Оптимизация системы теплоснабжения Минска

Е. М. Наумчик, генеральный директор СП «ТЕРМО-К» ООО, Республика Беларусь

Система не может, потребители не хотят

Сложившаяся в прежние годы схема теплоснабжения с графиком центрального качественного регулирования (ЦКР) и элеваторными присоединениями была оправдана низкими ценами на топливно-энергетические ресурсы, простотой, надежностью и универсальностью схемы, а также отсутствием или несовершенством приборов автоматического регулирования. Теплоснабжение Минска осуществлялось по традиционному графику ЦКР 150/70 °С.

Дешевизна схемы уравновешивалась пропорциональными издержками. Представление об интегральном качестве работы регуляторов прямого действия типа РР дает тот факт, что циркуляция от источников в ночное время в летнем режиме снижалась всего на 10–15 %, а в зимнем режиме, за счет отсутствия нагрузки ГВС в ночные часы и перераспределения теплоносителя в системы отопления, рост температуры обратной воды позволял пройти утренний пик ГВС без дополнительного топлива.

Отступление от графика ЦКР в начале 1990-х годов явилось отправной точкой, положившей начало цепи событий, приведших к необходимости автоматизации систем теплопотребления. События развивались следующим образом.

Ужесточение режима экономии энергоносителей в период недопоставок газа поставило энергосистему перед необходимостью жить по средствам. Приняли пониженный график ЦКР 120/70 °С, ввели срезку графика на 105 °С (а фактически на 95–100 °С), опустили точку излома графика с 70 °С до 61–63 °С. Кроме этого, вводились дополнительные директивные корректировки графика на понижение, т. е. топили столько, насколько хватало топлива.

Смещение точки излома графика ниже потребностей теплообменных характеристик парка существующих водоподогревателей ГВС привело к массовым перебоям в обеспечении потребителей горячей водой. Эксплуатирующие организации пресекали жалобы, «регулируя» ТРБ с помощью деревянного колышка. Гидравлические перемычки подобного рода возникали в таком количестве, что теплоснабжающая организация стала не в состоянии контролировать этот процесс. Циркуляция в сетях росла, располагаемые перепады на вводах снижались.

Снижение графика ЦКР и располагаемых напоров в сети привели к большому количеству недотопов зданий. Тепловые потери зданий не изменились, а потребность в тепле у не готовых к энергетическому кризису потребителей осталась на прежнем уровне. Поскольку людям никто не объяснил, что 13 °С в квартире это уже норма, а не отклонение, эксплуатирующие организации стали, что называется, тянуть одеяло на себя.

Начался сначала контролируемый (по жалобам потребителей), а потом и бесконтрольный, лавинообразный переход от качественного к «качественно-количественному регулированию», когда техники стали просто увеличивать диаметры сужающих устройств: шайб, сопл элеваторных узлов. В результате тепловые сети потеряли управляемость. За «развалом» гидравлики сетей последовали очевидные неприятности, например, в городе появились зоны дефицитного теплоснабжения. В водоподогревателях, присоединенных по двухступенчатой смешанной схеме, стал наблюдаться обратный теплообмен, когда низкая «обратка» из системы отопления догревалась в первой ступени бойлера. Произошло повсеместное снижение коэффициентов смешения элеваторных узлов с вертикальной разрегулировкой однотрубных систем отопления. Наблюдались массовые «провалы» элеваторных узлов, особенно в пиковые часы.

В общем, думать приходилось уже не об энергосбережении, а о спасении в целом системы централизованного теплоснабжения.

Неизбежность автоматизации

Возврат к высокотемпературному графику ЦКР был признан практически невозможным, поэтому выход виделся в переходе на качественно-количественное и количественное регулирование. Решение задачи количественного регулирования на местных системах должны были принять на себя системы автоматического регулирования (САР).

