CC BY
11Т Е Х Н И Ч Е С К И Е
НАУКИ
УДК 62
А.С. Гусаров
ИННОВАЦИИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО И ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Рассмотрены особенности автоматизированного управления процессом централизованного теплоснабжения распределенного комплекса зданий, а также на основе имитационного моделирования и экспериментальных данных показаны варианты возможного частичного перераспределения теплоносителя между объектами комплекса зданий при децентрализованном теплоснабжении, приводящие в целом к снижению экономической эффективности автоматизированного управления.
Ключевые слова: энергосбережение, теплоснабжение, имитационное моделирование, автоматизированная система.
Одно из направлений энергосбережения в системах теплоснабжения связано с созданием современных автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) распределенными энергосистемами зданий, позволяющих повысить эффективность управления и снижение расходов на тепловую энергию. В таких АСДУ для стабилизации температуры в помещениях необходимо регулировать температуру теплоносителя в системе отопления каждого здания путем изменения расхода теплоносителя из теплосетей с учетом температуры наружного воздуха. При этом локальные системы автоматического регулирования (САР) нижнего уровня АСДУ также должны обеспечивать поддержание температуры в обратных трубопроводах на выходе из автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) зданий на уровне ниже, чем температура теплоносителя в обратном трубопроводе на основном вводе тепловых сетей для организации или учреждения. Созданная структура АСДУ распределенными энергосистемами зданий БГТУ им. В.Г. Шухова представлена в [1], и включает основные инновационные решения по теплоснабжению. Для представления особенностей протекающих процессов рассмотрим автоматизированный ИТП, включающий открытые системы теплоснабжения с зависимым подключением отопления к теплосетям.
© Гусаров А.С., 2020.
Научный руководитель: Шеногин Михаил Викторович - кандидат технических наук, доцент, Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
Часть системы теплоснабжения, показанная на рис. 1, содержит: перемычку с обратным клапаном КО, связывающую подающий и обратный трубопроводы, М1 и К1 - исполнительный механизм с клапаном; М2 и Н - электропривод с циркуляционным насосом; Gп, Тп, Gсо, Тсо, Gок, То - расходы и температуры теплоносителя соответственно в подающем трубопроводе, в СО здания, в обратном трубопроводе на участке смешивания.
Рис. 1. Схема системы отопления с зависимым Теплоснабжением
т,ис
75
70 65
60
55 50 45 40
35
,to t. t2 t3
Тп
-To
-V—1 —1 1
ч:м
0:00
1:21 2:42
4:04
5:25 6:47
8:08
Рис. 2. Изменение температуры на вводе тепловых сетей в вуз
Процесс изменения температуры на вводе тепловых сетей в вуз при постоянном расходе теплоносителя представлен на рис. 2. Рассмотрим концевой объект внутренних теплосетей вуза - автоматизированный ИТП механического корпуса и особенности исследуемых переходных процессов с учетом изменения входной величины (рис. 2). До появления возмущения на вводе тепловых сетей вуза в подающем трубопроводе СО корпуса стабилизировалась температура в соответствие с заданной (Т^), затем с падением температуры на вводе в ИТП до уровня ниже чем Т£, в системе автоматизации по команде локального контроллера регулирующий клапан К1 был открыт на максимум (рис. 3б) для компенсации, возникшего отклонения (рис. 3а).
Рис. 3. Изменение температуры (а) и расхода (б) в СО корпуса
Однако даже при максимальном расходе теплоносителя порядка 12 м3/ч в СО корпуса температура продолжала падать (рис. 3а), так как при этом уменьшалась температура на вводе тепловых сетей (рис. 2) и соответственно на вводе в ИТП, а в общем характер изменения температуры теплоносителя в подающем трубопроводе соответствовал Тп при температурах ниже стабилизируемой. Затем после увеличения температуры Тсо и достижения ею некоторой величины более чем в системе автоматизации по команде локального контроллера шток регулирующего клапана К1 перемещался таким образом, чтобы уменьшить расход на вводе в ИТП до некоторого уровня с целью компенсации возникшего отклонения. Следовательно, процесс регулирования температуры в СО корпуса определяется не только воздействием внешней окружающей среды, но и существенно зависит от изменения температуры на вводе тепловых сетей в вуз. Кроме того, в некоторый момент времени (см. рис. 3 - 6 ч 47 м вечера) наблюдается уменьшение расхода и температуры Тсо теплоносителя на вводе ИТП в СО корпуса, что связано с переходом системы на режим работы с целью экономии тепловой энергии в вечерние и ночные часы.
