Опыт реконструкции системы теплоснабжения промышленных зданий с целью минимизации теплопотребления

Ю. А. Табунщиков, президент НП «АВОК»

М. С. Бернер, начальник энергетического управления производственного объеденения «Москвич»

На Автомобильном заводе им. Ленинского комсомола (АЗЛК) в Москве была успешно осуществлена реконструкция системы теплоснабжения, задачами которой являются: обеспечение существенной экономии энергии, затрачиваемой на отопление и вентиляцию производственных помещений; повышение качества теплового комфорта; повышение качества контроля технического состояния оборудования системы; создание банка возможных аварийных ситуаций, их диагностики и рекомендаций по ведению технологического процесса – теплоснабжения здания и работе обслуживающего персонала в этих условиях.

Корпус производственного здания представляет в плане прямоугольник длиной 576 м и шириной 220 м, из которых 50 м занимает одноэтажная часть и 170 м – двухэтажная. К зданию примыкают 4 бытовых корпуса, соединенных с ним переходами. Двухэтажная часть имеет высоту 20 м и объем 2 млн м³, одноэтажная – высоту 15 м и объем 0,5 млн м³. Кровля здания плоская с горизонтальными световыми проемами. Суммарная площадь боковых ограждений – 31 240 м², из которых площадь наружных стен – 16 967 м². Площадь двойного остекления в металлическом переплете 2 827 м², одинарного остекления 11 446 м². Площадь стен составляет 53 %, а площадь остекления – 47 % площади боковых ограждений. В здании расположены цеха: гальванический, окраски, кузовной, испытаний, транспортный, участок зарядки аккумуляторов, склад деталей смежных поставок, участок зарядки и ремонта электропогрузчиков и др.

На Автомобильном заводе им. Ленинского комсомола (АЗЛК) в Москве была успешно осуществлена реконструкция системы теплоснабжения, задачами которой являются: обеспечение существенной экономии энергии, затрачиваемой на отопление и вентиляцию производственных помещений....

Источником теплоснабжения является ТЭЦ № 8 Мосэнерго. Отпускается перегретая вода от ТЭЦ по центральному качественному регулированию по отопительному графику. Отопление здания осуществляется двумя системами: через приточную вентиляцию и дежурное отопление рециркуляционными отопительными агрегатами. К каждому цеху от теплового пункта подходят два магистральных теплопровода. Наружный воздух очищается в приточных камерах, нагревается и при необходимости увлажняется. Количество теплоты, подаваемой в помещение от отопительно-вентиляционных агрегатов, регулируется в соответствии с проектом, т. е. происходит качественное регулирование по показаниям датчика, измеряющего температуру приточного воздуха.

Приточные камеры размещены в двух зонах. Забор наружного воздуха осуществляется по фасаду здания и над кровлей. Воздух от приточных камер поступает в общий коллектор, расположенный под потолком междуэтажного перекрытия. Каждый коллектор объединяет от 2 до 8 приточных камер. Всего установлены 44 приточные камеры производительностью 200 тыс. м³/ч каждая. Удаление воздуха из помещений осуществляется крышными вентиляторами.

Реконструкция системы теплоснабжения включает следующие работы: дооборудование отопительно-вентиляционных агрегатов устройствами для регулирования количества приточного воздуха; устройство узла смешения, обеспечивающего регулирование температуры воды, подаваемой к калориферам отопительно-вентиляционных агрегатов, за счет подмешивания охлажденной воды из обратного теплопровода; создание автоматизированной системы управления тепловым режимом производственных помещений. Отопительно-вентиляционные агрегаты, оборудованные устройствами для регулирования количества приточного воздуха, обеспечивают экономию энергии за счет снижения кратноcти вентиляционного воздухообмена в помещениях в праздничные, воскресные дни и нерабочие ночные часы, снижения количества подаваемого в помещения нагретого воздуха в результате учета в воздушном балансе фильтрационного воздуха при обеспечении нормативного воздухообмена.

Создание автоматизированной системы управления тепловым режимом производственных помещений обеспечивает эффективное решение комплекса задач, связанных с повышением качества и надежности регулирования, экономией тепловой и электрической энергии, снижением трудозатрат на обслуживание и профилактику системы теплоснабжения и т. д. АСУ состоит из трех функциональных взаимосвязанных частей:

– измерительной, включающей датчики нерегулируемых параметров (температуры и влажности наружного воздуха, атмосферного давления, направления и скорости ветра, интенсивности солнечной радиации, температуры теплофикационной воды, поступающей с ТЭЦ); регулируемых параметров (температур внутреннего и приточного воздуха, прямой и обратной воды) и устройства преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму; сюда же входят сигнализаторы предельных значений и индикаторы положений дополнительных механизмов;

– центральной, служащей для сбора и обработки данных измерений и подачи команд на исполнительные механизмы и включающей линии связи, коммутаторы, ЭВМ и пульт управления;

– исполнительной, управляющей через специальные устройства работой механизмов систем отопления и вентиляции.

