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

Cover Page

Abstract


An algorithm for the formation of the structure of an automated system for monitoring and accounting for thermal energy, which is a multi-level hierarchical model, is proposed. Eight three-level linear automated systems for control and accounting of thermal energy are formed in the work. To select the best structure of the automated system for monitoring and accounting for thermal energy, with a variety of measuring and computing devices on the market that diff er in measuring and transmitt ing information, the method of multi-criteria evaluation of the system effi ciency of structures is used. The obtained results allow a comparative analysis of the structures and the selection of the best one, taking into account the priorities of the decision maker.

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

  1. О теплоснабжении: федер. закон Рос. Федерации от 27.07.2010 № 190-ФЗ // Рос. газ. 2010. 30 июля.
  2. Об утверждении Правил технической эксплуатации тепловых энергоустановок: приказ Минэнерго России от 24.03.2003 № 115 // Рос. газ. 2003. 16 сентября.
  3. О коммерческом учёте тепловой энергии, теплоносителя: постановление Правительства Рос. Федерации от 18.11.2013 № 1034 // Рос.газ. 2013. 21 ноября.
  4. Посашков М.В., Немченко В.И. Многокритериальная оценка эффективности организационной структуры газораспределительной организации // Газовая промышленность. М.: ООО «Газойл пресс». 2014. № 1/701. С. 16-21.
  5. СТО Газпром 2-1.15-878-2014. Основные положения по автоматизации объектов энергетики, утвержденные распоряжением ОАО «Газпром» от 24.11.2014 № 293.
  6. Харари Ф. Теория графов. М.: Мир, 1973. 301 с.
  7. Дилигенский Н.В., Посашков М.В. Методы системного анализа для многокритериального оценивания и повышения энергетической эффективности объектов и систем децентрализованного теплоснабжения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Самара: СамНЦ РАН, 2011. Т. 13 (39), № 4(4). С. 949-956.
  8. Методика осуществления коммерческого учета тепловой энергии, теплоносителя. Зарегистр. в Минюсте России 12.09.2014 г. № 34040В.
  9. Немченко В.И., Посашков М.В., Крайнов О.К., Бодягин А.А., Зубков Д.Н. Сравнительный анализ приборного парка коммерческого учета тепловой энергии в Самаре // Градостроительство и архитектура. 2019. Т.9, № 1. С. 25-32. doi: 10.17673/Vestnik.2019.01.5.

Statistics

Views

Abstract - 52

PDF (Russian) - 20

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2019 POSASHKOV M.V., NEMCHENKO V.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies