Практика применения ГИС и компьютерных моделей в системах теплоснабжения - Статья

Практика применения ГИС и компьютерных моделей в системах теплоснабжения. Проблемные вопросы, задачи и решенияДанная проблема отмечалась многими участниками отраслевой научно-практической конференции НП "РТ" "Теплоснабжение-2016: приоритеты стратегического развития" (7-8.09.2016 г., Москва). Как пример решения проблемы квалифицированных кадров в отрасли, на базе нашего предприятия созданы курсы обучения, включающие: ¦ обучение работе с программами и навыкам применения этих программ для создания и использования электронных расчетных моделей систем теплоснабжения; Проблемы "межведомственного взаимодействия" и стандартизации: разработчики генпланов не всегда предоставляют данные разработчикам схем теплоснабжения или администрациям и ТСО, не всегда в удобоваримом формате, а в администрациях отсутствует четкое понимание требований к схемам теплоснабжения. Из них последние три приходится решать в рамках процесса разработки или актуализации схемы теплоснабжения. В ходе поиска инструментов для разработки схем теплоснабжения наша организация остановилась на программном комплексе ZULUTHERMO отечественной компании ООО "Политерм", в состав которого входят следующие компоненты: ¦ геоинформационная система;Полная автоматизация (программирование) таких процедур, как определение контрольных точек - мест замеров параметров системы для калибровки модели, определение эквивалентных шероховатостей участков сетей и гидравлических сопротивлений внутридомовых систем по данным замеров в контрольных точках без нарушения режимов эксплуатации системы теплоснабжения, выбор точки подключения нового потребителя и т.д. позволит снизить требования к квалификации персонала, сроки и стоимость работ по наладке и регулированию систем теплоснабжения, повысить точность, качество результата.

В отрасли теплоснабжения имеется немало различных проблем, многие из которых могут быть решены с помощью современных технических и информационно-технологических разработок.

Так, например, для поддержания функционирования системы теплоснабжения в оптимальном режиме рекомендуется периодически проводить комплекс наладочных мероприятий [1]. Но иногда, в случае решения масштабных задач (например, модернизации и развития коммунального хозяйства города) требуется рассматривать техническую систему в более широком контексте, с учетом ее окружения. И здесь важную роль играют схемы теплоснабжения и их электронные модели.

Проблемы и препятствия

Опыт показывает, что в списке частых проблем при внедрении решений по внедрению электронной модели СЦТ, как правило, встречаются: 1. Низкая рентабельность или убыточность многих ТСО; как следствие - отсутствие свободных средств, наличие других приоритетных расходов, например, на текущие ремонты сетей и источников.

2. Отсутствие достаточно квалифицированного персонала на предприятиях теплоснабжения и недостаточная автоматизация имеющегося на рынке ПО для решения поставленных задач менее квалифицированным персоналом.

Данная проблема отмечалась многими участниками отраслевой научно-практической конференции НП "РТ" "Теплоснабжение-2016: приоритеты стратегического развития" (7-8.09.2016 г., Москва). Однако, на наш взгляд, она недостаточно отражена в "Стратегии развития теплоснабжения и когенерации в Российской Федерации на период до 2020 года" [7] и ей, безусловно, необходимо уделить больше внимания. Полезно развивать дистанционное (через Интернет) очно-заочное обучение с использованием видеоматериалов. Повышать функциональность используемого в отрасли ПО для уменьшения потребности в квалифицированном персонале.

Как пример решения проблемы квалифицированных кадров в отрасли, на базе нашего предприятия созданы курсы обучения, включающие: ¦ обучение работе с программами и навыкам применения этих программ для создания и использования электронных расчетных моделей систем теплоснабжения;

¦ обучение навыкам применения специализированных приложений для теплогидравлических расчетов, разработке гидравлических режимов, наладке тепловых сетей.

Обучение может проводиться как очно-заочно, так и дистанционно, с использованием видеоматериалов. Наш подход позволяет исключить командировки и уменьшить стоимость обучения. Таким образом обучение прошли специалисты из Москвы, Хабаровского края, Амурской, Волгоградской, Кировской, Московской, Мурманской, Тамбовской областей, Ямало-Ненецкого АО и др.

