способ автоматического регулирования расхода тепла в тепловой сети при двухконтурной системе отопления

Формула изобретения

Способ автоматического регулирования расхода тепла в тепловой сети при двухконтурной системе отопления, заключающийся в обеспечении оптимального режима тепловой сети путем поддержания заданных соотношений между давлениями и температурами в прямом и обратном трубопроводах сети, содержащей первый контур с источником тепла, сетевой насос с выходом на теплообменник, к которому подключен второй контур тепловой сети с циркуляционным насосом и системой отопления с регулированием параметров сети с помощью регуляторов, установленных в трубопроводах сети непосредственно в потоке теплоносителя, отличающийся тем, что сигналы с датчиков давлений и температур подаются в микропроцессорные контроллеры, с которых для обработки и хранения они подаются в ЭВМ, а изменение расхода теплоносителя и его регулирование осуществляется насосными установками с частотными преобразователями по способу, когда от датчиков давления, находящихся на приеме и выходе насоса, а также от датчика активной мощности, потребляемой электродвигателем привода насоса, подаются сигналы в микропроцессорный контроллер, а затем - в ЭВМ, где по ним вычисляется подаваемая теплота по формулам

G=Q(T_п -T_o)c, Гкал/с,

где Q=А(1-е ^-M/m), м³/с,

или G=A(1-e ^-M/m)(T_п-T_o )с, Гкал/с,

где Q - расход теплоносителя, м ³/с; А и m - расчетные коэффициенты; с - теплоемкость перекачиваемой жидкости; Т_п - температура в подающем трубопроводе, °С; Т_о - температура в обратном трубопроводе, °С; М - расходный коэффициент, который равен

где эксплуатационный коэффициент _эк равен

коэффициент сходимости К равен

К=M _н/[(N/p) _эк-(N_o/p _o)],

где N·N_o·p-p _o - мощность на валу насоса N, кВт, и развиваемое насосом давление р, МПа, в период измерения и мощность на валу насоса N_o, кВт, и давление, создаваемое насосом, р_о, МПа при работе насоса на закрытую задвижку, взятые из паспортной характеристики насоса или полученные заранее экспериментально, при этом обеспечивается программное регулирование подаваемого тепла от источника и создаваемого давления в соответствии с программой, заложенной в микропроцессорном контроллере первого контура с учетом наружной температуры и потерь в сети, при этом регулирование расхода осуществляется частотным преобразователем путем изменения частоты вращения вала насоса, тепло из первого контура тепловой сети поступает по заданной программе в теплообменник, где оно передается во второй контур сети, в котором с помощью циркуляционного насоса и регулятора подпитки поддерживаются заданные соотношения между давлениями и температурами в прямом и обратном трубопроводах сети, при которых обеспечивается оптимальный режим работы сети, когда количество тепла, подаваемого от источника тепла, G_ит, равно количеству тепла, отпускаемого потребителю, G_со, с номинальными потерями G_пл в сети

G _ит- G_пл=G_со, Гкал/ч,

при невозможности поддерживать заданный перепад температуры в прямом и обратном трубопроводах второго контура тепловой сети подается команда на сетевой насос первого контура, который снижает расход до тех пор, пока во втором контуре не наступит заданное соотношение между давлениями и температурами в прямом и обратном трубопроводах, и при необходимости сетевой насос первого контура останавливается на определенное время, пока во втором контуре поддерживается заданное соотношение между давлениями и температурами в сети, при которых система отопления работает в заданном режиме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам теплоснабжения городов и других населенных пунктов и может быть использовано для автоматического учета и регулирования расхода тепла в системах теплоснабжения.

Современные системы теплоснабжения являются сложными инженерными сооружениями, особенностью которых является 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 режима, а другая для регулирования гидравлического режима. Реализация этой задачи требует знания большого количества первичной информации о параметрах тепловой сети, получаемых в реальном масштабе времени, и, как следствие, большого количества соответствующей аппаратуры.

