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.

Вне зависимости от того, где будет эксплуатироваться автоматизированная система, в небольшом коттедже или на крупном предприятии, к ее проектированию и внедрению нужно подходить со всей ответственностью. Самостоятельно провести необходимые расчеты невозможно, все работы лучше доверять специалистам. Найти их можно в нашей организации. Многочисленные положительные отзывы клиентов, десятки реализованных проектов высокой степени сложности – наглядные свидетельства нашего профессионализма и ответственного отношения!

В. Г. Семенов, главный редактор, «Новости теплоснабжения»

Понятие системы

Все привыкли к выражениям «система теплоснабжения» , «система управления» , «автоматизированные системы управления» . Одно из простейших определений любой системы: множество связанных действующих элементов. Более сложное определение дает академик П. К. Анохин: «Системой моно назвать только такой комплекс избирательно - вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие приобретает характер взаимосодействия на получение фокусированного полезного результата» . Получение такого результата является целью системы, а цель формируется на основе потребности. В рыночной экономике технические системы, а также системы управления ими формируются на основе спроса, т. е. потребности, за удовлетворение которой кто - то готов платить.

Технические системы теплоснабжения состоят из элементов (ТЭЦ, котельные, сети, аварийные службы и т. д.), имеющих весьма жесткие технологические связи. «Внешней средой» для технической системы теплоснабжения являются потребители разных типов; газовые, электрические, водопроводные сети; погода; новые застройщики и т. д. Они обмениваются энергией, веществом и информацией.

Любая система существует в пределах каких - то ограничений, налагаемых, как правило, покупателями или уполномоченными органами. Это требования качества теплоснабжения, экологии, безопасности труда, ценовые ограничения.

Существуют активные системы, способные противостоять негативным воздействиям окружающей среды (неквалифицированным действиям администраций разных уровней, конкуренции других проектов...), и пассивные, у которых это свойство отсутствует.

Системы оперативного технического управления теплоснабжением относятся к типовым человеко - машинным системам, не являются очень сложными и достаточно легко автоматизируются. Фактически они являются подсистемами системы более высокого уровня - управления теплоснабжением на какой - то ограниченной территории.

Системы управления

Управлением называется процесс целенаправленного воздействия на систему, обеспечивающий повышение ее организованности, достижение того или иного полезного эффекта. Любая система управления разделяется на управляющую и управляемую подсистемы. Связь от управляющей подсистемы к управляемой называется прямой связью. Такая связь существует всегда. Противоположная по направлению связь называется обратной. Понятие обратной связи является фундаментальным в технике, природе и обществе. Считается, что управление без сильных обратных связей не эффективно, т. к. не обладает способностью к самовыявлению ошибок, формулировке проблем, не позволяет использовать возможности саморегулирования системы, а также опыт и знания специалистов.

С. А. Оптнер считает даже, что управление есть цель обратной связи. «Обратная связь воздействует на систему. Воздействие есть средство изменения существующего состояния системы путем возбуждения силы, позволяющей это сделать» .

В правильно организованной системе отклонение ее параметров от нормы либо отклонение от правильного направления развития перерастает в обратную связь и инициирует процесс управления. «Само отклонение от нормы служит стимулом возвращения к норме» (П. К. Анохин). Очень важно также, чтобы собственная цель управляющей системы не противоречила цели управляемой системы, т. е. той цели, для которой она создана. Принято считать, что требование «вышестоящей» организации безусловно для «нижестоящей» и автоматически трансформируется в цель для нее. Это иногда может привести к подмене цели.

Правильная цель управляющей системы - выработка управляющих воздействий на основе анализа информации об отклонениях или, другими словами, решение проблем.

Проблема есть ситуация несоответствия желаемого и существующего. Мозг человека устроен так, что мыслить в каком - то направлении человек начинает только тогда, когда выявляется проблема. Поэтому правильное определение проблемы предопределяет правильное управленческое решение. Выделяют две категории проблем: стабилизации и развития.

Проблемами стабилизации называют такие, решение которых направлено на предотвращение, устранение или компенсацию возмущений, нарушающих текущую деятельность системы. На уровне предприятия, региона или отрасли решение этих проблем обозначают термином управление производством.

Проблемами развития и совершенствования систем называют такие, решение которых направлено на повышение эффективности функционирования за счет изменения характеристик объекта управления или системы управления.

С точки зрения системного подхода проблема есть разница между существующей и желаемой системой. Система, заполняющая промежуток между ними, является объектом конструирования и называется решением проблемы.

Анализ существующих систем управления теплоснабжением

Системный подход - это подход к исследованию объекта (проблемы, процесса) как к системе, в которой выделены элементы, внутренние связи и связи с окружающей средой, влияющие на результаты функционирования, а цели каждого из элементов определены исходя из общего предназначения системы.

