Автоматизация теплового пункта гражданского здания Введение Системы теплоснабжения являются крупнейшим потребителем топливно-энергетических ресурсов в стране. От нормального функционирования этих систем зависят условия теплового комфорта в отапливаемых зданиях самочувствие людей, производительность труда и т.д. Выпуск качественной продукции на ряде промышленных предприятии требует строгого соблюдения нормируемых параметров микроклимата. Эффективность предприятий агропромышленного комплекса (урожайность плодов и овощей, выращиваемых в теплицах, продуктивность животноводства) также в большой степени определяется температурно-влажностными режимами в сельскохозяйственных помещениях, обеспечиваемыми работой систем теплоснабжения. Таким образом, проблема повышения качества, надежности, экономичности теплоснабжения имеет государственное значение [1]. Режимы теплопотребления, а следовательно и производства тепловой энергии, зависят, как известно, от большого количества факторов; условий погоды, теплотехнических качеств отапливаемых зданий и сооружений, характеристик тепловой сети и источников энергии и др. При выборе этих режимов нельзя не учитывать функциональных взаимосвязей системы теплоснабжения с другими системами инженерного обеспечения: электро-, газо-, водоснабжения. Внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами в практику теплофикации и централизованного теплоснабжения позволяет резко повысить технический уровень эксплуатации этих систем и обеспечить значительную экономию топлива. Кроме экономии топлива, автоматизация рассматриваемых систем позволяет улучшить качество отопления зданий, повысить уровень теплового комфорта и эффективность промышленного и сельскохозяйственного производства в отапливаемых зданиях и сооружениях, а также надежность теплоснабжения при уменьшении численности обслуживающего персонала. Применение системы автоматического программного регулирования отопления позволяет осуществлять дальнейшее совершенствование режима отопления, например, снижать температуру воздуха в жилых зданиях в ночное время или снижать отпуск теплоты на отопление промышленных и административных зданий в нерабочее время, что обеспечивает дополнительную экономию теплоты и создание комфортных условий [2]. 1. Автоматические системы энергосбережения в зданиях мегаполисов Согласно закону Республики Казахстан «Об энергосбережении» понятие энергосбережение это реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экологических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов и на вовлечение в оборот возобновляемых источников энергии. Важными направлениями в законе «Об энергосбережении» РК являются: - оптимизация режимов производства и потребления энергии, организация её учета и контроля; - реализация проектов по внедрению энергоэффективной техники и продукции, передовых технологий. Одним из способов обеспечения более экономичного и эффективного использования энергетических ресурсов в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) является автоматизация инженерных систем жилых зданий. В основе концепции систем централизованного интеллектуального управления зданием лежит новый подход к организации системы жизнеобеспечения здания, при котором за счет комплекса программно-аппаратных средств значительно возрастает эффективность функционирования и надежность управления всеми инженерными системами и исполнительными устройствами здания. Данный подход позволяет за счет интеграции информации, поступающей от всех эксплуатируемых подсистем (информационных сетей, электроснабжения, систем отопления и вентиляции, охранно-пожарной сигнализации и видеонаблюдения, систем водоснабжения, канализации), получить возможность оперативного доступа к информации о состоянии всех подсистем здания, отображая ее в удобной и понятной форме. "Централизованные системы интеллектуального управления зданием" помогают эффективно управлять инженерными системами здания - сократить затраты на эксплуатацию и операционные затраты, повысить комфортность и безопасность пользователей, оптимизировать производственные процессы, обеспечить безопасность людей, а также дорогостоящего оборудования и имущества. 1.1 Современное здание как объект комплексной автоматизации Комплексная автоматизация здания это новая отрасль АСУ ТП, так как все системы автоматического управления до сегодняшнего дня выполнялись для промышленных предприятий. В настоящее время в нашей стране строительство является локомотивом индустрии, соответственно можно представить комплексную автоматизацию здания как важную часть строительства. Поддержание в здании нормальных жизненных условий, обеспечение его безопасности и защищенности от внештатных ситуации обеспечивают множество технологических систем, каждая из которых характеризуется большим набором параметров и сигналов управления. Все они в совокупности образуют то, что называется системой жизнеобеспечения здания. В сегодняшние здания устанавливают от 25 до 50 и более разнородных систем жизнеобеспечения, которые отличаются не только назначением и выполняемыми функциями, но и принципами работы: электрические, механические, транспортные, электронные, гидравлические и т.д. Каждая из этих систем поставляется производителем, как правило, в виде комплекта оборудования, на базе которого можно создать законченное решение с собственной системой контроля и управления [3]. Для управления всеми этими системами организуется диспетчерский пункт (один или несколько), находящийся на котором диспетчер постоянно получает информацию о состоянии всех узлов системы жизнеобеспечения и имеет возможность при необходимости подать необходимые сигналы управления. Проблема заключается в том, что число параметров контроля и управления для многоэтажного здания может достигать нескольких тысяч, поэтому недопустим применяемый для небольших объектов подход, при котором автоматизация контроля и управления строится на отдельных локальных контроллерах, встроенных в оборудование или смонтированных отдельно и не связанных в единый комплекс. Для того чтобы все эти разрозненные инженерные системы работали в едином комплексе, осуществляли между собой обмен данными, контролировались и управлялись из единой диспетчерской, главным звеном интеллектуального здания - является система управления зданием (BMS – Building Management System). Система управления зданием, которую называют еще и системой автоматизации и диспетчеризации инженерного оборудования, является ядром интеллектуального здания и представляет собой аппаратно-программный комплекс, осуществляющий сбор, хранение и анализ данных от различных систем здания, а также управление работой этих систем через сетевые контроллеры (процессоры). Интеллектуальные сетевые контроллеры, использующие открытые протоколы и стандарты передачи данных LonWork и BACNet, осуществляют контроль и управление работой подведомственных им инженерных систем, а также обмен данными с другими сетевыми контроллерами системы управления зданием. На основе собранной информации сетевые контроллеры автономно посылают управляющие команды на контроллеры инженерных систем в рамках заложенных в них алгоритмов реакции на события в штатных или нештатных ситуациях. Такая архитектура системы управления зданием позволяет: - в автоматическом режиме управлять работой систем вентиляции, кондиционирования, отопления, освещения и др., обеспечивая в каждом помещении наиболее комфортные условия для персонала по температуре, влажности воздуха и освещенности; - получать объективную информацию о работе и состоянии всех систем и своевременно сообщать диспетчерам о необходимости вызова специалистов по сервисному обслуживанию в случае отклонения параметров любой из систем от штатных показателей; - контролируя максимально возможное число параметров оборудования, точек контроля в здании и показателей загруженности систем, перераспределять энергоресурсы между системами, обеспечивая их эффективное использование и экономию энергоресурсов; - ввести оптимальный режим управления инженерным оборудованием с целью сокращения затрат на использование энергоресурсов, потребляемых инженерными системами здания (горячей и холодной воды, тепла, электроэнергии, чистого воздуха и т.д.); - обеспечить централизованный контроль и управление при нештатных ситуациях: - осуществлять своевременную локализацию аварийных ситуаций; - оперативно принимать решения при аварийных и нештатных ситуациях (пожаре, затоплении, утечках воды, газа, несанкционированном доступе в охраняемые помещения); - ввести объективный анализ работы оборудования, действий инженерных служб и подразделений охраны при нештатных ситуациях на основе информации автоматизированных баз данных, документирующих все принятые решения и многое другое. Используя открытые протоколы обмена данными между различными системами здания, структурированные кабельные и LAN/WAN сети, сетевые контроллеры системы управления зданием позволяют создать инженерную инфраструктуру, которая имеет высокую степень открытости для наращивания и быстрой модернизации инженерных систем. В максимальной конфигурации система управления зданием сможет осуществлять централизованный мониторинг оборудования и управление следующими инженерно-техническими системами и комплексами: Система электрораспределения: - системы гарантированного и бесперебойного электроснабжения; - системы освещения (комнатные, коридорные, фасадные и аварийные); - система вентиляции; - система отопления; - система горячего и холодного водоснабжения; - системы канализации и дренажные системы; - система оперативной связи и видеоконференций; - система воздухоподготовки, очистки и увлажнения; - система холодоснабжения - система кондиционирования и климат-контроля; - система контроля загазованности. Транспортные системы: - системы учета и контроля расходования ресурсов; - система охранно-пожарной сигнализации; - система противопожарной защиты и пожаротушения; - система охранного видеонаблюдения; - система контроля и управления доступом; - система управления паркингом; - метереологическая система; - система часофикации. Применение системы управления зданием удорожает общую стоимость инженерии здания на 20-50 долларов США на 1 квадратный метр общей площади здания и зависит от размеров здания и технических требований к работе инженерных систем. Для зданий площадью 15 000 кв. м. и более удорожание составляет $20 на 1 кв. м. Для зданий с меньшей площадью эта цифра увеличивается. Все приведенные оценки сделаны без учета стоимости самого инженерного оборудования, которое использует открытые протоколы обмена данными и будет установлено в здании. В то же время, применение BMS и ресурсосберегающего оборудования позволяет: - вписаться в ограниченные энергомощности и исключить расходы на строительство дополнительной подстанции и прокладку силовых кабелей, особенно в центральных частях города, где муниципальные власти ограничивают владельцев зданий в объемах энергопотребления; - сократить расходы на дорогостоящие ремонт и замену вышедшего из строя оборудования, продлить срок его службы за счет постоянного мониторинга параметров инженерных систем и своевременного проведения наладочных работ при выявлении отклонений параметров систем от нормы; - снизить на 20% ежемесячные коммунальные платежи (вода, тепло, канализация, электроснабжение) за счет работы систем в наиболее экономном режиме и автоматического перевода инженерии здания из дневного в ночной режим работы (когда автоматически отключается освещение, кондиционеры, снижается температура отопительных батарей в комнатах, персонал которых покинул здание); - сократить в 3 раза расходы на службу эксплуатации, поскольку большинство систем будет работать в автоматическом режиме, что снижает расходы на ремонт или замену дорогостоящего оборудования, вышедшего из строя по причине халатности персонала или ошибок оператора; - исключить расходы на интеллектуальную надстройку систем здания при расширении числа инженерных систем и их модернизации за счет использования возможностей открытой архитектуры системы управления здания; - снизить заболеваемость сотрудников за счет создания комфортных условий для их работы и, как следствие, сократить расходы на реабилитацию сотрудников и страховые выплаты. Помимо значительного снижения численности персонала, обслуживающего инженерные системы здания, за счет максимальной автоматизации процессов управления и контроля работы систем жизнеобеспечения, владелец интеллектуального здания может рассчитывать на получение следующих выгод: - увеличится в 2 раза срок бесперебойной работы инженерных систем за счет автоматического поддержания оптимальных условий работы оборудования; - при возникновении аварийных ситуаций операторы, осуществляющие контроль работы оборудования, будут иметь полную информацию о работе каждой системы и рекомендации BMS по выбору оптимального и наиболее безопасного выхода из ситуации. При этом большая часть задач будет решать автоматика здания; - при появлении сбоев в работе оборудования BMS будет своевременно информировать службы эксплуатации, отвечающие за работу данного оборудования, а также главную