Автоматизация систем тепло- и водоснабжения

Насосные узлы, которые проектировались в 1980-х годах, устроены довольно просто – центробежные агрегаты приводятся в движение асинхронными двигателями, включёнными через магнитный пускатель. Причём мощность мотора выбирается с большим запасом, в качестве перестраховки от падения входного давления и необходимости увеличения подачи. Регулирование напора, как правило, осуществляется перераспределением части потока жидкости с выхода насоса на его вход, что совершенно не эффективно.

Современные условия, в частности, требования к безаварийности систем тепло- и водоснабжения, а также стоимость электричества, диктуют новые правила. Сегодня насосные станции оснащаются интеллектуальными шкафами управления на базе контроллеров и преобразователей частоты. Рассмотрим данные решения подробнее.


Управление системами теплоснабжения

С момента принятия ФЗ «Об энергосбережении» в России активно ведётся реконструкция тепловых сетей. Вновь построенные и уже эксплуатирующиеся здания оснащаются балансировочными клапанами на стояках и радиаторными терморегуляторами. Установка подобного оборудования ведёт к замене элеваторов  на автоматизированные насосные узлы с управляемой подачей теплоносителя. Это связано с целым рядом технических недостатков традиционного решения:

Неспособности преодолеть повышенное гидравлическое сопротивление системы;

Перегреву стояков в тёплый период отопительного сезона и их охлаждению во время понижения температуры;

Невозможности поддержания температурного графика, т.к. элеватор – устройство с постоянным коэффициентом смешения.

Помимо решения данных проблем, автоматизированные узлы, в частности, шкафы управления, дают возможность реализовать визуальный и дистанционный контроль параметров теплоносителя и режимов работы циркуляционных насосов.

«Постоянное отслеживание характеристик системы позволяет заранее видеть возможные неполадки, до их глобального проявления, – говорит Михаил Борисов, руководитель направления систем автоматизации и управления компании GRUNDFOS, ведущего мирового производителя насосного оборудования. – Контроллеры CU352, которые входят в состав шкафов управления Control MPC нашей компании, дают возможность следить за оборудованием через локальную сеть, Интернет или с помощью SCADA-системы предприятия. Кроме того, Control MPC легко включается в нашу систему мониторинга GRM (Grundfos Remote Management) для регистрации данных и контроля через мобильную сеть. Поэтому отслеживать работу оборудования можно даже с помощью iPad».
Повсеместное внедрение автоматизированных насосных узлов ведёт к динамическому потреблению ресурсов. Получается, на ЦТП необходимо изменять подачу тепловой энергии таким образом, чтобы в сети не циркулировал перегретый теплоноситель. Много лет подряд данный вопрос решался дросселированием: в систему с перекачивающими насосами ставились специальные задвижки, которые ограничивали расход воды, но не снижали энергопотребление.

Сейчас, в период роста цен на энергоносители, такой вид регулирования полностью изжил себя. При строительстве новых и модернизации уже существующих тепловых пунктов применяются преобразователи частоты, за счёт которых изменяется скорость вращения рабочих колёс циркуляционных насосов. Оборудование даёт именно такой напор, который нужен, что позволяет сократить потери ресурсов, а также сэкономить электроэнергию.

Однако для достижения оптимальной работы системы и минимального энергопотребления не достаточно иметь высокоэффективное оборудование с регулировкой производительности. Не менее важна возможность корректной параллельной работы таких насосов в группе (если в системе их больше одного), т.е. необходима реализация эффективного каскадно-частотного регулирования, когда группой преобразователей частоты управляет внешний контроллер, отвечающий за выбор количества и скорости вращения насосов.

«Любое регулирование работающих насосов должно осуществляться строго с учётом их рабочих характеристик. Только так удастся добиться оптимизации производительности системы и экономии потребляемой энергии, – уверен Михаил Борисов (GRUNDFOS). – Например, в контроллеры CU352, при производстве шкафов управления Control MPC, загружаются данные кривой характеристики конкретных насосных агрегатов, с которыми этот шкаф будет работать. Эта информация позволяет рассчитать оптимальные, с точки зрения энергопотребления, частоту вращения и количество параллельно работающих насосов в данный момент времени, т.е. контроллер автоматически определяет, запустить ли один насос на 100% производительности либо два по 50%, либо 3 по 33%, и т. д.».


