Система управления элеваторным узлом с регулированием потребления тепловой энергии
ELEVATOR UNIT CONTROL SYSTEM WITH REGULATION OF THERMAL ENERGY CONSUMPTION

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к централизованному теплоснабжению жилых, общественных и промышленных зданий, и может быть использована для регулирования расхода тепла в системах отопления зданий и сооружений. Широко известно, что при отоплении зданий возникает необходимость перехода с температурного графика тепловой сети (150/70°С, 130/70°С) на температурный график системы отопления здания (95/70°С, 105/70°С). Передача тепловой энергии от тепловой сети в систему отопления осуществляется путем изменения температуры теплоносителя, которая устанавливается на теплоисточнике (ТЭЦ, котельная) в зависимости от температуры наружного воздуха по заданному температурному графику. По различным причинам теплоисточники могут подавать в тепловую сеть теплоноситель с повышенной температурой как при минусовых, так и при плюсовых температурах наружного воздуха, что приводит к повышенному потреблению тепловой энергии потребителями и перерасходу денежных средств на оплату тепла. Предотвратить данные излишние финансовые расходы можно путем регулирования потребления тепловой энергии в системе теплоснабжения потребителя.
Известны различные технические решения в данной области.
Например, известно «УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ)» по патенту РФ №2566943.
Устройство автоматического управления содержит подающий и обратный трубопроводы, элеватор и систему отопления, а также насос, блок управления, блок измерения температуры наружного воздуха, блоки Система управления элеваторным узлом с регулированием потребления тепловой энергии измерения температуры теплоносителя, установленные на подающем и обратном трубопроводах. Регулирующий клапан установлен в подающем трубопроводе, его выход связан с первым входом элеватора, а вход через обратный клапан связан с обратным трубопроводом. Циркуляционный насос входом подключен к обратному трубопроводу, а выходом через обратный клапан подключен к выходу водоструйного элеватора. Или параллельно обратному трубопроводу между вторым входом водоструйного элеватора и вторым блоком измерения температуры теплоносителя установлен циркуляционный насос. Или параллельно подающему трубопроводу между выходом водоструйного элеватора и первым блоком измерения температуры теплоносителя установлен циркуляционный насос.
Недостатком известного устройства является возможность нарушения гидравлического режима работы элеватора в процессе погодного регулирования температуры теплоносителя, что приводит к снижению надежности работы всей системы теплоснабжения.
Известно также устройство с элеваторным узлом (В.К. Ильин. Малозатратное решение по ликвидации перетопов в системах отопления. Новости теплоснабжения №5 (май), 2011 г., стр. 45-50), содержащим подающий трубопровод тепловой сети, соединенные последовательно регулятор перепада давления, водоструйный элеватор, вводной трубопровод системы отопления, систему отопления и обратный трубопровод системы отопления и тепловой сети, а также перемычку перед элеватором с повысительно-подмешивающим насосом с частотно-регулируемым электроприводом и гидравлическим вводом из обратного трубопровода через запорную арматуру и гидравлическим выводом через обратный клапан и запорную арматуру в подающий трубопровод тепловой сети после регулятора перепада давления, датчики температуры Недостатком такого элеваторного узла является низкое качество теплоснабжения из-за пониженной циркуляции расхода теплоносителя в системе отопления, что обусловлено накапливающимися за годы эксплуатации загрязнениями и отложениями солей жесткости и окислов железа на поверхностях трубопроводов и отопительных приборов. Пониженная циркуляция приводит к неравномерному прогреву стояков системы отопления, к перегреву помещений верхних этажей здания и недогреву помещений нижних этажей в условиях верхнего розлива системы отопления. Низкое качество теплоснабжения при использовании данного элеваторного узла обусловлено также применением в качестве регулятора перепада давления регулятора «прямого действия», принцип действия которого основан на достижении равновесия между усилиями со стороны регулирующей диафрагмы и настроечной пружины. Работа регулятора «прямого действия» характеризуется большой инерционностью, что приводит к значительной неравномерности регулирования потребления тепловой энергии.
Известен также патент РФ №188210 «СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕВАТОРНЫМ УЗЛОМ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ», который, как совпадающий по большинству существенных признаков к предлагаемому техническому решению, принят авторами за прототип.
Известная система управления элеваторным узлом с регулированием потребления тепловой энергии на основе регулятора перепада давления и свободно-программируемого контроллера с функциями диспетчеризации, к которому подключены частотный преобразователь электропривода повысительно-подмешивающего насоса, датчики давления, подключенные к подающему трубопроводу тепловой сети после регулятора перепада давления и к обратному трубопроводу тепловой сети, или датчик перепада давления между этими трубопроводами. При этом регулятор перепада давления выполнен в виде электрического регулирующего клапана с возвратной пружиной и также подключен к свободно-программируемому контроллеру.
Недостатком прототипа является возникающая в некоторых случаях заниженная циркуляция теплоносителя в системе отопления здания. Заниженная циркуляция возникает при сравнительно низком располагаемом напоре тепловой сети и/или при сравнительно высоком гидравлическом сопротивлении системы отопления. Заниженная циркуляция приводит к неравномерному прогреву стояков системы отопления.
Таким образом, технической проблемой, существующей в настоящее время, является недостаточная надежность и эффективность существующих систем управления элеваторными узлами с регулированием потребления тепловой энергии. Предлагаемое изобретение направлено на решение данной технической проблемы, а именно на создание такой системы управления элеваторными узлами с регулированием потребления тепловой энергии, которая бы, с одной стороны, обеспечивала повышенную надежность при эксплуатации, а, с другой стороны, обеспечивала эффективную - с достаточным уровнем циркуляции теплоносителя - работу системы отопления.
Техническим результатом является повышение надежности и эффективности системы управления элеваторными узлами с регулированием потребления тепловой энергии за счет обеспечения увеличения перепада давления перед элеватором в процессе погодного регулирования и повышения вследствие этого циркуляционного расхода воды в системе отопления с одновременным сокращением объема используемого оборудования и снижения, соответственно, затрат денежных средств при реализации системы управления.
Технический результат достигается за счет того, что систему управления элеваторным узлом с регулированием потребления тепловой энергии на основе свободно-программируемого контроллера с блоком приема и передачи данных, связанного каналами получения информации с датчиками температуры наружного воздуха и теплоносителя и каналом передачи управляющих команд через частотный преобразователь на электропривод повысительно-подмешивающего насоса, предлагается выполнить без второго контура регулирования, предназначенного для поддержания перепада давления перед элеватором на постоянном уровне, поскольку установка регулятора перепада ограничивает верхнюю величину перепада, т.к. он изначательно устанавливается в контроллере. Предлагаемая же система автоматически подстраивается под текущий перепад давления, чем он больше, тем лучше.
При этом на подающем трубопроводе между узлом ввода тепловой сети и перемычкой с повысительно-подмешивающим насосом вместо электрического регулирующего клапана устанавливается первый обратный клапан.
При авариях на подающих трубопроводах тепловых сетей обратный клапан исключает опорожнение системы отопления, предотвращает передавливание теплоносителя из обратного в подающий трубопровод тепловой сети, а также обеспечивает возможность с помощью повысительно-подмешивающего насоса организовать принудительную циркуляцию теплоносителя в системе отопления до устранения аварии на тепловых сетях.
Система, при необходимости, дополнительно комплектуется циркуляционным насосом в контуре отопления, либо подкачивающим насосом в контуре до элеватора.
Таким образом, дополнительными отличиями от прототипа являются следующие технические элементы:
- на вводном трубопроводе системы отопления за водоструйным элеватором может быть установлен циркуляционный насос, подключенный через запорную арматуру, фильтр и второй обратный клапан и оснащенный байпасной перемычкой с третьим обратным клапаном.
- на обратном трубопроводе между системой отопления и водоструйным элеватором может быть установлен циркуляционный насос, подключенный к трубопроводу через запорную арматуру, фильтр и второй обратный клапан оснащенный байпасной перемычкой с третьим обратным клапаном.
- на вводном трубопроводе водоструйного элеватора может быть установлен подкачивающий насос, подключенный к трубопроводу через запорную арматуру и второй обратный клапан и оснащенный байпасной перемычкой с третьим обратным клапаном.
- на обратном трубопроводе между водоструйным элеватором и узлом ввода тепловой сети может быть установлен подкачивающий насос, подключенный к трубопроводу через запорную арматуру, фильтр и второй обратный клапан и оснащенный байпасной перемычкой с третьим обратным клапаном.
Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами:
Фиг. 1, на которой приведен первый вариант выполнения системы управления,
Фиг. 2, на которой приведен второй вариант выполнения системы управления,
Фиг. 3, на которой приведен третий вариант выполнения системы управления,
Фиг. 4, на которой приведен четвертый вариант выполнения системы управления,
Фиг. 5, на которой приведен пятый вариант выполнения системы управления.
Обозначения позиций на фигурах:
1. Узел ввода тепловой сети (задвижки, фильтры, термометры, манометры, узел учета тепловой энергии, регулятор перепада давления или регулятор ограничитель расхода, при необходимости);
2. Свободно-программируемый контроллер;
3. Блок приема и передачи данных;
4. Датчик температуры теплоносителя;
5. Датчик температуры наружного воздуха;
6. Частотный преобразователь;
7. Подающий трубопровод тепловой сети;
8. Обратный клапан;
9. Водоструйный элеватор;
10. Вводной трубопровод системы отопления;
11. Система отопления;
12. Обратный трубопровод системы отопления и тепловой сети;
13. Перемычка между подающим и обратным трубопроводами;
14. Повысительно-подмешивающий насос;
15. Электропривод;
16. Гидравлический ввод из обратного трубопровода;
17. Запорная арматура;
18. Фильтр;
19. Гидравлический вывод в подающий трубопровод тепловой сети;
20. Вводной трубопровод водоструйного элеватора;
21. Циркуляционный насос;
22. Подкачивающий насос.
Предлагаемая система управления в отличие от прототипа:
- не содержит датчиков давления на подающем и обратном трубопроводах тепловой сети, не содержит электрического регулирующего клапана на подающем трубопроводе;
- содержит обратный клапан 8 на подающем трубопроводе тепловой сети 7.
Предлагаемая система работает следующим образом. В случае повышения температуры воды, измеряемой датчиком температуры теплоносителя 4, по сравнению с требуемой согласно температурному графику системы отопления, включается повысительно-подмешивающий насос 14 с выходом на необходимую производительность с помощью частотного преобразователя 6 по командам от свободно-программируемого контроллера 2.
При этом соблюдается следующий баланс расходов воды:
сети
подмес
элев
догов
G+G=G=G,
сети
где G - расход воды из тепловой сети;
подмес
G - расход воды в перемычке 13 между подающим и обратным трубопроводами, на которой установлен повысительно-подмешивающий насос 14;
элев
G - расход воды через сопло элеватора (вводной трубопровод элеватора 20);
догов
G - договорной расход воды из тепловой сети.
При низких температурах наружного воздуха, когда корректировка температуры воды, подаваемой в систему отопления, не требуется, насос 14 не работает.
подмес
cети
элев
догов
В этом случаи соблюдаются равенства: G=0 и G=G=G,
При этом, если пренебречь незначительным падением давления на обратном клапане, можно утверждать, что перепад давления перед элеватором 9 равен располагаемому напору тепловой сети:
элев
1
2
ΔР=Р-Р,
элев
где ΔР - перепад давления перед элеватором;
1
2
P, Р - давления в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети соответственно.
1
При повышении температуры наружного воздуха начинает работать насос 14, однако давление воды в точке смешения (или давление перед элеватором) не может превысить давление в подающем трубопроводе 7 P. Если это произойдет, то подающий трубопровод 7 будет перекрыт обратным клапаном 8, приток теплоносителя из тепловой сети прекратится, а температура воды, измеряемая датчиком 4, снизится, частота вращения и соответственно напор насоса также уменьшатся.
элев
1
2
элев
Поэтому во всем диапазоне погодного регулирования ΔР=P-Р=const, и, соответственно, G=const.
Таким образом:
cети
подмес
элев
G+G=G=const
При этом обеспечивается автогидравлическая подстройка системы управления к вероятному изменению во времени перепаду давления воды в тепловой сети с достижением максимально возможных значений перепада давлений сетевой воды перед элеватором. В результате обеспечивается высокий уровень циркуляции воды в системе отопления.
При постоянном перепаде давления перед элеватором и установленном сопле суммарный расход теплоносителя во вводном трубопроводе элеватора 20 остается постоянным. Кроме того, остается постоянным во всем диапазоне регулирования коэффициент смешения:
U=Gпер./Gдог.,
где U - коэффициент смешения элеватора (const);
Gпep. - расход воды, подсасываемый элеватором из обратного трубопровода.
