Информационно-измерительная система водоИ теплоснабжения на основе ультразвуковой расходометрии

УДК 621.311, 681.121.89.082.4

М.В. НИКАНДРОВ, Л. А. СЛАВУТСКИЙ

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ВОДО- И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕТРИИ

Энергосбережение, энергоэффективность, оптимальное использование производственных мощностей и природных ресурсов стали ключевыми направлениями развития современного предприятия. В последнее время на предприятиях активно внедряются автоматизированные информационно-измерительные системы (ИИС) водо- и теплоснабжения. Внедрение ИИС имеет целью повышение эффективности предприятия, лучшее использование производственных мощностей на основе оперативной и достоверной информации. ИИС рассматривается как информационный инструмент для обнаружения источников экономии производственных затрат. Экономия энергоресурсов происходит за счет более эффективного их использования и оперативного обнаружения и локализации аварийных ситуаций. В настоящей статье рассматриваются принципы построения информационно-измерительной системы, внедренной с участием авторов на Чебоксарском агрегатом заводе.

Структура информационно-измерительной системы. Принципиально всю систему можно разделить на два уровня.

Первый уровень - центральный диспетчерский пункт (ЦДЛ), на котором имеются компьютеры, оснащенные специализированным программным обеспечением и оборудованием связи с теплосчетчиками, измерители расхода и контроллеры, предназначенные для выполнения функций диспетчерского контроля в автоматическом и ручном режимах. Здесь же осуществляется представление информации оператору (диспетчеру) в виде таблиц, мнемосхем, графиков. Информация с диспетчерского пункта оперативно передается в информационную систему управления предприятием (ИСУП).

Второй уровень - теплорегистраторы и контроллеры с подключенными датчиками температуры, давления и расхода горячей и холодной воды. Датчики преобразуют значения температуры, расхода и давления теплоносителя в соответствующие значения параметра электрического сигнала (напряжение, сила тока, частота и т.п.). Теплосчетчики вычисляют параметры теплоносителя, количество потребляемой тепловой энергии и сохраняют их во встроенной энергонезависимой памяти вычислителя в виде часовых, суточных, месячных архивов.

В структуре системы можно выделить следующие элементы:

- центральный диспетчерский пункт;

- коммерческий узел учета энергоресурсов и воды;

- комплекс технического контроля трубопровода;

- узлы управления и технологического учета.

Структурная схема информационно-измерительной системы представлена на рис. 1.

К системе ИСУП *

EthetNet TCP/IP

Центральный диспетчерский пункт

[Го о о о1 Контроллер интерфейса

Комплекс технического контроля трубопровода

&

Л

Узлы управления и технологического учета

и

GT

Контроллер

і

с

т?.\

Рис. 1. Структурная схема информационно-измерительной системы водо- и теплоснабжения

Коммерческие узлы учета энергоресурсов и воды. Коммерческие узлы учета тепловой энергии и теплоносителя расположены на центральном тепловом пункте (ЦТП) и основных коллекторах сточных вод. Структурная схема коммерческого узла учета показана на рис. 2.

На коммерческом узле учета установлены приборы, внесенные в госре-естр как средства измерения и имеющие соответствующий сертификат. Все приборы опломбированы снабжающей организацией.

Учет водных ресурсов (горячей и холодной воды) осуществляется при помощи ультразвуковых расходомеров с уменьшенной погрешностью [1]. Основные достоинства этих приборов - высокая надежность, высокая точность измерения расхода, небольшие габариты и масса, малое гидравлическое со-

противление на измерительных участках. Измерение температуры осуществляется при помощи комплектов термосопротивлений. Измерение давления осуществляется при помощи датчиков давления, они применяются для измерения и непрерывного пропорционального преобразования избыточного давления нейтральных к материалам датчика сред (газа, пара, жидкости) в унифицированный выходной сигнал постоянного тока.

Коммерческий узел

Регистратор

о і,

Коммерческий учет холодной воды

Регистратор

-М=@

Коммерческий учет горячей воды

Учет сточных вод

Рис. 2. Структурная схема коммерческого узла учета

Расчет массы и энергии потребленной горячей воды и тепловой энергии для нужд теплоснабжения предприятия осуществляется микропроцессорным контроллером-теплорегистратором.

Для учета сточных вод в незаполненных трубопроводах возможно использование доплеровской схемы контроля [2]. Узлы учета сточных вод расположены на всех коллекторах канализации, идущих с предприятия.

