1 Анализ объекта управления

1.1 Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики и проблематика индивидуального теплового пункта

ИТП - это индивидуальный тепловой пункт, важнейшая составляющая систем теплоснабжения зданий. От его характеристик во многом зависит регулирование систем отопления и горячего водоснабжения (ГВС), а также эффективность использования тепловой энергии. Поэтому тепловым пунктам уделяется большое внимание в ходе термомодернизаций зданий.

Сегодня ИТП представляет собой передовую технологию в системе центрального отопления и по своей сути является будущим теплоснабжения. Это решение учитывает в первую очередь интересы собственников и позволяет экономить деньги жильцов, обеспечивая понятную и надежную схему теплоснабжения каждого дома.

ИТП располагают в обособленном помещении (в основном в подвальном помещении, но это не обязательно), состоит из элементов, обеспечивающих присоединение системы отопления и горячего водоснабжения к централизованной тепловой сети. По подающему трубопроводу осуществляется подача теплоносителя в здание. С помощью второго обратного трубопровода в котельную попадает уже охлажденный теплоноситель из системы.

Температурный график работы тепловой сети определяет то, в каком режиме тепловой пункт будет работать в дальнейшем и является главным фактором в выборе оборудования которое необходимо в нем установить. Различают несколько температурных графиков работы тепловой сети:

• 150/70°С;

• 130/70°С;

• 110/70°С;

• 95 (90)/70°С

Системы отопления зданий до 10ти этажей построенных в прошлом веке были рассчитаны под отопительный график 95-70°C, а в зданиях с большей этажностью принимали график 105-70°C. При расчете систем отопления современных новостроек температурный график принимается по усмотрению проектировщика и чаще всего составляет 95-70°C или 90-70°C, хотя может быть принят и любой другой.

Если температура теплоносителя не превышает 95°С, то его остается только распределить по всей отопительной системе. В этом случае возможно применять только коллектор с балансировочными клапанами для гидравлической увязки циркуляционных колец. Если же температура теплоносителя превышает 95°С, то такой теплоноситель нельзя напрямую использовать в системе отопления без его температурной регулировки. Именно в этом и заключается важная функция теплового пункта. При этом необходимо, чтобы температура теплоносителя в системе отопления изменялась в зависимости от изменения температуры наружного воздуха.

ИТП бывают как старого образца, так и более современного.

В тепловых пунктах старого образца в качестве регулирующего устройства применялся элеваторный узел. Стоимость подобного оборудования была ниже, но с помощью такого ТП было невозможно осуществлять точную регулировку температуры теплоносителя. Его стоимость была ниже, но минимальные начальные капиталовложения выливались в финансовые потери в долгосрочной перспективе.

В современных ИТП энергосбережение достигается, в частности, за счет регулирования температуры теплоносителя с учетом поправки на изменение температуры наружного воздуха. Для этих целей в каждом тепловом пункте применяют комплекс оборудования (рис. 1.1) для обеспечения необходимой циркуляции в системе отопления (циркуляционные насосы) и регулирования температуры теплоносителя (регулирующие клапаны с электрическими приводами, контроллеры с датчиками температуры).

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема индивидуального теплового пункта и использованием контроллера, регулирующего клапана и циркуляционного насоса

Большинство тепловых пунктов имеет в своем составе также теплообменник для подключения к внутренней системе горячего водоснабжения (ГВС) с циркуляционным насосом. Набор оборудования зависит от конкретных задач и исходных данных. Именно поэтому, из-за различных возможных вариантов конструкции, а также своей компактности и транспортабельности, современные ИТП получили название модульных.

Рассмотрим использование ИТП в зависимых и независимых схемах подключения системы отопления к централизованной тепловой сети.