Рассмотрим, какие же задачи ставились перед программой автоматизации и каких результатов предполагалось достичь. Ожидалось, что тотальная автоматизация систем теплоснабжения позволит:

• ликвидировать перетопы в периоды температур наружного воздуха выше точки излома температурного графика (≈1000 ч/сезон);
• увеличить выработку электрической мощности на тепловом потреблении на ТЭЦ за счет снижения температуры обратной воды;
• снизить расход электроэнергии на транспорт теплоносителя за счет ограничения времени работы теплосети с максимальным расходом и общего снижения циркуляции;
• получить инструмент для экономии тепла за счет оптимизации режимов теплопотребления;
• улучшить гидравлические характеристики тепловых сетей за счет снижения циркуляции;
• решить проблемы, связанные с пьезометрическими характеристиками сети за счет установки РПД и насосов смешения (получить относительную независимость режимов систем потребления от входных параметров сети – температуры и располагаемого напора);
• выдерживать график системы отопления при нарушении графика ЦКР (качественно-количественное регулирование в диапазоне выдерживания ЦКР и количественное выше точки излома, ниже точки срезки и при отклонениях графика);
• оптимизировать режимы потребления под каждый конкретный объект с учетом погодных условий, конфигурации и ориентации зданий, графика потребления (режимы ночного снижения и выходных дней);
• компенсировать отклонения, вызванные транспортным запаздыванием температурной волны);
• компенсировать недотопы в периоды температур наружного воздуха ниже точки срезки температурного графика;
• решить проблемы, связанные с регулировкой систем отопления (обеспечение постоянства циркуляции);
• стабильно работать на системы отопления с переменным, регулируемым расходом;
• присоединять новые объекты (например, при уплотнении существующей застройки) без увеличения циркуляции в тепловых сетях;
• обеспечить значительную экономию топлива.

Обобщая, можно сказать, что полная автоматизация абонентских установок должна привести к перенесению основной доли регулирования на местные системы. Иначе говоря, «до» автоматизации регулирование было центральным (у источника), а «после» автоматизации должно стать местным (у потребителя).

Масштабы модернизации

За 5 лет (с 2001 по 2005 год) в Минске была проведена тотальная автоматизация абонентских установок на объектах ЖКХ, ЦТП теплоснабжающих организаций и прочих объектах различной ведомственной принадлежности.

В тепловых пунктах жилого фонда было установлено 6 359 систем автоматического регулирования потребления тепловой энергии, а также автоматизированы все 425 ЦТП.

Очень важно, что оснащение тепловых пунктов системами автоматического регулирования не ограничивалось простой установкой регулирующего клапана на «существующую трубу», а повсеместно сопровождалось модернизацией связанного оборудования:

• элеваторные узлы смешения заменены узлами регулирования с насосным смешением с применением экономичных бесшумных насосов;
• регуляторы расхода типа РР заменены регуляторами дифференциального давления;
• системы ГВС оснащены современными экономичными бесшумными насосами;
• значительная часть парка кожухотрубных водоподогревателей заменена на пластинчатые теплообменники;
• часть объектов переведена на независимую схему теплоснабжения;
• частично ликвидированы схемы централизованного горячего водоснабжения от ЦТП с заменой их на местные системы с индивидуальными водоподогревателями (переход от четырехтрубной схемы на двухтрубную);
• заменено устаревшее оборудование (арматура, грязевики, насосы) и трубопроводы;
• тепловые пункты оснащены стальными входными дверями с замками гаражного типа.

Таким образом, за 5 лет в Минске произошли революционные изменения в теплоснабжении – был совершен переход от качественного к качественно-количественному регулированию с перенесением основной доли регулирования на местные системы! Поскольку на начальном этапе автоматизации систем теплопотребления отечественный опыт по данной теме отсутствовал, неизбежно допускались как технические, так и организационные ошибки. К чести участников процесса следует отнести тот факт, что два раза на одни грабли не наступали: корректировки вносились по ходу дела оперативно.