3. Проблемы "межведомственного взаимодействия" и стандартизации: разработчики генпланов не всегда предоставляют данные разработчикам схем теплоснабжения или администрациям и ТСО, не всегда в удобоваримом формате, а в администрациях отсутствует четкое понимание требований к схемам теплоснабжения.

4. Отсутствие у администраций городов, поселений, районов (ответственных за разработку и актуализацию схем теплоснабжения) достаточных средств на качественную разработку схем.

Задачи для автоматизации моделирования систем

Существующие на рынке программные решения обеспечивают большую часть потребностей теплоснабжающего предприятия. В частности, решаются следующие задачи: ¦ автоматизация и диспетчеризация работы котельных и сетей;

¦ контроль за расходом топлива и других энергоресурсов;

¦ учет и контроль потребляемой тепловой энергии;

¦ мониторинг состояния систем теплоснабжения;

¦ поддержка принятия решений о развитии систем теплоснабжения;

¦ оценка экономической эффективности мероприятий и экономического регулирования в сфере теплоснабжения.

Из них последние три приходится решать в рамках процесса разработки или актуализации схемы теплоснабжения.

В ходе поиска инструментов для разработки схем теплоснабжения наша организация остановилась на программном комплексе ZULUTHERMO отечественной компании ООО "Политерм", в состав которого входят следующие компоненты: ¦ геоинформационная система;

¦ модуль для решения коммутационных задач;

¦ модуль для поверочного теплогидравлического расчета тепловой сети (расчет режимов);

¦ модуль для наладочного теплогидравлического расчета тепловой сети (наладка) согласно ОСТ 36-68-82 [1];

¦ модуль для конструкторского расчета;

¦ ПО для построения пьезометрических графиков;

¦ расчет нормативных тепловых потерь в тепловых сетях;

¦ расчет надежности системы теплоснабжения [8].

Рис. 1. Расчетная схема - электронная модель системы централизованного теплоснабжения г. Жуковского (для схемы теплоснабжения, наладки тепловых сетей и моделирования аварийных режимов): а) - общий план, расчетные модули и табличные данные; б) - пьезометрический график; в) - температурный график.

Набор возможностей данной ГИС (с модулями) практически исчерпывает требования к электронной модели схемы теплоснабжения согласно ПП РФ № 154 (рис. 1). Однако на практике остается ряд недостаточно автоматизированных задач. В частности, можно отметить следующие.

1. Необходимость сбора и обработки исходных данных с последующей загрузкой результатов в базу данных тепловой сети.

Для более быстрой и качественной разработки или актуализации схемы теплоснабжения в ходе проведения работ нашими специалистами была выполнена автоматизация части данного процесса. Учитывая требования к удобству взаимодействия с заказчиком и простоте разработки, автоматические расчеты производятся в Microsoft Excel, что позволяет инженерам заказчика заносить запрашиваемые исходные данные в привычном формате, а результаты расчетов можно экспортировать как в семантическую базу данных ZULUTHERMO для дальнейшей работы, так и непосредственно в отчеты о схеме теплоснабжения.

2. Определение гидравлических характеристик системы по стандартной методике "ОРГРЭС" (РД 34.20.519-97) [9] (заключающейся в выделении циркуляционного кольца из участков магистралей подающей и обратной линий от теплоисточника и врезаемой перемычки в конце кольца, в котором создаются специальные режимы, связанные с повышенными расходами воды), может быть осложнено необходимостью отключения потребителей на время проведения испытаний.

Ввиду того что это не всегда возможно, на нашем предприятии была разработана методика, аналогичная методике ВТИ (РД 153-34.120.526-00 [10]), позволяющая определять гидравлические характеристики трубопроводов водяных тепловых сетей в условиях эксплуатации на основе данных замеров в контрольных точках сети с помощью, в т.ч., ультразвуковых расходомеров с накладными датчиками.

3. Автоматизация поиска и устранения ошибок в исходных данных.

Заказчик может предоставить неполные, противоречивые или устаревшие данные о параметрах системы. Прямолинейное использование таких данных неизбежно приводит к ошибкам в модели. Часть простых ошибок, таких, как незаполненные исходные данные, заведомо нереальные данные, находит программа ZULUTHERMO. Однако многие, менее очевидные ошибки, еще остаются и требуют более интеллектуального анализа получаемых результатов расчетов.

Нами разработана методика локализации и классификации ошибок, которая применяется ведущими специалистами при разработке моделей для наладочных мероприятий. Классификация ошибок позволяет опознать источник их возникновения по результатам гидравлического расчета. Различаются следующие основные виды ошибок в модели сети: ¦ ошибочные диаметры труб;

¦ неправильная топология сети;

¦ неправильные значения нагрузки на потребителе;

¦ неверные параметры источника (давление в "обратке", располагаемый напор);

¦ неверный температурный график.

Для индикации ошибки строится пьезографик, и его поведение на различных участках сети позволяет с большой степенью уверенности указать на один из описанных выше видов ошибок. С данной методикой классификации и поиска ошибок мы знакомим проходящих наш курс обучения работе с ГИС Zulu, в результате она уже успешно применяется и нашими партнерами.

4. Калибровка компьютерной модели системы.

Как правило, неизвестны исходные данные для гидравлического (поверочного) и наладочного расчетов: шероховатости и зарастания, сопротивления участков сетей, сопротивления внутридомовых систем отопления, теплообменников, диаметры установленных шайб и сопел элеваторов и т.п., и нет возможности проведения масштабных гидравлических испытаний (для определения гидравлических характеристик) по причинам: ¦ невозможно измерить требуемые величины непосредственно (либо физически, либо экономически (слишком дорого));

¦ отсутствуют квалифицированные сотрудники способные в соответствии с существующими методиками [9, 10] выполнить гидравлические испытания, и по их результатам рассчитать эти параметры;

¦ отсутствуют свободные финансовые средства для привлечения квалифицированных сотрудников, организаций.

Существует несколько способов для оценки недостающих "неизмеримых" данных: 1) запрос параметров (давления, расходы, температуры) по контрольным точкам: источникам, ЦТП, проблемным и концевым потребителям;

2) верификация "ошибок" - обследование (как вариант, выборочное) с фотографированием сетей, колодцев, камер, тепловых пунктов, снятие показаний измерительных приборов, приборов учета, замеры с помощью переносных измерительных приборов (пирометр, ультразвуковой расходомер);

3) "ручная подгонка" - подбор подходящего значения: расчеты в ZULUTHERMO не позволяют вычислить (все) эти параметры непосредственно, но позволяют за несколько итераций подобрать эти значения на "критических" участках сети и затем распространить на аналогичные.

Так, например, для оценки неизвестного падения давления (гидравлического сопротивления) на внутренних системах отопления потребителей опытный теплотехник Легостин С.Г рассказал нам применяемое им эмпирическое правило. Мы формализовали это правило в виде "формулы Легостина": -?H=0,4 0,6Q ?Q2 и используем ее в качестве первого приближения для вычисления (подбора) этого неизвестного "неизмеримого" параметра.

На следующем этапе необходим подбор эквивалентных шероховатостей - решение обратной задачи поверочного гидравлического расчета. В первом приближении принимаем: значение шероховатости для труб (в зависимости от вида материала): ¦ пластик (новые) - 0,01 мм;

¦ металл (новые) - 0,5 мм;

¦ металл (старые) - 1-5 мм.

Далее применяем метод "ручной подгонки" с использованием ZULUTHERMO.

Однако, выбор "критических участков", число необходимых итераций, точность полученного результата существенно зависит от квалификации, интуиции исполнителя. От этой точности будет зависеть точность, адекватность полученной модели системы теплоснабжения и, соответственно, качество разработанных на ее основе мероприятий по наладке системы теплоснабжения, соответственно - количество потребителей, требующих регулирования в следующий отопительный период, объем и стоимость этих работ.

5. Подключение нового потребителя.

Одной из наиболее встречающихся (и на сегодняшний день нерешенных) задач на практике для действующей системы теплоснабжения является определение оптимальной точки подключения нового потребителя (группы потребителей) к тепловым сетям в электронном режиме. При этом также нужно определить необходимые мероприятия по реконструкции (строительству элементов) системы теплоснабжения: сетей, источников, ЦТП, насосных станций, наладки системы для подключения новых потребителей без ущерба для "старых" (без потери качества, безопасности и надежности теплоснабжения), с учетом оптимизации стоимости этих мероприятий и продолжительного экономического эффекта от подключения.