Опыт применения

Несколько лет назад была проведена реконструкция центрального теплового пункта, отвечающего за теплоснабжение самого знаменитого музея Санкт-Петербурга – Эрмитажа. Отечественное оборудование, типа К по 15 кВт, было заменено на новую систему, состоящую из двух насосов серии NB такой же мощности и шкафа управления Control MPC-E с преобразователями частоты. Энергоаудит, проведённый техническим персоналом музея вместе со специалистами компании GRUNDFOS, показал, что по сравнению со старой системой, новое оборудование экономит более 30% электроэнергии.


Управление системами водоснабжения

Основные задачи любой водораспределительной сети – обеспечение стабильной подачи воды, обнаружение и ликвидация разрывов труб, сокращение утечек и обеспечение минимальных эксплуатационных затрат.


Традиционная водораспределительная система состоит из одного рабочего насоса, обеспечивающего удовлетворение потребностей в постоянном давлении, которое поддерживается с помощью частотно-регулируемого привода. На случай отказа основного оборудования устанавливается резервный насос.

Современные шкафы управления позволяют реализовать иной алгоритм, называемый «пропорциональное регулирование». Система рассчитана на подачу необходимого потока при требуемом напоре. Вместо одного большого насоса используются несколько менее мощных агрегатов, каждый из которых работает в точке максимальной эффективности.
При таком алгоритме давление на выходе не поддерживается постоянным, а меняется пропорционально расходу системы:

h_l=f∙(L/D)∙(V^2/2g),где
hl – потеря напора на трение на интересующем участке трубопровода;
f – коэффициент трения Дарси-Вайсбаха;
L – длина трубы;
D – диаметр трубы;
V – скорость потока;
g – гравитационная постоянная.

Чем меньше расход, тем меньшее давление необходимо создавать при выходе из насосной станции. И, как следствие, снижается энергопотребление. При этом напор в точках водоразбора всегда поддерживается постоянным, за счёт снижения потерь на трение в системе при уменьшении расхода. Кроме того, функция пропорционального регулирования нивелирует избыточное давление в системе, которое обычно возникает при низком расходе и становится главной причиной разрывов трубопроводов и возрастающих потерь воды через существующие утечки.

«Один контроллер CU352, устанавливаемый в шкафах управления Control MPC, способен обеспечивать описанный выше режим работы сразу для нескольких параллельно работающих насосов (до 6-ти), а также мониторинг и дистанционное управление этой системой различными способами, – рассказывает Михаил Борисов (GRUNDFOS). – Кроме того, имеющиеся в контроллере дополнительные функции позволяют защищать трубопроводную систему от аварийных ситуаций, таких как разрывы, резкие скачки давления, гидроудары и т. д.».


Опыт применения

Осенью 2013 года в районе улиц Полянская и Красноармейская города Костромы была введена в эксплуатацию первая подземная повысительная насосная станция, обеспечивающая водоснабжение пяти девятиэтажных домов. «Новое оборудование запущено взамен старой станции, располагавшейся в отдельном здании, – поясняет Михаил Багранов, региональный представитель компании GRUNDFOS в Ярославле. – Помещение находилось в аварийном состоянии – его восстановление, ремонт стен и крыши стоили бы местному водоканалу почти 2 млн. рублей. Мы предложили установить «умную» систему повышения давления заглублённого типа. Стоимость земельных работ по сравнению с капитальным строительством оказалась невысока, а монтаж оборудования занял всего 1 день».
Станция представляет собой стеклопластиковый резервуар диаметром 2300 мм и высотой 2500 мм, укомплектованный готовой автоматической установкой на базе трёх насосов серии CRE и шкафом управления Control MPC. Установленный контроллер управляет насосами со встроенными преобразователями частоты, поддерживая заданный уровень давления в автоматическом режиме.

Использование «умного» оборудования позволило оптимизировать объёмы подачи воды и снизить потребление электроэнергии почти на 46% по сравнению с демонтированной станцией (даже несмотря на то, что на ней уже использовались ПЧ). В случае аварии или прорыва трубопровода контроллер CU352 с модулем беспроводной связи отправляет в диспетчерскую водоканала сообщение по GSM-каналу.

Россия выходит на новую ступень технического развития. Сегодня специалистам доступны по-настоящему инновационные решения. Дополнительным стимулом применения нового оборудования становится энергосбережение, которое на данном этапе переходит в разряд наиболее актуальных задач.