подмес
cети
При увеличении частоты вращения насоса 14 в соответствии с показаниями датчика температуры 4, G возрастает, a G снижается, что реализует погодную корректировку температуры воды на отопление.
При использовании предлагаемой системы управления удается достичь:
- увеличения перепада давления перед элеватором в процессе погодного регулирования и повышения вследствие этого циркуляционного расхода воды в системе отопления;
- сокращения объема используемого оборудования и снижения, соответственно, затрат денежных средств при реализации системы управления.
н
co
н
со
На практике встречается ситуация, когда насосный циркуляционный напор ΔР, передаваемый элеватором (водоструйным насосом) в систему отопления [Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление. - М.: Стройиздат, 1991 г. - 336 с.], оказывается недостаточным для преодоления гидравлического сопротивления системы отопления R, т.е. оказывается, что ΔP<R.
Такая ситуация приводит к снижению циркуляции воды в системе отопления и неравномерному прогреву стояков системы отопления.
Так при работе системы отопления по температурному графику 95/70°С коэффициент смешения U=2,2; при температурном графике 105/70°С: U=1,2 если температурный график сетевой воды источника тепла равен 150/70°С.
элев
1
2
Принимая ΔР=P-Р, имеем:
Таким образом, снижение циркуляции воды в системе отопления происходит в случае, если:
1
2
co
Такие ситуации возможны при сравнительно низком располагаемом напоре тепловой сети (P-Р) и/или сравнительно высоком гидравлическом сопротивлении системы отопления R.
Для предотвращения данной ситуации система управления комплектуется дополнительными насосами.
Возможна установка циркуляционных насосов на вводном, либо обратном трубопроводах системы отопления с обеспечением последовательной работы с элеватором (водоструйным насосом) для компенсации нехватки циркуляционного напора для преодоления гидравлического сопротивления системы отопления (см. фиг. 2 и фиг. 3). При этом постоянный коэффициент смешения обеспечивает элеватор, а циркуляционный насос компенсирует нехватку напора.
Возможна установка подкачивающих насосов на подающем (вводном), либо на обратном трубопроводах до элеватора для увеличения перепада давления перед элеватором, обеспечивающего повышение циркуляционного напора элеватора (см. фиг. 4 и фиг. 5).
Система дополнительно комплектуется циркуляционным, либо подкачивающим насосом только при необходимости, если:
При возникновении аварийных ситуаций (отключение электропитания, обрыв линий связи с датчиками температуры) повысительно-подмешивающий насос 14 отключается, а обратный клапан 8 полностью открывается. После устранения нештатной ситуации система управления автоматически переходит в штатный режим работы с прежними установками.
Удаленная диспетчеризация системы управления обеспечивается по каналам связи, например, через сеть Internet, Ethernet, сотовая связь. Свободно-программируемый контроллер 2 с помощью блока приема и передачи данных 3 передает контролируемые параметры по каналам связи на сервер, на котором работает SCADA-система.
Все основные настройки свободно-программируемого контроллера 2 могут быть изменены с диспетчерского пункта, включая коэффициент ПИД-регулирования, температурный график системы отопления, а также смещение температурного графика.
В качестве контроллера, как вариант, может быть использован микропроцессорный свободно-программируемый контроллер МС12 Программно-технического комплекса (ПТК) «Контар» АО «МЗТА» (Московский завод тепловой автоматики) с интерфейсным модулем приема и передачи данных (Weblinker), который имеет функции защиты данных (шифрование и ограничение доступа) и обеспечивает передачу информации о параметрах работы системы управления через сеть Internet на глобальный сервер АО «МЗТА».
В качестве обратного клапана, как вариант, может быть использован пружинный тарельчатый обратный клапан фирмы «DANFOSS» (Дания).
В качестве повысительно-подмешивающего, циркуляционного и подкачивающего насосов могут быть использованы насосы фирмы «WILO», «GRUNDFOS» (Германия) или аналоги.
Ожидаемая экономия тепловой энергии на нужды отопления при реализации заявляемого изобретения составляет не менее 25%, что подтверждается опытом эксплуатации системы управления на объектах г. Санкт-Петербурга.
Использование заявляемого изобретения позволяет обеспечить более эффективное и надежное функционирование системы теплоснабжения как в широком диапазоне изменения внешних погодных условий, так и в случае возникновения аварийных ситуаций.