Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор теоретических и экспериментальных исследований тепловых и гидравлических режимов систем теплоснабжения 10
1.1. Актуальность проблемы управления тепловыми и гидравлическими режимами теплоносителей в системах теплоснабжения 10
1.2. Центральное регулирование тепловой нагрузки 13
1.3. Существующие схемы тепловых пунктов 24
1.3.1. Основные схемы ТП, их особенности 25
1.3.2. Схемы автоматизации ТП 27
1.4. Достоинства и недостатки существующих методик расчета тепловых и гидравлических режимов ТП 36
1.4.1. Способы расчета режимов теплообменных аппаратов 36
1.4.2. Методики расчета режимов ТП 42
1.5. Компьютерные программы и системы управления системами теплоснабжения 47
1.5.1. Цели и задачи автоматизации систем управления централизованным теплоснабжением 47
1.5.2. Диспетчерское управление централизованным теплоснабжением... 49
1.5.2.1. Основные задачи диспетчерского управления 49
1.5.2.2. Структура и средства системы автоматизированного диспетчерского управления централизованным теплоснабжением 50
1.5.2.3. Перспективы развития оперативно-диспетчерского управления централизованным теплоснабжением 52
1.5.3. Компьютерные программы, используемые в информационных управляющих системах 53
1.5.3.1. Система «СКФ-99» 53
1.5.3.2. Графическая станция XBS 54
1.5.3.3. Программное обеспечение для настройки теплорегулятора РУДИ 56
1.5.4. Основные выводы раздела 1.5 57
1.6. Целиизадачи исследования 58
ГЛАВА 2. Математическое моделирование режимов совместной работы систем отопления, вентиляции, ГВС 59
2.1. Математическая модель двухступенчатой смешанной схемы подогревателей ГВС с ограничением расхода 59
2.1.1. Анализ режимов смешанной схемы 60
2.1.2. Уравнения, описывающие математическую модель 61
2.1.3. Граничные условия 64
2.2. Моделирование режимов двухступенчатой смешанной схемы подогревателей ГВС с ограничением расхода 65
2.2.1. Определение расчетных параметров системы отопления 65
2.2.2. Расчет требуемых графиков температур воды в тепловых сетях 66
2.2.3. Последовательность определение расчетных параметров системы ГВС 68
2.2.4. Расчет переменных режимов работы ТП 73
2.2.4.1. Первый этап расчета 73
2.2.4.2. Второй этап расчета 77
2.2.4.3. Третий этап расчета 81
2.2.5. Сравнение результатов расчета с эксплуатационными данными 88
2.3. Моделирование оптимальных режимов ТП при высоких температурах наружного воздуха 90
2.3.1. Типовые режимы ЦТП при максимальном водоразборе 91
2.3.2. Методика расчета рациональных режимов 96
2.3.3. Режимы для настройки регулятора температуры воды для ГВС 98
2.3.4. Основные выводы раздела 2.3 100
2.4. Особенности совместной работы систем отопления и ГВС в условиях значительного снижения температур наружного воздуха 101
2.4.1. Причины и последствия критических ситуаций в теплоснабжении... 101
2.4.2. Режимы совместной работы систем отопления и ГВС при низких наружных температурах 103
2.4.3. Расчет режимов ТП без дефицита тепла для системы отопления при низких наружных температурах ;. 106
2.4.4. Особенности местного регулирования подачи тепла в систему отопления. Некоторые рекомендации 109
2.4.5. Основные выводы раздела 2.4 ПО
2.5. Моделирование режимов работы ТП с двухступенчатой смешанной схемой присоединения подогревателей ГВС при повышенном температурном графике 111
2.5.1. Расчет повышенного графика центрального регулирования 112
2.5.2. Определение расчетных параметров оборудования ТП 113
2.5.3. Расчет переменных режимов ТП 114
2.5.4. Способы местного количественного регулирования 116
2.5.5. Повышенный график центрального регулирования для смешанных схем ТП с ограничением расхода 120
2.5.6. Основные выводы раздела 2.5 122
2.6. Проблемы надежности теплоснабжения при автоматизации тепловых пунктов 123
2.7. Основные выводы главы 2 128
ГЛАВА 3. Компьютерная программа «расчет системы теплоснабжения» 129
3.1. Функциональные возможности и технические характеристики программы 130
3.2. Общее описание программы 131
3.3. Расчет тепловых потоков и расходов сетевой воды 134
3.4. Расчет центрального регулирования 138
3.5. Расчет требуемой площади подогревателей ГВС 144
3.6. Выбор схемы и расчет на прочность гибких компенсаторов 147
3.7. Расчет переменных режимов работы двухступенчатой смешанной схемы присоединения подогревателей ГВС 154
3.8. Гидравлический расчет тепловых сетей 158
3.9. Тепловой и экономический расчет оптимальной толщины тепловой изоляции трубопроводов 163
3.10. Расчет нагрузок на неподвижные опоры трубопроводов 168
3.11. Основные выводы главы 3 173
ГЛАВА 4. Информатизация образования как составляющая компьютеризации систем управления инженерными сетями 174
