Автоматизация индивидуальный тепловых пунктов (ИТП)

Индивидуальный тепловой пункт – это совокупность устройств, состоящая из элементов тепловых энергоустановок, трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, циркуляционных насосов, теплообменников, оборудования и средств автоматизации, обеспечивающих присоединение потребителей тепла в здании (системы отопления и ГВС) к районной или городской тепловой сети и передачу им тепловой энергии. ИТП располагается в обособленном помещении или пристройке.

С помощью автоматизации ИТП решается следующие задачи:

• Управление подачей тепла из теплосети в каждую из систем отопления, с учетом температурного графика с возможность автоматической коррекции режима работы при изменении режимов работы предприятия или жилого дома;
• Поддержание заданной температуры воды в системе горячего водоснабжения, с учетом текущего и возможного потребления, с возможностью внесения корректировок в алгоритмы управления;
• Контроль количества потребленного тепла и уведомление оператора при возрастании расхода;
  
• Автоматическое поддержание заданного давления в трубопроводах, не зависимо от расхода;
• Поддержание заданного перепада давлений между подающим и обратным трубопроводом теплосети;
• Защита гидравлического оборудования от воздействия повышенного давления;
• Защита насосов, прогнозирование ТО, предотвращение аварий и диагностика неисправностей;
• Протоколирование событий и передача данных в систему диспетчеризации здания или района;
• Иные функции.

Типовая схема ИТП

Системы ИТП разводят подходящее к зданию тепло на несколько контуров (два и более) – это могут быть несколько контуров отопления, вентиляции, теплых полов и контур горячего водоснабжения, который отличается от остальных тем, что из него возможен забор теплоносителя.

Контуры, предназначенные для отопления обычно замкнутые, весь циркулирующий в них теплоноситель, пройдя через приборы отопления, возвращается обратно, из контура же ГВС возможен забор горячей воды потребителями, неиспользованная вода возвращается в тепловой пункт, где для восполнения потерь она смешивается с холодной водой из водопровода и подогревается.

Нагрев воды в контурах осуществляется в теплообменниках от тепла сети или котла. Из этого контура при падении давления в контуре отопления происходит подпитка их водой. Для обеспечения движения воды по контурам ГВС и отопления используются циркуляционные насосы, ими же осуществляется и подача холодной воды в контур ГВС.

Регулирование расхода теплоносителя осуществляется с помощью клапанов с электрическим приводом или с помощью преобразователей частоты, что во многих случаях экономически более выгодно.

Основные элементы автоматизации ИТП

Оборудование автоматизации индивидуальных тепловых пунктов аналогично оборудованию автоматизации других систем управления климатом (отопления или вентиляции), она осуществляется с помощью применения следующих элементов:

• Контроллеры. С их помощью которых осуществляется управление всей системой, на этапе пуско-наладочных работ, они программируются на исполнение алгоритма, разработанного технологами. Контроллеры получают данные с датчиков ИТП, формируют управляющие сигналы для циркуляционных насосов, приводов клапанов, иных элементов. Контроллеры системы могут быть с жестко прошитым ПО – для типовых решения или свободно программируемые – для индивидуальных решений, которые более предпочтительны с точки зрения экономической эффективности – об этом ниже. Контроллеры как правило имеют различные возможности для регулирования параметров, в т.ч. и ПИД-регулирование, программное обеспечение контроллеров известных фирм, имеет встроенные функции по адаптации и оптимизации алгоритмов для различного оборудования;
  
• Датчики температуры, давления, расхода, применяемые в ИТП как правило наиболее дорогостоящие и имеющие с высокую степень надёжности показаний и отказоустойчивости. Важно, чтобы используемые для автоматизации ИТП датчики обладали малой инерционностью, т.е. быстротой реакции на изменения параметров. Оптимальный вариант – использование датчиков с постоянной времени менее 4 с. В контурах ГВС с циркуляцией рекомендуют также передавать в систему показания датчика температуры холодной воды, который предварительно информирует контроллер о параметрах воды подмеса, и позволяет внести корректировку в алгоритм управления;
  
• Регулирующие клапаны и их приводы это – исполнительные устройства системы автоматизации. Могут быть со ступенчатой или плавной регулировкой, двух- или трех-ходовые. В зависимости от типа устройства и от задач, управление осуществляется либо цифровыми, либо аналоговым сигналами. Важные характеристики - диапазон управления клапана, время срабатывания привода, количество часов наработки на отказ привода, который за время работы испытывает большое количество переключений. Качество выполнения самого клапана и его привода в значительной степени влияет на качество всей системы автоматизации;
• Циркуляционные насосы с частотными преобразователями. Применение частотного преобразователя позволяет регулировать мощность циркуляционного насоса, в зависимости от потребностей системы. При регулировании с помощью задвижки, насос работает всегда с одним расходом, а изменение расхода теплоносителя в системе осуществляется изменением сечения трубопровода (управление скоростью автомобиля с помощью педали тормоза, при полностью выжатой педали газа). При частотном регулировании, изменение расхода теплоносителя осуществляется изменением скорости вращения лопастей в циркуляционном насосе.

