Введение
Проблемы структурной и параметрической оптимизации являются весьма актуальными, как для проектирования новых, так и при модернизации существующих систем теплоснабжения (СТ). В рамках структурной оптимизации осуществляется выбор рационального состава системы теплоснабжения и конфигурации тепловой сети, места размещения теплоисточников и их производительности. В странах Северной Европы сегодня создаются СТ четвёртого поколения. Проводимые там в последнее годы исследования подтвердили технические возможности:
- применения технологий низкотемпературного теплоснабжения;
- расширения использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ);
- снижения расхода теплоты на отопление зданий и потерь теплоты в тепловых сетях;
- расширения возможности и доступности средств автоматизации;
- увеличения роли предиктивной аналитики при прогнозировании потока отказов оборудования в будущих периодах.
Указанные направления в совокупности с соответствием элементов СТ концепции «умный город» и расширением взаимодействия в рамках её идеологии с системами электрои газоснабжения являются отличительными особенностями СТ четвёртого поколения. Считается, чтобы обладать системным свойством устойчивости во времени и пространстве, они должны отвечать ряду требований. К ним относится:
1. Организация возможности подачи низкотемпературной теплоты в контуры систем отопления и горячего водоснабжения (ГВС) новых и существующих зданий.
2. Создание в ближайшем будущем систем, позволяющих использовать для отопления теплоноситель с температурой не более 50°C подаваемой и около 20°C обратной сетевой воды. Такие условия, в частности, могут быть созданы за счёт увеличения поверхности теплообмена радиаторов, применения теплообменников, встроенных в ограждающие конструкции (пол, стены и потолок), и воздушного отопления.
3. Минимизация расстояния от теплообменника системы вентиляции и ГВС до конечного потребителя.
4. Внедрение адаптивных систем управления, применение которых на основе прогнозных данных по метеоусловиям поможет рассчитывать потребность в тепловой энергии для каждой комнаты. Данные системы управления позволят производить балансировку требуемой тепловой энергии в течение суток и понизить пиковые нагрузки.
5. Использование теплопроводов со сдвоенными теплопроводами в одной изоляции, когда подающая труба находится в центре, а обратная в точке равенства температур изоляции и обратной сетевой воды, что позволит уменьшить тепловые потери, и тем самым исключить потери теплоты от обратного трубопровода.
6. Улучшение качества изоляции трубопроводов, воздухопроводов и теплообменных аппаратов за счёт применения улучшенных теплоизолирующих материалов.
Критерием применимости является повышение энергетической и экологической эффективности, а также возможность интеграции в состав интеллектуальных энергетических систем при условии экономической целесообразности достигаемых эффектов.
Обоснование необходимости оптимизации системы автоматизации тепловых пунктов
Индивидуальные тепловые пункты зданий (ИТП) работают без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Оператор в течение рабочей смены выполняет обходы закреплённых за ним 12–15 тепловых пунктов. Основная задача — поддержание температуры внутри жилых помещений в диапазоне +18…+22°C [1–4].
В настоящее время в ИТП предусматривается размещение оборудования, арматуры, приборов контроля, управления и автоматизации, посредством которых осуществляется:
- контроль параметров теплоносителя;
- регулирование расхода теплоносителя и распределение его по системам потребления теплоты;
- отключение систем потребления теплоты;
- защита местных систем от аварийного повышения параметров теплоносителя;
- заполнение и подпитка систем потребления теплоты;
- учёт тепловых потоков и расходов теплоносителя.
Для учёта расхода тепловых потоков и расхода воды теплосети предусмотрен в тепловом пункте прибор учёта тепловой энергии в соответствии с «Правилами учёта отпуска тепловой энергии».
Автоматизация тепловых пунктов обеспечивает:
- поддержание заданной температуры воды 60°C, поступающей в систему горячего водоснабжения путём воздействия на исполнительные механизмы клапана Г-Y;
- регулирование подачи теплоты (теплового потока) в системы отопления в зависимости от изменения параметров наружного воздуха с целью поддержания заданной температуры воздуха в отапливаемых помещениях путём воздействия на исполнительный механизм клапана Т-Y.
