Главная Курсы валют Автоматизированная система оперативно-дистанционного управления процессом теплоснабжения. Автоматизация системы теплоснабжения (индивидуальный тепловой пункт) Анализ существующих систем управления теплоснабжением

Автоматизированная система оперативно-дистанционного управления процессом теплоснабжения. Автоматизация системы теплоснабжения (индивидуальный тепловой пункт) Анализ существующих систем управления теплоснабжением

В рамках поставки электрощитового оборудования были поставлены силовые шкафы и шкафы управления для двух корпусов (ИТП). Для приема и распределения электроэнергии в тепловых пунктах используются вводно-распределительные устройства, состоящие из пяти панелей каждое (всего 10 панелей). В вводных панелях установлены переключающие рубильники, ограничители перенапряжения, амперметры и вольтметры. Панели АВР в ИТП1 и ИТП2 реализованы на базе блоков автоматического ввода резерва. В распределительных панелях ВРУ установлены аппараты защиты и коммутации (контакторы, устройства плавного пуска, кнопки и лампы) технологического оборудования тепловых пунктов. Все автоматические выключатели снабжены контактами состояния, сигнализирующими об аварийном отключении. Эта информация передается на контроллеры, установленные в шкафах автоматики.

Для контроля и управления оборудованием используется контроллеры ОВЕН ПЛК110. К ним подключены модули ввода/вывода ОВЕН МВ110-224.16ДН, МВ110-224.8А, МУ110-224.6У, а также сенсорные панели оператора.

Ввод теплоносителя осуществляется непосредственно в помещение ИТП. Подача воды на горячее водоснабжение, отопление и теплоснабжение воздухонагревателей систем вентиляции воздуха осуществляется с коррекцией по температуре наружного воздуха.

Отображение технологических параметров, аварий, состояние оборудования и диспетчерское управление ИТП осуществляется с АРМ диспетчеров в объединенном ЦДП здания. На сервере диспетчеризации осуществляется хранение архива технологических параметров, аварий, состояния оборудования ИТП.

Автоматизацией тепловых пунктов предусматривается:

Информационный обмен между контроллерами автоматизации и верхним уровнем (АРМ со специализированным ПО диспетчеризации MasterSCADA) осуществляется по протоколу Modbus/TCP.

Статья посвящена применению SCADA-системы Trace Mode для оперативно-дистанционного управления объектами централизованного теплоснабжения города. Объект, на котором был реализован описываемый проект, находится на юге Архангельской области (город Вельск). Проект предусматривает оперативное наблюдение и управление процессом подготовки и распределения тепла для отопления и снабжения горячей водой объектов жизнедеятельности города.

ЗАО «СпецТеплоСтрой», г. Ярославль

Постановка задачи и необходимые функции системы

Цель, которая стояла перед нашей компанией — построить магистральную сеть для теплоснабжения большей части города, используя передовые методы строительства, где были использованы предызолированные трубы для строительства сети. Для этого было построено пятнадцать километров магистральных тепловых сетей и семь центральных тепловых пунктов (ЦТП). Назначение ЦТП - используя перегретую воду с ГТ-ТЭЦ (по графику 130/70 °С), готовит теплоноситель для внутриквартальных тепловых сетей (по графику 95/70 °С) и подогревает воду до 60 °С для нужд ГВС (горячего водоснабжения), ЦТП работает по независимой, закрытой схеме.

При постановке задачи учитывались многие требования, обеспечивающие энергосберегающий принцип работы ЦТП. Вот некоторые особо важные из них:

Осуществлять погодозависимое управление системой отопления;

Поддерживать на заданном уровне параметры ГВС (температура t, давление P, расход G);

Поддерживать на заданном уровне параметры теплоносителя для отопления (температура t, давление P, расход G);

Организовать коммерческий учет тепловой энергии и теплоносителя в соответствии с действующими нормативными документами (НД);

Обеспечить АВР (автоматический ввод резерва) насосов (сетевых и ГВС) с выравниванием моторесурса;

Производить коррекцию основных параметров по календарю и по часам реального времени;

Производить периодическую передачу данных в диспетчерский пункт;

Производить диагностику средств измерения и работающего оборудования;

Отсутствие дежурного персонала на ЦТП;

Отслеживать и оперативно сообщать обслуживающему персоналу о возникновении нештатных ситуаций.

В результате этих требований были определены функции создаваемой системы оперативно-дистанционного управления. Были выбраны основные и вспомогательные средства автоматизации и передачи данных. Произведен выбор SCADA-системы для обеспечения работоспособности системы в целом.

Необходимые и достаточные функции системы:

1_Информационные функции:

Измерение и контроль технологических параметров;

Сигнализация и регистрация отклонений параметров от установленных границ;

Формирование и выдача оперативных данных персоналу;

Архивирование и просмотр истории параметров.

2_Управляющие функции:

Автоматическое регулирование важных параметров процесса;

Дистанционное управление периферийными устройствами (насосами);

Технологические защиты и блокировки.

3_Сервисные функции:

Самодиагностика программно-технического комплекса в реальном времени;

Передача данных на диспетчерский пункт по расписанию, по запросу и по возникновению нештатной ситуации;

Тестирование работоспособности и правильности функционирования вычислительных устройств и каналов ввода/вывода.

Что повлияло на выбор средств автоматизации

и программного обеспечения?

Выбор основных средств автоматизации происходил в основном по трем факторам - это цена, надежность и универсальность настройки и программирования. Так, для самостоятельной работы в ЦТП и для передачи данных были выбраны свободно-программируемые контроллеры серии PCD2-PCD3 фирмы Saia-Burgess. Для создания диспетчерского места была выбрана отечественная SCADA-система Trace Mode 6. Для передачи данных принято решение использовать обычную сотовую связь: использовать обычный голосовой канал для передачи данных и SMS-сообщения для оперативного извещения персонала о возникновении нештатных ситуаций.