Часть этой задачи можно решить с помощью расчетов ZULUTHERMO с перебором интуитивно оптимальных точек подключения и перебором соответствующих мероприятий. Однако, как и в предыдущей задаче, число необходимых итераций, качество полученного результата будет существенно зависеть от квалификации, интуиции исполнителя. От этого будет зависеть адекватность, качество разработанных мероприятий для подключения нового потребителя к системе теплоснабжения, соответственно - количество потребителей, пострадавших от этого подключения, период, объем и стоимость этих работ, общий экономический эффект. На наш взгляд, для решения этой задачи нужна программа, не только выполняющая гидравлические расчеты для заданной топологии сети, но и определяющая оптимальную точку подключения и оптимальные мероприятия по реконструкции системы теплоснабжения с учетом оптимизации стоимости этих мероприятий и продолжительного экономического эффекта от подключения.

6. Автоматизация разработки, актуализации и верификации электронных моделей и схем теплоснабжения.

Схема теплоснабжения должна быть не только бумажным документом, а "живой" компьютерной системой, позволяющей на основе исходных данных рассчитывать вычисляемые значения параметров системы теплоснабжения и автоматизированно формировать "бумажную" схему теплоснабжения, как отчетный документ. При актуализации - все автоматически пересчитывать.

Если электронная модель сделана до местных тепловых пунктов и откалибрована, то система должна автоматически рассчитывать и распечатывать в виде отчета мероприятия по наладке системы теплоснабжения.

Прототипом требуемой электронной системы "Автоматизированная схема теплоснабжения" можно рассматривать разработанную нашими специалистами Систему автоматизации схемы теплоснабжения городского округа Фрязино, которая дополняет электронную модель на основе программно-расчетного комплекса ZULUTHERMO и позволяет как анализировать существующее состояние системы теплоснабжения городского округа, так и моделировать ее развитие в соответствии с планом развития города. Среди основных результатов применения этой модели - перспективные балансы тепловой мощности, теплоносителя и топлива, расходов и доходов от реализации тепловой энергии, а также финансовые результаты деятельности ТСО с учетом затрат на строительство и реконструкцию тепловых источников и тепловых сетей, прогноз себестоимости вырабатываемой и отпускаемой тепловой энергии.

Разработанная Система автоматизации схемы теплоснабжения включает следующие подсистемы: ¦ модуль данных о характеристиках климата, используемого топлива, требований ГОСТОВ и ОСТОВ, другую справочную информацию;

¦ данные Генплана;

¦ данные о действующих и перспективных зонах теплоснабжения;

¦ топливные балансы;

¦ балансы мощности и теплоносителя;

¦ калькуляции материальных и финансовых затрат по зонам теплоснабжения;

¦ обоснование инвестиций в развитие систем теплоснабжения.

Если внесены данные в первые три модуля, то на их основе производятся все остальные необходимые расчеты. Данные представляются в виде, готовом как для вставки в отчет, так и для использования в создании электронной модели.

Образец применения Системы автоматизации схемы теплоснабжения: Актуализация схемы теплоснабжения го. Фрязино до 2029 г., в том числе, электронная модель системы теплоснабжения в ZULUTHERMO (для схемы теплоснабжения, наладки тепловых сетей и моделирования рабочих и аварийных режимов) (http://www.geoinfograd.ru/f/shema-fr).

Рис. 2. Основные результаты схемы теплоснабжения: электронная модель, зоны действия тепловых источников, анализ сроков эксплуатации сетей, перспективные топливные балансы, прогнозы резервов/дефицитов тепловой мощности; температурный и пьезометрические графики, динамика расходов, доходов и общего результата теплоснабжающей организации при различных способах финансирования строительства и реконструкции сетей.

Рис. 2 иллюстрирует некоторые основные возможности Системы автоматизации схемы теплоснабжения и, в сравнении с рис. 1, - ее существенные отличия от электронной модели системы теплоснабжения, соответствующей требованиям к схемам теплоснабжения (ПП РФ № 154 г.).

