Перейти к основному содержанию
ИТарктика
УДК 004.77
Сучок Сергей Игоревич, Сандаков Сергей Юрьевич, Земцов Максим Александрович, Фищева Ирина Николаевна
Аспирант первого курса по направлению подготовки
“Системный анализ, управление и обработка информации”, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вятский Государственный Университет»

к.т.н., доцент кафедры систем автоматизации управления,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вятский Государственный Университет»

старший преподаватель кафедры систем автоматизации управления, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вятский Государственный Университет»

старший преподаватель кафедры систем автоматизации управления, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вятский Государственный Университет»
Диспетчеризация приборов учета тепловой энергии
Аннотация:

В статье рассмотрены основные принципы городского теплоснабжения, выделены основные узлы потребления и распределения тепловой энергии. Рассмотрены звенья и системы диспетчеризации приборов теплового учета. Выделены направления дальнейшего развития диспетчеризации приборов теплового учета и альтернативный путь развития системы.

Ключевые слова: компьютерные сети, интернет вещей, сенсорные сети, теплоснабжение, теплосчетчики, системы диспетчеризации приборов учета..

В настоящий момент в условиях всеобщего повышения эффективности использования ресурсов и экономии бюджетных средств актуальным остается вопрос эффективного использования тепловой энергии при отоплении городских помещений.

Система городского отопления состоит из теплогенераторов – теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и котельных, тепловых пунктов, получающих теплоноситель (воду для отопления) от теплогенераторов и распределяющих его по конечным потребителям, и непосредственно помещения, куда в конечном итоге поставляется тепловая энергия [1]. Данная схема приведена на рисунке 1.

Основной задачей ТЭЦ с точки зрения теплоснабжения является поддержание оптимальной температуры и давления в трубопроводе в зависимости от потребляемого расхода теплоносителя и внешних погодных условий. Теплоноситель подается по магистралям под давлением 7-8 атмосфер, для того, чтобы не допустить его закипания при 150 градусах. Температура, объемный расход и давление теплоносителя поддерживаются ТЭЦ на определённом уровне в зависимости от информации о потреблении, получаемой от тепловых пунктов ежемесячно, а так же ориентируясь на график подачи тепла [2].

7ш

Непосредственно за температуру в отапливаемых помещениях отвечают тепловые пункты, которые в свою очередь делятся на индивидуальные (ИТП) и центральные (ЦТП).

Тепловой пункт снабжает теплоносителем помещения, контролирует и регулирует параметры теплоносителя, распределяет теплоноситель по системам теплопотребления, отключает системы теплопотребления, защищает системы теплопотребления от аварийного повышения параметров теплоносителя, ведет учет расходов теплоносителя и тепла [3]. Структурная схема теплового пункта представлена на рисунке 2.

В классической схеме отопления, после ЦТП устанавливается элеваторный модуль. Элеваторный модуль позволяет разбавлять теплоноситель высокой температуры, поступающий в отапливаемые помещения (подача), с отработанным теплоносителем (обратка). Элеваторы,  схема которых представлена на рисунке 3, являются статичным элементом регулирования, они работают по заданному коэффициенту смешивания обратки и подачи (как правило, 3 к 1) [3].

че

В экстренных случаях, для регулирования температуры прибегают к управлению элеваторной задвижкой. Применяются несколько способов:

  • изменение диаметра сопла задвижки;
  • глушение подсоса;
  • регулирование перепадов.

Такая схема управления является неоптимальной и ведет к тепловым потерям, поэтому в последние годы  намечена тенденция к автоматизации тепловых пунктов, которая позволяет [4]:

  • автоматически поддерживать заданное давление воды в прямом и обратном трубопроводе;
  • дистанционно управлять работой насосов и задвижек, визуализировать технологический процесс на рабочем месте оператора;
  • собирать, обрабатывать и выдавать статистические данные об объемах перекачанной воды и статусе насосных агрегатов;
  • задавать температуру в системе отопления в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Данные преимущества достигаются за счет построения программно-аппаратного комплекса управления тепловым пунктом, структурная схема которого представлена на рисунке 4.

Основным средством получения оперативной информации о потреблении объектом тепловой энергии является электромагнитный теплосчетчик. Эффективность системы в целом во многом зависит от частоты снятия показаний со счетчика и проверки корректности его работы.

Принцип действия теплосчетчика заключается в измерении объемного расхода теплоносителя и температуры в трубопроводах систем теплопотребления с последующим расчетом накопленного количества теплоты, объема и массы теплоносителя. Для измерения объемного расхода теплоносителя в теплосчетчиках используются электромагнитные преобразователи расхода (ЭПР), принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции. При прохождении электропроводящей жидкости через импульсное магнитное поле в ней наводится электродвижущая сила, пропорциональная средней скорости потока, а значит, и объемному расходу жидкости [5].