Каков принцип работы системы

и особенности реализации управления в Trace Mode?

Как и во многих подобных системах, управленческие функции для непосредственного воздействия на регулирующие механизмы отдаются на нижний уровень, а уже управление всей системой в целом - на верхний. Описание работы нижнего уровня (контроллеров) и процесса передачи данных я сознательно опускаю и перейду сразу на описание верхнего.

Для удобства использования диспетчерское место оснащено персональным компьютером (ПК) с двумя мониторами. Данные со всех пунктов стекаются на диспетчерский контроллер и через интерфейс RS-232 передаются в OPC-сервер, работающий на ПК. Проект реализован в Trace Mode версии 6 и рассчитан на 2048 каналов. Это первый этап внедрения описываемой системы.

Особенностью реализации поставленной задачи в Trace Mode является попытка создания многооконного интерфейса с возможностью наблюдения за процессом теплоснабжения в режиме on-line, как на схеме города, так и на мнемосхемах тепловых пунктов. Использование многооконного интерфейса позволяет решить проблемы вывода большого количества информации на дисплей диспетчера, которая должна быть достаточна и в то же время неизбыточна. Принцип многооконного интерфейса позволяет иметь доступ к любым параметрам процесса в соответствии с иерархической структурой окон. А также упрощается внедрение системы на объекте, так как такой интерфейс по внешнему виду весьма похож на широко распространенные продукты семейства Microsoft и имеет схожее оборудование меню и панелей инструментов, знакомых любому пользователю персонального компьютера.

На рис. 1 представлен главный экран системы. На нем схематично отображена магистральная теплосеть с указанием источника тепла (ТЭЦ) и центральных тепловых пунктов (с первого по седьмой). На экран выведена информация о возникновении нештатных ситуаций на объектах, текущая наружная температура воздуха, дата и время последней передачи данных с каждого пункта. Объекты теплоснабжения снабжены всплывающими подсказками. При возникновении нештатной ситуации - объект на схеме начинает «мигать», и появляются запись о событии и красный мигающий индикатор в отчете тревог рядом с датой и временем передачи данных. Имеется возможность просмотра укрупненных тепловых параметров по ЦТП и по всей теплосети в целом. Для этого необходимо отключить показ списка отчета тревог и предупреждений (кнопка «ОТиП»).

Рис. 1. Главный экран системы. Схема расположения объектов теплоснабжения г. Вельска

Переход на мнемосхему теплового пункта возможен двумя способами - необходимо щелкнуть мышкой по значку на схеме города или по кнопке с надписью теплового пункта.

Мнемосхема теплового пункта открывается на втором экране. Это сделано как для удобства наблюдения за конкретной ситуацией на ЦТП, так и для наблюдения за общим состоянием системы. На этих экранах в режиме реального времени визуализируются все контролируемые и регулируемые параметры, в том числе и параметры, которые считываются с теплосчетчиков. Все технологическое оборудование и средства измерения снабжены всплывающими подсказками в соответствии с технической документацией.

Изображение оборудования и средств автоматизации на мнемосхеме максимально приближено к реальному виду.

На следующем уровне многооконного интерфейса осуществляется непосредственное управление процессом теплопередачи, изменение настроек, просмотр характеристик работающего оборудования, наблюдение за параметрами в реальном времени с историей изменений.

На рис. 2 представлен экранный интерфейс для просмотра и управления основными средствами автоматизации (управляющий контроллер и тепловычислитель). На экране управления контроллером имеется возможность изменить телефонные номера для передачи SMS-сообщений, запретить или разрешить передачу аварийных и информационных сообщений, управлять периодичностью и величиной передачи данных, задавать параметры для самодиагностики средств измерения. На экране тепловычислителя можно просматривать все настроечные параметры, изменять доступные настройки и управлять режимом обмена данными с контроллером.

Рис. 2. Управляющие экраны для тепловычислителя «Взлет ТСРВ» и контроллера PCD253

На рис. 3 показаны всплывающие панели для управляющего оборудования (регулирующий клапан и насосные группы). Здесь отображается текущее состояние этого оборудования, сведения об ошибках и некоторые параметры, необходимые для самодиагностики и проверки. Так, для насосов очень важными параметрами являются давление сухого хода, время наработки на отказ и задержка для включения.

Рис. 3. Панель управления группами насосов и регулирующим клапаном

На рис. 4 показаны экраны для наблюдения за параметрами и регулирующими контурами в графическом виде с возможностью просмотра истории изменения. На экран параметров выведены все контролируемые параметры теплового пункта. Они сгруппированы по физическому смыслу (температура, давление, расход, количество тепла, тепловая мощность, освещение). На экран регулирующих контуров выведены все контуры управления параметрами и отображается текущее значение параметра, заданное с учетом зоны нечувствительности, положение клапана и выбранный закон регулирования. Все эти данные на экранах разбиты на страницы, подобно общепринятому оформлению в Windows-приложениях.

Рис. 4. Экраны графического отображения параметров и регулирующих контуров

Все экраны можно перемещать по пространству двух мониторов, одновременно выполняя несколько задач. В режиме реального времени доступны все необходимые параметры для безаварийной работы системы распределения тепла.

Как долго разрабатывалась система, сколько было разработчиков?