службу эксплуатации и смежные подразделения. Иными словами, если оператор системы электроснабжения уснул на рабочем месте и BMS не видит его реакции на тревожные сообщения, то она отправляет тревогу главному диспетчеру; - расходы на техническое обслуживание оборудования и инженерных систем будут минимальными; поскольку мониторинг параметров всех систем осуществляется круглосуточно и при своевременном вызове сервисных бригад, случаи серьезного ремонта оборудования будут исключены; - все действия автоматики и операторов систем протоколируются BMS, поэтому вероятность возникновения ситуаций коллективной безответственности за остановку или сбой в работе оборудования близка к нулю. 1.2 Анализ технологических схем тепловых пунктов гражданских зданий Тепловой пункт (ТП) — это комплекс устройств, расположенный в обособленном помещении, состоящий из элементов тепловых энергоустановок, обеспечивающих присоединение этих установок к тепловой сети, их работоспособность, управление режимами теплопотребления, трансформацию, регулирование параметров теплоносителя и распределение теплоносителя по типам потребления. Основными задачами тепловых пунктов являются: - преобразование вида теплоносителя; - контроль и регулирование параметров теплоносителя; - распределение теплоносителя по системам теплопотребления; - отключение систем теплопотребления; - защита систем теплопотребления от аварийного повышения параметров теплоносителя; - учет расходов теплоносителя и тепла. Тепловые пункты различаются по количеству и типу подключенных к ним систем теплопотребления, индивидуальные особенности которых, определяют тепловую схему и характеристики оборудования тепловых пунктов, а также по типу монтажа и особенностям размещения оборудования в помещении тепловых пунктов, различают следующие виды тепловых пунктов: - индивидуальный тепловой пункт (ИТП); - центральный тепловой пункт (ЦТП); - блочный тепловой пункт (БТП) [4]. Индивидуальный тепловой пункт используется для обслуживания одного потребителя (здания или его части). Как правило, располагается в подвальном или техническом помещении здания, однако, в силу особенностей обслуживаемого здания, может быть размещён в отдельном сооружении. Индивидуальный тепловой пункт имеет следующие виды тепловых нагрузок: - система горячего водоснабжения (ГВС) предназначена для снабжения потребителей горячей водой. Различают закрытые и открытые системы горячего водоснабжения. Часто тепло из системы ГВС используется потребителями для частичного отопления помещений, например, ванных комнат, в многоквартирных жилых домах; - система отопления предназначена для обогрева помещений с целью поддержания в них заданной температуры воздуха. Различают зависимые и независимые схемы присоединения систем отопления. При зависимых схемах присоединения давление в абонентской установке зависит от давления в тепловой сети. При независимых схемах присоединения давление в местной системе не зависит от давления в тепловой сети. Оборудование теплового пункта при зависимой схеме присоединения проще и дешевле, чем при независимой, при этом может быть получен несколько больший перепад температур сетевой воды в абонентской установке. Увеличение перепада температуры воды уменьшает расход теплоносителя в сети, что может привести к снижению диаметров сети и экономии на начальной стоимости тепловой сети и на эксплуатационных расходах. В зависимости от характера тепловых нагрузок абонента и режима работы тепловой сети выбираются схемы присоединения абонентских установок к тепловой сети. На рисунке 1.1 показаны различные схемы присоединения абонентов к водяной тепловой сети. Схемы а—е показывают совместное присоединение в одном узле отопительной установки и установки горячего водоснабжения при закрытой системе. Для обозначения различных схем присоединения отопительных установок и установок горячего водоснабжения к тепловой сети принята следующая индексация: отопительные установки О; зависимая со струйным смешением (ЗСС); зависимая с насосным смешением (ЗНС); независимая (Н). Например, О(ЗНС) обозначает отопительную установку, присоединенную по зависимой схеме с насосным смешением; установки горячего водоснабжения Г: параллельная (П); предвключенная (ПР); двухступенчатая смешанная (ДС); двухступенчатая последовательная (ДП). Например, Г(ДП) обозначает присоединение установок горячего водоснабжения по двухступенчатой последовательной схеме [2]. На рисунке 1.1, а показано параллельное присоединение на одном абонентском вводе горячего водоснабжения и отопительной установки. При такой схеме расход сетевой воды на абонентском вводе определяется арифметической суммой расходов воды на отопление и горячее водоснабжение. Расход сетевой воды на отопление поддерживается постоянно на расчетном уровне регулятором расхода 12. Расход сетевой воды на горячее водоснабжение является резкопеременной величиной. Регулятор температуры 13 изменяет этот расход в соответствии с нагрузкой горячего водоснабжения. Расчетный расход сетевой воды на горячее водоснабжение определяется по максимальному значению этой нагрузки и при минимальной температуре воды в подающем трубопроводе тепловой сети. Поэтому суммарный расход сетевой воды получается завышенным, что удорожает систему теплоснабжения. Расчетный расход сетевой воды на горячее водоснабжение можно уменьшить при включении в схему аккумулятора горячей воды для выравнивания графика нагрузки горячего водоснабжения. Однако установка аккумулятора горячей воды усложняет оборудование теплового пункта и увеличивает требующиеся габариты помещения пункта. Поэтому обычно аккумуляторы горячей воды в жилых домах не устанавливаются, хотя это усложняет режимы работы сети. При параллельном присоединении систем отопления и горячего водоснабжения сетевая вода используется на абонентском вводе недостаточно рационально. Обратная сетевая вода, возвращаемая из отопительной установки с температурой примерно 40 - 70 °С, не используется для подогрева холодной водопроводной воды, имеющей на вводе температуру около 5 °С, хотя теплотой обратной воды после отопления можно покрыть значительную долю нагрузки горячего водоснабжения, поскольку температура горячей воды, подаваемой в систему горячего водоснабжения, обычно не превышает 60— 65 °С. При рассматриваемой схеме вся тепловая нагрузка горячего водоснабжения удовлетворяется за счет теплоты сетевой воды, поступающей в водо-водяной подогреватель 6 непосредственно из подающей линии тепловой сети. Вследствие нерационального использования теплоносителя на абонентском вводе и удовлетворения нагрузки горячего водоснабжения по максимуму суточного графика получается завышенный расчетный расход воды в городских тепловых сетях. Это вызывает увеличение диаметров тепловых сетей и рост начальных затрат на их сооружение, а также увеличение расхода электрической энергии на перекачку теплоносителя. Расчетный расход воды несколько снижается при двухступенчатой смешанной схеме присоединения установки горячего водоснабжения и отопительной установки, предложенной П.М. Клушиным (рисунок 1.1, б ). Особенностью этой схемы является двухступенчатый подогрев воды для горячего водоснабжения. В нижней ступени подогрева 7 холодная вода предварительно подогревается за счет теплоты воды, возвращаемой из абонентской установки, благодаря чему уменьшается тепловая производительность подогревателя верхней ступени 8 и снижается расход сетевой воды на покрытие нагрузки горячего водоснабжения. В рассматриваемой схеме подогреватель нижней ступени 7 включен по сетевой воде последовательно, а подогреватель верхней ступени 8 — параллельно по отношению к отопительной системе. Преимущество двухступенчатой смешанной схемы по сравнению с параллельной — меньший расчетный расход сетевой воды благодаря частичному удовлетворению нагрузки горячего водоснабжения за счет теплоты воды, возвращаемой из системы отопления. Одним из методов выравнивания тепловой нагрузки жилых зданий без установки аккумуляторов горячей воды служит применение так называемого связанного регулирования (рисунок 1.1, в и г ). В этом случае с помощью регулятора расхода 12 , установленного на тепловом пункте, поддерживается постоянный расход сетевой воды на удовлетворение суммарной тепловой нагрузки отопления и горячего водоснабжения. На рисунке 1.1, в осуществлено двухступенчатое последовательное присоединение установок горячего водоснабжения и отопления. В этой схеме сетевая вода, поступающая из подающей линии тепловой сети, разветвляется на два потока. Один поток проходит через регулятор расхода 12, другой — через водо-водяной подогреватель 8. Сетевая вода, прошедшая через подогреватель 8, смешивается затем с потоком воды, прошедшим через регулятор расхода, и общий поток воды поступает через элеватор 15 в отопительную установку. Обратная вода после отопительной установки предварительно проходит через водо-водяной подогреватель нижней ступени 7, в котором она подогревает холодную воду, поступающую из водопровода. Подогретая водопроводная вода после нижней ступени 7 проходит через водо-водяной подогреватель верхней ступени 8 и направляется в местную систему горячего водоснабжения. В том случае, когда после нижней ступени 7 температура подогретой водопроводной воды достаточна для удовлетворения потребителей горячего водоснабжения, регулятор температуры 13 перекрывает проход сетевой воды через верхнюю ступень 8. При этом режиме весь поток сетевой воды поступает из подающей линии сети через клапан регулятора 12 в отопительную установку. Если температура водопроводной воды после нижней ступени подогрева 7 ниже требуемой, регулятор температуры 13 открывает клапан и на подогреватель верхней ступени 8 ответвляется часть воды, поступающей на тепловой пункт из подающей линии тепловой сети. При любом положении регулятора температуры расход сетевой воды на абонентских вводах остается практически постоянным. Это обеспечивается регулятором расхода 12, поддерживающим практически постоянный перепад давлений в сопле элеватора 15 , через которое проходит весь расход сетевой воды, поступающей на тепловой пункт. При увеличении регулятором 13 расхода сетевой воды через подогреватель 8 регулятор 12 прикрывается. Преимущество двухступенчатой последовательной схемы (рисунок 1.1, в ) по сравнению с двухступенчатой смешанной схемой (рисунок 1.1, б ) заключается в выравнивании суточного графика тепловой нагрузки и лучшем использовании энтальпии теплоносителя, что приводит к дополнительному уменьшению расхода воды в сети. На рисунке 1.1, д и е показано присоединение к тепловой сети отопительной установки и установки горячего водоснабжения по двухступенчатой последовательной схеме. На рисунок 1.1, д отопительная установка присоединена по зависимой схеме с элеватором и смесительным насосом, а на рис. 1.1, е — по независимой схеме. В отличие от предыдущих схем местное регулирование отопительной нагрузки в этих схемах проводится по внутренней температуре отапливаемых зданий с помощью регулятора отопления 14. Поддержание постоянного расхода воды в местной отопительной системе при снижении регулятором отопления подачи сетевой воды в схеме, приведенной на рисунке 1.1, д , достигается за счет работы смесительного насоса 16. В схеме, показанной на рисунке 1.1, е, циркуляционный контур отопительной системы гидравлически изолирован от контура сетевой воды. Циркуляция воды в отопительной установке, осуществляемая насосом 16, поддерживается постоянной. На рисунке 1.2 показаны существующие схемы присоединения абонентов к водяной тепловой сети по открытой системе теплоснабжения. Жилые здания, имеющие обычно два вида тепловой нагрузки – отопление и горячее водоснабжение, присоединяются к тепловой сети по схемам изображенным на рисунке 1.2, а и б . На рисунке 1.2, а отопительная установка и установка горячего водоснабжения присоединены к тепловой сети по принципу несвязанного регулирования. Обе установки работают независимо друг от друга. Расход сетевой воды в отопительной установке не зависит от нагрузки установки горячего водоснабжения и поддерживается постоянным с помощью регулятора расхода 12 . Расход сетевой воды на горячее водоснабжение изменяется в весьма широком диапазоне – от максимального в часы наибольшего водоразбора до нуля в период отсутствия водоразбора. Соотношение расходов воды на горячее водоснабжение из подающей и обратной линий, зависящее от температуры сетевой воды на абонентском вводе, устанавливается регулятором температуры 13. Суммарный расход сетевой воды в подающем трубопроводе тепловой сети равен сумме расходов воды в подающем трубопроводе на отопление и горячее водоснабжение. Максимальный расход сетевой воды в подающем трубопроводе, по которому определяется расчетный расход в подающем трубопроводе сети, имеет место при максимальной нагрузке горячего водоснабжения и минимальной температуре воды в этом трубопроводе. то есть при режиме, когда нагрузка горячего водоснабжения целиком обеспечивается из подающего трубопровода. Расход сетевой воды в обратном трубопроводе после абонентской установки равен разности расходов сетевой воды на отопление и водоразбор из этого