RuAut

Наиболее важные принципы создания систем теплоснабжения с использованием современного автоматизированного оборудования

· publikacii / ingener_system · архивная версия

1. Структура системы теплоснабжения

Разработано новое комплексное решение, целью которого является создание единой системы, которая будет включать в себя управление городскими системами водо- и теплоснабжения. Комплексность подхода выражена в том, что заказывающей организации может быть пребложено все, начиная от выполнения расчетов по гидравлике систем водо- и теплоснабжения и заканчивая диспетчеризацией и коммуникацией систем. Осуществить такой подход стало возможно благодаря накопленному опыту специалистов, который был приобретен в различных странах мира в процессе реализации различных проектов систем теплоснабжения больших городов, расположенных в Восточной и Центральной Европе. В данной статье ниже будут освещены структуры систем теплоснабжения, алгоритмы и принципы управления, которые были разработаны при реализации данных проектов.

3-ступенчатая схема является той схемой, по которой чаще всего строятся системы теплоснабжения. Можно выделить несколько составных частей вышеупомянутой схемы, а именно:

  1. Различные типы источников тепла, которые соединены друг с другом в единую систему, которая является закольцованной.
  2. Центральные тепловые пункты, сокращенно будем называть их ЦТП, которые присоединены к магистральным тепловым сетям, теплоноситель в которых имеет достаточно высокую температуру, которая составляет 130-150°С. В центральных тепловых пунктах температура плавно уменьшается до 110 °С или ниже (это находится в зависимости от потребностей индивидуального теплового пункта). У небольших систем может совсем не быть уровня центральных тепловых пунктов.
  3. Индивидуальные тепловые пункты, сокращенно будем называть их ИТП, получающие тепловую энергию от центральных, и обеспечивают теплоснабжение конкретного объекта.

Основной особенностью описываемого решения можно выделить то, что в основу разработки системы лег принцип 2-трубной разводки. Этот принцип, безусловно, можно считать наиболее эффективным технико-экономическим компромиссом. Если это решение сравнить с повсеместно в России распространенными 1-трубной или 4-трубной системами с открытым водоразбором, то мгновенно станет очевидным, что рассматриваемый вариант помогает уменьшить потери тепла и потребления электроэнергии. Также большим минусом российских систем является то, что инвестиции в их модернизацию, происходящие без изменения их структуры совершенно не эффективны. Траты на обслуживание и поддержание таких систем постоянно растут. А между тем, главным критерием целесообразности технического совершенствования и развития системы является именно экономический эффект. Вполне закономерно, что строительство новых систем требуется производить, основываясь на оптимальных вариантах, которые уже апробированные на практике. В случае, когда нужно произвести капитальный ремонт системы теплоснабжения с неоптимальной структурой, то экономически эффективнее перейти к 2-х трубной системе с ИТП в каждом доме.

Структуру расходов, которые несет управляющая компания при обеспечении потребителей горячей водой и теплом, можно изобразить в виде следующего списка:

Любую из этих составляющих на каждом уровне поможет снизить использование современных модернизированных средств автоматизации и оптимальное управление.

2. Источники тепла

В системах теплоснабжения чаще всего используют большие источники, которые совмещают в себе выработку электроэнергии и тепла, или те виды источников, в которых тепло производится как вторичный продукт, к примеру, это происходит при различных промышленных процессах. Основываясь на таких принципах и появилась идея центрального теплоснабжения. Газовые турбины, котельные, работающие на разнообразных видах топлива, используются в качестве запасных источников тепла. Когда же газовые котельные выполняют роль основного источника тепла, тогда требуется, чтобы при их работе осуществлялась автоматическая оптимизация процесса горения. Благодаря только такому способу можно добиться экономии и уменьшить выбросы.

3. Насосные станции

В магистральные тепловые сети тепло передается от источников тепла. Непрерывно работающие, сетевые насосы перекачивают теплоноситель осами. Именно по этой причине требуется уделять большое внимание способу эксплуатации и подбору насосов. От режимов, в которых работают тепловые пункты, непосредственно зависит и режим работы насоса. За уменьшением расхода на центральном тепловом пункте идет повышение напора насоса или насосов, которое является совсем нежелательным. Таким образом, понятно, что увеличение напора отрицательно сказывается на всех компонентах системы. В самом благоприятном случае усиливается только гидравлический шум. Но даже при таком исходе все равно электрическая энергия несет немаленькие потери. В таких ситуациях хорошего экономического эффекта можно добиться только при осуществлении частотного управления насосами. Для этих целей разработаны и применяются разнообразные алгоритмы управления. В основной схеме контроллер выполняет поддержку постоянного перепада давления на насосе с помощью изменения частоты вращения. Известно, что имеет место квадратичная зависимость между расходом теплоносителя и потерями давления в трассах. А именно: уменьшение расхода теплоносителя влечет за собой и снижение потерь давления в трассах. Принимая это во внимание, можно уменьшить также и уставку – заданное значение перепада давления. Описанное управление насосами носит название пропорционального. При его использовании становится возможным дополнительно уменьшить затраты на работу насоса. Еще более эффективным является управление насосами с так называемой поправкой задания по „удаленной точке“. При таком типе управления происходит измерение перепада давления в конечных точках магистральных сетей. На насосной станции давление компенсируется за счет текущего значения перепада давления.