Данная система не использует преимуществ современных схем автоматизации ни для систем отопления, ни для систем вентиляции здания. Поэтому становится возможным сформулировать задачи оптимизации системы автоматизации тепловых пунктов:
1. Обеспечить автоматизированный интеллектуальный анализ надёжности и энергетической эффективности работы теплового пункта в соответствии с технологической картой. Работа системы диспетчеризации должна быть организована следующим образом:
- по запросу с верхнего уровня (ВУ) от АС «Диспетчеризация» передавать текущие значения, архивы и журналы параметров в АС «Диспетчеризация»;
- при возникновении аварийной ситуации (события) отправлять специальное (мгновенное инициативное) сообщение на ВУ;
- на основании мгновенных значений параметров формировать архивы и журналы состояний системы;
- принимать сигналы для синхронизации времени.
2. Реализовать систему автоматизации ИТП на одном контроллере совместно с системой диспетчеризации и обеспечить исполнение системой автоматизации следующих задач:
- регулирование заданных значений температуры и давления в системах отопления и ГВС, заданного перепада давления между подающим и обратным трубопроводами теплосети по ПИД-закону регулирования, а также изменение/коррекция работы ПИи ПИД-регуляторов (коэффициенты регулирования Kp, Ki, Td, ШИМ, ВИМ и т. д.)
- реализацию управления насосными группами в автоматическом и в ручном режимах:
- задание задержки включения между насосными группами ХВС, ГВС, ПО, ЦО (вентиляции), системы компенсации температурного расширения, возможность изменения значений;
- задание задержки времени между переключением насосов в группе — по аварийному вводу резерва (АВР) и в динамическом режиме;
- включение дополнительного насоса (для групп ХВС, ГВС) по сигналу (дискретному или аналоговому) при недостаточной производительности рабочего (при его наличии);
- задание очерёдности работы насосов в группе, дистанционное исключение насосов из группы;
- задание динамических режимов работы насосов, по календарной дате, по часам наработки;
- задание времени разгона при включении/переключении насоса при работе с частотным приводом;
- задание числа автоматических сбросов (количество перезапусков) состояния «Авария» со всех насосов группы;
- отключение групп насосов ХВС и ГВС при срабатывании противопожарных насосов.
- останов исполнительного механизма (ИМ) регулирующего клапана (клапанов) системы ГВС при достижении значения температуры в подающем трубопроводе ГВС 70°C, а при превышении значения, его (их) аварийное закрытие;
- запуск насоса подпитки отопления (ПО) и открытие клапана подпитки при отсутствии сигнала нижнего уровня расширительного бака (РБ) открытого типа или по сигналу от датчика-реле давления на обратном трубопроводе системы отопления для мембранного бака;
- отключение насоса ПО и закрытие клапана ПО при появлении сигнала верхнего уровня РБ открытого типа (независимо от времени заполнения системы отопления) или по сигналу от датчика-реле давления на обратном трубопроводе системы отопления для мембранного бака или по сигналу от датчика-реле давления на обратном трубопроводе системы отопления для мембранного бака;
- задание времени работы насоса ПО с последующим отключением и закрытием клапана ПО (независимо от отсутствия сигнала верхнего уровня);
- реализовать алгоритм автоматического отключения насосов ХВС и ГВС при падении давления в городской сети водопровода ниже 0,6 кгс/см².
3. Реализовать схему управления насосами ГВС и ХВС в режиме частотного регулирования (ЧРП).
4. В системах ГВС ЦТП реализовать автоматическое регулирование температуры горячей воды с нормативным понижением температуры в периоды минимального водоразбора.
5. В системах ЦТП реализовать автоматическое регулирование теплопотребления в зданиях с нормативным понижением температуры в ночной период и выходные дни.
6. Выбрать оптимальный режим ЧРП насосов ГВС: стабилизацию давления на выходе насоса ГВС; стабилизацию давления на входе насоса ГВС; стабилизацию температуры обратной ветви ГВС.
7. Реализовать последовательное включение оборудования ИТП при пропадании питания (перезапуск оборудования) в установленном порядке и с заданием выдержки времени включения между насосными группами ХВС, ГВС, ПО, ЦО (вентиляции);
8. Реализовать режим выдачи рекомендаций инженеру-технологу/оператору теплового пункта по приведению текущих параметров работы ИТП в соответствии с технологической картой.
На основании перечисленного в системе диспетчеризации ИТП должен производиться мониторинг, контроль и передача на верхний уровень следующих параметров и сигналов.
Входные параметры:
1. Давление в подающем трубопроводе теплосети Р1.
2. Давление в обратном трубопроводе теплосети Р2.
3. Давление в подающем трубопроводе теплосети после клапана перепада давления Р1.1.
