Автоматизация тепловых пунктов

Опубликовано  в журнале AВОК  №4/2010

Рубрика: Автоматизация и  регулирование

Автоматизация тепловых пунктов

И. Д. Степанов, государственный эксперт, отдел инженерного обеспечения Главгосэкспертизы

Наиболее  полно вопросы  проектирования тепловых пунктов изложены в СП 41-101-95 «Правила проектирования тепловых пунктов», введенных в действие в 1996 году. Эти правила дополняют и развивают требования, содержащиеся в СНиП 2.04.07-86* «Тепловые сети», замененные впоследствии на СНиП 41-02-2003. В статье рассмотрены решения задач по автоматизации тепловых пунктов в соответствии с требованиями СП 41-101-95.

Несмотря на то, что  разработке «Правил проектирования тепловых пунктов» было отведено очень  ограниченное время, этот документ оказался полезным, хотя в нем был допущен ряд неточностей и даже ошибок.

Тем не менее, имеющиеся  в «Правилах» неточности никак не влияют в худшую сторону на общий  смысл этих «Правил». Поэтому далее  по тексту будет просто пояснено, как  следует решать ту или иную задачу по автоматизации тепловых пунктов, чтобы обеспечить их нормальную работу, соблюдая выполнение требований «Правил проектирования» по общему смыслу, даже если в отдельных пунктах этого документа или в приведенных в нем рисунках есть неточности или ошибки.

Описание порядка  и рекомендаций по автоматизации тепловых пунктов начнем с узла ввода. В качестве примера рассмотрим схему автоматизации тепловых пунктов (рис. 1), довольно часто встречающуюся в проектах, и на основе этого примера рассмотрим и другие возможные проектные решения. Разделение тепловых пунктов на центральные и индивидуальные в статье не делается, поскольку подход к решениям по их автоматизации одинаков.

Компоновка  теплового пункта

Узел ввода начинается с головных задвижек на прямом и  обратном сетевых трубопроводах. Как  правило, перед головными задвижками проходит «граница проектирования» тепловых пунктов. Головные задвижки могут быть с ручным приводом и с электроприводом, в зависимости от диаметра условного прохода этих задвижек. Если головные задвижки с электроприводом, они должны открываться и закрываться оператором с помощью кнопок управления. Возможны решения по автоматическому закрыванию таких задвижек при некоторых аварийных ситуациях, например, значительных утечках теплоносителя в помещении теплового пункта, то есть при резком падении давления сетевого теплоносителя в обратном сетевом трубопроводе со стороны теплового пункта.

Далее, за головными  задвижками размещается узел учета  расхода тепловой энергии и теплоносителя. Узел учета разрабатывается по соответствующим  правилам, изданным отдельной брошюрой. В обязательном порядке в узле учета должны использоваться два расходомера – на прямом и обратном сетевых трубопроводах. Кроме того, расходомер должен устанавливаться на линии подпитки систем отопления и вентиляции и каких-либо других систем с замкнутым контуром, которые могут использовать тепло сети в тепловом пункте, если принято независимое присоединение этих систем к тепловой сети.

Узлы учета тепловой энергии, по требованиям норм, должны быть в любом тепловом пункте –  либо для коммерческого учета  расхода тепловой энергии и теплоносителя, либо для технологического учета, позволяющего контролировать рациональное использование тепловой энергии и теплоносителя.

Между головными задвижками и узлом учета не должно быть никаких  приборов и отборных устройств, кроме отбора подпиточного теплоносителя из обратного сетевого трубопровода.

На прямом сетевом  трубопроводе после головных задвижек могут и должны быть грязевики  и фильтры, а также манометры, как на прямом, так и на обратном трубопроводах для контроля давления в сети. Все другое оборудование должно размещаться только после узлов учета, то есть учет расхода тепловой энергии и теплоносителя, подаваемого в тепловой пункт из сети, должен быть реальным. Грязевик или фильтр (или и то и другое на обратном сетевом трубопроводе) на узле ввода размещаются перед приборами узла учета со стороны теплового пункта.

Если теплоноситель  подается в тепловой пункт из тепловой сети, то за узлом учета по прямому  потоку теплоносителя в обязательном порядке следует устанавливать  регулятор разности давлений для поддержания постоянной разности давлений между прямым и обратным сетевым теплоносителем.