трубопровода на горячее водоснабжение. Максимальный расход воды в обратном трубопроводе равен расходу на отопление. Такое соотношение устанавливается тогда, когда расход воды на горячее водоснабжение полностью отсутствует, например, в ночное время, или при удовлетворении нагрузки горячего водоснабжения полностью водой из подающего трубопровода тепловой сети, что имеет место при минимальной температуре воды в нем, равной 60 0 С. При подключении на абонентских вводах жилых зданий отопительной установки и установки горячего водоснабжения по принципу несвязанного регулирования получается завышенный расчетный расход воды в подающем трубопроводе тепловой сети, росту начальных затрат на ее сооружения и удорожанию транспорта теплоты. Расчетный расход воды в городских тепловых сетях заметно снижается при присоединении на тепловых пунктах отопительных установок горячего водоснабжения по принципу связанного регулирования. Такое присоединение показано на рисунке 1.2, б . В этом случае регулятор расхода 12 , установленный на общем подающем трубопроводе абонентского ввода, поддерживает постоянный расход воды из подающего трубопровода на тепловой пункт. В часы большого водоразбора на горячее водоснабжение из подающего трубопровода снижается подача сетевой воды, а, следовательно, и теплоты на отопление. Недоданная теплота компенсируется в часы малого водоразбора из подающего трубопровода, когда большая часть или вся сетевая вода, поступающая на тепловой пункт, направляется в отопительную систему. Гидравлическая разрегулировка отопительных установок в периоды большого водоразбора из подающего трубопровода может быть устранена при установке на перемычке элеватора центробежного насоса 16 , который в при этих режимах включается в работу (рисунок 1.2, б - г ). При присоединении абонентских установок по принципу связанного регулирования (рисунок 1.2, б ) строительная конструкция отапливаемых зданий используются в качестве теплового аккумулятора, выравнивающего суточный график тепловой нагрузки абонентской установки. При повышенной гидравлической нагрузке горячего водоснабжения у большинства абонентов, что характерно для новых жилых районов, часто отказываются от установки регуляторов расхода на тепловых пунктах, ограничиваясь установкой только регуляторов температуры 13 в узле присоединения абонентской системы горячего водоснабжения к тепловой сети. Такое присоединение показано на рисунке 1.2, в . Роль регуляторов расхода воды в этой схеме выполняют постоянные гидравлические сопротивления 12 , устанавливаемые на тепловых пунктах при начальной регулировке системы теплоснабжения. Постоянное сопротивление рассчитывается индивидуально для каждого ввода из условия получения одинакового закона изменения расхода сетевой воды у всех абонентов при изменении нагрузки горячего водоснабжения. На схемах, приведенных на рисунке 1.2, г и д , показаны тепловые пункты, в которых местное регулирование отопительной нагрузки производится по внутренней температуре воздуха в отапливаемых помещениях. На рисунке 1.2, г отопительная установка присоединена по зависимой схеме, на рисунке 1.2, д — по независимой. Клапан регулирующего устройства регулирует подачу сетевой воды на отопление. Поддержание требуемого расхода воды на отопление в местной отопительной установке независимо от подачи сетевой воды осуществляется насосами 16 . Независимое присоединение отопительных установок тепловой сети (рисунок 1.2, д ) позволяет существенно улучшить качество сетевой воды, а следовательно, и воды, поступающей в систему горячего водоснабжения, и повысить надежность теплоснабжения. Это особенно важно для крупных районов, в которых при длинных магистралях и разнородной тепловой нагрузке давление в обратном трубопроводе тепловой сети в условиях непосредственного водоразбора может изменяться в широких пределах, что при зависимой схеме присоединения нарушает нормальную работу отопительной установки. Согласно СНиП 41-01-2003 системы отопления должны обеспечивать в отапливаемых помещениях нормируемую температуру воздуха в течение отопительного периода при параметрах наружного воздуха не ниже расчетных. Для обеспечения требуемой гидравлической и тепловой устойчивости систем водяного отопления потери давления должны составлять: - в стояках однотрубных систем - не менее 70% общих потерь давления в циркуляционных кольцах без учета потерь давления в общих участках; - в стояках однотрубных систем отопления с нижней разводкой подающей и верхней разводкой обратной магистрали - не менее 300 Па на каждый метр высоты стояка; - в циркуляционных кольцах через верхние приборы (ветки) двухтрубных вертикальных систем, а также через приборы однотрубных горизонтальных систем - не менее естественного давления в них при расчетных параметрах теплоносителя. Наиболее эффективной и регулируемой является двухтрубная система, для которой и будут в дальнейшем производиться все расчеты. 2. Автоматические системы регулирования потребления тепла в гражданских зданиях 2.1 Методы регулирования отпуска тепла в системах централизованного теплоснабжения Автоматическое управление отпуском теплоты на здания может производиться по отклонению регулируемой величины, по возмущению и путем комбинирования этих двух методов. В первом случае датчики, замеряющие температуру внутреннего воздуха, устанавливаются в одном или нескольких отапливаемых помещениях и приводят в действие регулятор при отклонении этой температуры от установленного значения. Для осуществления программного регулирования датчики оборудуются специальным устройством, связанным с часовым механизмом. При регулировании по возмущению датчики устанавливаются снаружи здания и замеряют значения метеорологических параметров. Использование этого метода требует соблюдения условия инвариантности системы отопления по отношению к внешним возмущениям. Математически это условие выражается следующим образом: Wyпp = Wвозм , (2.1) где Wyпp — передаточная функция по управляющему воздействию; Wвозм — то же, по возмущающему воздействию. Расшифровывая значения указанных передаточных функций, можно получить: Wсист х Wкомп = Wм + Wб , (2.2) где Wсист — передаточная функция объекта теплоснабжения, охватываемого данной ступенью управления, от температуры (расхода) теплоносителя на выходе из узла управления к количеству теплоты, передаваемой воздуху отапливаемого помещнеия; Wкомп — передаточная функция регулятора с соответствующим компенсирующим устройством; WM , Wб — передаточные функции теплоемких и нетеплоемких наружных ограждений — от изменения метеорологических условий к количеству теплоты, теряемой отапливаемыми помещениями. Схема компенсации возмущений, отвечающая уравнению (2.2), приведена на рисунке 2.1. Достоинство автоматического управления по отклонению заключается в том, что регулятор учитывает всю совокупность факторов, влияющих на температурный режим отапливаемых помещений, и выполняет свою задачу независимо от причин, вызвавших отклонение внутренней температуры. Δ( t,v,R) Δ( t,v,R) Рисунок 2.1 - Схема компенсации возмущений в системе отопления Эксплуатационные изменения статических и динамических характеристик объекта практически не сказываются на качестве регулирования. Недостатки этого метода заключаются в следующем. В современных многоэтажных зданиях даже при хорошо отрегулированной системе отопления наблюдается значительный разброс температур воздуха в отапливаемых помещениях, намного превышающий допустимую точность регулирования. В связи с этим выбор представительных помещений с целью сведения к минимуму влияния случайных, локальных факторов на процесс управления представляет большие трудности. Увеличение же с этой целью общего количества датчиков — контрольных помещений приводит к удорожанию автоматики, усложнению ее обслуживания и снижению надежности. Система автоматического управления по отклонению внутренней температуры обладает неблагоприятными динамическими характеристиками, поскольку замкнутый контур регулирования содержит в данном случае звено с большой инерционностью — отапливаемое здание В случае охвата ступенью управления целого ряда зданий (ЦТП, КРП) негативное влияние указанных обстоятельств (разброс температур в помещениях, большая инерционность контура регулирования) при регулировании по отклонению еще более возрастает. Достоинство автоматического управления по возмущению состоит в том, что оно производится по основным определяющим режимам теплопотребления зданий (температура наружного воздуха, скорость ветра, солнечная радиация). Влияние локальных, случайных факторов на температуру воздуха в том или ином помещении на процесс управления исключается. При управлении по возмущению система обладает хорошими динамическими свойствами, так как в контур регулирования не входит отапливаемое помещение. При этом регулятор начинает выполнять свою задачу еще до того, как возмущающее воздействие проникло в отапливаемое помещение и вызвало в нем отклонение регулируемой величины — температуры воздуха — от заданного значения. Недостаток этого метода заключается в том, что регулятор реагирует только на те возмущения, которые оцениваются соответствующими датчиками и заложены в закон управления. Учитывая многообразие возмущений, действующих в системе теплоснабжения, и особенности этой системы как объекта управления, становятся очевидными те трудности принципиального характера, которые возникают при применении рассматриваемого метода управления. Необходимо отметить, что автоматическая разомкнутая система управления по возмущению в «чистом» виде не получила применения в практике теплоснабжения и отопления. Наиболее распространенная схема управления по возмущению предусматривает наличие обратной связи по параметру теплоносителя в тепловом пункте. В связи с этим система управления оказывается частично замкнутой (по регулирующему параметру) и в ее контур включается источник теплоты, тепловые сети, а при установке датчика температуры на обратном трубопроводе — и система отопления. Таким образом, создается принципиальная возможность исключить влияние случайных отклонений режима работы тепловой сети на тепловой режим здания. Рассматриваемая схема реализует следующий закон управления: П = F (B), (2.3) где П — параметр обратной связи; В - внешние возмущения, заложенные закон управления. В качестве обратной связи П в различных схемах автоматизации систем теплоснабжения и отопления используются температура воды на входе в пункт управления, температура обратной воды, полусуммы температур прямой и обратной воды, расход воды, температура и расход воды. Во многих существующих системах автоматизации для оценки внешних возмущений используются датчики температуры наружного воздуха. Величина сигнала от этого датчика сравнивается с температурой теплоносителя, которая должна быть равна температуре по отопительному графику, заложенному в закон управления. Преимуществом такой системы является простота схемной реализации, а недостатком — отсутствие учета при управлении других метеорологических факторов (кроме наружной температуры), а также динамических свойств объекта. Для формирования сигнала, характеризующего величину внешних возмущений В, могут применяться физические и математические модели. В первом случае используется датчик, обеспечивающий комплексный учет метеорологических параметров (температуры наружного воздуха, скорости ветра, солнечной радиации), действующих на здание или его зону (фасад). Такого рода датчик должен представлять собой физическую модель, теплофизические характеристики которой подобны теплофизическим характеристикам здания (или его зоны) по всем каналам передачи внешних возмущений. Во втором случае параметры внешней среды замеряются с помощью стандартных метеорологических датчиков. Полученная от этих датчиков информация поступает на вычислительное устройство, которое в зависимости от замеренных величин, времени суток, дня недели, а также других факторов рассчитывает в соответствии с программой, построенной для эталонной модели здания, требуемое значение параметра П3 . Значение П3 сравнивается с фактически замеренным значением параметра Пф , в результате чего регулятор вырабатывает соответствующее корректирующее воздействие. Как уже отмечалось, наряду с регулированием по отклонению и по возмущению находят применение системы комбинированного управления. Один из вариантов системы комбинированного управления, при котором часть отопительного сезона регулирование отпуска теплоты производится по отклонению, а часть — по возмущению. Следует отметить, что системы адаптивного управления, которым в последнее время в отопительной технике уделяется все большее внимание, также основываются на совместном использовании принципов управления по возмущению и по отклонению. Особенность этих систем состоит в том, что математическая эталонная модель здания, по которой определяется величина управляющего воздействия, не является жестко детерминированной, а корректируется в процессе эксплуатации в соответствии с информацией о фактическом тепловом состоянии объекта. Наиболее целесообразным методом регулирования отпуска теплоты в системах централизованного