Оборудования и системы автоматического управления теплоснабжением. Отраслевая аналитическая система управления теплоснабжением АСУ «Тепло. Регулирование теплового режима здания

Статья посвящена применению SCADA-системы Trace Mode для оперативно-дистанционного управления объектами централизованного теплоснабжения города. Объект, на котором был реализован описываемый проект, находится на юге Архангельской области (город Вельск). Проект предусматривает оперативное наблюдение и управление процессом подготовки и распределения тепла для отопления и снабжения горячей водой объектов жизнедеятельности города.

ЗАО «СпецТеплоСтрой», г. Ярославль

Постановка задачи и необходимые функции системы

Цель, которая стояла перед нашей компанией — построить магистральную сеть для теплоснабжения большей части города, используя передовые методы строительства, где были использованы предызолированные трубы для строительства сети. Для этого было построено пятнадцать километров магистральных тепловых сетей и семь центральных тепловых пунктов (ЦТП). Назначение ЦТП - используя перегретую воду с ГТ-ТЭЦ (по графику 130/70 °С), готовит теплоноситель для внутриквартальных тепловых сетей (по графику 95/70 °С) и подогревает воду до 60 °С для нужд ГВС (горячего водоснабжения), ЦТП работает по независимой, закрытой схеме.

При постановке задачи учитывались многие требования, обеспечивающие энергосберегающий принцип работы ЦТП. Вот некоторые особо важные из них:

Осуществлять погодозависимое управление системой отопления;

Поддерживать на заданном уровне параметры ГВС (температура t, давление P, расход G);

Поддерживать на заданном уровне параметры теплоносителя для отопления (температура t, давление P, расход G);

Организовать коммерческий учет тепловой энергии и теплоносителя в соответствии с действующими нормативными документами (НД);

Обеспечить АВР (автоматический ввод резерва) насосов (сетевых и ГВС) с выравниванием моторесурса;

Производить коррекцию основных параметров по календарю и по часам реального времени;

Производить периодическую передачу данных в диспетчерский пункт;

Производить диагностику средств измерения и работающего оборудования;

Отсутствие дежурного персонала на ЦТП;

Отслеживать и оперативно сообщать обслуживающему персоналу о возникновении нештатных ситуаций.

В результате этих требований были определены функции создаваемой системы оперативно-дистанционного управления. Были выбраны основные и вспомогательные средства автоматизации и передачи данных. Произведен выбор SCADA-системы для обеспечения работоспособности системы в целом.

Необходимые и достаточные функции системы:

1_Информационные функции:

Измерение и контроль технологических параметров;

Сигнализация и регистрация отклонений параметров от установленных границ;

Формирование и выдача оперативных данных персоналу;

Архивирование и просмотр истории параметров.

2_Управляющие функции:

Автоматическое регулирование важных параметров процесса;

Дистанционное управление периферийными устройствами (насосами);

Технологические защиты и блокировки.

3_Сервисные функции:

Самодиагностика программно-технического комплекса в реальном времени;

Передача данных на диспетчерский пункт по расписанию, по запросу и по возникновению нештатной ситуации;

Тестирование работоспособности и правильности функционирования вычислительных устройств и каналов ввода/вывода.

Что повлияло на выбор средств автоматизации

и программного обеспечения?

Выбор основных средств автоматизации происходил в основном по трем факторам - это цена, надежность и универсальность настройки и программирования. Так, для самостоятельной работы в ЦТП и для передачи данных были выбраны свободно-программируемые контроллеры серии PCD2-PCD3 фирмы Saia-Burgess. Для создания диспетчерского места была выбрана отечественная SCADA-система Trace Mode 6. Для передачи данных принято решение использовать обычную сотовую связь: использовать обычный голосовой канал для передачи данных и SMS-сообщения для оперативного извещения персонала о возникновении нештатных ситуаций.

Каков принцип работы системы

и особенности реализации управления в Trace Mode?

Как и во многих подобных системах, управленческие функции для непосредственного воздействия на регулирующие механизмы отдаются на нижний уровень, а уже управление всей системой в целом - на верхний. Описание работы нижнего уровня (контроллеров) и процесса передачи данных я сознательно опускаю и перейду сразу на описание верхнего.

Для удобства использования диспетчерское место оснащено персональным компьютером (ПК) с двумя мониторами. Данные со всех пунктов стекаются на диспетчерский контроллер и через интерфейс RS-232 передаются в OPC-сервер, работающий на ПК. Проект реализован в Trace Mode версии 6 и рассчитан на 2048 каналов. Это первый этап внедрения описываемой системы.

Особенностью реализации поставленной задачи в Trace Mode является попытка создания многооконного интерфейса с возможностью наблюдения за процессом теплоснабжения в режиме on-line, как на схеме города, так и на мнемосхемах тепловых пунктов. Использование многооконного интерфейса позволяет решить проблемы вывода большого количества информации на дисплей диспетчера, которая должна быть достаточна и в то же время неизбыточна. Принцип многооконного интерфейса позволяет иметь доступ к любым параметрам процесса в соответствии с иерархической структурой окон. А также упрощается внедрение системы на объекте, так как такой интерфейс по внешнему виду весьма похож на широко распространенные продукты семейства Microsoft и имеет схожее оборудование меню и панелей инструментов, знакомых любому пользователю персонального компьютера.

