Управление системой теплоснабжения. Автоматизированная система оперативно-дистанционного управления процессом теплоснабжения. Технологические информационные задачи АСУ ТП

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.

Внедрение автоматических систем регулирования (АСР) отопления, вентиляции, горячего водоснабжения является основным подходом к экономии тепловой энергии. Установка систем автоматического регулирования в индивидуальных тепловых пунктах по данным Всероссийского теплотехнического института (г. Москва) снижает потребление тепла в жилом секторе на 5-10%, а в административных помещениях на 40%. Наибольший эффект получается за счет оптимального регулирования в весенне-осенний период отопительного сезона, когда автоматика центральных тепловых пунктов практически не выполняет в полной мере свои функциональные возможности. В условиях континентального климата Южного Урала, когда в течение суток перепад наружной температуры может составлять 15-20 °С, внедрение автоматических систем регулирования отопления, вентиляции и горячего водоснабжения становится весьма актуальным.

Регулирование теплового режима здания

Управление тепловым режимом сводится к поддержанию его на заданном уровне или изменению в соответствии с заданным законом.

На тепловых пунктах производится регулирование в основном двух видов тепловой нагрузки: горячего водоснабжения и отопления.

Для обоих видов тепловой нагрузки АСР должна поддерживать неизменными заданные значения температуры воды горячего водоснабжения и воздуха в отапливаемых помещениях.

Отличительной особенностью регулирования отопления является его большая тепловая инерционность, тогда как инерционность системы горячего водоснабжения значительно меньше. Поэтому задача стабилизации температуры воздуха в отапливаемом помещении значительно сложнее, чем задача стабилизации температуры горячей воды в системе горячего водоснабжения.

Основными возмущающими воздействиями являются внешние метеоусловия: температура наружного воздуха, ветер, солнечная радиация.

Существуют следующие принципиально возможные схемы регулирования:

• регулирование по отклонению внутренней температуры помещений от заданной путем воздействия на расход воды, поступающей в систему отопления;
• регулирование в зависимости от возмущения внешних параметров, приводящих к отклонению внутренней температуры от заданной;
• регулирование в зависимости от изменений наружной температуры и внутри помещения (по возмущению и по отклонению).

Рис. 2.1 Структурная схема управления тепловым режимом помещения по отклонению внутренней температуры помещения

На рис. 2.1 приведена структурная схема управления тепловым режимом помещения по отклонению внутренней температуры помещений, а на рис. 2.2 приведена структурная схема управления тепловым режимом помещения по возмущению внешних параметров.

Рис. 2.2. Структурная схема управления тепловым режимом помещения по возмущению внешних параметров

Внутренние возмущающие воздействия на тепловой режим здания незначительны.

Для метода регулирования по возмущению в качестве сигналов, позволяющих отслеживать наружную температуру, могут быть выбраны:

• температура воды, поступающей в систему отопления;
• количество теплоты, поступающее в систему отопления:
• расход теплоносителя.

АСР должна учитывать следующие режимы работы системы централизованного теплоснабжения, при которых:

• регулирование температуры воды на теплоисточнике не ведется по текущей наружной температуре, которая является основным возмущающим фактором для внутренней температуры. Температура сетевой воды на теплоисточнике определяется по температуре воздуха за длительный период с учетом прогноза и располагаемой тепловой мощности оборудования. Транспортное запаздывание, измеряемое часами, также приводит к несоответствию у абонента температуры сетевой воды текущей наружной температуре;
• гидравлические режимы тепловых сетей требуют ограничения максимального, а иногда и минимального расходов сетевой воды на тепловую подстанцию;
• нагрузка горячего водоснабжения оказывает существенное влияние на режимы работы отопительных систем, приводя к переменным в течение суток температурам воды в системе отопления или расходам сетевой воды на систему отопления в зависимости от вида системы теплоснабжения, схемы присоединения подогревателей горячего водоснабжения и схемы отопления.

Система регулирования по возмущению

Для системы регулирования по возмущению характерно то, что:

• существует устройство, измеряющее величину возмущения;
• по результатам измерений регулятор осуществляет управляющее воздействие на расход теплоносителя;
• на регулятор поступает информация о температуре внутри помещения;
• основное возмущение - температура наружного воздуха, которая контролируется АСР, поэтому возмущение будет называться контролируемым.

Варианты схем регулирования по возмущению при указанных выше отслеживающих сигналах:

• регулирование температуры воды, поступающей в систему отопления по текущей температуре наружного воздуха;
• регулирование расхода теплоты, подаваемой в систему отопления по текущей температуре наружного воздуха;
• регулирование расхода сетевой воды по температуре наружного воздуха.

Как видно из рисунков 2.1, 2.2 независимо от способа регулирования автоматическая система регулирования теплоснабжения в своем составе должна содержать следующие основные элементы:

• первичные измерительные устройства - датчики температуры, расхода, давления, перепада давления;
• вторичные измерительные устройства;
• исполнительные механизмы, содержащие регулирующие органы и приводы;
• микропроцессорные регуляторы;
• нагревательные приборы (бойлеры, калориферы, радиаторы).

Датчики АСР теплоснабжения

Основные параметры теплоснабжения, которые с помощью автоматических систем регулирования поддерживаются в соответствии с заданием, широко известны.

В системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения обычно измеряется температура, расход, давление, перепад давления. В некоторых системах измеряется тепловая нагрузка. Методы и способы измерения параметров теплоносителей традиционные.

Рис. 2.3

На рис. 2.3 приведены датчики температуры шведской фирмы "Тур и Андерсон".

Автоматические регуляторы

Автоматический регулятор - это средство автоматизации, получающее, усиливающее и преобразующее сигнал отключения регулируемой величины и целенаправленно воздействующее на объект регулирования.

В настоящее время в основном применяют цифровые регуляторы на базе микропроцессоров. При этом обычно в одном микропроцессорном контроллере реализуются несколько регуляторов для систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Большинство отечественных и зарубежных контроллеров для систем теплоснабжения обладают одинаковыми функциональными возможностями:

1. в зависимости от температуры наружного воздуха регулятор обеспечивает необходимую температуру теплоносителя на отопление здания по отопительному графику, управляя регулирующим клапаном с электроприводом, установленным на трубопроводе теплосети;


2. автоматическая корректировка отопительного графика производится в соответствии с потребностями конкретного здания. Для наибольшей эффективности сбережения тепла график подачи постоянно корректируется с учетом реальных условий теплопункта, климата, теплопотерь помещения;


3. экономия теплоносителя в ночное время достигается за счет временного метода регулирования. Изменение задания на частичное снижение теплоносителя зависит от наружной температуры так, чтобы, с одной стороны уменьшить потребление тепла, с другой, не проморозить и утром вовремя прогреть помещение. При этом автоматически рассчитывается момент включения дневного режима отопления, или интенсивного прогрева для достижения нужной температуры помещения в нужное время;


4. контроллеры позволяют осуществлять обеспечение возможно низкой температуры возвращаемой воды. При этом предусматривается защита системы от замораживания;


5. производится автоматическая корректировка, заданная в системе горячего водоснабжения. Когда потребление в системе горячего водоснабжения невелико, допустимы большие отклонения в температуре (увеличение зоны нечувствительности). При этом шток клапана не будет меняться слишком часто, и срок его службы продлится. При увеличении нагрузки зона нечувствительности автоматически уменьшается, и точность регулирования возрастает;


6. срабатывает сигнализация превышения уставок. Обычно вырабатываются следующие сигналы тревоги:
   • сигнал тревоги по температуре, в случае отличия реальной от заданной температуры;
   • сигнал тревоги от насоса поступает в случае сбоя в работе;
   • сигнал тревоги от датчика давления в расширительном баке;
   • сигнал тревоги по сроку эксплуатации поступает, если оборудование отработало установленный срок;
   • сигнал общей тревоги - если контроллер зарегистрировал один или более сигналов тревоги;


7. ведется регистрация параметров регулируемого объекта и передача его на ЭВМ.

Рис. 2.4

На рис. 2.4 показаны микропроцессорные регуляторы ECL-1000 фирмы "Данфосс".

Регулирующие органы

Исполнительное устройство - это одно из звеньев автоматических систем регулирования, предназначенных для непосредственного воздействия на объект регулирования. В общем случае исполнительное устройство состоит из исполнительного механизма и регулирующего органа.

Рис. 2.5

Исполнительный механизм является приводной частью регулирующего органа (рис. 2.5).