4.1. Обоснование развития системы открытого и дистанционного образования 175
4.1.1. Нормативные документы информатизации образования 175
4.1.2. Необходимость совершенствования и повышения качества существующих методик обучения 176
4.1.3. Основные требования к информационным системам в образовании 178
4.2. Специфика компьютеризации образования в теплотехнике и теплоэнергетике 183
4.3. Особенности применения компьютерной программы «Расчет системы теплоснабжения» в учебном процессе 181
4.4. Основные выводы по внедрению компьютерной программы «Расчет системы теплоснабжения» в учебный процесс 184
Заключение 186
Список использованных источников 188
Приложения 200
- Структура и средства системы автоматизированного диспетчерского управления централизованным теплоснабжением
- Режимы совместной работы систем отопления и ГВС при низких наружных температурах
- Расчет переменных режимов работы двухступенчатой смешанной схемы присоединения подогревателей ГВС
- Особенности применения компьютерной программы «Расчет системы теплоснабжения» в учебном процессе
Введение к работе
Большая часть тепловой энергии, получаемой при сжигании топлива, вырабатывается, передается и распределяется системами централизованного теплоснабжения (СЦТ). Централизованное теплоснабжение обладает более высокой экономичностью, чем автономное, оказывает меньшее вредное воздействие на экологию городов и является одним из наиболее эффективных мероприятий по экономии топлива и эксплуатационных затрат. Тем не менее, энергосбережение является одной из ключевых задач современной.экономической реформы
России в области теплоснабжения.
Опыт эксплуатации СЦТ в России показал, что не все их преимущества используются потребителями тепловой энергии. Под воздействием случайных климатических возмущений абоненты-жители часто испытывают тепловой дискомфорт и перебои с подачей горячей воды. К числу одной из основных причин такой низкой эффективности и экономичности многих СЦТ можно отнести практически полное отсутствие современных средств автоматизации регулирования и распределения теплоносителей в тепловых пунктах (ТП). Существующие системы автоматизации ТП рассчитываются только на максимальные расходы во взаимосвязанных системах горячего водоснабжения (ГВС) и отопления, что не позволяет рационально использовать тепловую энергию в других режимах. Вследствие этого работа систем отопления, вентиляции, ГВС очень редко удовлетворяет параметрам, установленным СНиПами и санитарными нормами.
Сами средства автоматизации также не способны обеспечить постоянное поддержание требуемых параметров. Например, как показано в нашей работе, применяемое в настоящее время регулирование нагрузки горячего водоснабжения только по температуре горячей воды вызьшает нарушения работы системы отопления и завышенную температуру обратной воды в тепловой сети. Поддержание постоянного расхода воды из сети для системы отопления вызьшает значительные нарушения отопления в довольно типичных условиях работы
СЦТ: при верхней срезке температурного графика xi(tH) при длительном стоянии низких наружных температур.
Стремление сократить расход воды в тепловой сети привело к появлению новых схем присоединения нагрузок горячего водоснабжения в тепловых пунктах и новых методов регулирования отпуска тепла. Это значительно усложнило тепловые и гидравлические режимы теплофикационных систем. В настоящее время наиболее часто в тепловых пунктах применяется двухступенчатая смешанная схема присоединения подогревателей горячего водоснабжения при ограничении расхода сетевой воды. Достоинством схемы является уменьшение расчетных расходов сетевой воды и отсутствие перетопов в переходный период отопительного сезона. Однако для этой схемы ТП в научной литературе отсутствовали методики расчета, что делало невозможным оптимальное управление режимами ТП и не позволяло использовать преимущества этой схемы вследствие жесткой взаимосвязи между нагрузками отопления и горячего водоснабжения, имеющими различные режимы работы.
Настоящая работа посвящена: а) совершенствованию существующих методов расчета тепловых и гидравлических режимов тепловых пунктов; б) разработке методики расчета переменных режимов ТП с двухступенчатой смешанной схемой присоединения подогревателей ГВС при ограничении расхода сетевой воды; в) разработке компьютерной программы расчета и проектирования СЦТ; г) компьютеризации управления системами централизованного теплоснабжения на этапах подготовки кадров в вузах и проектирования. Это позволит обеспечить регулирование ранее не управляемых параметров теплоносителей, в том числе при различных нарушениях режимов в источниках теплоты, в тепловых сетях и в тепловых пунктах.