оо

Структурная схема теплосчетчика представлена на рисунке 5. Он состоит: из одного или двух расходомеров(F); двух или более термодатчиков(T); нескольких датчиков давления(P); измерительного блока. Теплосчетчик принимает аналоговые сигналы датчиков, преобразующего их в конечные величины массового расхода теплоносителя.

Аналоговые данные с датчиков (ПТ,ПР,ПД) поступают на фильтрующие схемы (Н,К), после чего преобразуются в цифровые сигналы с помощью АЦП и передаются в контроллер(МП), рисунок 6. Контроллер так же выводит информацию о своих измерениях на дисплей (ЖКИ), данные текущего расхода теплосчетчик хранит в ОЗУ, а накопленный расход и время наработки в ПЗУ. С помощью ЦАП теплосчетчик передает информацию по токовому выхода на другие приборы.

lkj

Q – тепловая энергия;

M – масса теплоносителя;

h1, h2 – энтальпии на входе и выходе системы.

Масса теплоносителя определяется объемом прошедшей по расходомеру жидкости и её плотностью. На плотность жидкости влияет температура и давление в трубопроводе, определяемые датчиками.

Важное место в автоматизации тепловых пунктов занимает установка современных теплосчетчиков, оснащенных модулями связи RS-485/RS-232, по средствам которых теплосчетчик подключается к автоматизированному тепловому пункту напрямую или через GSM-модем. Данное соединение позволяет не только следить за показаниями счетчика удаленно, но и управлять процессом подачи теплоносителя в режиме реального времени.

Для того, чтобы связать все звенья цепи теплоснабжения в единую систему регулирования температуры теплоносителя, потребуется глобальная автоматизация средств регулирования, тепловых пунктов и ТЭЦ.

В настоящий момент существует несколько способов снятия показаний с электронного теплосчетчика:

  • визуальный осмотр;
  • считывание показаний через интерфейс связи (например, RS-232);
  • считывание показаний по удаленному GSM/GRPS модему;
  • считывание данных по TCP/IP протоколу.

Последние три входят в комплекс автоматизированных систем контроля и учета тепловой энергии (АСКУТЭ), который позволяет:

  • оперативно собирать и обрабатывать информацию, необходимую для коммерческого взаиморасчета между организациями;
  • непрерывно контролировать нештатные ситуации, возникающие на объектах узлов учета тепловой энергии (УУТЭ);
  • наблюдать за процессами УУТЭ в режиме реального времени;
  • формировать информационную базу для принятия технических и экономических решений по управлению в области теплоснабжения;
  • минимизировать человеческий фактор.

АСКУТЭ, как правило, состоит из трех основных уровней [6]:

  • 1 уровень (датчики) – измерение расхода, температуры, давления и передача информации на вычислители (контроллеры);
  • 2 уровень (вычислители, устройства сбора и передачи данных) – первичная обработка параметров – расхода, температуры, давления; вычисление по заданному алгоритму; передача накопленной информации по каналам связи на сервер;
  • 3 уровень (сервер) – SCADA – автоматический опрос тепловычислителей, контроллеров, устройств сбора и передачи данных, сохранение и архивирование данных о параметрах энергоносителей (расход, температура и давление) по каждому из трубопроводов, сохранение в базе данных и передача этой информации.

Структурная схема типичной АСКУТЭ системы представлена на рисунке 7.

Существует множество компаний в стране, занимающихся автоматизацией учета тепловой энергии. Среди них можно выделить АСКУЭ “ПУЛЬСАР”, АСКУЭ «СТРИЖ», АРМ «Учет тепла», ИИС «Пирамида» и др.

Из наиболее масштабных систем можно выделить “САДКО-ТЕПЛО”, систему диспетчерского учета “Архивист” (НПО Тепловизор) и “ЛЭРС-учет”. Среди них наиболее универсальной, предоставляющей пользователем полный доступ практически к любому используемому теплосчетчику в стране, является система диспетчеризации “ЛЭРС - учёт”. Схема, иллюстрирующая охват работы “ЛЭРС-учет” представлена на рисунке 8.

df

 

Система «ЛЭРС-учет» обладает гибкостью подключения к различным интерфейсам передачи данных от модемов и теплосчетчиков, одним из её плюсов является возможность подключения приборов, которые ранее не использовались в программе. Для этого заказчик передает сведенья о приборе (технические характеристики) в компанию «ЛЭРС», после чего разработчики подключают новый для системы прибор к единой системе диспетчеризации.

Данная система диспетчеризации создана не только для слежения за показаниями приборов, но и для информирования сотрудников о нештатных ситуациях через SMS и e-mail, а так же для удаленного управления оборудованием. То есть, приобретая комплекс “ЛЭРС-учет”, клиент получает круглосуточный доступ к любому агрегату в подконтрольном ему тепловом пункте, что существенно сказывается на эффективности работы объекта.

