Опыт внедрения графической информационно-расчетной системы в Пермских тепловых сетях

О.Р.Афлатонов, директор ПТС филиала ТГК-9
В.Л.Заборских, ведущий инженер диспетчерской службы
г. Пермь

декабрь 2005 г.

Введение

«Пермские тепловые сети (ПТС)» были основаны в 1958 году, став первым на Урале специализированным предприятием централизованного теплоснабжения, от своего создания до и недавних пор предприятие входило в состав АО «Пермэнерго». В апреле 2005 года в результате реструктуризации РАО ЕЭС Пермские тепловые сети стали официально именоваться Филиал "Пермские тепловые сети" ОАО "Территориальная генерирующая компания №9", сокращенно АО ТГК-9, ПТС.

В состав Пермских тепловых сетей входят 6 эксплуатационных районов, обеспечивающих теплоснабжение городов Пермь и Краснокамск от 9 источников: 5 ТЭЦ и 4 крупных районных котельных с суммарной установленной мощностью 4085 Гкал/ч. На балансе предприятия находится 330 км магистральных тепловых сетей (в двухтрубном исполнении). Из них 210 км составляет общую многокольцевую сеть.

Суммарная присоединенная нагрузка – 3690 Гкал/ч, в том числе: около 2 тыс. предприятий и организаций, более 11,6 тыс. зданий и 321 тыс. квартир, более 600 образовательных и дошкольных учреждений, 290 учреждений здравоохранения.

Понятно, что эффективное и обоснованное управление такой сложной технической системой невозможно без применения инструментальных средств для проведения регламентных и ситуационных гидравлических расчетов.

История

Гидравлические расчеты сетей на нашем предприятии производились практически всегда. В далеком прошлом, когда еще не было вычислительной техники, гидравлика основных магистралей просчитывалась вручную. С появлением первых ЭВМ трудозатраты на «прикидочный» расчет значительно уменьшились. Первый серьезный опыт расчета гидравлики на персональном компьютере у нас появился с внедрением программы гидравлического расчета, хорошо известной среди специалистов теплоснабжения, как «карагандинская» программа. Она позволяла считать кольцевые сети с использованием насосных станций и параллельную работу источников тепла, но имела и свои недостатки: жесткая схема теплоснабжения, закладываемая в модель (отсутствие моделирования переключений на сетях), отсутствие графической топоосновы, реализация в среде DOS без близких перспектив перехода на Windows. К 1999 году назрела острая необходимость в качественном гидравлическом расчете тепловых сетей, а «карагандинская» программа в существующем виде к этому моменту серьезно морально устарела. По нашим данным, на этот период времени на российском рынке реально работали две серьезные компании, предлагавшие программные средства для гидравлических расчетов: ИВЦ «Поток» (Москва) и «Политерм» (С.-Петербург). Прикладные сервисные возможности программных продуктов обеих компаний были примерно одинаковы, но многопользовательское сетевое решение, предлагаемое ИВЦ «Поток», выигрывало по стоимости. Исходя из финансовых возможностей предприятия, было принято решение о приобретении у ИВЦ «Поток» Информационно-графической системы «ТеплоГраф» с подсистемой расчета и моделирования гидравлических режимов. Таким образом, в 1999 году было положено начало сотрудничества Пермских тепловых сетей с ИВЦ «Поток» по внедрению многофункциональной информационной системы на предприятии.

Рис.1. Графическое представление тепловых сетей Перми на плане города в среде ИГС "ТеплоГраф".

С первых же месяцев освоения «ТеплоГрафа» у нас появилось множество рабочих вопросов и предложений к разработчикам по усовершенствованию сервисных возможностей программ и пользовательского интерфейса. Благодаря интенсивной эксплуатации программ сотрудниками Пермских тепловых сетей был выявлен ряд ошибок, с благодарностью принятых и устраненных разработчиками. Постепенно специалисты ИВЦ «Поток» реализовали все наши пожелания, и теперь «доводка» системы – уже в прошлом. Мы можем не без оснований считать, что, как пользователи, внесли немалый вклад в развитие подсистем ИГС «ТеплоГраф» (и разработчики этого не отрицают). Оперативная техническая поддержка и консультации с группой сопровождения ИВЦ «Поток» осуществляются посредством электронной почты и Интернет; кроме того, специалисты компании по мере необходимости посещают наше предприятие для обсуждения и решения вопросов, требующих их личного присутствия.

