06.03.2008. Основные принципы построения систем теплоснабжения

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.

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:

- Источники тепла разных типов, соединенные между собой в единую закольцованную систему.

- 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.

- 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-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-трубной или 1-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 применения современных средств автоматизации на каждом уровне.

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.

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.

Центральные тепловые пункты

В современных системах теплоснабжения ЦТП играют очень важную роль. Энергосберегающая система теплоснабжения должна работать с применением индивидуальных тепловых пунктов. Это, однако, 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 теп-лообменником, 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.

Индивидуальные тепловые пункты

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 водоснабжения. Таким образом, упрощается структура трубопроводов системы, и при плановом ремонте трасс сразу имеет место экономия на прокладке труб.

Управление контуром отопления

Контроллер ИТП управляет тепловой мощностью отопления, изменяя температуру воды на отопления. Уставка температуры отопления определяется по температуре наружного воздуха и кривой отопления (погодозависимое управление). Кривая отопления определяется с учетом инерционности здания.

Инерционность здания

Инерционность зданий в большой степени влияет 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.

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.

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.

Функция статического ограничения температуры обратной воды используется, если отопительные приборы в контуре отопления оборудованы термостатическими регуляторами или если необходимо гарантировать выполнение условий подключения теплового пункта к сети теплоснабжения. В этом случае контроллер снижает расход теплоносителя в первичном контуре при превышении заданного значения температуры обратной воды.

Ограничение расхода или мощности ИТП

Компоненты ИТП и, тем самым, всей системы теплоснабжения рассчитаны и подобраны на основании номинальной нагрузки с определенным запасом. В динамических условиях работы системы теплоснабжения возникают пиковые нагрузки, которые значительно превышают номинальные. Пиковые нагрузки в лучшем случае снижают экономию и срок эксплуатации компонентов, в худшем – могут вызвать сбой системы. Контроллер ИТП помогает избежать пиковых нагрузок при помощи функции ограничения мощности. Эта функция может работать при наличии узла учета, из которого получает соответствующую информацию. При обнаружении предельной максимальной нагрузки контроллер уменьшает расход тепла в соответствии с установленным ограничением.

Управление контуром ГВС

Важной частью ИТП является подсистема ГВС. В системе теплоснабжения уже устаревшие накопительные системы ГВС вытесняются устройствами проточного подогрева воды через быстродействующие теплообменники. Необходимость развития именно таких систем обусловлена более строгими санитарными требованиями, направленными на снижение развития бактерий легионеллы, а также попытками минимизировать потери тепла, неизбежно возникающие при медленной работе больших систем. Небольшие накопительные резервуары используются только в качестве буферов в режимах максимальных пиковых нагрузок. На основании современных гидравлических решений нагрева ГВС формируются следующие требования к системе автоматизации:

- стабильная температура ГВС без скачков;

- энергосбережение с использованием тепловой энергии отопления;

- надежная и долговременная работа исполнительных устройств автоматики;

- снижение затрат на обслуживание загрязненных теплообменников;

- планирование обслуживания;

- работа системы ГВС без сбоев.

Исполнительные компоненты автоматики

Система автоматизации состоит из нескольких компонентов, и ошибочно полагать, что автоматика – это только контроллер. На конечный результат влияет правильный подбор всех компонентов, так как контроллер не может компенсировать недостатки других элементов системы.

Регулирующий клапан и привод

Качество исполнения клапана и привода в значительной степени влияет на качество всей системы автоматизации. Важную роль играет диапазон управления клапана, время срабатывания привода и срок службы привода, который должен выдерживать очень большое количество перемещений. С учетом имеющихся жестких требований компания Siemens разработала новые те-нологии производства клапанов и приводов, которые по своим характеристикам заметно превосходят аналогичные устройства, применяемые до настоящего в проточных системах ГВС. В приводах используется элек-трогидравлическая или электромагнитная технология, и таким образом предотвращается механический износ внутренних изделий. Срок службы увеличивается в два раза. Благодаря новым технологиям увеличена мощность и снижена до 2 с постоянная времени приводов.

