Компания
Siemens является признанным мировым лидером в разработке систем для энергетики,
в том числе для систем тепло- и водоснабжения. Именно этим занимается один из
Департаментов Siemens - Building Technologies – «Автоматизация и безопасность
зданий». Компания предлагает полный спектр оборудования и алгоритмов для
автоматизации котельных, тепловых пунктов и насосных станций.
1.
Структура системы теплоснабжения
Компания Siemens предлагает комплексное решение для создания единой системы управления городскими
системами тепло- и водоснабжения. Комплексность подхода состоит в том, что
заказчикам предлагается все, начиная с выполнения гидравлических расчетов
систем тепло- и водоснабжения и заканчивая системами коммуникации и
диспетчеризации. Реализацию такого подхода обеспечивает накопленный опыт
специалистов компании, приобретенный в разных странах мира в ходе выполнения
разнообразных проектов в области систем теплоснабжения крупных городов
Центральной и Восточной Европы. В настоящей статье рассмотрены структуры систем
теплоснабжения, принципы и алгоритмы управления, которые были реализованы при
выполнении этих проектов.
Системы теплоснабжения строятся преимущественно по 3-ступенчатой схеме, частями которой
являются:
1. Источники тепла разных типов, соединенные между собой в единую закольцованную систему
2. Центральные тепловые пункты (ЦТП), присоединенные к магистральным тепловым сетям
с высокой температурой теплоносителя (130...150°С). В ЦТП температура плавно
снижается до максимальной температуры 110 °С, исходя из потребностей ИТП. У малых
систем уровень центральных тепловых пунктов может отсутствовать.
3. Индивидуальные тепловые пункты, получающие тепловую энергию от ЦТП и
обеспечивающие теплоснабжение объекта.
Принципиальной особенностью решений Siemens является то, что вся система основана на принципе 2-х трубной
разводки, которая является лучшим технико-экономическим компромиссом. Такое
решение позволяет снизить потери тепла и потребление электроэнергии в сравнении
с широко распространенными в России 4-х трубной или 1-но трубной с открытым водоразбором
системами, инвестиции в модернизацию которых без изменения их структуры не
эффективны. Расходы на обслуживание таких систем постоянно увеличиваются. Между
тем, именно экономический эффект является основным критерием целесообразности
развития и технического совершенствования системы. Очевидно, что при сооружении
новых систем следует принимать апробированные на практике оптимальные решения.
Если же речь идет о капитальном ремонте системы теплоснабжения неоптимальной
структуры, экономически выгодно переходить к 2-х трубной системе с
индивидуальными тепловыми пунктами в каждом доме.
При обеспечении потребителей теплом и горячей водой, управляющая компания несет постоянные
расходы, структура которых выглядит следующим образом:
затраты
на выработку тепла для потребления;
потери в источниках тепла вследствие несовершенства способов выработки тепла;
потери тепла в тепловых магистралях;
расходы
на электроэнергию.
Каждая из этих составляющих может быть снижена при оптимальном управлении и применении
современных средств автоматизации на каждом уровне.
2. Источники тепла
Известно, что для систем теплоснабжения предпочтительными являются большие источники
комбинированной выработки тепла и электроэнергии или такие источники, в которых
тепло является вторичным продуктом, например, продуктом промышленных процессов.
Именно на основе таких принципов возникла идея центрального теплоснабжения. В
качестве резервных источников тепла используются котельные, работающие на
разных видах топлива, газовые турбины и прочее. Если газовые котельные служат
основным источником тепла, они должны работать с автоматической оптимизацией
процесса горения. Только так можно получить экономию и снизить выбросы по сравнению
с распределенной выработкой тепла в каждом доме.
3. Насосные станции
Тепло из источников тепла передается в магистральные тепловые сети. Теплоноситель
перекачивается сетевыми насосами, которые работают непрерывно. Поэтому подбору
и способу эксплуатации насосов должно уделяться особое внимание. Режим работы
насоса зависит от режимов тепловых пунктов. Снижение расхода на ЦТП влечет за
собой нежелательное увеличение напора насоса (насосов). Увеличение напора
отрицательно воздействует на все компоненты системы. В лучшем случае
увеличивается только гидравлический шум. В любом случае теряется электрическая
энергия. В этих условиях безусловный экономический эффект обеспечивается при
частотном управлении насосами. Используются различные алгоритмы управления. В
базовой схеме контроллер поддерживает постоянный перепад давления на насосе
путем изменения частоты вращения. В связи с тем, что с уменьшением расхода
теплоносителя снижаются потери давления в трассах (квадратичная зависимость),
можно снизить также заданное значение (уставку) перепада давления. Такое
управление насосами называется пропорциональным и позволяет дополнительно
снизить затраты на работу насоса. Более эффективно управление насосами с
коррекцией задания по “удаленной точке”. В этом случае измеряется перепад
давления в конечных точках магистральных сетей. Текущие значения перепада
давления компенсируют давления на насосной станции.