Смысл установки регулятора разности давлений заключается в  том, что, поддерживая постоянную заданную разность давлений, обеспечивается более  точное распределение теплоносителя в сети, исключается возможность использования более мощными потребителями тепла большего количества теплоносителя в холодное время года за счет менее мощных. Об ограничении потребления теплоносителя и порядке организации этого ограничения будет еще сказано дальше. Кроме того, постоянная заданная разность давлений стабилизирует поток теплоносителя в системах теплового пункта, что обеспечивает повышение качества регулирования заданных параметров.

Далее, после узла ввода к сетевым трубопроводам присоединяется система водоподготовки для калориферов приточных вентиляционных систем и калориферов первого подогрева центральных кондиционеров.

Поскольку приведенный  пример показан с независимой  системой теплоснабжения приточных  вентиляционных систем и кондиционеров, то пока речь пойдет об автоматизации таких систем. О системах с зависимым присоединением будет сказано ниже.

Поддержание температурных  параметров теплоносителя для калориферов  приточных вентиляционных систем и  для калориферов первого подогрева центральных кондиционеров должно выполняться по температурному графику в зависимости от температуры наружного воздуха и с контролем температуры обратного сетевого теплоносителя – в обязательном порядке, если теплоноситель поступает из городской сети, и, по усмотрению заказчика и проектировщиков, если теплоноситель поступает из местной котельной.

Чем больше присоединено к котельной потребителей, тем  больше необходимость в контроле температуры обратного сетевого теплоносителя. Схема подключения теплоносителя к системе вентиляции строится и автоматизируется так же, как и для систем отопления с независимым присоединением.

Смысл такого контроля обратного сетевого теплоносителя  заключается в том, что не исключены  случаи, особенно в переходные периоды с зимы на весну и с осени на зиму, когда обратный сетевой теплоноситель в тепловом пункте может иметь завышенную температуру по сравнению с требованиями температурного графика. Это возможно потому, что разность температур наружного воздуха между ночью и днем может быть достаточно значительной и ночью необходимо подавать из сети в тепловые пункты теплоноситель с более высокой температурой, но, поскольку емкость тепловой сети велика, то, несмотря на то, что источнику теплоснабжения уже поступила команда понизить температуру сетевого теплоносителя с повышением температуры наружного воздуха, порция теплоносителя с завышенной для этого момента температурой еще в тепловой сети.

Поэтому температура  обратного сетевого теплоносителя  в тепловом пункте, после отдачи необходимого количества тепла потребителям, может быть выше требуемой по температурному графику. На этот момент необходимо переключиться на поддержание температуры обратного теплоносителя, что будет способствовать более быстрому выходу источника теплоснабжения на требуемый в данный момент времени режим поддержания температуры сетевого теплоносителя.

У всех электронных  регуляторов, предназначенных для  работы по температурному графику для  регулирования температурных параметров теплоносителя в системах вентиляции и отопления, в программе уже заложено автоматическое переключение при соответствующих создавшихся условиях с поддержанием температуры теплоносителя, подаваемого потребителю, на поддержание температуры обратного сетевого теплоносителя и обратно. У свободно программируемых контроллеров это необходимо учитывать при программировании.

В «Правилах проектирования тепловых пунктов» на рисунках датчик контроля температуры обратного  теплоносителя показан на трубопроводе обратного теплоносителя циркуляционного контура, а не на трубопроводе обратного сетевого теплоносителя, что неверно. Емкость циркуляционного контура достаточно велика. Как на нем отбирается теплоноситель – проконтролировать достаточно сложно. Поэтому, пока датчик температуры, установленный на обратном трубопроводе циркуляционного контура, отреагирует на завышение температуры теплоносителя в циркуляционном контуре, через регулирующий клапан, установленный на прямом трубопроводе сетевого греющего теплоносителя, и через теплообменник пройдет в обратный сетевой трубопровод огромное количество сетевого теплоносителя с завышенной температурой, чего быть не должно.