4. Температура в подающем трубопроводе теплосети Т1 из теплосчётчика.
5. Температура в обратном трубопроводе теплосети Т2 из теплосчётчика.
6. Давление в городском водопроводе холодной воды Ргор.
7. Температура наружного воздуха Тнв.
8. Наличие напряжения на первом вводе (контроль фазы).
9. Наличие напряжения на втором вводе (контроль фазы).
Выходные параметры:
10. Давление в подающем трубопроводе системы отопления Р3.
11. Давление в обратном трубопроводе системы отопления Р4.
12. Температура в подающем трубопроводе отопления Т3.
13. Температура в обратном трубопроводе отопления Т4.
14. Давление в подающем трубопроводе системы ГВС первой зоны Р7.1.
15. Давление в подающем трубопроводе системы ГВС второй зоны Р7.2.
16. Давление в циркуляционном трубопроводе системы ГВС первой зоны Р13.1.
17. Давление в циркуляционном трубопроводе системы ГВС второй зоны Р13.2.
18. Температура в подающем трубопроводе ГВС (ВПГ1) Т7.1.
19. Температура в подающем трубопроводе ГВС (ВПГ2) Т7.2.
20. Температура в циркуляционном трубопроводе ГВС первой зоны Т13.1.
21. Температура в циркуляционном трубопроводе ГВС второй зоны Т13.2.
22. Давление в подающем трубопроводе холодной воды первой зоны Рхв1.
23. Давление в подающем трубопроводе холодной воды второй зоны Рхв2.
24. Объёмный расход холодной воды на нужды ГВС первой зоны (ВВГ1) Vгв1.
25. Объёмный расход холодной воды на нужды ГВС второй зоны (ВВГ2) Vгв2.
Параметры от теплосчётчика на вводе в ЦТП:
26. Расход тепловой энергии Q, Гкал.
27. Температура в подающем трубопроводе Т1.
28. Температура в обратном трубопроводе Т2.
29. Массовый расход теплоносителя в подающем трубопроводе G1, т/ч.
30. Массовый расход теплоносителя в обратном трубопроводе G2, т/ч.
31. Расход теплоносителя на подпитку отопления Gтп.
32. Время работы теплосчётчика Сhr, ч.
33. Время «неработы» теплосчётчика при различных ошибках Тош, ч.
Эксплуатационные параметры и состояние оборудования:
34. Насосы ХН1, ХН2, XH3 первой зоны ХВС1–3 (работа/стоп/резерв/авария/останов).
Режим работы от сети/ЧРП:
35. Насосы ХН1, ХН2 второй зоны ХВС1–2 (работа/стоп/резерв/авария/останов).
36. Насосы ГН1, ГН2 первой зоны ГВС1–2 (работа/стоп/резерв/авария/останов).
Режим работы от сети/ЧРП:
37. Насосы ГН1, ГН2 второй зоны ГВС1–2 (работа/стоп/резерв/авария/останов).
38. Насосы НО1, НО2, НО1–2 (работа/стоп/резерв/авария/останов).
39. Насосы подпитки ПО1, ПО2, ПО1–2 (работа/стоп/резерв/авария/останов).
40. Авария устройства автоматической подстройки частоты (АПЧ) линии холодного водоснабжения (ХВС) СЧПх.
41. Авария устройства автоматической подстройки частоты (АПЧ) линии горячего водоснабжения (ГВС) первой зоны СЧПг.
42. Открытие дверей (несанкционированный доступ) Дверь.
43. Температура внутреннего воздуха (помещение ЦТП) Твв.
44. Влажность воздуха на ЦТП Мвв.
45. Нарушение изоляции ППУ СППУ.
46. Намокание изоляции ППУ СППУ.
47. Есть/отсутствует нижний уровень в расширительном баке УРПНО.
48. Есть/отсутствует верхний уровень в расширительном баке УРПНО.
49. Есть/отсутствует аварийный уровень в расширительном баке УРПНО.
50. Время нахождения оборудования в каждом из перечисленных состояний.
51. Состояние группы насосов ХН первой зоны автоматический/ручной ГНХВС1.
52. Состояние группы насосов ХН второй зоны автоматический/ручной ГНХВС2.
53. Состояние группы насосов ГН первой зоны автоматический/ручной ГНГВС1.
54. Состояние группы насосов ГН второй зоны автоматический/ручной ГНГВС2.
55. Состояние группы насосов НО автоматический/ручной ГНЦО.