В ИТП с зависимым присоединением системы отопления к внешним тепловым сетям циркуляция теплоносителя в отопительном контуре поддерживается циркуляционным насосом. Управление насосом осуществляется в автоматическом режиме от контроллера или от соответствующего блока управления. Автоматическое поддержание необходимого температурного графика в отопительном контуре также осуществляется электронным регулятором. Контролер воздействует на регулирующий клапан, расположенный на подающем трубопроводе на стороне внешней тепловой сети («острой воде»). Между подающим и обратным трубопроводами установлена смесительная перемычка с обратным клапаном, за счет которой осуществляется подмес в подающий трубопровод из обратной линии теплоносителя, с более низкими температурными параметрами (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 – Принципиальная схема модульного теплового пункта, подключенного по зависимой схеме

На рис. 1.2 обозначены: 1 – контроллер; 2 – двухходовой регулирующий клапан с электрическим приводом; 3 – датчики температуры теплоносителя; 4 – датчик температуры наружного воздуха; 5 – реле давления для защиты насосов от сухого хода; 6 – фильтры; 7 – задвижки; 8 – термометры; 9 – манометры; 10 – циркуляционные насосы системы отопления; 11 – обратный клапан; 12 – блок управления циркуляционными насосами.

В данной схеме работа системы отопления зависит от давлений в центральной тепловой сети. Поэтому во многих случаях потребуется установка регуляторов перепада давления, а, в случае необходимости, и регуляторов давления «после себя» или «до себя» на подающем или на обратном трубопроводах.

В независимой системе ИТП для присоединения к внешнему источнику тепла используется теплообменник (рис. 1.3). Циркуляция теплоносителя в системе отопления осуществляется циркуляционным насосом. Управление насосом производится в автоматическом режиме контролером или соответствующим блоком управления. Автоматическое поддержание необходимого температурного графика в нагреваемом контуре также осуществляется электронным регулятором. Контроллер воздействует на регулируемый клапан, расположенный на подающем трубопроводе на стороне внешней тепловой сети («острой воде»).

Рисунок 1.3 – Принципиальная схема модульного теплового пункта, подключенного по независимой схеме

На рис. 1.3 обозначены: 1 – контроллер; 2 – двухходовой регулирующий клапан с электрическим приводом; 3 – датчики температуры теплоносителя; 4 – датчик температуры наружного воздуха; 5 – реле давления для защиты насосов от сухого хода; 6 – фильтры; 7 – задвижки; 8 – термометры; 9 – манометры; 10 – циркуляционные насосы системы отопления; 11 – обратный клапан; 12 – блок управления циркуляционными насосами; 13 – теплообменник системы отопления.

Достоинством данной схемы является то, что отопительный контур независим от гидравлических режимов централизованной тепловой сети. Также система отопления не страдает от несоответствия качества входящего теплоносителя, поступающего из центральной тепловой сети (наличия продуктов коррозии, грязи, песка и т.д.), а также перепадов давления в ней. Недостатком этой схемы является стоимость капитальных вложений при применении независимой схемы. Стоимость больше – по причине необходимости установки и последующего обслуживания теплообменника квалифицированным специалистом.

Как правило, в современных системах применяются разборные пластинчатые теплообменники, которые достаточно просты в обслуживании и ремонтопригодны: при потере герметичности или выходе из строя одной секции, теплообменник возможно разобрать, а секцию заменить. Также, при необходимости, можно повысить мощность путем увеличения количества пластин теплообменника. Кроме того, в независимых системах применяют паяные неразборные теплообменники.

Пластинчатые теплообменники предназначены для передачи тепла между двумя разделенными между собой средами. Передача тепла в пластинчатых теплообменниках осуществляется от горячего теплоносителя к холодной (нагреваемой) среде через стальные гофрированные пластины, которые установлены в раму и стянуты в пакет. В процессе теплообмена жидкости движутся навстречу друг другу (в противотоке). В местах их возможного перетекания находится либо стальная пластина, либо двойное резиновое уплотнение, что практически исключает смешение жидкостей.

Паяный теплообменник является наиболее эффективным и производительным оборудованием в процессах теплопередачи. Паяный пластинчатый теплообменник служит для передачи тепла от одной среды к другой. Состоит из гофрированных пластин, которые соединены пайкой и образуют сложные каналы по которым подается греющая и нагреваемая среда и происходит процесс передачи тепла.Среди преимуществ паяных теплообменников стоит отдельно озвучить простоту конструкции, не требующую замены уплотнений.

