СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕВАТОРНЫМ УЗЛОМ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель 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.
В настоящее время для регулирования температуры воды используют различные системы теплоснабжения здания, снабженные элеватором (SU 1046580, 1983; SU 1046581, 1983; RU 1066580, 1983; RU 92716, 2010.), Как правило, системы содержат подающие и обратные трубопроводы, элеватор, задвижки, расположенные до и после элеватора, и нагревательные приборы. Так, известны системы теплоснабжения здания (RU 2827762, 2006 RU 2427762, 2011), содержащие подающий и обратный трубопроводы, элеватор, задвижки, расположенные до и после элеватора, и нагревательные приборы, при этом элеватор установлен на подающем трубопроводе параллельно задвижке с электроприводом и регулятором скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт и снабжен регулятором температуры, включающим регулятор температуры воздуха с датчиками температуры внутри и снаружи здания и регулятором температуры воды с датчиком температуры в подающем и обратном трубопроводах, причем, регуляторы температуры воздуха и воды содержат взаимосвязанные блоки сравнения, задания, блоки нелинейной обратной связи, электронные и магнитные усилители, соединенные с регулятором скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт электропривода задвижки.
Недостатком указанных систем является перерасход сетевой воды в переходные периоды, когда допускается снижение нормированно необходимых температур системы отопления, из-за невозможности регулирования количественного поступления теплоносителей через элеватор без изменения его давления.
Известно (RU 2400796, 2010) устройство для автоматического регулирования теплопотребления, содержащее водоструйный элеватор, потребитель тепла, блок измерения расхода и температуры теплоносителя в подающем трубопроводе, подающий трубопровод, тепловычислитель, датчик давления теплоносителя, блок управления, ключ, ограничитель давления, причем ко второму входу ключа подсоединен первый выход блока управления, датчик средневзвешенной температуры внутренней среды, датчик температуры окружающей среды, блок измерения расхода и температуры теплоносителя в обратном трубопроводе.
Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает надежной и длительной эксплуатации в основном и резервном режимах работы, поскольку имеет достаточно сложную систему локального поэтажного регулирования распределения тепла, что характерно для стояковых систем отопления.
Известно устройство для автоматического управления теплопотреблением (RU 2509335, 2013) которое содержит подающий трубопровод, соединенные последовательно ключ, водоструйный элеватор, потребитель тепла, обратный трубопровод, а также блок управления, выход которого подключен ко второму входу ключа, циркуляционный насос, первый вход которого связан с обратным трубопроводом, второй вход циркуляционного насоса соединен со вторым выходом блока управления, а выход циркуляционного насоса подключен ко второму входу водоструйного элеватора.
Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает надежной и длительной эксплуатации, поскольку имеет достаточно сложную систему локального поэтажного регулирования распределения тепла, что характерно для стояковых систем отопления. Кроме того, при отключении циркуляционного насоса в нем не обеспечивается устойчивый гидравлический режим и постоянство расхода циркуляции теплоносителя в системе отопления.
Наиболее близким к заявленному техническим решением является система управления элеваторным узлом с регулированием потребления тепловой энергии на основе контроллера с блоком сбора и передачи данных от теплосчетчика, связанное каналами связи с датчиками температуры теплоносителя на вводном трубопроводе системы отопления и наружного воздуха и каналом передачи управляющего сигнала для коррекции частоты вращения электропривода повысительно-подмешивающего насоса (В.К. Ильин. Малозатратное решение по ликвидации перетопов в системах отопления. Новости теплоснабжения №5 (май), 2011 г., стр. 45-50). В состав элеваторного узла входят 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 перемычка 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.
Недостатком такого устройства является низкое качество теплоснабжения из-за большей неравномерности регулирования потребления тепловой энергии, обусловленной использованием регулятора перепада давления "прямого действия" с низкой точностью регулирования и большой инерционностью, а также недостаточная эффективность сбора и передачи данных от теплосчетчика по каналам связи из-за отсутствия обратной связи.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение качества регулирования потребления тепловой энергии, что позволило бы обеспечить комфортные условия в помещениях зданий за счет устранения перетопов в системах отопления.
Технический результат достигается за счет того, что система управления, наряду с датчиками температуры теплоносителя и наружного воздуха и каналом передачи управляющих команд через частотный преобразователь на электропривод повысительно-подмешивающего насоса, на подающем трубопроводе тепловой сети перед элеватором и на обратном трубопроводе содержит подключенные к контроллеру датчики, контролирующие перепад давления между вышеуказанными трубопроводами.
Для измерения перепада давления в качестве датчиков контроля давления в трубопроводах используют, как правило, подключенный к контроллеру датчик перепада давления, импульсные трубки которого подключаются к подающему трубопроводу тепловой сети перед элеватором и к обратному трубопроводу системы отопления и тепловой сети. Оптимальные результаты достигаются в случае, если в качестве регулятора перепада давления использовать электрический регулирующий клапан с возвратной пружиной.
При необходимости, для измерения перепада давления в трубопроводах в качестве датчика перепада давления могут использоваться два датчика давления, установленные на подающем и обратном трубопроводах и связанные с контроллером.
