Имитационная установка полунатурного моделирования теплогидравлических режимов инженерных систем объектов различного назначения ЦКП ЮУрГУ

В настоящее время применение индивидуальных тепловых пунктов становится все более востребованным, а следовательно возрастает потребность в квалифицированных специалистах, устанавливающих и обслуживающих подобные системы. В сложившейся обстановке таких специалистов можно только вырастить, воспитать или переучить. Для таких целей может послужить натурный имитационный стенд «ENBRA» (аудитория 101/2 ЮУрГУ). Общий вид стенда моделирования теплогидравлических режимов инженерных систем изображен на рис. 1. Стенд [1] собран с использованием современного оборудования различных мировых брендов: контроллеры, автоматические вентили –

Рис. 1. Общий вид стенда полунатурного моделирования теплогидравлических режимов инженерных систем

Работа выполнена в рамках Государственного контракта № 16.552.11.7058 от 12.07.2012 г. Заказчик –

Министерство образования и науки Российской Федерации.

«Johnson Controls» (Америка) [2], насосы «Grundfos» [3], балансировочные клапана «Oventrop» [4], модули ввода/вывода, конвертер RS-485/AiBus-2 – «Tedia» [5], термодатчики «Sensit» [6], расходомеры «Enbra» [7], электрокотлы «Protherm» [8], холодильные агрегаты «Ferroli» [9], тепловой насос «Climat Master» [10] и т. д.

• 1.    Область применения. Решаемые задачи. Состав

Стенд предназначен для натурного моделирования тепло-гидравлических режимов инженерных систем и позволяет решать следующие задачи:

• 1.    Моделирование особенностей различных разводок тепловых сетей:

• •    отечественная однотрубная с нижней подводкой теплоносителя;

• •    европейская однотрубная с верхней подводкой теплоносителя с альтернативными отопительными приборами и термостатическими регуляторами;

• •    европейская двухтрубная с термостатическими регуляторами.

• 2.    Проведение гидравлической балансировки тепловой сети.

• 3.    Отработка штатных ситуаций:

• 1 ) изменение параметров окружающей среды:

• •    суточное и сезонное изменение температуры воздуха;

• •    изменение солнечной освещенности;

• •    изменение направления и скорости ветровой нагрузки;

• 2 ) воздействие потребителя:

• •    наличие внутренних источников тепла (количество людей в помещении, дополнительные обогревательные устройства, приборы приготовления пищи, работа систем освещения);

• •    принудительная вентиляция помещения при открытии окон и дверей;

• •    принудительное регулирование или отключение основных отопительных приборов;

• •    изменение условий теплоотдачи от отопительного прибора к воздуху помещения.

• 4.    Отработка нештатных и аварийных ситуаций:

• •    отклонение параметров теплоносителя от нормативных значений на входе в ИТП;

• •    отказ датчиков и исполнительных механизмов;

• •    отключение тепловой системы здания;

• •    ввод в эксплуатацию тепловой системы в начале отопительного сезона;

• •    образование воздушных полостей в системе теплоснабжения;

• •    утечка теплоносителя из тепловой системы.

В состав стенда входят следующие компоненты:

• •    ИТП, имеющий в своем составе 2 электрокотла по 24 кВт каждый, которые используются для нагрева теплоносителя (рис. 2);

Рис. 2. ИТП

• •    охладитель – система, имитирующая изменение параметров окружающей среды (рис. 3);

Рис. 3. Система, имитирующая изменение параметров окружающей среды

• •    блок из 9 имитационных климатических камер. В каждой камере находится по 3 радиатора для разных видов разводки отопления, а также холодильный агрегат (рис. 4);

Рис. 4. Блок имитационных климатических камер

• •    распределительный шкаф;

• •    система управления установкой: нижний уровень – контроллеры JCFX15,16, верхний – SCADA система LabVIEW.

