Regionális anyagáram-hálózat modellezése és identifikálása infokommunikációs rendszer kiépítésével

Szakonyi L., Jancskárné A. I., Sári Z.

PTE PMMK Műszaki Informatika Tanszék

IKT 2010. március 5-6.

BEVEZETÉS

Az információs és kommunikációs technológiák (ICT) fejlesztése az élet minden területén egyre nagyobb jelentőséggel bír.

E technológiákkal foglalkozó kutatóhelyek, cégek, konzorciumok a műszaki informatika kiemelt kutatási irányaiként a nagyméretű rendszerek komplexitás-kezelését, a mesterséges intelligencia alkalmazásokat, s az ember-gép kapcsolati algoritmusokat jelölik meg.

Mérnök informatikus szakunk oktatási, kutatási-fejlesztési irányainak meghatározásakor kívánatos, hogy igazodjunk e kutatási irányokhoz.

Az előadás EU-s támogatású, informatikai alkalmazást jelentő projekt (GVOP-3.1.1.-2004-05-0125/3.0) eredményeihez kapcsolódóan kívánja bemutatni a megnevezett kutatási irányok művelésének lehetőségeit.

2006-ban megkezdett BSc-szintű mérnök informatikus képzésünkben az

Autonom rendszerek információtechnológiája szakirányunknál is megcéloztuk a műszaki informatika e kiemelt kutatási irányaihoz való fokozott felzárkózást, nevezetesen az alábbi ismeretek:

nagyméretű rendszerek specifikálásával, komplexitáskezelésével kapcsolatos ismeretek (identifikáció, modellezés, szimuláció, optimalizálás);

mesterséges intelligencia alkalmazások (érzékelés megismerése, neurális hálók, fuzzy logikák, objektumorientált programozás);

ember-gép kapcsolati algoritmusok (számítógépes képfeldolgozás és alakfelismerés, a gépi látás robotikai, térinformatikai, stb. alkalmazásai)

beépítését egyes tantárgyi programokba.

ELŐZMÉNYEK, CÉLKITŰZÉSEK, EREDMÉNYEK, MEGVALÓSULT OBJEKTUMOK

A kutatás bázisrendszere: 13 km hosszúságú, DN50… DN450 névleges átmérőjű városi vízgőzhálózat ~130 ezer tonna vízgőz/év.

Megelőző, GVOP projektmunka célja új információs és kommunikációs technológiák regionális hasznosításával:

a hálózatidentifikáció elvégzését, az energiaelosztás ellenőrzését biztosító monitoring rendszer;

az anyag- és energiaáram hálózat modelljeként, változó „forrásokkal”, ellenállásokkal, fogyasztóhelyekkel működtethető szimulációs rendszer;

a változó topológiák, üzemállapotok követésére alkalmas üzemviteli programcsomag; a felügyeleti (intelligens monitoring) rendszer és a hálózati modellekhez illesztett

irányítási stratégia.

Jelenleg a fogyasztóhelyeken a szűkítőelemes áramlásmérőhelyhez csatlakoztatott nyomáskülönbség távadók nyomás-, illetve hőmérsékletkorrekciója túlhevített vízgőz állapotjellemzői alapján. A gőzfogyasztások jelentős visszaesésével a fogyasztói végeken jellemző a telített (nedves) vízgőz állapot, ez indokolná a mért értékek módosítását.

A gőzhálózat monitoring rendszerét bemutató műszerezési vázlat

Az irányított beavatkozások vizsgálata

A szimulációs futtatások és az identifikációs mérések kiértékelése bizonyította: a gőzkiadás és a gőzfelhasználás között kimutatott, éves szinten ~ 52 %-os tömegáram (hőáram) különbözetből mintegy 20 % a kondenzleválasztók-nál a környezetbe hasznosítatlanul eltávozó kondenzveszteség, ~ 30 % a pontatlan gőzáram mérés.

Az üzemvitelt ellenőrző mérések pontatlansága, energiaáramok követhetősége a hálózat áramlástani és hőátviteli modelljének kialakítását, új mérési, számítási módszerek és technikák kifejlesztését indokolta.

A hálózat térinformatikai vázlata

A hálózat felmérése, vizsgálata, művelettani modellezése, bontása, szimulációja indokolta a térinformatikai háttérbázis létrehozását, meglétét.

A térinformatikai és modellező szoftverrendszer főbb ismérvei

A geometriai és hidraulikai jellemzők felmérésével fejlesztettük ki az anyag- és energiaáram hálózat topológiáját és üzemvitelét modellező adat-integrált szoftverrendszert. E programcsomag biztosítja a hálózat tervezésénél és üzemeltetésénél a topológiai és az üzemviteli adatok feldolgozását, meghatározását és megjelenítését, továbbá az áramlástani és a hőátviteli szimulációt.

A hálózat topológiájának rögzítésekor – a térinformatikai modell létrehozásának érdekében – a {0,1}, ill. {0,2} kódú berendezések elemeiként, GPS vevő használatával kerültek felvételezésre a különböző hidraulikai ellenállások, melyek:

állandó keresztmetszetű, különböző hosszúságú, ellenállástényezőjű egyenes csőszakaszok {0,i,1},

állandó ellenállástényezővel rendelkező, a csőlírákat alkotó, ill. az iránytöréseket biztosító idomdarabok {0,i,2},

változó,a nyitástól függő ellenállástényezővel jellemezhető szerelvények {0,i,3}.

A szoftverrendszer létrehozása a választott – SQL alapú adatbázist használó, a mért és felvett topológiai adatok és egyéb számított jellemzők tárolására és feldolgozására alkalmas – ArcGIS térinformatikai programrendszer és a MATLAB alatt fejlesztett – az áramlástani és a hőátviteli modellezést végző – szimulációs program integrálását, valamint a programrendszerek közötti adatkonverziót megvalósító makrocsomagok kifejlesztését jelentette.

Vízgőzhálózatunknál a vezetékszakaszok vízszintes síkban való vonalvezetése dominál. A csővezetéki közegszállításra - az erőművi betáplálás induló gerincvezetékétől eltekintve - a kondenzálódás, a kétfázisú áramlás létrejötte a jellemző. Erre enged következtetni a szolgáltató monitoring rendszerével korábbiakban mért, nagyszámú összetartozó nyomás- és hőmérsékletértékek alapján készült ábra is a kondenzációs görbék feltüntetésével. Az általunk kimért időszakban a hálózat különböző üzemállapotában a nagyfogyasztók ellátását a 0…1,2 %-os nedvességtartalmú, átlagosan 9,86 bar túlnyomású telített vízgőz jellemezte.

ALKALMAZOTT VIZSGÁLATI / KÍSÉRLETI MÓDSZEREK

A modellezés kezdetén a vízgőzhálózati üzemvitel ellenőrzésének biztosítása, az energiatakarékos, hatékonyabb működtetés igénye (technológiai cél), az anyag-, energiaáram hálózat áramlástani (kinetikai) modelljének felállítása (modellezési cél), s a hálózattal kapcsolatos előzetes ismeretek döntik el az elemekre bontás mélységét.

A vízgőzhálózat elemekre bontása

A felügyeleti rendszer monitorozási stratégiájának kidolgozása a kétfázisú áramlás minősítésére, a kondenzáramok mérésére szolgáló technikák (mérő-, adatátviteli,

adatgyűjtő- és adatfeldolgozó rendszerek) létrehozásával

A hőerőműben jelenleg működtetett irányítási rendszerek a nagyfogyasztók számára nem biztosítják az állandó vízgőzminőséget, esetenként a száraz vízgőz vételezésének lehetőségét. A száraz vízgőz ellenőrzésére beállított mérőeszközök csupán tájékoztató tömegáram adatokat szolgáltatnak a kétfázisú, rétegzett áramlás kialakulása miatt . Nem ismeretes a vízgőz nedvességtartalma, a fogyasztói hálózatvégeken esetlegesen kialakuló kétfázisú áramlás során az eltérő sebességgel haladó fázisok sebessége és térkitöltése.

Ennek megoldását a javasolt, intelligens monitorozást biztosító felügyeleti rendszer teszi lehetővé. Az identifikációs méréseknél alkalmazott, s egyben az üzemviteli felügyeleti rendszer létrehozásához kívánatos eszközök sorában a hagyományos ipari mérőberende-zések mellett nélkülözhetetlen az egyedi tervezéssel és kivitelezéssel megvalósított, folyamatos ellenőrzést biztosító speciális mérő-érzékelők (a kétfázisú áramlás sebességeloszlásának, a fázisok térkitöltésének követésére, illetve a környezetbe távozó kondenzáramok mérésére alkalmas áramlásmérők) beépítése, a technológián folyamatosan mért jellemzők mobil adatátvitellel a felügyeleti rendszer központi gépeihez való továbbítása. A korrekt tömegmérleg megadásához szükséges a mérőhelyenkénti közegsűrűség ismerete, a kondenzleválasztóknál kilépő anyagáramok, s a fogyasztókhoz juttatott vízgőz áramlási formájának meghatározása. A felügyeleti rendszer elemei együttesen alkotják azt a mérés- és műszertechnikai, metrológia háttérbázist, mely előfeltétele a helyi ellenőrzést, a mobil távadatátvitelt, a központi felügyeletet és adatgyűjtési feladatokat biztosító infokommunikációs rendszer megfelelő működésének.

1 – Mbej; 2 – Mmpkij; 3 – MP

kij; 4, 5, 6, 7, 8 - Mkli

csomópont

Pitot-cső elvű áramlásmérő

j.ág

1

6 7 854

2

3

csomópont

P T

kondenzleválasztók leágazásaikondenzátorként működtetett térfogatmérőkkel és

akusztikus elvű tömegárammérőkkelszámított tömegáram

mérőperemes áramlásmérő

A monitorozási stratégia elvi vázlata

A felügyeleti rendszer elemei:

az áramlás jellegéről információt nyújtó – a csőszelvény szabványos pontjaiban a dinamikus nyomás mérésén alapuló, egymástól független nyomáselvételi helyekkel és kivezetésekkel rendelkező speciális áramlásmérő beépítése minden nagyfogyasztónál (a mérőszakaszokon egy-egy nyomáskülönbség távadóhoz csatlakoztatva);

a kondenzleválasztók működésének akusztikus ellenőrzése (a kiáramló vízgőz és kondenzátum által keltett zaj alapján meghatározható a nyitás periódusideje és a nyitás időtartama; az adatokat a GSM hálózatban továbbítva biztosított a folyamatos kondenzáram-mérés).

A beépítésre javasolt mérő-, adatgyűjtő- és adatfeldolgozó eszközök, a mobil adatátvitel, a Honeywell felügyeleti keretrendszer az identifikációs mérések idején beüzemelve és működtetve.

A speciális áramlásérzékelők gyártási és beépítési vázlata

Speciális áramlásérzékelő telepítése

Terepi mérőhely elrendezése és logikai vázlata

A szabadba távozó kondenzáram mérése az AKL-07 és az AKL-05 jelű kondenzleválasztóknál

Akusztikus kondenzmérő-berendezés és ideiglenes telepítése

A gőzvezeték-hálózaton keletkező és a környezetbe kilépő kondenzvíz mérésére kifejlesztett eszköz alkalmas a terepen történő mérésre és adatrögzítésre a zárt kondenzvíz-leválasztó rendszer megbontása nélkül is. A kifejlesztett akusztikus áramlásérzékelő a kondenzleválasztókhoz közeli zárószerelvényhez mereven rögzítve méri a vizsgált rendszerből származó rezgéseket.

A kondenzleválasztók két lehetséges állapotát (nyitott, illetve zárt helyzetét) jellemző akusztikus jelek eltérő amplitudójából meg lehet állapítani a kondenzáramlás indulását, illetve megszűnését. A nyitott és zárt állapotok időarányának meghatározásával számítható a leválasztón távozó kondenzvíz mennyisége. Egy adott kondenzleválasztónál telepített, két különböző mérési elven alapuló kondenzáram-mérőberendezés mérési adatsora hasonlítható össze az ábrák alapján.

B őris z K ft. 2007.07.24.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

8:53

8:56

8:59

9:02

9:05

9:08

9:12

9:18

9:24

9:30

9:36

9:42

9:48

9:54

10:0

0

10:0

6

10:1

2

10:1

8

10:2

4

10:3

0

10:3

6

10:4

2

10:4

8

10:5

4

11:0

0

11:0

6

11:1

2

11:1

8

11:2

4

11:3

0

11:3

6

11:4

2

11:4

8

11:5

4

12:0

0

m intavétel: 1m in átlag a beavatkozás okra s zám itvakondenzáram [l/h]