На рис. 1 представлен главный экран системы. На нем схематично отображена магистральная теплосеть с указанием источника тепла (ТЭЦ) и центральных тепловых пунктов (с первого по седьмой). На экран выведена информация о возникновении нештатных ситуаций на объектах, текущая наружная температура воздуха, дата и время последней передачи данных с каждого пункта. Объекты теплоснабжения снабжены всплывающими подсказками. При возникновении нештатной ситуации - объект на схеме начинает «мигать», и появляются запись о событии и красный мигающий индикатор в отчете тревог рядом с датой и временем передачи данных. Имеется возможность просмотра укрупненных тепловых параметров по ЦТП и по всей теплосети в целом. Для этого необходимо отключить показ списка отчета тревог и предупреждений (кнопка «ОТиП»).

Рис. 1. Главный экран системы. Схема расположения объектов теплоснабжения г. Вельска

Переход на мнемосхему теплового пункта возможен двумя способами - необходимо щелкнуть мышкой по значку на схеме города или по кнопке с надписью теплового пункта.

Мнемосхема теплового пункта открывается на втором экране. Это сделано как для удобства наблюдения за конкретной ситуацией на ЦТП, так и для наблюдения за общим состоянием системы. На этих экранах в режиме реального времени визуализируются все контролируемые и регулируемые параметры, в том числе и параметры, которые считываются с теплосчетчиков. Все технологическое оборудование и средства измерения снабжены всплывающими подсказками в соответствии с технической документацией.

Изображение оборудования и средств автоматизации на мнемосхеме максимально приближено к реальному виду.

На следующем уровне многооконного интерфейса осуществляется непосредственное управление процессом теплопередачи, изменение настроек, просмотр характеристик работающего оборудования, наблюдение за параметрами в реальном времени с историей изменений.

На рис. 2 представлен экранный интерфейс для просмотра и управления основными средствами автоматизации (управляющий контроллер и тепловычислитель). На экране управления контроллером имеется возможность изменить телефонные номера для передачи SMS-сообщений, запретить или разрешить передачу аварийных и информационных сообщений, управлять периодичностью и величиной передачи данных, задавать параметры для самодиагностики средств измерения. На экране тепловычислителя можно просматривать все настроечные параметры, изменять доступные настройки и управлять режимом обмена данными с контроллером.

Рис. 2. Управляющие экраны для тепловычислителя «Взлет ТСРВ» и контроллера PCD253

На рис. 3 показаны всплывающие панели для управляющего оборудования (регулирующий клапан и насосные группы). Здесь отображается текущее состояние этого оборудования, сведения об ошибках и некоторые параметры, необходимые для самодиагностики и проверки. Так, для насосов очень важными параметрами являются давление сухого хода, время наработки на отказ и задержка для включения.

Рис. 3. Панель управления группами насосов и регулирующим клапаном

На рис. 4 показаны экраны для наблюдения за параметрами и регулирующими контурами в графическом виде с возможностью просмотра истории изменения. На экран параметров выведены все контролируемые параметры теплового пункта. Они сгруппированы по физическому смыслу (температура, давление, расход, количество тепла, тепловая мощность, освещение). На экран регулирующих контуров выведены все контуры управления параметрами и отображается текущее значение параметра, заданное с учетом зоны нечувствительности, положение клапана и выбранный закон регулирования. Все эти данные на экранах разбиты на страницы, подобно общепринятому оформлению в Windows-приложениях.

Рис. 4. Экраны графического отображения параметров и регулирующих контуров

Все экраны можно перемещать по пространству двух мониторов, одновременно выполняя несколько задач. В режиме реального времени доступны все необходимые параметры для безаварийной работы системы распределения тепла.

Как долго разрабатывалась система, сколько было разработчиков?

Базовая часть системы диспетчеризации и управления в Trace Mode была разработана в течение одного месяца автором этой статьи и запущена в городе Вельске. На рис. представлена фотография с временного диспетчерского помещения, где установлена система и проходит опытная эксплуатация. В настоящий момент силами нашей организации вводится в действие еще один тепловой пункт и аварийный источник тепла. Именно на этих объектах проектируется специальное диспетчерское помещение. После его введения в эксплуатацию в систему будут включены уже все восемь тепловых пунктов.

Рис. 5. Временное рабочее место диспетчера

В процессе эксплуатации АСУ ТП возникают различные замечания и пожелания от диспетчерской службы. Таким образом, постоянно идет процесс обновления системы для улучшения эксплуатационных свойств и удобства работы диспетчера.

Каков эффект от внедрения такой системы управления?

Достоинства и недостатки

В данной статье автор не ставит задачу оценить экономический эффект от внедрения системы управления в цифрах. Однако экономия очевидна из-за сокращения персонала, занятого в обслуживании системы, значительного уменьшения количества аварий. Кроме того, очевиден экологический эффект. А также следует отметить, что внедрение такой системы позволяет оперативно реагировать и устранять ситуации, которые могут привести к непредвиденным последствиям. Срок окупаемости всего комплекса работ (строительство теплотрассы и тепловых пунктов, монтаж и наладка, автоматизация и диспетчеризация) для заказчика составит 5-6 лет.

Можно привести достоинства работающей системы управления:

Наглядность представления информации на графическом изображении объекта;

Что касается анимационных элементов, то они специальным образом добавлялись в проект для улучшения визуального эффекта от просмотра программы.