Технический прогресс в области гидравлических и тепловых режимов систем теплоснабжения тесно связан с проводимыми теоретическими и экспериментальными исследованиями. Методы регулирования гидравлических и тепловых режимов освещены в ряде работ д.т.н. Е.Я. Соколова [11, 114, 115,116, 117, 119, 120, 121, 122, 123 и др.], д.т.н. Н.М. Зингера
25,26,27, ЗО, 31,34, 35, 36, 37, 38, 39,40,41, 42,43,44,45,121 и др.], к.т.н. А.Н. Мелентье ва [60], д.т.н. Л.Г. Скрицкого [109], к.т.н. И.В. Дмитриева [21], к.т.н. В.П. Вершинского [12], к.т.н. С.Д. Содномовой [113], к.т.н. Г.В. Монахова [64], к.т.н. В.П. Кононова [47], к.т.н. А.А. Кошелева [51], к.т.н. Б.И. Свинухова [105]. Расчетные и экспериментальные исследования абонентских вводов при различных системах теплоснабжения, а также обобщение опыта их проектирования и эксплуатации выполнены к.т.н. Н.К. Громовым [13, 16, 17, 18, 19], к.т.н. М.Л. Заксом [24], к.т.н. М.С. Закатовой [23, 120], к.т.н. Ц. Цэдэндамбой [139], к.т.н. Г.А. По-бегаевой [74], к.т.н. М. Бэхтором [10], к.т.н. Ф.В. Сенковым [106]. Значительным достижением в разработке методов тепловых расчетов явилось предложенное д.т.н., проф. Е.Я. Соколовым уравнение характеристики теплообменных аппаратов, на основе которого в настоящее время производится расчет переменных режимов систем теплоснабжения. Анализ методов расчета различных авторов показал, что предложенный Е.Я. Соколовым расчет режимов теплообменных аппаратов методом линейных характеристик позволяет с достаточно высокой точностью определять производительность теплообменников в широком диапазоне их работы, однако требуется дальнейшее уточнение их режимов, применительно к конкретным условиям и в различных критических ситуациях. Необходимость совершенствования расчетов режимов тепловых пунктов неоднократно отмечалось в работах В.И. Ливчака с сотр. [2, 53, 54,55,56,57, 76].
Большое значение в разработке систем и приборов авторегулирования имеют работы А.П. Сафонова [103], д.т.н. С.А. Чистовича [1, 137, 138], B.C. Фаликова [132, 133, 134, 138], В.П. Витальева [133, 134, 13], к.т.н. В.П. Назарова [65]. Современные методы физического и математического моделирования при оптимизации управления в системах теплоснабжения рассмотрены в работе д.т.н. И.М. Михайленко [63].
Особенностями некоторых существующих расчетных методик является то, что суммарный расход воды на ввод и на подогреватель горячего водоснабжения определяется только из гидравлического расчета, что может вызвать нарушения совместной работы систем
ГВС и отопления при нарушениях теплоснабжения. Как показало выполненное нами исследование, необходимо сначала произвести тепловой расчет и выбрать рациональный режим их совместной работы, а затем на этот режим настроить систему регулирования, для чего производится гидравлический расчет по данным теплового расчета.
Проводившиеся исследования вместе с тем показали, что методы ручного расчета гидравлических и тепловых режимов оказываются недостаточными для решения многочисленных практических задач, возникающих в результате усложнения схем тепловых сетей при разнородной тепловой нагрузке.
Анализ актуальности проблемы управления тепловыми гидравлическими режимами теплоносителей в системах теплоснабжения; способов центрального и местного регулирования тепловых нагрузок, существующих схем тепловых пунктов и схем их автоматизации; научно-методической литературы и способов расчета режимов тепловых пунктов, диспетчерских и информационных систем и программ, управляющих работой СЦТ, позволил сформулировать в первой главе основные задачи исследования, основными целями которого являются повышение надёжности, эффективности и качества теплоснабжения за счет оптимизации проектирования и наладки систем централизованного теплоснабжения компьютерными средствами.
Во второй главе представлена математическая модель, методика расчета и результаты моделирования режимов работы в критических условиях теплового пункта с двухступенчатой смешанной схемой присоединения подогревателей горячего водоснабжения при ограничении расхода сетевой воды.
В третьей главе представлено описание разработанной нами программы для ЭВМ, позволяющей моделировать работу тепловых пунктов в разных режимах по предложенной во второй главе методике и производить основные расчеты, выполняемые при проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения.
Применение разрабатываемого программного обеспечения, современных средств и систем управления не будет эффективным при существующей недостаточно высокой ком
9 пьютерной грамотности обслуживающего персонала. Поэтому в четвертой главе приводится
обоснование развития системы информатизации образования; рассматривается специфика
информатизации образования в теплотехнике и теплоэнергетике, дается оценка возможности
применения разработанных программ в системе дистанционного образования и в системе
подготовки и переподготовки инженерно-технических и педагогических кадров.
Автор надеется, что использование разработанной методики расчета режимов тепловых пунктов и компьютерной программы расчета систем теплоснабжения позволит создавать при помощи программируемых регуляторов оптимальные тепловые и гидравлические режимы тепловых пунктов без перерасхода тепловой энергии и уменьшит возможность возникновения критических ситуаций в теплоснабжении городов.
Работа выполнена на кафедре «Теплогазоснабжения и вентиляции» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета.
Автор выражает благодарность за помощь в подготовке диссертации научному руководителю д.т.н., профессору кафедры ТГиВ НГАСУ А. С. Басину и сотрудникам кафедры; Институту теплофизики СО РАН; Научно-исследовательскому проектно-строительному предприятию «Рекон» и ведущей организации.
