Цифровой мониторинг теплоснабжения жилых домов на базе асду

Как уже отмечалось, характерной особенностью эксплуатации многих сетей централизованного теплоснабжения, в том числе в г. Челябинске, в настоящее время является то, что вместо проектного графика теплоснабжения фактически используется низкотемпературный график, позволяющий повысить выработку электроэнергии на ТЭЦ и снизить потребление топлива. Негативным фактором введения низкотемпературного графика на стороне потребителей является нехватка тепла на отопление зданий при низких температурах наружного воздуха. Отсюда актуальной является задача выявления резервов тепла и нормализации теплоснабжения потребителей при низкотемпературных режимах.

В этой связи стоит обратить внимание, что низкотемпературное теплоснабжение используется как базовый подход к энергосбережению в передовых странах Запада и, в частности, в Дании. При этом датские исследования показали, что и для стран Восточной Европы существует заложенный при проектировании запас по площади отопительных приборов, достаточный для нормальной работы при пониженных температурах подаваемого теплоносителя.

В целях практического изучения возможностей адаптации потребителей к низкотемпературному теплоснабжению на базе АСДУ был проведен цифровой мониторинг теплоснабжения жилых домов Курчатовского района г. Челябинска при крайне низких температурах наружного воздуха (до -40 ^оС) в январе 2006 г.

Рис. 3.3. Тепловая нагрузка зданий, Гкал/ч

 

Рис. 3.4. Температура ГВС, ^оС

 

 

 

 

Рис. 3.5. Параметры обратной воды: температура, ^оС (верхние графики), расход, т/ч (нижние графики)

 

Рис. 3.6. Температура наружного воздуха, ^оС

 

На рис. 3.3–3.6 приведены графики изменения фактического потребления тепла домами, график изменения температуры воды в системе ГВС, а также графики изменения расходов и температур сетевой воды на вводах соответствующих тепловых пунктов и график изменения температуры наружного воздуха за рассматриваемый период.

Анализ графиков показывает, что при низких температурах наружного воздуха Т_нар подача тепла Q на дом, оборудованный системой автоматического регулирования, выше, чем дома без автоматики. В то же время, автоматизированный дом имеет более низкий расход теплоносителя из сети G₁ и более низкую температуру обратной воды T₂, возвращаемой в теплосеть. При этом система автоматического регулирования обеспечивает поддержание температуры горячей воды Т_гвс вблизи заданного нормативного значения (60 ^оС), в то время как температура горячей воды в здании без автоматики значительно превышает нормативные значения.

С другой стороны опыт эксплуатации системы АСДУ при более высоких температурах, особенно в весенне-осенний период, показал, что экономия тепла и воды при ее использовании составляет до 20% и более в зависимости от погодных условий.

АСДУ теплоснабжением на основе сети полевого уровня MicroLAN позволяет организовать многообразные функции контроля и регулирования параметров теплопотребления в сетевом районе при минимальных затратах.

В комплексе представленное аппаратурное и программное обеспечение позволяет успешно решать задачи мониторинга и регулирования сложных тепловых систем с целью повышения их энергетической эффективности.

 

 

4. Паспортизация промышленных потребителей топливно-энергетических ресурсов с использованием средств автоматизации[21]

Составление энергетических паспортовявляется обязательным для промышленных предприятий, потребляющих топливно-энергетические ресурсы. В данном разделе рассматриваются основные принципы построения автоматизированной информационной системы (АИС) ведения энергетических паспортов промышленных потребителей. Приводится структура базы данных, основные функции интерфейса пользователя, порядок организации работы с АИС. В результате внедрения данной системы на промышленном предприятии технические эксперты получают объективную информацию об уровне и эффективности использования предприятием топливно-энергетических ресурсов.

 

Энергетический паспорт топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) представляет собой документ, который характеризует состояние энергетического хозяйства предприятия. В нем отражается фактическое положение по составу энергетического и технологического оборудования, зданий и сооружений, сведения о структуре энергетических затрат на производство, показатели эффективности использования энергоресурсов, сведения об энергосберегающих мероприятиях.

Основные положения энергетической паспортизации регламентируются государственным стандартом ГОСТ Р 51379-99.

Составлению энергетического паспорта предшествует частичный или полный аудит, который предполагает детальное обследование потребителей ресурсов.

Внедрение энергетического паспорта тесно связано с внедрением системы приборного учета и контроля энергоносителей, обеспечивающей сбор информации о фактическом потреблении ресурсов.

 

Общая структура

Для автоматизации ведения энергетических паспортов промышленных потребителей топливно-энергетических ресурсов сотрудниками кафедры «Автоматика и Управление» ЮУрГУ совместно со специалистами ЦЭСТ ОАО «ММК» была разработана автоматизированная информационная система (АИС) «Энергетический паспорт». При разработке АИС «Энергетический паспорт» использовались формы, приведенные в ГОСТ Р 51379-99, которые были доработаны с учетом специфики ОАО «ММК».

АИС «Энергетический паспорт» включает в себя три основных модуля:

– базу данных;

– интерфейс пользователя;

– модуль синхронизации.

