Автоматизация и диспетчеризация систем теплоснабжения зданий и автоматизированные системы управления технологическими процессами

Погодозависимое регулирование теплопотребления

Современные технические решения автоматизации теплопотребления

Корректировка температуры подаваемой в систему отопления воды по температуре возвращаемого теплоносителя

Снижение затрат на оплату тепловой энергии

Диспетчеризация теплоснабжения

Звуковая видео-иллюстрация работы системы автоматизации и диспетчеризации

1.    Погодозависимое регулирование теплопотребления
Для создания комфортных условий в морозы и снижения перегрева зданий в теплую погоду теплоноситель с источника теплоты подается в соответствии с отопительным графиком, предусматривающим обратную зависимость температуры в теплосети от температуры наружного воздуха, т.е. чем холоднее погода, тем горячее теплоноситель, и наоборот. Например, наиболее распространенный в нашей стране график 150/70 предусматривает, что при морозе -26°С в подающем трубопроводе теплосети температура воды должна быть 150°С, а в обратном трубопроводе – 70°С.
Однако системы отопления проектируются на более низкие температуры теплоносителя: чем ниже температура отопительных приборов, тем эффективней они работают (снижается вероятность ожогов, меньше «выжигается» кислород и более равномерно распределяется тепло по помещению). Наиболее распространенными в нашей стране являются отопительные графики 95/70, 90/70, 80/70.

Кроме того, при наиболее распространенной в нашей стране двухтрубной системе теплоснабжения, источник теплоты не может снижать температуру в подающем трубопроводе ниже 65°С, т.к. согласно санитарным нормам на горячее водоснабжение должна подаваться вода температурой 60-65°С. Это ограничение неизбежно приводит к «перетопу» здания в период межсезонья.
Следует помнить, что если даже температурный график теплосети соответствует расчетному графику системы отопления, то реальный график, при котором обеспечивается наиболее полная экономия тепла при сохранении комфортной температуры в помещениях, для каждого здания индивидуален и подбирается опытным путем при пусконаладочных работах, как правило, он ниже расчетного.

            Исходя из вышеперечисленных причин необходима автоматизация ИТП, а именно установка в каждом индивидуальном тепловом пункте системы автоматического погодо-зависимого управления, обеспечивающей поддержание температуры воды, подаваемой в систему отопления, в зависимости от температуры наружного воздуха (погодный компенсатор).

2.    Автоматизация ИТП: современные технические решения

       Автоматика ИТП дает возможность поддерживать требуемые параметры теплоснабжения, снизить потребление тепловой энергии за счет погодной компенсации, производить диагностику работы оборудования и системы в целом, при обнаружении нештатной ситуации выдать сигнал аварии и принять меры по снижению ущерба от данной нештатной ситуации.
Автоматизация ИТП проектируется с учетом сложности объекта, пожеланий Заказчика. Выбор оборудования и схемных решений зависит также от того, требуется ли диспетчеризация теплоснабжения (или диспетчеризация ИТП).
Система управления может строиться как на жеско-запрогаммированных микропроцессорных терморегуляторах (ECL – "Danfoss”, ТРМ – «Овен», ВТР – «Вогез» и пр.), так и на базе свободно-программируемых контроллеров. Проведение пуско-наладочных работ последних требует высокой квалификации наладчиков. Тем не менее, в последние годы наиболее часто наши проекты выполняются на базе именно свободно-программируемых контроллеров. Их использование обусловлено следующими причинами:
a) Возможностью применения нестандартных алгоритмов, учитывающих технические особенности конкретного объекта и изменяющиеся требования теплоснабжающей организации.
b)    Возможностью минимизации последствий внештатной ситуации.
c)    Снижением аппаратной избыточности: снимаемая с любого датчика информация может быть использована для различных целей; например, с одного датчика давления может быть получена информация и сформированы команды по следующим ситуациям: аварийно-высокое давление, подпитка вторичного контура теплообменника, угроза завоздушивания системы, сухой ход насоса, текущее значение давления для диспетчеризации.
d)    Возможностью использования информации с некоторых типов вычислителей (тепла, газа, электроэнергии); например, можно не дублировать датчики узла учета тепловой энергии, а получать данные с этих датчиков через СПсеть.
e)  Возможностью применения периферийных устройств с любыми стандартными и даже нестандартными характеристиками, легкая замена приборов (датчиков, приводов и пр.) с одними характеристиками на приборы с другими характеристиками, что может быть важным для оперативной замены вышедших из строя элементов или при модернизации.
f)    Легкостью изменения алгоритма управления (без перемонтажа или с незначительными переделками схемы).
g)   Одно устройство (контроллер) управляет всем оборудованием теплового пункта, что значительно упрощает электрическую принципиальную схему шкафа управления, это особенно важно, если автоматизация и диспетчеризация решаются на достаточно высоком уровне. Исключается применение дополнительных элементов автоматики, таких как промежуточные реле, таймеры, компараторы и пр. Таким образом, электрическая схема шкафа управления упрощается, что снижает затраты, это тем более важно, если проектируется сложная автоматика, например, автоматика ИТП высотных зданий.
h)    Контроллер производит подробную диагностику практически всего оборудования и режимов работы.
i)   Многовариантностью доведения диагностических сообщений до обслуживающего персонала (сигнальными лампами, подробная информация на пульте контроллера, местная диспетчеризация теплоснабжения через локальную сеть Ethernet, удаленная диспетчеризация теплоснабжения и других процессов через Internet, посылка SMS сообщений ответственному лицу).
j)    Многовариантностью доведения диагностических сообщений до обслуживающего персонала (сигнальными лампами, подробная информация на пульте контроллера, местная диспетчеризация через локальную сеть Ethernet, удаленная диспетчеризация через Internet, посылка SMS сообщений ответственному лицу).
k) Невысокой ценой на качественные отечественные свободно-программируемые контроллеры КОНТАР, выпускаемые ОАО «Московский завод тепловой автоматики», которая стала сопоставима с ценой на жестко-запрограммированные контроллеры (погодные компенсаторы).