Датчики температуры

Качество используемых датчиков по непонятным причинам часто недооценивается. Датчики должны быть не только надежными, но, что важно для систем ГВС, малоинерционными. Рекомендуется использовать датчики с постоянной времени менее 4 с. Так при замене датчика с константой 8 с на датчик с константой 4 с срок службы привода увеличивается на 40%. При подборе качественного датчика температуры не имеет смысла экономить копейки.

В системах ГВС с циркуляцией рекомендуется использовать также датчик температуры холодной воды, который предварительно информирует контроллер об изменении нагрузки и, тем самым, влияет на качество управления.

Контроллер

Контроллер системы ГВС должен работать по ПИД-алгоритму и быть оснащенным функциями адаптации и оптимизации, которые описаны ниже.

Адаптация хода штока регулирующего клапана ГВС

Регулирующий клапан в системе ГВС работает в жестких условиях. Клапан должен быстро и точно реагировать на изменения нагрузки в контуре ГВС. На работоспособность, динамическую точность автоматической системы с ПИД алгоритмом и срок эксплуатации привода-клапана существенное влияние оказывают параметры настройки (константы алгоритма). При этом работа контроллера усложняется различной температурой подачи в первичном контуре в зависимости от отопительного сезона.

Режим Температура греющей во-ды Реакция контроллера

Летний 70°С быстрая

Зимний 110°С медленная

Контроллер должен быть оснащен функцией адаптации управления клапаном ГВС. Контроллер постоянно оценивает максимальный ход штока клапана (<100%) и определяет диапазон управления клапана. Таким образом, достигается стабильная работа контроллера в течение всего года.

Если у контроллера нет функции адаптации, в зимнем режиме он будет работать нестабильно.

Приоритет нагрева ГВС

При наличии ИТП в системе теплоснабжения рекомендуется подбирать трубопроводы, ориентируясь не на полную нагрузку отопления и ГВС, а только на 70%, поскольку пики нагрузок отопления и ГВС не совпадают. Кроме этого при пиковом потреблении горячей воды контроллер в контуре отопления кратковременно снижает потребление тепловой энергии. Ограниченное снижение мощности отопления не влияет на снижение температуры (комфорта) в помещениях здания.

Контроллер ИТП распознает пиковую нагрузку в системе ГВС без дополнительных датчиков.

Пиковая нагрузка определяется только на основании значения температуры подачи ГВС (датчик ВЗ).

Если при полном открытии регулирующего клапана ГВС (У5/У6) температура ГВС опускается ниже заданной, например, 48°С, то контроллер начинает определять степень пиковой нагрузки по значению интеграла от этого отклонения. По значению интеграла формируется воздействие на прикрытие управляющего клапана отопления (У1/У2).

Использование оставшейся тепловой энергии отопления для нагрева горячей воды

Задача решается либо чисто гидравлически, либо при помощи управления контроллером.

При гидравлическом решении используются два теплообменника ГВС или специальные двойные теплообменники. Такие системы экономят энергию, а также снижают загрязнение теплообменника ГВС.

Снижение загрязнения пластин теплообменника

Качество автоматического управления определенным образом влияет на загрязнение пластин теплообменника, которое происходит из-за наличия примесей в нагреваемой воде и значительно снижает стабильность работы всей системы ГВС. Степень загрязнения зависит от концентрации примесей и разности температур между нагреваемой и греющей водой на пластинах теплообменника. Работа автоматики оказывает значительное влияние на разность температур на пластинах теплообменника. С учетом этого к устройствам автоматики предъявляются следующие требования:

- быстродействие привода регулирующего клапана; рекомендуется электромагнитный клапан;

- возможность использования информации от температуры холодной воды и комбинированной структуры автоматической системы регулирования с компенсацией возмущения;.

- возможность снижения температуры (например, путем смешивания) воды, входящей в теплообменник. Кроме того, рекомендуется подключение с 2 клапанами ГВС.