Отличие данной системы от большинства, внедряемых в настоящее время, в полном охвате всего потребления воды, теплоносителя и учете сточных вод. На сегодняшний момент сточные воды определяются расчетным путем (процент от потребления предприятием воды или по нормативам). Данные методы не отражают реального расхода сточных вод. Так как очистка сточных вод - сложный и дорогостоящий процесс, учет сточных вод экономически оправдан и является важным элементом ИИС водо- и теплоснабжения.

Комплекс технического контроля трубопровода. При эксплуатации трубопроводов происходит коррозия металла стенок, деформация трубопровода, отложение солей. Возникает необходимость контролировать состояние

стенок трубопровода и внутренний диаметр, делать контрольные замеры расхода жидкости. Это можно делать при помощи ультразвукового устройства определения профиля скорости потока и расхода жидкости [3].

Это устройство составляет основу комплекса измерения расхода и технологического контроля состояния трубопровода. Структурная схема такого комплекса показана в составе рис. 1.

Устройство работает следующим образом. При распространении ультразвука вдоль трубопровода сигнал представляет собой суперпозицию нормальных волн (мод), скорость распространения которых зависит от профиля скорости потока. В зависимости от профиля скорости потока интерференция нормальных волн приводит к изменению частотных характеристик ультразвукового сигнала, прошедшего между источником и приемником ультразвука. По характеристикам спектра ультразвукового сигнала восстанавливается профиль скорости потока жидкости.

Определение профиля скорости потока жидкости позволяет:

- измерять расход жидкости накладным расходомером без замера внутреннего диаметра;

- контролировать диаметр трубопровода, что позволяет уменьшить погрешность измерения расхода жидкости;

- определять коэффициент шероховатости стенок, что позволяет оценить уровень и характер отложений на стенках трубопровода;

- диагностировать на ранних стадиях засор трубопровода;

- диагностировать деформацию трубопровода.

Ультразвуковое устройство определения профиля скорости потока и расхода жидкости рекомендуется применять в следующих местах:

- магистральные трубопроводы горячей воды;

- трубопроводы артезианской воды;

- трубопроводы неочищенной технической воды.

Ввод в состав ИИС водо- и теплоснабжения устройства определения профиля скорости потока и расхода жидкости позволит вести оперативный мониторинг трубопроводов системы.

Узлы управления и технологического учета. Узлы управления и технологического учета, называемые в дальнейшем контролируемые пункты (КП), расположены на вводе в каждый цех и подразделение предприятия.

Технологический учет. На контролируемых пунктах производится технический учет тепловой энергии, теплоносителя и воды. Учет производится приборами, аналогичным примененным на коммерческом узле. Информация о потребленных ресурсах по цифровым интерфейсам связи передается на центральный диспетчерский пункт и используется при внутренних расчетах между подразделениями предприятия.

Управление водотеплоснабжением на контролируемых пунктах. На контролируемом пункте специализированным контроллером осуществляется автоматическое регулирование температуры в системе теплоснабжения в зависимости от температуры наружного воздуха.

Специализированный контроллер предназначен для регулирования температуры в контуре отопления здания. В контуре отопления контроллер управляет открытием/закрытием клапана, установленного на подающей трассе, и циркуляционным насосом в зависимости от заданных параметров регулирования, отопительной «кривой» и информации, полученной от датчиков:

- наружного воздуха (¿н),

- подающей трассы (¿п),

- обратной трассы (¿о),

- внутренней температуры (4),

- расходомера (О).

Электрическая схема узла управления и технологического учета показана на рис. 3.

Специализированный контроллер управления обеспечивает:

- точность информации - используются данные как о температуре, так и о расходе теплоносителя;

- контроль расхода теплоносителя - не допускается превышение договорных расходов и «остановки» системы отопления;

- контроль за поддержанием температурного графика - выдерживается зависимость го от по графику, заданному энергоснабжающей организацией.

К центральному диспетчерскому пункту

Датчики

Рис. 3. Схема электрическая узла управления и технологического учета

Регулирование по энергии подачи более точно соответствует графику задания за счет контроля расхода теплоносителя и, соответственно, более точного определения количества энергии, необходимого зданию.