56. Состояние группы насосов ПО автоматический/ручной ГНПНО.
57. Состояние регулятора отопления автоматический/ручной Рот.
58. Состояние регулятора подпитки отопления автоматический/ручной Рпо.
59. Состояние регулятора температуры ГВС1 автоматический/ручной РГВС1.
60. Состояние регулятора температуры ГВС2 автоматический/ручной РГВС2.
61. Состояние регулятора давления теплосети автоматический/ручной Ртс.
62. Состояние блока бесперебойного питания (автомат основного питания, АОП), входное напряжение ИБП АОП.
63. Состояние блока бесперебойного питания (автомат резервного питания, АРП), выходное напряжение ИБП АРП.
Расчёт комбинированной одноконтурной АСР с ПИ-регулятором
Учёт дополнительной информации в случае применения автоматической структуры регулирования (АСР) с компенсацией возмущений. Действие внешнего возмущения λ(t) компенсируется введением заранее рассчитанного воздействия, которое с необходимым упреждением может быть подано на вход регулятора совместно с задающим воздействием (рис. 1). Введение добавочного канала информации здесь не приводит к появлению нового замкнутого контура передачи воздействия и, следовательно, такое усложнение не влияет на устойчивость.
Рис. 1. Схема комбинированной одноконтурной автоматической структуры регулирования
Необходимо рассчитать параметры настройки одноконтурной АСР с ПИ-регулятором таким образом, чтобы линейный интегральный показатель (квадратичный, модульный) был минимальным, а запас устойчивости был не хуже заданного.
Рис. 2. Зависимость коэффициента передачи интегрального регулятора Ки от коэффициента передачи пропорционального регулятора Кп
Построим расширенную комплексную частотную характеристику (КЧХ) объекта по каналу регулирующего воздействия для трёх заданных значений корневого показателя колебательности m1 = 0 (на границе запаса устойчивости), m2 = 0,221, и m3 = 0,366 (рис. 2). Для минимизации линейного интегрального показателя необходимо, чтобы отношение Кп/Ки было максимально возможным (табл. 1). По полученным данным выполнено построение переходных процессов комбинированной одноконтурной АСР с ПИ-регулятором и компенсирующим регулятором по каналу возмущающего воздействия (рис. 3).
Расчёт переходных процессов комбинированной одноконтурной АСР с ПИ-регулятором и компенсирующим регулятором по каналу возмущающего воздействия становится возможным выполнить посредством применения обученной цифровой модели на примере системы теплоснабжения здания. В результате выполнения уточняющих расчётов определяются наиболее эффективные параметры регуляторов, реализация которых позволяет оптимально настроить вентиляцию.
Рис. 3. Переходные процессы одноконтурной замкнутой АСР с ПИ-регулятором и объектом по каналу регулирующего воздействия μ
Определение параметров данных цифровой модели
Проведённый выше анализ демонстрирует, что для формирования базы данных цифровой модели системы теплоснабжения здания на основе уже собираемых параметров и индикаторов требуется относительно небольшая база данных. Проведённый анализ целесообразности требуемой дискретизации сигналов по времени показывает, что для отслеживания, например, таких параметров, как тепловая инерция здания, требуется накопление данных по измерениям не чаще чем один раз в пять минут. В таком случае число измерений составит 105,1 тыс. строк в год.
Поскольку для отслеживания по тепловому пункту было выбрано 63 индикатора, то общий объём базы данных в год составит 6,62 млн значений. Объём цифровой модели может быть увеличен путём добавления новых данных или при увеличении степени дискретизации по времени. Уменьшение объёма данных приведёт к существенному снижению точности цифровой модели.
Для данного графика степень затухания, то есть относительное уменьшение соседних амплитуд переходной характеристики (берём первую и третью амплитуды), по каналу возмущения без компенсирующего регулятора равна ψ = 0,816. Степень затухания с компенсирующим регулятором для данного графика составляет ψ = 0,813.
Иными словами, применение компенсирующего регулятора позволило снизить линейный интегральный показатель точности управления в 2,3 раза, а динамическое отклонение — в 5,2 раза.
Создание цифрового двойника здания позволяет ускорить процессы оптимизации и тонкой настройки системы вентиляции существующих зданий, сократить ошибки и повысить экономичность эксплуатируемой установки. Разработка модели здания возможна на этапе эксплуатации здания. Создание цифрового двойника позволяет протестировать и оптимизировать различные параметры системы теплоснабжения объекта.