Согласно ДБН В.2.5-39:2008 «Инженерное оборудование зданий и сооружений. Внешние сети и сооружения. Тепловые сети», в общем случае предписано подсоединение систем отопления по зависимой схеме. Независимая схема предписана для жилых зданий с 12 и более этажами и других потребителей, если это обусловлено гидравлическим режимом работы системы или техническим заданием заказчика.

Наиболее простой и распространенной является схема с одноступенчатым параллельным присоединением подогревателей горячего водоснабжения (рис. 1.4). Они присоединены к той же тепловой сети, что и системы отопления зданий. Вода, из наружной водопроводной сети подается в подогреватель ГВС. В нем она нагревается сетевой водой, поступающей из подающего трубопровода тепловой сети.

Рисунок 1.4 – Схема с зависимым присоединением системы отопления к тепловой сети и одноступенчатым параллельным присоединением теплообменника ГВС

Охлажденная сетевая вода подается в обратный трубопровод тепловой сети. После подогревателя горячего водоснабжения нагретая водопроводная вода подается в систему ГВС. Если приборы в этой системе закрыты (к примеру, в ночное время), то горячая вода по циркуляционному трубопроводу снова подается в подогреватель ГВС. Эту схему с одноступенчатым параллельным присоединением подогревателей горячего водоснабжения рекомендуется применять, если отношение максимального расхода теплоты на ГВС зданий к максимальному расходу теплоты на отопление зданий менее 0,2 или более 1,0. Схема используется при нормальном температурном графике сетевой воды в тепловых сетях.

Подсоединение потребителей к теплосети должно осуществляться по схемам с минимальными затратами воды, а также экономией тепловой энергии за счет установки автоматических регуляторов теплового потока и ограничения затрат сетевой воды. Не допускается присоединение системы отопления к тепловой сети через элеватор вместе с автоматическим регулятором теплового потока.

Предписано использовать высокоэффективные теплообменники с высокими теплотехническими и эксплуатационными характеристиками и малыми габаритами. В наивысших точках трубопроводов тепловых пунктов следует устанавливать воздухоотводчики, причем рекомендуется применять автоматические устройства с обратными клапанами. В нижних точках следует устанавливать штуцеры с запорными кранами для спуска воды и конденсата.

На вводе в тепловой пункт на подающем трубопроводе следует устанавливать грязевик, а перед насосами, теплообменниками, регулирующими клапанами и счетчиками воды – сетчатые фильтры. Кроме того, фильтр-грязевик необходимо устанавливать на обратной линии перед регулирующими устройствами и приборами учета. По обе стороны от фильтров следует предусмотреть манометры.

Для защиты каналов ГВС от накипи нормами предписано использовать устройства магнитной и ультразвуковой обработки воды.

Принудительная вентиляция, которой необходимо обустраивать ИТП, рассчитывается на кратковременное действие и должна обеспечивать 10-кратный обмен с неорганизованным приливом свежего воздуха через входные двери.

Во избежание превышения уровня шума, ИТП не допускается располагать рядом, под или над помещениями жилых квартир, спален и комнат игр детсадов и т.д. Кроме того, регламентируется, что установленные насосы должны быть с допустимым низким уровнем шума.

1.2 Формализация объекта управления (модель материальных потоков)

На режим работы ИТП оказывают влияние ряд параметров, которые определяют его текущее состояние (рис. 1.5):

- F_ГВ – расход воды из общей теплосети, поступающей в теплообменник;

- F_ВП – расход воды подкачки;

- t_вх – температура воды на входе в ИТП;

- p_вх – давление воды на входе в ИТП;

- t_вых – температура на выходе ИТП;

- p_вых – давление на выходе ИТП.

Анализ влияния этих параметров на режим работы ИТП показывает его неоднозначность. Каждый параметр определенным образом влияет на рабочий режим теплового пункта, однако, можно выделить три группы параметров: условно-постоянные, возмущающие, управляемые.

