SYSTEM APPROACH TO THE MODELING OF AUTOMATED CONTROL SYSTEMS AND THERMAL ENERGY METERING

Full Text

Введение. В условиях постоянного роста стоимости энергоносителей, низкой платежеспособности потребителей, высокого износа тепловых энергоустановок систем централизованного теплоснабжения энергоснабжающие предприятия обязаны выполнять требования Федерального закона № 190-ФЗ «О теплоснабжении» в части обеспечения надёжного и бесперебойного теплоснабжения потребителей [1]. Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок [2] требуют от энергоснабжающего предприятия поддержания договорных давления с отклонением не более ±0,2 кгс/см2 и температуры на границе балансовой ответственности в подающем трубопроводе в пределах ±3 °С от установленной температурным графиком. Правила коммерческого учёта тепловой энергии теплоносителя [3] также требуют от энергоснабжающего предприятия обеспечение контроля и поддержания у потребителя требуемого располагаемого напора и температуры. Для выполнения всех вышеперечисленных требований энергоснабжающая организация вынуждена организовывать автоматизированные системы контроля и учёта энергоресурсов (АСКУЭ): количества тепловой энергии, расходов, располагаемого давления и температуры теплоносителя, поставляемых потребителю. Основными элементами системы АСКУЭ являются теплосчетчики, устанавливаемые на границе балансовой и эксплуатационной ответственности между энергоснабжающей организацией и потребителем. Обоснованный выбор модели теплосчетчика обеспечит надлежащее исполнение своих договорных обязательств как поставщика, так и потребителя энергоресурсов. Также важную роль играет выбор способа передачи информации с теплосчётчика как с позиции надёжности, так и затрат на создание и последующую эксплуатацию структуры системы АСКУЭ. М. В. Посашков, В. И. Немченко 41 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Для разработки системы АСКУЭ предприятия, функционирующего в рыночных условиях, требуется формирование структур управления, способных к самоуправлению и саморазвитию. Создание таких структур возможно посредством комплексной оценки эффективности функционирования системы АСКУЭ предприятия с использованием методов системного анализа. Системный подход позволяет выполнить комплексную оценку эффективности функционирования системы АСКУЭ предприятия с учетом многих факторов: энергетических, экономических, экологических, потребительских, организационных, нормативно-правовых и других, характеризующих его ретроспективную и текущую деятельность, а также сформировать в условиях рыночной экономики комплекс стратегических мероприятий, обеспечивающих быстрое реагирование на изменение факторов внешней среды. Целью исследования является разработка системного подхода к формированию и выбору оптимальных схем систем АСКУЭ, обеспечивающих постоянный мониторинг качества теплоснабжения потребителей и своевременного выявления утечек. В соответствии с целью поставлены следующие задачи: - Разработка алгоритма формирования многоуровневой иерархической модели выбора оборудования для систем АСКУЭ. - Проведение сравнительного анализа систем АСКУЭ с учётом приоритетов лица, принимающего решение. Рассмотрим принцип формирования и выбора наилучшего варианта многоуровневой системы АСКУЭ на примере системы теплоснабжения производственного объекта. Описание существующей системы коммерческого учета тепловой энергии производственного объекта Система теплоснабжения промышленной площадки включает в себя источник тепловой энергии, тепловую сеть и системы теплопотребления 45 потребителей. Источник тепловой энергии - блочная модульная котельная. Тепловая энергия используется потребителями для нужд отопления, горячего водоснабжения и вентиляции. Структура существующей трёхуровневой системы контроля и учета тепловой энергии и теплоносителя представлена в виде графа G0 [1] на рис. 1. Вершина a1 графа G0 - инженер, который производит ручной сбор данных при обходе каждого теплового пункта, а также занимается обработкой и анализом этих данных и передает их лицу, принимающему решение по результатам учета - a0; b1-b45 - теплосчетчики, осуществляющие автоматическое измерение параметров теплопотребления и расчет количества тепловой энергии, установленные в индивидуальных тепловых пунктах