Цель создания любой централизованной системы теплоснабжения - обеспечение качественного, надежного теплоснабжения за минимальную цену. Эта цель, устраивающая потребителей, граждан, администрацию и политиков. Такая же цель должна быть и у системы управления теплоснабжением.

Сегодня существует 2 основных типа систем управления теплоснабжением:

1) администрация муниципального образования или региона и подчиненные ей руководители государственных теплоснабжающих предприятий;

2) руководящие органы немуниципальных теплоснабжающих предприятий.

Рис. 1. Обобщенная схема существующей системы управления теплоснабжением.

Обобщенная схема системы управления теплоснабжением представлены на рис. 1. В ней представлены только те структуры (окружающая среда), которые реально могут осуществлять воздействие на управляющие системы:

Увеличить или уменьшить доходы;

Заставить пойти на дополнительные расходы;

Сменить руководство предприятий.

Для реального анализа мы должны исходить из предпосылки, что выполняется только то, за что платят или могут уволить, а не то, что декларируется. Государство

Законодательство, регулирующее деятельность предприятий по теплоснабжению, практически отсутствует. Не прописаны даже процедуры государственного регулирования локальных естественных монополий в теплоснабжении.

Теплоснабжение - основная проблема при реформах ЖКХ и РАО «ЕЭС России» , она не может быть решена отдельно ни в одной, ни в другой, поэтому практически не рассматривается, хотя именно через теплоснабжение эти реформы должны были бы быть взаимоувязаны. Нет даже утвержденной правительством концепции развития теплоснабжения страны, не говоря уж о реальной программе действий.

Качество теплоснабжения федеральные органы управления никак не регулируют, нет даже нормативных документов, определяющих критерии качества. Надежность теплоснабжения регулируется только через технические надзорные органы. Но т. к. взаимодействие между ними и тарифными органами ни в одном нормативном документе не прописано, оно часто отсутствует. У предприятий же имеется возможность не выполнять любые предписания, обосновывая это отсутствием финансирования.

Технический надзор по существующим нормативным документам сводится к контролю отдельных технических узлов, причем тех, по которым существует больше правил. Система во взаимодействии всех ее элементов не рассматривается, не выявляются мероприятия, дающие наибольший общесистемный эффект.

Стоимость теплоснабжения регулируется только формально. Тарифное законодательство настолько общее, что практически все отдано на усмотрение федеральной и в большей степени региональных энергетических комиссий. Нормативы теплопотребления регулируются только для новых зданий. В государственных программах энергосбережения раздел по теплоснабжению практически отсутствует.

В итоге роль государства отвелась к взиманию налогов и, через надзорные органы, информации местных органов власти о недостатках, существующих в теплоснабжении.

За работу естественных монополий, за функционирование отраслей, обеспечивающих возможность существования нации, отвечает перед парламентом исполнительная власть. Проблема не в том, что федеральные органы функционируют неудовлетворительно, а в том, что в структуре федеральных органов фактически нет структуры, от

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

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

Системы теплоснабжения городов классифицируются по следующим критериям:

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

По степени централизации теплоснабжения различают два основных вида:

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

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

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

По способу выработки тепловой энергии различают:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

СПРАВКА

Система централизованного теплоснабжения Минска представляет собой структурно сложный комплекс. В него в части производства и транспорта тепловой энергии входят объекты РУП «Минскэнерго» (Минских тепловых сетей, теплофикационные комплексы ТЭЦ-3 и ТЭЦ-4) и объекты УП «Минсккоммунтеплосеть» – котельные, тепловые сети и центральные тепловые пункты. Создание АСУ ТП УП «Минсккоммунтеплосеть» было начато в 1999 году, и в настоящее время она функционирует, охватывая практические все теплоисточники (свыше 20) и ряд районов тепловых сетей. Разработка проекта АСУ ТП Минских тепловых сетей была начата в 2010 году, реализация проекта началась в 2012 году и в настоящее время продолжается.

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.

СПРАВКА 1

В состав Минских тепловых сетей входят 8 сетевых районов (РТС), 1 ТЭЦ, 9 котельных мощностью от нескольких сот до тысячи мегаватт. Кроме того, на обслуживании Минских тепловых сетей находятся 12 понизительных насосных станций, 209 ЦТП. Организационно-производственная структура Минских тепловых сетей по схеме «снизу вверх»: первый (нижний) уровень – объекты тепловых сетей, включая ЦТП, ИТП, тепловые камеры и павильоны; второй уровень – мастерские участки тепловых районов; третий уровень – теплоисточники, включающие в свой состав районные котельные (Кедышко, Степняка, Шабаны), пиковые котельные (Орловская, Комсомолка, Харьковская, Масюковщина, Курасовщина, Западная) и насосные станции; четвертый (верхний) уровень – диспетчерская служба предприятия.

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.