автоматизированная система для измерения и учета расхода теплоносителя и тепла в системах теплоснабжения

Формула изобретения

Автоматизированная система для измерения и учета расхода теплоносителя и тепла в системе теплоснабжения, содержащая по меньшей мере один источник тепла, трубопроводы тепловой сети с датчиками температуры, датчики давления, размещенные на приеме и выходе насосной установки источника тепла, статические преобразователи мощности или датчики тока и напряжения, установленные в электросети, питающей электродвигатели насосных установок, отличающаяся тем, что она снабжена системой передачи данных, объединяющей выходы всех датчиков и сообщенной с информационным центром, содержащим ЭВМ и банк данных расходных характеристик подпиточных, сетевых, повысительных и смесительных насосных установок и характеристик электродвигателей насосных установок, который по первичным параметрам и данным, находящимся в банке данных, вычисляют текущее и суммарное значения расхода теплоносителя и тепла по каждой установке и по тепловой сети в целом по формулам, определяющим расходные коэффициенты M_нi по каждой насосной установке:



при А = N₀/P₀,

где N = P_cэк(кВт);

N_o= P_ocэд(кВт),

подачу теплоносителя Q_п по каждой насосной установке и в целом по сети определяют непосредственно по расходной характеристике M - Q по формуле



возврат теплоносителя Q_в по каждой насосной установке и в целом по сети



расход теплоносителя на горячее водоснабжение Q_гв и потерю в сети

Q_гв = Q_п - Q_в = Q_пи (м³/с),

подача тепла G_п в тепловую сеть

G_п= CQ_ппT_п (ккал/с),

возврат тепла G_в из тепловой сети

G_в= CQ_ввT_в (ккал/с),

расход G тепла в сети

G = G_п - G_в (ккал/с),

где N, N₀ - соответственно мощность, действующая на валу насоса в момент измерения и при закрытой задвижке на выходе насосной установки, кВт;

Р_с, Р_ос - соответственно активная мощность, потребляемая электродвигателем насосной установки из сети в момент измерения и при закрытой задвижке на выходе насосной установки, кВт;

Р_в, Р_п - соответственно давления, действующие на выходе и входе насосной установки, МПа;

_эд - КПД электродвигателя привода насосной установки;

_эк - эксплуатационные КПД насосной установки;

i - номер насосной установки;

m - число сетевых насосных установок;

- номер сетевой насосной установки;

j - номер подпиточной насосной установки;

Q_пн - подача подпиточных насосных установок, м³/с;

C - удельная теплоемкость теплоносителя, Дж (кг.град);

_п, _в - плотность теплоносителя, соответственно подаваемого в тепловую сеть и поступающего из тепловой сети, кг/м³;

Т_п, Т_в - температура теплоносителя, соответственно подаваемого в тепловую сеть и поступающего из тепловой сети, ^oC;

k - число подпиточных насосных установок;

А - постоянный для данного типа насосной установки коэффициент, равный отношению мощности N₀, действующей на ее валу, к развиваемому ей давлению Р₀ при закрытой задвижке на ее выходе;

В, Е - коэффициенты, получаемые при математическом описании эксплуатационной характеристики насосной установки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплоснабжения городов и промышленных объектов и может быть использовано для измерения и учета расхода теплоносителя и тепла с целью регулирования систем теплоснабжения.

Современные системы централизованного теплоснабжения являются сложными инженерными сооружениями, которые характеризуются следующими тенденциями своего развития:

укрупнение единичной мощности источников тепла с дальнейшим увеличением радиуса передачи тепловой энергии;

возрастание доли расхода тепла на горячее водоснабжение;

осуществление совместной работы нескольких источников тепла на единую тепловую сеть;

увеличение гидростатических давлений за счет строительства зданий и сооружений повышенной этажности.