В качестве контроллера используют свободно-программируемый контроллер с блоком приема и передачи данных, способный программировать величину установки требуемого перепада давления сетевой воды перед элеватором, а также сбор, прием и передачу данных по каналам связи для дистанционного управления работой системы с диспетчерского пункта.
Сочетание датчиков контроля перепада давления с частотным преобразователем электропривода и электрическим регулирующим клапаном позволяет реализовать на контроллере пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования (ПИД-регулирование), обеспечивающий более точное регулирование температуры и перепада давления теплоносителя.
Схема заявляемого устройства приведена на фиг. 1. Схема установки системы управления на элеваторном узле приведена на фиг. 2 (с датчиком перепада давления) и фиг. 3 (с двумя датчиками давления). Стрелками обозначены: пунктиром - каналы передачи информации, сплошными - каналы управления. На схемах используются следующие обозначения:
1. контроллер;
2. блок приема и передачи данных;
3. датчик температуры теплоносителя;
4. датчик температуры наружного воздуха;
5. частотный преобразователь;
6. регулятор перепада давления;
7. датчик давления;
8. датчик давления;
9. датчик перепада давления;
10. подающий трубопровод тепловой сети;
11. водоструйный элеватор;
12. вводной трубопровод системы отопления
13. система отопления;
14. обратный трубопровод системы отопления и тепловой сети
15. перемычка;
16. повысительно-подмешивающий насос;
17. электропривод;
18. гидравлический ввод из обратного трубопровода;
19. запорная арматура;
20. гидравлический вывод в подающий трубопровод тепловой сети;
21. обратный клапан;
22. запорная арматура.
Система управления базируется на использовании свободно-программируемого контроллера 1, который обеспечивает прием информации с датчиков температуры и перепада давления, с помощью блока приема и передачи данных 2 передает контролируемые параметры по каналам связи на сервер, на котором работает SCADA-система, а затем, при необходимости, передает команды оператора на корректировку режима работы оборудования (насоса, регулирующего клапана и т.д.). Удаленная диспетчеризация обеспечивается по каналам связи, например, через сеть Internet, Ethernet, сотовая связь. Все основные настройки свободно-программируемого контроллера 1 могут быть изменены с диспетчерского пункта, включая коэффициенты ПИД-регулирования, температурный график, смещение температурного графика, установка величины перепада давления.
Контроллер 1 получает постоянную информацию с датчиков температуры наружного воздуха 4 и теплоносителя 3 на вводном трубопроводе 12 системы отопления 13 и посредством частотного регулирования с помощью частотного преобразователя 5 электропривода 17 повысительно-подмешивающего насоса 16 и регулятора перепада давления 6 производит поддержание требуемой температуры воды после элеватора 11 согласно температурному графику в системе отопления 13 в зависимости от температуры наружного воздуха. Контроль работы системы осуществляют по величине перепада давления с помощью датчиков 9 или 7 и 8.
Регулируемый элеваторный узел содержит подающий трубопровод тепловой сети 10, соединенные последовательно регулирующий клапан (регулятор перепада давления) 6, водоструйный элеватор 11, вводной трубопровод 12 системы отопления 13 и обратный трубопровод 14 системы отопления и тепловой сети, а также перемычку 15 перед элеватором с повысительно-подмешивающим насосом 16 с электроприводом 17, электрически связанным с частотным преобразователем 5, гидравлический ввод 18 из обратного трубопровода 14 через запорную арматуру 19 и гидравлический вывод 20 через обратный клапан 21 и запорную арматуру 22 в подающий трубопровод тепловой сети 10 после регулятора перепада давления 6.
Свободно-программируемый контроллер 1 обеспечивает следующие функции контроля и управления:
- контроль температуры теплоносителя в вводном трубопроводе 12 системы отопления 13 и температуры наружного воздуха;
- контроль перепада давления сетевой воды перед элеватором 11 или контроль давления в подающем трубопроводе тепловой сети 10 перед элеватором 11 и в обратном трубопроводе 14 системы отопления 13 и тепловой сети;
- ПИД-регулирование перепада давления перед элеватором 11;
- ПИД-регулирование температуры теплоносителя в вводном трубопроводе 12 системы отопления 13;
- реализацию недельной программы ночного снижения температуры;
- снижение температуры теплоносителя, подаваемого в систему отопления 13, в выходные и праздничные дни.
- изменение и смещение температурного графика системы отопления и величины установки на перепад давления теплоносителя перед элеватором 11, в том числе дистанционно от системы диспетчеризации;
- контроль состояния насоса 16 и частоты его вращения;
- контроль степени открытия электрического регулирующего клапана 6;
- контроль наличия электропитания.
Система управления элеваторным узлом с регулированием потребления тепловой энергии работает следующим образом. Температурный график системы отопления вводится в свободно-программируемый контроллер 1 не менее чем по 10-ти точкам с заданием величины верхней и нижней срезки графика, что позволяет использовать нелинейные температурные графики, отражающие теплоизоляционные и теплоаккумулирующие характеристики здания, а также нелинейность теплоотдачи нагревательных приборов системы отопления. В контроллере 1 предусмотрен ввод установки параллельного смещения температурного графика "вверх-вниз".