Важной отличительной особенностью системы “ЛЭРС-учет” является развитая внутренняя система аналитики, клиенту доступны средства по построению мнемосхем и графиков. Программа может быть интегрирована в системы бухгалтерского учета 1С или другие программы с помощью модуля проектирования Lers Framework.

С точки зрения организации передачи данных в “ЛЭРС-учет”, система устроена следующим образом. Клиент с помощью специализированных программ, входящих в комплекс “ЛЭРС-учет”, обращается к серверу за показаниями приборов или текущим состоянием подконтрольного объекта. Сервер передает запрос на конкретный объект (например, тепловой пункт), где установлен ПЛК с модемом. С этим ПЛК соединяется все электрическое оборудование, установленное в тепловом пункте (расходомеры, частотные приводы, задвижки, клапана и т.д.). Основные функции ПЛК – передача запросов/ответов (обмен данными с сервером) и преобразование локальных интерфейсов оборудования в единый интерфейс программного комплекса “ЛЭРС-учет”. Данные с приборов считываются через модем ПЛК на сервер и затем передаются клиенту по его запросу. Для организации автоматической передачи данных на сервер клиенту требуется организовать цикличный запрос. Все графические редакторы и средства анализа данных находятся на стороне клиента и работают с данными, выгруженными с сервера. Кроме того, существует множество интерфейсов оборудования, установленного в тепловых пунктах, и практически для каждого теплосчетчика интерфейс свой. В связи с этим необходимо периодически обновлять микропрограмму ПЛК, с целью включения в нее новых приборов. Данная операция выполняется удаленно, по команде сервера для каждого модема, подключенного к “ЛЭРС-учет”. Система “ЛЭРС-учет” является частью общей системы диспетчеризации тепловых приборов в России. Данная система включает в себя 3 уровня:

1. Уровень жилищных коммунальных систем. На данном уровне ЖКХ собирают данные с подконтрольных им домов, помещений и тепловых пунктов, выставляются счета жильцам, проводятся расчеты потребления ЦТП и ИТП, расчет с городскими коммунальными системами;

2. Уровень городских коммунальных систем. Здесь происходит сбор данных о расходах тепла по ЖКХ, контроль состояния городских теплотрасс;

3. Уровень государственного регулирования и надзора. На этом уровне идет учет потребления тепла по городам и областям в зависимости от данных, подаваемых предыдущим уровнем, учет количества аварий, расчет тепловых потерь.

«ЛЭРС-учет» обеспечивает только первый уровень диспетчеризации и частично второй. Кроме городской коммунальной системы на втором уровне существуют системы учета тепла производимого на ТЭЦ, по которым так же производится взаиморасчет с городской коммунальной системой [7]. ТЭЦ поставляет теплоноситель городской тепловой сети, а на выходе стоит прибор учета, по которому ТЭЦ определяет качество производимого теплового носителя. Рядом с этим прибором, как правило, стоит второй прибор учета, принадлежащий тепловым сетям. С помощью второго прибора идет контроль качества теплоносителя, поставляемого ТЭЦ. Массовый расход и давление теплоносителя поддерживается ТЭЦ на определенном, почти одинаковом уровне, а вот температура зависит от графика отопления и внешней температуры на улице. Если тепловые сети, закупающие теплоноситель у ТЭЦ, фиксируют явное нарушение режима топления, они сообщают об этом на ТЭЦ. По сути, прибором контроля здесь является только теплосчетчик на входе тепловых сетей. То есть ТЭЦ ничего не знает о реальных потребителях и поставляет тепло в соответствии  с температурным графиком. Тепловые сети в свою очередь получают информацию от городских ЦТП и ИТП. Так как далеко не все тепловые пункты автоматизированы и подключены к системам удаленного слежения, передача показаний происходит ежемесячно на бумаге. Любые мелкие расхождения в отчетах с нормальными условиями отопления списываются на управляющие компании, а те в свою очередь списывают это на жильцов.

Такая система контроля показаний приборов теплоучета заведомо несет в себе недостатки и отсутствие прозрачности. Поэтому возникает необходимость всеобщей автоматизации и централизации систем теплоучета [8].

Для обеспечения третьего уровня диспетчеризации и единой системы учета тепловых приборов, которая могла бы быть интегрирована в систему “Умного города”, требуется создать единый программный комплекс. В нем данные от различных АСКУТЭ будут поступать на единый сервер, а доступ к тепловым приборам в случае необходимости будет иметь каждый уровень диспетчеризации.