Условно-постоянные параметры или остаются неизменными, или незначительно и медленно изменяются в процессе эксплуатации. К данной группе параметров относятся такие технические характеристики ИТП, которые определяют собственные динамические свойства объекта управления и применяются при определении постоянных времени и коэффициентов передачи элементов ИТП.

Управляемые параметры – это такие переменные, воздействие на которые позволяет получать требуемые режимы работы объекта управления. Для ИТП это следующие переменные: F_ГВ, F_ВП.

Управляя расходом горячей воды из общей теплосети можно управлять необходимой температурой, а влияя на расход воды подкачки, можно возмещать потери давления во вторичном контуре, возникающие вследствие использования воды из сети жителями.

Рисунок 1.5 – Обобщенная схема объекта управления

1.3 Анализ существующих систем автоматического управления (САУ) объектом и обоснование необходимости создания (совершенствования) САУ

Поставщиками оборудования для ИТП являются ведущие компании-производители соответствующего теплотехнического оборудования, например: системы автоматики – Honeywell (США), Siemens (Германия), Danfoss (Дания); насосы – Grundfos (Дания), Wilo (Германия); теплообменники – AlfaLaval (Швеция), Gea (Германия) и др.

Автоматизированный индивидуальный тепловой пункт (при наличии узла учета тепла) позволяет экономить в среднем от 10% до 20% тепловой энергии, потребляемой зданием, за счет погодного регулирования теплопотребления и достоверного учета потребляемой энергии, а также за счет исключения штрафных санкций теплоснабжающей организации за превышение температуры возвращаемой в тепловую сеть воды.

Таким образом, существующие системы выполняют следующие функции:

• Поддержание и стабилизация требуемых параметров теплоснабжения;

• Снижение потребления тепловой энергии за счет погодной компенсации;

• Постоянный контроль работы оборудования и системы в целом;

• Поддержание комфортной температуры в здании;

• Экономия материальных средств потребителя тепловой энергии за пользование теплоносителем.

Именно поэтому необходимо непрерывно контролировать температуру и давление воды в системе во избежание непредвиденных ситуаций и, как следствие, износа оборудования.

Рассмотрим вариант САУ для ИТП, предложенный фирмой ОВЕН.

Аппаратная часть системы состоит в основном из средств автоматизации ОВЕН: программируемого логического контроллера ПЛК150, модулей ввода-вывода МВА8, МДВВ, МВ110-16ДН, панели оператора СП270, блоков питания. GSM модем – Siemens mc35i. Датчики давления СДВ.

Программное обеспечение разработано с использованием SCADA-системы MasterScada. Видеокадр главной мнемосхемы представлен на рис. 1.5. В SCADA-системе реализована сигнализация отклонения параметров от нормы с записью в архивный журнал сообщений, архивирование параметров системы с возможностью просмотра трендов по каждому измерительному каналу, управление технологическим оборудованием.

Рисунок 1.5 – Обобщенная схема объекта управления

Подобные системы автоматизации различаются по качеству и цене оборудования. Основной задачей бакалаврской работы является разработка варианта автоматизации ИТП с возможностью модернизации, при этом он должен быть более экономичным чем существующие, не теряя при этом в качестве, поскольку если оборудование будет требовать частой замены, экономический эффект сводиться к минимуму, а то и вовсе теряет или даже превышает изначальную стоимость.

1.4 Цель, функции и задачи САУ

Важнейшей характеристикой современного теплового пункта является наличие приборов учета тепловой энергии, что в обязательном порядке предусмотрено государственными строительными нормами. В тепловом пункте должно быть размещено оборудование, арматура, устройства контроля, управления и автоматизации, с помощью которых осуществляют:

• регулирование температуры теплоносителя по погодным условиям;

• изменение и контроль параметров теплоносителя;

• учет тепловых нагрузок, затрат теплоносителя и конденсата;

• регулирование затрат теплоносителя;

• защиту локальной системы от аварийного повышения параметров теплоносителя;

• доочистку теплоносителя;

• заполнение и подпитку систем отопления;

• комбинированное теплообеспечение с использованием тепловой энергии от альтернативных источников.