Перспективы развития системы

Modernization and Automation of Heat Supply System Minsk experiencce

V.A. Sednin, Scientific Consultant, Doctor of Engineering, Professor,
A.A. Gutkovskiy, Chief Engineer, Belorussian National Technicl University, Scientific Research and Innovations Center of Automated Control Systems in heat power industry

Keywords : heat supply system, automated control systems, reliability and quality improvement, heat delivery regulation, data archiving

Heat supply of large cities in Belorussia, as in Russia, is provided by cogeneration and district heat supply systems (hereinafter - DHSS), where facilities are combined into a single system. However, often the decisions made on individual elements of complex heat supply systems do not meet the systematic criteria, reliability, controllability and environment protection requirements. Therefore modernization of the heat supply systems and creation of automated process control systems is the most relevant task.

Описание:

В. А. Седнин, А.А. Гутковский

Теплоснабжение крупных городов Белоруссии, как и в России, обеспечивается системами теплофикации и централизованного теплоснабжения (далее - СЦТ), объекты которых увязаны в единую схему. Однако часто решения, принимаемые по отдельным элементам сложных систем теплоснабжения, не удовлетворяют системным критериям, требованиям надежности, управляемости и экологичности. Поэтому модернизация систем теплоснабжения и создание автоматизированных систем управления технологическими процессами является наиболее актуальной задачей.

В. А. Седнин , научный консультант, доктор техн. наук, профессор

А. А. Гутковский , главный инженер, Белорусский национальный технический университет, Научно-исследовательский и инновационный центр автоматизированных систем управления в теплоэнергетике и промышленности

Теплоснабжение крупных городов Беларуси, как и в России, обеспечивается системами теплофикации и централизованного теплоснабжения (далее – СЦТ), объекты которых увязаны в единую схему. Однако часто решения, принимаемые по отдельным элементам сложных систем теплоснабжения, не удовлетворяют системным критериям, требованиям надежности, управляемости и экологичности. Поэтому модернизация систем теплоснабжения и создание автоматизированных систем управления технологическими процессами является наиболее актуальной задачей.

Особенности систем централизованного теплоснабжения

Рассматривая основные особенности СЦТ Беларуси, можно отметить , что они характеризуются:

• непрерывностью и инерционностью своего развития;
• территориальной распределенностью, иерархичностью, разнообразием используемых технических средств;
• динамичностью процессов производства и стохастичностью потребления энергии;
• неполнотой и низкой степенью достоверности информации о параметрах и режимах их функционирования.

Важно отметить, что в СЦТ тепловые сети, в отличие от других трубопроводных систем, служат для транспорта не продукта, а энергии теплоносителя, параметры которого должны удовлетворять требованиям различных потребительских систем.

Указанные особенности подчеркивают существенную необходимость создания автоматизированных систем управления технологическими процессами (далее – АСУ ТП), внедрение которых позволяет повысить энергетическую и экологическую эффективность, надежность и качество функционирования систем теплоснабжения. Внедрение АСУ ТП сегодня не является данью моде, а вытекает из основных законов развития техники и экономически обосновано на современном этапе развития техносферы.

Разработка АСУ ТП системы теплоснабжения Минска

На примере Минска представляем основные подходы, которые были реализованы в ряде городов Беларуси и России при проектировании и разработке АСУ ТП систем теплоснабжения.

С учетом обширность вопросов, охватывающих предметную область теплоснабжения, и накопленного опыта в сфере автоматизации систем теплоснабжения на предпроектной стадии создания АСУ ТП Минских тепловых сетей была разработана концепция. Концепция определяет принципиальные основы организации АСУ ТП теплоснабжения Минска (см. справку) как процесса создания вычислительной сети (системы), ориентированной на автоматизацию технологических процессов топологически распределенного предприятия централизованного теплоснабжения.

Технологические информационные задачи АСУ ТП

Внедряемая автоматизированная система управления в первую очередь предусматривает повышение надежности и качества оперативного управления режимами функционирования отдельных элементов и системы теплоснабжения в целом . Поэтому данная АСУ ТП предназначена для решения следующих технологических информационных задач:

• обеспечение централизованного функционально-группового управления гидравлическими режимами теплоисточников, магистральных тепловых сетей и перекачивающих насосных станций с учетом суточных и сезонных изменений расходов циркуляции с корректировкой (обратной связью) по фактическим гидравлическим режимам в распределительных тепловых сетях города;
• реализация метода динамического центрального регулирования отпуска тепловой энергии с оптимизацией температур теплоносителя в подающих и обратных трубопроводах тепломагистралей;
• обеспечение сбора и архивации данных о тепловых и гидравлических режимах работы теплоисточников, магистральных тепловых сетей, перекачивающей насосной станции и распределительных тепловых сетей города для осуществления контроля, оперативного управления и анализа функционирования СЦТ Минских тепловых сетей;
• создание эффективной системы защиты оборудования теплоисточников и тепловых сетей в нештатных ситуациях;

создание информационной базы для решения оптимизационных задач, возникающих в ходе эксплуатации и модернизации объектов системы теплоснабжения Минска.