4. Центральные тепловые пункты

Центральные тепловые пункты играют очень важное значение в системах теплоснабжения. Любой системе теплоснабжения требуется работать с применением индивидуальных тепловых пунктов, только в этом случае речь может идти об энергосбережении. Однако, это совсем не говорит о том, что центральные тепловые пункты ждет закрытие: их работа является своеобразным гидравлическим стабилизатором, и вместе с этим они делят систему теплоснабжения на частные подсистемы. Когда имеет место применение индивидуального теплового пункта, тогда системы центрального ГВ исключаются из ЦТП. При этом только 2 трубы, разделенные теплообменником, который отделяет систему ИТП от системы магистральных трасс, проходят через центральный тепловой пункт. В связи с этим система индивидуальных тепловых пунктов может работать с меньшими динамическими давлениями, а также с другими температурами теплоносителя. Это влечет за собой, во-первых, гарантию того, что ИТП будут стабильно работать и, во-вторых, значительное уменьшение инвестиций на индивидуальные тепловые пункты.

В зависимости от изменений температурного графика по температуре наружного воздуха с учетом летнего ограничения, которое зависит от потребности системы горячего водоснабжения, сокращенно будем называть их системы ГВ, в индивидуальных тепловых пунктах, можно изменять температуру подачи теплоносителя из центрального теплового пункта. В данном случае мы говорим о предварительной корректировке параметров теплоносителя. Это дает возможность уменьшить потери тепла во вторичных трассах, а кроме этого увеличить срок эксплуатации различных составляющих тепловой автоматики в индивидуальных тепловых пунктах.

5. Индивидуальные тепловые пункты

Работа индивидуальных тепловых пунктов влияет на экономичность всей системы теплоснабжения в целом. ИТП—та часть системы теплоснабжения, которая несет в себе стратегически важное значение. Переход от устаревшей 4-х трубной системы к современной 2-х трубной влечет за собой ряд определенных трудностей. Для начала это требование инвестиций. А второе это то, что в случает отсутствия определенного „ноу-хау“ после внедрения ИТП управляющая компания, наоборот, может увеличить текущие расходы.

Основной принцип работы индивидуального теплового пункта состоит в том, что тепловой пункт располагается в том же здании, для которого нужно поставлять горячую воду и которое требуется отапливать. При этом к зданию подключается всего 3 трубы: 1 для водоснабжения и 2 для теплоносителя. Благодаря этому структура трубопроводов системы становится более простой, и, как следствие, при плановом ремонте трасс происходит экономия на прокладке труб.

Управление контуром отопления

Меняя температуру воды, которая идет на отопление, контроллер ИТП может управлять всей тепловой мощностью отопления. Существует так называемое погодозависимое управление. Это вид управления, при котором уставку температуры отопления определяют по кривой отопления и по температуре наружного воздуха. Также не следует забывать, что инерционность здания влияет на кривую отопления.

Инерционность здания

Как уже было отмечено, наибольшее влияние на итоговый результат управления отоплением при погодозависимых условиях оказывает инерционность зданий. Именно поэтому требуется, чтобы современный контроллер ИТП учитывал этот один из первостепенных факторов. Существует понятие «постоянная времени здания». Ее значение находится в интервале от 10 до 35 часов у панельных и кирпичных домов соответственно. Именно этим значением и определяется инерционность здания. В автоматической системе регулирования температуры воды на отопление в качестве сигнала для коррекции используется так называемая «комбинированная температура» наружного воздуха. Именно эту комбинированную температуру на основании постоянной времени и определяет котроллер индивидуального теплового пункта.

Сила ветра

Ветер оказывает очень сильное влияние на температуру помещения, сильнее всего это заметно в высотных зданиях, которые расположены на открытых участках. Алгоритм коррекции, который учитывает влияние ветра, в таком случае может сэкономить до 10% тепловой энергии.