Структура и средства системы автоматизированного диспетчерского управления централизованным теплоснабжением
В [34, 37] отмечено, что при vj/a vj/p и Gd Gdo помещения перегреваются при низких („. Однако исследование работы смешанной схемы с ограничением показало, что при низких tH значительно снижается /„ вследствие уменьшения Gj0 (рисунках 2.13, 2.16), что также подтверждается работой [55] (таблица 1.1, график 5), где предлагается при низких /„ делать дополнительную температурную надбавку для учета циркуляции ГВС при повышенном температурном графике. Это ещё раз доказывает необходимость исследования переменных режимов работы данной схемы ТП.
При построении повышенного температурный графика из условия компенсации балансовой нагрузки ГВС (на 20 % превышающей среднечасовую нагрузку) по формулам [25] не учитывается расход тепла на нагрев воды, циркулирующей в системе централизованного горячего водоснабжения. В то же время расход Qhw составляет значительную величину и недостаточный его учет может привести к снижению подачи тепла на отопление зданий, так как по принятым технологическим схемам ТП в первую очередь обеспечивается теплом ГВС. Так, нагрев воды, циркулирующей в системе ГВС, осуществляется в подогревателях II ступени. При последовательной схеме эти подогреватели по сетевой воде предвключены системе отопления. При смешанной схеме присоединения в силу меньшего сопротивления подогревателей II ступени по сравнению с отопительной внутриквартальной сетью, нагрев воды в системе ГбС до заданной температуры при дефиците тепла будет происходить за счет сокращения расхода теплоносителя в систему отопления.
Следует учесть, что в часы максимального водоразбора расход тепла на циркуляцию не превышает 5 % расхода на нагрев ГВС [55], а при определенном конструировании сети циркуляционный расход ГВС может вообще отсутствовать. Поэтому он не повлияет на расчетный расход сетевой воды при отопительном графике, но в системе теплоснабжения с повышенным графиком температур расход тепла на циркуляцию ГВС должен учитываться обязательно. В противном случае будет занижен расход тепла на отопление.
В настоящее время наиболее распространенным при централизованном теплоснабжении является температурный график 150-70С. В отдельных случаях на транзитных участках тепловой сети применяются температурные графики 180-70С, а в проектах 200-70С. Расчетная температура воды в подающем трубопроводе 160, 170,180 и даже 210С применяется и в зарубежной практике (Франция, Бельгия, ФРГ, Канада и др.), в основном в системах, получающих тепло от районных котельных при независимой схеме присоединения потребителей [73].
Повышение исходной температуры теплоносителя позволяет уменьшить расходы сетевой воды и диаметры теплопроводов, что обеспечивает снижение капиталовложений в тепловые сети и уменьшает расход электроэнергии на перекачку теплоносителя. Благодаря этому при теплоснабжении от районных котельных очевидна экономическая эффективность повышения температуры воды в тепловых сетях.
При теплоснабжении от ТЭЦ повышение расчетной температуры воды вызывает необходимость повышения давления в отопительных отборах турбин, а в ряде случаев приводит к необходимости использования пара промышленных отборов с соответствующим снижением мощности турбин и выработки электроэнергии на тепловом потреблении, что связано с некоторыми потерями электромощности ТЭЦ. Таким образом, выбор оптимального температурного графика отпуска тепла от ТЭЦ определяется соотношением экономического эффекта, получаемого в тепловых сетях, и потерь, возникающих при производстве электроэнергии, а также дополнительных затрат в системах теплопотребления. Кроме того, значительный диапазон изменения относительной экономии начальных затрат на тепловые сети за счет повышения расчетной температуры воды в сети определяется рядом факторов и в первую очередь дискретностью изменения диаметров выпускаемых труб и типоразмеров строительных конструкций, особенно подземных непроходных каналов. По этой же причине по вышение расчетной температуры воды в сети от 180-7ОС до 200-70С обеспечивая сниже ние расхода сетевой воды примерно на 13% [73], во многих случаях не дает снижения диа метра теплопроводов и уменьшения капиталовложений. Расход электроэнергии на перекачку сетевой воды при повышении расчетной температуры в подающей магистрали тір со 150 до 180С уменьшается, но при дальнейшем повышении тір со 180 до 200С в результате совме стного влияния дискретности изменения диаметров труб и роста минимально допустимого (по условиям невскипания) давления либо сохраняется на то же уровне, либо даже возрастает. Для устранения указанных недостатков при централизованном теплоснабжении от ТЭЦ целесообразно применять «срезку» температурного графика при низких /н» но это требует точного расчета и регулирования режимов совместной работы систем отопления и ГВС: возможность критического (по условиям замерзания