Система централизованного теплоснабжения

Система централизованного теплоснабжения (СЦТ), как известно, представляет собой комплекс различных сооружений, установок и устройств, технологически связанных между собой в общем процессе производства, транспорта, распределения и потребления тепловой энергии.

СЦТ включает источники теплоты (ТЭЦ, АТЭЦ, котельные, ACT) магистральные и распределительные тепловые сети, узлы управления транспортом и распределением теплоты (насосные перекачивающие подстанции, контрольно-распределительные тепловые пункты), узлы присоединения теплопотребляющих абонентских установок к тепловой сети (центральные и индивидуальные тепловые пункты), теплопотребляющие установки и системы (системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения, теплопотребляющие установки промышленных предприятий).

Режим работы СЦТ диктуется условиями функционирования объектов теплопотребления: переменными потерями теплоты в
окружающую среду через ограждающие конструкции зданий и сооружений, режимами потребления горячей воды населением, условиями работы технологического оборудования и др.

Анализ системы централизованного теплоснабжения как объекта управления показывает, что она обладает основными свойствами, присущими большим системам энергетики.

Необходимо отметить сложность и иерархический характер ее структуры, влияние многочисленных случайных факторов на
режим работы.

Система состоит из большого числа взаимосвязанных последовательно и параллельно включенных элементов, обладающих различными теплогидравлическими свойствами: участки трубопроводов тепловой сети и систем отопления, теплоемкие и
нетеплоемкие наружные ограждения зданий, теплообменные аппараты в тепловых пунктах, нагревательные приборы в отапливаемых помещениях и др.

Следует указать на значительное разнообразие конструкций этих элементов и широкий диапазон режимов их работы.

Динамические свойства системы теплоснабжения характеризуются большими временными (емкостными и транспортными) запаздываниями по каналам как передачи возмущений, так и управляющих воздействий. Инерционные свойства отдельных параллельно расположенных звеньев существенно разнятся. Так, при прохождении температурной волны через теплоемкие ограждения (стены) наблюдается ее значительное затухание и сдвиг фазы. Оконные же ограждения являются практически безынерционными, и тепловые потери через них меняются синхронно с изменением внешних воздействий.

В связи с этим при управлении системой теплоснабжения приходится учитывать не только состояние внешней среды в
данный момент времени, но и метеорологические условия за предыдущий период, а также их возможные изменения в будущем (прогнозирование размера теплопотребления).

Следует также указать, что процесс управления режимами работы СЦТ характеризуется вмешательством человека на различных уровнях иерархии ее структуры: от главного диспетчера энергосистемы до непосредственного потребителя теплоты в отапливаемых помещениях.

Помимо внутренних взаимосвязей между элементами СЦТ, нельзя не учитывать ее внешние функциональные связи с другими системами инженерного обеспечения городов и промышленных комплексов.

Характерным для рассматриваемых систем является то, что указанные внешние связи проявляются на всех этапах процесса
производство — потребление тепловой энергии.

Так, режим работы теплового источника не может рассматриваться изолированно от условий функционирования системы
топливоснабжения. Управление отпуском теплоты от теплоэлектроцентралей должно учитывать режим электроэнергетической системы (установлена целесообразность использования ТЭЦ в маневренном режиме). Работа бытовых газовых и электрических приборов влияет на температурный режим отапливаемых помещений и, следовательно, на работу абонентских систем отопления. Тесно взаимоувязаны режимы работы систем горячего и холодного водоснабжения.

Важной особенностью системы централизованного теплоснабжения как объекта управления является ее стохастичность. Изменение внешних и внутренних возмущающих воздействий в СЦТ носит случайный характер.

Статические и динамические характеристики элементов систем теплоснабжения не остаются в процессе эксплуатации постоянными, а закон их изменения является стохастическим. Необходимо также иметь в виду, что в отличие от других
трубопроводных систем (водоснабжения, газо- и нефтеснабжения) режим функционирования тепловых сетей характеризуется двумя различными по своей сущности параметрами: количество отпускаемой тепловой энергии определяется температурой теплоносителя и перепадом давлений, а, следовательно, расходом воды в тепловой сети. При этом динамические характеристики по трактам передачи давления (изменения расхода) и температуры резко отличаются друг от друга. Так, при изменении напора на коллекторах ТЭЦ (котельной) расходы воды в сети практически меняются безынерционно (со скоростью звука в воде). Процесс же прохождения температурной волны по тепловой сети, определяемой скоростью движения теплоносителя, может длиться часами.