Структура АСУ ТП Минских тепловых сетей

В соответствии с производственно-организационной структурой Минских тепловых сетей (см. справку 1) выбрана четырехуровневая структура АСУ ТП Минских тепловых сетей:

• первый (верхний) уровень – центральная диспетчерская предприятия;
• второй уровень – операторские станции районов тепловых сетей;
• третий уровень – операторские станции теплоисточников (операторские станции мастерских участков тепловых сетей);
• четвертый (нижний) уровень – станции автоматического управления установками (котлоагрегаты) и процессами транспорта и распределения тепловой энергии (технологическая схема теплоисточника, тепловые пункты, тепловые сети и т. п.).

Развитие (создание АСУ ТП теплоснабжения всего города Минска) предполагает включение в систему на втором структурном уровне операторских станций теплофикационных комплексов минских ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, ТЭЦ-4 и операторской станции (центральной диспетчерской) УП «Минск­коммунтеплосеть». Все уровни управления планируется объединить в единую вычислительную сеть.

Архитектура АСУ ТП системы теплоснабжения Минска

Анализ объекта управления в целом и состояние его отдельных элементов, а также перспективы развития системы управления позволили предложить архитектуру распределенной автоматизированной системы управления технологическими процессами системы теплоснабжения Минска в рамках объектов РУП «Минскэнерго». Корпоративная сеть интегрирует вычислительные ресурсы центрального офиса и удаленных структурных подразделений, в том числе и станции автоматического управления (САУ) объектов сетевых районов. Все САУ (ЦТП, ИТП, ПНС) и сканирующие станции подключаются непосредственно к операторским станциям соответствующих сетевых районов, устанавливаемым предположительно на мастерских участках.

На удаленном структурном подразделении (например, РТС-6) устанавливаются следующие станции (рис. 1): операторская станция «РТС-6» (ОпС РТС-6) – она является центром управления сетевого района и устанавливается на мастерском участке РТС-6. Для оперативного персонала ОпС РТС-6 обеспечивает доступ ко всем без исключения информационным и управляющим ресурсам САУ всех типов, а также доступ к разрешенным информационным ресурсам центрального офиса. ОпС РТС-6 обеспечивают регулярное сканирование всех подчиненных станций управления.

Собранная со всех ЦТП оперативная и коммерческая информация направляется для хранения на выделенный сервер базы данных (устанавливается в непосредственной близости от ОпС РТС-6).

Таким образом, с учетом масштабов и топологии объекта управления и сложившейся организационно-производственной структуры предприятия АСУ ТП Минских тепловых сетей строится по многозвенной схеме с применением иерархической структуры программно-технических средств и вычислительных сетей, решающих различные задачи управления на каждом уровне.

Уровни системы управления

На нижнем уровне система управления выполняет:

• предварительную обработку и передачу информации;
• регулирование основных технологических параметров, функции оптимизации управления, защиты технологического оборудования.

К техническим средствам нижнего уровня предъявляются повышенные требования надежности, включая возможность автономного функционирования при потере связи с вычислительной сетью верхнего уровня.

Последующие уровни системы управления строятся согласно иерархии системы теплоснабжения и решают задачи соответствующего уровня, а также обеспечивают операторский интерфейс.

Управляющие устройства, устанавливаемые на объектах, помимо своих прямых обязанностей, должны предусматривать и возможность агрегатирования их в распределенные системы управления. Управляющее устройство должно обеспечивать работоспособность и сохранность информации объективного первичного учета при длительных перерывах связи.

Основными элементами такой схемы являются технологические и операторские станции, соединенные между собой каналами связи. Ядром технологической станции должен являться промышленный компьютер, оснащенный средствами связи с объектом управления и канальными адаптерами для организации межпроцессорной связи. Основное назначение технологической станции – реализация алгоритмов прямого цифрового управления. В технически обоснованных случаях некоторые функции могут выполняться в супервизорном режиме: процессор технологической станции может управлять удаленными интеллектуальными регуляторами или программно-логическими модулями, используя при этом протоколы современных полевых интерфейсов.

Информационный аспект построения АСУ ТП теплоснабжения

Особое внимание при разработке уделялось информационному аспекту построения АСУ ТП теплоснабжения. Полнота описания технологии производства и совершенство алгоритмов преобразования информации являются важнейшей частью информационного обеспечения АСУ ТП, построенного на технологии прямого цифрового управления. Информационные возможности АСУ ТП теплоснабжением обеспечивают возможность решения комплекса инженерных задач, которые классифицируют:

• по стадиям основной технологии (производство, транспорт и потребление тепловой энергии);
• по назначению (идентификация, прогнозирование и диагностика, оптимизация и управление).

При создании АСУ ТП Минских тепловых сетей предусматривается формирование информационного поля, позволяющего оперативно решать весь комплекс вышеуказанных задач идентификации, прогнозирования, диагностики, оптимизации и управления. При этом информационно обеспечивается возможность решения системных задач верхнего уровня управления при дальнейшем развитии и расширении АСУ ТП по мере включения соответствующих технических служб обеспечения основного технологического процесса.

В частности, это относится к оптимизационным задачам, т. е. оптимизации производства тепловой и электрической энергии, режимов отпуска тепловой энергии, потокораспределения в тепловых сетях, режимов работы основного технологического оборудования теплоисточников, а также расчета нормирования топливно-энергетических ресурсов, энергоучета и эксплуатации, планирования и прогнозирования развития системы теплоснабжения. На практике решение части задач этого вида проводится в рамках АСУ предприятия. В любом случае они должны учитывать информацию, получаемую в ходе решения непосредственно задач управления технологическим процессом, а создаваемая АСУ ТП информационно должна интегрироваться с другими информационными системами предприятия.