4. Центральные тепловые пункты (ЦТП)
В современных системах теплоснабжения ЦТП играют очень важную роль.
Энергосберегающая система теплоснабжения должна работать с применением
индивидуальных тепловых пунктов. Однако это не значит, что ЦТП будут
закрываться: они выполняют функцию гидравлического стабилизатора и одновременно
разделяют систему теплоснабжения на отдельные подсистемы. Из ЦТП в случае
применения ИТП исключаются системы центрального горячего водоснабжения. При
этом через ЦТП проходят только 2 трубы, разделенные теплообменником, который
отделяет систему магистральных
трасс от системы ИТП. Таким образом, система ИТП может работать с другими
температурами теплоносителя, а также с меньшими динамическими давлениями. Это
гарантирует стабильную работу ИТП и одновременно влечет за собой сокращение
инвестиций на ИТП. Температура подачи из ЦТП корректируется в соответствии с
температурным графиком по температуре наружного воздуха с учетом летнего ограничения,
которое зависит от потребности системы ГВС в ИТП. Речь идет о предварительной
корректировке параметров теплоносителя, что позволяет снизить потери тепла во
вторичных трассах, а также увеличить срок службы компонентов тепловой
автоматики в ИТП.
5. Индивидуальные тепловые пункты (ИТП)
Работа ИТП влияет на экономичность всей системы теплоснабжения. ИТП – стратегически
важная часть системы теплоснабжения. Переход от 4-х трубной системы к современной
2-х трубной сопряжен с определенными трудностями. Во-первых, это влечет за
собой необходимость инвестиций, во-вторых, без наличия определенного “ноу-хау”
внедрение ИТП может наоборот увеличить текущие расходы управляющей компании. Принцип
работы ИТП заключается в том, что тепловой пункт находится непосредственно в
здании, которое отапливается и для которого готовится горячая вода. При этом к
зданию подключено только 3 трубы: 2 для теплоносителя и 1 для холодного водоснабжения.
Таким образом, упрощается структура трубопроводов системы, и при плановом
ремонте трасс сразу имеет место экономия на прокладке труб.
5.1. Управление контуром отопления
Контроллер ИТП управляет тепловой мощностью системы отопления, изменяя температуру
теплоносителя. Уставка температуры отопления определяется по температуре наружного
воздуха и кривой отопления (погодозависимое управление). Кривая отопления определяется
с учетом инерционности здания.
5.2. Инерционность здания
Инерционность зданий оказывает значительное влияние на результат погодозависимого управления
отоплением. Современный контроллер ИТП должен учитывать этот влияющий фактор.
Инерционность здания определяется значением постоянной времени здания, которое
находится в диапазоне от 10 часов у панельных домов до 35 часов у кирпичных
домов. Контроллер ИТП определяет на основании постоянной времени здания так
называемую "комбинированную" температуру наружного воздуха, которая и
используется в качестве корректирующего сигнала в автоматической системе
регулирования температуры воды на отопление.
5.3. Сила ветра
Ветер существенно влияет на температуру помещения особенно в высотных зданиях, расположенных
на открытых территориях. Алгоритм коррекции температуры воды на отопление,
учитывающий влияние ветра, обеспечивает до 10% экономии тепловой энергии.
5.4 Ограничение температуры обратной воды
Все описанные выше виды управления косвенно влияют на снижение температуры обратной
воды. Эта температура является главным показателем экономичной работы системы
теплоснабжения. При различных режимах работы ИТП температура обратной воды
может быть снижена при помощи функций ограничения. Однако все функции
ограничения влекут за собой отклонения от комфортных условий, и их применение
должно иметь технико-экономическое обоснование. В независимых схемах
подключения контура отопления при экономичной работе теплообменника разность
температур обратной воды первичного контура и контура отопления не должна
превышать 5°С. Экономичность обеспечивается функцией динамического ограничения
температуры обратной воды (DRT – differential of return temperature): при превышении заданного значения
разности температур обратной воды первичного контура и контура отопления
контроллер снижает расход теплоносителя в первичном контуре. При этом снижается
и пиковая нагрузка (рис. 1).
|