Проектирование тепловых пунктов и монтаж ИТП в наше время осуществляется, как правило, с учетом использования комплексов автоматизации. Однако автоматизация ИТП может проводиться и в рамках модернизации действующего оборудования. Тепловой пункт следует оснащать средствами автоматизации, приборами теплотехнического контроля, учета и регулирования, которые устанавливают на месте или на щите управления.

Использование автоматики в оборудовании теплового пункта приносит ощутимый положительный экономический эффект. Он достигается за счет сокращения затрат на аварийно-ремонтные работы, увеличения срока службы оборудования, экономии тепловой и электрической энергии, уменьшения численности обслуживающего персонала. Подсчитано, что на теплосетях с автоматизированными ИТП по сравнению с обычными уменьшаются расходы на:

• топливо, используемое для производства единицы тепла – на 20-30%;

• электроэнергию, используемую на поставку тепла – на 30-40%;

• тепловые потери – на 70%.

Среди недостатков автоматизированного теплового пункта – зависимость от внешнего энергоснабжения.

Помимо того, современные проекты предусматривают обустройство удаленного доступа к управлению тепловыми пунктами. Это позволяет организовать централизованную систему диспетчеризации и осуществлять контроль за работой систем отопления и ГВС.

1.5 Основные требования пользователя к САУ

При разработке системы автоматического управления индивидуальным тепловым пунктом необходимо учитывать те функции и требования, которыми должна соответствовать и обладать и САУ. К основным требованиям для САУ можно отнести:

1. Функциональность:

- сбор, первичная обработка и распределение полученной информации о температуре и давления ГВС, температуре и давления на выходе и текущем положении задвижек;

- регулирование затрат тепловой энергии в системе отопления и ограничение максимального расхода сетевой воды у потребителя;

- заданную температуру в системе ГВС;

- поддержание статического давления в системах потребителей теплоты при их независимом присоединении;

- заданное давление в обратном трубопроводе или необходимый перепад давления воды в подающем и обратном трубопроводах тепловых сетей;

- защиту систем теплопотребления от повышенного давления и температуры;

- включение резервного насоса при отключении основного рабочего;

- обмен информацией с вышестоящим уровнем управления;

- самоконтроль и самодиагностика аппаратных и программных средств;

- регулирование затрат тепловой энергии в системе отопления и ограничение максимального расхода сетевой воды у потребителя;

2. Безопасность:

- электротехнические элементы и средства вычислительной техники должны соответствовать необходимым классам защиты;

- уменьшить риск возникновения аварийных ситуаций;

- герметичность и безопасное использование всех элементов в водной среде.

3. Надежность:

- восстанавливаемость и ремонтопригодность;

- система должна быть рассчитана на длительное функционирование, обусловленное функционированием технологического и электротехнического оборудования и технологического процесса.

4. Производительность:

- точность измерений и вычислений должна быть не ниже существующих аналогов;

- время отклика исполнительного элемента;

- быстродействие и качество управления должно быть не хуже существующих систем.

5. Пригодность к эксплуатации:

- эксплуатация системы в большом диапазоне рабочего давления и в условиях повышенной влажности.

1.6 Выводы

1. В современных условиях все актуальнее становятся вопросы энергосбережения. В первую очередь интересует экономическая сторона – величина платы за отопление зданий и помещений.

2. В автоматизированном индивидуальном тепловом пункте узел управления системой отопления обеспечивает постоянный расход теплоносителя в системы отопления здания за счет применения циркуляционных насосов.

3. Только система автоматизации, учитывающая конкретные характеристики конкретных зданий, их систем отопления и непрерывно отслеживающая их изменение, а также содержащая в своем составе оптимально сконструированные локальные контура автоматического регулирования отдельных переменных процесса теплоснабжения, способна определить именно то количество теплоты, которое фактически необходимо для поддержания требуемого температурного режима в здании.