теплоснабжения современных городов с разнородной тепловой нагрузкой (отопление, горячее водоснабжение) является сочетание центрального качественного регулирования по отопительной нагрузке или по суммарной нагрузке отопления и горячего водоснабжения с групповым или местным количественным регулированием отдельных видов нагрузки. Выбор основного импульса для местного регулирования зависит от типа и режима работы установки. В установках горячего водоснабжения в качестве такого импульса обычно выбирается температура воды после подогревателя в закрытых системах или после смесительного устройства в открытых системах Выбор импульса для регулирования отопительной нагрузки является более сложной задачей, так как температуры в отдельных помещениях отапливаемых зданий могут существенно различаться и зависят не только от количества теплоты, поданной в здание, но и от качества работы отопительной установки здания, условии эксплуатации отдельных помещений, бытовых тепловыделений, а также солнечной инсоляции и инфильтрации, которые, в свою очередь, зависят от размещения отдельных помещений здания по отношению к сторонам света и розе ветров. Поэтому для экономичного удовлетворения отопительной нагрузки необходимо в дополнение к местному регулированию осуществлять индивидуальное регулирование отдельных помещений или отдельных зон каждого здания, подверженных различному влиянию солнечной инсоляции, ветровой инфильтрации, бытовых тепловыделений и других условий. Для местного регулирования отопительной нагрузки используются обычно следующие раздельные импульсы: а) внутренняя температура представительного помещения или средняя внутренняя температура нескольких помещений; б) внутренняя температура устройства, моделирующего температурный режим; в) температура наружного воздуха или интегральный метеорологический показатель, учитывающий наружную температуру и солнечную инсоляцию. Это позволяет без нарушения качества теплоснабжения использовать аккумулирующую способность зданий для балансирования подачи теплоты на отопление за определенный период времени (например, за 12 ч или 1 сут) при неравномерной тепловой нагрузке системы в отдельные часы суток. При использовании первых двух импульсов создается также возможность применять различные сочетания температур и расходов воды в подающем трубопроводе тепловой сети для удовлетворения отопительной нагрузки. Необходимость в осуществлении таких режимов возникает обычно при каких-либо отказах на отдельных участках параллельно работающих сблокированных магистральных тепловых сетей. При временном снижении пропускной способности сети по расходу воды можно сбалансировать подачу теплоты на отопление путем повышения температуры в подающем трубопроводе тепловой сети. При использовании третьего импульса, т.е. наружной температуры или интегрального метеорологического показателя, регулирование отопительной нагрузки осуществляется по расчетной программе, в которой заложены режимы теплопотребления, характеристики оборудования групповой или местной подстанции и теплотехнические характеристики ограждающих конструкций и аккумулирующей способности здания. Программой задается расход сетевой воды при разных наружных температурах. При этом исходят из условия постоянного соответствия температуры воды в подающем трубопроводе тепловой сети температуре наружного воздуха. При отклонении фактической температуры воды в тепловой сети от расчетной для данной температуры наружного воздуха возникает небаланс теплоты во всех отапливаемых помещениях. На рисунке 2.2 показана принципиальная схема ГТП при закрытой системе теплоснабжения и независимом присоединении отопительных установок к тепловой сети. Регулирование отопительной нагрузки осуществляется по импульсу, получаемому от устройства 8 , моделирующего внутренний тепловой режим здания с заданной характеристикой. На рисунке 2.3 показана принципиальная схема регулирования отпуска теплоты на отопление по импульсу наружной температуры, выполненной в групповой тепловой подстанции с независимым присоединением нагрузки отопления и двухступенчатой последовательной схемой нагрузки горячего водоснабжения. Измерение температуры наружного воздуха производится инерционным термометром сопротивления 5 , показания которого преобразуются в унифицированный сигнал с помощью измерительного усилителя 6 . Измерение расхода сетевой воды производится датчиком расходомера 3 . Оба сигнала вводятся в измерительный блок релейного регулирующего прибора 8 , из которого выходные команды через блок ручного управления 9 воздействуют на исполнительный механизм, перемещающий регулирующий клапан 11 . Вся эта аппаратура выпускается промышленностью серийно. Температура воды, поступающей в систему горячего водоснабжения t г , поддерживается на заданном уровне регулятором температуры 1 , воздействующим на расход сетевой воды, проходящей через подогреватель верхней ступени горячего водоснабжения. Регулятор поддерживает постоянный расход сетевой воды через подогреватель отопления независимо от характера суточного графика нагрузки горячего водоснабжения. В зависимости от температуры наружного воздуха система производит автоматическую перенастройку регулирующего клапана 11 [2]. 2.2 Выбор функционально – технологической схемы автоматизированного теплового пункта здания По функциональному назначению тепловой пункт можно разделить на отдельные узлы (рисунок 2.4), связанные между собой трубопроводами и имеющие обособленные или, в отдельных случаях, общие средства автоматического управления: - I — узел ввода тепловой сети; - II — узел учета теплопотребления; - III — узел согласования давлений (в тепловой сети и системах теплопотребления); - IV — узел присоединения систем вентиляции; - V — узел присоединения системы ГВС; - VI — узел присоединения систем отопления. Технологическая схема теплового пункта разработанная инженерами фирмы “Danfoss” приведена на рисунке 2.4. Настоящая схема теплового пункта обеспечивает потребителей тепловой энергией и снабжает горячей водой. Выбор технологического оборудования и средств автоматизации по данной схеме производится, из каталога оборудовании фирмы “Danfoss”. Узлы ввода тепловой сети, учета теплопотребления и согласования давлений являются обязательной принадлежностью отопительного теплового пункта. Узел ввода оснащается: стальной запорной приварной или фланцевой арматурой (шаровыми кранами типа JiP диаметром 40 мм); сетчатыми фильтрами (муфтовыми — Ду = 40 мм типа Y222P при Тмакс = 110 °C). При закрытой системе теплоснабжения «рабочий» фильтр предусматривается только на подающем трубопроводе (рисунок 2.5 а), а при открытой — также на «летней» перемычке обратного трубопровода (рисунок 2.5 б). Применение сетчатых фильтров не исключает установки до них (по ходу движения теплоносителя) абонентского грязевика для защиты сетки фильтра от повреждений крупными твердыми включениями. Для заполнения систем теплопотребления, присоединенных к закрытой тепловой сети по зависимой схеме, допускается узел ввода выполнять, как и при открытой схеме теплоснабжения (рисунок 2.5 б), с установкой на перемычке диаметром 20–32 мм фильтра, но без грязевика. Узел учета теплопотребления (II) (далее — «узел учета») входит в состав теплового пункта. Проект узла учета должен выполняться в соответствии с требованиями «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя». В качестве прибора учета рекомендуется применять тепловычислитель типа «СПТ 943.1», который предназначен для вычисления потребляемой тепловой энергии в двух отдельных контурах отопления закрытых и открытых систем теплоснабжения. Подробное описание теплосчетчика будет выполнено в подразделе «Технические требования и выбор аппаратуры учета теплопотребления зданием» настоящего дипломного проекта. Узел согласования давлений (III) предназначен для обеспечения работы всех элементов теплового пункта, систем теплопотребления, а также тепловых сетей в стабильном и безаварийном гидравлическом режиме. Оборудование узла согласования давлений позволяет: - поддерживать постоянные перепады давлений теплоносителя на исполнительных механизмах регулирующих устройств систем теплопотребления; - обеспечивать давление теплоносителя в трубопроводах в пределах, допустимых для элементов систем и самого теплового пункта; - гарантировать заполнение систем теплоносителем и защищать их от опорожнения; - обеспечивать невскипание перегретого теплоносителя в верхних точках систем теплопотребления; - при необходимости ограничивать предельный расход теплоносителя; - осуществлять автоматическую гидравлическую балансировку тепловых сетей. Поскольку системы вентиляции в настоящем дипломном проекте не рассматриваются, узел присоединения систем вентиляции также не будет рассмотрен. Узел присоединения системы ГВС (V) Способ приготовления горячей воды для хозяйственно-питьевых нужд определяется принятой в регионе схемой централизованного теплоснабжения. При закрытой системе теплоснабжения нагрев водопроводной воды для ГВС производится, как правило, в скоростных водоподогревателях. В качестве водоподогревателей в современных системах горячего водоснбжения рекомендуется использовать пластинчатые водоподогреватели, которые производит фирма «Danfoss». Для небольших зданий, а также в целях обеспечения гарантированного запаса горячей воды (по требованию заказчика) допускается применение емкостных водоподогревателей. Скоростные водоподогреватели могут присоединяться к системе теплоснабжения по одноступенчатой параллельной или двухступенчатой смешанной схеме. При двухступенчатой схеме в холодный период года водопроводная вода сначала подогревается обратным теплоносителем после системы отопления в первой ступени, а затем доводится до требуемой температуры во второй ступени первичным теплоносителем из тепловой сети. В теплый период года водопроводная вода нагревается только за счет сетевого теплоносителя, который в это время проходит последовательно через обе ступени водоподогревателя. Узел присоединения системы отопления (VI) Контур отопления на принципиальной схеме приведенной на рисунке 2.4 присоединен к внешней тепловой сети по зависимой схеме. Зависимая схема присоединения системы отопления — самая распространенная в настоящее время. По требованиям нормативных документов она является приоритетной. Эта схема присоединения применяется, прежде всего, при одинаковом графике регулирования температуры теплоносителя в тепловой сети и в системе отопления. Основным критерием ее использования в других случаях является предписание теплоснабжающей организации. Зависимая схема не требует использования дорогого тепломеханического оборудования. Главным ее элементом является насос, который необходим при автоматизации узла, а также при применении радиаторных терморегуляторов в системе отопления. Гидроэлеватор в качестве побудителя циркуляции не рассматривается как устройство, создающее недостаточные напоры и не поддающееся автоматизации. Насос рекомендуется устанавливать в контуре системы отопления на подающем или обратном трубопроводе. Он подбирается на расчетный расход теплоносителя в системе отопления и при напоре, соответствующем суммарным потерям давления в ней с запасом в 10 %. Автоматизация зависимо присоединенной к тепловой сети системы отопления осуществляется с помощью электронных регуляторов температуры (погодных компенсаторов). 2.2.1 Расчет тепловых нагрузок здания для выбора технологического оборудования отопительного теплового пункта В настоящем дипломном проекте в качестве отапливаемого здания рассматривается пятиэтажное жилое здание с габаритными размерами 10х60х15 м. Поскольку отапливаемое здание является жилым, помимо нагрузки отопления в нем имеется нагрузка горячего водоснабжения. Количество жильцов равно 350 человек. Для выбора технологического оборудования отопительного теплового пункта необходимо вычислить расчетные расходы теплоты на отопление, а также среднечасовой расчетный и максимально часовой расходы теплоты на горячее водоснабжение, суммарную тепловую мощность систем отопления и ГВС. По СНиП 2.04.07-86 наименьшей температурой воды в подающем трубопроводе для закрытых систем теплоснабжения, необходимым для подогрева воды, поступающей в системы горячего теплоснабжения потребителей должно быть не менее 70 °С, в нашем случае температура равна 95 °С. Тепловые нагрузки принимают по проектным данным, если в результате обследования установлено соответствие проектам систем отопления и горячего водоснабжения. При отсутствии проектов или их несоответствии фактическим данным тепловые нагрузки для жилых зданий – по удельным характеристикам [5]. Расчетные расходы теплоты (Гкал/ч ) на отопление жилых зданий определяют по укрупненным показателям: , Гкал/ч, (2.4) где q – удельная отопительная характеристика здания при tн.р = минус 30 0 С , кал/(м3 *ч*0 С) , q = 0,40 ккал/(м3 *ч*0 С) ; a - поправочный коэффициент, учитывающий климатические условия и применяемый в случаях, когда расчетная температура наружного воздуха отличается от 30 0 С , a = 0,95; V – объем здания по наружному обмеру, м3 , V = 10*60*15 = 9000м3 ; t в – расчетная температура внутри здания, 0 С , tв = 20 0 С ; t н.