Базовая часть системы диспетчеризации и управления в Trace Mode была разработана в течение одного месяца автором этой статьи и запущена в городе Вельске. На рис. представлена фотография с временного диспетчерского помещения, где установлена система и проходит опытная эксплуатация. В настоящий момент силами нашей организации вводится в действие еще один тепловой пункт и аварийный источник тепла. Именно на этих объектах проектируется специальное диспетчерское помещение. После его введения в эксплуатацию в систему будут включены уже все восемь тепловых пунктов.

Рис. 5. Временное рабочее место диспетчера

В процессе эксплуатации АСУ ТП возникают различные замечания и пожелания от диспетчерской службы. Таким образом, постоянно идет процесс обновления системы для улучшения эксплуатационных свойств и удобства работы диспетчера.

Каков эффект от внедрения такой системы управления?

Достоинства и недостатки

В данной статье автор не ставит задачу оценить экономический эффект от внедрения системы управления в цифрах. Однако экономия очевидна из-за сокращения персонала, занятого в обслуживании системы, значительного уменьшения количества аварий. Кроме того, очевиден экологический эффект. А также следует отметить, что внедрение такой системы позволяет оперативно реагировать и устранять ситуации, которые могут привести к непредвиденным последствиям. Срок окупаемости всего комплекса работ (строительство теплотрассы и тепловых пунктов, монтаж и наладка, автоматизация и диспетчеризация) для заказчика составит 5-6 лет.

Можно привести достоинства работающей системы управления:

Наглядность представления информации на графическом изображении объекта;

Что касается анимационных элементов, то они специальным образом добавлялись в проект для улучшения визуального эффекта от просмотра программы.

Перспективы развития системы

Рис. 6. Двухпроводная линия с двумя коронирующими проводами при разных расстояниях между ними

16 м; 3 - Ьп = 8 м; 4 - Ь,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ефимов Б.В. Грозовые волны в воздушных линиях. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2000. 134 с.

2. Костенко М.В., Кадомская К.П., Левиншгейн МЛ., Ефремов И.А. Перенапряжения и защита от них в

воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения. Л.: Наука, 1988. 301 с.

A.M. Прохоренков

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЁННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕМ ГОРОДА

Вопросам внедрения ресурсосберегающих технологий в современной России уделяется значительное внимание. Особенно остро эти вопросы стоят в районах Крайнего Севера. В качестве топлива для городских котельных используется мазут, который доставляется железнодорожным транспортом из центральных регионов России, что существенно повышает стоимость вырабатываемой тепловой энергии. Продолжительность

отопительного сезона в условиях Заполярья на 2-2,5 месяца длиннее по сравнению с центральными районами страны, что связано с климатическими условиями Крайнего Севера. При этом теплоэнергетические предприятия должны вырабатывать необходимое количество теплоты в виде пара, горячей воды при определенных параметрах (давление, температура) для обеспечения жизнедеятельности всех городских инфраструктур.

Снижение затрат на выработку отпускаемой потребителям тепловой энергии возможно только за счет экономичного сжигания топлива, рационального использования электроэнергии для собственных нужд предприятий, сведения потерь теплоты к минимуму на участках транспортировки (тепловые сети города) и потребления (здания, предприятия города), атакже снижения численности обслуживающего персонала на участках производства.

Решение всех этих задач возможно только за счет внедрения новых технологий, оборудования, технических средств управления, позволяющих обеспечить экономическую эффективность работы теплоэнергетических предприятий, атакже повысить качество управления и эксплуатации теплоэнергетических систем.

Постановка задачи

Одна из важных задач в области теплофикации городов - создание теплоснабжающих систем с параллельной работой нескольких источников тепла. Современные системы централизованного теплоснабжения городов сложились как очень сложные, пространственно распределённые системы с замкнутой циркуляцией. Свойство саморегулирования у потребителей, как правило, отсутствует, распределение теплоносителя производится предварительной установкой специально рассчитанных (на один из режимов) постоянных гидравлических сопротивлений [ 1]. В этой связи случайный характер отбора тепловой энергии потребителями пара и горячей воды приводит к сложным в динамическом отношении переходным процессам во всех элементах теплоэнергетической системы (ТЭС) .

Оперативный контроль состояния удаленных объектов и управление оборудованием, находящимся на контролируемых пунктах (КП), невозможны без разработки автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления центральными тепловыми пунктами и насосными станциями (АСДК и У ЦТП и НС) города. Поэтому одной из актуальных проблем является управление потоками тепловой энергии с учетом гидравлических характеристик как самих тепловых сетей, так и потребителей энергии. Она требует решения задач, связанных с созданием теплоснабжающих систем, где параллельно ра-

ботают несколько источников тепла (тепловых станций - ТС)) на общую тепловую сеть города и на общий график тепловой нагрузки. Такие системы позволяют экономить топливо при теплофикации, увеличивать степень загрузки основного оборудования, осуществлять эксплуатацию котлоагрегатов в режимах с оптимальными значениями КПД.

Решение задач оптимального управления технологическими процессами отопительной котельной

Для решения задач оптимального управления технологическими процессами отопительной котельной "Северная" Государственного областного теплоэнергетического предприятия (ГОТЭП) "ТЭКОС" в рамках гранта Программы импорта энергосберегающих и природоохранных оборудования и материалов (ПИЭПОМ) Российско-Американского комитета была осуществлена поставка оборудования (финансирование правительства США). Это оборудование и разработанное для него программное обеспечение позволили решить широкий круг задач реконструкции на базовом предприятии ГОТЭП "ТЭКОС", а полученные результаты - тиражировать на теплоэнергетические предприятия области.