В автоматических системах регулирования теплоснабжения применяются, в основном, электрические (электромагнитные и электродвигательные).

Регулирующий орган предназначен для изменения расхода вещества или энергии в объекте регулирования. Различают дозирующие и дроссельные регулирующие органы. К дозирующим относятся такие устройства, которые изменяют расход вещества за счет изменения производительности агрегатов (дозаторы, питатели, насосы).

Рис. 2.6

Дроссельные регулирующие органы (рис. 2.6) представляют собой переменное гидравлическое сопротивление, изменяющее расход вещества за счет изменения своего проходного сечения. К ним относятся регулирующие клапаны, элеваторы, повторные заслонки, краны и т.д.

Регулирующие органы характеризуются многими параметрами, основными из которых являются: пропускная способность K v , условное давление P y , перепад давления на регулирующем органе D y , и условный проход Д y .

Кроме приведенных параметров регулирующего органа, определяющих в основном их конструкцию и размеры, имеются и другие характеристики, которые учитываются при выборе регулирующего органа в зависимости от конкретных условий их применения.

Наиболее важной является пропускная характеристика, которая устанавливает зависимость пропускной способности относительно перемещения затвора при постоянном перепаде давления.

Дроссельные регулирующие клапана профилируются обычно с линейной или равнопроцентной пропускной характеристикой.

При линейной пропускной характеристике приращение пропускной способности происходит пропорционально приращению перемещения затвора.

При равнопроцентной пропускной характеристике приращение пропускной способности (при изменении перемещения затвора) идет пропорционально текущему значению пропускной способности.

В рабочих условиях вид пропускной характеристики изменяется в зависимости от перепада давления на клапане. При пом регулирующий клапан характеризуется расходной характеристикой, которая представляет собой зависимость относительного расхода среды от степени открытия регулирующего opгана.

Наименьшее значение пропускной способности, при котором сохраняется пропускная характеристика в пределах установленного допуска, оценивается как минимальная пропускная способность.

Во многих случаях автоматизации производственных процессов регулирующий орган должен иметь широкий диапазон изменения пропускной способности, который представляет собой отношение условной пропускной способности к минимальной пропускной способности.

Необходимым условием надежной работы автоматической системы регулирования является правильный выбор формы пропускной характеристики регулирующего клапана.

Для конкретной системы расходная характеристика определяется значениями параметров среды, протекающих через клапан, и его пропускной характеристикой. В общем случае расходная характеристика отличается от пропускной, так как параметры среды (в основном давление и перепад давлений), как правило, зависят от значения расхода. Поэтому задача выбора предпочтительной пропускной характеристики регулирующего клапана разбивается на два этапа:

1. выбор формы расходной характеристики, обеспечивающий постоянство коэффициента передачи регулирующего клапана во всем диапазоне нагрузок;


2. выбор формы пропускной характеристики, обеспечивающей при данных параметрах среды желаемую форму расходной характеристики.

При модернизации систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения заданы размеры типовой сети, располагаемый напор и первоначальное давление среды, регулирующий орган выбирают так, чтобы при минимальном расходе через клапан потеря в нем соответствовала избыточному давлению среды, развиваемому источником, а форма расходной характеристики была близка к заданной. Метод гидравлического расчета при выборе регулирующего клапана достаточно трудоемкий.

АУЖКХ треста 42 в содружестве с ЮУрГУ разработана программа расчета и выбора регулирующих органов для наиболее распространенных систем отопления и горячего водоснабжения.

Циркулярные насосы

Независимо от схемы присоединения тепловой нагрузки в контуре системы отопления устанавливают циркуляционный насос (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Циркулярный насос (фирма Grundfog).

Он состоит из регулятора скорости, электродвигателя и собственно насоса. Современный циркуляционный насос - это бессальниковый насос с мокрым ротором, не требующий технического ухода. Управление двигателя, как правило, осуществляется электронным регулятором числа оборотов, предназначенным для оптимизации производительности насоса, работающего в условиях повышенных внешних возмущений, действующих на отопительную систему.

Действие циркуляционного насоса основано на зависимости напора от производительности насоса и, как правило, имеет квадратичный характер.

Параметры циркуляционного насоса:

• производительность;
• максимальный напор;
• число оборотов;
• диапазон изменения числа оборотов.

АУЖКХ треста 42 располагает необходимой информацией по расчету и выбору циркуляционных насосов и может оказать необходимую консультацию.

Теплообменники

Важнейшими элементами теплоснабжения являются теплообменники. Различают два типа теплообменников: трубчатые и пластинчатые. Упрощенно трубчатый теплообменник можно представить в виде двух труб (одна труба находится внутри другой грубы). Пластинчатый теплообменник представляет собой компактный теплообменник, собранный на соответствующей раме из гофрированных пластин, снабженных уплотнителями. Используются трубчатые и пластинчатые теплообменники для горячего водоснабжения, отопления и вентиляции. Основными параметрами любого теплообменника являются:

• мощность;
• коэффициент теплопередачи;
• потеря давления;
• максимальная рабочая температура;
• максимальное рабочее давление;
• максимальный расход.

Кожухотрубные теплообменники имеют низкую эффективность из-за малых скоростей течений воды в трубках и межтрубном пространстве. Это приводит к низким значения коэффициента теплопередачи и, как следствие, неоправданно большим габаритам. При эксплуатации теплообменников возможны значительные отложения в виде накипи и продуктов коррозии. В кожухотрубных теплообменниках устранение отложений весьма затруднительно.

В сравнении с трубчатыми теплообменниками пластинчатые отличаются повышенной эффективностью за счет улучшения теплообмена между пластинами, в которых противоточно проходят турбулентные потоки теплоносителя. Кроме того, ремонт теплообменника осуществляется достаточно просто и без больших затрат.

Пластинчатые теплообменники успешно решают задачи подготовки горячей воды в тепловых пунктах практически без тепловых потерь, поэтому они на сегодняшний день активно используются.

Принцип действия пластинчатых теплообменников следующий. Жидкости, участвующие в процессе теплопередачи, через патрубки вводятся в теплообменник (рис. 2.8).

Рис. 2.8

Прокладки, установленные специальным образом, обеспечивают распределение жидкостей по соответствующим каналам, исключая возможность смешивания потоков. Тип гофров на пластинах и конфигурацию канала выбирают в соответствии с требуемой величиной свободного прохода между пластинами, обеспечивая тем самым оптимальные условия процесса теплообмена.

Рис. 2.9

Пластинчатый теплообменник (рис. 2.9) состоит из комплекта гофрированных металлических пластин с отверстиями в углах для прохода двух жидкостей. Каждая пластина оборудована прокладкой, которая ограничивает пространство между пластинами и обеспечивает ток жидкостей в этом канале. Расход теплоносителей, физические свойства жидкостей, потери давления и температурный режим определяют количество и размер пластин. Их гофрированная поверхность способствует повышению турбулентного потока. Соприкасаясь в пересекающихся направлениях, гофры поддерживают пластины, которые находятся в условиях разного давления со стороны обоих теплоносителей. Чтобы изменить пропускную способность (повысить тепловую нагрузку), необходимо добавить в пакет теплообменника определённое количество пластин.

Подводя итог изложенному, отметим, что достоинствами пластинчатых теплообменников являются:

• компактность. Пластинчатые теплообменники более чем и три раза компактнее кожухотрубных и более чем в шесть раз легче при одинаковой мощности;
• простота установки. Теплообменники не требуют специального фундамента;
• малые затраты на обслуживание. Высокотурбулентный поток обуславливает низкую степень загрязнения. Новые модели теплообменников спроектированы таким образом, чтобы по возможности продлить период эксплуатации, при котором не требуется ремонта. Очистка и проверка занимает мало времени, так как в теплообменниках вынимается каждый лист нагрева, который может быть очищен индивидуально;
• эффективное использование тепловой энергии. Пластинчатый теплообменник имеет высокий коэффициент теплопередачи, передает тепло от источника к потребителю с малыми потерями;
• надежность;
• способность значительно увеличивать тепловую нагрузку за счет добавления определенного количества пластин.

Температурный режим здания как объект регулирования

При описании технологических процессов теплоснабжения используют расчетные схемы статики, описывающие установившиеся состояния, и расчетные схемы динамики, описывающие переходные режимы.

Расчетные схемы системы теплоснабжения определяют связи между входными и выходными воздействиями на объект регулирования при основных внутренних и внешних возмущениях.