р – расчетная температура наружного воздуха, 0 С , tн.р = минус 33 0 С ; Q от = 0,95×0,40×9000×(20-(-33)) ×10-6 =0,18126 Гкал/ч = 210.03 кВт . Расход воды на отопление рассчитывается по формуле: , (2.5) где -расход на отопление, ; -тепловая нагрузка на отопление, Гкал/ч ; -температура в падающем и обратном трубопроводах, 0 С (95 – 70 0 С соответственно). . Расходы теплоты системы горячего водоснабжения Расход горячей воды среднечасовой за сутки наибольшего потребления определяется по формуле: , (2.6) где N - число потребителей равно 350 человек; A - норма расхода горячей воды на одного потребителя, 120л ; G ср г – среднечасовой расход воды на горячее водоснабжение, м3 /ч; 10-3 – коэффициент перевода расхода воды из л/ч в м3 /ч. Максимально часовой расход горячей воды: , (2.7) где G ср г – среднечасовой расход воды на горячее водоснабжение, м3 /ч; G макс г – максимально часовой расход воды на горячее водоснабжение, м3 /ч; к - коэффициент часовой неравномерности (при N=350, к=3,55). Среднечасовой расход горячей воды: , (2.8) где -температура холодной воды, 5 0 С ; -температура горячей воды для закрытых, 55 0 С . Среднечасовой расчетный и максимально часовой расходы теплоты на горячее водоснабжение (Гкал/ч ) определяют по формулам: , (2.9) Q г cp = 1.75 х 50 х 0.001 = 0.0875 Гкал/ч = 101,5 кВт, , (2.10) Q г макс = 6,2125 * 50 * 0,001 = 0,310625 Гкал/ч = 360,325 кВт, где 55 – принятая температура горячей воды; -температура холодной воды, 5 0 С ; G ср г – среднечасовой расход воды на горячее водоснабжение, м3 /ч; G г макс - максимально часовой расход горячей воды, м3 /ч. Суммарный расход теплоты на системы отопление и горячего водоснабжения жилого здания можем рассчитать по формуле: , (2.11) где Q å - суммарный расход теплоты на отопление и ГВС, Гкал/ч; Q от ср - расход теплоты на отопление, Гкал/ч ; Q г макс - расход теплоты на горячее водоснабжение, Гкал/ч . 2.2.2 Выбор технологического оборудования автоматизированного теплового пункта 2.2.2.1 Выбор регулятора перепада давления для систем отопления и горячего водоснабжения Автоматические регуляторы перепада давления – устройства, стабилизирующие располагаемое давление регулируемого участка на заданном уровне. Регуляторы перепада давления имеют многообразное конструктивное исполнение, позволяющее применять их для любых проектных решений по стабилизации давления теплоносителя. Они могут быть с внутренней или наружной резьбой, с фланцами, с приварными патрубками. Каковы бы ни были конструктивные отличия регуляторов перепада давления все они основаны на одном принципе работы – начальном уравновешивании давления пружины настройки 10 и давления теплоносителя, передаваемого через гибкую диафрагму (мембрану) 7 (рисунок 2.6). Диафрагма – измерительный элемент. Она воспринимает импульсы давления с обеих сторон и сопоставляет их разницу с заданной величиной, устанавливаемой посредством соответствующего сжатия пружины рукояткой настройки 9. Каждому числу оборотов рукоятки настройки соответствует автоматически поддерживаемый перепад давления. При наличии рассогласования образующаяся активация диафрагмы передается на шток 5 и перемещает затвор клапана 2 относительно регулирующего отверстия. Импульс давления попадает в подмембранное и надмембранное пространство, образуемое крышками 6 и 8, через перепускное отверстие 12 и штуцер 11. Выбор регулятора осуществляют по его максимальной пропускной способности. Следует стремиться к тому, чтобы требуемая пропускная способность регулятора была ниже максимальной пропускной способности, но не более чем на 70 %. Требуемый автоматически поддерживаемый перепад давления, либо автоматически поддерживаемое давление регулятором должно находиться примерно в середине регулируемого им диапазона. Установку регулятора на требуемый перепад давления, либо на давление осуществляют соответствующим поворотом гайки настройки. Исходной величиной для выбора перепада давлений на регулирующих клапанах теплового пункта является перепад давлений в трубопроводах тепловой сети на вводе в здание (на узле ввода теплового пункта) ΔРс. В соответствии с требованиями нормативных документов этот перепад должен быть не менее 1,5 бар. Обычно перепад давлений на вводе в здание принимается по официальным данным теплоснабжающей организации с запасом 10 % (0,9ΔРс) [8]. Регулятор перепада давления для систем отопления и горячего водоснабжения выбирается программой «Danfoss SAC Selector» версии 1.1 (http://ru.heating.danfoss.com). В память программы вводятся исходные данные, приведенные в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Исходные данные для выбора регулятора перепада давления для контуров отопления и горячего водоснабжения Технические параметры Значения Область применения Вода/ Гликолевые растворы Основная функция Давление/ Перепад давлений Функция регулятора Регулятор перепада давлений Среда Вода Температура подаваемого теплоносителя, °C 95 Температура возвращаемого теплоносителя, °C 70 Тепловая мощность нагрузки, кВт 571 Вычисления риска кавитации Нет dP на клапане, бар 0,4 Величина расхода, м3 /ч 19,64 величина kv , м3 /ч 31,05 Давление/ перепад давления, бар 0,9 Машинные результаты программы приведены в таблицах 2.2 и 2.3. Таблица 2.2 – Технические характеристики клапана регулятора перепада давления для контуров отопления и ГВС Параметры клапана Значения Тип VFG2 dP клапана, бар 0.38 Условный проход, мм 50 Максимальная пропускная способность, м3 /ч 32 Рабочее давление, бар 16 Параметры клапана Значения Место установки Любое место Среда Циркуляционная вода Альтернативная среда 1 30% гликолевый раствор Тмин , о С 2 Тмакс , о С 200 Количество ходов два Позиция шпинделя Нормально открытый Тип присоединения Фланцевый Материал клапана GG-25 Макс. устанавливаемый перепад давлений, бар 16 Ход штока, мм 12 Характеристика регулирования Линейная Фактор кавитации 0,5 Протечка (макс) Макс. 0,05 % kvs Разгруженный по давлению Да Внешний вид Таблица 2.3 – Информация о приводе регулятора перепада давления Технические параметры привода Значения Тип AFPA Место установка На байпасе Среда Циркуляционная вода Альтернативная среда 30% гликолевый раствор Тмин , о С 2 Тмакс , о С 150 Материал Сталь, материал № 1,0338, оцинкованная с покрытием Функция Разгруженный регулятор перепада давления Настройка Изменяемая Мин. допустимый перепад давления, бар 0,5 Макс. допустимый перепад давления, бар 2,5 Максимальное рабочее давления, бар 16 Технические параметры привода Значения Внешний вид 2.2.2.2 Выбор регулирующих клапанов и исполнительных механизмов Регулирующие клапаны с электроприводами применяются в качестве исполнительных механизмов систем регулирования температуры. Управляющими устройствами для клапанов могут быть специализированные электронные регуляторы температуры серии ECL или регуляторы глобальной системы диспетчеризации. Клапаны различаются следующими параметрами: по количеству регулируемых потоков — проходные (двухходовые) (VS2, VM2, VB2, VF2, VFS2, VFG2), трехходовые (VMV, VRG3, VF3, VFG33, HRE3, HFE3) и четырехходовые (HRE4, HFE4); по принципу действия — поворотные серии HRE и HFE и седельные — все остальные. По сравнению с поворотными седельные клапаны обеспечивают более качественное регулирование и меньшую протечку в закрытом состоянии, а также способны работать при высоких параметрах регулируемой среды и перепадах давлений. Седельные клапаны бывают нажимного действия (нормально открытые, например, типа VMV, VM2, VFG2 или VB2) и возвратно-поступательного (например, типа VF2, VF3,VRG3). Электропривод – исполнительный механизм, воспринимающий командный сигнал от электронного регулятора и преобразующий его в воздействие на регулирующий клапан. Он представляет собой электромотор, вращение которого через передаточный механизм преобразуется в поступательное движение, передаваемое на шток регулирующего клапана. Между количеством оборотов двигателя и ходом штока клапана создана четкая взаимосвязь, позволяющая устанавливать необходимую пропускную способность регулирующего клапана адекватно изменениям регулируемого объекта. Объекты регулирования могут иметь различную инерционность, поэтому для них применяют приводы с соответствующей скоростью перемещения штока. По скорости действия различают быстрые и медленные электроприводы: у быстрых – время перемещения штока регулирующего клапана на 1 мм до 3 с; у медленных – свыше 14 с. В соответствии с этим выбирают область применения электроприводов. Например, быстрые – для систем горячего водоснабжения со скоростным теплообменником, а медленные – для инерционных систем, таких как системы отопления и горячего водоснабжения с емкостными бойлерами. При выборе электропривода следует обращать внимание на развиваемое им усилие, т. е. противодействие давлению теплоносителя, передаваемого через шток клапана на двигатель. Для клапана с неразгруженным по давлению затвором максимально допустимое усилие на привод указано в техническом описании к клапану и является функцией перепада давления на клапане и условного диаметра клапана. По этим значениям необходимо осуществлять проверку работоспособности клапана. Если перепад давления теплоносителя при закрытом клапане не превышает допустимого усилия на электропривод, значит, эти элементы совместимы. Если нет, то следует перед клапаном снизить давление регулятором перепада давления, либо заменить клапан на разгруженный по давлению. У такого клапана конструктивно минимизировано влияние давления теплоносителя на затвор и, следовательно, на электропривод. Максимально допустимое усилие на его штоке не зависит ни от перепада давления теплоносителя, ни от типоразмера. По управляющему сигналу электроприводы классифицированы: на AME и AMV. Положение штока клапана с приводом AME зависит от значения управляемого сигнала – силы тока, либо напряжения. Положение штока клапана с приводом AMV зависит от так называемого трехпозиционного сигнала. При этом за счет длительности и полярности управляющего сигнала шток клапана может занимать любое промежуточное положение. Регулирующие клапаны с исполнительными механизмами для систем отопления и горячего водоснабжения выбираются программой подбора клапанов компании «Danfoss» версии 1.2, который находится на сайте: http://ru.heating.danfoss.com. Для выбора регулирующего клапана с исполнительным механизмом (электроприводом) для контуров отопления и ГВС необходимо ввести в память программы подбора клапанов исходные данные, приведенные в таблице 2.4. Технические характеристики выбранных регулирующих клапанов и приводов для контуров отопления и горячего водоснабжения приведены соответственно в таблицы 2.5 и 2.6. Таблица 2.4 – Исходные данные для выбора регулирующих клапанов и исполнительных механизмов для контура отопления и ГВС Параметры настройки Значения для отопление для ГВС Область применения Отопление и холодоснабжение Ограничение расхода нет Среда Вода Температура подаваемого теплоносителя, °C 95 Температура возвращаемого теплоносителя, °C 70 Тепловая мощность нагрузки, кВт 210,21 360,65 dP на клапане, бар 0,102 Доля потерь давления на клапане Va 0,5 Параметры настройки Значения для отопление для ГВС Располагаемый напор dP, бар 0,204 Потеря давления в системе, бар 0,102 Величина расхода, л/с 2,01 3,45 величина kv, м3 /ч 22,86 39,22 Таблица 2.5 – Технические характеристики регулирующих клапанов для систем отопления и горячего водоснабжения Технические параметры клапана Значения Вид тепловой нагрузки система отопления система ГВС Тип VF 2 dP клапана, бар 0,0852 0.0962245 Доля потерь давления на клапане 0,42 0,48 Условный проход, мм 40 50 Максимальная пропускная способность, м3 /ч 25 40 Макс. рабочее давление, бар 16 Среда циркуляционная вода Альтернативная среда 1 50% гликолевый раствор Тмин , °C минус 10 Тмакс , °C 130 Количество ходов двухходовой Позиция шпинделя Нет Тип присоединения фланцевый Материал клапана серый чугун EN-GJL-250 (GG-25) Ход штока, мм 15 Характеристика регулирования логарифмическая Фактор кавитации 0,5 Относительный диапазон регулирования Min. 100:1 Протечка (макс.) макс. 0,05 % kvs Разгруженный по давлению нет Примечание максимальное рабочее давление для воды 16 бар при 120 °C Технические параметры клапана Значения Вид тепловой нагрузки система отопления система ГВС Внешний вид Таблица 2.6 – Информация о электроприводах к регулирующим клапанам контуров отопления и ГВС Технические параметры электропривода Численные значения Вид тепловой нагрузки Система отопления Система ГВС Тип AMV 15 AMV 25 Время перемещения штока, с 165 dP макс, кПa 100 900 Функция безопасности Нет Напряжение, В 230 Частота, Гц 50 Потребляемая мощность, Вт 2,15 Класс защиты корпуса 54 IP Управление сигналом трехпозиционным Развиваемое усилие, Н 500 1000 Макс. ход штока, мм 15 Время перемещения штока, с/мм 11 Время поворота на 90°, с 0 Функция безопасности 0 Ручное управление Да С опускной (возвратной) пружиной Нет С подъёмной пружиной Нет Скорость перемещения штока нормальный Тмин окр. среды, °C 0 Тмакс окр. среды, °C 55 Т мин хранения и транспортировки, °C минус 40 Окончание таблицы 2.6 Технические параметры электропривода Численные значения