потребителей. Аналитическое представление трёхуровневого графа имеет вид G0 = {a0, a1, b1,...b45}. (1) Данная структура обладает рядом существенных недостатков: низкая оперативность управления теплоснабжением промплощадки из-за длительного процесса сбора и передачи полученной информации на верхний уровень. Кроме того, существующие теплосчетчики, установленные в тепловых пунктах потребителей, не соответствуют требованиям Правил [2] и нуждаются в модернизации. Рис. 1. Структура существующей системы учета тепловой энергии и теплоносителя - G0 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 42 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Модернизированная система АСКУЭ упростит сбор информации о выработке, распределении и потреблении тепловой энергии, обеспечит большую надежность, оперативность получения информации и ее постоянный мониторинг. Алгоритм формирования структуры АСКУЭ представлен на рис. 2. На основе анализа существующей структуры и параметров учета тепловой энергии и теплоносителя на промплощадке формулируются требования к комплектам теплосчетчиков. На основе технологических и структурных требований осуществляется выбор группы теплосчетчиков, наиболее полно удовлетворяющих этим требованиям. На следующем этапе производятся расчеты метрологических характеристик и показателей надежности приборных комплектов. Затем строятся и моделируются трехуровневые структуры АСКУЭ. Осуществляется выбор наилучшей структуры. Выбор оборудования для комплектов теплосчётчиков Для модернизации существующей системы учета были рассмотрены теплосчетчики четырех производителей: ЗАО «Взлет», ООО «Промсервис», ООО «Теплоком» и ООО «Карат». Для закрытых систем теплоснабжения с зависимым подключением Рис. 2. Алгоритм формирования структуры Таблица 1 Комплекты теплосчетчиков для АСКУЭ Наименование оборудования Схемы G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 «Взлет» «Теплоком» «Промсервис» «Карат» Тепловычислитель ТСР-024М ВКТ-7М-01 СПТ943 КАРАТ-307- 6V6T6P-RS485 Термопреобразователь ТСП КТСП-Н КТС-Б КТС-Б Расходомер МР УРСВ-520Ц ПРЭМ ЭМИР ПРАМЕР КАРАТ 551 Датчик давления СДВ СДВ СДВ СДВ Кабель FTP 4x2x0,52 + - - + + + - Кабель КИПЭВ 4х2х0,6 + + + + + + + + Коммутатор 8-портовый EDS-208A + - - + - + + - Преобразователь NPORT 5450 + - - + - + + - Модем ONCELL G3150A-LTE-EU - + + - + - - + систем теплопотребления в состав комплекта теплосчётчика входит: тепловычислитель, два термопреобразователя сопротивления, два преобразователя избыточного давления и два преобразователя расхода. М. В. Посашков, В. И. Немченко 43 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Комплекты теплосчётчиков подбирались с учетом передачи информации с использованием двух типов связи: проводной Ethernet и беспроводной по GSM каналу. Варианты подобранных комплектов теплосчётчиков приведены в табл. 1. Из табл. 1 видно, что комплекты приборов с проводной передачей, кроме самого теплосчётчика, включают в себя коммутатор 8-портовый EDS-208A и преобразователь NPORT 5450, а с беспроводной передачей - модем ONCELLG3150A-LTE-EU. Оборудование выбранных производителей внесено в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Для проверки соответствия Правилам учета тепловой энергии [2] подобранных теплосчетчиков, согласно Методике [3], определены значения погрешностей с использованием эксплуатационных инструкций оборудования, размещённых на официальных сайтах производителей. Результаты расчёта погрешностей представлены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что наименьшая погрешность у комплекта теплосчётчика ЗАО «Взлет» - ±2,37 %, а наибольшая у комплекта ООО «Карат» - ±2,81 %, что не превышает допустимой ±4 %. У теплосчётчиков ООО «Теплоком» и ООО «Промсервис» погрешности примерно равны и составляют ±2,72 и ±2,73 % соответственно. Все рассматриваемые комплекты теплосчётчиков соответствуют требованиям Правил [4]. Теплосчетчики ООО «Промсервис» и ООО «Теплоком» устанавливались в каждом тепловом пункте потребителя из-за ограниченного расстояния (до 50 м) передачи сигнала от датчиков к вычислителю. Теплосчётчики ЗАО «Взлет» и ООО «Карат» устанавливались на двух-трех тепловых пунктах из-за возможности передачи сигнала с датчиков на вычислитель до 200 м. На следующем этапе выполняется оценка