воды) снижения Т2 в условиях резкого похолодания; сложность обеспечения нагрузки ГВС без ущерба для системы отопления; необходимость отключения системы ГВС (или подогревателя II ступени) при достижении определенной /„ (исследование работы систем со «срезкой» в условиях низких /н приведено в разделе 2.4.). Таким образом, можно сделать общие выводы. ? Существующие центральные температурные графики отпуска тепла на суммарную нагрузку отопления и ГВС, принятые на ТЭЦ или РК, не соответствуют потребностям этих систем [57], так как при их построении недостаточно полно учитываются основные составляющие теплового баланса жилых зданий и расход тепла на циркуляцию в системах ГВС. ? На современном этапе развития нагрузок ГВС возникла объективная необходимость в разработке и исследовании новых технических решений, позволяющих упорядочить гидравлический режим работы тепловых сетей и устранить непроизводительный расход тепловой энергии [146]. ? Для крупных теплофикационных систем желательно вводить в алгоритм управления автоматизированным отпуском тепла составляющую, учитывающую прогнозируемые влияния погоды на тепловой режим зданий. Совершенно очевидно, что реализация режимов, учитывающих переменные факторы, невозможна без использования средств автоматизации и вычислительной техники [138]. ? Рыночные (договорные) отношения требуют более строгих взаимных обязательств сторон, учета и контроля за расходом тепла и теплоносителя. У большинства абонентов жилищно-коммунального сектора приборы учета расхода тепла отсутствуют. Во многих случаях отсутствуют или не работают регуляторы расхода и температуры в ТП, что приводит к значительным перерасходам тепла и сетевой воды. В [35] указывается на необходимость в договорах между энергоснабжающей организацией и потребителем оговаривать взаимные обязательства сторон: со стороны энергоснабжающей организации - обеспечение согласованного температурного графика в подающей линии и перепада давлений сетевой воды; со стороны абонента - обеспечение согласованного расхода сетевой воды и её температуры в обратной линии.
Режимы совместной работы систем отопления и ГВС при низких наружных температурах
Недостатки одноступенчатой параллельной схемы присоединения подогревателя ГВС, а именно: повышенный расход воды в сети, что вызывает рост диаметров трубопроводов, увеличение начальных затрат и расхода металла, перерасход электроэнергии на перекачку теплоносителя; снижение энергетической эффективности теплофикации вследствие невозможности использования вакуумных отборов у турбин, были выявлены ещё в 50-е годы [114] и отмечались позднее [25, 121]. Поэтому применение параллельной схемы ограничено очень малыми или очень большими относительными нагрузками ГВС; для повышения эффективности использования тепловой энергии предлагались двухступенчатые схемы присоединения подогревателей ГВС и схемы автоматизации регулирования расходов и температур теплоносителей в ТП (таблица 1.2). Предложенная Н.К. Громовым одноступенчатая последовательная схема с предвключенным подогревателем ГВС на подающей магистрали [16], уступает по энергетическим показателям двухступенчатым схемам, так как нагрузка ГВС удовлетворяется за счет тепла повышенного потенциала, в то же время тепло обратной воды в этой схеме не используется.
Однако при двухступенчатой последовательной схеме, а также предложенной в последнее время смешанной схеме с ограничением максимального расхода сетевой воды, температура теплоносителя в системе отопления зависит от величины нагрузки ГВС II ступени подогревателя и поэтому является переменной в течение суток, что требует исследования рациональных режимов работы этих схем. Существенным недостатком последовательной и традиционной смешанной с ограничением расхода схемы является неизбежное нарушение санитарно-гигиенических норм температуры воды, поступающей в отопительные приборы [117]. При наиболее низкой /н. когда ц равна расчетной (при отопительном графике) или близка к ней (при повышенном графике), недостаточная подача тепла в систему отопления в часы максимального водоразбора при последовательной схеме должна быть компенсирована повышенной теплоотдачей приборов в другие часы суток. Достигнуть этого можно только подачей в прибор воды с температурой выше расчетной, то есть более 105 С.
Кроме того, в [117] отмечается, что при высоких /„, когда ті постоянна, неизбежна разрегулировка систем отопления, т.к. при регулировании по отопительному графику колебания температуры воды, поступающей в систему отопления составляют в часы максимального водоразбора 20-25 С при регулировании по отопительному графику и увеличиваются до 40-45С при регулировании по повышенному графику. Следовательно, регулирование работы ТП по повышенному графику связано с наибольшей неравномерностью подачи тепла в систему отопления и нуждается в доказательствах возможности обеспечения при нем нормального температурного режима помещений [117,145].