Вид тепловой нагрузки Система отопления Система ГВС Тмакс хранения и транспортировки, °C 70 Примечание Не допускается установка под клапаном. Макс. температура среды 150°C (200°C с адаптером или при горизонтальной установке). Внешний вид 2.2.2.3 Выбор теплообменника для системы горячего водоснабжения Тепловые пункты могут оснащаться водоподогревателями на базе пластинчатых теплообменников фирмы «Danfoss», которые разработаны специально для систем централизованного теплоснабжения. Основой теплообменника являются профилированные тонколистовые пластины из нержавеющей стали различных размеров, которые собираются в пакеты в зависимости от индивидуальных теплотехнических, гидравлических и конструктивных требований к водоподогревателю. В зависимости от технологии изготовления теплообменники могут быть паяными или разборными Паяные теплообменники бывают одноходовыми и двухходовыми, в которые вода поступает последовательно через две секции подогревателя, выполненного в едином блоке. Эти теплообменники компактны, надежны, легки, но не подлежат ремонту или модернизации. Очистка паяного теплообменника производится методом промывки специальным раствором с использованием установки BOY-C-30. Разборные теплообменники изготавливаются, как правило, в одноходовом исполнении и позволяют видоизменять подогреватель (наращивать или уменьшать поверхность теплообмена), производить его ремонт (заменять пластины или прокладки), механически чистить пластины в процессе эксплуатации, однако они более громоздкие и дорогие. Общепринятых рекомендаций по области применения неразборных или разборных пластинчатых теплообменников нет. Общим подходом является применение разборных конструкций при теплоносителе плохого качества. В то же время, неразборные теплообменники предпочтительнее для большинства случаев применения по экономическим показателям. Кроме того, они прочнее разборных теплообменников. К тому же большинство из них имеют меньший вес и размеры. Теплообменник для системы горячего водоснабжения выбирается программой « Heat Exchanger Calculation Tool» производства фирмы «Danfoss». В программу вводится максимально часовая мощность системы горячего водоснабжения, расход горячей воды и температуры входящей и выходящей из теплообменника сетевой воды. Пользовательский интерфейс программы приведен на рисунке 2.7. Технические параметры выбранного теплообменника приведены в таблице 2.7. Габаритные размеры теплообменника показаны на рисунке 2.8. Таблица 2.7 – Параметры теплообменника для системы ГВС Технические параметры теплообменника Значения Тип теплообменника XG 10-1 30 Мощность, КВт. 362,8 первичная сторона вторичная сторона Расход, м3 /ч 12,772 5,829 Входная температура,°C 95 5 Выходная температура, °C 70 58,9 Деств. обр. темп. 70 LMTD 49,1 Потери напора, бар 3,42 0,741 Скорость, м/с 6,1 2,8 Скорость, м/с 1,049 0,447 Число/Контур 14 15 Объем воды, л. 0,63 0,68 Технические параметры теплообменника Значения первичная сторона вторичная сторона Максимально допустимое давление, бар 16 Максим. допустимая температура, 0 С 150 Запас поверхности, % 0,00 Поверхность теплообмена, м2 0,60 Вес, кг 22,0 A – 76 мм. B – 158 мм. C – 65 мм. D - 235 мм. E - 188 мм. F – 460 мм. Lmax – 500мм. T11 на входе греющего контура T12 на выходе греющего контура T21 на входе нагреваемого контура T22 на выходе нагреваемого контура 2.2.2.4 Выбор циркуляционных насосов для контуров отопления и горячего водоснабжения Насос является основным элементом водяной инженерной системы здания. Его работа полностью взаимосвязана со всем оборудованием системы, в том числе и запорно-регулирующей арматурой. От их совместной работы зависит эффективность функционирования всей системы. Особенно это касается систем с переменным гидравлическим режимом, где регулирование расходом теплоносителя приводит к изменению гидравлических и электрических параметров насоса. Подбирают насос по расчетному расходу и потерям давления в системе при частично закрытых терморегуляторах Для системы отопления следует выбрать насос с расчетным расходом теплоносителя более 7,2524 м3 /ч. и напором насоса больше 9 м. Допустимая температура перекачиваемой среды насоса до 1000 С. Параметры циркуляционного насоса Wilo TOP-S 30/10 EM достаточны для применения его в системе отопления. Внешний вид насоса Wilo TOP-S 30/10 EM показан на рисунке 2.9. Циркуляционный насос с резьбовым соединением Wilo TOP-S 30/10 EM применяется в системах охлаждения, водяного отопления, кондиционирования. К основным достоинствам можно отнести простой монтаж, надежность в работе, три ступени частоты вращения. Насос состоит из чугунного корпуса, вала из нержавеющей стали и рабочего колеса, изготовленного из композитных материалов. Допустимые перекачиваемые жидкости: вода систем отопления и водогликолевая смесь. Данные циркуляционного насоса Wilo TOP-S 30/10 EM для контура отопления получены из сайта http://www.pompa.kiev.ua/find_goods.php. Основные технические характеристики: напор макс……………………………...……………………………11 м. расход макс……………………………………….……………….11 м3 /ч. подключение к сети………...………………….……….. 1~230 В, 50 Гц температура перекачиваемой среды…….....от минус 10°С до + 130°С рабочее давление макс………........…………...……….……….10 бар трубное соединение………….…...……………………………… Rp11/4 Для системы горячего водоснабжения насос необходимо выбирать по расчетному расходу потребляемой горячей воды, который является равным 1,75м3 /ч. и по падению давления в системе горячего водоснабжения 0,6 атм. Этим требованиям отвечают технические характеристики насоса Wilo Star-Z 20/7 CircoStar. Внешний вид выбранного насоса показан на рисунке 2.10. Циркуляционный насос системы горячего водоснабжения Wilo Star-Z 20/7 CircoStar. применяется для системы циркуляции горячей питьевой воды. К основным особенностям можно отнести три ступени частоты вращения, возможность использования в системах отопления до 110 0 С. Допустимые перекачиваемые жидкости - питьевая вода и вода для пищевых производств. Насос устойчив к коррозии. Мотор не требует дополнительной защиты [12]. Насос изготовлен из керамического вала и бронзового корпуса, рабочее колесо изготовлено из композитных материалов. Данные циркуляционного насоса Wilo TOP-S 30/10 EM для контура горячего водоснабжения получены из сайта http://www.pompa.kiev.ua/find_goods.php. Основные технические характеристики насоса: напор макс………………….………………..………………………..6 м. расход макс…………..………………………….……………..5,5 м3 /ч. подключение к сети…..…………………………….1~230 В, 50 Гц минимальный подпор во всасывающем патрубке……0,5 м при (+50°С) температура жидкости в системах ГВС ……....до 65°С (2ч. до +70°С) рабочее давление макс………………..……………………….. 10 бар подсоединение к трубопроводу…..………………………….. Rp 3/4" монтажная длинна……………….………………………………150 мм. вес………………..……………………………………………... 2,3 кг. 2.2.2.5 Выбор шаровых кранов для контуров отопления и ГВС Для подключения к теплосети систем отопления и горячего водоснабжения применяют специально предназначенную группу шаровых кранов типа JIP, обеспечивающих высокую степень безопасности. Они выполнены полностью из стального сварного корпуса и отвечают всем требованиям, которые предъявляют к современной арматуре. Краны снабжены уникальным уплотнением штока с применением фторопласта, что гарантирует герметичность и повышенную цикличность даже при высоких и изменяющихся температурах теплоносителя. В кране применена самообжимная конструкция шара за счет специальной пружины с двумя кольцами из армированного углеволокном фторопласта. Этим обеспечено герметичное запирание потока теплоносителя и оптимальное требуемое усилие для поворота шара. Краны выполняют под резьбовое, фланцевое, сварное или комбинированное присоединения (с одной стороны фланец или резьба, с другой – патрубок под сварку). Для этого используют специальные свёрла. Главная особенность такого крана, кроме применения термоустойчивых уплотнителей, состоит в недопущении какого либо негативного влияния температуры и давления теплоносителя на шар и уплотнители. Внешний вид и габаритные размеры шарового крана типа Х1666 приведены на рисунке 2.11. Технические характеристики шарового крана приведены в таблице 2.8. Таблица 2.8 – Технические характеристики шарового крана типа Х1666 Параметры крана Значения Условный проход (Ду ), мм. 50 Размер присоединительной резьбы (R), дюймы 2 Условное давление (Ру ), бар 69 Темпераура перемещемой среды, 0 С минус 25 - 230 Условная пропускная способность (Kv ), м3 /ч 128,2 2.2.2.6 Выбор обратного клапана Клапаны обратные предназначены для предотвращения движения перемещаемой по трубопроводам среды в обратном направлении. В таблице 2.9 приведены основные технические характеристики обратного клапана типа 402. Таблица 2.9 – Технические характеристики обратного клапана типа 402 Технические параметры обратного клапана Значения Условный проход (Ду ), мм. 50 Условное давление (Ру ), бар 16 Темпераура перемещемой среды, 0 С минус 10 – 100 Условная пропускная способность (Kvs ), м3 /ч 99 Минимальное давление открытия клапана, мм.вод.ст. 440/110 Клапаны обратные состоят из: - корпуса; - золотника различного исполнения; - направляющей; - пружины; - уплотнений золотника. Клапаны обратные подразделяются по: - материалу корпуса — латунь, нержавеющая сталь или чугун (материал указан в заголовке технического описания конкретного клапана); - типу золотника — конический с направляющим штоком, тарельчатый; - материалу золотника — чугун (клапан типа 402), полиацетат (клапан типа EURA), латунь (клапан типа 223), нержавеющая сталь или чугун (клапан типа 802), нержавеющая сталь (клапан типа 812); - параметрам перемещаемой среды; - способу соединения с трубопроводом — с внутренней резьбой (EURA), фланцевый (402), с наружной резьбой и дополнительно заказываемыми резьбовыми или приварными при соединительнымипатрубками с накидными гайками (223) и зажимаемый между двумя ответными фланцами (802, 812). Все представленные клапаны обратные и закрываются под действием пружины, могут устанавливаться в любом положении. Из обратных клапанов типов 402, и 802 и 812 можно удалить пружину. При этом давление открытия клапана значительно уменьшается. Клапаны обратные со снятой пружиной должны устанавливаться только на вертикальном трубопроводе при направлении движения перемещаемой среды «снизу-вверх». На рисунке 2.12 показаны внешний вид и габаритные размеры обратного клапана типа 402. 2.2.2.7 Фильтр сетчатый латунный, муфтовый со спускным краном типа Y222P Фильтры сетчатые предназначены для установки перед регулирующей арматурой, расходомерами, насосами с «мокрым» ротором электродвигателя и другими устройствами с повышенными требованиями к чистоте проходящей через них воды. Фильтры состоят из: - корпуса; - крышки со сливным отверстием; - сетчатого цилиндра из нержавеющей стали; - заглушки сливного отверстия или крана для спуска грязи; - уплотнительной прокладки. Фильтры подразделяются: - по материалу корпуса и крышки — латунь, чугун или нержавеющая сталь; - по наличию заглушки или спускного крана; - по способу соединения с трубопроводом — муфтовый или фланцевый. На рисунке 2.13 показан внешний вид сетчатого фильтра со спускным краном типа Y222P. Размеры приведены на рисунке 2.14. Основные технические характеристики фильтра: условный проход (Ду), мм………………………………………….....50 условное давление (Ру ), бар………………………………………...…25 температура перемещемой среды, 0 С……..……... от 0 о С до 110 о С условная пропускная способность (Kvs ), м3 /ч………………...