Для обеспечения высокой точности поддержания перепада давления перед элеватором 11 в свободно-программируемом контроллере 1 реализовано ПИД-регулирование по сигналу от датчика перепада давления 9 или по сигналам от датчика давления 7 на подающем трубопроводе тепловой сети 10 перед элеватором 11 и датчика давления 8 на обратном трубопроводе 14 системы отопления 13 и тепловой сети за счет работы электрического регулирующего клапана (регулятора перепада давления) 6 с автоматической адаптацией его к режиму работы повысительно-подмешивающего насоса 16. Для этого по показаниям датчиков температуры наружного воздуха 4 и температуры теплоносителя 3 на вводном трубопроводе 12 системы отопления 13 свободно-программируемый контроллер 1 осуществляет ПИД-регулирование посредством частотного регулирования электропривода 17 повысительно-подмешивающего насоса 16, обеспечивая поддержание требуемой температуры воды после элеватора 11 согласно температурному графику в системе отопления 13 в зависимости от температуры наружного воздуха. Автоматическая адаптация режима работы электрического регулирующего клапана 6 к режиму работы повысительно-подмешивающего насоса 16 обеспечена за счет автономного функционирования ПИД-регулятора перепада давления и ПИД-регулятора температуры и гидравлической связи по теплоносителю регулятора перепада давления 6 и повысительно-подмешивающего насоса 16.
Если температура теплоносителя в вводном трубопроводе 12 системы отопления 13 оказывается выше требуемого значения согласно температурному графику системы отопления, включается повысительно-подмешивающий насос 16 с выходом на необходимую производительность с помощью частотного преобразователя 5 по командам от свободно-программируемого контроллера 1.
По показаниям датчиков контроля перепада давления 7 и 8 или 9 свободно-программируемый контроллер 3 посредством регулятора перепада давления 6 обеспечивает поддержание перепада давления перед элеватором 11 неизменным, поскольку изменение давления перед элеватором 11, связанное с работой повысительно-подмешивающего насоса 16, компенсируется путем плавного закрытия или открытия регулятора перепада давления 6. При этом изменяется расход теплоносителя из подающего трубопровода тепловой сети 10 и обеспечивается, тем самым поддержание температуры теплоносителя в вводном трубопроводе 12 системы отопления 13 в зависимости от температуры наружного воздуха по показаниям датчика температуры 4 согласно температурному графику системы отопления 13.
Перепад давления перед элеватором 11 не меняется во всем диапазоне погодного регулирования, элеватор работает в предписанном ему гидродинамическом режиме с сохранением постоянного расхода через сопло и. соответственно, постоянного расхода теплоносителя через систему отопления 13, т.е. элеватор полностью сохраняет свою функцию смесительного струйного насоса.
Так как регулятор перепада давления 6 поддерживает требуемый перепад давления перед элеватором 11 с учетом установленного сопла, то максимальные расходы воды из подающего трубопровода тепловой сети 10 не могут быть превышены, т.е. обеспечивается неизменность договорных тепловых нагрузок.
При аварийном отключении электропитания повысительно-подмешивающий насос 16 отключается, электрический регулирующий клапан 6 под действием возвратной пружины полностью открывается, а элеватор 11 продолжает работать в характерном для него режиме, но без погодного регулирования теплопотребления, что обеспечивает высокую надежность теплоснабжения. Погодное регулирование автоматически возобновляется после восстановления электроснабжения.
При выходе из строя повысительно-подмешивающего насоса 16 элеватор 11 также продолжает работу в характерном для него режиме, но без погодного регулирования и с сохранением своих гидродинамических характеристик, при этом перебоя в теплоснабжении не возникнет.
По этим причинам, электроснабжение теплового пункта с системой управления элеваторным узлом с регулированием потребления тепловой энергии может быть выполнено по III-ей категории надежности.
В тепловом пункте с системой управления элеваторным узлом потенциально возможны следующие нештатные ситуации:
- обрыв линии связи с датчиком наружного воздуха 4;
- обрыв линии связи с датчиком температуры 3 на вводном трубопроводе системы отопления 13;
- обрыв линии связи с датчиком перепада давления 9;
- обрыв линии связи с датчиком давления 7 на подающем трубопроводе 10 тепловой сети перед элеватором 11 и/или с датчиком давления 8 на обратном трубопроводе 14 системы отопления 13;
- выход из строя повысительно-подмешивающего насоса 16 или ручное отключение этого насоса;
- отключение электропитания.
При возникновении вышеуказанных нештатных ситуаций регулирующий электрический клапан 6 автоматически с помощью возвратной пружины полностью открывается, а повысительно-подмешивающий насос 16 отключается.
После устранения нештатной ситуации система управления элеваторным узлом автоматически переходит в штатный режим работы с прежними установками.
Использование заявляемого устройства позволяет обеспечить более надежное функционирование системы теплоснабжения как в широком диапазоне изменения внешних погодных условий, так и в случае возникновения аварийных ситуаций.