Известны способы и устройства для регулирования, измерения и учета расхода тепла, которые характеризуются следующими показателями: для измерения расхода необходимо в потоке жидкости устанавливать первичные датчики, эксплуатационная надежность и экономичность которых не отвечает требованиям сегодняшнего дня, поэтому они широкого применения не нашли; для регулирования расхода необходимо устанавливать регуляторы расхода, что экономически невыгодно; для большого изменения расхода используются насосы различной производительности, что понижает надежность системы и приводит к дополнительным эксплуатационным затратам; наличие нескольких насосных установок с различной производительностью приводит к большой дискретности изменения расхода, что понижает эффективность регулирования. / Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы: Справочное пособие. / Под. ред. В.Д.Кашарского. - Л.: Машиностроение, 1976 / [1]. / Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: Справочник / В.И.Манюк, Я.И.Каплинский, Э.Б.Хиж и др. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1988. - 432 с. [2]. / Учет и контроль расхода энергоносителей и тепловой энергии. Методы и приборы / Каханович В.С. [ и др.], Под ред. B.C.Кахановича. - М.: Энергия, 1990 / [3].

В предлагаемых способах регулирования измерение расхода производится без установки измерительных средств в потоке жидкости, так как сам насос является расходомером, что повышает надежность системы и снижает эксплуатационные расходы на ее обслуживание. Регулирование расхода осуществляется преобразователем частоты с использованием только одной насосной установки.

Известны также способы определения расхода жидкости и тепла по параметрам насосной установки / Пат. 2119148 Российская Федерация, МПК⁶ G01F 1/34. Способ измерения массового расхода и плотности жидкости, подаваемой центробежным электронасосом / Кричке В.О., Громан А.О., Кричке В.В. - №96104446; заявл. 05.03.96; опубл. 20.09.1998, Бюл. №26 / [4].

Известна автоматизированная система для измерения и учета расхода теплоносителя и тепла в системах теплоснабжения / Пат. 2144162 Российская Федерация, МПК 7 F24D 19/10. Автоматизированная система для измерения и учета расхода теплоносителя и тепла в системах теплоснабжения / Кричке В.О., Громан А.О., Кричке В.В. - №96114663 заявл. 16.07.96; опубл. 10.01.2000 Бюл. №1 / [5]. Недостатками этих способов является то, что измерение расхода теплоносителя производится непосредственно насосными установками, однако в них не рассматриваются двухконтурные системы отопления и использования для регулирования подачи теплоносителя частотных преобразователей.

Сущностью изобретения является обеспечение теплового баланса в тепловой сети, когда количество тепла, подаваемого за определенное время источником тепла, равно количеству тепловой энергии, расходуемой потребителем тепла с учетом ее потерь в сети при высокой надежности и экономичности используемых технических средств.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и экономичности в регулировании расхода тепла в тепловой сети.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе автоматического регулирования расхода тепла в тепловой сети при двухконтурной системе отопления, заключающемся в обеспечении оптимального режима тепловой сети путем поддержания заданных соотношений между давлениями и температурами в прямом и обратном трубопроводах сети, содержащей первый контур с источником тепла, сетевой насос с выходом на теплообменник, к которому подключен второй контур тепловой сети с циркуляционным насосом и системой отопления с регулированием параметров сети с помощью регуляторов, установленных в трубопроводах сети непосредственно в потоке теплоносителя, особенностью является то, что сигналы с датчиков давлений и температур подаются в микропроцессорные контроллеры, с которых для обработки и хранения они подаются в ЭВМ, а изменение расхода теплоносителя и его регулирование осуществляется насосными установками с частотными преобразователями по способу, когда от датчиков давления, находящихся на приеме и выходе насоса, а также от датчика активной мощности, потребляемой электродвигателем привода насоса, подаются сигналы в микропроцессорный контроллер, а затем - в ЭВМ, где по ним вычисляется подаваемая теплота по формулам:

G=Q(Т_п -Т_о)с, Гкал/с,

где Q=A(1-e ^-M/m), м³/с

или G=А(1-е ^-M/m)(Т_п-Т_о )с, Гкал/с,

где Q - расход теплоносителя, м ³/с; А и m - расчетные коэффициенты; с - теплоемкость перекачиваемой жидкости; Т_п - температура в подающем трубопроводе, °С; Т_о - температура в обратном трубопроводе, °С; М -расходный коэффициент, который равен