Подходы к автоматизации ИТП

При решении задачи автоматизации теплового пункта, необходимо учитывать следующие особенности работы ИТП: регулировка и поддержание температуры, расхода или перепада давления теплоносителя в зависимости от времени года, суток и с учетом выходных и праздничных дней, а также протоколирование и передача данных на центральный диспетчерский пульт и пр.

Эти задачи можно выполнить с учетом потребления внутри объекта (дороже при строительстве, но дешевле при эксплуатации) или с «условным» учетом.

Локальная автоматизация. Предполагает «условный» учет параметров работы систем. Как правило, такие системы поставляются в комплекте с оборудованием (комплектные щиты автоматизации) и имеют определенное число пользовательских настроек. Разработка собственного алгоритма управления не доступна для пользователя. Учитывают работы внешних систем по параметрам на «входе» потоков в ИТП.

Автоматизация с учетом работы потребителей тепла работает в рамках системы автоматизации и диспетчеризации здания. В таких системах проектом предусматриваются индивидуальные щиты автоматизации на основе свободно программируемых контроллеров. Пользователь имеет возможность разработать собственный алгоритм управления, в котором будут учитываться такие параметры как присутствие людей в помещениях или текущее (мгновенное) потребление воды в контурах ГВС. Все зависит от задачи заказчика. Очевидно, разработка и стоимость индивидуальных щитов выше стоимости комплектных щитов.

Экономический эффект от внедрения

Экономический эффект от внедрения автоматизации ИТП достигается за счёт следующих факторов (речь идет об автоматизации с учетом работы потребителей):

• Снижения потерь тепловой энергии за счет уменьшения площади и температуры наружной поверхности теплообменников.
• Снижения потерь тепловой энергии за счет увеличения коэффициента теплопередачи теплообменников, снижения требуемого температурного напора и расхода теплоносителя для подогрева воды;
• Снижения расхода электроэнергии на перекачку теплоносителя за счет оптимальной циркуляции горячей воды, обеспечиваемой применением эффективных циркуляционных насосов и программного управления насосами и температурой горячей воды.
• Уменьшения расхода тепловой энергии в системе отопления за счет внедрения эффективной автоматической системы пофасадного регулирования расхода ТЭ по температуре наружного воздуха.

Проектирование системы автоматизации ИТП

Цикл работ по автоматизации ИТП начинается с получения технических условий поставщика тепла и разработки задания на проектирование ИТП. Учитываются возможности размещения, мощности и условий эксплуатации. Большое внимание при проектировании ИТП уделяется выбору оборудования автоматизации. Рациональный подход на данном этапе обеспечивает значительную экономию средств при сохранении эксплуатационных качеств ИТП. Рабочая документация проекта автоматизации ИТП может содержать следующие разделы:

• Общие данные, где описана технология работы ИТП, указания по сбору системы и методы автоматизации системы;
• Схемы автоматизации системы;
  
  
• Схемы электроснабжения системы автоматизации и технологического оборудования ИТП;
• Кабельные журналы;
• План расположения оборудования и проводок цепей управления;
• Схемы заземления и уравнивания потенциалов;
• Монтажные и функциональные схемы щитов автоматизации;
• Монтажные схемы датчиков и исполнительных механизмов;
• Спецификации оборудования изделий, материалов.

Согласование проекта со службой эксплуатации объекта позволит предусмотреть возможные режимы его работы и исключить аварийные ситуации в будущем. Кроме того, это позволит сдачу и ввод в эксплуатацию будущего ИТП.

Часто проект автоматизации ИТП выполняется в рамках отдельного комплекта чертежей, относящихся только к тепловому пункту, и может содержать разделы электроснабжения и электроосвещения ИТП, тепломеханики и автоматизации.

Затраты на внедрение и эксплуатацию

Многолетняя эксплуатация индивидуальных тепловых пунктов в России и в мире показала, что применение современного оборудования и разработка эффективных алгоритмов управления позволяет сократить потребление тепловой энергии объектом на 30% и более процентов. Затраты на эксплуатацию и ремонт оборудования могут быть снижены на 40-60%. Выявление утечек тепла и своевременное информирование службы эксплуатации сокращает потери тепла до 15%.