DE4110934A1

DE4110934A1 - Verfahren fuer aufgaben der steuerung in vermaschten hydraulischen rohrleitungsnetzen

Info

Publication number: DE4110934A1
Application number: DE4110934A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr Raehder; Klaus Dipl Ing Schwager; Roland Dr Ing Krannich
Original assignee: ZITTAU TECH HOCHSCHULE
Current assignee: ZITTAU TECH HOCHSCHULE
Priority date: 1990-04-05
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1992-02-06

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Betriebsführung vermaschter hydraulischer Versorgungsnetze für den Transport und die Verteilung von Flüssigkeiten und ist insbesondere für die Regimesteuerung von Wärmeversorgungsnetzen anwendbar.

Die bekannten Prinzipien für die technische Gestaltung der Steuerung des Regimes, für die Meßstellenkonfigurierung und die Diagnose des technischen Zustandes der Anlagen von vermaschten hydraulischen und thermohydraulischen Rohrleitungs- und Versorgungsnetzen lassen sich im wesentlichen dadurch charakterisieren, daß sie entweder aus der Kenntnis der Objektparameter (Kenngrößen von Rohrleitungen und hydraulischen Organen) und vorgegebenen Werten oder Meßwerten und Regimeparametern (Erzeuger- und Abnehmervolumenströme, Drücke in hydraulischen Fixpunkten) heraus die Stellgrößen bzw. die Anlagenzustandsbewertung ermitteln oder bei hinreichendem Umfang an meßtechnische Ausrüstung (Druck- und Volumenstrommeßstellen) die Stellgrößen bzw. die Anlagenzustandsbewertung direkt oder indirekt mit Meßgrößen koppeln.

Die erste Gruppe geht von einer theoretischen Analyse aus und ist wegen der ungenauen Kenntnis von Anlagen- bzw. Prozeßwerten stark fehlerbehaftet (die relative Fehlerwartung liegt bei 20% und darüber) und eignet sich Volumenstrommeßstellen) die Stellgrößen bzw. die Anlagenzustandsbewertung direkt oder indirekt mit Meßgrößen kop peln.

Die erste Gruppe geht von einer theoretischen Analyse aus und ist wegen der ungenauen Kenntnis von Anlagen- bzw. Prozeßkennwerten stark fehlerbehaftet (die relative Fehlererwartung liegt bei 20% und darüber) und eignet sich wegen des hohen Rechenzeitbedarfs wenig für den operativen Dienst.

Die zweitgenannte Problemlösung ist als zuverlässig einzuschätzen, setzt aber gerade bei großen Netzausdehnungen eine i. a. sehr kostenaufwendige Meßstellenausrüstung und Datenfernübertragung voraus.

Der gegenwärtige Stand der Technik bietet nur wenige Hinweise auf Lösungen für die Aufgaben der Steuerung, der Meßstellenkonfigurierung oder der technischen Zustandsdiagnose in vermaschten hydraulischen Rohrleitungsnetzen. Von der Problemstellung her ähnliche Lösungsanforderungen für die Steuerung finden sich mit Einschränkungen bei den Patenten für die Netzregelung in Elektroenergiesystemen, wobei eine technische Analogie nicht direkt möglich ist. Für die Meßstellenkonfigurierung in ausgedehnten Netzen ist keine Vorschrift bekannt, die recherchierten Patente stellen technische Funktionslösungen dar, die zum Gegenstand der Erfindung nicht relevant sind.

Die derzeitige Praxis der Steuerung von vermaschten hydraulischen Rohrleitungsnetzen großer Ausdehnung mit mehreren Druckquellen (Einspeisestellen) und einer größeren Anzahl von Drucksenken (Abnehmern) ist durch ein hohes Maß an Handlungsunsicherheit geprägt, die zu Versorgungseinschränkungen oder Überversorgungen, von Abnehmern führen kann und die nicht geeignet ist, die technologischen Aufgaben kosten- und sicherheitsoptimal zu lösen.

Unsicherheit ist auch bei der Zustandsbewertung der Anlagen solcher hydraulischen Netze zu verzeichnen, Schäden und Ausfälle von Anlagen und Einrichtungen können dadurch unerwartet auftreten.

Ziel der Erfindung ist die Gewährleistung von hoher Versorgungs- und Anlagensicherheit bei kostengünstiger Betriebsführung von hydraulischen und thermohydraulischen vermaschten Rohrleitungsnetzen.