Важно также отметить что, контролируя расход теплоносителя, можно оперативно отслеживать аварийные ситуации, такие как засор подающего трубопровода или неисправность запорных арматур. При таких авариях проток жидкости уменьшается, и, соответственно, уменьшится количество энергии подаваемой в здание, что приводит к значительному понижению температуры внутри здания. Если отсутствует расходомер в системе управления, то такая аварийная ситуация диагностируется по значительному понижению температуры в обратном трубопроводе. Это изменение температуры обратного трубопровода происходит только через несколько часов, за это время при низкой 1н здание может сильно охладиться и даже возможно размораживание системы отопления. Добавление расходомера позволяет определять неисправности такого рода сразу и оперативно подавать аварийный сигнал диспетчеру.

Сформулируем следующие принципы построения ИИС водо- и теплоснабжения:

- коммерческие узлы учета ресурсов располагаются на границе балансовой принадлежности и охватывать все входящее ресурсы и исходящее сточные воды;

- все основные подразделения предприятия оснащаются узлами управления технологического учета;

- состояние трубопроводов и других коммуникаций периодически проверяются современными средствами контроля;

- данные с расходомеров используются в контуре отопления зданий предприятия для улучшения характеристик управления;

- вся информация с узлов учета, как коммерческих, так и технологических, собирается и анализируется на едином диспетчерском пункте;

- система должна формировать отчеты о потреблении энергоносителей за любой промежуток времени и производить самодиагностику аппаратуры;

- собранные данные используется информационной системой управления предприятием (ИСУП).

Проектирование и создание ИИС водо- и теплоснабжения с использованием ультразвуковых расходомеров не рассматривается как локальная задача автоматизации, а увязывается с концепцией «информационной системы управления предприятием» (ИСУП). От качества первичных данных всецело зависит правильное функционирование всех информационных подсистем. Следовательно, серьезные инвестиции в экономические системы управления ресурсами предприятия, экспертные или финансовые системы, будут работать только при условии должного внимания к «низовой автоматизации».

Внедрение ИИС водо- и теплоснабжения имеет следующие позитивные эффекты:

- экономия энергоресурсов за счет более эффективного их использования;

- оперативное обнаружение и локализация аварийных ситуаций;

- получение реального инструмента для борьбы с хищениями и непроизводственными потерями;

- обнаружение и ликвидация «узких» мест в производственных цепочках.

Внедрение на современном предприятии ИИС водо- и теплоснабжения позволит сэкономить до 25% водных ресурсов и тепловой энергии [4]. По разным оценкам, окупаемость вложений на внедрение только за счет обеспечения более точных измерений технологических параметров, учета энергоресурсов и их рационального использования может составлять от 6-8 месяцев до 1,5-2 лет.

Литература

1. Никандров М.В. Уменьшение статистической погрешности доплеровского расходомера при спектральной обработке ультразвукового сигнала / М.В. Никандров, Л. А Славут-ский // Энергосбережение и водоподготовка. 2006. №6(44). С. 47-52.

2. Никандров М.В. Доплеровский ультразвуковой контроль неоднородного открытого потока жидкости / М.В. Никандров, Л.А Славутский // Электронный журнал «Техническая акустика» http://webcenter.ru/~eeaa/ejta/ 2005.

3. Никандров М.В. Контроль профиля потока жидкости по модовой структуре ультразвукового сигнала / М.В. Никандров, Л.А. Славутский, Д.Б. Турханов // Электронный журнал «Техническая акустика» <http://webcenter.ru/~eeaa/ejta>. 2003.

4. Никандров М.В. Автоматизированная система учета тепловой энергии и теплоносителя на основе ультразвуковой расходометрии / М.В. Никандров, М.В. Александров, Л.А. Славутский, Ф. Ф. Школьник // Труды академии электротехнических наук Чувашской Республики. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2005. С. 59-62.

НИКАНДРОВ МАКСИМ ВАЛЕРЬЕВИЧ родился в 1977 г. Окончил Чувашский государственный университет. Аспирант кафедры управления и информатики Чувашского университета. Область научных интересов - ультразвуковая расходометрия и информационно-измерительные системы. Автор 16 научных публикаций.

СЛАВУТСКИЙ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ родился в 1958 г. Окончил Московский государственный университет. Доктор физико-математических наук, профессор кафедры управления и информатики Чувашского государственного университета. Область научных интересов - волновые процессы и методы статистической обработки экспериментальных данных. Автор около 100 работ, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях.