ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2018-11-126-144ipolytech-213Research ArticleИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕINFORMATION SCIENCE, COMPUTER ENGINEERING AND CONTROLИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС «АНГАРА-ТС» ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ РАСЧЕТА И АНАЛИЗА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ ПРИ УПРАВЛЕНИИ КРУПНЫМИ МНОГОКОНТУРНЫМИ СИСТЕМАМИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯINFORMATION COMPUTING COMPLEX "ANGARA-HS" FOR CALCULATION AND ANALYSIS OF OPERATING CONDITIONS OF LARGE MULTILOOP HEAT SUPPLY SYSTEMS UNDER CONTROLНовицкийН. Н.NovitskyN. N.pipenet@isem.irk.ruТокаревВ. В.TokarevV. V.tslava@isem.irk.ruШалагиноваЗ. И.ShalaginovaZ. I.shalaginova@isem.irk.ruАлексеевА. В.AlekseevA. V.alexeev@isem.irk.ruГребневаО. А.GrebnevaO. A.oksana@isem.irk.ruБариноваС. Ю.BarinovaS. Y.stefa@isem.irk.ruИнститут систем энергетики имени Л.А. Мелентьева СО РАНРоссияMelentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2018150920202211126144Copyright © Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И., Алексеев А.В., Гребнева О.А., Баринова С.Ю., 20202020Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И., Алексеев А.В., Гребнева О.А., Баринова С.Ю.Novitsky N.N., Tokarev V.V., Shalaginova Z.I., Alekseev A.V., Grebneva O.A., Barinova S.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/213

Цель - разработка программного комплекса для расчета и анализа функционирования крупных систем централизованного теплоснабжения при управлении режимами. Использованы методы: теория гидравлических цепей; теория графов; системные исследования в энергетике; многоуровневое моделирование; метод узловых давлений для расчетов гидравлических режимов; вычислительная математика; линейная алгебра; методы нелинейного программирования; информационные технологии. Выполнен анализ направлений развития централизованных теплоснабжающих систем в России и в ряде стран Северной Европы. Классифицированы типы режимов работы теплоснабжающих систем, а также цели и задачи их расчета на разных стадиях управления. Предложена адаптация математической модели для решения задачи наладочного расчета и анализа теплогидравлических режимов и особенности ее реализации. Описаны функции и свойства разработанного информационно-вычислительного комплекса «АНГАРА-ТС» и проанализированы его отличия от аналогов. Рассмотрены вопросы актуальности построения многоуровневых компьютерных моделей теплоснабжающих систем иерархической структуры для задач расчета режимов и исследованы возможности графического анализа априорной информации и результатов расчета средствами разработанного инструмента. Автоматизация управления, повышение надежности, экономичности и качества работы теплоснабжающих систем требуют внедрения современных методов математического моделирования и информационных технологий. Расчет теплогидравлических режимов является необходимым элементом оценки реализуемости решений, принимаемых на всех стадиях управления. Разработан информационно-вычислительный комплекс «АНГАРА-ТС» четвертого поколения для решения традиционных и новых задач из области анализа и управления режимами крупных ТСС.

Development of a software package for calculating and operation analyzing of large district heating systems under state control. Theory of hydraulic circuits. Graph the ory. System research in energy. Multilevel modeling. The method of nodal pressures for the calculation of hydraulic conditions. Computational Mathematics. Linear Algebra. Methods of non-linear programming. Information Technology. The analysis of the directions of centralized heat supply systems (HSS) development in Russia and in a number of countries of northern Europe is made. Types of HSS operation conditions are classified, as well as goals and tasks of their calculation at different stages of control. Adaptation of the mathematical model for the solution of the adjustment calculation problem and thermal-hydraulic conditions analysis and the features of its implementation are proposed. The functions and properties of the developed information and computing complex "ANGARA-HS" are described and its differences from analogues are analyzed. The questions of the relevance of the construction of multi-level computer models of hierarchical structure HSS for the problems of calculating conditions are examined. Possibilities of graphical analysis of a priori information and calculation results by means of the developed tool are explored. Automation of control, increase of reliability, economy and quality of HSS operation require the introduction of modern mathematical modeling methods and information technologies. Calculation of thermal-hydraulic condition is a necessary element for assessing the feasibility of decisions taken at all stages of control. An information and computer complex "ANGARA-HS" of the fourth generation was developed to solve traditional and new problems from the analysis and control of large HSS conditions.