Ограничение температуры обратной воды

Все те виды управления ИТП, речь о которых идет выше, оказывают косвенное влияние на уменьшение температуры обратной воды. А вместе с тем именно эту температуру считают основным показателем экономичной работы системы теплоснабжения. С помощью функции ограничения может быть уменьшена температура обратной воды при разных режимах работы ИТП. Но следует помнить, что любые функции ограничения несут за собой отклонения от комфортных условий, поэтому их использование должно иметь веские технико-экономические обоснования.

При экономичной работе теплообменника в независимых схемах подключения контура отопления разность температур контура отопления и обратной воды первичного контура не должна быть более 5°С. Функция DRT - differential of return temperature, что на русский язык переводится как «динамическое ограничение температуры обратной воды» - обеспечивает экономичность. Работает она следующим образом: когда заданное значение разности температур обратной воды контура отопления и первичного контура превышено, тогда контроллер уменьшает расход теплоносителя в первичном контуре. В след за этим уменьшается и пиковая нагрузка. Наглядно это проиллюстрировано на рис. 1.

Функция статического ограничения температуры обратной воды применяется, если в контуре отопления отопительные приборы имеют термостатические регуляторы или в случае, когда нужно иметь гарантии выполнения условий подключения к сети теплоснабжения теплового пункта. Тогда если происходит превышение заданного значения температуры обратной воды, то контроллер уменьшает расход теплоносителя в первичном контуре.

Ограничение мощности или расхода индивидуального теплового пункта

Составляющие индивидуального теплового пункта и, соответственно, всей системы теплоснабжения в целом рассчитываются и подбираются, основываясь на номинальной нагрузке с некоторым запасом. В постоянно меняющихся условиях функционирования системы теплоснабжения появляются пиковые нагрузки. Эти нагрузки существенно превышают номинальные. В лучшем случае пиковые нагрузки уменьшают срок эксплуатации компонентов и экономию, в худшем же из-за них может произойти сбой всей системы. Благодаря использованию функции ограничения мощности контроллер ИТП может помочь избежать пиковых нагрузок. Для работы данной функции требуется наличие узла учета. Это требуется, потому что именно из узла контроллер получает все необходимые данные. В случае, если обнаружена предельная максимальная нагрузка, то контроллер снижает расход тепла согласно установленным ограничением.

Управление контуром системы горячего водоснабжения

Важной составной частью индивидуального теплового пункта можно назвать подсистему горячего водоснабжения. Сейчас в системе теплоснабжения происходит вытеснение уже устаревших накопительных систем горячего водоснабжения устройствами проточного подогрева воды через быстродействующие теплообменники. Именно такие системы сейчас развиваются наиболее активно, так как санитарные требования становятся все более строгими. Эти требования направлены на то, чтобы, во-первых, уменьшить количество очагов развития бактерий легионеллы, во-вторых, максимально уменьшить потери тепла, которые при медленной работе больших систем возникают в большом количестве. Маленькие резервуары для накопления применяются только в качестве буферов при работе в режимах максимальных пиковых нагрузок. Так как происходит большой скачек в развитии современных гидравлических систем нагрева горячего водоснабжения, то увеличиваются и требования к автоматизированным системам. Их можно представить в виде следующего списка:

Исполнительные компоненты автоматики

Иногда можно услышать мнение, что автоматика подразумевает под собой только контроллер, но это не так. Автоматизированная система включает в себя несколько элементов. По той причине, что контроллер просто не в состоянии компенсировать слабые стороны других компонентов системы, вполне закономерно, что на итоговый результат влияет правильный подбор всех составляющих.

Привод и клапан регулирования

Большое влияние на качество всей автоматизированной системы оказывает качество выполнения привода и клапана. Огромное значение играет время срабатывания привода и диапазон управления клапана, диапазон управления клапана. Так же не последнее место занимает и срок эксплуатации привода, потому что он должен быть способен выдержать огромное количество перемещений. С учетом всех этих строгих требований разработаны новые модернизированные технологии для производства приводов и клапанов. Выполненные по усовершенствованным методикам клапаны и приводы по своим характеристикам явно превосходят аналогичные устройства, которые все еще применяются в проточных системах горячего водоснабжения. При производстве приводов применяют электромагнитную или электрогидравлическую технологии, и благодаря этому практически сходит на нет механический износ внутренних изделий. Срок эксплуатации увеличивается более, чем в два раза. С помощью новых технологий стало возможным снизить постоянную времени приводов до 2 с и увеличить мощность.

