ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»
Повышение эффективности эксплуатации систем централизованного теплоснабжения на основе применения информационной системы мониторинга тепловых сетей
С.В. Косяков, А.М. Садыков,
В.В. Сенников, В.В. Смирнов
Авторское резюме
Состояние вопроса: В настоящее время для настройки режимов работы тепловых сетей используются хорошо изученные методы и программные средства тепловых и гидравлических расчетов. Одновременно активно развиваются методы и программные средства для централизованного сбора данных приборов учета, которыми оборудуются тепловые пункты потребителей. При этом методы совместной обработки и анализа таких данных в целях повышения эффективности работы сети, улучшения качества оперативного управления процессами отпуска и потребления тепловой энергии остаются мало исследованными и пока не нашли применения на практике. тепловой сеть программный прибор
Материалы и методы: Для расчета оценки эффективности использования энергоресурсов в системе теплоснабжения использованы методы и средства моделирования и анализа бизнес-процессов, аналитической обработки данных, представления данных в ГИС, а также результаты выполнения тепловых и гидравлических расчетов сетей и сбора данных с приборов учета отпуска тепловой энергии.
Результаты: Предложен новый метод оперативного анализа режимов работы тепловой сети, основанный на сравнении показаний приборов учета с результатами моделирования процессов в тепловой сети для оценки эффективности использования топлива и электроэнергии. Рассмотрены структура, функции, процессы сбора и обработки данных. Представлены результаты опытной эксплуатации облачной информационной системы, использующей предложенный метод.
Выводы: Результаты разработки и опытной эксплуатации информационной системы мониторинга тепловых сетей подтвердили возможность и эффективность применения разработанного метода совместного анализа данных моделирования и мониторинга тепловых сетей. Разработанный метод и программные средства могут применяться в составе муниципальных и региональных информационных систем для контроля эффективности расходования энергоресурсов в системах централизованного теплоснабжения.
Ключевые слова: система теплоснабжения, облачная информационная система, мониторинг тепловых сетей, режим работы тепловых сетей.
Abstract
Improving the efficiency of centralized heating systems operation by using an information system for monitoring heat networks
S.V. Kosyakov, A.M. Sadykov, V.V. Sennikov, V.V. Smirnov Ivanovo State Power Engineering University, Ivanovo, Russian Federation
Background: Well-studied methods and software for thermal and hydraulic calculations are currently used to adjust the modes of operation of thermal networks. At the same time, scientists are actively developing methods and software for centralized data collection from metering devices installed at consumer heat supply units. However, the methods of joint processing and analysis of such data for improving the network efficiency and the quality of operational management of the processes of supply and consumption of thermal energy remain understudied and have not been used in practice yet.
Materials and methods: The paper uses methods and tools of business process modeling and analysis, analytical data processing, data presentation in GIS, as well as the results of the thermal and hydraulic calculations of networks and data collection from heat energy metering devices to make calculations for the evaluation of energy efficiency of the heat supply system.
Results: We propose a new method of operational analysis of heat network operating modes based on comparing the readings of the metering devices with the results of heat network process modeling for the assessment of fuel and electricity use efficiency. We have considered the structure, functions, and processes of data collection and processing, and presented the results of experimental operation of the cloud information system using the proposed method.
Conclusions: The results of the development and experimental operation of the information system for thermal networks monitoring confirmed the possibility and efficiency of applying the developed method of joint analysis of data of thermal networks modeling and monitoring. The developed method and software can be used as part of municipal and regional information systems for controlling the efficiency of energy consumption in district heating systems.
Key words: heat supply system, cloud information system, monitoring of heat networks, operation mode of heat networks.
Введение
Задачи развития систем централизованного теплоснабжения и повышения эффективности их использования становятся все более актуальными в России и за рубежом в связи с обострением проблем энергосбережения, экологии городов и выброса парниковых газов. На современном этапе развития информационных технологий эти задачи решаются на основе разработки математических моделей, позволяющих оптимизировать работу сетей, источников и потребителей по различным критериям [1]. В последние годы в этой сфере начинает также применяться концепция умных сетей (Smart Greed), которая предполагает согласованное автоматическое изменение режимов работы источников, потребителей и элементов сети в зависимости от внешних факторов, влияющих на потребление [2]. При этом проблема эффективности использования централизованного теплоснабжения часто рассматривается в различных аспектах и направлениях с учетом взаимосвязей с другими энергетическими системами, включая вопросы энергетических технологий, моделирования, автоматизации, экономики и др.
В России, в соответствии с действующей нормативной базой Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. - М.: НЦ ЭНАС, 2008. - 264 с., эффективность работы теплосетей обеспечивается за счет расчета оптимальных режимов работы сети и наладочных мероприятий по обеспечению этих режимов. При этом для оценки эффективности работы системы теплоснабжения в целом применяются методики, в которых используются некоторые эмпирические или полученные статистически коэффициенты, а также экспертные оценки [3, 4]. Такие методики могут применяться на уровне стратегического планирования, но не позволяют оценивать конкретные текущие ситуации.
В реальной практике эксплуатации систем теплоснабжения наиболее эффективные режимы их работы рассчитываются с помощью специального программного обеспечения, согласовываются, утверждаются и направляются для управления оборудованием на тепловые источники и в эксплуатационные подразделения [5]. Разработка алгоритмов и программ расчета оптимальных режимов работы тепловых сетей в настоящее время хорошо изучена. Принципы и возможности таких программ приведены, например, в [6]. При этом методы расчетов продолжают развиваться как в России [7], так и за рубежом [8-10]. В настоящее время разработка электронных моделей систем теплоснабжения городов на базе программ тепловых и гидравлических расчетов является обязательным условием их эксплуатации.
Для расчета начислений за услуги и контроля режимов потребления тепловой энергии действующее законодательство обязывает производить установку приборов учета отпущенной тепловой энергии во всех зданиях, подключаемых к сети теплоснабжения. По сложившейся практике данные приборов учета, установленных в тепловых пунктах потребителей, используются инспекторами и специалистами абонентских отделов с периодичностью раз в месяц [5]. Развитие интернет-технологий и средств беспроводной связи позволило автоматизировать процесс сбора этих данных в облачные хранилища данных. Вопросы применения таких систем рассмотрены в [11-13]. Анализ показаний приборов учета в системах мониторинга тепловых сетей позволяет выявлять аварийные ситуации, когда контролируемые параметры выходят за критические пределы, осуществлять поиск утечек теплоносителя в трубопроводах [14] и получать различные оперативные оповещения об изменении режима работы сети.
Несмотря на то, что вопросы выполнения тепловых и гидравлических расчетов систем теплоснабжения и вопросы сбора данных приборов учета по отдельности успешно решаются, проблема их совместного анализа в процессе мониторинга и оценки эффективности режимов работы тепловых сетей остается мало изученной. В публикациях [11, 12] приводятся элементы формализации и постановки данной задачи, а в [15] - пример использования данных приборов учета для настройки (калибровки) расчетной модели тепловой сети. Вместе тем вопросы практической реализации информационных систем мониторинга, одновременно использующих данные моделирования и измерений для анализа текущего режима работы и его экономических показателей, в научной литературе не освещены.
Рассмотрим проблему интеграции мониторинговых и расчетных данных, их жизненный цикл. Проведем сопоставление результатов, полученных в процессе анализа и обработки данных в целях их представления различным категориям лиц, принимающих решения по энергосбережению (ЛПР) в процессе управления работой тепловых сетей и тепловых источников.
Приведем результаты разработки информационной системы (ИС), в составе которой используются доступные на уровне коммерческих программ решения для сбора данных приборов учета и выполнения теплогидравлических расчетов, а также новые методы и программные средства совместной обработки данных мониторинга и расчетов, позволяющие оценивать текущую эффективность работы систем централизованного теплоснабжения.
Методы исследования
В процессе производства, распределения и потребления тепловой энергии может участвовать несколько организаций: поставщики энергии и энергоресурсов, эксплуатирующие организации, управляющие компании ЖКХ, конечные потребители. Кроме того, эти процессы контролируются органами государственной власти и местного управления. Интересы и критерии оценки эффективности работы участников процесса могут различаться, а в ряде случаев противоречат друг другу. Поэтому при создании ИС, обеспечивающей анализ эффективности работы системы теплоснабжения в целом, необходимо учесть организационные аспекты информационного взаимодействия различных организаций, сформировать бизнес-процесс, в котором будут определены функции организаций - участников и наборы данных, которыми они должны обмениваться в процессе работы. Для решения этих задач используются методы и средства анализа и проектирования бизнес-процессов [16].
В рассматриваемых процессах сбора, хранения, обработки и тиражирования данных собирается и используется большое количество различных параметров, поступающих из независимых друг от друга ИС. Эти параметры не согласованы по актуальности, пространственной привязке и единицам измерения. Непосредственно на основе этих данных невозможно сделать выводы об эффективности работы системы теплоснабжения. Поэтому для обеспечения решения поставленных задач необходимо спроектировать и исследовать соответствующие этим задачам архитектуру программного обеспечения, модели и методы обработки данных. Для этого используются методы разработки информационных систем [17] и, в частности, геоинформационных систем [18].
Очевидно, что при разработке новых методов и средств анализа данных о режимах работы тепловых сетей необходимо использовать существующие методы и программные средства выполнения тепловых и гидравлических расчетов [5-7] и сбора данных мониторинга тепловых сетей [11-13].
Результаты исследования
С учетом того, что задачи автоматизации выполнения наладочных расчетов и сбора данных измерений по отдельности решены, новую ИС, предназначенную для совместной обработки данных расчетов и измерений, целесообразно создавать как некоторую «надстройку» над существующими системами, работающими под управлением двух существующих классов программных продуктов. На рис. 1 приведена общая структура ИС, использующей существующие ИС как источники данных.
Рис. 1 Структура ИС мониторинга системы теплоснабжения
Существующие ИС сбора данных обычно используют для передачи данных сети GSM сотовых операторов. При автономной работе этих ИС данные о текущих показаниях приборов и отчеты за определенные периоды могут передаваться ЛПР, в качестве которых выступают, например, операторы на источниках теплоснабжения, абонентские службы расчетов с потребителями, владельцы недвижимости. Такие данные позволяют выявлять отдельные аварийные ситуации, критические отклонения режима и другие конкретные факты, определяемые показаниями датчиков. Однако по показаниям приборов невозможно судить об эффективности работы источников и системы теплоснабжения в целом. При различных внешних условиях значения, которые определяют оптимальный режим, будут отличаться, а для оценки эффективности нужно иметь некоторый эталон для сравнения.
Информационные системы для создания электронных моделей тепловых сетей позволяют рассчитать оптимальный режим работы системы теплоснабжения при разных внешних условиях. Это позволяет применять их не только на этапе выполнения мероприятий по настройке сети, но и оперативно формировать эталоны для всех возможных ситуаций и температур внешнего воздуха. Такие расчеты можно выполнить заранее и сохранить результаты в базе данных или использовать программные интерфейсы для подключения модулей расчета в процессе мониторинга. В данной работе для целей расчета использовался программный комплекс ZuluThermo, разработанный компанией Политерм (г. Санкт-Петербург) https://www.politerm.com/, который позволяет реализовать оба указанных режима расчетов.
При создании электронных моделей существует проблема определения характеристик элементов системы, необходимых для проведения расчетов, таких как тепловые нагрузки потребителей, удельные тепловые потери трубопроводов и т.п. Эти характеристики в настоящее время определяются по нормативам, но на практике они могут отличаться от нормативных. В результате рассчитанные по модели настройки сети могут оказаться неоптимальными. Кроме того, реальные настройки оборудования сети могут отличаться от расчётных, и эти отличия трудно контролировать. Для этого нужно осуществлять технические проверки непосредственно на оборудовании, установленном в тепловых пунктах потребителей.