Возможным аналогом системы “ЛЭРС-учет” может стать система глобального учета тепловой энергии, построенная на модели интернета вещей. Каждый отдельный датчик (расхода, температуры, давления) и орган управления системы теплоснабжения будет передавать свои данные на сервер без участия человека в режиме межмашинного взаимодействия (M2M). Данные - обрабатываться на сервере по заранее заданным алгоритмам. В случае возникновения нештатной ситуации система передаст данные об аварии ремонтным группам. Система будет автоматически формировать отчеты, и передавать их надзорным органам. Инженеры будут иметь круглосуточный доступ к серверу для анализа данных, если такая необходимость возникнет.

Заключение

Проанализировав городскую систему теплоснабжения, можно отметить, что основными факторами потери эффективности теплоснабжения являются:

1. изношенность городских теплотрасс;

2. планово-предупредительные ремонты и аварийные остановки тепловых пунктов;

3. отсутствие всеобщей автоматизации;

4. несогласованность управления тепловыми пунктами с реальными условиями;

5. несвоевременная передача показаний и индикация аварий.

Совокупность описанных выше факторов приводит к увеличению расхода теплоносителя и болезненным ремонтным работам, сказывающимся на комфорте городских жителей. Так как полностью исключить первые два пункта невозможно, для уменьшения финансовых и экологических потерь целесообразно ввести всеобщую автоматизацию диспетчеризации и управления котельными, тепловыми пунктами и домами.

Введение единой системы диспетчеризации должно помочь отслеживать любые изменения давления, расхода и температуры в системе отопления в режиме реального времени. Орган власти, получающий доступ к такому ресурсу, сможет не только правильно выставлять счета и определять виновника утечек, но и оперативно регулировать городское отопление, предвосхищать утечки.

Для достижения цели всеобщей автоматизации учета тепла потребуется разработка единой информационной среды, которая позволит следить за состоянием объектов потребления и генерации тепла, а так же за распределительными пунктами, обеспечивающими работу системы.

Наиболее актуальным может стать вопрос автоматизации управления районных тепловых узлов, удаленных от центральных городов, так как там потери эффективности теплоснабжения во много раз превышают городские показатели.

Дальнейшими направлениями развития темы являются диспетчеризация приборов теплового учета на третьем (всеобщем) уровне и принципиально новый метод снятия показаний, исключающий промежуточные звенья из цепи снятия показаний, такой например, как применение сенсорных сетей.

Список литературы

1. Шарапов, В. И. Технологии повышения надежности городских теплофикационных систем [Текст] / В. И. Шарапов [и др.] // Промышленная энергетика – 2014. – С. 45–48.

2. СП 60.13330.2016 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003 [Электронный ресурс]. – Введ. 2017-06-17 // СПС «КонсультантПлюс».

3. Тепловые пункты [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://portal.tpu.ru/SHARED/l/LBA/learning/system/Tab2/L13_p.pdf.

4. Орлов, М. Е.  Повышение эффективности ТЭЦ и подключенных к ним городских теплофикационных систем за счет структурно–технологической модернизации [Текст] / М. Е. Орлов. – Ульяновск – 2017. – 337 с.

5. Кремлевский,  П. П., Расходомеры и счетчики количества тепла [Текст]  / П. П. Кремлевский. – Москва : Машиностроение, 1989. – 701с.

6. Автоматизированные системы коммерческого учета тепловой энергии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://vzljot.ru/files/publications/GKH_10_2010.pdf.

7. Стандартизация систем диспетчеризации и автоматизированного коммерческого учета тепла и воды [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://aqua–therm.ru/articles/articles_285.html.

8. Системы теплоснабжения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://energoworld.ru/blog/sistemy–teplosnabzheniya/

References

1. Sharapov, V. I. Technologies for improving the reliability of urban heating systems [Text] / V. I. Sharapov [et al.] / / Industrial energy – 2014. – P. 45–48.

2. Set of rules SP 60.13330.2012 " SNiP 41–01–2003. Heating, ventilation and air conditioning".

3. Heat points [Electronic resource]. – Аccess Mode: http://portal.tpu.ru/SHARED/l/LBA/learning/system/Tab2/L13_p.pdf.

4. Orlov, M. E. improving the efficiency of thermal power plants and urban heating systems connected to them by structural and technological modernization [Text] / M. E. Orlov. – Ulyanovsk. – 2017. – 337 p.

5. Kremlin, Р. P. flow Meters and counters quantity of heat [Text] / Р. P. Kremlin. – Moscow : Mashinostroenie, 1989. – 701c.

6. Automated systems of commercial accounting of thermal energy [Electronic resource]. – access Mode: http://vzljot.ru/files/publications/GKH_10_2010.pdf.

7. Standardization of dispatching systems and automated commercial accounting of heat and water [Electronic resource]. – Аccess Mode: https://aqua–therm.ru/articles/articles_285.html.

8. Heating systems [Electronic resource]. – Access mode: https://energoworld.ru/blog/sistemy–teplosnabzheniya/.