Современное здание - сложная теплоэнергетическая система, поэтому для описания температурного режима здания вводят упрощающие допущения.

• Для многоэтажных гражданских зданий производится локализация части здания, для которой производится расчет. Так как температурный режим в здании изменяется в зависимости от этажа, горизонтальной планировки помещений, то расчет температурного режима производится для одного или нескольких наиболее благоприятно расположенных помещений.


• Расчет конвективного теплообмена в помещении выводится из предположения, что температура воздуха в каждый момент времени одинакова во всем объеме помещения.


• При определении теплоотдачи через наружные ограждения предполагается, что ограждение или его характерная часть имеют в плоскостях, перпендикулярных направлению потока воздуха, одинаковую температуру. Тогда процесс теплопередачи через наружные ограждения будет описываться одномерным уравнением теплопроводности.


• Расчет лучистого теплообмена в помещении тоже допускает ряд упрощений:

  а) воздух в помещении считаем лучепрозрачной средой;
  б) многократным отражением лучистых потоков от поверхностей пренебрегаем;
  в) сложные геометрические формы заменяем более простыми.



• Параметры наружного климата:

  а) если производить расчеты температурного режима помещений при экстремальных значениях показателей наружного климата, возможных в данном районе, то теплозащита ограждений и мощность системы регулирования микроклимата обеспечат устойчивое выдерживание заданных условий;
  б) если принять более мягкие требования, то в помещении в некоторые моменты времени будут наблюдаться отклонения от расчетных условий.

Поэтому при назначении расчетных характеристик наружного климата обязателен учет обеспеченности внутренних условий.

Специалисты АУЖКХ треста 42 совместно с учеными ЮУрГУ разработали программу расчета на ЭВМ статических и динамических режимов работы абонентских вводов.

Рис. 2.10

На рис. 2.10 приведены основные возмущающие факторы, действующие на объект регулирования (помещение). Теплота Q ист, поступающая от источника тепла, выполняет функции управляющего воздействия для поддержания температуры помещения Т пом на выходе объекта. Наружная температура Т нар, скорость ветра V вет, солнечная радиация J рад, внутренние потери теплоты Q внут являются возмущающими воздействиями. Все эти воздействия являются функциями времени и носят случайный характер. Задача осложняется тем, что процессы теплообмена нестационарны и описываются дифференциальными уравнениями в частных производных.

Ниже приводится упрощенная расчетная схема системы отопления, достаточно точно описывающая статические тепловые режимы в здании, а также позволяющая качественно оценить влияние основных возмущений на динамику теплообмена, реализовать основные методы регулирования процессов отопления помещений.

В настоящее время исследования сложных нелинейных систем (к ним можно отнести процессы теплообмена в отапливаемом помещении) осуществляются методами математического моделирования. Применение вычислительной техники для исследования динамики процесса отопления помещения и возможных методов регулирования является эффективным и удобным инженерным методом. Эффективность моделирования состоит в том, что динамику сложной реальной системы можно исследовать с помощью сравнительно простых прикладных программ. Математическое моделирование позволяет исследовать систему при непрерывно изменяющихся ее параметрах, а так же возмущающих воздействиях. Использование моделирующих пакетов программ для исследования процесса отопления является особенно ценным, так как исследование аналитическими методами оказывается очень трудоемким и совершенно непригодным.

Рис. 2.11

На рис. 2.11 приведены фрагменты расчетной схемы статического режима системы отопления.

На рисунке имеются следующие обозначения:

1. t 1 (T н) - температура сетевой воды в подающей линии силовой сети;
2. T н (t) - температура наружного воздуха;
3. U - коэффициент смешения смесительного узла;
4. φ - относительный расход сетевой воды;
5. ΔТ - расчетный температурный напор в системе отопления;
6. δt - расчетный перепад температур в тепловой сети;
7. Т в - внутренняя температура отапливаемых помещений;
8. G - расход сетевой воды на тепловой пункт;
9. Д р - перепад давления воды в системе отопления;
10. t - время.

При абонентском вводе с установленным оборудованием при заданных расчетной нагрузке отопления Q 0 и суточном графике нагрузки горячего водоснабжения Q r программа позволяет решить любую из следующих задач.

При произвольной температуре наружного воздуха Т н:

• определить внутреннюю температуру отапливаемых помещений Т в, при этом заданными являются расход сетевой воды ил ввод G с и температурный график в подающей линии;
• определить расход сетевой воды на ввод G с, требуемый для обеспечения заданной внутренней температуры отапливаемых помещений Т в при известном температурном графике тепловой сети;
• определить требуемую температуру воды в подающей линии тепловой сети t 1 (температурный график сети) для обеспечения заданной внутренней температуры отапливаемых помещений Т в при заданном расходе сетевой воды G с. Указанные задачи решаются для любой схемы присоединения системы отопления (зависимая, независимая) и любой схемы присоединения горячего водоснабжения (последовательная, параллельная, смешанная).

Помимо указанных параметров определяются расходы воды и температуры во всех характерных точках схемы, расходы тепла на систему отопления и тепловые нагрузки обоих ступеней подогревателя, потери напора теплоносителей в них. Программа позволяет рассчитывать режимы абонентских вводов с любым типом теплообменников (кожухотрубные или пластинчатые).

Рис. 2.12

На рис. 2.12 приведены фрагменты расчетной схемы динамического режима системы отопления.

Программа расчета динамического теплового режима здания позволяет для абонентского ввода с выбранным оборудованием при заданных расчетной нагрузке отопления Q 0 решить любую из следующих задач:

• расчет схемы управления тепловым режимом помещения по отклонению его внутренней температуры;
• расчет схемы управления тепловым режимом помещения по возмущению внешних параметров;
• расчет теплового режима здания при качественном, количественном и комбинированном способах регулирования;
• расчет оптимального регулятора при нелинейных статических характеристиках реальных элементов системы (датчики, регулирующие клапаны, теплообменники и т.д.);
• при произвольно изменяющейся во времени температуре наружного воздуха T н (t) необходимо:
• определить изменение во времени внутренней температуры отапливаемых помещений Т в;
• определить изменение во времени расхода сетевой воды па ввод G с, требуемый для обеспечения заданной внутренней температуры отапливаемых помещений Т в при произвольном температурном графике тепловой сети;
• определить изменение во времени температуры воды в подающей линии тепловой сети t 1 (t).

Указанные задачи решаются для любой схемы присоединения системы отопления (зависимая, независимая) и любой схемы присоединения горячего водоснабжения (последовательная, параллельная, смешанная).

Внедрение АСР теплоснабжения в жилых зданиях

Рис. 2.13

На рис. 2.13 показана принципиальная схема системы автоматического регулирования отопления и горячего водоснабжения в индивидуальном тепловом пункте (ИТП) с зависимым присоединением системы отопления и двухступенчатой схемой подогревателей горячего водоснабжения. Она была смонтирована АУЖКХ треста 42, прошла испытания и эксплуатационную проверку. Данная система применима к любой схеме присоединения систем отопления и горячего водоснабжения подобного типа.

Основная задача данной системы - поддерживать заданную зависимость изменения расхода сетевой воды на систему отопления и горячего водоснабжения от температуры наружного воздуха.

Присоединение системы отопления здания к тепловым сетям выполнено по зависимой схеме с насосным смешением. Для приготовления горячей воды на нужды ГВС предусмотрена установка пластинчатых подогревателей, подключенных к тепловой сети по смешанной двухступенчатой схеме.

Система отопления здания - двухтрубная вертикальная с нижней разводкой магистральных трубопроводов.

Система автоматического регулирования теплоснабжения здания включает в себя решения:

• по автоматическому регулированию работы наружного контура теплоснабжения;
• по автоматическому регулированию работы внутреннего контура системы отопления здания;
• по созданию режима комфортности в помещениях;
• по автоматическому регулированию работы теплообменника ГВС.

Система отопления оборудована микропроцессорным регулятором температуры воды контура отопления здания (внутреннего контура) в комплекте с датчиками температуры и регулирующим клапаном с электроприводом. В зависимости от температуры наружного воздуха регулирующий прибор обеспечивает необходимую температуру теплоносителя на отопление здания по отопительному графику, управляя регулирующим клапаном с электроприводом, установленным на прямом трубопроводе из теплосети. Для ограничения по максимуму температуры обратной воды, возвращаемой в теплосеть, предусмотрен ввод в микропроцессорный регулятор сигнала с датчика температуры, установленного на трубопроводе обратной воды в теплосеть. Микропроцессорный регулятор выполняет защиту системы отопления от замерзания. Для поддержания постоянного перепада давления на регулирующем клапане температуры предусмотрен регулятор перепада давления.