АСУ функционирует следующим образом. От датчиков измерений, расположенных в различных помещениях и частях здания, информация по линиям связи через коммутаторы поступает в запоминающие устройства ЭВМ. Периодически эта информация обрабатывается специальными программами, сравнивается с требуемым на данный момент времени режимом и, в случае отклонения, вырабатываются необходимые сигналы, которые подаются на исполнительные механизмы регулирования вентиляционно-отопительной системы. Обслуживающий персонал может в любой момент времени получить на экране видеотерминала данные о любой точке объекта и при необходимости вмешаться в работу системы. Кроме того, система немедленно сообщает о наличии аварийной ситуации и диагностирует ее.

Создание АСУ тепловым режимом включает следующие работы: детальное обследование объекта, особенностей системы отопления, вентиляции и воздухораздачи в помещениях, включая натурные исследования теплового режима и теплозащитных показателей зданий; анализ технологического процесса – теплоснабжения здания как объекта управления с выявлением главных предполагаемых источников эффективности создаваемой автоматизированной системы; разработка блок-схемы и состава информационно-управляющего комплекса; выбор технических средств для обеспечения работы системы; разработка программного и информационного обеспечения, включая систему математических моделей теплового режима объекта как единой теплоэнергетической системы.

Работа по созданию АСУ состоит из следующих стадий, каждая из которых автономна и может рассматриваться как один из видов развития существующей на объекте системы автоматики:

– режим диспетчеризации с использованием мини-ЭВМ;

– информационно-вычислительный режим, содержащий все элементы предыдущей стадии и дополненный программами для расчета основных показателей процесса (температуры воды в подаваемом трубопроводе, температуры приточного воздуха, количества приточного воздуха и т. д.). Анализ информации, выработка решений и реализация управляющих воздействий на этой стадии возлагаются на оператора и обслуживающий персонал;

– режим «советчика» обслуживающего персонала, содержащий все элементы предыдущей стадии и дополненный возможностью анализа и принятия решений с выдачей рекомендаций по управлению («советов»);

– режим супервизорного управления, когда ЭВМ включена в замкнутый контур управления и вырабатывает управляющие воздействия по изменению заданий автоматическим системам регулирования, направленные на поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки путем операторного воздействия на него;

– режим непосредственного прямого цифрового управления исполнительными механизмами. Автоматические регуляторы исключаются из системы или используются как резерв.

Детальное обследование объекта, которое во всех случаях является первым этапом разработки АСУ, включает комплекс натурных исследований: определение особенностей распределения температуры внутреннего воздуха в плане и по высоте помещений; установление теплоаккумуляторных характеристик внутреннего оборудования и продукции, а также здания в целом; определение физических теплозащитных показателей наружных ограждений; оценка инерционности системы отопления; выявление характерных участков в зонах действия приточных камер для выбора мест установки датчиков температуры; определение технологических поступлений.

Во время наблюдений проводились измерения: температуры, влажности, скорости и направления движения наружного воздуха, интенсивности солнечной радиации, перепада давлений воздуха с обеих сторон различных ориентированных ограждений, температуры и расхода приточного воздуха каждой приточной камеры, температуры и влажности внутреннего воздуха в плане и по высоте здания в каждом помещении, температуры внутренних и наружных поверхностей оборудования и изделий.

Методика эксперимента определялась конкретной задачей, на решение которой он был направлен. Учитывая значительную протяженность здания и необходимость получения одновременных результатов измерений, в экспериментах участвовало, как правило, 8–12 чел., в том числе сотрудники АЗЛК, занимающиеся эксплуатацией системы отопления.

Структурная схема АСУ тепловым режимом производственного здания представлена на рисунке.

При разработке математической модели формирования теплового режима производственного здания АЗЛК избран термодинамический подход, иногда называемый системным, который позволяет рассматривать систему «отопительная установка – объект» как взаимосвязанную нелинейную систему с переменной структурой [1]. Математическая модель представляет собой систему уравнений теплового баланса, описывающую воздухообмен, технологические теплопоступления, наружные климатические воздействия, теплопотери через наружные ограждения за счет теплопроводности и путем фильтрации наружного воздуха, теплосодержание технологического оборудования, изделий и внутренних конструкций, процессы теплообмена в калориферах. Чтобы решить эту систему уравнений, разработаны метод решения и алгоритм расчета, а также написана на языке «Фортран» программа для ЭВМ [2]. Исходные данные вводятся во время диалога «ЭВМ – оператор»: ЭВМ спрашивает – оператор отвечает. Вводятся следующие данные: температура наружного воздуха; атмосферное давление; направление ветра; скорость ветра; относительная влажность наружного воздуха; температура воды, поступающей с ТЭЦ; технологический режим (рабочее или нерабочее время).