Особенностью тепловых сетей является и то, что они двухпараметрические, когда количество отпускаемой тепловой энергии определяется как температурой теплоносителя, так и перепадом давления в сети, поэтому управлять ими надо двумя взаимосвязанными системами, одна для регулирования температурного, а другая - гидравлического режимов тепловой сети. Все эти особенности развития современных систем теплоснабжения усложняют режим их работы и требуют иного подхода к управлению ими. Поэтому дальнейшая оптимизация систем теплоснабжения связана с решением ряда крупных проблем, требующих новых научно-обоснованных технических экономических и технологических решений. Важнейшей из этих проблем является внедрение в тепловых сетях автоматизированной системы для управления технологическими процессами в реальном масштабе времени с использованием ЭВМ. Задачей этой системы является получение необходимой информации для регулирования с целью обеспечения теплового баланса в сети, когда количество тепла G_ит, подаваемого за определенное время источником тепла, равно количеству тепловой энергии G_пт, расходуемой потребителями тепла, и энергии, идущей на потери в сети G_пс

G_ит = G_пт + G_пс.

Следовательно, необходимо измерять и учитывать расход теплоносителя и тепла.

Известно устройство для измерения и учета расхода тепла, работающее на базе различных типов расходомеров и счетчиков количества жидкости, например электромагнитных и ультразвуковых расходомеров, расходомеров, работающих на принципе перепада давления, а также на базе турбинных счетчиков количества жидкости, которые описаны в литературе (Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. Справочное пособие. Под ред. Б.Д.Кашарского, Л: Машиностроение, 1976 и книге - Учет и контроль расхода энергоносителей и тепловой энергии. Методы и приборы, Каханович В.С. и др. Под ред. В.С.Кахановича, М.: Энергия, 1990).

Все известные методы и приборы требуют установки в потоке жидкости переносных датчиков, эксплуатационная надежность которых не отвечает требованиям сегодняшнего дня, поэтому они широкого практического применения не нашли. Известны также способы определения расхода жидкости и тепла по параметрам насосных установок, которые защищены патентами: N 2022235 РФ - Способ определения расходной характеристики насосной установки, N 1783869 РФ - Способ определения расходной характеристики насосной установки, N 1814036 РФ - Тепломер, N 1789861 РФ - Устройство для измерения расхода вещества, N 1809252 РФ - Способ регулирования расхода тепла в тепловой сети, N 1809253 РФ - Регулятор расхода тепла в тепловой сети (прототип). В этих патентах в качестве источников информации для измерения расхода используются сами насосные установки, которые создают в сети циркуляцию теплоносителя. Работа этих устройств рассчитана на индивидуальное использование технических средств, непосредственно находящихся с насосными установками. При широко разветвленной сети это приводит к значительным эксплуатационным затратам и затрудняет их использования в реальном масштабе времени. Возможность более широкого использования средств вычислительной техники позволяет более эффективно использовать рассмотренные способы измерения и учета расхода тепла.

Техническим результатом изобретения является упрощение процесса измерения и учета расходов теплоносителя и тепла в тепловой сети и получения необходимой информации в реальном масштабе времени с целью регулирования систем теплоснабжения.

Технический результат достигается тем, что автоматизированная система для измерения и учета расхода теплоносителя и тепла в системе теплоснабжения содержит, по меньшей мере, один источник тепла, трубопроводы тепловой сети с датчиками температуры, датчики давления, размещенные на приеме и выходе насосной установки источника тепла, статические преобразователи мощности или датчики тока и напряжения, установленные в электросети, питающей электродвигатели насосных установок, она снабжена системой передачи данных, объединяющей выходы всех датчиков и сообщенной с информационным центром, содержащим ЭВМ и банк данных расходных характеристик подпиточных, сетевых, повысительных, понизительных и смесительных насосных установок и характеристик электродвигателей насосных установок, который по первичным параметрам и данным, находящихся в банке данных, вычисляет текущее и суммарное значение расхода теплоносителя и тепла по каждой насосной установке и по тепловой сети в целом по формулам, определяющим расходные коэффициенты M_нi по каждой насосной установке:



при A = N₀/P₀,

где N = P_{c эд} (кВт), N₀=P_{0c эд} (кВт),

подачу теплоносителя Q_п по каждой насосной установке и в целом по сети определяют непосредственно по расходной характеристике M - Q или по формуле



возврат теплоносителя Q_в по каждой насосной установке и в целом по сети



расход теплоносителя на горячее водоснабжение Q_гв и потерю в сети

Q_гв = Q_п - Q_в = Q_пи (м³/с);