Анализ экономической эффективности показал, что экономия тепловой энергии по комплексу БГТУ им. В. Г. Шухова в абсолютном выражении составила около 4053 Гкал в год, причем коммунальные расходы за тепло были снижены в целом по вузу на 22 % с учётом фактического потребления [1]. В настоящее время объекты БГТУ им. В.Г. Шухова получают тепловую энергию от собственных модульных котельных типа ТКУ, необходимость строительства которых была обусловлена высокими потерями тепловой энергии (5% в магистральных тепловых сетях, протяженностью 11 км; 11,9% - в распределительных, протяженностью 5,12 км) и ее высокой покупной стоимостью. В этой связи актуальными являются инновационные решения для АСДУ комплекса зданий с автономными источниками тепла (АИТ) [2] на базе комбинированного подключения СО и ГВС, основанного на подключениях части этих систем с относительно малой тепловой нагрузкой к части СО и ГВС с относительно большой тепловой нагрузкой, подключенных к АИТ с учётом их автоматизации и возможностью интегрирования в АСДУ (см. рис. 4).
К33.1 К33.2
Рис. 4. Блок-схема АИТ для зданий с несколькими ИТП
АИТ содержит: теплогенераторы (ТП), питательные насосы (НШ), электроприводы (М1), регуляторы температуры прямого действия (РТ1) с клапанами (К1, К2) и датчики температуры (ДТ1), расширительный бак (РС1), подпиточный трубопровод ТГi с регулятором давления прямого действия (РД1) с регулирующим клапаном (КЗ) и датчиком давления (ДД1), подпиточным насосом (ШЛИ) с электроприводом (МЗ) и с системой водоподготовки (ХВП), а также клапаны обратные (КО1) и шаровые краны (К3^.
Автоматизированные ИТП зданий содержат следующие элементы:
1. Системы ГВС зданий на базе теплообменников (Ю^, включающие регуляторы температуры прямого действия (РТг1) с трехходовыми клапанами (КЫ) и датчиками температуры (ДТЫ), циркуляционные насосы ГВС (Ш. 1) с электроприводами (М1.2), подпиточные трубопроводы с насосами ГВС (ШИН. 1) с электроприводами (М12) и системой ХВП, а также клапаны обратные (КОу) и шаровые краны (КЗУ).
2. Системы отопления зданий, подключенные к АИТ по зависимой схеме и включающие регуляторы температуры прямого действия (РТ^2) с трехходовыми клапанами (Кг2) и датчиками температуры (ДЛ.2), моноблоки циркуляционных насосов (Ну) с электроприводами (Му) и контроллерами (TKi) для поочерёдного включения основных и резервных насосов, а также клапаны обратные (КОу) и шаровые краны (КЗу). Индивидуальные тепловые пункты с системами отопления и ГВС (ИТП1, ИТП2) имеют большую тепловую нагрузку, а ИТП3 - относительно малую. Такое техническое решение в виде системы управления теплопотреблением комплекса зданий направлено на минимизацию затрат при создании систем автоматизации п - индивидуальных тепловых пунктов зданий с системами отопления и ГВС, а также на уменьшение эксплуатационных расходов на системы автоматизации ИТП за счет уменьшения количества применяемых элементов автоматизации и на повышение эффективности функционирования систем автоматизации п - ИТП зданий в целом. Следует отметить, что при проектировании, например, ИТП2 обязательно учитываются дополнительные тепловые нагрузки ИТПЗ. Для упрощения представления разработки (см. рис. 4) системы автоматического регулирования СО и ГВС ИТП зданий представлены на базе регуляторов прямого действия. В реальных системах они выполнены на базе контроллеров, исполнительных механизмов, регулирующих клапанов и датчиков температуры.
Исследуем на основе экспериментальных исследований и имитационного моделирования в среде 81шиИпк особенности процессов в ИТП 3-х зданий с системами теплоснабжения с возможностью изменения расхода теплоносителя в СО каждого ИТП здания. В этой системе через технологическую камеру (ТК1) осуществляется связь АИТ с 3-мя ИТП зданий, содержащих 6 объектов управления: здание 1 - систему отопления (ИТП1), здание 2 - СО (ИТП2) и приточно-вентиляционную установку (ПВУ1), здание 3 - СО (ИТП3), ПВУ2 и тепловую завесу (ТЗ1). В ИТП зданий применяется схема зависимого присоединения систем отопления, ПВУ и ТЗ1. При разработке структурной схемы имитационного моделирования особенностей управления теплопотреблением этих объектов их гидравлические сопротивления определялись на основе экспериментальных исследований, а гидравлические сопротивления трубопроводов до этих объектов вычислялись классическим методом с учетом их диаметров, длин, изгибов и т.д. Расход теплоносителя измерялся с помощью ультразвукового расходомера типа Portaflow, а давление определялось прибором Метран-ЮОДА [3]. При моделировании СО здания применялись следующие уравнения:
здесь т1, т2 и к - соответственно постоянные времени и коэффициент передачи СО, определяемые при параметрической идентификации СО здания; G1(t) и ТЩ) - соответственно расход теплоносителя и его температура на входе ИТП, Gок(t), Gсо(t) - расходы на перемычке при зависимой схеме подключения и в подающем трубопроводе СО. Первое уравнение системы (1) учитывает смешивание теплоносителей, 2 - уравнение неразрывности потоков, 3 - уравнение, описывающее процессы в СО, причем То© и Тсо(Г) соответственно температуры теплоносителя в обратном и подающем трубопроводах СО. Результаты исследования распределения расходов теплоносителя в подающих трубопроводах этих объектов при функционировании их в рабочих режимах (РР) и с учетом условий, при которых расходы теплоносителя в заданных объектах последовательно принимались равными нулю, представлены в таблице.