Для автоматического регулирования температуры воздуха в помещениях здания в проекте предусмотрены терморегуляторы на отопительных приборах. Терморегуляторы обеспечивают комфорт и экономят теплоэнергию.

Для поддержания постоянного перепада давления между прямым и обратным трубопроводом системы отопления установлен регулятор перепада давления.

Для автоматического регулирования работы теплообменника установлен автоматический регулятор температуры на греющей воде, который меняет подачу греющей воды в зависимости от температуры нагреваемой воды, поступающей в систему ГВС.

В соответствии с требованиями "Правил учета тепловой энергии и теплоносителя" от 1995 г. выполнен коммерческий учет тепловой энергии на вводе теплосети в ИТП посредством теплосчетчика, установленного на подающем трубопроводе из теплосети и счетчика объема, установленного на обратном трубопроводе в теплосеть.

В состав теплосчетчика входят:

• расходомер;
• процессор;
• два датчика температуры.

Микропроцессорный контроллер обеспечивает индикацию параметров:

• количество теплоты;
• количество теплоносителя;
• температура теплоносителя;
• разность температур;
• время работы теплосчетчика.

Все элементы автоматических систем регулирования и горячего водоснабжения выполнены на оборудовании фирмы "Данфосс".

Микропроцессорный регулятор ECL 9600 предназначен для управления температурным режимом воды в системах отопления и горячего водоснабжения в двух независимых контурах и применяется для установки на тепловых пунктах.

Регулятор имеет релейные выходы для управления регулирующими клапанами и циркуляционными насосами.

Элементы, которые должны быть присоединены к регулятору ECL 9600:

• датчик температуры наружного воздуха ESMT;
• датчик температуры на подаче теплоносителя в циркуляционном контуре 2, ESMA/C/U;
• реверсивный привод регулирующего клапана серии AMВ или AMV (220 В).

Кроме того, следующие элементы могут быть присоединены дополнительно:

• датчик температуры обратной воды из циркуляционного контура, ESMA/C/U;
• датчик температуры внутреннего воздуха ESMR.

Микропроцессорный регулятор ECL 9600 имеет встроенные аналоговый или цифровой таймеры и жидкокристаллический индикатор, обеспечивающие простое обслуживание.

Встроенный индикатор служит для визуального наблюдения параметров и осуществления настройки.

В случае присоединения датчика температуры внутреннего воздуха ESMR/F происходит автоматическая корректировка темпера туры теплоносителя на подаче в систему отопления.

Регулятор может ограничить значение температуры обратном воды из циркуляционного контура в следящем режиме в зависимости от температуры наружного воздуха (пропорциональное ограничение) или установить постоянное значение максимального или минимального ограничения температуры обратной воды из циркуляционного контура.

Функции, обеспечивающие комфорт и экономию тепловой шсргии:

• снижение температуры в системе отопления в ночное время и зависимости от температуры наружного воздуха или согласно заданному значению снижения;
• возможность работы системы с увеличенной мощностью после каждого периода снижения температуры в системе отопления (быстрый разогрев помещения);
• возможность автоматического выключения системы отопления при определенной заданной температуре наружного воздуха (летнее отключение);
• возможность работы с различными типами механизированных приводов регулирующего клапана;
• дистанционное управление регулятором при помощи ESMF/ECA 9020.

Защитные функции:

• ограничение максимального и минимального значений температуры воды, подаваемой в циркуляционный контур;
• управление насосом, периодический променаж в летний период;
• защита системы отопления от замерзания;
• возможность присоединения предохранительного термостата.

Современное оборудование автоматических систем регулирования теплоснабжения

Отечественные и зарубежные фирмы предоставляют большой выбор современного оборудования автоматических систем регулирования теплоснабжения практически с одинаковыми функциональными возможностями:

1. Управление отоплением:
   • Демпфирование наружной температуры.
   • "Эффект понедельника".
   • Линейные ограничения.
   • Ограничения температуры возврата.
   • Коррекция по температуре помещений.
   • Самокорректировка графика подачи.
   • Оптимизация времени запуска.
   • Экономичный режим в ночное время.


2. Управление ГВС:
   • Функция низкой загрузки.
   • Лимит температуры обратной воды.
   • Отдельный таймер.


3. Управление насосом:
   • Защита от замораживания.
   • Отключение насоса.
   • Променаж насоса.


4. Сигналы тревоги:
   • От насоса.
   • По температуре замораживания.
   • Общий.

Комплекты оборудования теплоснабжения известных фирм, "Данфосс" (Дания), "Альфа-Лаваль" (Швеция), "Тур и Андерсон" (Швеция), "Рааб Кархер" (Германия), "Honeywell" (США) в общем случае включают следующие приборы и устройства для систем регулирования и учета.

1. Оборудование для автоматизации теплового пункта здания:
   


2. Оборудование для учета тепла.
   


3. Вспомогательное оборудование.
   • Обратные клапаны.
   • Шаровые краны устанавливаются для герметичного отключения стояков и для слива воды. При этом в открытом состоянии, во время работы системы, шаровые краны практически не создают дополнительных сопротивлений. Они также могут быть установлены на всех ответвлениях на вводе в здание и в тепловом пункте.
   • Сливные шаровые клапаны.
   • Обратный клапан устанавливается для защиты от попадания воды из подающей магистрали в обратную магистраль при остановке насоса.
   • Фильтр сетчатый, с шаровым краном на дренаже, на вводе в систему обеспечивает очистку воды от твердых взвесей.
   • Автоматические воздухоотводчики обеспечивают автоматический выпуск воздуха при заполнении системы отопления, а также в процессе работы системы отопления.
   • Радиаторы.
   • Конвекторы.
   • Домофоны ("Вика" АУЖКХ треста 42).

В АУЖКХ треста 42 проведен анализ функциональных возможностей оборудования автоматических систем регулирования теплоснабжения наиболее известных фирм: "Данфосс", "Тур и Андерсон", "Honeywell". Сотрудники треста могут оказать квалифицированную консультацию по внедрению оборудования этих фирм.

Рис. 6. Двухпроводная линия с двумя коронирующими проводами при разных расстояниях между ними

16 м; 3 - Ьп = 8 м; 4 - Ь,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ефимов Б.В. Грозовые волны в воздушных линиях. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2000. 134 с.

2. Костенко М.В., Кадомская К.П., Левиншгейн МЛ., Ефремов И.А. Перенапряжения и защита от них в

воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения. Л.: Наука, 1988. 301 с.

A.M. Прохоренков

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЁННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕМ ГОРОДА

Вопросам внедрения ресурсосберегающих технологий в современной России уделяется значительное внимание. Особенно остро эти вопросы стоят в районах Крайнего Севера. В качестве топлива для городских котельных используется мазут, который доставляется железнодорожным транспортом из центральных регионов России, что существенно повышает стоимость вырабатываемой тепловой энергии. Продолжительность

отопительного сезона в условиях Заполярья на 2-2,5 месяца длиннее по сравнению с центральными районами страны, что связано с климатическими условиями Крайнего Севера. При этом теплоэнергетические предприятия должны вырабатывать необходимое количество теплоты в виде пара, горячей воды при определенных параметрах (давление, температура) для обеспечения жизнедеятельности всех городских инфраструктур.

Снижение затрат на выработку отпускаемой потребителям тепловой энергии возможно только за счет экономичного сжигания топлива, рационального использования электроэнергии для собственных нужд предприятий, сведения потерь теплоты к минимуму на участках транспортировки (тепловые сети города) и потребления (здания, предприятия города), атакже снижения численности обслуживающего персонала на участках производства.

Решение всех этих задач возможно только за счет внедрения новых технологий, оборудования, технических средств управления, позволяющих обеспечить экономическую эффективность работы теплоэнергетических предприятий, атакже повысить качество управления и эксплуатации теплоэнергетических систем.

Постановка задачи

Одна из важных задач в области теплофикации городов - создание теплоснабжающих систем с параллельной работой нескольких источников тепла. Современные системы централизованного теплоснабжения городов сложились как очень сложные, пространственно распределённые системы с замкнутой циркуляцией. Свойство саморегулирования у потребителей, как правило, отсутствует, распределение теплоносителя производится предварительной установкой специально рассчитанных (на один из режимов) постоянных гидравлических сопротивлений [ 1]. В этой связи случайный характер отбора тепловой энергии потребителями пара и горячей воды приводит к сложным в динамическом отношении переходным процессам во всех элементах теплоэнергетической системы (ТЭС) .