Основой реконструкции систем управления котлоагрегатами ТС стала замена морально устаревших средств автоматизации центрального пульта управления и локальных систем автоматического регулирования на современную микропроцессорную распределенную систему управления. Внедрённая распределённая система управления котлоагрегатами на базе микропроцессорной системы (МПС) TDC 3000-S (Supper) фирмы Honeywell обеспечила единое комплексное решение для реализации всех системных функций управления технологическими процессами ТС. Эксплуатируемая МПС обладает ценными качествами: простотой и наглядностью компоновки функций управления и эксплуатации; гибкостью выполнения всех требований процесса с учётом показателей надёжности (работа в режиме "горячего" резерва второго компьютера и УСО), готовностью и экономичностью; лёгким доступом ко всем данным системы; простотой изменения и расширения сервисных функций без обратного воздействия на систему;

улучшенным качеством представления информации в виде, удобном для принятия решений (дружественный интеллектуальный операторский интерфейс), что способствует сокращению ошибок оперативного персонала при эксплуатации и контроле процессов ТС; компьютерным созданием документации АСУ ТП; повышенной эксплуатационной готовностью объекта (результат самодиагностики системы управления); перспективностью системы с высокой степенью инновации . В системе TDC 3000 - S (рис. 1) имеется возможность подключения внешних PLC контроллеров других производителей (эта возможность реализуется при наличии модуля шлюза PLC). Информация от PLC контроллеров ото-

бражается в ТОС в виде массива точек, доступного для чтения-записи из пользовательских программ. Это дает возможность использовать для сбора данных распределённые станции ввода-вывода, установленные в непосредственной близости от управляемых объектов, и передавать данные в ТОС по информационному кабелю, используя один из стандартных протоколов. Подобный вариант позволяет интегрировать новые объекты управления, в том числе автоматизированную систему диспетчерского контроля и управления центральными тепловыми пунктами и насосными станциями {АСДКиУ ЦТПиНС}, в имеющуюся АСУ ТП предприятия без внешних изменений для пользователей.

Локальная компьютерная сеть

Универсальные станции

Компьютерный Прикладной Исторический

шлюз модуль модуль

Локальная сеть управления

Шлюз магистрали

I Резервный (АРММ)

Модуль Усовершенст-. ованного менеджера процесса (АРММ)

Универсальная сеть управления

Контроллеры ввода-вывода

Кабельные трассы 4-20 мА

Станция ввода-вывода SIMATIC ЕТ200М.

Контроллеры ввода-вывода

Сеть PLC устройств (PROFIBUS)

Кабельные трассы 4-20 мА

Датчики расхода

Датчики температуры

Датчики давления

Анализаторы

Регуляторы

Частотные станции

Задвижки

Датчики расхода

Датчики температуры

Датчики давления

Анализаторы

Регуляторы

Частотные станции

Задвижки

Рис. 1. Сбор информации распределёнными PLC станциями, передачи её в TDC3000-S для визуализации и обработки с последующей выдачей управляющих сигналов

Проведенные экспериментальные исследования показали, что процессы, протекающие в паровом котле в эксплуатационных режимах его работы, имеют случайный характер и относятся к нестационарным, что подтверждается полученными результатами математической обработки и статистического анализа . Учитывая случайный характер процессов, протекающих в паровом котле, за меру оценки качества управления приняты оценки смещения математического ожидания (МО) M(t) и дисперсии 5 (?) по основным координатам регулирования :

Ем, (t) 2 MZN (t) - MrN (t) ^ гМих (t) ^ min

где Mzn{t), Mmn{t) - заданное и текущее МО основных регулируемых параметров парового котла: количество воздуха, количество топлива, а также паропроизводителыюсть котла.

s 2 (t) = 8|v (t) - q2N (t) ^ s^ (t) ^ min, (2)

где 52Tn, 5zn2(t) - текущая и заданная дисперсии основных регулируемых параметров парового котла.

Тогда критерий качества управления будет иметь вид

Jn = I [авМй(t) + ßsö;, (t)] ^ min, (3)

где n = 1, ...,j; - ß - весовые коэффициенты.

В зависимости от режима работы котла (регулировочный или базовый) должна формироваться оптимальная стратегия управления.

Для регулировочного режима работы парового котла стратегия управления должна быть направлена на поддержание давления в паровом коллекторе постоянным независимо от расхода пара потребителями тепловой энергии. Для этого режима работы за меру качества управления принята оценка смещения МО давления пара в главном паровом коллекторе в виде

ер (/) = Рг{1) - Рт () ^Б^ (4)

где ВД, Рт(0 - заданное и текущее среднее значения давления пара в главном паровом коллекторе.

Смещение давления пара в главном паровом коллекторе по дисперсии с учетом (4) имеет вид

(0 = -4г(0 ^^ (5)

где (УрзОО, арт(0 - заданная и текущая дисперсии давления.

Для настройки коэффициентов передачи регуляторов контуров многосвязной системы управления котла использовались методы нечёткой логики .

В процессе опытной эксплуатации автоматизированных паровых котлов был накоплен статистический материал, позволивший получить сравнительные (с работой неавтоматизированных котлоагрегатов) характеристики технико-экономической эффективности внедрения новых методов и средств управления и продолжить реконструкционные работы на других котлах. Так, за период полугодовой эксплуатации неавтоматизированных паровых котлов № 9 и 10, а также автоматизированных паровых котлов № 13 и 14 были получены результаты, которые представлены в табл.1.

Определение параметров оптимальной загрузки тепловой станции

Для определения оптимальной загрузки ТС необходимо знать энергетические характеристики их парогенераторов и котельной в целом, которые представляют собой зависимость между количеством подводимого топлива и получаемой теплоты.