По этой причине  датчик температуры, предназначенный  для контроля и регулирования  температуры теплоносителя в  системе поддержания температурных параметров теплоносителя по сетевому температурному графику, должен устанавливаться в обратном сетевом трубопроводе сразу после теплообменника. Это относится как к системе теплоснабжения калориферов приточных вентиляционных систем, так и к системе отопления, присоединенной к теплосети по независимому способу.

Не следует путать вопросы, связанные с регулированием параметров, и вопросы, касающиеся просто диспетчерского контроля параметров, позволяющего отслеживать штатную  работу систем и нештатные ситуации. Какие параметры следует контролировать дополнительно – решает проектировщик.

Циркуляционные насосы для системы теплоснабжения калориферов  приточных вентиляционных систем, как  правило, следует применять с  частотным преобразователем, поскольку  не все приточные вентиляционные системы могут работать одновременно, а давление в системе (точнее – разность давлений) должно быть величиной постоянной.

В этом случае должна поддерживаться разность давлений между  подающим и обратным трубопроводами системы при изменении количества теплоносителя, поступающего к потребителям, то есть к калориферам. Контроль разности давлений в данном случае эквивалентен контролю расхода. При включении или выключении систем изменяется сопротивление сети, следовательно, при постоянной разности давлений изменяется количество теплоносителя (скорость протекания) в системе. Компенсация «лишнего» теплоносителя обеспечивается пневмобаком в системе подпитки.

Если в замкнутой  системе контролировать только давление, то оно изменится при отключении или подключении потребителей максимум на 2 м вод. столба. Датчик просто не отреагирует на такое изменение давления.

Частотные преобразователи  для замкнутых систем (любых), как  для циркуляционных насосов, так  и для циркуляционно-повысительных  в тепловых пунктах, подчеркиваю, что речь идет только о тепловых пунктах, нет смысла использовать, если мощность насосов менее 4 кВт. Просто такие насосы, за счет их «подсаживания», сами справляются со сложившейся ситуацией. Мощность, которая снимается частотными преобразователями с такими насосами, практически равна или меньше мощности, которую теряют насосы сами за счет «подсаживания».

Далее к сетевым  трубопроводам могут быть присоединены теплообменники для второго подогрева  систем кондиционирования воздуха  со своими циркуляционными насосами. Если на объекте есть какие-то еще потребители тепла, например бассейн, то далее может быть присоединен теплообменник для обогрева пола со своими циркуляционными насосами и теплообменник для подготовки теплой воды для бассейна со своими насосами. Поскольку для второго подогрева систем кондиционирования воздуха, для обогрева пола, для ванны бассейна требуется теплоноситель с постоянной заданной температурой, то регулирование этой температуры производится уже не по температурному графику, а просто датчик температуры устанавливается на трубопроводе, подающем подогретый теплоноситель циркуляционного контура к потребителю.

Следует иметь в  виду, что все датчики, которые  участвуют в процессе регулирования (а не защиты), должны устанавливаться  как можно дальше от теплообменников, насколько может позволить помещение теплового пункта. Чем больше емкость объекта регулирования (от источника регулирующего воздействия до датчика), тем меньше будет соотношение между временем запаздывания (есть такое понятие в автоматике) и постоянной времени регулирования, что обеспечит более устойчивое регулирование параметров.

При постоянном количестве циркулируемого теплоносителя частотные  преобразователи не нужны. Циркуляционные насосы любой системы работают постоянно при ее использовании.

Затем к сетевым  трубопроводам присоединяются теплообменники системы горячего водоснабжения.

На этой системе  следует остановиться подробнее.

Система горячего водоснабжения

На рис. 1 показана двухступенчатая система горячего водоснабжения. Согласно «Правилам проектирования тепловых пунктов» при оговоренных в правилах условиях допускается применять одноступенчатую систему горячего водоснабжения. Правда, практика показала, что лучше при любых условиях предусматривать двухступенчатую систему – стабильнее поддержание параметров и использование сетевого теплоносителя. Поэтому, если проектом предусмотрена двухступенчатая система горячего водоснабжения в том случае, когда допускается использовать одноступенчатую систему, то в этом нет ничего предосудительного. Это не нарушение правил.