Оперативный контроль состояния удаленных объектов и управление оборудованием, находящимся на контролируемых пунктах (КП), невозможны без разработки автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления центральными тепловыми пунктами и насосными станциями (АСДК и У ЦТП и НС) города. Поэтому одной из актуальных проблем является управление потоками тепловой энергии с учетом гидравлических характеристик как самих тепловых сетей, так и потребителей энергии. Она требует решения задач, связанных с созданием теплоснабжающих систем, где параллельно ра-

ботают несколько источников тепла (тепловых станций - ТС)) на общую тепловую сеть города и на общий график тепловой нагрузки. Такие системы позволяют экономить топливо при теплофикации, увеличивать степень загрузки основного оборудования, осуществлять эксплуатацию котлоагрегатов в режимах с оптимальными значениями КПД.

Решение задач оптимального управления технологическими процессами отопительной котельной

Для решения задач оптимального управления технологическими процессами отопительной котельной "Северная" Государственного областного теплоэнергетического предприятия (ГОТЭП) "ТЭКОС" в рамках гранта Программы импорта энергосберегающих и природоохранных оборудования и материалов (ПИЭПОМ) Российско-Американского комитета была осуществлена поставка оборудования (финансирование правительства США). Это оборудование и разработанное для него программное обеспечение позволили решить широкий круг задач реконструкции на базовом предприятии ГОТЭП "ТЭКОС", а полученные результаты - тиражировать на теплоэнергетические предприятия области.

Основой реконструкции систем управления котлоагрегатами ТС стала замена морально устаревших средств автоматизации центрального пульта управления и локальных систем автоматического регулирования на современную микропроцессорную распределенную систему управления. Внедрённая распределённая система управления котлоагрегатами на базе микропроцессорной системы (МПС) TDC 3000-S (Supper) фирмы Honeywell обеспечила единое комплексное решение для реализации всех системных функций управления технологическими процессами ТС. Эксплуатируемая МПС обладает ценными качествами: простотой и наглядностью компоновки функций управления и эксплуатации; гибкостью выполнения всех требований процесса с учётом показателей надёжности (работа в режиме "горячего" резерва второго компьютера и УСО), готовностью и экономичностью; лёгким доступом ко всем данным системы; простотой изменения и расширения сервисных функций без обратного воздействия на систему;

улучшенным качеством представления информации в виде, удобном для принятия решений (дружественный интеллектуальный операторский интерфейс), что способствует сокращению ошибок оперативного персонала при эксплуатации и контроле процессов ТС; компьютерным созданием документации АСУ ТП; повышенной эксплуатационной готовностью объекта (результат самодиагностики системы управления); перспективностью системы с высокой степенью инновации . В системе TDC 3000 - S (рис. 1) имеется возможность подключения внешних PLC контроллеров других производителей (эта возможность реализуется при наличии модуля шлюза PLC). Информация от PLC контроллеров ото-

бражается в ТОС в виде массива точек, доступного для чтения-записи из пользовательских программ. Это дает возможность использовать для сбора данных распределённые станции ввода-вывода, установленные в непосредственной близости от управляемых объектов, и передавать данные в ТОС по информационному кабелю, используя один из стандартных протоколов. Подобный вариант позволяет интегрировать новые объекты управления, в том числе автоматизированную систему диспетчерского контроля и управления центральными тепловыми пунктами и насосными станциями {АСДКиУ ЦТПиНС}, в имеющуюся АСУ ТП предприятия без внешних изменений для пользователей.

Локальная компьютерная сеть

Универсальные станции

Компьютерный Прикладной Исторический

шлюз модуль модуль

Локальная сеть управления

Шлюз магистрали

I Резервный (АРММ)

Модуль Усовершенст-. ованного менеджера процесса (АРММ)

Универсальная сеть управления

Контроллеры ввода-вывода

Кабельные трассы 4-20 мА

Станция ввода-вывода SIMATIC ЕТ200М.

Контроллеры ввода-вывода

Сеть PLC устройств (PROFIBUS)

Кабельные трассы 4-20 мА

Датчики расхода

Датчики температуры

Датчики давления

Анализаторы

Регуляторы

Частотные станции

Задвижки

Датчики расхода

Датчики температуры

Датчики давления

Анализаторы

Регуляторы

Частотные станции

Задвижки

Рис. 1. Сбор информации распределёнными PLC станциями, передачи её в TDC3000-S для визуализации и обработки с последующей выдачей управляющих сигналов

Проведенные экспериментальные исследования показали, что процессы, протекающие в паровом котле в эксплуатационных режимах его работы, имеют случайный характер и относятся к нестационарным, что подтверждается полученными результатами математической обработки и статистического анализа . Учитывая случайный характер процессов, протекающих в паровом котле, за меру оценки качества управления приняты оценки смещения математического ожидания (МО) M(t) и дисперсии 5 (?) по основным координатам регулирования :

Ем, (t) 2 MZN (t) - MrN (t) ^ гМих (t) ^ min

где Mzn{t), Mmn{t) - заданное и текущее МО основных регулируемых параметров парового котла: количество воздуха, количество топлива, а также паропроизводителыюсть котла.

s 2 (t) = 8|v (t) - q2N (t) ^ s^ (t) ^ min, (2)

где 52Tn, 5zn2(t) - текущая и заданная дисперсии основных регулируемых параметров парового котла.

Тогда критерий качества управления будет иметь вид

Jn = I [авМй(t) + ßsö;, (t)] ^ min, (3)

где n = 1, ...,j; - ß - весовые коэффициенты.

В зависимости от режима работы котла (регулировочный или базовый) должна формироваться оптимальная стратегия управления.

Для регулировочного режима работы парового котла стратегия управления должна быть направлена на поддержание давления в паровом коллекторе постоянным независимо от расхода пара потребителями тепловой энергии. Для этого режима работы за меру качества управления принята оценка смещения МО давления пара в главном паровом коллекторе в виде

ер (/) = Рг{1) - Рт () ^Б^ (4)

где ВД, Рт(0 - заданное и текущее среднее значения давления пара в главном паровом коллекторе.

Смещение давления пара в главном паровом коллекторе по дисперсии с учетом (4) имеет вид

(0 = -4г(0 ^^ (5)

где (УрзОО, арт(0 - заданная и текущая дисперсии давления.

Для настройки коэффициентов передачи регуляторов контуров многосвязной системы управления котла использовались методы нечёткой логики .

В процессе опытной эксплуатации автоматизированных паровых котлов был накоплен статистический материал, позволивший получить сравнительные (с работой неавтоматизированных котлоагрегатов) характеристики технико-экономической эффективности внедрения новых методов и средств управления и продолжить реконструкционные работы на других котлах. Так, за период полугодовой эксплуатации неавтоматизированных паровых котлов № 9 и 10, а также автоматизированных паровых котлов № 13 и 14 были получены результаты, которые представлены в табл.1.

Определение параметров оптимальной загрузки тепловой станции

Для определения оптимальной загрузки ТС необходимо знать энергетические характеристики их парогенераторов и котельной в целом, которые представляют собой зависимость между количеством подводимого топлива и получаемой теплоты.

Алгоритм нахождения этих характеристик включает следующие этапы:

Таблица 1

Показатели работы котлоагрегатов

Название пок^ателя Значение показателей доя котлов

№9-10 № 13-14

Выработка тепла,Гкал Расход тошшва,т Удельная норма расхода топлива на выработку 1 Гкал тепловой энергии,кг у.т.^кал 170 207 20 430 120,03 217 626 24 816 114,03

1. Определение тепловой производительности котлов для различных нагрузочных режимов их работы.

2. Определение потерь теплоты А()с учётом КПД котлов и их полезной нагрузки.

3. Определение нагрузочных характеристик котлоагрегатов в диапазоне их изменения от минимально допустимых до максимальных.

4. Исходя из изменения суммарных потерь теплоты в паровых котлах определение их энергетических характеристик, отражающих часовой расход условного топлива, по формуле 5= 0,0342(0, + АС?).

5. Получение энергетических характеристик котельных (ТС) с использованием энергетических характеристик котлов.

6. Формирование с учетом энергетических характеристик ТС управляющих решений о последовательности и очерёдности их загрузки в течение отопительного периода, а также в летний сезон.

