические процессы – потребители охлаждающей воды. Причем, экономия за счет оптимизации расходных характеристик во много раз превосходит собственное потребление энергии электроприводом. Данное качество имеет особое значение, поскольку многие технологические потребители и обеспечивающие их системы оборотного водоснабжения по ряду объективных причин функционируют с отличающимися от оптимальных значений расходами воды.
Литература
1. Ларин, Е.А. Энергетический комплекс газоперерабатывающих предприятий. Системный анализ, моделирование, нормирование / Е.А. Ларин, И.В. Долотовский, Н.В. Долотовская. – М.: Энергоатомиздат, 2008. – 440с.
2. Долотовский, И.В. Системный анализ и повышение эффективности энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий (на примере Астраханского газоперерабатывающего завода): Дис…канд. техн. наук. – Саратов, 2009. – 249 с.
3. Система «Энергоресурс»: программа для ЭВМ № 2010615353 / Е.А. Ларин, И.В. Долотовский, Н.В. Долотовская. – №2010613798; заявл. 29.06.10; зарегистр. 20.08.10.