,

где эксплуатационный коэффициент _эк равен

,

коэффициент сходимости К равен

К=М _н/[(N/p) _эк-(N_o/p _o)],

где N·N_o·р-р _о - мощность на валу насоса N кВт и развиваемое насосом давление р МПа в период измерения и мощность на валу насоса N _o кВт и давление, создаваемое насосом р _о МПа при работе насоса на закрытую задвижку, взятые из паспортной характеристики насоса или полученные заранее экспериментально, при этом обеспечивается программное регулирование подаваемого тепла от источника и создаваемого давления в соответствии с программой, заложенной в микропроцессорном контроллере первого контура с учетом наружной температуры и потерь в сети, при этом регулирование расхода осуществляется частотным преобразователем путем изменения частоты вращения вала насоса, тепло из первого контура тепловой сети поступает по заданной программе в теплообменник, где оно передается во второй контур сети, в котором с помощью циркуляционного насоса и регулятора подпитки поддерживаются заданные соотношения между давлением и температурой в прямом и обратном трубопроводах сети, при которых обеспечивается оптимальный режим работы сети, когда количество тепла, подаваемого от источника тепла G _ит, равно количеству тепла, отпускаемого потребителю

G_со с номинальными потерями G_пл в сети

G _ит- G_пл=G_co, Гкал/ч;

при невозможности поддерживать заданный перепад температуры в прямом и обратном трубопроводах второго контура тепловой сети подается команда на сетевой насос первого контура, который снижает расход до тех пор, пока во втором контуре не наступит заданное соотношение между давлениями и температурами в прямом и обратном трубопроводах, и при необходимости сетевой насос первого контура останавливается на определенное время, пока во втором контуре поддерживается заданное соотношение между давлениями и температурами в сети, при которых система отопления работает в заданном режиме.

Доказательство существенных признаков предлагаемого способа регулирования расхода тепла в тепловой сети при двухконтурной системе отопления производилось только по сравнению с указанными выше.

На фиг.1 дана схема двухконтурной системы отопления.

На фиг.2 даны условные температурные графики подачи теплоносителя во времени: а - в первом контуре регулирования и б - во втором контуре регулирования.

На фиг.3 для примера даны рабочие характеристики центробежного электронасоса СЭ 1250-14-11 вместе с расходной характеристикой M-Q.

На фиг.1 изображена двухконтурная система отопления в тепловой сети, которая состоит из: котельной установки 1, узла управления процессом горения в котле 2, сетевого насоса 3, тепловой сети первого контура 4, теплообменника 5 у потребителя тепла, циркуляционного насоса 6 второго контура, тепловой сети 7 второго контура, системы отопления 8, регуляторов подпитки 9 - первого контура и 10 - второго контура.

Задача регулирования состоит в том, чтобы обеспечить такой режим работы тепловой сети, при котором количества тепла G _ит подаваемой котельной установкой 1 с учетом потерь в линии G_пл были равны количеству тепла G _co, потребляемого в системе отопления 8.

Для обеспечения регулирования в системе предусмотрена установка следующих приборов и технических средств. Для измерения температуры - датчики температуры с электрическим выходом ТТ1, ТТ2, ТТ3, ТТ4, ТТ5 и ТТ6. Для измерения давления - датчики давления с электрическим выходом РТ7, РТ8, РТ9, РТ10, РТ11, РТ12, РТ13 и РТ14. Для измерения активной мощности потребляемой электродвигателями привода насосных установок - датчики мощности или счетчики активной энергии PW15, PW16. Для регулирования частоты вращения роторов электродвигателей приводов, а следовательно, валов насосов с целью регулирования их производительности имеется частотный преобразователь ЧП. Сигналы от всех датчиков поданы для обработки в микропроцессорные контроллеры К1, К2 и К3, выходы с которых поданы в ЭВМ, которая находится на диспетчерском пункте. Управление пуском насосов осуществляется пускателями SA1 и SA2 с кнопками SB1 и SB2, а управление котлом через узел управления УУК кнопкой SB3. Для поддержания заданных давлений служат регуляторы подпитки в первом контуре PC17 и во втором контуре PC18.