• 2.    Гидравлическая схема

Упрощенная гидравлическая схема стенда представлена на рис. 5. Вода в первичной ветви нагревается двумя электрокотлами по 24 кВт каждый. Электрокотел состоит из трех ТЭНов, которые управляются ступенчато встроенным термостатическим регулятором, согласно выставленной на панели котла стенда. Нагретый теплоноситель поступает в пластинчатые теплообменники горячего водоснабжения и отопительной системы. Тепло посредством теплообменников передается из первичной ветви во вторичную ветвь системы отопления и ГВС. Циркуляция теплоносителя обеспечивается за счет работы циркуляционных насосов. Нагретый теплоноситель поступа- ет в отопительные радиаторы климатических камер согласно включенной разводке. Переключение разводок отопления осуществляется на АРМ-оператора в программе Monitor System.

Регулирование температуры воды, подаваемой во вторичную ветвь системы отопления, осуществляется регулировочным клапаном RV3 с электроприводом. Поддержание температуры ГВС во вторичном контуре обеспечивается работой регулировочного клапана RV4.

Охлаждение стенда осуществляется с помощью охладителя, который обеспечивает подачу охлажденной воды (до 6 °С) в холодильные агрегаты климатических камер. Холодильные радиаторы состоят из радиатора и вентилятора с возможностью ступенчатого изменения скорости вращения двигателя (задается в программе Monitor System).

Рис. 5. Гидравлическая схема разводки отопительной системы

Установка в своем составе имеет тройное исполнение разводок системы отопления включающая следующие схемы:

• •    отечественную однотрубную с нижней подводкой теплоносителя;

• •    европейскую однотрубную c верхней подводкой теплоносителя с альтернативными отопительными приборами и термостатическими регуляторами;

• •    европейскую двухтрубную с термостатическими регуляторами.

• 3.    Контуры управления

Разводки системы отопления работают независимо, в активном режиме одновременно может быть только одна разводка. Такое обилие разводок позволяет наглядно демонстрировать преимущества и недостатки того или иного варианта. Кроме того, в случае с европейскими разводками, на радиаторах установлены термостатические регуляторы, которые в автоматическом режиме поддерживают выбранную температуру в камере благодаря жидкостному чувствительному элементу. На данной установке используются термостатические регуляторы Oventrop UniLH и UniXH.

В стенде установлены котлы, имитирующие внешнюю теплоцентраль. Котлы подключены независимо, каскадный режим не используется. Контроллер в автоматическом режиме работы котлов (выбирается переключателями на панели шкафа) при включении обеспечивает постепенное подключение тэнов 2 и 3 последовательно для каждого котла. То есть изначально при подаче питания включены первые тэны обоих котлов, далее контроллер включает тэн 2 и 3 первого котла, а затем второго. Работой тэнов управляет термостатический регулятор согласно выставленной с помощью потенциометра стенда. Схема управления котлом представлена на рис. 6, где Тз и Тв – температура заданная потенциометром и температура воды на выходе котла соответственно.

Максимальная температура, выдаваемая котлом, составляет 80 °С. При достижении 100 °С сработает аварийный термостат и котел выключится. Кроме того, на стенде реализован дублирующий аварийный контур, с пороговыми датчиками Т54.02 и Т54.01. Датчики установлены на выходе каждого котла, уставка 90 °С.

Рис. 6. Контур управления котлом

Контур ГВС

Вода для нужд ГВС нагревается в пластинчатом теплообменнике. На выходном трубопроводе за теплообменником расположен датчик температуры, сигнал с которого подается на аналоговый вход контроллера, управляющего регулировочным вентилем RV4, обеспечивающим подачу отопительной воды в теплообменник (рис. 7). Привод вентиля имеет аварийную функцию, которая срабатывает при потере напряжения, поднятием штока вентиля в ускоренном режиме. Вентиль трехходовый, при поднятом штоке замыкается малый контур, через который в рабочем режиме происходит подмес воды, выходящей из теплообменника.