теплоснабжающая систематеплогидравлический режимрасчетграфический анализкомпьютерное моделированиеинформационно-вычислительный комплексheat supply systemthermal-hydraulic statecalculationgraphical analysiscomputer simulationinformation-computational complexReferencesMünster M., Morthorst, P. E., Larsen, H. V., Bregnbaek, L., Werling, J., Lindboe, H. H., Ravn, H. (2012). The role of district heating in the future Danish energy system. The role of district heating in the future Danish energy system // Energy. 2012. Vol. 48. Iss. 1. Р. 47-55. doi: 10.1016/j.energy.2012.06.011Münster M., Morthorst, P. E., Larsen, H. V., Bregnbaek, L., Werling, J., Lindboe, H. H., Ravn, H. (2012). The role of district heating in the future Danish energy system. The role of district heating in the future Danish energy system // Energy. 2012. Vol. 48. Iss. 1. Р. 47-55. doi: 10.1016/j.energy.2012.06.011Werner S. District heating and cooling in Sweden // Energy. 2017. Vol. 126. Р. 419-429.Werner S. District heating and cooling in Sweden // Energy. 2017. Vol. 126. Р. 419-429.Paiho S., Reda F. Towards next generation district heating in Finland, Renewable and Sustainable // Energy Reviews. 2016. Vol. 65. Р. 915-924.Paiho S., Reda F. Towards next generation district heating in Finland, Renewable and Sustainable // Energy Reviews. 2016. Vol. 65. Р. 915-924.Klaassen R.E., Patel M.K. District heating in the Netherlands today: A techno-economic assessment for NGCC-CHP (Natural Gas Combined Cycle combined heat and power) // Energy. 2013. Vol. 54. Р. 63-73.Klaassen R.E., Patel M.K. District heating in the Netherlands today: A techno-economic assessment for NGCC-CHP (Natural Gas Combined Cycle combined heat and power) // Energy. 2013. Vol. 54. Р. 63-73.Wojdyga K., Chorzelski M. Chances for Polish district heating systems // Energy Procedia. 2017. Vol. 116. Р. 106-118.Wojdyga K., Chorzelski M. Chances for Polish district heating systems // Energy Procedia. 2017. Vol. 116. Р. 106-118.Comodi G., Lorenzetti M., Salvi D., Arteconi A. Criticalities of district heating in Southern Europe: Lesson learned from a CHP-DH in Central Italy // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 112. P. 649-659.Comodi G., Lorenzetti M., Salvi D., Arteconi A. Criticalities of district heating in Southern Europe: Lesson learned from a CHP-DH in Central Italy // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 112. P. 649-659.Schmidt D., Kallert A.M., Blesl M., Sipila K. Low Temperature District Heating for Future Energy Systems // Energy Procedia. 2017. Vol. 116. P. 26-38. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.05.052}Schmidt D., Kallert A.M., Blesl M., Sipila K. Low Temperature District Heating for Future Energy Systems // Energy Procedia. 2017. Vol. 116. P. 26-38. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.05.052}Latõšov E., Volkova A., Siirde A., Kurnitski J., Thalfeldt M. Primary energy factor for district heating networks in European Union member states // Energy Procedia. 2017. Vol. 116. P. 69-77.Latõšov E., Volkova A., Siirde A., Kurnitski J., Thalfeldt M. Primary energy factor for district heating networks in European Union member states // Energy Procedia. 2017. Vol. 116. P. 69-77.Gils H.C. GIS-based assessment of the district heating potential in the USA // Energy. 2013. Vol. 58. P. 318-329.Gils H.C. GIS-based assessment of the district heating potential in the USA // Energy. 2013. Vol. 58. P. 318-329.Токарев В.В., Шалагинова З.И. Опыт применения новых технологий для организации режимов крупных теплоснабжающих систем // Вестник Иркутского госудпрственного технического университета. 2011. Т. 59. № 12. С. 240-248.Токарев В.В., Шалагинова З.И. Опыт применения новых технологий для организации режимов крупных теплоснабжающих систем // Вестник Иркутского госудпрственного технического университета. 2011. Т. 59. № 12. С. 240-248.Соколов Д.В., Стенников В.А., Ощепкова Т.Б., Барахтенко Е.А. Программный комплекс нового поколения для схемно-параметрической оптимизации многоконтурных теплоснабжающих систем // Теплоэнергетика. 