В дальнейшем, на наш взгляд, в Системе должны быть реализованы также следующие функции: 1) автоматическое определение необходимого списка исходных данных;

2) автоматизированная выдача запроса на предоставление исходных данных;

3) автоматизированное составление форм (таблиц) для заполнения исходными данными;

4) автоматическая проверка, все ли необходимые данные заполнены;

5) автоматизированные обработка исходных данных и расчет промежуточных данных, необходимых для составления схемы теплоснабжения;

6) автоматизированное заполнение форм (таблиц), характеризующих схему теплоснабжения (в соответствии с методическими указаниями по составлению схем теплоснабжения);

7) автоматизированное составление отчетного документа по схеме теплоснабжения;

8) автоматическая проверка документа на соответствие требованиям ПП РФ № 154;

9) автоматизированное внесение изменений в схему теплоснабжения, в т.ч. для ежегодной актуализации.

Дополнительные функции: ¦ автоматическая выдача инструкций по реализации (выполнению) схемы теплоснабжения;

¦ автоматизированное составление бизнес- планов, в целях привлечения инвестиций, подготовка, оформление данных для инвестиционных программ;

¦ система автоматизации должна быть совместима с Microsoft Word, Microsoft Excel, ГИС Zulu, ZULUTERMO и сохранять функционал при составлении схемы теплоснабжения для любого типа поселений (городских округов и городских поселений, сельских поселений).

геоинформационный программный теплоснабжение

Для автоматизации (программирования) еще не решенных задач нужно подтвердить потребность в этом у предприятий отрасли, установить приоритеты, уточнить требования, разработать стандарты для соответствующих автоматизированных систем (ПО).

Полная автоматизация (программирование) таких процедур, как определение контрольных точек - мест замеров параметров системы для калибровки модели, определение эквивалентных шероховатостей участков сетей и гидравлических сопротивлений внутридомовых систем по данным замеров в контрольных точках без нарушения режимов эксплуатации системы теплоснабжения, выбор точки подключения нового потребителя и т.д. позволит снизить требования к квалификации персонала, сроки и стоимость работ по наладке и регулированию систем теплоснабжения, повысить точность, качество результата.

1. Отраслевой стандарт. Тепловые сети. Режимная наладка систем централизованного теплоснабжения. ОСТ 36-68-82. 1982.

2. Федеральный закон от 27.07.2010 г. № 190-ФЗ "О теплоснабжении" (ред. от 29.12.2014 г.).

3. Государственная программа Российской Федерации "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 г.".

4. Постановление Правительства РФ от 22.02.12 г. № 154 "О требованиях к схемам теплоснабжения, порядку их разработки и утверждения".

5. В.Л. Говоров, С.Г. Легостин, А.В. Луняков, М.А. Галахов. Современный подход к наладке и модернизации систем централизованного теплоснабжения // "ЖКХ: журнал руководителя и главного бухгалтера". Март, 2012. № 3/2012. С. 42.

6. Говоров В.Л., Легостин С.Г., Луняков А.В., Галахов М.А. Электронная модель системы теплоснабжения и современный подход к наладке и модернизации тепловых сетей. [Электронный ресурс]. - Геоинфоград ed. Режим доступа: http://geoinfograd.ru/teplo/E-model-ISOVREMENNYJ-podhod-k-modernizacii-teplovyh-setej.pdf . 2012.

7. НП "Энергоэффективный город", НП "Российское теплоснабжение" (Президент - Семенов В.Г.), Профессиональный энергетический клуб. Стратегии развития теплоснабжения и когенерации в Российской Федерации на период до 2020 года. http://www.energosovet.ru/teplo_strateg.php ed. М.: НП "Российское теплоснабжение", 2016.

8. ZULUTHERMO. Руководство пользователя [Электронный ресурс]. - Политерм. - 2014. - Режим доступа: ftp://ftp.politerm.com.ru/zulu/ZULUTHERMO.pdf.

9. АО "Фирма по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей ОРГРЭС", Л.Д. Сатанов, Л.Р. Байбурин, Ю.Н. Викторов, А.Г. Притыкин. РД 34.20.519-97 "Методические указания по испытанию водяных тепловых сетей на гидравлические потери". 1997.

10. АООТ ВТИ. РД 153-34.1 -20.526-00. Методические указания по испытанию водяных тепловых сетей на гидравлические потери без нарушения режимов эксплуатации. 2000.

Размещено на .ru