Внедрение

Ввод графического представления и паспортизация сетей у нас заняла три года. Это значительно дольше, чем предполагалось изначально, и оказалось обусловлено большими трудозатратами по сбору и уточнению огромного объема исходной информации. На сегодняшний день описано более 3800 узлов и ветвей, что составляет примерно 300 км сетей в двухлинейном представлении. Просчитаны и моделируются гидравлические режимы 9 тепловых районов.

Рис.2. Паспортизация теплосетей и оборудования тепловых камер на основе графического представления.

Гидравлический режим в тепловых сетях г. Перми весьма сложен. Значительная разность отметок высот в районах города приводит к необходимости использования насосных станций. В отопительный период в работе на магистральных сетях находится одна повысительная и пять понизительных насосных станций. К примеру, один из тепловых районов включает в себя более 1300 узлов, 75 км магистральных и разводящих сетей, при этом используется параллельная работа двух независимых теплоисточников и двух понизительных насосных станций. Другой тепловой район включает в себя более 1250 узлов, 110 км магистральных и разводящих сетей, также используется параллельная работа источников, и из-за особенностей рельефа местности включено последовательно две понизительные насосные станции.

Несколько слов о качестве гидравлического расчета в «ТеплоГрафе». После ввода всех исходных данных по одному, самому простому, тепловому району с радиально-тупиковой схемой включения магистралей мы запустили гидравлический расчет и получили явно неудовлетворительный результат. Рассчитанные располагаемые напоры в удаленных от теплоисточника узлах очень сильно отличались от фактических. Если такие исходные данные, как длины, диаметры и местные сопротивления трубопроводов, а также нагрузки потребителей, как правило, известны, то коэффициенты шероховатости трубопроводов и величина зарастания из-за выпадающих отложений – величины, не известные достоверно, их можно лишь очень приблизительно оценить. Справочная литература рекомендует коэффициент шероховатости 0,5. Эта величина вполне реальна для новых труб. Фактический же коэффициент шероховатости трубопровода значительно выше, так как трубы тепловых сетей далеко не новые, да и химический состав теплоносителя, мягко говоря, не всегда идеален. «ТеплоГраф» дает возможность массового изменения отдельных параметров гидравлического сопротивления для заданного подмножества трубопроводов, определенного гибко настраиваемыми критериями выборки. Подбирая усредненный коэффициент шероховатости для каждого из тепловых районов, мы добились весьма неплохих результатов. Разность расчетных и фактических располагаемых напоров у потребителей на гидравлической модели после такой «калибровки» составила не более 3-5 метров вод.ст. Для сравнения результатов расчета с фактом используются контрольные точки. Как правило, это параметры телеизмерений с источников и насосных, а так же манометры на абонентских вводах.

Система теплоснабжения в городе закрытая, тепловая нагрузка: отопление, вентиляция и ГВС. До 95 % бойлеров ГВС включено по двухступенчатой последовательной схеме. Благодаря такой схеме включения подогревателей ГВС, «горячий» водоразбор у потребителей практически не сказывается на расходе сетевой воды, что очень удобно при калибровке модели гидравлического расчета.

Инструментарий

Чуть более подробно остановимся на потребительских качествах «ТеплоГрафа», значительно облегчающих жизнь инженеров по режимам. Программа позволяет смоделировать и просчитать гидравлический режим любой сложности. Это проверено практическим опытом многовариантных расчетов. Что очень важно, «ТеплоГраф» предусматривает возможность «виртуального» переключения состояния арматуры в узлах сети, и том числе процентное прижатие задвижки дроссельного типа. В модель не закладывается жесткая схема теплоснабжения, схемные решения можно изменять «на лету». Это позволяет собрать любую схему включения участков сетей – все как на практике. Любые изменения режимов работы тепловых сетей, в том числе связанные с устранением дефектов, оперативно просчитываются «ТеплоГрафом».

Стоит рассказать о наиболее востребованных, с нашей точки зрения, подсистемах и функциях ИГС «ТеплоГраф».