Das Problem der Erfindung besteht darin, eine Funktionsvorschrift für die Steuerung vermaschter Flüssigkeits-Rohrleitungsnetze festzulegen, die Verteilungsstruktur von Meßfühlern für Drücke, Volumenströme und Temperaturen vorzuschreiben und eine Diagnose des technischen Anlagenzustands zu beschreiben, ohne notwendigerweise die Objektparameter der Anlagen und Einrichtungen zu kennen und ohne die Kenntnis aller Regimepartner vorauszusetzen. Erfindungsgemäß wird dieses Problem wie folgt gelöst: Unter Ausnutzung erkannter Zusammenhänge zwischen den Drücken, Volumenströmen und Systemdruckverlusten an verschiedenen Punkten eines geschlossenen Rohrleitungsnetzes werden die Stellsignalparameter für die beabsichtigte Erreichung der Werte von hydraulischen Zustandsgrößen bzw. die günstigste Meßstellenverteilung bzw. die Kennwerte für eine Zustandsbewertung der Anlagen und Einrichtungen bestimmt.

Für die Anwendung der Erfindung werden die Zusammenhänge zwischen den Drücken und Volumenströmen an verschiedenen Punkten des Rohrleitungsnetzes bzw. Druckdifferenzen über Strömungsabschnitte oder hydraulische Organe mit statistischen Methoden ermittelt, wobei nur einige dieser Größen an verschiedenen Systempunkten als Meßwerte vorliegen bzw. bekannt sein müssen. Die Anzahl erforderlicher Meßgrößen ist von der Struktur und der Ausdehnung eines betrachteten Rohrleitungsnetzes abhängig und steht im Zusammenhang mit der geforderten Genauigkeit bei der Lösung erfindungsgerelevanter Aufgaben.

Die Bestimmung nichtmeßbarer hydraulischer Zustandsgrößen ist durch Nutzung der Erfindung selbst bei ausgedehnten vermaschten Rohrleitungssystemen in sehr kurzer Zeit möglich, so daß damit sowohl die Erkennung von Störungen (z. B. Lastschwankungen bei den Wärmeverbrauchern eines Fernwärmenetzes oder Anlagendefekte) sehr schnell erfolgt als auch die Bestimmung der für die Störungskompensation erforderlichen Stellgrößen schnell und sicher möglich ist.

Mit der Anwendung des Verfahrens werden die Kosten für den Betrieb und die Unterhaltung hydraulischer und thermohydraulischer Versorgungsnetze verringert, bei der MSR-Ausrüstung mit Druck- und Volumenstrommeßtechnik und der für die Signalübertragung notwendigen technischen Mittel entsteht durch die mögliche Einsparung an Meßstellen eine bedeutende Kostenersparnis.

Mit der erfindungsgemäßen Durchführung von Anlagendiagnosen sind Schädigungen, Alterungserscheinungen, Verschmutzungen und Eigenschaftsabweichungen technischer Einrichtungen und Anlagenkomponenten von Rohrleitungsnetzen sicher und schnell erkennbar und ermöglichen die rechtzeitige Vorkehr gegen unplanmäßige Anlagen- und Versorgungsausfälle.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigte:

Fig. 1: ein vermaschtes hydraulisches Fernwärmenetz hinsichtlich seiner Struktur

Fig. 2: Signalflußbild der Steuereinrichtung

Wird beispielsweise eine Änderung von Abnehmerwärmeströmen als Störung angenommen, dann wirkt sich dies sowohl auf die erforderliche Gesamtwärmeleistung der Erzeugerwerke als auch auf die Verteilung der umzuwälzenden Heizwassermenge im Rohrleitungsnetz aus.

Aufgabe einer Steuereinrichtung ist es nun, gemäß der mit folgendem Gleichungssystem beschriebenen Arbeitsvorschrift

y = Fx + Gx, (1)

in welcher
y der Vektor der Stellgrößen
x der Vektor der Meßgrößen (Drücke p_m1 bis p_Mn, Volumenströme V_M1 bis V_Mm, Druckdifferenzen p_M1 bis p_Mq)
F die Koppelmatrix mit statistisch ermittelten Elementen
G die Matrix für die funktionellen Randbedingungen

sind, die Stellgrößen y_l bis y_p so zu bestimmen, daß die Meßgrößen ihre Sollwerte erreichen und gleichzeitig die Veränderung der Erzeugerleistung des Systems die gestellten Anforderungen optimal erfüllt (z. B. minimale Brennstoffwärmekosten oder Minimierung der Gesamtpumpenleistung).