Работа над ошибками в технических решениях

1. Применение схемных решений, при которых существующие элеваторные узлы дополняются регулирующим клапаном на подаче и корректирующим насосом на перемычке, при очевидной их дешивизне, следует признать непригодными для полноценного регулирования.

Во-первых, схема с насосом и гидроэлеватором не является полноценным узлом регулирования, а всего лишь корректирующей схемой для устранения перетопов при положительных температурах наружного воздуха, когда и включается корректирующий насос. Большую часть отопительного периода насосное оборудование не используется. Элеваторный узел, будучи ограничен по входу регулирующим клапаном, будет иметь переменный коэффициент смешения, что приведет к разрегулировке системы отопления. Теоретически предполагается, что при отключении корректирующего насоса обратный клапан на перемычке поднимется и начнется нормальная работа элеваторного узла… Но в силу малого перепада на перемычке и большого сопротивления клапана на открытие (загрязнение, вес, пружина) он остается закрытым и в систему поступает прямая вода с повышенной температурой. Устранение недотопов при температурах наружного воздуха ниже срезки графика при данной схеме также невозможно.

2. Сохранение существующих регуляторов расхода типа РР перед узлами регулирования недопустимо, т. к. РР не работают на системы с переменным расходом и не могут заменить регуляторы дифференциального давления (РПД). Применение РПД и РД (подпора) в схемах обязательно. Стабилизацию перепада давления на узлах регулирования следует считать таким же приоритетом, как стабильность напряжения электросети.

3. Существующие грязевики абонентских вводов следует признать непригодными для защиты регулирующих клапанов, насосов с мокрым ротором и пластинчатых теплообменников. Требуется установка фильтров тонкой механической очистки (с сеткой).

4. Даже при поэтапной модернизации следует сразу устанавливать двухканальный контроллер с перспективой на подключение второго контура регулирования.

5. Наличие циркуляционного насоса в схеме ГВС следует считать обязательным, а в тупиковых схемах ГВС организовывать циркуляцию через местное кольцо насосами малой производительности.

6. Управляющий датчик температуры ГВС должен быть погружного типа (без гильзы) и устанавливаться непосредственно на выходе из водоподогревателя, а датчик температуры наружного воздуха должен устанавливаться в месте, защищенном от солнечной инсоляции и тепловыделений здания.

7. Для нерегулируемых систем отопления (особенно однотрубных) приоритетом следует считать сохранение постоянства циркуляции в системе, иначе как следствие имеем вертикальную и горизонтальную разрегулировку системы отопления с реализацией принципа регулирования по наиболее холодному помещению и необоснованным подъемом температурного фона всего здания.

8. Следует максимально стремиться к сужению номенклатуры применяемых приборов регулирования до одного-двух видов в пределах одной эксплуатирующей организации (выгоды очевидны: проще подготовить обслуживающий персонал, меньше резерв на складе, взаимозаменяемость и т. д.).

9. Недопустимо применение шаровых клапанов и прочей запорной арматуры в качестве регулирующей. Желательно применять только седельные регулирующие клапаны.

10. Во избежание таких явлений, как кавитация, шумы, колебания параметров, отклонения режимов от заданных, ускоренный износ электрических исполнительных механизмов (ЭИМ), следует запретить применение регулирующих клапанов, не соответствующих по диаметру Ду и коэффициенту пропускной способности Kvs расчетным данным, а также ЭИМ не соответствующих по усилию и скорости хода штока.

11. Подбор насосов при различных схемных решениях следует производить в строгом соответствии с нормативной документацией.

Организационные ошибки

1. Нельзя забывать о комплексном подходе к связанной системе «источник – сети – нагрузка». Глубокой автоматизации в зоне источника тепла должна предшествовать или сопутствовать модернизация сетевых насосных групп.

В Минске на источниках не проводилась опережающая модернизация сетевых насосных групп, и они оказались не готовы к тотальной автоматизации потребительских систем.

Неготовность источников к глубокой автоматизации стала очевидной сразу после оснащения системами автоматического регулирования ЦТП в пределах зоны одной пиковой районной котельной (ПВК Орловская).