Другой важный вопрос организации параллельной работы источников (ТС) - определение факторов, оказывающих существенное влияние на нагрузку котельных, и задач системы управления теплоснабжением по обеспечению потребителей необходимым количеством тепловой энергии при возможно минимальных затратах на её выработку и передачу.

Решение первой задачи осуществляется с помощью увязки графиков подачи с графиками использования теплоты посредством системы теплообменных аппаратов, решение второй - посредством установления соответствия тепловой нагрузки потребителей ее выработке, т. е. при помощи планирования изменения нагрузки и снижения потерь при передаче тепловой энергии. Обеспечение увязки графиков подачи и использования теплоты должно осуществляться за счет применения локальной автоматики на промежуточных ступенях от источников тепловой энергии до её потребителей.

Для решения второй задачи предлагается реализовать функции оценки планируемой нагрузки потребителей с учетом экономически обоснованных возможностей источников энергии (ТС). Такой подход возможен с использованием методов ситуационного управления на базе реализации алгоритмов нечеткой логики. Основной фактор, оказывающий существенное влияние на

тепловую нагрузку котельных, - это та ее часть, которая используется на отопление зданий и на горячее водоснабжение. Средний тепловой поток (в Ваттах), используемый на отопление зданий, определяется по формуле

где /от - средняя температура наружного воздуха за определенный период; г{ - средняя температура внутреннего воздуха отапливаемого помещения (температура, которую нужно поддерживать на заданном уровне); /0 - расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления; <70 - укрупненный показатель максимального теплового потока на отопление жилых и общественных зданий в Ваттах на 1 м площади здания при температуре /0; А - общая площадь здания; Кх - коэффициент, учитывающий тепловой поток на отопление общественных зданий (при отсутствии конкретных данных его можно считать равным 0,25).

Из формулы (6) видно, что тепловая нагрузка на отопление зданий определяется в основном температурой наружного воздуха.

Средний тепловой поток (в Ваттах) на горячее водоснабжение зданий определяется выражением

1,2ш(а + ^)(55 - ^) р

Ыт „ . „ _ с"

где т - число потребителей; а - норма расхода воды на горячее водоснабжение при температуре +55 °С на одного человека в сутки в литрах; Ь - норма расхода воды на горячее водоснабжение, потребляемой в общественных зданиях, при температуре +55 °С (принимается равной 25 литрам в сутки на одного человека); с - теплоемкость воды; /х- температурахолодной (водопроводной) воды в отопительный период (принимается равной +5 °С).

Анализ выражения (7) показал, что при расчете средняя тепловая нагрузка на горячее водоснабжение получается постоянной. Реальный же отбор тепловой энергии (в виде горячей воды из крана), в отличие от рассчитанного значения, имеет случайный характер, что связано с увеличение разбора горячей воды утром и вечером, и уменьшением отбора в течение дня и ночи. На рис. 2, 3 представлены графики изменения

Oil 012 013 014 015 016 017 018 019 1 111 112 113 114 115 116 117 118 119 2 211 212 213 214 215 216 217 218 219 3 311 312 313 314 315 316 317

дни месяца

Рис. 2. График изменения температуры воды в ЦТП N9 5(7 - прямая котельная вода,

2 - прямая квартальная, 3 - вода на ГВС, 4 - обратная квартальная, 5 - обратная котельная вода) и температуры наружного воздуха (6) за период с 1 по 4 февраля 2009 года

давления и температуры горячей воды для ЦТП № 5, которые были получены из архива СДКи У ЦТП и НС г. Мурманска.

С наступлением теплых дней, когда температура окружающей среды в течение пяти суток не опускается ниже +8 °С, отопительная нагрузка потребителей отключается и тепловая сеть работает на нужды горячего водоснабжения. Средний тепловой поток на ГВС в неотопительный период рассчитывается по формуле

где - температура холодной (водопроводной) воды в неотопительный период (принимается равной +15 °С); р - коэффициент, учитывающий изменение среднего расхода воды на ГВС в неотопительный период по отношению к отопительному периоду (0,8 - для жилищно-коммунального сектора, 1 - для предприятий).

С учетом формул (7), (8) рассчитываются графики тепловой нагрузки потребителей энергии, которые являются основой для построения заданий по централизованному регулированию подачи тепловой энергии ТС.

Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления центральными тепловыми пунктами и насосными станциями города

Специфическая особенность города Мурманска состоит в том, что он расположен на холмистой местности. Минимальная высотная отметка 10 м, максимальная - 150 м. В связи с этим теплосети имеют тяжелый пьезометрический график. Из-за повышенного давления воды на начальных участках увеличивается аварийность (разрывы труб).

Для оперативного контроля состояния удаленных объектов и управления оборудованием, находящимся на контролируемых пунктах (КП),

Рис. 3. График изменения давления воды в ЦТП N° 5 за период с 1 по 4 февраля 2009 года: 1 - вода на ГВС, 2 - прямая котельная вода, 3 - прямая квартальная, 4 - обратная квартальная,

5 - холодная, 6 - обратная котельная вода

была разработана АСДКиУЦТПиНС города Мурманска. Контролируемые пункты, на которых в процессе реконструкционных работ установлено оборудование телемеханики, расположены на удалении до 20 км от головного предприятия. Связь с оборудованием телемеханики на КП осуществляется по выделенной телефонной линии связи. Центральные бойлерные (ЦТП) и насосные станции представляют собой отдельно стоящие здания, в которых установлено технологическое оборудование. Данные с КП поступают на диспетчерский пункт (в ПКАРМ диспетчера), находящийся на территории ТС "Северная" предприятия "ТЭКОС", и в сервер ТС, после чего становятся доступными пользователям локальной вычислительной сети предприятия для решения своих производственных задач.

В соответствии с задачами, решаемыми с помощью АСДКиУЦТПиНС, комплекс имеет двухуровневую структуру (рис. 4).

Уровень 1 (верхний, групповой) - пульт диспетчера. На этом уровне реализованы следующие функции: централизованный контроль и дистанционное управление технологическими процессами; отображение данных на дисплее пульта управления; формирование и выдача от-

четной документации; формирование заданий в АСУ ТП предприятия на управление режимами параллельной работы тепловых станций города на общую городскую тепловую сеть; доступ пользователей локальной сети предприятия к базе данных технологического процесса .

Уровень 2 (локальный, местный) - оборудование КП с размещенными на них датчиками (сигнализации, измерения) и оконечными исполнительными устройствами. На этом уровне реализованы функции сбора и первичной обработки информации, выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы.

Функции, выполняемые АСДКиУЦТПиНС города

Информационные функции: контроль показаний датчиков давления, температуры, расхода воды и контроль состояния исполнительных механизмов (вкл./выкл., откр./закр.).

Управляющие функции: управление сетевыми насосами, насосами горячей воды, прочим технологическим оборудованием КП.

Функции визуализации и регистрации: все информационные параметры и параметры сигнализации отображаются натрендах и мнемосхемах операторской станции; все информационные

ПК АРМ диспетчера

Адаптер ШВ/К8-485

Выделенные телефонные линии

Контроллеры КП

Рис. 4. Структурная схема комплекса

параметры, параметры сигнализации, команды управления регистрируются в базе данных периодически, атакже в случаях изменения состояния.

Функции сигнализации: отключение электроэнергии на КП; срабатывание датчика затопления на КП и охраны на КП; сигнализация от датчиков предельного (высокого/низкого) давления в трубопроводах и отдатчиков аварийного изменения состояния исполнительных механизмов (вкл./выкл., откр./закр.).