Анализ существующей технологической структуры построения систем централизованного теплоснабжения больших городов, схем тепловых сетей, принципиальных схем абонентских вводов и абонентских систем отопления, конструкций применяемого технологического оборудования показывает, что они не отвечают в полной мере современным требованиям, предъявляемым к объекту автоматизированного управления. В крупных системах теплоснабжения многочисленные абонентские установки присоединяются к магистральным тепловым сетям, как правило, без промежуточных узлов управления. В связи с этим
система оказывается недостаточно маневренной, негибкой, по сетям приходится пропускать излишнее количество воды, ориентируясь на абонентов с наихудшими условиями.

Недостаток применяемого метода распределения тепловой энергии по многочисленным тепловым пунктам особенно проявляется в критических ситуациях, когда по тем или иным причинам температура воды, подаваемой от теплоисточника, оказывается ниже требуемой. В эти периоды вмешательство персонала потребителей в регулировку сети при невозможности действенного контроля со стороны персонала теплоснабжающей организации приводит к нарушениям гидравлического режима, к возможности возникновения аварий.

Свыше 80 % тепловых пунктов присоединяются в СССР по зависимой схеме с помощью водоструйных насосов-элеваторов.
Предложенный в 20-х годах элеватор представляет собой простое и надежное устройство, но вместе с тем принцип его действия находится в противоречии с условиями местного автоматического регулирования расхода теплоты на отопление: элеватор работает практически с постоянным коэффициентом смешения, а при местном автоматическом регулировании (для предотвращения разрегулировки абонентских систем отопления) этот коэффициент должен быть переменным.

Для индивидуального автоматического регулирования теплоотдачи нагревательных приборов малопригодны вертикальные
однотрубные системы водяного отопления, наиболее распространенные в массовом жилищном строительстве в СССР. Из-за высокой остаточной теплоотдачи нагревательных приборов (при закрытии регулирующего органа), существенного взаимного влияния приборов при работе регуляторов и других факторов возможности эффективного индивидуального регулирования в этих системах оказываются весьма низкими.

И наконец, следует отметить, что технологические районных водогрейных котельных, выполненные по типовым проектам, не отвечают требованиям комплексной автоматизации систем теплоснабжения. Эти схемы ориентированы на качественный график отпуска тепловой энергии, т. е. на поддержание постоянного расхода воды в подающем трубопроводе или постоянного напора на коллекторах котельной). Вместе с тем, как будет показано ниже, в автоматизированных системах теплоснабжения при местном автоматическом регулированииу потребителей, а также в условиях совместной работы нескольких источников на общие тепловые сети гидравлический режим в тепловой сети на выходе из котельной должен быть переменным. Из изложенного следует, что все звенья системы теплоснабжения (источник, тепловые сети, тепловые пункты, абонентские системы отопления) проектировались без учета требований автоматизации управления режимами их работы. В связи с этим на практике при выборе возможных технических решении по автоматизации существующей системы теплоснабжения (учитывая ее несовершенство как объекта управления) приходится отступать от оптимального (по эффективности управления) варианта идти на определенные компромиссы, а в ряде случае учитывать необходимость выполнения серьезных реконструктивных мероприятий.

Важной особенностью большинства городских систем централизованного теплоснабжения является то, что ее отдельные
звенья (источник — сети — абонент), функционально связанные между собой в едином технологическом процессе производства — потребления тепловой энергии, разобщены в организационном отношении, так как находятся в ведении различных министерств и ведомств (Минэнерго СССР, Минжилкомхоз союзной республики, Горисполком, промышленные министерства.

Как известно, одним из важнейших свойств больших систем а энергетике является их экономическая устойчивость, т. е. пологий характер зависимости приведенных затрат от внешних факторов.

Учитывая неполноту и недостаточную достоверность исходных данных о количественных значениях технико-экономических
показателей разрабатываемых автоматизированных систем теплоснабжения, принципиально невозможно выбрать один оптимальный по денежным затратам вариант. Речь может идти о сравнительной оценке достаточно большого количества вариантов, приведенные затраты по которым находятся в зоне примерно равноэкономичных значений.

При этом должны быть приняты во внимание дополнительно такие факторы, как надежность функционирования автоматизированных систем, удобство в обслуживании, совместимость с организационными формами эксплуатации, дефицитность оборудования, степень риска при использовании новых технических решений, уровень подготовки персонала и др.

Ввиду невозможности формализованного описания и строгой количественной оценки всех перечисленных факторов характер и совершенство принятого технического решения в конечном итоге будет существенно зависеть от опыта и интуиции разработчика.