Есть одна очень  интересная проблема в поддержании  заданной температуры горячей воды. При использовании кожухотрубных  теплообменников этой проблемы не было даже при применении регуляторов  температуры прямого действия. Точность поддержания температуры горячей воды была невелика, но и только.

Однако кожухотрубные  теплообменники достаточно громоздки  и требуют много места, в то время как пластинчатые теплообменники, которые сейчас широко применяются, при той же поверхности теплоотдачи, как у кожухотрубного теплообменника, занимают места намного меньше.

И вот в этом случае проблема заключается в следующем. Если горячая вода отбирается потребителями  из пластинчатого теплообменника непрерывно достаточно длительное время, то проблемы в поддержании заданной температуры горячей воды нет. Но если, например, днем в каком-то жилом доме разбор горячей воды значительно уменьшился и происходит скачкообразно, то поддержание температуры горячей воды с заданной точностью весьма проблематично. Слишком мала емкость пластинчатого теплообменника при большой поверхности теплоотдачи.

Был проведен эксперимент. У двух теплообменников, рассчитанных на производительность три литра  воды в секунду, – кожухотрубного и пластинчатого – при одинаковых эксплуатационных условиях слили по три литра горячей воды, то есть нанесли скачкообразное возмущение. При этом температура горячей воды после кожухотрубного теплообменника понизилась на 0,07 °С и достаточно быстро восстановилась. У пластинчатого теплообменника температура воды после теплообменника понизилась почти на 6 °С и восстанавливалась значительно дольше.

Таким образом получается, что для того, чтобы температура  горячей воды, подогреваемой в  кожухотрубном теплообменнике производительностью 3 л/с, отклонилась хотя бы на 1 °С, необходимо слить единовременно 42,8 л воды, а у пластинчатого теплообменника это получается около 0,5 л воды.

Для того чтобы стабилизировать  поддержание заданной температуры  горячей воды, в некоторых случаях  используются баки-аккумуляторы, о которых сказано в «Правилах проектирования тепловых пунктов». Но, как правило, баки-аккумуляторы используются там, где требуется повышенный комфорт, например, в фешенебельных гостиницах. Забывается, что поддержание заданной температуры с определенной точностью требует затрат энергии и чем точнее удается поддерживать заданной параметр, тем меньше требуется энергозатрат. Как можно выйти из положения? Вывод следующий: если нет необходимости в баках-аккумуляторах, то после второй ступени теплообменника на подающем к потребителю трубопроводе можно разместить компенсационную емкость. Компенсационная емкость может быть любой формы, например, сваренная из труб, но она должна быть обязательно теплоизолирована. Разместить ее можно в любом месте, чтобы не загромождать помещение, либо под фальшполом, либо где-то у стены.

Компенсационная емкость  рассчитывается по формуле:

V_δ = 1,2 [(С_м·((t_k – t_н) / 0,5Δt) q α) – V_Т],

где V_δ – объем компенсационной емкости (бака), л;

1,2 – коэффициент  запаса;

С_м – число возможных скачкообразных возмущений, при котором регулируемый параметр после емкости должен быть в пределах допустимых отклонений от заданной величины (См ≥ 4. См – целое число, задается с учетом возможных разовых скачкообразных водоразборов);

Δt – допустимое отклонение температуры от заданной (точность регулирования);

t_k – температура нагретой воды;

t_н – температура холодной воды, нагреваемой в теплообменнике;

q – секундный расход горячей воды (по таблицам), л/с;

α – коэффициент одновременности водопотребления;

V_Т – объем теплообменника (1 и 2 ступени нагреваемой воды и объем соединяющих ступени труб), л.

Размещение компенсационной  емкости схематично отображено на рис. 2.

Чтобы не очень пугать читателей, могу сказать, что компенсационная емкость по расчетам во многих случаях (правда для ИТП) не превышала 180–200 л (от теплообменника второй ступени системы горячего водоснабжения до места установки датчика температуры). Это не так уж много, и решить задачу с использованием такой емкости возможно практически в любом тепловом пункте.

О такой компенсационной  емкости в «Правилах проектирования тепловых пунктов» ничего не сказано  хотя бы потому, что ко времени проработки этих «Правил» необходимость в ней  еще не проявилась на практике. Поэтому принятие решений по использованию таких компенсационных емкостей, наверное, следует обсудить, чтобы включить их в «Правила проектирования тепловых пунктов» и, по крайней мере, не запрещать их применять.