Так, весной, при работе от пиковой районной котельной, интегральная реакция САР, установленных  в зоне данного источника, привела к столь значительному росту давления в подающей магистрали, что во избежание повреждения сетей и абонентских присоединений пришлось временно, устраивать перепускные перемычки на ЦТП путем принудительного открытия регулирующих клапанов. Кстати, это убедительно всем доказало, что САР действительно эффективно работают!

2. При реализации программы автоматизации следует стремиться к локализации зон, концентрировать работы в зоне одного источника, одной тепломагистрали, одного квартала и т. п. А также соблюдать последовательность установки САР в направлении от источника к хвосту тепловой магистрали (начиная с участков ТМ с большим располагаемым напором). Большой территориальный разброс в ходе автоматизации приводит к тому, что эффект от установленных систем не дифференцируется.

3. Необходим комплексный подход. Установка САР, замена водоподогревателей и т. п. должны быть охвачены одним проектом. При этом монтаж САР и другие виды работ могут выполняться последовательно (даже в разные годы), но по одному (!) увязанному проекту.

4. Проведение индивидуальных испытаний и комплексного опробования оборудования с составлением отчета о наладке является обязательным видом работ, выполняемых подрядной организацией перед сдачей объекта в эксплуатацию.

Отсутствие данных о наладке, подкрепленных документально, неизбежно приведет к необходимости проведения повторной трудоемкой работы по наладке при сбоях в системе, некомпетентном вмешательстве и в других подобных случаях.

Результаты автоматизации систем теплоснабжения

По прошествии 5 лет с момента окончания основных работ по автоматизации систем теплоснабжения в городе можно резюмировать, что в результате удалось добиться следующих положительных моментов:

• снизить циркуляцию в тепловых сетях, за счет чего улучшить гидравлические характеристики сетей и снизить расход электроэнергии на транспорт теплоносителя;
• практически ликвидировать зоны дефицитного теплоснабжения;
• решить проблемы, связанные с пьезометрическими характеристиками сети за счет установки РПД и насосов смешения (получить относительную независимость режимов систем потребления от входных параметров сети – температуры и располагаемых напоров);
• ликвидировать перетопы в периоды температур наружного воздуха выше точки излома температурного графика (≈1000 ч/сезон);
• получить инструмент для экономии тепла за счет оптимизации режимов теплопотребления;
• выдерживать графики систем отопления при отклонении графика ЦКР;
• компенсировать отклонения, вызванные транспортным запаздыванием температурной волны;
• оптимизировать режимы потребления под каждый конкретный объект с учетом погодных условий, конфигурации и ориентации зданий, графика потребления (режимы ночного снижения и выходных дней);
• компенсировать недотопы в периоды температур наружного воздуха ниже точки срезки температурного графика;
• обеспечить относительно качественное горячее водоснабжение при температурах подающего теплоносителя 58–62 ºС (большая часть года);
• решить проблемы, связанные с разрегулировкой систем отопления (обеспечение постоянства циркуляции);
• стабильно работать на системы отопления с переменным, регулируемым расходом;
• получить экономию топлива 20–25 %;
• присоединять новые объекты без увеличения циркуляции в тепловых сетях.

Кстати, в период массовой автоматизации с 2001 по 2006 годы присоединение новых абонентов (жилищное строительство) проходило без увеличения средней циркуляции в тепловых сетях.

Кроме того, налажено производство отечественной элементной базы (контроллеры, регулирующие клапаны, ЭИМ, регуляторы давления), подготовлен обслуживающий персонал высокой квалификации и организована бесперебойная эксплуатация принципиально нового оборудования.

К некоторым издержкам автоматизации можно отнести появление дополнительной электрической нагрузки в ТП потребителей за счет потребления электроэнергии насосами на узлах регулирования отопления, а также прием на работу дополнительного эксплуатирующего персонала достаточно высокой квалификации (около 250 чел.).