Общая структура АИС «Энергетический паспорт» представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Общая структура АИС «Энергетический паспорт»

 

Ядром АИС «Энергетический паспорт» является информационная база данных. Здесь содержатся сведения об организационной структуре предприятия, установленных узлах учета, технологическом оборудовании, потребляющем топливно-энергетические ресурсы, энергосберегающих мероприятиях, а также справочные данные по перечню и характеристикам ресурсопотребляющего оборудования.

Поддержка ведения базы данных в АИС «Энергетический паспорт» реализуется посредством системы управления базами данных (СУБД) Interbase. Указанная СУБД не требовательна к ресурсам, обеспечивая при этом высокую функциональность и надежность, в том числе защиту данных посредством резервного копирования, отката изменений и идентификации пользователей.

Модуль синхронизации осуществляет перенос данных из системы приборного учета и контроля энергоносителей АСУ «Энергоучет» в АИС «Энергетический паспорт». В частности, ежедневно обновляются сведения о логической структуре данных, на основе которых строится иерархическое дерево объектов учета в интерфейсе пользователя АИС «Энергетический паспорт».

Интерфейс пользователя реализует следующие функции:

– регистрация пользователей при запуске программы;

– ввод, редактирование, агрегирование, вывод в отчет данных о потреблении тепловой энергии, технологических газов, топливных газов, пожарно-питьевой и технической воды;

– ввод, редактирование, агрегирование, вывод в отчет данных о потреблении электрической энергии;

– ведение форм энергетического паспорта согласно ГОСТ Р 51379-99.

Общий вид интерфейса пользователя представлен на рис. 4.2.

 

Рис. 4.2. Общий вид интерфейса пользователя

 

Интерфейс пользователя состоит из двух частей: иерархического дерева объектов и области работы с данными. В общем случае окно работы с данными состоит из трех разделов: в нижней части расположена таблица с перечнем всех записей, в верхней части ‑ форма с полями, в которых редактируется отдельная запись, в средней части ‑ панель с кнопками редактирования.

Общий вид структуры иерархического дерева приведен на рис. 4.3.

Рис.4.3. Структура иерархического дерева

На самом нижнем уровне иерархии находятся объекты учета, которые могут представлять собой потребление ресурса группой зданий или частью одного здания, группой оборудования или одной единицей оборудования. Перечень объектов учета формируется на основе сведений из АСУ «Энергоучет» ОАО «ММК».

На объектах учета в интерфейсе пользователя АИС «Энергетический паспорт» осуществляется ввод информации о проектном потреблении тепловой энергии, топливных газов, продуктов разделения воздуха, пожарно-питьевой и технической воды. Величина проектной нагрузки может быть задана двумя способами:

– пользователь вводит общую величину проектной нагрузки на объект учета;

– пользователь вводит сведения о проектной нагрузке на оборудование, подключенное к объекту учета, после чего программа агрегирует проектные нагрузки оборудования и рассчитывает нагрузку на объект учета.

Достоверную оценку необходимого уровня нагрузки объекта можно сделать на основе детального энергетического обследования ресурсопотребляющего оборудования. Однако, такие обследования являются трудоемким мероприятием. Из-за ограниченности ресурсов, выделяемых для проведения работ по паспортизации, детальные обследования могут быть рекомендованы в следующих случаях:

– решения локальных задач оценки потребления энергоресурсов на уровне конкретных потребителей;

– проведения выборочных обследований.

В случае принятия решения о проведении детального энергетического обследования ресурсопотребляющего оборудования объекта, АИС «Энергетический паспорт» предусматривает хранение и обработку данных для следующих категорий оборудования, представленных на рис. 4.4.

 

Рис. 4.4. Категории оборудования объектов учета

 

На основе данных о паспортных характеристиках оборудования осуществляется расчет проектной нагрузки. Перечень реализованных расчетов включает в себя:

– теплотехнические расчеты нагрузок отопительных приборов, калориферных установок, трубопроводов внутри здания, отопительных агрегатов, водоподогревающего оборудования;

– расчет потребления воды санитарными приборами.

При расчете используются справочные характеристики оборудования, в зависимости от типа, марки установленного прибора. В теплотехнических расчетах используются параметры теплоносителя.

Для технологических агрегатов, использующих топливо, технологические газы, воду, проектная нагрузка может определяться одним из двух способов:

– суммированием нагрузок оборудования, входящего в состав данного агрегата;

– величина проектной нагрузки на агрегат принимается равной паспортной величине.

В состав агрегата может входить оборудование разного типа и марок. Часть данного оборудования на момент обследования может быть выведена из работы. В этом случае использование паспортной нагрузки агрегата некорректно, и необходимо осуществлять расчет по работающему оборудованию, установленному на агрегате.

Для учета электрической энергии на ОАО «ММК» в настоящий момент создается отдельная АСУ, поэтому в АИС «Энергетический паспорт» нет объектов учета электроэнергии. Ввод и редактирование информации о потреблении электрической энергии осуществляется в АИС «Энергетический паспорт» в целом для цеха.