3. Корректировка температуры подаваемой в систему отопления воды по температуре возвращаемого теплоносителя

3.1. Назначение корректировки температуры в подающем трубопроводе отопления по температуре возвращаемого теплоносителя.
В нашей стране подавляющее большинство потребителей обеспечивается теплом через централизованных тепловые сети от электростанций или крупных котельных. При этом теплоснабжающие организации несут затраты не только по производству тепловой энергии, но и по ее транспортировке (затрачивается электроэнергия и моторесурс на работу циркуляционных насосов на источнике тепла, неизбежны потери тепла в тепловых сетях). В этой ситуации теплоснабжающие организации материально заинтересованы в том, чтобы доставленная потребителю тепловая энергия использовалась бы максимально полно. В противном случае затраты теплоснабжающей организации по транспортировке тепла не окупаются. Эффективность использования тепла потребителем определяется разностью температуры в подающем и обратном трубопроводах. Чем эта разница при данной температуре наружного воздуха выше, тем полнее используется доставленное потребителю тепло, тем выше доходы теплоснабжающей организации. Другими словами гораздо выгоднее продать 1 Гкал тепла при разнице температур между подающим и обратным трубопроводами теплосети 80°С, чем 8°С. В последнем случае при продаже 1 Гкал тепла затраты на транспортировку теплоносителя будут почти на порядок выше. При этом следует учитывать еще и то обстоятельство, что неизбежные при транспортировке потери тепла в теплотрассе (идеальной теплоизоляции просто не существует) будут тем меньше, чем меньше разница температуры между теплоносителем и окружающей средой. Т.о. снижение температуры в обратном трубопроводе неизбежно ведет к снижению теплопотерь в теплотрассе. В связи с вышеизложенным теплоснабжающие организации, как правило, требуют от потребителей соблюдения графика температуры возвращаемого теплоносителя и предусматривают весьма существенные штрафные санкции за его нарушение (см. п.4).

3.2. Классическая методика корректировки температуры отопления «обратки» и ее недостаток.
Для соблюдения графика температуры возвращаемого теплоносителя автоматика ИТП начинает работать по другому алгоритму. Теперь контроллер рассчитывает в зависимости от температуры наружного воздуха требуемую температуру не только для подающего трубопровода отопления, но и для обратного трубопровода. В случае превышения температурой возвращаемого теплоносителя расчетного значения – задание для подающего трубопровода понижается на соответствующую величину. Эта функция присутствует на многих терморегуляторах как отечественного, так и импортного производства.
Задачу корректировки температур подаваемого в систему отопления теплоносителя с целью поддержания требуемой температуры обратной воды решают многие контроллеры, например, ECL. Однако данная методика регулирования приводит к ошибкам по простой причине: теплоснабжающая организация не поддерживает декларируемый температурный график. В тепловых сетях Санкт-Петербурга, которые должны функционировать по графику 150/70°С, температура воды в подающем трубопроводе, как правило, не превышает 95°С.
Теплоснабжающие организации требуют, чтобы температура возвращаемого теплоносителя соответствовала температуре воды в подающем трубопроводе.
Рассмотрим пример:
- на улице -20°С, согласно отопительного графика 150/70 в подающем трубопроводе теплосети должна быть температура 133,3 °С. Однако фактически теплосеть выдает температуру в подающем трубопроводе 90,7°С, что соответствует температуре наружного воздуха -5°С. Исходя из температуры наружного воздуха
-20°С контроллер рассчитывает требуемую температуру возвращаемого теплоносителя 64,6°С (см.рис. 1 – график 150/70°С). Однако теплоснабжающая организация требует, чтобы потребитель вернул теплоноситель не теплее 49°С, что соответствует температуре воды, поступающей из теплосети. Если температура в обратном трубопроводе превысит 49°С, контроллер не будет корректировать задание температуры отопления, пока температура в обратном трубопроводе не превысит 64,6°С, а это означает, что задача поддержания требуемой температуры обратной воды не решена и теплоснабжающая организация вправе предъявить абоненту претензию по поводу завышения температуры обратной воды (см. п.4).