2012. № 4. С. 1-6.Соколов Д.В., Стенников В.А., Ощепкова Т.Б., Барахтенко Е.А. Программный комплекс нового поколения для схемно-параметрической оптимизации многоконтурных теплоснабжающих систем // Теплоэнергетика. 2012. № 4. С. 1-6.Barakhtenko E.A., Barakhtenko E.A., Oshchepkova T.B., Sokolov D.V., Stennikov V.A. New results in development of methods for optimization of heat supply system parameters and their software implementation // International Journal of Energy Optimization and Engineering. 2013. Vol. 2(4). Р. 80-99. DOI: 10.4018/ijeoe.2013100105Barakhtenko E.A., Barakhtenko E.A., Oshchepkova T.B., Sokolov D.V., Stennikov V.A. New results in development of methods for optimization of heat supply system parameters and their software implementation // International Journal of Energy Optimization and Engineering. 2013. Vol. 2(4). Р. 80-99. DOI: 10.4018/ijeoe.2013100105Новицкий Н.Н., Токарев В.В. Расчет установившихся теплогидравлических режимов работы тепловых сетей по ограниченному количеству измерений // Теплофизика и аэромеханика. 2007. Т.14. № 2. С. 289-298.Новицкий Н.Н., Токарев В.В. Расчет установившихся теплогидравлических режимов работы тепловых сетей по ограниченному количеству измерений // Теплофизика и аэромеханика. 2007. Т.14. № 2. С. 289-298.Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И. Моделирование режимов работы тепловых сетей в задачах диспетчерского управления // Трубопроводные системы энергетики: управление развитием и функционированием. Новосибирск: Наука. 2004. C. 352-361.Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И. Моделирование режимов работы тепловых сетей в задачах диспетчерского управления // Трубопроводные системы энергетики: управление развитием и функционированием. Новосибирск: Наука. 2004. C. 352-361.Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985. 278 c.Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985. 278 c.Меренков А.П., Сеннова Е.В., Сумароков С.В., Сидлер В.Г., Новицкий Н.Н., Стенников В.А., Чупин В.Р., Каганович Б.М., Шалагинова З.И., Ефремов В.А., Ощепкова Т.Б., Шлафман В.В., Илькевич Н.И. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения. Новосибирск: Наука, 1992. 407 c.Меренков А.П., Сеннова Е.В., Сумароков С.В., Сидлер В.Г., Новицкий Н.Н., Стенников В.А., Чупин В.Р., Каганович Б.М., Шалагинова З.И., Ефремов В.А., Ощепкова Т.Б., Шлафман В.В., Илькевич Н.И. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения. Новосибирск: Наука, 1992. 407 c.Сеннова Е.В., Сухарев М.Г., Аверьянов В.К. Гидравлические цепи. Развитие теории и приложения. Новосибирск: Наука, 2000. 273 с.Сеннова Е.В., Сухарев М.Г., Аверьянов В.К. Гидравлические цепи. Развитие теории и приложения. Новосибирск: Наука, 2000. 273 с.Аверьянов В.К., Алексеев А.В., Алексеев М.И. Трубопроводные системы энергетики: развитие методов математического моделирования и оптимизации. Новосибирск: Наука, 2008. 311 c.Аверьянов В.К., Алексеев А.В., Алексеев М.И. Трубопроводные системы энергетики: развитие методов математического моделирования и оптимизации. Новосибирск: Наука, 2008. 311 c.Аверьянов В.К., Сеннова Е.В., Карасевич А.М. Трубопроводные системы энергетики: математическое моделирование и оптимизация. Новосибирск: Наука, 2010. 418 c.Аверьянов В.К., Сеннова Е.В., Карасевич А.М. Трубопроводные системы энергетики: математическое моделирование и оптимизация. Новосибирск: Наука, 2010. 418 c.Сеннова Е.В., Сухарев М.Г., Сарданашвили С.А. и др. Трубопроводные системы энергетики: математическое и компьютерное моделирование. Новосибирск: Наука, 2014. 274 c.Сеннова Е.В., Сухарев М.Г., Сарданашвили С.А. и др. Трубопроводные системы энергетики: математическое и компьютерное моделирование. Новосибирск: Наука, 2014. 274 c.Тевяшев А.Д.Трубопроводные системы энергетики: методические и прикладные проблемы математического моделирования. Новосибирск: Наука, 2015. 476 c.Тевяшев А.Д.Трубопроводные системы энергетики: методические и прикладные проблемы математического моделирования. Новосибирск: Наука, 2015. 476 c.Новицкий Н.Н., Токарев В.В. Релейная методика расчета потокораспределения в гидравлических цепях с регулируемыми параметрами // Известия РАН. Энергетика. 