Алгоритм нахождения этих характеристик включает следующие этапы:

Таблица 1

Показатели работы котлоагрегатов

Название пок^ателя Значение показателей доя котлов

№9-10 № 13-14

Выработка тепла,Гкал Расход тошшва,т Удельная норма расхода топлива на выработку 1 Гкал тепловой энергии,кг у.т.^кал 170 207 20 430 120,03 217 626 24 816 114,03

1. Определение тепловой производительности котлов для различных нагрузочных режимов их работы.

2. Определение потерь теплоты А()с учётом КПД котлов и их полезной нагрузки.

3. Определение нагрузочных характеристик котлоагрегатов в диапазоне их изменения от минимально допустимых до максимальных.

4. Исходя из изменения суммарных потерь теплоты в паровых котлах определение их энергетических характеристик, отражающих часовой расход условного топлива, по формуле 5= 0,0342(0, + АС?).

5. Получение энергетических характеристик котельных (ТС) с использованием энергетических характеристик котлов.

6. Формирование с учетом энергетических характеристик ТС управляющих решений о последовательности и очерёдности их загрузки в течение отопительного периода, а также в летний сезон.

Другой важный вопрос организации параллельной работы источников (ТС) - определение факторов, оказывающих существенное влияние на нагрузку котельных, и задач системы управления теплоснабжением по обеспечению потребителей необходимым количеством тепловой энергии при возможно минимальных затратах на её выработку и передачу.

Решение первой задачи осуществляется с помощью увязки графиков подачи с графиками использования теплоты посредством системы теплообменных аппаратов, решение второй - посредством установления соответствия тепловой нагрузки потребителей ее выработке, т. е. при помощи планирования изменения нагрузки и снижения потерь при передаче тепловой энергии. Обеспечение увязки графиков подачи и использования теплоты должно осуществляться за счет применения локальной автоматики на промежуточных ступенях от источников тепловой энергии до её потребителей.

Для решения второй задачи предлагается реализовать функции оценки планируемой нагрузки потребителей с учетом экономически обоснованных возможностей источников энергии (ТС). Такой подход возможен с использованием методов ситуационного управления на базе реализации алгоритмов нечеткой логики. Основной фактор, оказывающий существенное влияние на

тепловую нагрузку котельных, - это та ее часть, которая используется на отопление зданий и на горячее водоснабжение. Средний тепловой поток (в Ваттах), используемый на отопление зданий, определяется по формуле

где /от - средняя температура наружного воздуха за определенный период; г{ - средняя температура внутреннего воздуха отапливаемого помещения (температура, которую нужно поддерживать на заданном уровне); /0 - расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления; <70 - укрупненный показатель максимального теплового потока на отопление жилых и общественных зданий в Ваттах на 1 м площади здания при температуре /0; А - общая площадь здания; Кх - коэффициент, учитывающий тепловой поток на отопление общественных зданий (при отсутствии конкретных данных его можно считать равным 0,25).

Из формулы (6) видно, что тепловая нагрузка на отопление зданий определяется в основном температурой наружного воздуха.

Средний тепловой поток (в Ваттах) на горячее водоснабжение зданий определяется выражением

1,2ш(а + ^)(55 - ^) р

Ыт „ . „ _ с"

где т - число потребителей; а - норма расхода воды на горячее водоснабжение при температуре +55 °С на одного человека в сутки в литрах; Ь - норма расхода воды на горячее водоснабжение, потребляемой в общественных зданиях, при температуре +55 °С (принимается равной 25 литрам в сутки на одного человека); с - теплоемкость воды; /х- температурахолодной (водопроводной) воды в отопительный период (принимается равной +5 °С).

Анализ выражения (7) показал, что при расчете средняя тепловая нагрузка на горячее водоснабжение получается постоянной. Реальный же отбор тепловой энергии (в виде горячей воды из крана), в отличие от рассчитанного значения, имеет случайный характер, что связано с увеличение разбора горячей воды утром и вечером, и уменьшением отбора в течение дня и ночи. На рис. 2, 3 представлены графики изменения

Oil 012 013 014 015 016 017 018 019 1 111 112 113 114 115 116 117 118 119 2 211 212 213 214 215 216 217 218 219 3 311 312 313 314 315 316 317

дни месяца

Рис. 2. График изменения температуры воды в ЦТП N9 5(7 - прямая котельная вода,

2 - прямая квартальная, 3 - вода на ГВС, 4 - обратная квартальная, 5 - обратная котельная вода) и температуры наружного воздуха (6) за период с 1 по 4 февраля 2009 года

давления и температуры горячей воды для ЦТП № 5, которые были получены из архива СДКи У ЦТП и НС г. Мурманска.

С наступлением теплых дней, когда температура окружающей среды в течение пяти суток не опускается ниже +8 °С, отопительная нагрузка потребителей отключается и тепловая сеть работает на нужды горячего водоснабжения. Средний тепловой поток на ГВС в неотопительный период рассчитывается по формуле

где - температура холодной (водопроводной) воды в неотопительный период (принимается равной +15 °С); р - коэффициент, учитывающий изменение среднего расхода воды на ГВС в неотопительный период по отношению к отопительному периоду (0,8 - для жилищно-коммунального сектора, 1 - для предприятий).

С учетом формул (7), (8) рассчитываются графики тепловой нагрузки потребителей энергии, которые являются основой для построения заданий по централизованному регулированию подачи тепловой энергии ТС.

Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления центральными тепловыми пунктами и насосными станциями города

Специфическая особенность города Мурманска состоит в том, что он расположен на холмистой местности. Минимальная высотная отметка 10 м, максимальная - 150 м. В связи с этим теплосети имеют тяжелый пьезометрический график. Из-за повышенного давления воды на начальных участках увеличивается аварийность (разрывы труб).

Для оперативного контроля состояния удаленных объектов и управления оборудованием, находящимся на контролируемых пунктах (КП),

Рис. 3. График изменения давления воды в ЦТП N° 5 за период с 1 по 4 февраля 2009 года: 1 - вода на ГВС, 2 - прямая котельная вода, 3 - прямая квартальная, 4 - обратная квартальная,

5 - холодная, 6 - обратная котельная вода

была разработана АСДКиУЦТПиНС города Мурманска. Контролируемые пункты, на которых в процессе реконструкционных работ установлено оборудование телемеханики, расположены на удалении до 20 км от головного предприятия. Связь с оборудованием телемеханики на КП осуществляется по выделенной телефонной линии связи. Центральные бойлерные (ЦТП) и насосные станции представляют собой отдельно стоящие здания, в которых установлено технологическое оборудование. Данные с КП поступают на диспетчерский пункт (в ПКАРМ диспетчера), находящийся на территории ТС "Северная" предприятия "ТЭКОС", и в сервер ТС, после чего становятся доступными пользователям локальной вычислительной сети предприятия для решения своих производственных задач.

В соответствии с задачами, решаемыми с помощью АСДКиУЦТПиНС, комплекс имеет двухуровневую структуру (рис. 4).

Уровень 1 (верхний, групповой) - пульт диспетчера. На этом уровне реализованы следующие функции: централизованный контроль и дистанционное управление технологическими процессами; отображение данных на дисплее пульта управления; формирование и выдача от-

четной документации; формирование заданий в АСУ ТП предприятия на управление режимами параллельной работы тепловых станций города на общую городскую тепловую сеть; доступ пользователей локальной сети предприятия к базе данных технологического процесса .

Уровень 2 (локальный, местный) - оборудование КП с размещенными на них датчиками (сигнализации, измерения) и оконечными исполнительными устройствами. На этом уровне реализованы функции сбора и первичной обработки информации, выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы.

Функции, выполняемые АСДКиУЦТПиНС города

Информационные функции: контроль показаний датчиков давления, температуры, расхода воды и контроль состояния исполнительных механизмов (вкл./выкл., откр./закр.).

Управляющие функции: управление сетевыми насосами, насосами горячей воды, прочим технологическим оборудованием КП.

Функции визуализации и регистрации: все информационные параметры и параметры сигнализации отображаются натрендах и мнемосхемах операторской станции; все информационные

ПК АРМ диспетчера

Адаптер ШВ/К8-485

Выделенные телефонные линии

Контроллеры КП

Рис. 4. Структурная схема комплекса

параметры, параметры сигнализации, команды управления регистрируются в базе данных периодически, атакже в случаях изменения состояния.

Функции сигнализации: отключение электроэнергии на КП; срабатывание датчика затопления на КП и охраны на КП; сигнализация от датчиков предельного (высокого/низкого) давления в трубопроводах и отдатчиков аварийного изменения состояния исполнительных механизмов (вкл./выкл., откр./закр.).

Концепция системы поддержки принятия и исполнения решений

Современная автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Диспетчер в многоуровневой АСУ ТП получает информацию с монитора ЭВМ и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии, с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов. Таким образом, диспетчер становится главным действующим лицом в управлении технологическим процессом предприятия. Технологические процессы в теплоэнергетике потенциально опасны. Так, за тридцать лет число учтенных аварий удваивается примерно каждые десять лет. Известно , что в установившихся режимах сложных систем энергетики ошибки из-за неточности исходных данных составляют 82-84 %, из-за неточности модели -14-15%, из-за неточности метода - 2-3 %. Ввиду большой доли погрешности исходных данных возникает и погрешность в расчете целевой функции, что приводит к значительной зоне неопределенности при выборе оптимального режима работы системы. Эти проблемы можно устранить, если рассматривать автоматизацию не просто как способ замещения ручного труда непосредственно при управлении производством, а как средство анализа, прогноза и управления . Переход от диспетчеризации к системе поддержки принятия решения означает переход к новому качеству - интеллектуальной информационной системе предприятия. В основе любой аварии (кроме стихийных бедствий) лежит ошибка человека (оператора). Одна из причин этого - старый, традиционный подход к построению сложных систем управления, ориентированный на применение новейших техни-

ческих и технологических достижений при недооценке необходимости использования методов ситуационного управления, методов интеграции подсистем управления, а также построения эффективного человеко-машинного интерфейса, ориентированного на человека (диспетчера). При этом предусмотрен перенос функций диспетчера по анализу данных, прогнозированию ситуаций и принятию соответствующих решений на компоненты интеллектуальных систем поддержки принятия и исполнения решений (СППИР) . Концепция СППИР включает целый ряд средств, объединенных общей целью - способствовать принятию и реализации рациональных и эффективных управленческих решений. СППИР - это диалоговая автоматизированная система, которая выступает в качестве интеллектуального посредника, поддерживающего естественно-языковый интерфейс пользователя со ЗСАОА-системой, и использует правила принятия решений, соответствующие модели и базы. Наряду с этим СППИР осуществляет функцию автоматического сопровождения диспетчера на этапах анализа информации, распознавания и прогнозирования ситуаций. На рис. 5 представлена структура СППИР, с помощью которой диспетчер ТС осуществляет управление теплоснабжением микрорайона.

Исходя из отмеченного выше можно выделить несколько нечетких лингвистических переменных, влияющих на нагрузку ТС, а следовательно, и на работу тепловых сетей . Эти переменные приведены в табл. 2.