Задача регулирования состоит в том, чтобы обеспечить такой режим работы тепловой сети, при котором количество тепла G_ит было равно количеству тепла G _со, потребляемого в системе отопления 8

G _ит- G_пл=G_co, Гкал/ч

При этом обеспечивается отношение, при котором количество подаваемого тепла котельной установкой должно находиться в строгом соответствии с теплом, которое обратно возвращается к котельной установке. Этим обеспечивается минимальная потеря тепла при его транспортировке от источника к потребителю. Количество подаваемого тепла по заданной программе регулируется в зависимости от температуры наружного воздуха. На фиг.2а дан график программируемой температуры T₁ теплоносителя, идущего от источника тепла G_ит при номинальной потребности Т ₂ с учетом ее потери T=T₁-Т₂ в сети и график фиг.2б программного изменения температуры Т ₂ при подачи тепла G_со от теплообменника во втором контуре. При этом потери G в сети равны

G=G_ит-G_co, Гкал/ч

График программного изменения температуры Т ₂ во втором контуре по своему характеру изменения сходится с графиком изменения температуры T₁ в первом контуре.

Регулирование давления и температуры в сети производится следующим образом. В микропроцессорном контроллере К1 предварительно заложена программа по поддержанию заданных значений давления и температуры подаваемого теплоносителя. Значение давления в сети контура один измеряется в подающем трубопроводе датчиком давления РТ11, а в обратном трубопроводе датчиком давления РТ12, сигналы с которых поданы в микропроцессорный контроллер К1, который сравнивает их с заданными значениями, заложенными в программе, и контролирует соотношения давлений на подающем и обратном трубопроводах сети. При отклонении давлений от заданных соотношений контроллер вырабатывает сигнал, который подается в частотный преобразователь ЧП. Последний меняет частоту вращения двигателя насоса, что приводит к изменению подачи и напора, создаваемого насосом, и это делается до тех пор, пока значения измеряемых давлений не будут равны заданным. В случае утечки теплоносителя в первом контуре его компенсация реализуется с помощью регулятора подпитки PC 17 с жидкость, поступающей из емкости с реагентом. Сигналы с датчиков температуры ТТ1 - подаваемого теплоносителя и ТТ2 - наружной температуры воздуха также поданы в микропроцессорный контроллер К1, который сравнивает их с заданными значениями температуры, заложенными в программу контроллера, и если эти значения отклоняются от заданных, то микропроцессорный контроллер К1 выдает сигнал в узел управления 2 процессом горения в котле УУК для изменения температуры подаваемого теплоносителя до тех пор, пока эти значения не будут равны заданным. Одновременно с помощью сетевого насоса 3 измеряется расход тепла в сети, когда насос является одновременно расходомером [1].

При этом датчик давления РТ7 на входе в насос, датчик давления РТ8 на выходе из насоса и датчик мощности PW 15, измеряющий активную мощность, потребляемую электродвигателем привода насоса, подают сигналы в микропроцессорный контроллер К3, который по этим данным определяет расход тепла G по формуле:

G=Q(Т_п-Т_о)с, Гкал/с,

где Q=A(1-e^-M/m), м³ /с

или G=A(1-e^-M/m)(Т _п-Т_о)с, Гкал/с,

где Q - расход теплоносителя, м³/с; А и m - расчетные коэффициенты; с - теплоемкость перекачиваемой жидкости; Т _п - температура в подающем трубопроводе, °С; Т _о - температура в обратном трубопроводе, °С;

М - расходный коэффициент, который равен

,

где эксплуатационный коэффициент _эк равен

,

коэффициент сходимости К равен

К=М _н/[(N/p) _эк-(N_o/p _o)],

где N·N_o·р-р _о - мощность на валу насоса N кВт и развиваемое насосом давление р_o МПа в период измерения и мощность на валу насоса N_o кВт и давление, создаваемое насосом р_о МПа при работе насоса на закрытую задвижку, взятые из паспортной характеристики насоса или полученные заранее экспериментально. Значение расхода находится по базовой расходной характеристике насоса М-Q, которая дана на фиг.3, по приведенной формуле или непосредственно по характеристике. Для этого по вычисленному значению расходного коэффициента М находится точка А на графике, затем на расходной характеристике M-Q точка В, а по ней расход Q точка С. Таким образом в первом контуре тепловой сети по заданной программе (фиг.2а) поддерживаются заданный график температуры в сети и соответствующий перепад давления на теплообменнике 5. Во втором контуре тепловой сети через теплообменник 5 поступает температура по графику, заложенному в микропроцессорном контроллере К1 первого контура. Тепло из первого контура тепловой сети поступает по заданной программе, заложенной в контроллере К1 в теплообменник 5, где оно передается во второй контур тепловой сети, в котором с помощью циркуляционного насоса 6 второго контура и регулятора подпитки второго контура 10 поддерживаются заданные соотношения между давлениями и температурами в прямом и обратном трубопроводах сети, при этом обеспечивается оптимальный режим работы сети, при котором количество тепла, поданного от источника тепла G_ит, равно количеству тепла, отпускаемого на отопление G_со при номинальных потерях тепла G_пл в сети, и равно