2001. № 2. С. 88-98.Новицкий Н.Н., Токарев В.В. Релейная методика расчета потокораспределения в гидравлических цепях с регулируемыми параметрами // Известия РАН. Энергетика. 2001. № 2. С. 88-98.Todini E., Pilati S. A gradient algorithm for the analysis of pipe networks // Computer Applications in Water Supply. 1988. Vol. 1. P. 1-20.Todini E., Pilati S. A gradient algorithm for the analysis of pipe networks // Computer Applications in Water Supply. 1988. Vol. 1. P. 1-20.Ortiga J., Bruno J.C., Coronas A., Grossman I.E. Review of optimization models for the design of polygeneration systems in district heating and cooling networks. 17th European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE-17). Ed. by V. Pleşu, Ș. Agachi. Amsterdam: Elsevier, 2007. 1362 p.Ortiga J., Bruno J.C., Coronas A., Grossman I.E. Review of optimization models for the design of polygeneration systems in district heating and cooling networks. 17th European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE-17). Ed. by V. Pleşu, Ș. Agachi. Amsterdam: Elsevier, 2007. 1362 p.Шалагинова З.И. Методы теплогидравлического анализа режимов крупных теплоснабжающих систем // Теплоэнергетика. 2009. № 12. С. 44-49.Шалагинова З.И. Методы теплогидравлического анализа режимов крупных теплоснабжающих систем // Теплоэнергетика. 2009. № 12. С. 44-49.Токарев В.В., Шалагинова З.И. Методика многоуровневого наладочного расчета теплогидравлического режима крупных систем теплоснабжения с промежуточными ступенями управления // Теплоэнергетика. 2016. № 1. С. 71-80.Токарев В.В., Шалагинова З.И. Методика многоуровневого наладочного расчета теплогидравлического режима крупных систем теплоснабжения с промежуточными ступенями управления // Теплоэнергетика. 2016. № 1. С. 71-80.Токарев В.В. Исследование задачи рационального секционирования тепловых сетей с помощью ИВК «АНГАРА-ТС» // Трубопроводные системы энергетики: математическое и компьютерное моделирование. Новосибирск: Наука, 2014. С. 168-182.Токарев В.В. Исследование задачи рационального секционирования тепловых сетей с помощью ИВК «АНГАРА-ТС» // Трубопроводные системы энергетики: математическое и компьютерное моделирование. Новосибирск: Наука, 2014. С. 168-182.Шалагинова З.И. Математическая модель для расчета теплогидравлических режимов тепловых пунктов теплоснабжающих систем // Теплоэнергетика. 2016. № 3. С. 69-80.Шалагинова З.И. Математическая модель для расчета теплогидравлических режимов тепловых пунктов теплоснабжающих систем // Теплоэнергетика. 2016. № 3. С. 69-80.Шалагинова З.И., Токарев В.В., Гребнева О.А. Методика наладочного расчета распределительных сетей централизованного горячего водоснабжения // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 3 (98). С. 165-174.Шалагинова З.И., Токарев В.В., Гребнева О.А. Методика наладочного расчета распределительных сетей централизованного горячего водоснабжения // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 3 (98). С. 165-174.Хасилев В.Я., Меренков А.П., Каганович Б.М., Светлов К.С., Такайшвили М.К. Методы и алгоритмы расчета тепловых сетей. М.: Энергия, 1978. 176 с.Хасилев В.Я., Меренков А.П., Каганович Б.М., Светлов К.С., Такайшвили М.К. Методы и алгоритмы расчета тепловых сетей. М.: Энергия, 1978. 176 с.Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И. Новые информационно-вычислительные технологии для расчета и анализа режимов теплоснабжающих систем // Радiоелектронiка. Iнформатика. Управлiння. 2001. № 1. С. 108-113.Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И. Новые информационно-вычислительные технологии для расчета и анализа режимов теплоснабжающих систем // Радiоелектронiка. Iнформатика. Управлiння. 2001. № 1. С. 108-113.Алексеев А.В., Новицкий Н.Н. Компьютерная технология «АНГАРА» для интеграции информационного и вычислительного пространства при моделировании трубопроводных систем // Научный вестник НГТУ. 2017 № 3. С. 26-41.Алексеев А.В., Новицкий Н.Н. Компьютерная технология «АНГАРА» для интеграции информационного и вычислительного пространства при моделировании трубопроводных систем // Научный вестник НГТУ. 2017 № 3. С. 26-41.