Методология программно-объектного программирования

Построение программного обеспечения системы управления, которое является оригинальной разработкой коллектива центра, базируется на методологии программно-объектного программирования: в памяти управляющих и операторских станций создаются программные объекты, отображающие реальные процессы, агрегаты и измерительные каналы автоматизируемого технологического объекта. Взаимодействие этих программных объектов (процессов, агрегатов и каналов) между собой, а также с оперативным персоналом и с технологическим оборудованием, собственно, и обеспечивает функционирование элементов тепловых сетей по предопределенным правилам или алгоритмам. Таким образом, описание алгоритмов сводится к описанию наиболее существенных свойств этих программных объектов и способов их взаимодействия.

Синтез структуры системы управления технических объектов основан на анализе технологической схемы объекта управления и подробном описании технологии основных процессов и функционирования, присущих данному объекту в целом.

Удобным инструментом для составления подобного типа описания для объектов теплоснабжения является методология математического моделирования на макроуровне. В ходе составления описания технологических процессов составляется математическая модель, выполняется параметрический анализ и определяется перечень регулируемых и контролируемых параметров и регулирующих органов.

Конкретизируются режимные требования технологических процессов, на основании которых определяются границы допустимых диапазонов изменения регулируемых и контролируемых параметров и требования к выбору исполнительных механизмов и регулирующих органов. На основании обобщенной информации производится синтез автоматизированной системы управления объектом, которая при применении метода прямого цифрового управления строится по иерархическому принципу в соответствии с иерархией объекта управления.

АСУ районной котельной

Так, для районной котельной (рис. 2) автоматизированная система управления строится на базе двух классов.

Верхний уровень – операторская станция «Котельная» (ОпС «Котельная») – основная станция, которая координирует и контролирует подчиненные станции. ОпС «Котельная резервная» – станция горячего резерва, которая находится постоянно в режиме прослушивания и регистрации трафика основной ОпС и ее подчиненных САУ. Ее база данных содержит актуальные параметры и полные ретроспективные данные о функционировании рабочей системы управления. В любой момент времени резервная станция может быть назначена основной с полной передачей ей трафика и разрешением функций супервизорного управления.

Нижний уровень – комплекс объединенных совместно с операторской станцией в вычислительную сеть станций автоматического управления:

• САУ «Котлоагрегат» обеспечивает управление котлоагрегатом. Как правило, она не резервируется, т. к. резервирование тепловой мощности котельной производится на уровне котлоагрегатов.
• САУ «Сетевая группа» отвечает за теплогидравлический режим функционирования котельной (управление группой сетевых насосов, линией байпаса на выходе котельной, линией перепуска, входными и выходными задвижками котлов, индивидуальными насосами рециркуляции котлов и пр.).
• САУ «Водоподготовка» обеспечивает управление всем вспомогательным оборудованием котельной, необходимым для подпитки сети.

Для более простых объектов системы теплоснабжения, например тепловых пунктов и блочных котельных, система управления строится как одноуровневая на базе станции автоматического управления (САУ ЦТП, САУ БМК). В соответствии со структурой тепловых сетей станции управления тепловыми пунктами объединяются в локальную вычислительную сеть района тепловых сетей и замыкаются на операторскую станцию района тепловых сетей, которая, в свою очередь, имеет информационную связь с операторской станцией более высокого уровня интеграции.

Операторские станции

Программное обеспечение операторской станции обеспечивает дружественный интерфейс для оперативного персонала, управляющего работой автоматизированного технологического комплекса. Операторские станции имеют развитые средства оперативного диспетчерского управления, а также устройства массовой памяти для организации краткосрочных и долговременных архивов состояния параметров технологического объекта управления и действий оперативного персонала.

В случаях больших информационных потоков, замыкаемых на оперативном персонале, целесообразно организовать несколько операторских станций с выделением отдельного сервера базы данных и, возможно, коммуникационного сервера.

Операторская станция, как правило, сама непосредственно не воздействует на объект управления – она получает информацию от технологических станций и им же передает директивы оперативного персонала или задания (уставки) супервизорного управления, формируемые автоматически или полуавтоматически. Она образует рабочее место оператора сложного объекта, например котельной.

Создаваемая система автоматизированного управления предусматривает построение интеллектуальной надстройки, которая должна не только отслеживать возмущения, возникающие в системе, и реагировать на них, но и прогнозировать возникновение нештатных ситуаций и блокировать их возникновение. При изменении топологии сети теплоснабжения и динамики ее процессов предусмотрена возможность адекватного изменения структуры распределенной системы управления за счет добавления новых станций управления и (или) изменения программных объектов без изменения конфигурации оборудования существующих станций.

Эффективность АСУ ТП системы теплоснабжения

Анализ опыта эксплуатации АСУ ТП предприятий теплоснабжения 1 в ряде городов Беларуси и России, проводимый в течение последних двадцати лет, показал их экономическую эффективность и подтвердил жизнеспособность принятых решений по архитектуре, программному и техническому обеспечению.