В зависимости от сезона, времени суток, дня недели, атакже характеристик наружной среды блок оценки ситуаций осуществляет расчёт технического состояния и необходимой производительности источников тепловой энергии. Такой подход позволяет решать проблемы экономии топлива при теплофикации, увеличивать степень загрузки основного оборудования, осуществлять эксплуатацию котлов в режимах с оптимальными значениями КПД .

Построение автоматизированной системы распределённого управления теплоснабжением города возможно при следующих условиях:

внедрении автоматизированных систем управления котлоагрегатами отопительных котельных. (Внедрение АСУ ТП на ТС "Северная"

Рис. 5. Структура СППИР отопительной котельной микрорайона

Таблица 2

Лингвистические переменные, определяющие нагрузку отопительной котельной

Обозначение Название Область значений (универсальное множество) Термы

^мес Месяц от января до декабря «янв», «февр», «март», «апр», «май», «июнь», «июль», «авг», «сент», «окт», «нояб», «дек»

Т-нед День недели рабочий или выходной «рабочий», «выходной»

ТСуг Время суток от 00:00 до 24:00 «ночь», «утро», «день», «вечер»

т 1 н.в Температура наружного воздуха от-32 до+32 °С «ниже», «-32», «-28», «-24», «-20», «-16», «-12», «-8», «^1», «0», «4», «8», «12», «16», «20», «24», «28», «32», «выше»

1"в Скорость ветра от 0 до 20 м/с «0», «5», «10», «15», «выше»

обеспечило снижение удельной нормы расхода топлива на котлах № 13,14 по сравнению с котлами № 9,10 на 5,2 %. Экономия электроэнергии после установки частотных векторных преобразователей на приводы вентиляторов и дымососов котла № 13 составила 36 % (удельный расход до реконструкции - 3,91 кВт-ч/Гкал, после реконструкции - 2,94 кВт-ч/Гкал, а для котла

№ 14 - 47 % (удельный расход электроэнергии до реконструкции - 7,87кВт-ч/Гкал., после реконструкции - 4,79 кВт-ч/Гкал));

разработке и внедрении АСДКиУЦТПиНС города;

внедрении методов информационной поддержки операторов ТС и АСДКиУЦТПиНС города с использованием концепции СППИР.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шубин Е.П. Основные вопросы проектирования систем теплоснабжения городов. М.: Энергия, 1979. 360 с.

2. Прохоренков A.M. Реконструкция отопительных котельных на базе информационно-управляющих комплексов // Наука производству. 2000. № 2. С. 51-54.

3. Prokhorenkov A.M., Sovlukov A.S. Fuzzy models in control systems of boiler aggregate technological processes // Computer Standarts & Interfaces. 2002. Vol. 24. P. 151-159.

4. Месарович M., Мако Д., Такахара Я. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973. 456 с.

5. Prokhorenkov A.M. Methods for identification of random process characteristics in information processing systems // IEEE Transactions on instrumentation and measurement. 2002. Vol. 51, N° 3. P. 492-496.

6. Прохоренков A.M., Качала H.M. Обработка случайных сигналов в цифровых промышленных системах управления // Цифровая обработка сигналов. 2008. № 3. С. 32-36.

7. Prokhorenkov A.M., Kachala N.M. Determination of the classification characteristics of random processes // Measurement Techniques. 2008. Vol. 51, № 4. P. 351-356.

8. Прохоренков A.M., Качала H.M. Влияние классификационных характеристик случайных процессов на точность обработки результатов измерений // Измерительная техника. 2008. N° 8. С. 3-7.

9. Prokhorenkov А.М., Kachala N.M., Saburov I.V., Sovlukov A.S. Information system for analysis of random processes in nonstationary objects // Proc. of the Third IEEE Int. Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications (IDAACS"2005). Sofia, Bulgaria. 2005. P. 18-21.

10. Методы робастного нейро-нечеткого и адаптивного управления / Под ред. Н.Д. Егупова // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002". 658 с.

П. Prokhorenkov A.M., Kachala N.M. Effectiveness of adaptive algorithms for tuning regulators in control systems subjected to the influence of random disturbances // BicrniK: Научно-технич. ж-л. Спецвыпуск. Черкасьский державный технол. ун-т.-Черкаськ. 2009. С. 83-85.

12. Prokhorenkov A.M., Saburov I.V., Sovlukov A.S. Data maintenance for processes of decision-making under industrial control // BicrniK: научно-технич. ж-л. Спецвыпуск. Черкасьский державный технол. ун-т. Черкаськ. 2009. С. 89-91.

Статья 18. Распределение тепловой нагрузки и управление системами теплоснабжения

1. Распределение тепловой нагрузки потребителей тепловой энергии в системе теплоснабжения между , поставляющими тепловую энергию в данной системе теплоснабжения, осуществляется органом, уполномоченным в соответствии с настоящим Федеральным законом на утверждение схемы теплоснабжения , путем внесения ежегодно изменений в схему теплоснабжения.

2. Для распределения тепловой нагрузки потребителей тепловой энергии все теплоснабжающие организации, владеющие источниками тепловой энергии в данной системе теплоснабжения, обязаны представить в орган, уполномоченный в соответствии с настоящим Федеральным законом на утверждение схемы теплоснабжения, заявку, содержащую сведения:

1) о количестве тепловой энергии, которую теплоснабжающая организация обязуется поставлять потребителям и теплоснабжающим организациям в данной системе теплоснабжения;

2) об объеме мощности источников тепловой энергии, которую теплоснабжающая организация обязуется поддерживать;

3) о действующих тарифах в сфере теплоснабжения и прогнозных удельных переменных расходах на производство тепловой энергии, теплоносителя и поддержание мощности.