Согласно ГОСТ Р 51379-99 на уровне цеха в программе реализовано ведение соответствующих форм, включающих в себя следующие данные:

– общие сведения о потребителе ТЭР;

– сведения о потреблении электроэнергии, тепловой энергии, котельно-печного и моторного топлива;

– сведения о показателях эффективности использования ТЭР;

– сведения об энергосберегающих мероприятиях.

Разработанная АИС «Энергетический паспорт» позволяет автоматизировать ввод, хранение и редактирование энергетических паспортов промышленных потребителей топливно-энергетических ресурсов.

В АИС «Энергетический паспорт» реализовано ведение проектных нагрузок объектов учета для тепловой энергии, технологических газов, топливных газов, пожарно-питьевой и технической воды. Для каждого объекта учета сведения о нагрузке могут быть детализированы на уровне агрегатов и технологического оборудования. Информация по объектам учета интегрирована с системой приборного учета и контроля энергоносителей АСУ «Энергоучет» ОАО «ММК», обеспечивающей сбор информации о фактическом потреблении ресурсов.

Реализованный на уровне цеха интерфейс ввода данных о потреблении электрической энергии позволяет вести учет установленного в цехе электрооборудования, при этом возможно агрегирование суммарной мощности установок, а также ведение перечня отключаемого и неэффективно работающего оборудования. Кроме того, в АИС «Энергетический паспорт» реализован учет характеристик цеховых трансформаторов и параметров синхронных двигателей.

На уровне цеха разработан интерфейс ведения форм энергетического паспорта согласно ГОСТ Р 51379-99, что позволяет автоматизировать редактирование, агрегирование и вывод в отчет показателей использования топливно-энергетических ресурсов объектами производственного и общехозяйственного назначения ОАО «ММК».

В целом, использование АИС «Энергетический паспорт» позволяет оценить эффективность расхода ресурсов на основе сопоставления фактических и проектных нагрузок объектов учета. Информация о проектных нагрузках сторонних и дочерних предприятий предоставляет базовую информацию для заключения договоров на пользование энергетическими ресурсами.

5. Оперативное управление экономичностью водяных тепловых сетей на основе макромоделирования[22]

Базовым подходом к теплоснабжению на крупных промышленных предприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве Российской Федерации является централизованное теплоснабжение, позволяющее снизить затраты на производство тепла за счет совместной выработки электрической и тепловой энергии. Важную роль в эффективном функционировании централизованных систем теплоснабжения играет согласованная работа источников и потребителей при регулировании подачи тепла. Однако, одной из основных проблем систем централизованного теплоснабжения в настоящее время является низкая надежность и недостаточная экономичность водяных тепловых сетей. В этой связи актуальным является решение задач оперативного управления, позволяющего осуществлять контроль и управление процессом теплоснабжения в различных режимах, а также своевременно выявлять потери и нерациональное использование тепла, проводить оценку экономичности теплоснабжения.

В настоящее время управление режимами теплоснабжения потребителей промышленных предприятий осуществляется, как правило, с помощью автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ), которые выполняют функции сбора, накопления и представления на ЭВМ информации о параметрах теплоносителя на источниках, в магистральных трубопроводах и у крупных потребителей. Для повышения надежности и экономичности теплоснабжения целесообразным является также проведение оперативного анализа текущих режимов функционирования тепловых сетей на основе математического моделирования процесса теплоснабжения. Целью такого анализа является выявление потребителей и участков сети, характеризующихся повышенными потерями (утечками) теплоносителя и нерациональным использованием тепла (пониженным теплосъемом).

Современные системы теплоснабжения крупных промышленных предприятий являются сложными системами и содержат большое количество разнородных потребителей, распределенных на большой территории. Известные подходы к анализу режимов подобных сложных систем основаны на разработке математической модели реальной системы с помощью специализированного программного обеспечения. Сложность построения такой модели на практике для крупных сетей состоит в необходимости получения большого объема данных, включающих детальные характеристики трубопроводов тепловых сетей (длины, диаметры, коэффициенты шероховатости и т.д.) и потребителей, что требует значительных затрат времени и средств, а в ряде случаев практически не реализуемо.

Для оперативного анализа модель должна учитывать текущие фактические параметры теплоносителя в различных точках системы теплоснабжения и позволять оперативно рассчитывать режимы в случае переключений в тепловых сетях, что накладывает дополнительные требования к сходимости используемых математических методов, объему данных и скорости вычислений, и может быть достигнуто за счет сокращения объема информации, используемой при расчетах, а также повышения эффективности вычислительных алгоритмов.

С учетом сказанного актуальной является задача разработки методов оперативного анализа экономичности системы теплоснабжения, основанных на построении упрощенных макромоделей тепловых сетей по данным эксплуатации, позволяющих производить расчеты с достаточной для практического использования точностью в режиме реального времени.

При этом с учетом масштабности систем теплоснабжения крупных промышленных предприятий, является актуальной задача разработки подсистемы автоматизированного анализа режимов теплоснабжения (САР-Т).