подачу тепла G_п

G_п = CQ_{п п} Т_п (ккал/с);

возврат тепла из тепловой сети G_в

G_в = CQ_{в в} Т_в (ккал/с),

расход тепла в сети G

G = G_п - G_в,

где N, N₀ - соответственно мощность, действующая на валу насоса в момент измерения и при закрытой задвижке на выходе насосной установки, кВт; P_с, P_0с - соответственно активная мощность, потребляемая электродвигателем насосной установки из сети в момент измерения и при закрытой задвижке на выходе насосной установки, кВт; P_в, P_п - соответственно давления, действующие на выходе и входе насосной установки, МПа; _эд - КПД электродвигателя привода насосной установки; _эк - эксплуатационный КПД насосной установки; i - номер насосной установки; m - число сетевых насосных установок; - номер сетевой насосной установки; j - номер подпиточной насосной установки; Q_пн - подача подпиточных насосных установок, м³/с; C - удельная теплоемкость теплоносителя, Дж (кг/град); _п, _в - плотность теплоносителя соответственно, подаваемого в тепловую сеть и поступающего из тепловой сети, кг/м³; T_п, T_в - температура теплоносителя соответственно, подаваемого в тепловую сеть и поступающего из тепловой сети, ^oC; к - числу подпиточных насосных установок, A - постоянный для данного типа насосной установки коэффициент, равный отношению мощности, действующей на ее валу N₀, к развиваемому ей давлению P₀ при закрытой задвижке на ее выходе; B, E - коэффициенты, получаемые при математическом описании эксплуатационной характеристики насосной установки. Эти коэффициенты характеризуют некоторое предельное значение измеряемого расхода и определяются в процессе математического описания расходной характеристики M-O.

На фиг. 1 дан один из возможных вариантов структурной схемы теплоснабжения города.

На фиг. 2 дан пример построения расходной характеристики M-Q насосной установки.

На фиг. 3 дана схема источника тепла с сетевыми и подпиточными насосными установками.

На фиг. 4 дана схема станции с насосными установками, работающей в магистральной сети теплоснабжения.

На фиг. 5 дана схема контрольно-распределительного пункта, оборудованного смесительными насосными установками.

Современная система теплоснабжения города, вариант структурной схемы которой показан на фиг. 1, состоит из источников тепла ИТ1 - ИТ3, которыми могут быть ТЭЦ и отопительные котельные, магистральных тепловых сетей МС с пограничными камерами ПК1 - ПК6, обеспечивающими непрерывную подачу теплоносителя при повреждении любого участка тепловой сети, повысительных и понизительных станций с насосными установками НС1 - НС5, контрольно-распределительных пунктов со смесительными насосными установками КРП1 - КРП4, от которых питаются распределительные сети РС микрорайонов. Контрольно-распределительная сеть связана с центральными тепловыми пунктами, от которых через тепловые пункты получают тепло потребители микрорайонов МР. Для получения необходимой информации для управления системой теплоснабжения имеется информационный центр ИЦ на базе ЭВМ, который через систему передачи данных связан с источником тепла, насосными станциями и контрольно-распределительными пунктами. Важнейшим параметром тепловой сети, без которого нельзя ей управлять, является расход теплоносителя и, соответственно, расход тепла. Причем эти параметры нужны как общие, так и по отдельным районам.

В тепловых сетях современных больших городов внедрены системы передачи данных со станций с насосными установками, а в некоторых сетях и с источников тепла, которые в основном используются для общей оценки состояния тепловой сети. Учитывая существующую ситуацию в тепловых сетях предлагается автоматизированная система для измерения и учета расхода теплоносителя и тепла в системах теплоснабжения, которая может быть внедрена с минимальными экономическими и эксплуатационными затратами. В предлагаемой системе используется метод измерения расхода с использованием расходных характеристик M-Q насосных установок в соответствии с указанными выше патентами. Суть этого способа измерения расхода состоит в том, что по паспортным характеристикам насоса вычисляют новый - расходный коэффициент M, путем деления мощности, действующей на валу насоса, на развиваемое им давление при данной производительности и вычитают результат деления мощности на давление, полученное при закрытой задвижке на выходе насосной установки, т.е. при нулевой подаче, и строят соответствующую расходную характеристику M - Q (фиг. 2)

Расходный коэффициент равен



или, полагая N₀/p₀ = A, имеем



где M - расходный коэффициент, кВт/МПа; N, N₀ - соответственно мощность на валу насоса при данной производительности и при закрытой задвижке на выходе насосной установки, взятые из ее рабочих характеристик, кВт.