T1G1(t) + T0(t)-(GM-G1(t)) = GC0TM(t)f Gc>K(t> + Gl(t) = G,0, d2T dT
~df + (T]+Tl)~dt + T°= kT™(t)"
d2T
dt
(1)
Таблица
Расходы теплоносителей в зданиях с инженерными системами
Расход теплоносителя по объектам, м3/ч
Режим работы исследуемых объектов здание 1 здание 2 здание 3
ТП1 ТП2 ПВУ1 ТП3 ПВУ2 ТЗ1
G11 G21 G22 G31 G32 G33
Все объекты в РР 7,0 14,0 2,50 16,40 5,60 1,20
011 = 0, в остальных РР 0 16,80 2,90 18,76 6,80 1,40
021 = 0, в остальных РР 10,50 0 3,70 22,37 8,30 1,70
031 = 0, в остальных РР 10,80 21,40 3,70 0 8,80 1,85
011 и 021 = 0, остальные в РР 0 0 4,87 28,67 10,90 2,21
Анализ результатов показывает (см. табл.), что относительные соотношения расходов в подающих трубопроводах объектов в рабочих режимах, следующие: G11 - 15,0%; в21 - 30,0%; в22 - 5,4%; в31 -35,1%; в32 - 12,0%; в33 - 2,5%. Учитывая, что максимальный расход в системе теплопотребления 3-х зданий наблюдается в ИТП3, поэтому рассмотрим этот вариант с учётом G31 = 0. Перераспределения соотношений расходов теплоносителя между остальными объектами, находящимися в РР следующие: G11 -23,1% (Т на 8,1%); G21 - 46,0% (Т на 16,0%); G22 - 8,0% (Т на 2,6%); G32 - 19,0% (Т на 7,0%); G33- 3,9% (Т на 1,4%). Зависимость изменения суммарных расходов GEi в исследуемых зданиях 2 и 3 при условии G11 = 0 с учётом экспериментов, показана на рис. 5.
Рис. 5. Зависимость изменения суммарных расходов GEi в зданиях 2 и 3
Выводы: при переходе на децентрализованное теплоснабжение нельзя подключать к АИТ часть автоматизированных ИТП, а остальную часть с малой тепловой нагрузкой оставлять без автоматизации. Исследования показали, что в этом случае перераспределение соотношений расходов теплоносителя между распределенными объектами определяется их гидравлическими сопротивлениями, которые в свою очередь зависят от положений штоков регулирующих клапанов систем автоматизации. Тогда, например, при программном снижении температуры (в вечернее и ночное время) в автоматизированных ИТП соответственно скачкообразно уменьшится на вводах ИТП зданий расход потребляемого теплоносителя, а это приведет к перераспределению соотношений расходов теплоносителя между неавтоматизированными ИТП, т.е. с элеваторными узлами. В этом случае ожидаемого снижения потребляемой тепловой энергии в целом не произойдет.
Библиографический список
1.Потапенко, А.Н. Автоматизированное управление процессом централизованного теплоснабжения распределенного комплекса зданий с учетом моделирования этих процессов / А.Н. Потапенко, Е.А. Потапенко, А.С. Солдатен-ков, А.О. Яковлев // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2007. № 6-7. С. 123-136.
2.Хаванов, П.А. Автономная система теплоснабжения - альтернатива или шаг назад? // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика (АВОК). 2004. №1. С. 34-37.
3.Солдатенков, А.С. Исследование процессов перераспределения энергоносителя при частичной автоматизации распределенного комплекса зданий / А.С. Солдатенков, А.Н. Потапенко // Международный научно-технический журнал "Свило- техника та електроенергетика". 2009. №2 (18).
ГУСАРОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ - магистрант, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
