Повышение энергоэффективности распределенных объектов БГТУ им. В.Г. Шухова на основе АСДУ распределенными энергоресурсами

Центральной проблемой в функционировании географически распределенных объектов ЖКХ, систем энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий является проблема энергоэффективности. Энергоэффективность – это эффективное использование энергетических ресурсов, т.е. использование как можно меньшего количества первичных энергоресурсов для обеспечения того же качества процессов регулирования. Современная концепция энергоэффективности формируется на основе трех основных составляющих:

Мероприятия по повышению энергетической эффективности можно классифицировать на две группы: организационные и технологические. В ходе внедрения организационных методов основную роль играет административный ресурс. К организационным методам можно отнести меры по контролю за состоянием работы электроприборов (например, дополнительных электрообогревательных приборов), систем освещения, организацию работ, направленных на улучшение теплоизоляционных свойств конструкций. Технологические мероприятия подразумевают внедрение энергосберегающих инженерных систем: систем, использующих возобновляемые источники энергии, энергоэффективные системы управления жизнеобеспечением и др.

Одним из эффективных технологических методов является внедрение автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) распределенными объектами энергоснабжения и жизнеобеспечения. АСДУ представляет собой сложную инженерную систему, имеющую многоуровневую иерархическую структуру и позволяет в режиме реального времени осуществлять мониторинг, вести учет и централизованно управлять распределенными объектами.


Рисунок 1 - Центральный диспетчерский пункт БГТУ им. В. Г. Шухова


На нижнем функциональном уровне АСДУ располагаются локальные системы управления (индивидуальные тепловые пункты, приточно-вытяжные установки, системы энергоснабжения и т.п.), первичные измерительные преобразователи (датчики температуры, расхода, давления и т.п.), исполнительные механизмы (электромагнитные клапаны, насосы и др.) и т.п. Средний функциональный уровень (СФУ) представлен коммуникационным оборудованием (программируемые контроллеры, преобразователи интерфейсов), посредством которого осуществляется взаимодействие между нижним и верхним функциональным уровнями (ВФУ). ВФУ состоит из серверного аппаратного и программного обеспечения – серверов баз данных, архивных SCADA-серверов и web-серверов, автоматизированного рабочего места (АРМ) диспетчера.

АРМ диспетчера, как правило, представляет собой персональный компьютер с изображением на экране мнемосхемы: плана местности с нанесенными технологическими объектами, жилыми и производственными зданиями, учебными корпусами, общежитиями и т.п. Обычно на экране АРМ имеется область, в которой отражаются сообщения информационного и аварийного характера. Визуальная часть, которую представляет АРМ диспетчера внедренной АСДУ распределенными энергоресурсами БГТУ им. В.Г. Шухова представлена на рис. 1.


Рисунок 2 - АРМ диспетчера распределенными энергоресурсами БГТУ им. В. Г. Шухова


При выборе объекта, например индивидуального теплового пункта (ИТП) учебного корпуса (рис. 2), открывается мнемосхема с основными технологическими параметрами. На экране отображаются графики в режиме реального времени, выводятся значения технологических переменных: давлений, температур, расходов и др. Диспетчер при помощи элементов формы может изменять уставки и параметры регуляторов, задавать расписание работы оборудования. В режиме реального времени доступны значения всех технологических параметров и переменных объектов энергоснабжения, а также графики их изменения и архивы распределения во времени.


Рисунок 3 - Мнемосхема энергоэффективного ИТП учебного корпуса


Повышение эффективности функционирования распределенных объектов энергоснабжения и жизнеобеспечения внедрением АСДУ осуществляется в несколько этапов:

Как было указано, внедрение АСДУ осуществляется в несколько этапов. Самым затратным и наиболее важным мероприятием является внедрения ядра системы – серверного аппаратного и разработка программного и алгоритмического обеспечения ВФУ АСДУ. На последующих шагах система позволяет постепенно наращивать функциональность с минимальными конструктивными изменениями. Первая очередь: внедрение ядра и АСДУ ИТП зданий; вторая очередь: внедрение АСДУ ПВУ зданий, КНС; и т.д.

В чем же все-таки преимущество внедрения АСДУ распределенными объектами? В первую очередь – это, конечно же, централизация управления распределенными энергоресурсами, позволяющая, например, динамически перераспределять тепловую энергию между функционирующими объектами, переводя тем самым объекты энергоснабжения в эффективный режим.

На рис. 3 проиллюстрирован пример, когда в условиях недопоставки тепла со стороны энергоснабжающей организации благодаря интеллектуальному централизованному управлению и динамическому распределению энергии обеспечивается комфортная температура внутри помещения.


Рисунок 4 - Графики изменения технологических параметров в условиях недопоставки тепловой энергии


АСДУ позволяет производить контроль качества работы оборудования нижнего уровня и настройки регуляторов локальных систем автоматического управления. На рис. 4 в виде графика изменения температуры котла (верхний тренд) и контура горячего водоснабжения (ГВС) (нижний тренд) представлен пример некачественного функционирования оборудования автономной котельной, когда температура воды в контуре ГВС отличается периодическими изменениями от 50 до 70˚С с интервалом в 10 минут. Причины – некорректные настройки регулятора температуры контура.


Рисунок 5 - График изменения температуры котла (верхний тренд) и контура горячего водоснабжения (ГВС) (нижний тренд)


На рис. 5 видно, как в моменты пиковых нагрузок не выдерживается температурный график подачи горячей воды, температура горячей воды снижается на выходе до 35˚С.


Рисунок 6 - График изменения температуры контура ГВС


АСДУ информирует оператора о нештатных и аварийных ситуациях на распределенных объектах, позволяет их предотвращать и проводить подробный анализ. На рис. 6 представлены тренды изменения температуры воды и воздуха ПВУ здания, когда вследствие аварийного прерывания электропитания контроллера управления, температура воздуха упала ниже 0°C, что привело к повреждению (разморозке) теплообменника. Причина аварии - не сработала защитная автоматика.


Рисунок 7 - Тренды изменения температуры воды и воздуха ПВУ здания во время аварийной ситуации


На рис. 7 приводится ситуация, когда по вине энергоснабжающей организации вследствие увеличения давления в обратном трубопроводе более чем в три раза произошло повреждение системы отопления учебного


Рисунок 8 - Аварийная ситуация в системе отопления здания


Расширением АСДУ является использование систем управления энергоустановками, использующими ВИЭ. На рис. 8 и 9 представлены АРМ оператора экспериментальной энергоустановки БГТУ им. В.Г. Шухова и низкотемпературной гелиоустановки горячего водоснабжения соответственно.

Важной особенностью является расширение АСДУ внедрением технических средств контроля и учета энергоносителей: подключение счетчиков электроэнергии, расхода горячей и холодной воды, газа, тепловой энергии. Непосредственно мониторинг затрат первичных энергоресурсов как технологический метод не дает экономии, но является мощным инструментом разработки и внедрения мероприятий по повышению энергоэффективности. На рис. 10 представлена экранная форма АСДУ распределенными энергоресурсами БГТУ им. В.Г. Шухова, на которой отображаются параметры электроснабжения здания.

Рисунок 9 - АРМ оператора экспериментальной энергоустановки БГТУ им. В.Г. Шухова

Рисунок 10 - АРМ оператора низкотемпературной гелиоустановки горячего водоснабжения

Рисунок 11 - Параметры системы электроснабжения здания


Высокий уровень телекоммуникационной составляющей дает возможность мониторинга и управления с практически любых, в том числе мобильных устройств, оборудованных функцией выхода в интернет.

Таким образом, применение АСДУ распределенными объектами энергоснабжения и жизнеобеспечения позволяет следовать современной концепции энергоэффективности. Использование АСДУ распределенными энергоресурсами является мощным технологическим мероприятием по повышению энергоэффективности, позволяющим обеспечивать высокие показатели качества функционирования распределенных объектов и уровня энергобезопасности. При сравнительно небольших затратах на внедрение, АСДУ показывает высокие показатели экономии энергоресурсов при относительно малых сроках окупаемости таких систем.