Die Einordnung der Steuereinrichtung hinsichtlich aufzunehmender und abzugebender Signale ist in Fig. 2 dargestellt.

Für das in Fig. 1 beschriebene Rohrleitungsnetz sind Druckmeßstellen örtlich so festzulegen, daß mit einem Minimum der Meßstellenanzahl eine vollständige Beobachtbarkeit für alle Netzknoten erreicht wird.

Ausgehend von einem Referenzmodell für die Abhängigkeit nichtmeßbarer Knotendrücke P_Ni von meßbaren Knotendrücken p_Mi an festliegenden Punkten des Netzes

p_N = M · p_M (2)

in der M für die Koppelmatrix ist, werden durch mehrere Berechnungen für verschiedene Einbauorte der Meßfühler für die Größen p_Mj die gültigen Einbauorte so gewählt, daß mit der Minimalzahl von Meßfühlern jede Größe p_Ni zu mindestens einer Größe p_Mj in einer statistischen Abhängigkeit steht, deren Korrelationskoeffizient einen vorgegebenen Wert erreicht, der z. B. 0,98 sein kann.

Für die Diagnose des technischen Zustandes von Rohrleitungen und hydraulischen Organen dienen der massenstrombezogene Druckverlust bzw. in der Umkehrung des Zusammenhangs der druckdifferenzabhängige Massen- oder Volumenstrom in einem bestimmten Strömungsabschnitt als Grundlage für die Bestimmung von Diagnosekennwerten, indem diese Größen zu verschiedenen Zeitpunkten miteinander verglichen werden, um daraus die Erkennung von strömungsdynamischen Eigenschaftsveränderungen abzuleiten.

Soll der Zustand des durchströmten Abschnitts i eines vermaschten Rohrleitungsnetzes gemäß Fig. 1 bewertet werden, kann zum Zeitpunkt t₁ nach vorheriger Bestimmung des Volumenstroms C_i,1 zunächst die Druckdifferenz p_i,1 zwischen den Endpunkten des betrachteten Strömungsabschnitts ermittelt werden, um daraus den Kennwert W_i,1 zu bestimmen:

Zum Zeitpunkt t₂ wird der Kennwert W_i,2 analog erhalten:

Aus dem Verhältnis D_Vi = W_i,2/W_i,1′, der Differenz D_Di = W_i,2-W_i,1 oder einer anderen geeigneten Funktion mit mehreren zu verschiedenen Zeitpunkten oder unter verschiedenen Bedingungen aufgenommenen Kennwerten der vorgestellten oder einer anderen Art kann auf den technischen Anlagenzustand geschlossen werden, in dem Vergleiche mit bekannten Erfahrungswerten durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren für Aufgaben der Steuerung in vermaschten hydraulischen Rohrleitungsnetzen für den Transport und die Verteilung von Flüssigkeiten, gekennzeichnet dadurch, daß die Stellgrößen:

- Drehzahl bzw. Leistung von Umwälzpumpen,
- Einspeiseströme bzw. -drücke von Druckerhöhungsanlagen und Speichern,
- Positionen von Stellorganen sowie Festlegungen für sonstige druck- oder volumenstrombeeinflussende Einrichtungen

in Abhängigkeit statistische bestimmter Zusammenhänge zwischen Drücken und Volumenströmen verschiedener Punkte bzw. Druckverlusten im Rohrleitungsnetz oder in hydraulischen Organen festgelegt werden, wobei die Objektparameter nicht und die Betriebsparameter nur z. T. bekannt sein müssen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anordnung von Meßfühlern für Drücke, Volumenströme und Temperturen auf der Grundlage statistisch bestimmter Korrelationsbedingungen zwischen den genannten Zustandsgrößen bestimmt und die Signifikanz der von o. g. Meßfühlern abgegebenen Meßwerte für die Zustandsbeobachtung eines bestimmten Rohrleitungsnetzbereiches ausgewiesen wird, wobei die zweckmäßigste Anordnung von Meßfühlern zu erkennen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß in zeitlicher Abfolge Komplexe von Meßdaten hydraulischer Zustandsgrößen bzw. Betriebsregimeparameter und Objektparameter bestimmt werden, die für den Nachweis von Veränderungen strömungsdynamischer Eigenschaften benutzt werden und damit eine Diagnose des technischen Anlagenzustandes ermöglichen.