Kondenzáram-mérés térfogatmérés elvén alapuló mérőberendezéssel

Bőrisz Kft. 2007.07.24

0

20

40

60

80

100

120

140

160

8:54

8:58

9:02

9:06

9:10

9:14

9:18

9:22

9:26

9:30

9:34

9:38

9:42

9:46

9:50

9:54

9:58

10:0

2

10:0

6

10:1

0

10:1

4

10:1

8

10:2

2

10:2

6

10:3

0

10:3

4

10:3

8

10:4

2

10:4

6

10:5

0

10:5

4

10:5

8

11:0

2

11:0

6

11:1

0

11:1

4

11:1

8

11:2

2

11:2

6

11:3

0

11:3

4

11:5

8

12:0

2

12:0

6

12:1

0

mintavétel: 1min átlag: 5min-re s z ámítvakondenzáram l/h]

Kondenzáram-mérés akusztikus elven működő mérőberendezéssel

Az irányított beavatkozások megvalósítására az egyik nagyfogyasztó hőközpontjában került sor az ábrán vázolt mérőrendszer hasznosításával. Az itt elvégzett irányított beavatkozások módosították a kétfázisú rétegzett áramlás sebességviszonyait, az áramló fázisok állapotjellemzőit. Az előbbi identifikációs vizsgálatok és kiértékelésük volt a próbája az új mérési, számítási módszereknek és technikáknak

Az infokommunikációs rendszer kialakítása

A teljes infokommunikációs rendszer elvi vázlata az ábrán látható. A központi felügyeletet és az adatgyűjtési feladatokat „Windows 2000 Professional” operációs rendszer alatt futó, GSM modemhez kapcsolódó számítógép látta el. A felügyeleti szoftver magja a Honeywell Enterprise Building Integrator (EBI) keretrendszer.

Data

DISZPÉCSERKözpont Modem

ETHERNET

Felügyeleti Központ

GSM Hálózat

GSM MODEM

GSM MODEM

Kézi adatbevitel

Mérőállomások

GSM MODEM

INTERNET

GSM Hálózat

Kondenzátum Mérés

PTE ROUTER

Akusztikus mérőrendszer

GSM MODEM

Operátori állomások

Az energiaszolgáltató adatgyűjtő rendszere vegyes felépítésű (rádiós, GSM, GPRS, internet).Speciális érzékelőink és a szolgáltató hagyományos eszközei segítségével nyert mérési sorozatokból közös SQL alapú adatbázist hoztunk létre.

A felügyeleti rendszer létrehozásának előfeltételei:

a kifejlesztett számítógépes modellek futtatásával változó üzemállapotok (változó energiafeladás, topológia és ellenállásviszonyok) szimulálása;

a vízgőzhálózat egyes ágaiban (valamennyi nagyfogyasztói végpont és a gerincvezetékről való leágazás csomópontja közötti ágon) a jelenlegi áramlásmérőhelyek közelében a csőszelvényben kialakult sebességeloszlás meghatározása helyi dinamikus nyomásmérés elvén,

valamennyi, a gerincvezetékről leágazó ágban telepített kondenzleválasztó távozó tömegáramának mérése;

a meglévő és a javasolt mérőhelyeken mért adatok mobil kommunikációval történő továbbítása a felügyeleti rendszerhez;

a kétfázisú áramlás minősítésére és számítására szolgáló módszerek és összefüggések algoritmizálása.

KONKLÚZIÓ

Az előbbi regionális projektmunka alapján határoztuk meg a tanszék innovatív kutató munkájának egyik fő irányát és annak jellemzőit. E művelendő kutatási-fejlesztési tevékenységeink fő célja a regionális ipari-szolgáltató partner által működtetett hálózatra (anyag-, energiaáram-hálózat; pl. a megnevezett támogatott projektünk bázisrendszeréül szolgáló városi vízgőzhálózat) telepítendő számítógépes monitoring és irányítási rendszer létrehozása.

E kutató-fejlesztő munka tevékenységeinek elvégzésével megvalósuló teljes infokommunikációs technológia (a kialakított szoftvercsomag) alkalmas lehet egy régió meghatározó energia-elosztó rendszerei (városi távfűtő, gázszolgáltató, vízmű hálózat stb.) informatikai infrastruktúrájának kialakítására, továbbfejlesztésére a komplexitás-kezelés új, mesterséges intelligencia alapú módszereit követve.

Köszönöm a figyelmüket!

A gőz- és folyadékfázis térfogatarányától függően a kétfázisú áramlás során különböző áramlási formák jöhetnek létre. Számos kutató a legkülönfélébb alkalmazási területeken vizsgálta a kétfázisú áramlás során kialakuló, rendkívül sokféle áramlási formát, melyeknek előrebecslésére az egyik legismertebb a Baker-diagram. Az ábra alapján a vízszintes csőben kialakuló áramlási forma megbecsülhető a vízgőz tömegáramsűrűség és a nedvességtartalom (korrigált tömegarány) ismeretében.