Подсистема создания модельных баз. В этом режиме программа создает полную копию текущей базы данных описания сетей. Приняв ее за основу и скорректировав, нанеся новые сети и введя перспективную тепловую нагрузку, удобно рассматривать перспективные варианты работы теплосети, не нарушая при этом содержимого исходной, «контрольной» базы данных, с которой работают другие эксплуатационные службы предприятия. Таких модельных баз может быть создано произвольное количество, и в системе имеется механизм для их администрирования. Следует отметить принципиально важную возможность построения сравнительных пьезометрических графиков для различных режимов, записанных в модельных базах.

Подсистема массового изменения характеристик нагрузки потребителей удобна и полезна тем, что позволяет изменить свойства подключенных потребителей (например, ограничить нагрузку, отключить/подключить один или несколько видов тепловой нагрузки, изменить температурный график и т. п.) для произвольной группы потребителей, отобранных по гибкому критерию. У нас этот режим нашел применение в случаях, когда на каком-либо теплоисточнике необходимо ограничить расход сетевой воды. При помощи данной подсистемы возможно, например, не модифицируя паспортные данные описания потребителей в системе, просчитать гидравлический режим летнего периода, просто отключив полностью отопительную тепловую нагрузку потребителей.

Специализированный графический редактор для создания внутренних схем узлов сети. Редактор удобен тем, что позволяет прорисовывать тепломеханическое оборудование камер, насосных станций и т.п. При просмотре схем узлов состояние элементов запорной арматуры динамически отображается разными цветами, в соответствии с их фактическим состоянием в гидравлической модели (открыта, закрыта, «прижата»), что дает возможность наглядно оценить текущую коммутационную картину для анализируемого гидравлического режима.

Рис.3. Моделирование сложных режимов работы теплосетей среде ИГС "ТеплоГраф".

Выгоды

Что уже сегодня нам дает созданная на инструментальных средствах ИГС «ТеплоГраф» информационно-расчетная модель тепловых сетей?

В первую очередь, это гидравлика. Нам удалось "вычислить" свои слабые места: где необходимо увеличивать пропускную способность трубопроводов, перевести потребителей на независимую схему, установить новую насосную станцию, увеличить мощность теплоисточников. Мы теперь знаем свою перспективную гидравлическую ситуацию. Это, в свою очередь, обусловливает предупреждение аварийности, планирование режимов и экономию энергоресурсов.

Планирование сложных режимов. Все нестандартные схемы включения, как правило, связанные с выводом сетей в капремонт или для устранения дефектов, предварительно просчитываются, что совершенно необходимо, поскольку капремонты сетей у нас происходят и в отопительный период.

Формирование технических условий на подключение. Производственно-технический отдел предприятия при выдаче технических условий использует результаты гидравлического расчета на модели, которые очень близко отражают фактический режим в тепловой сети.

В настоящее время, особенно в центральной части города, идет очень активное строительство новых объектов (жилые дома, офисы, торговые центры, объекты развлечения и отдыха). Таких объемов и темпов застройки на памяти жителей никогда ранее не было. В перспективе намечено строительство новых жилых районов города. Происходит значительное увеличение потребления тепла. И все вновь вводимые и реконструируемые объекты, как правило, присоединяется к существующим тепловым сетям. В связи с этим просчитываются перспективные варианты развития теплоснабжения города на 3 и 15 лет вперед. Такой объем расчетно-аналитической работы физически невозможно проделать, не имея под руками специализированного инструмента для многовариантных гидравлических расчетов.

Паспортизация. У нас появилась полноценная, информационно корректная и выверенная база данных, содержащая подробное описание тепловых сетей, оборудования, потребителей, к тому же имеющая адекватное графическое представление на масштабном плане городской застройки. Любые необходимые справки и отчеты по этой базе данных формируются быстро и удобно, в отличие от ситуации, когда информация находится в разрозненном состоянии и хранится в архивах «бумажных» документов.

Таким образом, с внедрением ИГС «ТеплоГраф» на нашем предприятии в значительной мере улучшилось качество гидравлических расчетов, появилась возможность анализировать, моделировать, прогнозировать гидравлическую ситуацию тепловых сетей, повысился качественный уровень управления за счет обоснованного принятия решений. Все это, в конечном итоге, положительно сказывается на качестве теплоснабжения потребителей нашего города.