По расходным коэффициентам, вычисленным во всем диапазоне производительности насосной установки, строится расходная характеристика, пример которой показан на фиг. 2. Значение расхода может определяться непосредственно по расходной характеристике или по ее математическому описанию. Для большинства насосных установок расходная характеристика имеет экспоненциальный вид и может быть описана соответствующим уравнением экспоненциального вида:



где коэффициенты B, E получены в процессе расчета. При отсутствии математического описания расходной характеристики значение расхода определяется непосредственно по расходной характеристике.

При измерении расхода текущие значения эксплуатационного коэффициента равно



при этом активные мощности N и N₀ действующей на валу насосной установки и давления p определяются с использованием показаний приборов следующим образом:

N = P_cэд (кВт),

как в период текущего измерения N, так и при закрытой задвижке на выходе из насоса N₀ при нулевой подачи, давление p, развиваемое насосной установкой при текущей производительности, равно

p = p_в - p_п (МПа),

давление p₀, развиваемое при закрытой задвижке, равно

p₀ = p_0в - p_0п (МПа),

где P_c - активная мощность, потребляемая электродвигателем привода насосной установки из сети в кВт, которая может быть вычислена по току, напряжению и коэффициенту мощности или замерена с помощью ваттметра, статического преобразователя мощности или счетчика активной мощности; _эд - КПД электродвигателя; P_в, p_п и p_0в, p_0п - давление соответственно на приеме и выходе насосной установки при текущей производительности и при закрытой задвижке на выходе насосной установки, МПа; _эк - эксплуатационный коэффициент полезного действия насосной установки, который равен



где N₀, p₀ и N₀₁, p₀₁ - соответственно мощность и давление, взятые из паспортной характеристики насосной установки при нулевой подаче насоса, и мощность и давление, полученные при работе насосной установки в течение нескольких минут на закрытую задвижку, кВт и МПа.

При этом эксплуатационный коэффициент полезного действия насосной установки отражает действительную ее характеристику на данный момент и снимается при непрерывно работающей насосной установке один-два раза в год.

На фиг. 2 для примера дана расходная характеристика насосной установки СЭ-800-55, которая описывается формулой



Рассматриваемая автоматизированная система для измерения и учета расхода теплоносителя и тепла в системе теплоснабжения работает следующим образом. Через заданные промежутки времени вычислительный комплекс на информационном центре получает данные от источников тепла по сетевым и подпиточным насосным установкам, схема которых показана на фиг. 3. Поступающие данные несут информацию о значении напряжения, действующего в сети, о значении токов, потребляемых приводными электродвигателями, о значении давлений на приеме и выходе насосных установок (или значений активной мощности, потребляемой электродвигателями привода насосных установок, и значения перепадов давления на насосных установках) и значений температуры теплоносителя, приходящего от потребителя и идущего после теплообменника, а также значения токов, напряжения (активной мощности) и давлений, действующих на подпиточных насосных установках. В следующий момент времени поступает аналогичная информация со станций с насосными установками, схема которой показана на фиг. 4, и с контрольно-распределительных пунктов, схема которого показана на фиг. 5. В следующий момент времени вычислительный комплекс, используя информацию в банках данных, производит расчет по измерению расхода теплоносителя и количества тепла. Затем расчетные данные направляются для дальнейшей обработки и принятия решения по выполнению режима работы тепловой сети. В настоящее время составляется математическая модель тепловой сети, по которой на основании полученных данных расчет текущих параметров сети будет производится автоматически в реальном масштабе времени, а сама сеть в динамике будет представляться на широкоформатном экране монитора вычислительной машины для ее анализа ответственным за состояние сети обслуживающим персоналом, с учетом гидравлических, тепловых и других параметров сети.