Алексеев А.В., Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И. Принципы разработки и программная реализация информационно-вычислительной среды для компьютерного моделирования трубопроводных и гидравлических систем // Трубопроводные системы энергетики: методы математического моделирования и оптимизации: сб. науч. тр. Новосибирск: Наука, 2007. С. 221-229.Алексеев А.В., Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И. Принципы разработки и программная реализация информационно-вычислительной среды для компьютерного моделирования трубопроводных и гидравлических систем // Трубопроводные системы энергетики: методы математического моделирования и оптимизации: сб. науч. тр. Новосибирск: Наука, 2007. С. 221-229.Информационно-вычислительная среда «АНГАРА» [Электронный ресурс]. URL: http://51.isem.irk.ru/angara/ (26.10.17)Информационно-вычислительная среда «АНГАРА» [Электронный ресурс]. URL: http://51.isem.irk.ru/angara/ (26.10.17)Шалагинова З.И. Задачи и методы расчета температурных графиков отпуска тепла на основе теплогидравлического моделирования систем теплоснабжения // Теплоэнергетика. 2004. № 7. С. 41-49.Шалагинова З.И. Задачи и методы расчета температурных графиков отпуска тепла на основе теплогидравлического моделирования систем теплоснабжения // Теплоэнергетика. 2004. № 7. С. 41-49.Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И., Алексеев А.В., Гребнева О.А., Баринова С.Ю. Иерархическое моделирование тепловых сетей в задачах эксплуатации и диспетчерского управления // Тр. XII Байкальской Всерос. конф. «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск-Байкал, 02-11 июля 2007 г.). Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007. С. 110-121.Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И., Алексеев А.В., Гребнева О.А., Баринова С.Ю. Иерархическое моделирование тепловых сетей в задачах эксплуатации и диспетчерского управления // Тр. XII Байкальской Всерос. конф. «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск-Байкал, 02-11 июля 2007 г.). Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007. С. 110-121.Токарев В.В., Аверьянов В.К., Сеннова Е.В., Карасевич А.М. Декомпозиция и эквивалентирование расчетных схем тепловых сетей для задач эксплуатации и диспетчерского управления // Трубопроводные системы энергетики. Математическое моделирование и оптимизация. Новосибирск: Наука, 2010. С. 379-390.Токарев В.В., Аверьянов В.К., Сеннова Е.В., Карасевич А.М. Декомпозиция и эквивалентирование расчетных схем тепловых сетей для задач эксплуатации и диспетчерского управления // Трубопроводные системы энергетики. Математическое моделирование и оптимизация. Новосибирск: Наука, 2010. С. 379-390.Новицкий Н.Н., Шалагинова З.И., Токарев В.В., Гребнева. О.А. Технология разработки эксплуатационных режимов крупных систем теплоснабжения на базе методов многоуровневого теплогидравлического моделирования // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2018. № 1. С. 12-24.Новицкий Н.Н., Шалагинова З.И., Токарев В.В., Гребнева. О.А. Технология разработки эксплуатационных режимов крупных систем теплоснабжения на базе методов многоуровневого теплогидравлического моделирования // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2018. № 1. С. 12-24.Алексеев А.В., Гребнева О.А., Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И. Математические модели и методы для оценки и реализации потенциала энергосбережения при управлении режимами теплоснабжающих систем // Исследования и разработки СО РАН в области энергоэффективных технологий. Новосибирск: НИИ молекулярной биологии и биофизики, 2009. С. 38-49.Алексеев А.В., Гребнева О.А., Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагинова З.И. Математические модели и методы для оценки и реализации потенциала энергосбережения при управлении режимами теплоснабжающих систем // Исследования и разработки СО РАН в области энергоэффективных технологий. Новосибирск: НИИ молекулярной биологии и биофизики, 2009. С. 38-49.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.