Цель автоматизации ТП состоит в наиболее эффективном решении задачи теплоснабжения — подачи потребителям теплоты необходимого качества и количества без непосредственного вмешательства человека. Задачи автоматизации ТП в соответствии с [125] состоят в следующем: регулирование отпуска теплоты на отопление и вентиляцию в зависимости от температуры наружного воздуха; ? обеспечение заданной температуры воды в системе горячего водоснабжения; ? автоматическое снижение давления на входе в ТП; ? рассечка сети на две гидравлически изолированные зоны в статических условиях при остановке подкачивающих насосов, в случае недопустимых статических условий, поддержание гидравлического режима в сетях за ЦТП; ? снижение давления на всасывающем патрубке смесительно-подкачивающих насосов; ? включение резервного насоса при остановке одного из работающих; ? при водоразборе автоматическое включение сетевого насоса горячего водоснабжения и отключение циркуляционного насоса; ; ? при отсутствии водоразбора отключение насоса горячей воды и включение циркуляционного насоса; " отключение подкачивающих насосов системы отопления при падении давления в подающем трубопроводе; ? прекращение подачи воды в баки-аккумуляторы при достижении верхнего уровня воды в баках; при достижении нижнего уровня - отключение насосов горячей воды; ? регулирование подпитки систем отопления - в ЦТП с независимым присоединением систем отопления; " измерение параметров теплоносителя и учет расхода теплоты. Особенности работы систем автоматизации существующих двухступенчатых схем ТП по ОСТ 36-27-77 представлены в таблице 1.2. Указанные особенности работы современных систем автоматизации ТП позволяют сформулировать общие выводы по рассмотренным системам группового и местного авторегулирования отопительной нагрузки. 1. Регулирование отпуска тепла на отопление может производиться по: усреднённой температуре наружного воздуха за сравнительно длительный период времени 6-12 ч (схемы 1-3,8-11); усреднённой внутренней температуре представительных помещений (схемы 6, 7); внутренней температуре устройства, моделирующего тепловой режим зданий (схема 5); Выбор каждого из указанных параметров имеет свои достоинства и недостатки. Регулирование параметров теплоносителя только по tH упрощает систему регулирования, но не позволяет учитывать бытовые тепловыделения в зданиях Q m, что однако учитывается при расчете системы отопления и определении её тепловой мощности Q0 в соответствии со СНиП 2.04.05-91 , формула (1.1). Регулирование Q0 только по /„ значительно усложняет систему автоматизации из-за необходимости большого количества датчиков и линий связи, а кроме того, как отмечается в [121], может привести к перерасходу тепла - при отоплении с открытыми форточками. Оптимальными являются системы комбинированного регулирования (схемы 6,7) с поддержанием заданного графика т0з=іА/н) с коррекцией по /,. 2. В схемах с ограничением, особенно при повышенном температурном графике необходимо местное количественное регулирование отпуска тепла в систему отопления (рассмотрено в разделе 2.5, [94]). В схемах 1-4, 7, 8 системы автоматизации не обеспечивают требуемого Q0 при ті тір. 3. У абонентов с нагрузкой отопления и ГВС система автоматического регулирования (САР) не должна допускать увеличения суммарного расхода сетевой воды выше заданной величины. В противном случае может быть нарушен гидравлический режим сети, вследствие чего удалённые абоненты не будут получать тепло (схемы 8, 9). Должна быть исключена возможность компенсации недоотпуска тепла на отопление за счет дополнительного (сверх расчетного) расхода сетевой воды на ТП при максимальной нагрузке ГВС (напр. в схеме 8) при ті тір. Как показали результаты моделирования в разделе 2.4, необходимо отключать подогреватель II ступени при tH tH0 или ограничивать Gdh\ что возможно осуществить в схемах 6,7.
Расчет переменных режимов работы двухступенчатой смешанной схемы присоединения подогревателей ГВС
Усложнение систем централизованного теплоснабжения, повышение требований к качеству и надёжности отопления зданий выдвигает задачу совершенствования методов контроля их работы. В этих условиях уже оказываются недостаточными существующие методы инструментального контроля режимов отпуска и распределения тепла (термографирование в отапливаемых помещениях, дистанционная запись температур в сети и в отопительных установках абонентов (или группы абонентов) с помощью электронных самопишущих приборов).
При управлении системами ЖКХ и промышленными технологиями необходим переход к качественно новому уровню автоматизации — к сетевым распределенным системам управления (ССУ). [140, 82, 97, 95]. Главным структурным элементом ССУ является информационная сеть, управляющая тепловыми и гидравлическими режимами системы теплоснабжения при помощи базы данных о параметрах источника тепла, приборов контроля и регулирования, местных управляющих систем тепловых районов. Современной формой информационных систем являются банки данных, включающие в свой состав вычислительную систему, систему управления базами данных (СУБД), базы данных (БД), прикладные программы. Информационная система рассчитывается на предоставление запроса в единую БД и получение информации из БД по запросам потребителей-абонентов. Информация из заявок абонентов отображается при помощи электронной почты, как между абонентами системы, так и между абонентами других телекоммуникационных систем.