надежности теплосчетчиков. Расчет доли негодных теплосчётчиков на основе статистических данных Руководствуясь статистическими данными [5] о количестве негодных приборов из комплектов теплосчетчиков марок ЗАО «Взлет», ООО «Теплоком», ООО «Промсервис» и ООО «Карат», при помощи эталонных установок проводилась поверка комплектов оборудования. По результатам поверки были получены доли негодных приборов: тепловычислителей - РТВ = 0,228, преобразователей расхода - РР = 0,1848, преобразователей температуры - РТ = 0,109, преобразователей избыточного давления - РД = 0,197. Доли негодных комплектов для определенного набора теплосчетчика рассчитывались по следующим формулам: - для теплосчетчиков ООО «Промсервис» и ООО«Теплоком» на одного потребителя, в составе: тепловычислитель, два датчика давления, два расходомера и согласованная пара термопреобразователей сопротивления: (2) - для теплосчетчиков ЗАО «Взлет» на двух потребителей в составе: тепловычислитель, четыре датчика давления, четыре расходомера и два комплекта согласованных пар термопреобразователей сопротивления: (3) - для теплосчетчиков ЗАО «Взлет» и ООО «Карат» на трёх потребителей в составе: тепловычислитель, шесть датчиков давления, шесть расходомеров и три комплекта согласованных пар термопреобразователей сопротивления: (4) Таблица 2 Расчёт погрешностей приборов Производитель Погрешность приборов, % вычислитель термопреобразователь расходомер теплосчётчик ЗАО «Взлет» ±0,53 ±0,58 ±1,26 ±2,37 ООО «Теплоком» ±0,55 ±0,65 ±1,52 ±2,72 ООО «Промсервис» ±0,58 ±0,73 ±1,42 ±2,73 ООО «Карат» ±0,58 ±0,73 ±1,5 ±2,81 Допустимая величина погрешности прибора - - ±3,5 ±4 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 44 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ По результатам расчета можно сделать вывод, что с повышением количества оборудования в составе теплосчетчика повышается и доля негодных комплектов. Надежность сравниваемых комплектов теплосчетчиков значительно отличается, но не превышает максимального предельного значения, равного 1. Моделирование многоуровневых структур АСКУЭ Многоуровневые АСКУЭ, согласно [6], имеют следующую структуру: 1) нижний уровень - приборы, которые осуществляют измерения по местам учета - комплекты теплосчётчиков, установленные в индивидуальных тепловых пунктах; 2) средний уровень - устройства сбора и передачи информации, позволяющие осуществлять круглосуточный сбор данных по учету, накопление, обработку и передачу на следующие уровни на автоматизированное рабочее место (АРМ) отдела энергоснабжения; АРМ службы энерговодоснабжения (ЭВС), АРМ диспетчерской службы (филиала), сервер базы данных (SQL); 3) верхний уровень - персональные компьютеры, осуществляющие обработку, отображение, архивирование и анализ данных учета АРМ главного энергетика. С использованием методологии теории графов [1] смоделированы восемь многоуровневых схем автоматизированных систем учета тепловой энергии и теплоносителя. Во всех структурах информация о расходе, температуре и давлении от датчиков g1-gn к тепловычислителям f1-fn передается по кабелю КИПЭВ 4×2×0,6. В структурах G1, G4, G6, G7, отличающихся комплектами теплосчётчиков, приведенными в табл. 1, реализована проводная передача информации. В структуре G1, приведенной на рис. 3, с датчиков g1-g270 переда- ётся информация на 18 тепловычислителей ТСР-024М ЗАО «Взлёт» f1-f18 и по интерфейсу RS485 с использованием кабеля FTP 4×2×0,52 на 8-портовые коммутаторы EDS-208A. Из-за значительного удаления потребителей друг от друга и возможности передачи сигнала по интерфейсу RS485 до 1500 м размещается на промплощадке шесть 8-портовых коммутаторов EDS-208A - e1-e6. К каждому коммутатору подключается по три тепловычислителя. После каждого коммутатора EDS-208A устанавливаются преобразователи MOXANPORT 5450 для преобразования интерфейса RS485 в Ethernet. Размещаются коммутаторы и преобразователи интерфейсов в существующих зданиях на территории промплощадки. Затем информация с каждого из шести преобразователей MOXANPORT 5450 передаётся на четыре коммутатора EDS-208A c1-c4, установленных в серa1 a0 b1 c1 d1 d2 d3

About the authors

Mikhail V. POSASHKOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Vladimir I. NEMCHENKO

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files