По своим свойствам и характеристикам данные системы отвечают требованиям идеологии умных сетей. Тем не менее постоянно ведутся работы по совершенствованию и развитию разрабатываемых автоматизированных систем управления. Внедрение АСУ ТП теплоснабжения повышает надежность и экономичность работы СЦТ. Основная экономия ТЭР определяется оптимизацией теплогидравлических режимов тепловых сетей, режимов работы основного и вспомогательного оборудования теплоисточников, насосных станций и тепловых пунктов.

Литература

1. Громов Н. К. Городские теплофикационные системы. М. : Энергия, 1974. 256 с.
2. Попырин Л. С. Исследования систем теплоснабжения. М. : Наука, 1989. 215 с.
3. Ионин А. А. Надежность систем тепловых сетей. М. : Строй­издат, 1989. 302 с.
4. Монахов Г. В. Моделирование управления режимами тепловых сетей М. : Энергоатомиздат, 1995. 224 с.
5. Седнин В. А. Теория и практика создания автоматизированных систем управления теплоснабжением. Минск: БНТУ, 2005. 192 с.
6. Седнин В. А. Внедрение АСУ ТП как основополагающий фактор повышения надежности и эффективности систем теплоснабжения // Технология, оборудование, качество. Сб. матер. Белорусского промышленного форума 2007, Минск, 15–18 мая 2007 г. / Экспофорум – Минск, 2007. С. 121–122.
7. Седнин В. А. Оптимизация параметров температурного графика отпуска теплоты в теплофикационных системах // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2009. № 4. С. 55–61.
8. Седнин В. А. Концепция создания автоматизированной системы управления технологическими процессами Минских тепловых сетей / В. А. Седнин , А. В. Седнин, Е. О. Воронов // Повышение эффективности энергетического оборудования: Материалы научно-практической конференции, в 2-х т. Т. 2. 2012. С. 481–500.

1 Созданных коллективом Научно-исследовательского и инновационного центра автоматизированных систем управления в теплоэнергетике и промышленности Белорусского национального технического университета.

Особенностями теплоснабжения являются жесткое взаимовлияние режимов теплоснабжения и теплопотребления, а также множественность точек поставки нескольких товаров (тепловая энергия, мощность, теплоноситель, горячая вода). Цель теплоснабжения, не обеспечение генерации и транспорта, а поддержание качества названных товаров для каждого потребителя.

Эта цель достигалась относительно эффективно при стабильных расходах теплоносителя во всех элементах системы. Применяемое у нас “качественное” регулирование по самой своей сути подразумевает изменение только температуры теплоносителя. Появление зданий с регулируемым потреблением обеспечило непредсказуемость гидравлических режимов в сетях при сохранении постоянства расходов в самих зданиях. Жалобы в соседних домах пришлось ликвидировать завышенной циркуляцией и соответствующими массовыми перетопами.

Применяемые сегодня гидравлические расчетные модели, не смотря на их периодическую калибровку, не могут обеспечить учет отклонений расходов на вводах зданий из-за изменения внутренних тепловыделений и потребления горячей воды, а также влияния солнца, ветра и дождя. При фактическом качественно-количественном регулировании, необходимо “видеть” систему в реальном времени и обеспечить:

• контроль максимального количества точек поставки;
• сведение текущих балансов отпуска, потерь и потребления;
• управляющее воздействие при недопустимом нарушении режимов.

Управление должно быть максимально автоматизированным, иначе его просто невозможно реализовать. Задача состояла в том, чтобы добиться этого без чрезмерных затрат на оборудование контрольных точек.

Сегодня, когда в большом количестве зданий имеются измерительные системы с расходомерами, датчиками температуры и давления, использовать их только для финансовых расчетов неразумно. АСУ «Тепло» построена, в основном, на обобщении и анализе информации «от потребителя».

При создании АСУ были преодолены типовые проблемы устаревших систем:

• зависимость от корректности вычислений приборов учета и достоверности данных в неповеряемых архивах;
• невозможность сведения оперативных балансов из-за нестыковок времени измерений;
• невозможность контроля быстроменяющихся процессов;
• несоответствие новым требованиям информационной безопасности федерального закона «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации».

Эффекты от внедрения системы:

Службы по работе с потребителями:

• определение реальных балансов по всем видам товаров и коммерческих потерь:
• определение возможных забалансовых доходов;
• контроль фактического потребления мощности и соответствия ее ТУ на подключение;
• введение ограничений соответствующих уровню платежей;
• переход на двухставочный тариф;
• контроль КПЭ для всех служб, работающих с потребителями, и оценка качества их работы.

Эксплуатация:

• определение технологических потерь и балансов в тепловых сетях;
• диспетчерское и аварийное управление по фактическим режимам;
• поддержание оптимальных температурных графиков;
• контроль состояния сетей;
• наладка режимов теплоснабжения;
• контроль отключений и нарушений режимов.

Развитие и инвестиции:

• достоверная оценка результатов внедрения проектов улучшений;
• оценка эффектов инвестиционных затрат;
• разработка схем теплоснабжения в реальных электронных моделях;
• оптимизация диаметров и конфигурации сети;
• снижение затрат на подключение при учете реальных резервов пропускной способности и энергосбережения у потребителей;
• планирование ремонтов
• организация совместной работы ТЭЦ и котельных.

Важной коммунальной услугой в современных городах является теплоснабжение. Система теплоснабжения служит для удовлетворения потребностей населения в услугах отопления жилых и общественных зданий, горячего водоснабжения (подогрев воды) и вентиляции.