Датчики температуры

Почему-то качеству датчиков, которые используются в системах автоматизации, часто уделяется меньше внимания, чем требовалось бы. А между тем к датчикам должны быть выставлены жесткие требования. Во-первых, они должны быть надежными, а, во-вторых, еще и малоинерционными, что особенно важно для систем горячего водоснабжения. Для таких целей лучше всего применять датчики, постоянная времени которых составляет менее 4 с. Например, опытным путем было определено, что если заменить датчик с постоянной времени 8 с на датчик с константой 4 с, то срок эксплуатации привода возрастет на 40%. Таким образом, обращаем ваше внимание, что при выборе датчика температуры следует должное внимание обращать на его качество, и нет смысла экономить копейки.

В системах ГВ с циркуляцией следует применять еще в дополнение и датчик температуры холодной воды. Это нужно делать для того, чтобы он предварительно отправлял на контроллер информацию об изменении нагрузки. Таким образом, датчик холодной воды способен положительно повлиять на качество управления.

Контроллер

От контроллера системы горячего водоснабжения требуется, чтобы он работал по ПИД-алгоритму и поддерживал функции оптимизации и адаптации. Речь об этих функциях пойдет ниже.

Адаптация хода штока клапана регулирования горячего водоснабжения

Регулирующему клапану в системе горячего водоснабжения приходится функционировать в суровых условиях. Он должен очень быстро и точно реагировать на любые колебания нагрузки в контуре горячего водоснабжения. Константы алгоритма или, проще говоря, параметры настройки, оказывают существенное влияние на динамическую точность системы автоматизации с ПИД-алгоритмом, работоспособность и срок эксплуатации привода-клапана. Также не нужно забывать, что работа контроллера сильно усложняется различной температурой подачи в первичном контуре, которая напрямую зависит от текущего отопительного сезона.

РежимРеакция контроллераТемпература греющей воды
зимниймедленная110°С
летнийбыстрая70°С

Также контроллер должен иметь функцию адаптации управления клапаном горячего водоснабжения. Контроллер должен без перерывов оценивать максимальный ход штока клапана (значение которого должно быть менее 100%) и с помощью полученной информации определять диапазон управления клапана. Это обеспечивает стабильную работу контроллера на протяжении всего года.

В случае, если контроллер не имеет рассмотренной выше функции, то в зимнем режиме его работа не будет стабильной.

Приоритет нагрева горячего водоснабжения

Если система теплоснабжения оснащена индивидуальными тепловыми пунктами, то следует подбирать трубопроводы, принимая во внимание не полную нагрузку горячего водоснабжения и отопления, а примерно 70% от нее, потому что пики нагрузок горячего водоснабжения и отопления не совпадают. Также следует помнить, что при пиковом потреблении горячей воды контроллер в контуре отопления на короткий промежуток времени уменьшает потребление тепловой энергии. Такое уменьшение мощности отопления никак не влияет на температуру, а следовательно, и на комфорт в помещениях здания.

На рис. 2 показана схема индивидуального теплового пункта, в котором горячее водоснабжение и контур отопления подключены параллельно.

Контроллер ИТП распознает пиковую нагрузку в системе горячего водоснабжения без использования каких-либо дополнительных датчиков.

Значение температуры подачи горячего водоснабжения (датчик ВЗ) полностью определяет нагрузку.

Когда при полном открытии регулирующего клапана горячего водоснабжения (на рис. 2 обозначены как У5/У6) температура горячего водоснабжения принимает значение ниже заданной, к примеру, 50°С, тогда контроллер по значению интеграла от получившегося отклонения начинает определять степень пиковой нагрузки. По данному значению интеграла и определяется необходимое воздействие, которое должно пойти на прикрытие управляющего клапана отопления (на рис. 2 обозначены как У1/У2).

Оставшуюся тепловую энергию отопления можно использовать для нагрева горячей воды

Эта задача решается либо с помощью управления контроллером, либо чисто гидравлически.

При гидравлическом решении применяются два теплообменника горячего водоснабжения или специально разработанные двойные теплообменники. Данные системы способны экономить энергию, а также уменьшить загрязнение теплообменника ГВС.

Уменьшение загрязнения пластин теплообменника

Качество автоматического управления влияет на скорость загрязнения пластин теплообменника, происходящее по причине наличия примесей в воде, которая поступает на нагрев. Загрязнение также ощутимо уменьшает стабильность работы системы горячего водоснабжения в целом. Разность температур между греющей и нагреваемой водой на пластинах теплообменника и концентрация примесей оказывают немаленькое влияние на степень загрязнения. В свою очередь на разность температур на пластинах теплообменника огромное влияние оказывает работа автоматики. Принимая все это во внимание, к автоматическим устройствам предъявляются следующие требования:

Теме «Индивидуальные тепловые пункты» в статье было уделено большое внимание, потому что правильная работа ИТП в системе теплоснабжения имеет особенное важное значение.