При проработке системы  горячего водоснабжения не следует забывать о пункте 3.19 «Правил проектирования тепловых пунктов». Теплообменники для любых систем рассчитываются для худших условий. Для системы горячего водоснабжения худшие условия это летнее время, когда греющим сетевым теплоносителем с температурой 70 °С должна подогреться водопроводная вода до температуры 60 °С.

Это значит, теплообменник  подбирается со значительной поверхностью теплоотдачи, которая для зимнего  режима велика, поскольку греющий  сетевой теплоноситель имеет  более высокую температуру. Получается, что, отдав требуемое тепло на подогрев горячей воды, греющий сетевой теплоноситель остается с температурой, значительно превышающей допустимую для сброса в обратный трубопровод.

Это, по крайней мере, нерационально. Поэтому в зимнее время греющий теплоноситель после подогрева водопроводной воды во второй ступени системы горячего водоснабжения подается в систему отопления после регулирующего клапана по потоку теплоносителя. Это позволяет рационально использовать греющий сетевой теплоноситель и более плавно регулировать температуру теплоносителя в системе отопления, не превышая температуру обратного сетевого теплоносителя.  

Продолжение статьи читайте в следующем номере. 
 

Опубликовано  в журнале AВОК  №5/2010

Рубрика: Автоматизация и регулирование

Автоматизация тепловых пунктов

И. Д. Степанов, государственный эксперт, отдел инженерного обеспечения Главгосэкспертизы

Мы  продолжаем рассматривать  особенности решений  задач по автоматизации  тепловых пунктов  в соответствии с  требованиями СП 41-101-95 «Правила проектирования тепловых пунктов». Начало статьи читайте в предыдущем номере журнала «АВОК».

Система отопления, разработанная  и присоединенная к тепловой сети по независимой схеме, автоматизируется так же, как система подготовки теплоносителя для калориферов приточных вентиляционных систем или калориферов первого подогрева для центральных кондиционеров, то есть по температурному графику.

В циркуляционных контурах систем с замкнутым контуром при  независимом присоединении должно поддерживаться постоянное заданное давление, для чего предусматривается подпитка систем.

В настоящее время  широко используются для этой цели пневмобаки, размещаемые в помещении  теплового пункта. Каждая система  должна иметь свой узел подпитки, прежде всего свой пневмобак. Однако разные системы, например, системы отопления и системы вентиляции, могут подпитываться общими насосами, но со своим соленоидным клапаном на линии подпитки. При падении давления в циркуляционном контуре какой-либо системы, на что реагирует датчик давления (или электроконтактный манометр), через контроллер поступает команда на открытие соответствующего соленоидного клапана и на включение рабочего подпиточного насоса. При повышении в системе давления до заданного значения соленоидный клапан закрывается и подпиточный насос отключается. Для первичного заполнения систем отопления и вентиляции теплоносителем могут быть предусмотрены отдельные насосы с большей производительностью, чем подпиточные.

Компоновка  и автоматизация  систем теплоснабжения с зависимым присоединением к тепловой сети в тепловых пунктах

Узел ввода в  тепловой пункт решается так же, как при использовании систем с независимым присоединением. В  тепловых пунктах присоединение  систем может быть комбинированным: часть систем может присоединяться по независимой схеме, а часть – по зависимой схеме. Все определяется технологическими расчетами и удобством эксплуатации.

При непосредственном зависимом присоединении систем вентиляции (калориферов приточных  вентиляционных систем) к тепловой сети, если таких систем несколько, в том числе воздушно-тепловых завес, такое присоединение следует выполнять через регулятор разности давлений, независимо от того, что регулятор разности давлений имеется на узле ввода.

Не все приточные  вентиляционные системы, центральные  кондиционеры, воздушно-тепловые завесы могут работать одновременно, а разность давлений в системе снабжения  теплоносителем этого оборудования должна быть постоянной. Это отражается на качестве регулирования параметров воздуха, обрабатываемого в этих системах.