BB

x

x

1

sm

kgmx

B2

A táblázat a Baker-diagramban való ábrázoláshoz szükséges állapotjellemzők értékeit tünteti fel. Az utolsó két oszlopban közölt adatok összetartozó értékeit e diagramban ábrázolva egyértelműen megerősíthető, hogy méréseink során a kétfázisú áramlást a réteges áramlási forma jellemezte. Az áramlásmérési módszerek és eszközök megválasztását, az infokommunikációs rendszer kifejlesztését is e vizsgálatok eredményei befolyásolták.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

13:5

5

14:2

4

14:5

2

15:2

1

15:5

0

16:1

9

16:4

8

5 .c s a torna (s za bvá nyos m é ré s i he ly) 6 .c s a torna (s za bvá nyos m é ré s i he ly)

4 .c s a torna (s za bvá nyos m é ré s i he ly) 3 .c s a torna (s za bvá nyos m é ré s i he ly)

1 -ε°= 0 ,6 4 4 %1 5 :2 7 h

Irányított beavatkoz ás ok hatás ának felderítés e

1 4 :0 91 4 :3 3 1 5 :0 4 1 5 :2 7 1 5 :4 3 1 6 :1 4

1 -ε°= 0 ,5 1 %1 5 :0 4 h

1 -ε°= 0 .8 2 7 %1 5 :4 3 h

s zűkítőe le m e s [t/h] 0 ,5 0 ,8 6 1 ,3 6 0 ,8 2

Mé rt konde nz [l/h] 9 6 1 0 2 8 4 1 0 4 0 2 9 4 1 6 0 ne m m é rhe tő 2 1 2 7

1 -ε°= 0 .5 1 %1 6 :1 4 h

P din

[P a ]

t [h]

A speciális áramlásmérő egyes mérőcsatornáihoz kapcsolódó nagyérzékenységű nyomáskülönbség-távadók kimenetén az irányított beavatkozások folyamán a dinamikus nyomásértékek rögzítése. A tranziensek jól szemléltetik az egyensúlyi helyzetek beállásának időszükségletét.

Dinamikus nyomások tranziens lefutása a csőszelvényben

A nagyfogyasztóknál kialakított méréstechnikai, műszertechnikai háttér az alábbi üzemviteli tényezők:

az erősen lecsökkent fogyasztószám és vízgőzigény, a tervezett és lehetséges kapacitásánál jóval alacsonyabb kihasználással

működő vízgőzhálózat üzemvitele, a tartós szaturációs állapot kialakulása

miatt nem alkalmas a telített vízgőz állapotváltozásának, a nedves, változó nedvességtartalmú vízgőz minőségének követésére.

Indokolt: a kétfázisú áramlás nyomon követésére is alkalmas mérések elvégzése; a fogyasztók számára jutatott vízgőz minőségét jellemző felügyeleti

rendszer létrehozása; az identifikációs vizsgálatokhoz kidolgozott mérési, számítási módszerek

és technikák üzemviteli célú hasznosítása.

A felügyeleti rendszer műszaki és módszertani háttere

Az erőműnek nem lehet elsődleges szempont a sugaras szerkezetű, részhálózatonként egy betáplálási hellyel rendelkező regionális gőzhálózat egyes végpontjain az állandó vízgőzminőség biztosítása, ha a vízgőzkiadásoknál telepítettek a nyomásszabályozási körök érzékelő és beavatkozó szervei.

A vízgőzhálózati veszteségek követése, az állapotjellemzők üzemközbeni korrekt meghatározása a megbízható, az esetleges kétfázisú áramlás és a kondenzveszteségek nyomonkövetésére is alkalmas érzékelők beépítését, infokommunikációs rendszer működtetését, s az előbbiekkel megvalósított üzemvitelt igényli.

A kétfázisú áramlás jellemzésére kifejlesztett mérőrendszer, s a kidolgozott mérési és számítási módszer a kialakítandó felügyeleti rendszer műszaki és módszertani háttereként szolgált.

Lehetővé vált a mérési eredmények kiértékelésével – homogén, ill. szlip modellt feltételezve – többek között a fázisok térkitöltésének, helyi és átlagos sebességének, tömegáramának követése.