Енергоефективне автоматичне керування утилізацією тепла продуктів згоряння газових котелень в умовах застосування парокомпресійних теплових насосів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.13.07 «Автоматизація процесів керування». Національний університет біоресурсів і природокористування України. Київ, 2021. Дисертацію присвячено вирішенню актуального науково-технічного завдання підвищення енергетичної ефективності процесу утилізації тепла продуктів згоряння газових котелень за рахунок удосконалення алгоритмів його системи автоматичного керування. Розроблено та реалізовано фізичну модель процесу утилізації тепла продуктів згоряння із використанням теплового насоса. Розширенні умови моделювання та автоматизації проведення експериментів, включаючи створення автоматизованого робочого місця дослідника. На фізичній моделі проведено основний комплекс із 64 тривалих експериментів у автоматичному режимі, результати яких склали основу для розроблення моделей статики та динаміки процесу як об’єкта керування. У ході спеціальних цілеспрямованих експериментів на фізичній моделі обґрунтовано доцільність введення нової регульованої змінної – розрахункового (за математичною моделлю) значення масової витрати холодоагенту у випарнику, що в подальшому дозволило підвищити ефективність керування витратою холодоагенту до випарника та спростити технічну реалізацію системи автоматичного керування. Удосконалено структуру контуру регулювання температури перегріву пари холодоагенту на виході випарника для запобігання в ньому автоколивань за рахунок застосування мікрокрокового режиму електроприводу регулювального вентиля, що дозволило спростити конструкцію теплового насоса, відмовившись від застосування капілярних або інших балансувальних пристроїв для корекції витратної характеристики вентиля.На основі рівнянь матеріального і енергетичного балансів процесу утилізації тепла продуктів згоряння із результатів експериментів на його фізичній моделі отримано комплекс математичних моделей, що описує нелінійні статичні і динамічні властивості каналів керування, перехресних каналів та каналів збурень процесу утилізації тепла продуктів згоряння з тепловим насосом як об’єктом керування, реалізовано імітаційну версію цієї моделі об’єкту керування. Підтверджено адекватність моделей, створено математичну основу для розроблення алгоритмів керування підвищеної динамічної точності системи автоматичного керування і переведено експерименти з порівняльного дослідження ефективності варіантів системи автоматичного керування з фізичної моделі в середовище імітаційного моделювання, за рахунок чого знизити витрати часу на проведення цих експериментів приблизно в 50 разів та розширити можливості досліджень. Проведено синтез та порівняльні дослідження варіантів системи автоматичного керування процесом утилізації тепла продуктів згоряння з базовим алгоритмом керування та альтернативними варіантами алгоритмів, що підвищують динамічну точність керованих змінних, із оцінкою енергоефективності процесу, зроблено висновок про актуальність вдосконалення системи автоматичного керування у напрямі підвищення динамічної точності керованих змінних як засобу підвищення енерго- ефективності процесу утилізації тепла продуктів згоряння із тепловим насосом та обрано, з досліджених, найбільш конкурентоздатний алгоритм. Отримано імітаційну модель зовнішніх збурень процесу утилізації тепла продуктів згоряння на основі даних моніторингу функціювання автономної газової котельні багатоповерхового житлового будинку із застосуванням якої проведено порівняльне моделювання базової та системи автоматичного керування із каскадним регулятором перегріву парів холодоагенту, інваріантна до зміни температури води на вході в випарник та підтверджено суттєві переваги роботи розробленої системи автоматичного керуванняв умовах реальних збурень