Если для подготовки теплоносителя, подаваемого на отопление, или к системам вентиляции, или  к каким-либо еще системам при  зависимом их присоединении, требуется  понижение температуры теплоносителя (например, с расчетной температуры теплоносителя в сети в +130 °С до +95 °С) с помощью узла смешивания двух сред – прямого и обратного теплоносителя, то решать эту задачу можно приемами, отображенными на рис. 1.

Но, прежде всего, следует  учесть, что размещение насосов на перемычках между обратным и прямым трубопроводами возможно лишь в том  случае, если не предполагается регулирование  чего бы то ни было (то есть количества смешиваемых сред – величины постоянные), и при соблюдении, естественно, требований, оговоренных в пункте 3.7а) «Правил проектирования тепловых пунктов». Это часто не учитывается. Мало того, на одной линии с насосами устанавливается регулирующий клапан, в том числе трехходовой, что вообще недопустимо.

Насос и регулирующий клапан последовательно, один за другим, устанавливать нельзя. Насосы должны всегда работать в одной – расчетной  и отлаженной – точке расходной  характеристики. Попытка объяснить такое расположение насоса и регулирующего клапана тем, что применяется насос с частотным преобразователем, не является оправданием. Такой узел обязательно выйдет в автоколебательный режим работы, то есть регулирующий клапан будет постоянно открываться и закрываться и никакого поддержания заданных параметров (для теплового пункта это температура теплоносителя) не будет. В таком узле изменяется и расход, и давление, и температура практически независимо друг от друга. В частности, температура и давление не зависят напрямую друг от друга в таком узле. Мало того, инерционность прохождения команды при нанесенном возмущении различна. Синхронности прохождения команд нет и быть не может. Поэтому «раскачка» узла будет обязательно, и еще неизвестно, в каком случае быстрее – с частотным преобразователем насоса или без такового.

Кроме того, двигатель  насоса ставится в очень невыгодные для него условия. Двигатель насоса (да и любого другого агрегата) должен быть нагружен не менее чем на 60 % своей номинальной мощности. Любой двигатель, как правило, защищается от перегрузок тепловой защитой, которая должна быть прогрета до определенной температуры, чтобы сработать при перегрузке двигателя за время, меньшее половины минимального времени, за которое двигатель выходит из строя. Тепловая защита это учитывает, если двигатель нагружен в интервале 100–60 %, если двигатель недогружен, то он сгорит раньше, чем отработает тепловая защита. В узле, где последовательно с насосом размещен регулирующий клапан, может сложиться так, что клапан окажется в значительно прикрытом состоянии, то есть двигатель насоса окажется недогруженным, а в это время, например, произойдет обрыв одной из фаз кабеля или у насоса что-нибудь заклинит. Двигатель выйдет из строя.

Узлы смешивания двух сред – прямого и обратного теплоносителя – должны прорабатываться исходя из условия, какой из двух сред по расчету должно быть больше, а какой меньше. На трубопроводе, по которому должно проходить меньше теплоносителя, должен устанавливаться регулирующий клапан, подобранный по расчетному расходу, а на другом, присоединяемом, трубопроводе должен размещаться балансировочный кран, отстроенный на расчетный пропуск подмешиваемого теплоносителя, которого больше. Например, температура прямого теплоносителя +130 °С, обратного +70 °С, а смесь должна иметь температуру +95 °С. Следовательно, потребуется примерно 27 % прямого теплоносителя и 63 % – обратного. Значит, регулирующий клапан должен быть установлен на прямом трубопроводе, а на перемычке – балансировочный кран (рис. 1а, б). Насосы в этих схемах могут размещаться на обратном или прямом трубопроводе в зависимости от расчета технологической части. Если по расчету требуется насосы установить на прямом трубопроводе, то на обратном трубопроводе следует не забыть установить обратный клапан, как это показано на рис. 1б, чтобы предотвратить возможность подсоса насосами обратного теплоносителя от источника теплоснабжения.

Трехходовые смесительные (разделительные) клапаны следует  применять очень осторожно и  только в тех случаях, когда можно обеспечить постоянное давление в точке смешивания (разделения) двух сред внутри клапана независимо от положения штока трехходового клапана. Такой вариант применения трехходового клапана показан на рис. 2.