В БД поступает информация от ТЭЦ о количестве и параметрах (температура, давление) отпускаемого тепла, а также информация из диспетчерских пунктов о текущем состоянии объектов теплоснабжения (участки тепловых сетей, камеры и тепловые пункты) и отклонениях их работы. Кроме того, необходимо иметь информацию об аварийных режимах, наблюдавшихся в системе теплоснабжения, отказах элементов тепловых сетей для прогнозирования надёжности и устойчивости функционирования системы и принятия соответствующих решений. Функциями управляющих приложений являются: получение данных из БД, расчет и корректировка тепловых и гидравлических режимов системы теплоснабжения и возвращение информации в БД, а также передача её на вход программируемых микроконтроллеров, где она поступает к первичным измерительным преобразователям системы автоматизации (теплосчетчики, расходомеры, термопреобразователи, регуляторы температуры и давления) [97]. С развитием информационных технологий появилась возможность моделирования и компьютеризации ранее не управляемых параметров системы теплоснабжения, что позволит значительно повысить надёжность и эффективность её работы [82,92,140].
Компьютерные программы и системы, применяемые в настоящее время, управляют эксплуатационными режимами и пуском и остановом автоматизированного оборудования, контролем аварийных ситуаций. Они достаточно разнообразны, поэтому здесь целесообразно остановится только на отдельных из них.
Автоматизированная система «СКФ-99», разработанная Конструкторским бюро комплексных систем, г. Омск [107], предназначена для решения комплекса задач по управлению эксплуатацией систем теплоснабжения города.
Система позволяет производить расчет оптимальных гидравлических режимов сети для ее наладки, осуществляет моделирование ее функционирования для проработки вариантов — при аварийных ситуациях, при проектировании новых участков или изменении старых.
Основным объектом в системе является принципиальная гидравлическая схема. Её создание, модификация и управление осуществляются на базе встроенного графического редактора. Принципиальная схема теплосети, состоящая из элементов с их гидравлическими и тепловыми параметрами, хранится в БД системы. В тепловых районах вносятся текущие изменения в рабочую схему. Все изменения оперативно передаются через телекоммуникацию на главный сервер. В системе реализованы несколько математических моделей теплосети. Производится автоматический переход от описательной модели (база данных) через модель-граф к аналитической модели - системе уравнений, отражающих сетевые законы Кирхгофа. Расчеты и моделирование применяются для обоснованного выбора вариантов переключений и режимов при возникновении аварийных и др. нештатных ситуаций; для расчета оптимальных режимов сети на отопительный сезон; для проработки режимов при проектировании новых или модификации старых участков.
Графическая станция XBS (Excell Building Supervisor), производитель фирма Honeywell, обеспечивает наблюдение и управление работой устройств автоматики в зданиях, комплексах зданий и объектах, которые могут располагаться на большом удалении друг от друга. Она предназначена для работы в системах вентиляции, кондиционирования и в теплоэнергетике.
Станция обеспечивает общий надзор и обмен информацией между разнесенными в пространстве командоконтроллерами по локальной шине C-Bus, а также через модемы, работающие в телефонной сети. Наличие иерархической структуры базы данных системы XBS позволяет оператору поэтапно входить в структуру объекта надзора. Обычно в первом окне отображается целое здание или комплекс зданий. С помощью мыши оператор может постепенно переходить к отдельным зданиям, этажам и помещениям, вплоть до отдельных устройств. Отображение информации о состоянии отдельных элементов осуществляется в режиме реального времени, что позволяет проводить постоянный надзор за работой установки.
Программное обеспечение XBS содержит библиотеки готовых фрагментов установки и стандартных символов (схемы каналов, вентиляторов, клапанов, теплообменников, датчиков, задвижек и пр.).
Система XBS предоставляет также возможность регистрации состояний и значений параметров в отдельных точках установки. Наличие механизмов предоставления информации о сигналах сбоев и о приеме информации оператором позволяет осуществлять безошибочный учет сигналов сбоев. Сигналы аварийных состояний могут относиться к сбоям в работе устройств, к превышению значений параметра некоторого заданного уровня, к появлению заданных. Все сигналы сбоев регистрируются в буфере аварийной сигнализации для последующего использования и могут быть сразу же выведены на печать. К подобной информации относятся данные об источнике сбоя, время появления сигнала и соответствующий пояснительный текст. В стандартных сообщениях отображается перечень всех поданных аварийных сигналов, отчет о работе операторов, список сигналов, поступивших с определенного контроллера, а также перечень реальных сигналов аварии для определенного контроллера. При печати отчета обо всех сигналах сбоев оператор определяет время их появления, тип аварии, а также место их появления.
Особенности применения компьютерной программы «Расчет системы теплоснабжения» в учебном процессе
В разделе анализируется влияние отклонений параметров в тепловой сети на режимы работы систем инженерного оборудования жилых зданий, в первую очередь на отопление, формирующее тепловой режим помещений. Рассматриваются последствия снижения температуры воды в теплосети при экстремальных погодных условиях в некотором диапазоне ниже расчетной температуры наружного воздуха и эффективность отключения в этот период подогревателя горячего водоснабжения. Анализ проведен на примере теплового пункта, обеспечивающего нагрузки отопления и горячего водоснабжения.
При эксплуатации крупных систем централизованного теплоснабжения нередко наблюдаются нарушения нормальных режимов работы тепловых сетей. Надежность прохождения зимних нагрузок непосредственно зависит от технического состояния оборудования, износ которого на источниках теплоты и в тепловых сетях приближается по данным [67] к уровню 60 %.