О превышении максимальной температуры ГВС (+65 °С) сигнализирует аварийный датчик температуры Т54.03, который расположен рядом с основным. При срабатывании аварийного датчика управляющая система закрывает регулирующий вентиль RV4 и включает аварийную сигнализацию.

Рис. 7. Контур регулирования ГВС

Контур системы отопления

Отопительная вода системы отопления (СО) нагревается в пластинчатом теплообменнике. На выходном трубопроводе за теплообменником расположен датчик температуры, сигнал с которого поступает на аналоговый вход контроллера, управляющего регулировочным вентилем RV3, обеспечивающим подачу отопительной воды в теплообменник (рис. 8).

Рис. 8. Контур управления системой отопления

О превышении максимальной температуры СО (80 °С) сигнализирует аварийный датчик температуры Т54.04, который расположен рядом с основным. При срабатывании аварийного датчика управляющая система закрывает регулирующие вентили и включает аварийную сигнализацию. Кроме того, на данный контур влияет имитационный сигнал наружной температуры Т20, который выставляется в программе «Monitor System» на вкладке ИТП. По умолчанию он равен –50 °С, при этом задвижка RV3 полностью открыта. Регулирование температуры подачи воды в систему отопления осуществляется по температурному графику (рис. 9). В случае дос- таточно высокого значения Т20, задвижка RV3 закрывается и отключаются циркуляционные насосы М2, М3(М4).

Рис. 9. Температурный график

Контур поддержания давления в ИТП

Дополнение воды в первичный контур системы проходит через вихревой фильтр FF06-1AA и систему водоподготовки AZFK1Z с часовым реле. В первичном контуре ИТП расположен датчик давления, данные с которого поступают в управляющую систему. При снижении давления воды происходит открытие шарового крана DN15 с приводом KV1.1. На рис. 10 представлен контур поддержания давления в ИТП, где Pз – заданное давление и P – давление в первичном контуре ИТП.

Если давление упадёт до минимального значения, то аварийный датчик пошлёт импульс в управляющую систему, и этим включит аварийную сигнализацию. Эта функция обеспечивается дифференциальным датчиком давления P53.01 c настройкой (1/0,4 бар).

Рис. 10. Контур поддержания давления в ИТП

Контур поддержания давления в СО

Дополнение воды во вторичный контур системы отопления (рис. 11) проходит через вихревой фильтр FF06-1AA и систему водоподготовки AZFK1Z с часовым реле. В обратной ветви отопительной системы со стороны теплообменника расположен датчик давления, который передает данные в управляющую систему. При снижении давления воды происходит открытие шарового крана DN15 с приводом KV1.2.

Рис. 11. Контур поддержания давления в СО

Если давление упадёт до минимального значения, то аварийный дифференциальный датчик давления (1/0,2 бар) пошлёт импульс в управляющую систему и этим включит аварийную сигнализацию.

Аварийные контуры и система предупреждения о затоплении помещения

На расстоянии 5 см над полом в ИТП расположен поплавковый датчик, который при затоплении водой закрывается, и подаёт сигнал в управляющую систему ИТП, которая остановит работу ИТП, перекроет подачу воды в ИТП и включит аварийную сигнализацию.

Перегрев помещения ИТП

На стене, на высоте 1,7–2,0 м от пола расположен комнатный термостат, который при превышении температуры в помещении выше +35 °С, пошлёт сигнал в управляющую систему ИТП, которая остановит работу ИТП, и включит аварийную сигнализацию.

Заключение

Имитационная установка полунатурного моделирования теплогидравлических режимов позволяет:

• •    отрабатывать различные методики управления теплоснабжением;

• •    проводить наглядное сравнение применяемых разводок отопления;

• •    демонстрировать преимущества использования термостатических регуляторов;

• •    проводить гидравлическую балансировку тепловой сети;

• •    отрабатывать штатные ситуации, в том числе изменение параметров окружающей среды, воздействие потребителя;

• •    отрабатывать аварийные ситуации;

• •    диагностировать отказы датчиков и исполнительных механизмов;

• •    проводить исследования в области энергосбережения.