G _ит- G_пл=G_со, Гкал/ч.

При невозможности поддерживать заданные перепады температур в прямом и обратном трубопроводах второго контура подается команда на сетевой насос первого контура, который снижает расход до тех, пор пока во втором контуре не наступит заданное соотношение между давлениями и температурами в прямом и обратном трубопроводах. При необходимости сетевой насос первого контура может быть остановлен на определенное время, пока во втором контуре поддерживается заданное соотношение между давлением и температурой, при которых система отопления работает в заданном режиме. Задачей регулирования во втором контуре является поддержание соотношения температур и давлений в прямом и обратном трубопроводах с помощью микропроцессорного контроллера К2, в который от датчиков температур ТТ5 и ТТ6 и датчиков давления РТ13 и РТ14 соответственно подаются сигналы о значении температур и давлений в подающем и обратном трубопроводе второго контура, которые микропроцессорным контроллером К2 сравниваются с заданными значениями, и если они не равны заданным значениям, то микропроцессорный контроллер К2 выдает команду на регулятор подпитки PC 18 для поддержания заданного соотношения давлений в подающем и обратном трубопроводах второго контура и команду на контроллер К1, который меняет частоту вращения вала сетевого насоса 3 до тех пор и в такую сторону, чтобы эти давления были равны заданным. Одновременно от датчиков давления РТ9 и РТ10 и датчика мощности PW16 подаются сигналы также в микропроцессорный контроллер К2, который по ним вычисляет расход тепла, потребляемого системой отопления 8. Если запрограммированные соотношения между температурами ТТ5 и ТТ6 в подающем и обратном трубопроводах не поддаются реализации, то микропроцессорный контроллер К2 подает команду микропроцессорному контроллеру К 1 для изменения режима работы первого контура с помощью регулирования расхода сетевого насоса 3 преобразователем частоты ЧП. Это делается до тех пор, пока параметры сети по давлению РТ11 и РТ12 и температуре ТТ3 и ТТ4 не будут равны заданным. При определенных режимах работа тепловой сети сетевой насос 3 может быть на определенное время остановлен до тех пор, пока во втором контуре не будет обеспечиваться заданный режим работы отопления по соотношению давлений РТ9 и РТ12 и температур ТТ5 (130^-70°С) и ТТ6 (95-70°С) на подающем и обратном трубопроводах. В результате такого регулирования обеспечивается оптимальный тепловой комфорт у потребителей при минимальных экономических затратах.

Источники информации

1. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы: Справочное пособие / Под. ред. В.Д.Кашарского. - Л.: Машиностроение, 1976.

2. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: Справочник / В.И.Манюк, Я.И.Каплинский, Э.Б.Хиж и др. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1988. - 432 с.

3. Учет и контроль расхода энергоносителей и тепловой энергии. Методы и приборы / Каханович B.C. и др. Под ред. B.C.Кахановича. - М.: Энергия, 1990.

4. Пат. 2119148 Российская Федерация, МПК⁶ G01F 1/34. Способ измерения массового расхода и плотности жидкости, подаваемой центробежным электронасосом / Кричке В.О., Громан А.О., Кричке В.В. - №96104446; заявл. 05.03.96; опубл. 20.09. 1998, Бюл. №26.

5. Пат. 2144162 Российская Федерация, МПК 7 F24D 19/10. Автоматизированная система для измерения и учета расхода теплоносителя и тепла в системах теплоснабжения / Кричке В.О., Громан А.О., Кричке В.В. - №96114663; заявл. 16.07.96; опубл. 10.01. 2000, Бюл. №1.