Помимо аварийного состояния оборудования существует дефицит тепловой энергии, который для СЦТ Новосибирска, например, составляет около 20 % [124, 147], причем главная доля недостатка тепла приходится на жилой сектор. СЦТ Новосибирска рассчитана на график регулирования тепла 170-70С со срезкой на 150-70С, однако с учетом дефицита топлива, сложившимся в последние годы, выработкой ресурса топлива максимальная температура нагрева теплоносителя не поднималась выше 85-90С [72]. Срезку температурного графика можно рассматривать как частный случай не соответствия температуры теплоносителя х\ в подающей магистрали тепловых сетей требуемой по графику центрального регулирования. Потребители тепла, подключенные к теплофикационным системам, используют температурный потенциал сетевой воды не полностью (перепад температур в системах централизованного теплоснабжения, как правило, меньше расчетного на 15 - 20 % [50]). При этом отмечается, что на диапазоне наружных температур от -12 до -22С при выдерживании расчетных расходов у потребителей температура внутри помещений может снизиться до 14 С, у конечных потребителей до 10С. При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха температура внутри помещений будет значительно ниже 10С [72,124].
Степень разработанности и масштабы применения отдельных показателей безопасности при проектировании и эксплуатации жилых зданий и их систем теплоснабжения недостаточны. В настоящее время в качестве критерия безопасности функционирующей системы теплоснабжения города принимается её способность обеспечить температуру воздуха внутри отапливаемых жилых помещений ґв=18...22С. Возможность стояния температуры Л» ниже указанных значений в каких-либо ситуациях не предусмотрено государственными нормативными документами [78]. Исследования механизма терморегуляции [79] показывают, что границей опасности для человека является температура /в на уровне 14С, поскольку при такой температуре ещё обеспечивается равновесие между теплогенерацией человека и его теплообменом с окружающей средой. В [48, 49] отмечается, что понижение температуры воздуха до Ю...12С становится крайне неблагоприятным для человека и является показателем критического теплового состояния здания, так как в этом случае создаются ещё и аварийные условия работы инженерного оборудования. Дальнейшее понижение температуры в жилых помещениях вплоть до 0С характеризует катастрофическое тепловое состояние здания, при котором невозможна работа инженерных систем тепло- и водоснабжения [5].
Таким образом, нарушения теплоснабжения при низких температурах наружного воздуха являются особенно опасными и могут привести даже к аварийным ситуациям. Поэтому необходимо исследование особенностей работы местных теплопотребляющих систем в этих условиях, чтобы снизить вероятность отклонений и отказов в их работе.
Снижение тепловой мощности системы отопления вызывают, кроме перечисленных в п. 2.4.1 причин, особенности схем автоматизации и принципы регулирования параметров теплоносителей в ТП. 1) Отопительный регулятор РО (рисунок 2.1) настраивается на поддержание расхода воды из тепловой сети не более максимального расчетного Gdo max, обеспечивающего f„p при /но. При снижении /„ ниже /но» а также при «верхней» срезке температурного графика или отклонении температуры в теплосети %\ от требуемой т\ это приводит к недостаточной подаче тепла в систему отопления и к снижению /в 2) Существующие схемы автоматизации тепловых пунктов проектируются таким образом, что вода из сети сначала используется для обеспечения нагрузки ГВС во II ступени подогревателя, где часто расходуется часть отопительного теплового потенциала, и только затем поступает в систему отопления. Это связано с большой неравномерностью водоразбо-ра в системе ГВС.
Указанные особенности работы ТП (расчетные характеристики приведены в п. 2.2.5), в условиях низких tH, подтверждаются расчетом по предложенной методике, что можно видеть на рисунках 2.15-2.17. При расчетном графике температур 150-70 С, температура ті в теплосети находилась в пределах 130 С (ті-Г на рисунке 2.15а, ті на рисунке 2.176). На рисунке 2.15а рассчитан случай (линия ті-2 ) дополнительного снижения ті за счет роста теп-лопотерь в системах транспортировки тепла к потребителю, вероятности смерзания твёрдого топлива на ТЭЦ и котельных и возможности их работы не на полную мощность. Регулятор РО перед системой отопления поддерживал постоянный расчетный расход воды из сети Grdo=G!Amax (рисунки 2.155, 2.17д) или даже меньше расчетного максимального Gdomax при значительном водоразборе на ГВС как видно на рисунках 2.17г, 2.17д. Причем, как видно из рисунка 2.156, чем ниже ті, тем больший расход сетевой воды Go,11 требуется на подогреватель ГВС II ступени. Это происходит ю-за того, что пониженная температура воды после системы отопления т02 (рисунок 2.15а), снижает тепловую мощность подогревателя I ступени и соответственно, требуется увеличение тепловой мощности подогревателя ГВС II ступени, что заметно на рисунке 2.15г по температуре нагреваемой воды после I th и II th ступеней подогревателей.