…46.8 размер ячейки сетки, мм…………………………………………....0,5 масса, кг……………………………………………………………1,29 3. Обоснование и выбор аппаратуры учета, контроля и регулирования 3.1 Технические требования и выбор аппаратуры учета теплопотребления зданием Здания, присоединяемые к сетям централизованного теплоснабжения, должны быть оборудованы устройствами коммерческого учета потребляемой тепловой энергии, устанавливаемыми на абонентских вводах. Коммерческий учет теплопотребления осуществляют для определения стоимости тепловой энергии, израсходованной абонентом. Эту стоимость рассчитывают по показаниям прибора учета, называемого тепловычислителем. Тепловычислитель определяет количество потребленной энергии за установленный период времени на основании массового расхода и разности энтальпий теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах. Для тепловых пунктов с расчетной тепловой нагрузкой менее 2,5 МВт (рисунок 3.1) установка расходомера на обратной магистрали строго не обусловлена, поэтому на схеме он выделен пунктирной линией. Однако большинство теплоснабжающих организаций требуют его установки, мотивируя необходимостью учета утечек теплоносителя [8]. Выбор средств аппаратуры учета тепловой энергии следует производить согласно правилам учета тепловой энергии и теплоносителя. Согласно пунктам с 5.1.5 по 5.1.10 настоящего нормативного документа, аппаратура учета должна соответствовать следующим требованиям: - приборы узла учета должны быть защищены от несанкционированного вмешательства в их работу, нарушающего достоверный учет тепловой энергии, массы и регистрацию параметров теплоносителя; - теплосчетчики и информационно – измерительные системы должны иметь возможность ввода энтальпии или температуры подпиточной воды на источнике тепла; - теплосчетчики и информационно – измерительные системы должны автоматически проводить диагностику работоспособности приборов узла учета и, в случае появления неисправности любого прибора, фиксировать время нахождения в неисправности и выдавать сообщение на табло; - теплосчетчики и информационно – измерительные системы должны иметь возможность архивирования почасовых значений основных параметров теплопотребления на период не менее 10 суток; - теплосчетчики и информационно – измерительные системы должны иметь выход для подключения приборов регистрации на бумажном носителе. - теплосчетчики и информационно – измерительные системы должны иметь стандартный выход для передачи информации на диспетчерские пункты энергоснабжающей организации [9]. Тепловычислитель СПТ 943.1 предназначен для измерения и учета тепловой энергии и количества теплоносителя в закрытых и открытых водяных системах теплоснабжения. Тепловычислитель рассчитан для работы в составе теплосчетчиков, обслуживающих два теплообменных контура (тепловых ввода), в каждом из которых могут быть установлены три датчика объема, три датчика температуры и два датчика давления. Совместно с тепловычислителем применяются: - преобразователи объема, имеющие числоимпульсный выходной сигнал с частотой следования импульсов 0-18 или 0-1000 Гц; - преобразователи температуры ТСП или ТСМ с R0 =100 Ом и W100={1,3850, 1,3910, 1,4280}; - преобразователи давления с выходным сигналом 4-20 мА. Электропитание тепловычислителя осуществляется от литиевой батареи или от внешнего источника постоянного тока. Датчики объема, работающие при напряжении питания 3,2-3,6 В, могут получать его непосредственно от тепловычислителя. Тепловычислитель снабжен дискретным выходом для сигнализации о нарушении допустимых диапазонов измеряемых параметров и дискретным входом для фиксации внешнего события. Внешний вид тепловычислителя СПТ943.1 показан на рисунке 3.2. Классификационные параметры моделей тепловычислителей приведены в таблице 3.1, где приняты обозначения: ТВ1, ТВ2 – первый и второй тепловые вводы, V – датчик объема, t – датчик температуры, P – датчик давления. Таблица 3.1 - Классификационные параметры тепловычислителей Модель Количество подключаемых датчиков Питание датчиков объема Дискоетный выход Дискретный вход ТВ1 ТВ2 V t P V t P СПТ943.1 3 3 2 3 3 2 + + + Эксплуатационные характеристики: Условия эксплуатации: температура окружающего воздуха …….……… от минус 10 до 50 0 С относительная влажность ……………..……………. до 95 % при 35 0 С атмосферное давление …………………….………….. от 84 до 106,7 кПа вибрация – амплитуда …………………….…….0,35 мм, частота 5-35 Гц Механические параметры: габаритные размеры ………………….………………...….208х206х87 мм масса ……………………………………………….………не более 0,95 кг степень защиты от пыли и воды……………………………………... IP54 Параметры электропитания: литиевая батарея…………………………………….………………... 3,6 В внешний источник постоянного тока……….… Uном=12 В, Iпот<15 мА Показатели надежности: средняя наработка на отказ…………….………………………. 75000 ч средний срок службы …………………………………………….. 12 лет Входные сигналы и диапазоны. Измерительная информация поступает на тепловычислитель от датчиков в виде электрических сигналов, перечень которых составляют: шесть числоимпульсных сигналов, соответствующих объему, каждый из которых может быть низкочастотным с диапазоном изменения 0-18 Гц или высокочастотным с диапазоном 0-1000 Гц. Низкочастотные сигналы формируются дискретным изменением сопротивления (замыкания-размыкания) выходной цепи датчика объема. Сопротивление цепи в состоянии "замкнуто" должно быть менее 1 кОм, в состоянии "разомкнуто" – более 500 кОм. Длительность импульса (состояние "замкнуто") должна составлять не менее 0,5 мс, паузы (состояние "разомкнуто") – не менее 12,5 мс. Высокочастотные сигналы формируются дискретным изменением напряжения выходной цепи датчика. Выходное сопротивление цепи не должно превышать 1 кОм. Низкий уровень сигнала (импульс) должен быть не более 0,5 В, высокий уровень (пауза) – не менее 3 и не более 5 В. Длительности импульса и паузы должны быть не менее 0,5 мс; - четыре сигнала силы тока 4-20 мА, соответствующих давлению; - шесть сигналов сопротивления, соответствующих температуре от минус 50 до 175 0 С. Кроме перечисленных, тепловычислитель воспринимает один дискретный сигнал, соответствующий внешнему событию (отключение питания датчиков, срабатывание охранной сигнализации и пр). Этот сигнал формируется внешним устройством в виде дискретного изменения напряжения. Высокий уровень сигнала должен лежать в диапазоне от 5 до 24 В, низкий уровень не должен превышать 1,0 В. Входное сопротивление тепловычислителя по дискретному входу составляет 4,7 кОм. По результатам контроля входных сигналов, измеряемых и вычисляемых параметров тепловычислитель формирует выходной дискретный сигнал путем замыкания-размыкания выходной цепи. Он информирует о наличии каких-либо нарушений – нештатных ситуаций, выявленных при контроле, при этом факту нарушения соответствует замкнутое состояние цепи, которое поддерживается в течение всего времени, пока имеет место нарушение. Остаточное напряжение выходной цепи в состоянии "замкнуто" не превышает 2 В, ток утечки в состоянии "разомкнуто" – 0,01 мА. Предельно допустимые параметры коммутируемой нагрузки – 24 В, 200 мА постоянного тока. Основные функциональные возможности: - обслуживание двух независимых тепловых нагрузок, для каждой из которых может быть выбрана любая из двенадцати схем учета с тремя преобразователями расхода, двумя преобразователями давления и двумя или тремя преобразователями температуры; - подключаемые датчики: - шесть термопреобразователей сопротивления 100 П; - четыре преобразователя давления с выходным сигналом 4-20 мА; - шесть преобразователей расхода; - возможность питания расходомеров, подобных SONO-2500СТ, непосредственно от тепловычислителя; - архивирование средних и суммарных значений измеряемых и вычисляемых параметров с привязкой к расчетному дню и часу: - ведение архивов изменений параметров настроечной базы данных и нештатных ситуаций; - возможность измерения температуры холодной воды и температуры наружного воздуха; - расширенная система диагностики - выбор алгоритмов обработки нештатных ситуаций; - формирование двухпозиционного выходного сигнала по результатам диагностики; - последовательный (RS232C-совместимый) и оптический (IEC1107) порты для обмена с внешними устройствами; - работа с телефонными и GSM-модемами; - считывание данных с помощью накопителя АДС90 и переносного компьютера; - вывод отчетов на принтер (с помощью адаптера АПС45); - скорость обмена 19200 бит/с; - регистрация внешних событий (например пропадания напряжения питания расходомеров) с помощью специально предусмотренного дискретного входа; - емкое табло - две строки по 20 символов, простой и удобный интерфейс пользователя, наглядные процедуры просмотра архивов. Диапазоны показаний: Пределы диапазонов показаний составляют: - 0-1,6 МПа (0-16 кгс/см2, 0 -16 бар) – давление; - минус 50 - 175 0 С – температура; - 0-175 0 С – разность температур; - 0-99999 м3 /ч – расход; - 0-99999999 – объем [м3 ], масса [т], тепловая энергия [Гкал, МВт]; - 0-99999999 ч. – время. Корпус тепловычислителя выполнен из пластмассы, не поддерживающей горение. Стыковочные швы корпуса снабжены уплотнителями, что обеспечивает высокую степень защиты от проникновения пыли и воды. Внутри корпуса установлена печатная плата, на которой размещены все электронные компоненты, клавиатура, табло и оптический порт. Литиевая батарея расположена в отдельном отсеке и удерживается в корпусе специальной крышкой с помощью винтов. Такое расположение позволяет производить замену батарей непосредственно на месте установки прибора. На рисунке 3.3 показано расположение органов взаимодействия с оператором, соединителей для подключения внешних цепей. Тепловычислитель крепится на ровной вертикальной плоскости с помощью четырех винтов. Корпус навешивается на два винта, при этом их головки фиксируются в пазах петель, расположенных в верхних углах задней стенки, и прижимается двумя винтами через отверстия в нижних углах. Монтажный отсек закрывается крышкой, в которой установлены кабельные вводы, обеспечивающие механическое крепление кабелей внешних цепей. Подключение цепей выполняется с помощью штекеров, снабженных винтовыми зажимами для соединения с проводниками кабелей. Сами штекеры фиксируются в гнездах, установленных на печатной плате. Конструкция крышки монтажного отсека позволяет не производить полный демонтаж электрических соединений, когда необходимо временно снять тепловычислитель с эксплуатации – достаточно лишь расчленить штекерные соединители. Помесячный архив данных составляет 24 месяца. Расходомеры SONO 2500 CT предназначены для измерения объемного расхода воды в системах тепло- и водоснабжения. Общий вид ультразвукового расходомера приведен на рисунке 3.4. Расходомер SONO 2500 CT представляет собой единый блок, состоящий из корпуса с ультразвуковыми преобразователями, преобразователя сигналов, закрепленного на корпусе, и кабеля для подключения к тепловычислителю. Для измерения расхода используется ультразвуковой принцип измерения. Два ультразвуковых датчика, работающие и как передатчики, и как приемники, установлены на входе и на выходе расходомера. Ультразвуковые сигналы передаются по прямой линии одновременно от двух датчиков. Один сигнал идет по направлению потока воды, другой — против. Поэтому сигналы от передатчиков не достигают своих соответствующих противоположных приемников одновременно. Чем большее количество воды протекает через расходомер, тем больше временная задержка между двумя сигналами. Встроенный в расходомер преобразователь сигналов преобразует время задержки в импульсный сигнал с частотой, пропорциональной фактическому расходу. Технические характеристики и габаритные размеры приведены в таблице 3.2. Таблица 3.2 – Технические характеристики расходомера SONO 2500 CT Параметры расходомера Значения Ду , мм. 40 Диапазон измерения, 0 С 20-150 (при горизонтальном монтаже) 20-120 (при вертикальном монтаже) Относительная погрешность измерения ±2% в диапазоне 0,02 Qmax – Q max ±5% в диапазоне 0,01 Qmax – 0.02Q max Доступное давление, МПа 2,5 Потребляемая мощность, Вт меньше 1 Напряжение питания, В 3,6±0,1 Макс. расход Qmax , м3 /ч 20 Номин.расход Qmin , м3 /ч 10 Q2% ’’ , м3 /ч 0,4 Q5% ’’ , м3 /ч 0,2 Порог чувствительности, л/ч 20 Цена импульса, имп/л 10 Диаметр d, мм. 110 Диаметр D, мм/Резьба G 148 Длина L, мм. 300 Масса, кг. 7,9 Ультразвуковые расходомеры обладают незначительным гидравлическим сопротивлением, не искажают расходные характеристики регулирующих клапанов и не влияют тем самым на управление объектом регулирования. Комплекты термопреобразователей КТПТР-01 и КТПТР-03 предназначены для измерения температуры и разности температур в составе теплосчетчиков и других приборов учета и контроля тепловой энергии в тепловых сетях промышленных предприятий и теплоснабжающих организаций. Габаритные размеры термопреобразователей КТПТР-01 и КТПТР-03 и их электрическое соединение показаны на рисунке 3.5. Технические характеристики термопреобразователей КТПТР: диапазон измеряемых температур, 0 С ……………………...от 0 до 180 диапазон разности температур, 0 С…………………….…… от 0 до 180 НСХ по ГОСТ 6615-94 ……………100П, 500П, Рt 100, Рt 500, Рt 1000 класс доступа……………………………….………………………….. А показатель тепловой инерции не более, с……………………….. 3 – 15 погрешность измерения температуры: - для кл.1: δt=±(0.15+0.001Δt) - для кл.2: δt=±(0.15+0.002Δt) погрешность измерения разности температуры: - для кл.1:δt(Δt)=±(0.05+0.001Δt) - для кл.2: δt(Δt)=±(0.10+0.002Δt) где Δt – разность температур. степень защиты от пыли по ГОСТ 14254 …………….……………IP65 виброустойчивые и вибропрочные по группе №3 ГОСТ 12997-84 условное давление, МПа………………………….……….. от 0,4 до 6,3 температура окружающей среды, 0 С ……………….…... минус 50 – 60 По условиям эксплуатации термопребразватели соответствуют условиям У, ТВ, категории 3 ГОСТ 15150-69. Защитная арматура изготовлена из стали 12Х18Н10Т. Головка термопреобразователя изготовлена из сополимера марки АБС-2020-32. Рекомендуемый измерительный ток для 100П, Рt 100 – 1,0 мА, 0,2мА для Рt 500, 500П и 0,1 мА для Рt 1000. Перечисленные выше устройства имеют возможность работы в едином аппаратном комплексе узла учета теплопотребления. Ориентируясь на автоматизированную систему контроля и учета энергоснабжения потребителя (АСКУЭ) на базе тепловычислителя СПТ 943.1 можно создать узел для централизованной системы учета теплопотребления на любом уровне через глобальную сеть INTERNET или региональные компьютерные сети. Поскольку тепловычислитель СПТ 943.1 имеет порты обмена данными (последовательный RS232C-совместимый и оптический IEC1107 порты), её можно подключить через кабельную сеть к диспетчерскому пункту управления и учета теплопотребления, теплоснабжающей организации. Такая организация системы учета теплоэнергии отбрасывает необходимость ручного сбора информации с каждого узла учета теплопотребления. Данный комплект аппаратуры узла учета теплопотребления легка в эксплуатации, данные можно распечатать на бумажный носитель или архивировать. Применение аппаратуры узла учета в значительной мере снизит расходы теплоносителя и горячей воды, так как потребитель будет реально заинтересован в экономии личных финансовых затрат на тепловую энергию. 