3.3. Новое Решение!!!

Автоматизация ИТП выполняется на базе свободно-программируемого контроллера МС-8 или МС-12 . На подающем трубопроводе теплосети устанавливают дополнительный датчик температуры. В алгоритм работы контроллера, помимо стандартных двух отопительных графиков для подающего и обратного трубопроводов отопления относительно температуры наружного воздуха (что обеспечивается многими современными контроллерами), включают два дополнительных графика для подающего и обратного трубопроводов отопления относительно температуры в подающем трубопроводе теплосети. В разработанном алгоритме сравниваются два задаваемых значения температуры возвращаемого теплоносителя: относительно температуры наружного воздуха и относительно температура в подающем трубопроводе теплосети. Коррекция графика в подающем трубопроводе ведется относительно наименьшего из этих двух значений. Таким образом, потребитель тепловой энергии избегает штрафов за превышение температуры возвращаемого теплоносителя при пониженных параметрах тепловой сети.
Дополнительным преимуществом вышеописанного алгоритма является повышение живучести системы. Например, в случае выхода из строя датчика температура наружного воздуха, при стандартных алгоритмах автоматика ИТП не работает. Разработанный новый алгоритм при данной аварии обеспечивает функционирование автоматического регулирования относительно температуры в подающем трубопроводе теплосети.

4.    Снижение затрат на оплату тепловой энергии

        Автоматизация ИТП является одним из наиболее эффективных инструментов для снижения затрат на оплату тепловой энергии.
4.1.Автоматика ИТП обеспечивает регулирование температуры воды, поступающей в систему отопления, в зависимости от температуры наружного воздуха. Это позволяет уменьшить «перетоп» здания в осенне-весенний период и снизить тем самым «бесполезные» затраты тепловой энергии.
4.2. Дополнительным резервом экономии тепловой энергии является корректировка температуры подаваемого в систему отопления теплоносителя по температуре обратной воды с учетом реального режима работы теплоснабжающей организации.
4.3. Поддержание температуры воды в обратном трубопроводе в соответствии с температурой теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети (см. п.3.3) позволяет избежать претензий и штрафных санкций теплоснабжающей организации. Например, ТЭЦ-5 в случае систематического превышения среднесуточной температуры «обратки» на величину более 3°С  начисляет дополнительную оплату за «недоиспользованную тепловую энергию». Эта величина определяется по формуле:

∆W_{недоис.}= М2∙(Т2^Ф-Т2^ГР)/1000

∆W_{недоис.} – Величина «недоиспользованной тепловой энергии» за расчетный ежемесячный период, Гкал.;

М2   – количество теплоносителя на систему отопления; вентиляции за расчетный ежемесчяный период, Т;

Т2^Ф  – фактическая температура обратной воды, °С;

Т2^ГР – температура обратной воды, соответствующая температуре в подающем трубопроводе сетевой воды, °С;

1000 –коэффициент для перевода в Гкал.

         Практика показывает, что величина ∆Wнедоис. достигает 50% от суммарного теплопотребления за 1 месяц.

4.4. Современные контролеры позволяют использовать уставку (поправку) к задаваемой температуре воды, поступающей в систему отопления. Эта установка позволяет автоматически понижать температуры в производственных помещениях в ночное время суток и в выходные дни, затем превышать ее в рабочее время. В жилых домах используют автоматическое снижение температуры в ночное время.
Таким образом, автоматизация теплопотребления обеспечивает существенную экономию тепловой энергии, которая достигает 50%.

5.    Диспетчеризация теплоснабжения
5.1. Назначение диспетчеризации
Диспетчеризация системы теплоснабжения необходима для дистанционного контроля за работой системы, архивирования ее параметров, для дистанционного вмешательства в работу системы (например, для изменения настроечных параметров).           Диспетчеризация может быть как местной (контроллеры связаны с компьютером диспетчера по локальной сети), так и удаленной (связь осуществляется через Интернет, практически, из любой точки Земли). Возможно организовать несколько рабочих мест диспетчера.
На мониторе компьютера может отображаться различная информация, связанная с работой системы, например, мнемосхемы с показаниями измеряемых параметров и т.д. Оператор может как постоянно наблюдать за работой технологической системы, так и периодически выходить на связь по мере необходимости (когда необходимо проконтролировать или вмешаться в работу системы). Каждый оператор имеет свой приоритет, в соответствии с которым он может вмешаться в работу системы: например, один может только наблюдать за работой системы без права вмешательства, другой имеет право включать и выключать отдельные агрегаты, третий – менять настройки приборов автоматики, четвертый – изменять алгоритм работы.

Диспетчеризация теплоснабжения предполагает реализацию следующих функций:
•    Визуализацию, в виде мнемосхем, технологических процессов в ИТП;
•    Уведомление диспетчера и ответственных лиц объекта о наступлении предаварийных и аварийных ситуаций;
•    Звуковое и цветовое оповещение при авариях;
•    Оповещение при авариях удаленных пользователей через E-mail или (и) SMS сообщениями (оговаривается отдельно при заключении договора на проектирование диспетчеризации).
•    Цветовую и цифровая (на мнемосхеме) технологическую сигнализацию;
•    Ведение графиков параметров (давления, температуры, расходы и др.);
•    Ведение архива аварий;
•    Передачу на щит управления ИТП управляющих воздействий (изменение положения регулирующих клапанов, отопительных графиков, изменение заданий и уставок и др.). 

      Другими словами, диспетчеризация ИТП обеспечивает выдачу сигнала аварии звуком, а также соответствующими надписями и изображениями на мониторе компьютера.

Автоматика ИТП может быть связана с компьютером диспетчера – оператора различными способами:

·         через локальную компьютерную сеть, если оператор и автоматика ИТП недалеко удалены друг от друга (находятся в одном или в соседних зданиях). Организация такой связи дешева, практически не требует средств на свое поддержание, ее работа не зависит от операторов связи. Идеально подходит для организации круглосуточной работы диспетчерского пункта на объекте;

·         автоматизация, диспетчеризация могут осуществляться с помощью связи по сети Internet, в таком случае контроль за системой и вмешательство в её работу может проводиться практически из любой точки Земного шара. Для этого необходимо только обеспечить возможность подключения к Internet как в месте расположения контролируемого объекта, так и в месте нахождения оператора. Специального программного обеспечения оператору в этом случае не требуется (достаточно любого браузера для выхода в Internet). Теперь ответственный работник может быть в курсе дел на своем объекте, находясь от него на любом удалении, достаточно лишь иметь доступ в Internet. Эта система прекрасно подходит для обслуживания удаленных объектов;

·         модемная связь позволяет периодически осуществлять связь с объектом по каналам GSM или телефонной связи, например, можно организовать рассылку соответствующих SMS-сообщений при возникновении определенных ситуаций;

·         можно использовать комбинацию нескольких видов связи: например, выход в Internet легко организовать через GPRS-модем.

             Важным требованием к трем последним видам связи является обеспечение защиты от постороннего вмешательства в работу системы.

5.2. Сетевые возможности контроллеров
Автоматизация, диспетчеризация реализуются с помощью одного или нескольких контроллеров.
Совместно работающие контроллеры между собой связываются через интерфейс RS485. При этом каждый из связанных между собой контроллеров может работать автономно. При отказе сети контроллеры просто не смогут обмениваться информацией между собой. Если алгоритм построить так, что каждый контроллер выполняет автономную часть алгоритма, то по сети контроллеры будут обмениваться лишь вспомогательной информацией, поэтому при отказе сети существенного ущерба для работоспособности системы не произойдет.
К отдельным контроллерам или к группам контроллеров, связанных друг с другом по RS485, могут быть подключены следующие приборы учета: приборы НПФ «Логика», поддерживающие СП СЕТЬ (СПГ761, СПТ961), электросчетчик СЭТ-4ТМ, теплосчетчик SA94, теплосчётчик ТЭМ106, теплосчетчик ВИС.Т, теплосчетчик ВКТ-7, Электросчетчики Меркурий 320.
Контроллеры (или их группы), которые выполняют независимые друг от друга задачи, могут связываться с местным диспетчером по каналу Ethernet, или с удаленным – через Internet с использованием сервера, на котором обеспечиваются специальные меры по защите информации.
Возможна отправка SMS сообщений о случившихся нештатных ситуациях ответственному лицу.
При необходимости, возможно подключение приборов, работающим по протоколам:

•    MODBUS RTU;
•    BACNet;
•    LonWork (через шлюз);
•    и другие.