Современная система теплоснабжения городов включает следующие основные элементы: источник тепла, тепловые передающие сети и устройства, а также потребляющие тепло оборудование и устройства - системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Системы теплоснабжения городов классифицируются по следующим критериям:

• - степень централизации;
• - род теплоносителя;
• - способ выработки тепловой энергии;
• - способ подачи воды на горячее водоснабжение и отопление;
• - количество трубопроводов тепловых сетей;
• - способ обеспечения потребителей тепловой энергией и др.

По степени централизации теплоснабжения различают два основных вида:

• 1) централизованные системы теплоснабжения, которые получили развитие в городах и районах с преимущественно многоэтажной застройкой. Среди них можно выделить: высокоорганизованное централизованное теплоснабжение на базе комбинированной выработки тепла и электроэнергии на ТЭЦ - теплофикация и централизованное теплоснабжение от районных отопительных и промышленно-отопительных котельных;
• 2) децентрализованное теплоснабжение от мелких придомовых котельных установок (пристроенных, подвальных, крышных), индивидуальных отопительных приборов и т.п.; при этом отсутствуют тепловые сети и связанные с ними потери тепловой энергии.

По роду теплоносителя различают паровые и водяные системы теплоснабжения. В паровых системах теплоснабжения в качестве теплоносителя выступает перегретый пар. Эти системы используются в основном для технологических целей в промышленности, электроэнергетике. Для нужд коммунального теплоснабжения населения вследствие повышенной опасности при их эксплуатации они практически не используются.

В водяных системах теплоснабжения теплоносителем является горячая вода. Эти системы применяются в основном для снабжения тепловой энергией городских потребителей, для горячего водоснабжения и отопления, а в некоторых случаях - и для технологических процессов. В нашей стране водяные системы теплоснабжения составляют более половины всех тепловых сетей.

По способу выработки тепловой энергии различают:

• - комбинированную выработку тепла и электроэнергии на теплоэлектроцентралях. В этом случае тепло рабочего тепловодяного пара используется для получения электроэнергии при расширении пара в турбинах, а затем оставшееся тепло отработанного пара используется для нагрева воды в теплообменниках, которые составляют теплофикационное оборудование ТЭЦ. Горячая вода используется для теплоснабжения городских потребителей. Таким образом, на ТЭЦ тепло высокого потенциала используется для выработки электроэнергии, а тепло низкого потенциала - для теплоснабжения. В этом состоит энергетический смысл комбинированной выработки тепла и электроэнергии, которая обеспечивает существенное снижение удельных расходов топлива при получении тепловой и электрической энергии;
• - раздельную выработку тепловой энергии, когда нагрев воды в котельных установках (тепловых станциях) отделен от выработки электрической энергии.

По способу подачи воды на горячее водоснабжение водяные системы теплоснабжения делятся на открытые и закрытые. В открытых водяных системах теплоснабжения горячая вода поступает к водоразборным приборам местной системы горячего водоснабжения непосредственно из тепловых сетей. В закрытых водяных системах теплоснабжения воду из тепловых сетей используют только как греющую среду для нагревания в водоподогревателях - теплообменниках (бойлерах) водопроводной воды, которая поступает затем в местную систему горячего водоснабжения.

По количеству трубопроводов различают однотрубные, двухтрубные и многотрубные системы теплоснабжения.

По способу обеспечения потребителей тепловой энергией различаются одноступенчатые и многоступенчатые системы теплоснабжения - в зависимости от схем присоединения абонентов (потребителей) к тепловым сетям. Узлы присоединения потребителей тепла к тепловым сетям называют абонентскими вводами. На абонентском вводе каждого здания устанавливают подогреватели горячего водоснабжения, элеваторы, насосы, арматуру, контрольно-измерительные приборы для регулирования параметров и расхода теплоносителя по местным отопительным и водоразборным приборам. Поэтому часто абонентский ввод называют местным тепловым пунктом (МТП). Если абонентский ввод сооружается для отдельного объекта, то его называют индивидуальным тепловым пунктом (ИТП).

При организации одноступенчатых систем теплоснабжения абоненты-потребители тепла присоединяются непосредственно к тепловым сетям. Такое непосредственное присоединение отопительных приборов ограничивает пределы допустимого давления в тепловых сетях, так как высокое давление, необходимое для транспорта теплоносителя к конечным потребителям, опасно для радиаторов отопления. В силу этого одноступенчатые системы применяют для теплоснабжения ограниченного числа потребителей от котельных с небольшой длиной тепловых сетей.

В многоступенчатых системах между источником тепла и потребителями размещают центральные тепловые (ЦТП) или контрольно-распределительные пункты (КРП), в которых параметры теплоносителя могут изменяться по требованию местных потребителей. Оборудуются ЦТП и КРП насосными и водонагревательными установками, регулирующей и предохранительной арматурой, контрольно-измерительными приборами, предназначенными для обеспечения группы потребителей в квартале или районе тепловой энергией необходимых параметров. С помощью насосных или водонагревательных установок магистральные трубопроводы (первая ступень) частично или полностью гидравлически изолируются от распределительных сетей (вторая ступень). Из ЦТП или КРП теплоноситель с допустимыми или установленными параметрами по общим или отдельным трубопроводам второй ступени подается в МТП каждого здания для местных потребителей. При этом в МТП производятся лишь элеваторное подмешивание обратной воды из местных отопительных установок, местное регулирование расхода воды на горячее водоснабжение и учет расхода тепла.