Концепция системы поддержки принятия и исполнения решений

Современная автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Диспетчер в многоуровневой АСУ ТП получает информацию с монитора ЭВМ и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии, с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов. Таким образом, диспетчер становится главным действующим лицом в управлении технологическим процессом предприятия. Технологические процессы в теплоэнергетике потенциально опасны. Так, за тридцать лет число учтенных аварий удваивается примерно каждые десять лет. Известно , что в установившихся режимах сложных систем энергетики ошибки из-за неточности исходных данных составляют 82-84 %, из-за неточности модели -14-15%, из-за неточности метода - 2-3 %. Ввиду большой доли погрешности исходных данных возникает и погрешность в расчете целевой функции, что приводит к значительной зоне неопределенности при выборе оптимального режима работы системы. Эти проблемы можно устранить, если рассматривать автоматизацию не просто как способ замещения ручного труда непосредственно при управлении производством, а как средство анализа, прогноза и управления . Переход от диспетчеризации к системе поддержки принятия решения означает переход к новому качеству - интеллектуальной информационной системе предприятия. В основе любой аварии (кроме стихийных бедствий) лежит ошибка человека (оператора). Одна из причин этого - старый, традиционный подход к построению сложных систем управления, ориентированный на применение новейших техни-

ческих и технологических достижений при недооценке необходимости использования методов ситуационного управления, методов интеграции подсистем управления, а также построения эффективного человеко-машинного интерфейса, ориентированного на человека (диспетчера). При этом предусмотрен перенос функций диспетчера по анализу данных, прогнозированию ситуаций и принятию соответствующих решений на компоненты интеллектуальных систем поддержки принятия и исполнения решений (СППИР) . Концепция СППИР включает целый ряд средств, объединенных общей целью - способствовать принятию и реализации рациональных и эффективных управленческих решений. СППИР - это диалоговая автоматизированная система, которая выступает в качестве интеллектуального посредника, поддерживающего естественно-языковый интерфейс пользователя со ЗСАОА-системой, и использует правила принятия решений, соответствующие модели и базы. Наряду с этим СППИР осуществляет функцию автоматического сопровождения диспетчера на этапах анализа информации, распознавания и прогнозирования ситуаций. На рис. 5 представлена структура СППИР, с помощью которой диспетчер ТС осуществляет управление теплоснабжением микрорайона.

Исходя из отмеченного выше можно выделить несколько нечетких лингвистических переменных, влияющих на нагрузку ТС, а следовательно, и на работу тепловых сетей . Эти переменные приведены в табл. 2.

В зависимости от сезона, времени суток, дня недели, атакже характеристик наружной среды блок оценки ситуаций осуществляет расчёт технического состояния и необходимой производительности источников тепловой энергии. Такой подход позволяет решать проблемы экономии топлива при теплофикации, увеличивать степень загрузки основного оборудования, осуществлять эксплуатацию котлов в режимах с оптимальными значениями КПД .

Построение автоматизированной системы распределённого управления теплоснабжением города возможно при следующих условиях:

внедрении автоматизированных систем управления котлоагрегатами отопительных котельных. (Внедрение АСУ ТП на ТС "Северная"

Рис. 5. Структура СППИР отопительной котельной микрорайона

Таблица 2

Лингвистические переменные, определяющие нагрузку отопительной котельной

Обозначение Название Область значений (универсальное множество) Термы

^мес Месяц от января до декабря «янв», «февр», «март», «апр», «май», «июнь», «июль», «авг», «сент», «окт», «нояб», «дек»

Т-нед День недели рабочий или выходной «рабочий», «выходной»

ТСуг Время суток от 00:00 до 24:00 «ночь», «утро», «день», «вечер»

т 1 н.в Температура наружного воздуха от-32 до+32 °С «ниже», «-32», «-28», «-24», «-20», «-16», «-12», «-8», «^1», «0», «4», «8», «12», «16», «20», «24», «28», «32», «выше»

1"в Скорость ветра от 0 до 20 м/с «0», «5», «10», «15», «выше»

обеспечило снижение удельной нормы расхода топлива на котлах № 13,14 по сравнению с котлами № 9,10 на 5,2 %. Экономия электроэнергии после установки частотных векторных преобразователей на приводы вентиляторов и дымососов котла № 13 составила 36 % (удельный расход до реконструкции - 3,91 кВт-ч/Гкал, после реконструкции - 2,94 кВт-ч/Гкал, а для котла

№ 14 - 47 % (удельный расход электроэнергии до реконструкции - 7,87кВт-ч/Гкал., после реконструкции - 4,79 кВт-ч/Гкал));

разработке и внедрении АСДКиУЦТПиНС города;

внедрении методов информационной поддержки операторов ТС и АСДКиУЦТПиНС города с использованием концепции СППИР.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шубин Е.П. Основные вопросы проектирования систем теплоснабжения городов. М.: Энергия, 1979. 360 с.

2. Прохоренков A.M. Реконструкция отопительных котельных на базе информационно-управляющих комплексов // Наука производству. 2000. № 2. С. 51-54.

3. Prokhorenkov A.M., Sovlukov A.S. Fuzzy models in control systems of boiler aggregate technological processes // Computer Standarts & Interfaces. 2002. Vol. 24. P. 151-159.

4. Месарович M., Мако Д., Такахара Я. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973. 456 с.

5. Prokhorenkov A.M. Methods for identification of random process characteristics in information processing systems // IEEE Transactions on instrumentation and measurement. 2002. Vol. 51, N° 3. P. 492-496.

6. Прохоренков A.M., Качала H.M. Обработка случайных сигналов в цифровых промышленных системах управления // Цифровая обработка сигналов. 2008. № 3. С. 32-36.

7. Prokhorenkov A.M., Kachala N.M. Determination of the classification characteristics of random processes // Measurement Techniques. 2008. Vol. 51, № 4. P. 351-356.

8. Прохоренков A.M., Качала H.M. Влияние классификационных характеристик случайных процессов на точность обработки результатов измерений // Измерительная техника. 2008. N° 8. С. 3-7.

9. Prokhorenkov А.М., Kachala N.M., Saburov I.V., Sovlukov A.S. Information system for analysis of random processes in nonstationary objects // Proc. of the Third IEEE Int. Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications (IDAACS"2005). Sofia, Bulgaria. 2005. P. 18-21.

10. Методы робастного нейро-нечеткого и адаптивного управления / Под ред. Н.Д. Егупова // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002". 658 с.

П. Prokhorenkov A.M., Kachala N.M. Effectiveness of adaptive algorithms for tuning regulators in control systems subjected to the influence of random disturbances // BicrniK: Научно-технич. ж-л. Спецвыпуск. Черкасьский державный технол. ун-т.-Черкаськ. 2009. С. 83-85.

12. Prokhorenkov A.M., Saburov I.V., Sovlukov A.S. Data maintenance for processes of decision-making under industrial control // BicrniK: научно-технич. ж-л. Спецвыпуск. Черкасьский державный технол. ун-т. Черкаськ. 2009. С. 89-91.

Компания Siemens является признанным мировым лидером в разработке систем для энергетики, в том числе для систем тепло- и водоснабжения. Именно этим занимается один из Департаментов Siemens - Building Technologies – «Автоматизация и безопасность зданий». Компания предлагает полный спектр оборудования и алгоритмов для автоматизации котельных, тепловых пунктов и насосных станций.

1. Структура системы теплоснабжения

Компания Siemens предлагает комплексное решение для создания единой системы управления городскими системами тепло- и водоснабжения. Комплексность подхода состоит в том, что заказчикам предлагается все, начиная с выполнения гидравлических расчетов систем тепло- и водоснабжения и заканчивая системами коммуникации и диспетчеризации. Реализацию такого подхода обеспечивает накопленный опыт специалистов компании, приобретенный в разных странах мира в ходе выполнения разнообразных проектов в области систем теплоснабжения крупных городов Центральной и Восточной Европы. В настоящей статье рассмотрены структуры систем теплоснабжения, принципы и алгоритмы управления, которые были реализованы при выполнении этих проектов.

Системы теплоснабжения строятся преимущественно по 3-ступенчатой схеме, частями которой являются:

1. Источники тепла разных типов, соединенные между собой в единую закольцованную систему

2. Центральные тепловые пункты (ЦТП), присоединенные к магистральным тепловым сетям с высокой температурой теплоносителя (130...150°С). В ЦТП температура плавно снижается до максимальной температуры 110 °С, исходя из потребностей ИТП. У малых систем уровень центральных тепловых пунктов может отсутствовать.

3. Индивидуальные тепловые пункты, получающие тепловую энергию от ЦТП и обеспечивающие теплоснабжение объекта.

Принципиальной особенностью решений Siemens является то, что вся система основана на принципе 2-х трубной разводки, которая является лучшим технико-экономическим компромиссом. Такое решение позволяет снизить потери тепла и потребление электроэнергии в сравнении с широко распространенными в России 4-х трубной или 1-но трубной с открытым водоразбором системами, инвестиции в модернизацию которых без изменения их структуры не эффективны. Расходы на обслуживание таких систем постоянно увеличиваются. Между тем, именно экономический эффект является основным критерием целесообразности развития и технического совершенствования системы. Очевидно, что при сооружении новых систем следует принимать апробированные на практике оптимальные решения. Если же речь идет о капитальном ремонте системы теплоснабжения неоптимальной структуры, экономически выгодно переходить к 2-х трубной системе с индивидуальными тепловыми пунктами в каждом доме.