3.2 Выбор контрольно-измерительных приборов для технологических узлов теплового пункта Показывающий термометр биметаллический для систем отопления и ГВС. По показаниям термометров определяют температуру теплоносителя, поступающей в систему отопления и горячего водоснабжения. Показывающий термометр биметаллический ТБ – 10 предназначен для измерения температуры различных веществ, не взаимодействующих с нержавеющей сталью. Основным измерительным элементом является биметаллическая спиральная пружина. Внешний вид термометра показан на рисунке 3.6. Технические характеристики биметаллического термометра: диаметр корпуса, мм…………………..…………………… 63, 100, 160 класс точности………………………………..………………………. 2,5 пределы измерения,о С……………………..……………... от -20 до 400 корпус………………………………………...……..сталь нержавеющая длина штуцера (условная), мм…………...…………………50, 100, 160 Кран трёхходовой для манометра 11б18бк (КТН-1.6, КТК-15) предназначен для присоединения манометра к магистрали с рабочей средой и сброса давления при снятии манометра. Технические параметры прибора: рабочее давление:………………………………… 1,6 МПа (16кгс/см2) рабочая среда:…………………….…….……………..вода, пар, воздух. температура рабочей среды …………………...…………………200 °С присоединение:…………………………………….. муфтовое, М20х1,5 материал корпуса:………………………………...……... латунь ЛЦ40С масса.…………………………………………………….... не более 90 г. Рабочее положение крана - любое. К трубопроводу кран присоединяется при помощи резьбовых муфт. Положение пробки устанавливается в зависимости от требуемого направления подачи рабочей среды. Корпус крана имеет две подсоединительные муфты и сливное отверстие, а пробка проход Т – образной формы, в связи, с чем поток рабочей среды в зависимости от положения пробки будет направляться в рабочий манометр из магистрали или производиться сброс давления на рабочем манометре при закрытой магистрали. Положение пробки определяется по Т – образной риске на торце пробки. Общий вид крана приведен на рисунке 3.7. Манометры - измерительные приборы или измерительные установки для измерения давления или разности давлений. Они содержат чувствительные элементы, которые упруго меняют свою форму под воздействием давления. Как правило, чувствительный элемент изготавливается из медных сплавов, легированных сталей или из специальных материалов. Давление измеряется по отношению к атмосферному давлению. Существует стандартный ряд измеряемых диапазонов, давление указывается стрелкой на циферблате. Технические манометры выпускаются таких конструкций, которые позволяют крепить их на щитах, панелях или непосредственно на импульсных линиях. Надежный и экономичный манометр с трубчатой пружиной, модель 111.10 предназначен для измерения давления и разряжения неагрессивных, не кристаллизирующихся жидкостей, газа и пара. Диапазон измерения вплоть до 400 бар. Измерительным элементом до 40 бар является медный сплав круговой формы, больше 40 бар медный сплав винтовой формы. Имеется специальный вариант для закрытых отопительных систем. Основные технические характеристики манометра: наименование оборудования………….………………... Модель 111.10 диапазон показаний приборов в кгс/см2 ………….………….. от 0 до 4 класс точности……………………………………….………………...2,5 диаметр корпуса мм. ……………………………….………………...160 масса не более кг. ………………………………….………………...0,85 корпус ……………………………………………….………………сталь Датчик температуры наружного воздуха ESMT, датчик температуры теплоносителя ESMU для систем отпления и ГВС Датчик температуры – устройство в системе автоматического регулирования и контроля, воспринимающее через чувствительный элемент изменение контролируемой температуры воздуха или теплоносителя и осуществляющее ее функциональное преобразование во входной сигнал для электронного регулятора. В состав датчика входит платиновый элемент, величина сопротивления которого изменяется пропорционально изменению температуры. Все датчики представляют собой устройства с платиновым элементом Pt 1000 Ом, который имеет линейную зависимость между электрическим сопротивлением и температурой измеряемой среды. При температуре 0 °С его сопротивление составляет 1000 Ом. С увеличением температуры сопротивление также увеличивается, на что соответствующе реагирует регулятор. Все температурные датчики являются двухпроводными. Конструктивно выполнены под условия и параметры измеряемой среды. Так, ESMT предназначен для измерения температуры наружного воздуха; ESM-10 – внутреннего воздуха; ESMU – жидкости; ESM-11 и ESMC – поверхности, например, трубопровода. Датчики серии ЕSМ предназначены, главным образом, для использования в системах кондиционирования воздуха и комфортных системах, для которых большое значение имеет конструкция корпуса датчика. Электрическое соединение и график изменения сопротивления датчика от изменения температуры наружной среды приведены на рисунке 3.8. Основные технические характеристики погружного и наружного датчиков приведены в таблице 3.3. Для регулирования температуры воздуха в помещении в соответствии с заданным потребителем тепловым режимом – постоянным комфортным, пониженным, переменным (понижение в выходные дни, ночное понижение...) – применяют комнатные регуляторы ЕСА (рисунок 3.9). Они воспринимают температуру воздуха в помещении со встроенного датчика температуры, сопоставляют ее с заданным тепловым режимом и передают сигнал на электронный регулятор в тепловом пункте. а) б) Таблица 3.3 – Технические характеристики датчиков Наименование Pt1000 датчик наружной температуры Pt1000 погружной датчик 100мм., медь Тмин, 0 С минус 50 0 Тмакс. 0 С 50 140 Постоянная времени, с 900 2 (в воде) 7 (в воздухе) Корпус IP54 Материал поликарбонат Медь, латунь, полиамид Электрическое соединение Две винтовые клеммы под крышкой Две клеммы, кабельный ввод PG9 Установка настенная G1/2A и прокладка В зависимости от модели, таким комнатным регулятором можно корректировать параметры настройки электронного регулятора теплового пункта. Все настройки отображаются на дисплее. Кроме того, на нем может быть отражено текущее время, температура наружного воздуха, наибольшее значение температуры наружного воздуха за ночь и многое другое. 3.3 Цифровой регулятор теплопотребления здания Для автоматического регулирования теплопотребления здания, в автоматизированном тепловом пункте требуется установка электронного регулятора, который в автоматическом режиме ведет контроль и регулирование параметров теплоносителя. Для этой цели выбирается электронный регулятор «ECL Comfort» 300 (рисунок 3.10). Электронный регулятор «ECL Comfort» 300 – устройство, которое воспринимает сигналы от всевозможных датчиков (температуры наружного воздуха, внутреннего воздуха, теплоносителя, горячей воды и т. д.), обрабатывает и формирует на их основании сигнал, передаваемый исполнительному механизму. Он имеет тиристорные выходы для управления регулирующими клапанами и релейные выходы для управления насосами либо запорными клапанами. Кроме того, у них могут быть расширены характеристики входов и выходов путем добавления аналоговых и релейных модулей. «ECL Comfort» 300 — электронный регулятор температуры, который настраивается для работы в различных технологических схемах систем теплоснабжения зданий с помощью управляющих карт. К регулятору возможно подключение до шести температурных датчиков градуировки «Pt 1000», дистанционных панелей контроля и управления, дополнительного релейного и коммуникационных модулей. Корпус регулятора «ECL Comfort 300» разработан для настенного монтажа, для установки в вырезе щита управления или на DIN-рейке. Регулятор «ECL Comfort» 300 имеет встроенный коммуникационный модуль RS232 с разъемом на передней панели. Регуляторы «ECL Comfort» 300 может быть переключен на различные прикладные задачи с помощью управляющих карт типа C и L. Каждая карта обеспечивает функционирование регулятора применительно к конкретной схеме теплоснабжения. Выбор карты и специфических настроек регулятора определяется требованиями схемы теплоснабжения. Основные технические характеристики электронного регулятора «ECL»: напряжение питания………………...……………………... 230 В, 50 Гц количество релейных выходов…………………………...……………. 3 количество входов для подключаемых датчиков……………...……....6 мин. напряжение питания……………………………….……..…. 207 В макс. напряжение питания……………………………….……..… 244 В потребляемая мощность……………………………….….….…….. 5 Вт нагрузка на релейных выходах……...…………….… 4 (2) A / 250 В п.т. нагрузка на тиристорных выходах……………...…….….… 0,2 А/ 250 В Тмин окр. среды………………………………………..…….…….. 0 °C Тмакс окр. среды………………………………………….….…… 50 °C Т мин хранения и транспортировки……………………..…. минус 40 °C Тмакс хранения и транспортировки…………………….……….…. 70 °C резервный источник питания для таймера………..…….………… 12 ч. точность таймера…………………………….………...... +/- 25 мин/год 3-позиционное регулирование привода…………..…………………... 2 тип датчика температуры………………..………….….. Pt 1000 Ом/°C класс защиты корпуса…………………...……………. IP 41 DIN 40050 макс. длина кабеля датчика…………………………….....………. 120 м Управляющая карта «C66» предназначена для обеспечения работы электронного регулятора «ECL Comfort 300» в технологической схеме с закрытой системой теплоснабжения и при зависимом присоединении системы отопления. Регулятор с картой «С66», поддерживает температуру теплоносителя, поступающего в систему отопления в зависимости от температуры наружного воздуха в соответствии с установленным температурным графиком, а также постоянную температуру горячей воды в системе горячего водоснабжения. Регулятор, настроенный на работу с картой «С66» кроме функций регулирования, позволяет: - осуществлять управление системой отопления с коррекцией по температуре воздуха в помещении (при установке комнатного датчика); - обеспечивать недопустимое превышение заданного температурным графиком значения температуры теплоносителя, возвращаемого в теплосеть после контура отопления, и постоянного значения после контура ГВС; - программировать снижение температуры воздуха в помещении и горячей воды в системе ГВС по часам суток и дням недели; - производить форсированный натоп помещений после периода снижения температуры внутреннего воздуха; - автоматически отключать систему отопления на летний период при переходе температуры наружного воздуха определенной границы; - периодически включать электроприводы насоса и регулирующего клапана во время летнего отключения систем отопления; - защищать систему отопления от замораживания. С помощью карты «С66» возможна настройка ряда параметров регулирования и выполнение самонастройки регулирования системы ГВС. В качестве температурных датчиков в схемах регулирования используются термометры сопротивления типа Pt 1000. Регуляторы могут объединяться через шину «BUS» в единую систему с одним датчиком наружного воздуха. При этом регулятор, к которому подключен датчик, является ведущим. С помощью шины «BUS» также возможно подключение к регулятору комнатной панели контроля и настройки температуры внутреннего воздуха типа «ЕСА 60» или выносного блока дистанционного управления «ЕСА 61». Принцип регулирования. Пропорционально-интегральное регулирование температуры теплоносителя, поступающего в систему отопления, в зависимости от температуры наружного воздуха с коррекцией по температуре внутреннего воздуха с отслеживанием по температурному графику температуры теплоносителя, возвращаемого на источник теплоты. Пропорционально-интегральное регулирование температуры горячей воды с отслеживанием температуры теплоносителя, возвращаемого на источник теплоты. Температура теплоносителя и горячей воды поддерживается с помощью клапанов с электроприводами через тиристорные выходы. Циркуляционные насосы систем отопления и горячего водоснабжения управляются с помощью реле. Электрические цепи соединения электронного регулятора с технологическими оборудованиями показаны на рисунке 3.11. Пояснения к клеммам электронного регулятора приведены в таблицах 3.4. и 3.5. Применение вышеуказанного электронного регулятора предоставляет ощутимые эффекты, такие как повышение комфортных условий отапливаемого помещения, увеличение и снижение подачи теплоносителя в систему отопления в соответствии с температурой наружного воздуха. А также снижает расход тепловой энергии, потребляемый зданием. Установка электронного регулятора «ECL Comfort» 300 также существенно облегчает работу рабочего персонала теплового пункта. Питание электронных регуляторов осуществляют от сети переменного тока 220 В или 24 В. Они имеют встроенные аккумулятор для поддержки работы часов при отсутствии основного питания. Электронным регулятором реализуют эффективное управление инженерными системами здания с максимальным энергосбережением. Таблица 3.4 – Описания клемм регулятора «ECL Comfort 300» с картой «C66»       Клемма Описание Макс. нагрузка 1 L Напряжения питания 230В (фаза)