Организация полной гидравлической изоляции тепловых сетей первой и второй ступени является важнейшим мероприятием повышения надежности теплоснабжения и увеличения дальности транспорта тепла. Многоступенчатые системы теплоснабжения с ЦТП и КРП позволяют в десятки раз уменьшить число местных подогревателей горячего водоснабжения, циркуляционных насосов и регуляторов температуры, устанавливаемых в МТП при одноступенчатой системе. В ЦТП возможна организация обработки местной водопроводной воды для предупреждения коррозии систем горячего водоснабжения. Наконец, при сооружении ЦТП и КРП в значительной мере сокращаются удельные эксплуатационные затраты и затраты на содержание персонала для обслуживания оборудования в МТП.

Тепловая энергия в виде горячей воды или пара транспортируется от ТЭЦ или котельной к потребителям (к жилым домам, общественным зданиям и промышленным предприятиям) по специальным трубопроводам - тепловым сетям. Трасса тепловых сетей в городах н других населенных пунктах должна предусматриваться в отведенных для инженерных сетей технических полосах.

Современные тепловые сети городских систем представляют собой сложные инженерные сооружения. Их протяженность от источника до потребителей составляет десятки километров, а диаметр магистралей достигает 1400 мм. В состав тепловых сетей входят теплопроводы; компенсаторы, воспринимающие температурные удлинения; отключающее, регулирующее и предохранительное оборудование, устанавливаемое в специальных камерах или павильонах; насосные станции; районные тепловые пункты (РТП) и тепловые пункты (ТП).

Тепловые сети разделяются на магистральные, прокладываемые на главных направлениях населенного пункта, распределительные - внутри квартала, микрорайона - и ответвления к отдельным зданиям и абонентам.

Схемы тепловых сетей применяют, как правило, лучевые. Во избежание перерывов в снабжении потребителя теплом предусматривают соединение отдельных магистральных сетей между собой, а также устройство перемычек между ответвлениями. В больших городах при наличии нескольких крупных источников тепла сооружают более сложные тепловые сети по кольцевой схеме.

Для обеспечения надежного функционирования таких систем необходимо их иерархическое построение, при котором всю систему расчленяют на ряд уровней, каждый из которых имеет свою задачу, уменьшающуюся по значению от верхнего уровня к нижнему. Верхний иерархический уровень составляют источники тепла, следующий уровень - магистральные тепловые сети с РТП, нижний - распределительные сети с абонентскими вводами потребителей. Источники тепла подают в тепловые сети горячую воду заданной температуры и заданного давления, обеспечивают циркуляцию воды в системе и поддержание в ней должного гидродинамического и статического давления. Они имеют специальные водоподготовительные установки, где осуществляется химическая очистка и дезаэрация воды. По магистральным тепловым сетям в узлы теплопотребления транспортируются основные потоки теплоносителя. В РТП теплоноситель распределяется по районам, в сетях районов поддерживаются автономные гидравлический и тепловой режимы. Организация иерархического построения систем теплоснабжения обеспечивает их управляемость в процессе эксплуатации.

Для управления гидравлическими и тепловыми режимами системы теплоснабжения ее автоматизируют, а количество подаваемого тепла регулируют в соответствии с нормами потребления и требованиями абонентов. Наибольшее количество тепла расходуется на отопление зданий. Отопительная нагрузка изменяется с изменением наружной температуры. Для поддержания соответствия подачи тепла потребителям в нем применяют центральное регулирование на источниках тепла. Добиться высокого качества теплоснабжения, применяя только центральное регулирование, не удается, поэтому на тепловых пунктах и у потребителей применяют дополнительное автоматическое регулирование. Расход воды на горячее водоснабжение непрерывно изменяется, и для поддержания устойчивого теплоснабжения гидравлический режим тепловых сетей автоматически регулируют, а температуру горячей воды поддерживают постоянной и равной 65 °С.

К числу основных системных проблем, осложняющих организацию эффективного механизма функционирования теплоснабжения в современных городах, можно отнести следующие:

• - значительный физический и моральный износ оборудования систем теплоснабжения;
• - высокий уровень потерь в тепловых сетях;
• - массовое отсутствие у жителей приборов учета тепловой энергии и регуляторов отпуска тепла;
• - завышенные оценки тепловых нагрузок у потребителей;
• - несовершенство нормативно-правовой и законодательной базы.

Оборудование предприятий теплоэнергетики и тепловых сетей имеют в среднем по России высокую степень износа, достигшую 70%. В общем числе отопительных котельных преобладают мелкие, малоэффективные, процесс их реконструкции и ликвидации протекает очень медленно. Прирост тепловых мощностей ежегодно отстает от возрастающих нагрузок в 2 раза и более. Из-за систематических перебоев в обеспечении котельных топливом во многих городах ежегодно возникают серьезные трудности в теплоснабжении жилых кварталов и домов. Пуск систем отопления осенью растягивается на несколько месяцев, «недотопы» жилых помещений в зимний период стали нормой, а не исключением; темпы замены оборудования снижаются, увеличивается количество оборудования, находящегося в аварийном состоянии. Это предопределило в последние годы резкий рост аварийности систем теплоснабжения.