При обеспечении потребителей теплом и горячей водой, управляющая компания несет постоянные расходы, структура которых выглядит следующим образом:

Затраты на выработку тепла для потребления;

потери в источниках тепла вследствие несовершенства способов выработки тепла;

потери тепла в тепловых магистралях;

р асходы на электроэнергию.

Каждая из этих составляющих может быть снижена при оптимальном управлении и применении современных средств автоматизации на каждом уровне.

2. Источники тепла

Известно, что для систем теплоснабжения предпочтительными являются большие источники комбинированной выработки тепла и электроэнергии или такие источники, в которых тепло является вторичным продуктом, например, продуктом промышленных процессов. Именно на основе таких принципов возникла идея центрального теплоснабжения. В качестве резервных источников тепла используются котельные, работающие на разных видах топлива, газовые турбины и прочее. Если газовые котельные служат основным источником тепла, они должны работать с автоматической оптимизацией процесса горения. Только так можно получить экономию и снизить выбросы по сравнению с распределенной выработкой тепла в каждом доме.

3. Насосные станции

Тепло из источников тепла передается в магистральные тепловые сети. Теплоноситель перекачивается сетевыми насосами, которые работают непрерывно. Поэтому подбору и способу эксплуатации насосов должно уделяться особое внимание. Режим работы насоса зависит от режимов тепловых пунктов. Снижение расхода на ЦТП влечет за собой нежелательное увеличение напора насоса (насосов). Увеличение напора отрицательно воздействует на все компоненты системы. В лучшем случае увеличивается только гидравлический шум. В любом случае теряется электрическая энергия. В этих условиях безусловный экономический эффект обеспечивается при частотном управлении насосами. Используются различные алгоритмы управления. В базовой схеме контроллер поддерживает постоянный перепад давления на насосе путем изменения частоты вращения. В связи с тем, что с уменьшением расхода теплоносителя снижаются потери давления в трассах (квадратичная зависимость), можно снизить также заданное значение (уставку) перепада давления. Такое управление насосами называется пропорциональным и позволяет дополнительно снизить затраты на работу насоса. Более эффективно управление насосами с коррекцией задания по “удаленной точке”. В этом случае измеряется перепад давления в конечных точках магистральных сетей. Текущие значения перепада давления компенсируют давления на насосной станции.

4. Центральные тепловые пункты (ЦТП)

В современных системах теплоснабжения ЦТП играют очень важную роль. Энергосберегающая система теплоснабжения должна работать с применением индивидуальных тепловых пунктов. Однако это не значит, что ЦТП будут закрываться: они выполняют функцию гидравлического стабилизатора и одновременно разделяют систему теплоснабжения на отдельные подсистемы. Из ЦТП в случае применения ИТП исключаются системы центрального горячего водоснабжения. При этом через ЦТП проходят только 2 трубы, разделенные теплообменником, который отделяет систему магистральных трасс от системы ИТП. Таким образом, система ИТП может работать с другими температурами теплоносителя, а также с меньшими динамическими давлениями. Это гарантирует стабильную работу ИТП и одновременно влечет за собой сокращение инвестиций на ИТП. Температура подачи из ЦТП корректируется в соответствии с температурным графиком по температуре наружного воздуха с учетом летнего ограничения, которое зависит от потребности системы ГВС в ИТП. Речь идет о предварительной корректировке параметров теплоносителя, что позволяет снизить потери тепла во вторичных трассах, а также увеличить срок службы компонентов тепловой автоматики в ИТП.

5. Индивидуальные тепловые пункты (ИТП)

Работа ИТП влияет на экономичность всей системы теплоснабжения. ИТП – стратегически важная часть системы теплоснабжения. Переход от 4-х трубной системы к современной 2-х трубной сопряжен с определенными трудностями. Во-первых, это влечет за собой необходимость инвестиций, во-вторых, без наличия определенного “ноу-хау” внедрение ИТП может наоборот увеличить текущие расходы управляющей компании. Принцип работы ИТП заключается в том, что тепловой пункт находится непосредственно в здании, которое отапливается и для которого готовится горячая вода. При этом к зданию подключено только 3 трубы: 2 для теплоносителя и 1 для холодного водоснабжения. Таким образом, упрощается структура трубопроводов системы, и при плановом ремонте трасс сразу имеет место экономия на прокладке труб.

5.1. Управление контуром отопления

Контроллер ИТП управляет тепловой мощностью системы отопления, изменяя температуру теплоносителя. Уставка температуры отопления определяется по температуре наружного воздуха и кривой отопления (погодозависимое управление). Кривая отопления определяется с учетом инерционности здания.

5.2. Инерционность здания

Инерционность зданий оказывает значительное влияние на результат погодозависимого управления отоплением. Современный контроллер ИТП должен учитывать этот влияющий фактор. Инерционность здания определяется значением постоянной времени здания, которое находится в диапазоне от 10 часов у панельных домов до 35 часов у кирпичных домов. Контроллер ИТП определяет на основании постоянной времени здания так называемую "комбинированную" температуру наружного воздуха, которая и используется в качестве корректирующего сигнала в автоматической системе регулирования температуры воды на отопление.

5.3. Сила ветра

Ветер существенно влияет на температуру помещения особенно в высотных зданиях, расположенных на открытых территориях. Алгоритм коррекции температуры воды на отопление, учитывающий влияние ветра, обеспечивает до 10% экономии тепловой энергии.

5.4 Ограничение температуры обратной воды

Все описанные выше виды управления косвенно влияют на снижение температуры обратной воды. Эта температура является главным показателем экономичной работы системы теплоснабжения. При различных режимах работы ИТП температура обратной воды может быть снижена при помощи функций ограничения. Однако все функции ограничения влекут за собой отклонения от комфортных условий, и их применение должно иметь технико-экономическое обоснование. В независимых схемах подключения контура отопления при экономичной работе теплообменника разность температур обратной воды первичного контура и контура отопления не должна превышать 5°С. Экономичность обеспечивается функцией динамического ограничения температуры обратной воды (DRT – differential of return temperature ): при превышении заданного значения разности температур обратной воды первичного контура и контура отопления контроллер снижает расход теплоносителя в первичном контуре. При этом снижается и пиковая нагрузка (рис. 1).

Система автоматического регулирования теплоснабжения состоит из следующих модулей, каждый из которых выполняет собственную задачу:

• Основной управляющий контроллер. Главная деталь контроллера – микропроцессор с возможностью программирования. Иными словами, можно ввести данные, в соответствии с которыми будет функционировать автоматическая система. Температура может изменяться в соответствии со временем суток, например, по окончании рабочего дня приборы перейдут на минимальную мощность, а перед его началом, наоборот, выйдут на максимум, чтобы прогреть помещения до прихода смены. Контроллер может выполнять регулировку тепловых установок и в автоматическом режиме, на основе собираемых другими модулями данных;
• Термические датчики. Датчики воспринимают температуру теплоносителя системы, а также окружающей среды, посылают соответствующие команды на контроллер. Наиболее современные модели данной автоматики посылают сигналы по беспроводным каналам связи, поэтому прокладка сложных систем проводов и кабелей не нужна, что упрощает и ускоряет монтаж;
• Панель ручного управления. Здесь сконцентрированы основные клавиши и переключатели, позволяющие вручную управлять САРТ. Вмешательство человека необходимо при проведении тестовых запусков, подключении новых модулей, модернизации системы. Чтобы добиться максимального удобства, на панели предусматривается жидкокристаллический дисплей, позволяющий в режиме реального времени отслеживать все показатели, контролировать их соответствие нормативам, своевременно предпринимать действия, если они выходят за установленные лимиты;
• Температурные регуляторы. Это исполнительные устройства, определяющие текущую производительность САРТ. Регуляторы могут быть механическими или электронными, но задача их одна – корректировка сечения труб в соответствии с актуальными внешними условиями и потребностями. Изменение пропускной способности каналов дает возможность уменьшить или, наоборот, увеличить объемы поступающего к радиаторам теплоносителя, за счет чего температура вырастет или уменьшится;
• Насосное оборудование. САРТ с автоматикой предполагает, что циркуляция теплоносителя обеспечивается насосами, создающими необходимое давление, нужно для определенной скорости потока воды. Естественная схема существенно ограничивает возможности регулировки.