3. В схеме теплоснабжения должны быть определены условия, при наличии которых существует возможность поставок тепловой энергии потребителям от различных источников тепловой энергии при сохранении надежности теплоснабжения . При наличии таких условий распределение тепловой нагрузки между источниками тепловой энергии осуществляется на конкурсной основе в соответствии с критерием минимальных удельных переменных расходов на производство тепловой энергии источниками тепловой энергии, определяемыми в порядке, установленном основами ценообразования в сфере теплоснабжения, утвержденными Правительством Российской Федерации, на основании заявок организаций, владеющих источниками тепловой энергии, и нормативов, учитываемых при регулировании тарифов в области теплоснабжения на соответствующий период регулирования.

4. Если теплоснабжающая организация не согласна с распределением тепловой нагрузки, осуществленным в схеме теплоснабжения, она вправе обжаловать решение о таком распределении, принятое органом, уполномоченным в соответствии с настоящим Федеральным законом на утверждение схемы теплоснабжения, в уполномоченный Правительством Российской Федерации федеральный орган исполнительной власти.

5. Теплоснабжающие организации и теплосетевые организации, осуществляющие свою деятельность в одной системе теплоснабжения, ежегодно до начала отопительного периода обязаны заключать между собой соглашение об управлении системой теплоснабжения в соответствии с правилами организации теплоснабжения, утвержденными Правительством Российской Федерации.

6. Предметом указанного в части 5 настоящей статьи соглашения является порядок взаимных действий по обеспечению функционирования системы теплоснабжения в соответствии с требованиями настоящего Федерального закона. Обязательными условиями указанного соглашения являются:

1) определение соподчиненности диспетчерских служб теплоснабжающих организаций и теплосетевых организаций, порядок их взаимодействия;

3) порядок обеспечения доступа сторон соглашения или, по взаимной договоренности сторон соглашения, другой организации к тепловым сетям для осуществления наладки тепловых сетей и регулирования работы системы теплоснабжения;

4) порядок взаимодействия теплоснабжающих организаций и теплосетевых организаций в чрезвычайных ситуациях и аварийных ситуациях.

7. В случае, если теплоснабжающие организации и теплосетевые организации не заключили указанное в настоящей статье соглашение, порядок управления системой теплоснабжения определяется соглашением, заключенным на предыдущий отопительный период, а если такое соглашение не заключалось ранее, указанный порядок устанавливается органом, уполномоченным в соответствии с настоящим Федеральным законом на утверждение схемы теплоснабжения.

Особенностями теплоснабжения являются жесткое взаимовлияние режимов теплоснабжения и теплопотребления, а также множественность точек поставки нескольких товаров (тепловая энергия, мощность, теплоноситель, горячая вода). Цель теплоснабжения, не обеспечение генерации и транспорта, а поддержание качества названных товаров для каждого потребителя.

Эта цель достигалась относительно эффективно при стабильных расходах теплоносителя во всех элементах системы. Применяемое у нас “качественное” регулирование по самой своей сути подразумевает изменение только температуры теплоносителя. Появление зданий с регулируемым потреблением обеспечило непредсказуемость гидравлических режимов в сетях при сохранении постоянства расходов в самих зданиях. Жалобы в соседних домах пришлось ликвидировать завышенной циркуляцией и соответствующими массовыми перетопами.

Применяемые сегодня гидравлические расчетные модели, не смотря на их периодическую калибровку, не могут обеспечить учет отклонений расходов на вводах зданий из-за изменения внутренних тепловыделений и потребления горячей воды, а также влияния солнца, ветра и дождя. При фактическом качественно-количественном регулировании, необходимо “видеть” систему в реальном времени и обеспечить:

контроль максимального количества точек поставки;
сведение текущих балансов отпуска, потерь и потребления;
управляющее воздействие при недопустимом нарушении режимов.

Управление должно быть максимально автоматизированным, иначе его просто невозможно реализовать. Задача состояла в том, чтобы добиться этого без чрезмерных затрат на оборудование контрольных точек.

Сегодня, когда в большом количестве зданий имеются измерительные системы с расходомерами, датчиками температуры и давления, использовать их только для финансовых расчетов неразумно. АСУ «Тепло» построена, в основном, на обобщении и анализе информации «от потребителя».

При создании АСУ были преодолены типовые проблемы устаревших систем:

зависимость от корректности вычислений приборов учета и достоверности данных в неповеряемых архивах;
невозможность сведения оперативных балансов из-за нестыковок времени измерений;
невозможность контроля быстроменяющихся процессов;
несоответствие новым требованиям информационной безопасности федерального закона «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации».

Эффекты от внедрения системы:

Службы по работе с потребителями:

определение реальных балансов по всем видам товаров и коммерческих потерь:
определение возможных забалансовых доходов;
контроль фактического потребления мощности и соответствия ее ТУ на подключение;
введение ограничений соответствующих уровню платежей;
переход на двухставочный тариф;
контроль КПЭ для всех служб, работающих с потребителями, и оценка качества их работы.

Эксплуатация:

определение технологических потерь и балансов в тепловых сетях;
диспетчерское и аварийное управление по фактическим режимам;
поддержание оптимальных температурных графиков;
контроль состояния сетей;
наладка режимов теплоснабжения;
контроль отключений и нарушений режимов.

Развитие и инвестиции:

достоверная оценка результатов внедрения проектов улучшений;
оценка эффектов инвестиционных затрат;
разработка схем теплоснабжения в реальных электронных моделях;
оптимизация диаметров и конфигурации сети;
снижение затрат на подключение при учете реальных резервов пропускной способности и энергосбережения у потребителей;
планирование ремонтов
организация совместной работы ТЭЦ и котельных.