В результате оператор на экране дисплея получает рекомендацию, как вести процесс отопления и вентиляции. При желании оператор эту рекомендацию может распечатать на АЦПУ. При отладке и корректировке программы выводится дополнительная информация: количество инфильтруемого воздуха, давление под перекрытием, температура обратной воды и др.

Изменение температуры воды, подаваемой на разводящие трубопроводы по цехам, производится подмешиванием более холодной воды из обратного теплопровода в воду подающего. Регулирование количеством подмешиваемой воды выполняется изменением производительности циркуляционного насоса с помощью тиристорного электропривода. Датчики температуры воды устанавливают на теплопроводах с подаваемой и обратной водой; кроме того, измеряется расход теплофикационной воды.

Чтобы обеспечить защиту калориферов от замораживания, принято условие постоянства количества воды, проходящей через регулирующий клапан калорифера, – 0,7–0,75 его максимальной пропускной способности. В этом случае производительность калорифера регулируется температурой воды, проходящей через него. Количественное регулирование приточного воздуха осуществляется изменением количества оборотов вентилятора с помощью тиристорного привода.

Пакет специализированных программ делится на три группы: оптимизирующие, основные рабочие и вспомогательные обслуживающие системы.

Программа оптимизации расхода теплоты на отопление выполняет две основные функции: периодически вычисляет расход теплоты, необходимой для поддержания заданного микроклимата в отдельных местах здания в рабочее время, и определяет режим снижения температуры в нерабочие часы и повышения ее до заданного значения в рабочие часы.

Программа-наблюдатель позволяет следить за развитием процесса в течение длительного времени, выдает сообщения об отклонении за верхнюю или нижнюю границы заданных параметров. Получаемая информация необходима для контроля и оценки работы системы.

Программа тревоги реагирует на различные аварийные ситуации (выход из строя отопительно-вентиляционного оборудования и автоматики, разбитые стекла и т. д.) и диагностирует их.

Программа пуска и включения регулировочных отопительных устройств работает совместно с программой оптимизации и использует сведения о конкретных регулировочных исполнительных механизмах.

Рабочая программа осуществляет связь оператора с системой в форме диалога. С помощью этой программы можно изменить режим работы системы, а также получить различную информацию о ее работе.

Программы учета работы исполнительных механизмов накапливают сведения о часах их работы и сообщают о неисправностях, а также о сроках профилактических работ.

Программы вычисления общего расхода энергии и накопления этого расхода во времени получают и накапливают сведения за день, за неделю, за месяц и т. д.

Программа составления отчета ведет статистику данных измерений и вычислений, а также состояния оборудования отопления и вентиляции, печатает отчеты ежедневно, еженедельно, ежемесячно о средних, минимальных и максимальных значениях, аварийных сигналах, расходах, экономии энергии и пр.

Рисунок 1 (подробнее)   Структурная схема АСУ тепловым режимом производственных помещений

Выводы

1. Реконструкция системы теплоснабжения АЗЛК с целью оптимизации отопительного режима обеспечила до 20 % экономии затрат энергии за отопительный период и была осуществлена без существенных капитальных вложений и остановки технологического производственного процесса; окупаемость мероприятий по реконструкции была обеспечена за 5,4 мес.

2. Для достижения существенного снижения расхода тепловой энергии требуется тщательное изучение теплового режима здания в целом, включая натурные исследования. Должны быть проанализированы объемно-планировочные решения здания, теплотехнические качества ограждающих конструкций, параметры микроклимата в рабочей зоне, расстановка технологического оборудования, тепловыделения от оборудования и технологического процесса, возможности регулирования работы отопительно-вентиляционных устройств, области влияния этого оборудования, а также отдельных элементов (регуляторов, заслонок, шиберов, дросселей и т. п.).

3. АСУ должна строиться таким образом, чтобы она могла функционировать начиная с малой степени автоматизации и упрощенного математического обеспечения. Затем систему можно постепенно усложнять как по степени автоматизации, так и путем более полного учета в математической модели теплового процесса, происходящего в здании.

4. Систематическое накопление данных измерений теплового режима здания, значений параметров наружного воздуха в течение длительного времени и дальнейшая обработка их на ЭВМ представляет ценный материал для дальнейших исследований, направленных на сокращение потерь теплоты зданиями.

* Опыт реконструкции системы теплоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. – 1988. –№ 8. – С. 9–11.