Протяжённость тепловых и паровых сетей в двухтрубном исчислении за период с 2005 по 2022 годы снизилась с 171,45 тыс. до 167,22 тыс. км. За период с 2015 по 2022 годы потери на тепловых сетях выросли на 14,3 млн. Гкал и составляют 12,1% от количества тепла, поданного в сеть. Основными факторами, влияющими на величину потерь тепловой энергии в тепловой сети, являются соотношение протяжённости тепловых сетей различных диаметров, износ тепловых сетей, температурный график и качество регулировки тепловых сетей и тепловых пунктов [1].
По состоянию на 1 января 2026 года теплоснабжение города Москвы обеспечивается около 1113 источниками тепловой энергии установленной тепловой мощностью 59118 Гкал/ч, протяжённость московских тепловых сетей в однотрубном исчислении составляет 18220,3 км, в эксплуатации теплосетевых компаний находится около 11462 тепловых пункта (6992 центральных и 4470 индивидуальных тепловых пункта) [2].
Одним из главных элементов системы централизованного теплоснабжения является тепловой пункт, в котором осуществляется связь между тепловыми сетями и потребителями тепловой энергии.
На тепловом пункте сочетается следующее качественное и количественное регулирование:
- регулирование температуры теплосети выполняется на ТЭЦ по заданному температурному графику в зависимости от показаний датчика температуры наружного воздуха (это качественное регулирование);
- регулирование температуры теплоносителя центрального отопления (ЦО) выполняется на тепловом пункте в соответствии с заданным графиком в зависимости от показаний датчика температуры наружного воздуха регулятором ЦО (количественное регулирование посредством изменения расхода теплосети через теплообменник ЦО);
- регулирование температуры в системе горячего водоснабжения (ГВС) осуществляется в зависимости от показаний датчика температуры в соответствии с заданным значением 60°C (количественное регулирование посредством изменения расхода теплосети через теплообменники ГВС второй зоны).
Повышение качества регулировки тепловых сетей и тепловых пунктов может быть реализовано в значительной степени за счёт анализа и оптимизации работы теплового пункта.
Качественный способ регулирования тепловой нагрузки является наиболее распространённым видом центрального регулирования водяных тепловых сетей на ТЭЦ или котельной. Его основным достоинством является стабильный гидравлический режим. При этом температура теплоносителя (греющей воды) в тепловой сети изменяется в соответствии с принятым для данной системы теплоснабжения графиком изменения температуры воды в зависимости от температуры наружного воздуха, например, 150/70°C.
Большинство отечественных систем теплоснабжения спроектировано для работы по температурному графику с параметрами 150/70°C.
Выбор данного графика технико-экономически обоснован тем, что при его использовании получается наибольшая величина комбинированной выработки электроэнергии при тепловом потреблении. В ряде случаев на ТЭЦ применяется температурный график 150/70°C со срезкой при 120, 130, 135 или 140°C [3].
Присоединение систем потребления теплоты следует выполнять в соответствии с их теплогидравлическими характеристиками с учётом гидравлического режима работы внешних тепловых сетей (пьезометрического графика) и графика изменения температуры теплоносителя во внешней тепловой сети в зависимости от изменения температуры наружного воздуха (графика центрального регулирования тепловой нагрузки) [4].
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха могут присоединяться к двухтрубным водяным тепловым сетям в тепловых пунктах по гидравлически зависимой и независимой от режима работы тепловой сети схемам. Необходимо предусматривать защиту систем теплопотребления от превышения давления.
Регулирование нагрузки для систем отопления и вентиляции осуществляется путём поддержания температуры воды в подающей линии систем после водоподогревателя при независимых схемах присоединения или после насоса смешения при зависимом присоединении.
В большинстве случаев для повышения энергоэффективности источников тепла и тепловой сети температура на входе в теплосети поддерживается больше 95°C, и в результате подавляющее большинство современных зданий присоединены по зависимой схеме со смешением теплоносителя тепловой сети с обратным теплоносителем из системы отопления до температуры отопительных приборов.
Подавляющее большинство зданий присоединены по зависимой схеме со смешением теплоносителя до температуры не менее t1.
Для организации смешения двух потоков необходимо, чтобы соблюдалось условие p12 < p21, но для того, чтобы полученный теплоноситель с температурой tот циркулировал через систему отопления, необходимо, чтобы выполнялось условие p12 > p21. Для решения этого противоречия променяют различные способы.
Ранее для смешения воды широко применяли водоструйные насосы (гидроэлеваторы). Действие гидроэлеватора основано на эффекте Вентури: возрастание скорости потока в суживающемся канале сопровождается уменьшением статического давления.
Основное достоинство гидроэлеватора в том, что в одном простом устройстве без подвижных элементов объединяется смеситель и циркуляционный насос. Однако гидроэлеватор имеет низкий КПД = 15–20% и поэтому для его работы требуется значительный перепад давления между подающим и обратным трубопроводами (около 80–150 кПа).
Схема, которая применяется при реконструкции системы отопления, оборудованной элеватором, в расчётном режиме предусматривает двухходовой клапан, который пропускает из теплосети частичный расход теплоносителя в систему отопления, а насос постоянно поддерживает требуемый перепад давления, необходимый для работы элеватора. Насос в этой схеме работает периодически. Регулятор может автоматически менять режимы поддержания в помещениях расчётной (комфортной) или пониженной температуры.
Регулятор осуществляет управление как одним контуром системы отопления, так и двумя. Регулятор управляет циркуляционными насосами с защитой их от «сухого хода», а также может осуществлять управление как одним контуром системы отопления, так и двумя.
Другим способом обеспечения смешения теплоносителей в один поток и циркуляцию его через систему отопления является совместное применение регулирующего клапана и насоса.
Преимуществом установки смесительного (разделительного) клапана является возможность подачи теплоносителя в систему отопления без смешения и, соответственно, целесообразность использования этой арматуры появляется лишь в периодах отопительного сезона, когда tот = t1. Однако трёхходовой клапан имеет более высокую стоимость, и при его использовании нарушается гидравлический режим системы отопления Gот = const.
Регулятор по показаниям датчика корректирует температуру теплоносителя, поступающего в систему отопления, управляя клапаном.
В расчётном режиме трёхходовой клапан пропускает из теплосети полный расход теплоносителя в систему отопления и только в промежуточных режимах осуществляется подмешивание из обратного трубопровода отопления для снижения температуры сетевой воды.
Насос в схеме присоединения абонента позволяет применить наиболее энергосберегающие автоматизированные решения по регулированию систем. Появляется возможность не только качественного, но и качественно-количественного регулирования системы отопления практически в любом диапазоне, учитывая специфику теплового режима здания.
Схема с расположением насоса на перемычке считается наиболее экономичной, так как через перемычку проходит меньший расход воды, чем в подающем либо обратном трубопроводе. Следовательно, применяется маломощный насос и потребляется меньше электроэнергии.
В независимых схемах присоединения теплоноситель из тепловой сети поступает в подогреватель, в котором его тепло используется для нагревания теплоносителя системы отопления. При этом сетевая вода и вода системы отопления разделены поверхностью нагрева. Таким образом, сеть и система отопления полностью гидравлически изолированы друг от друга. Гидравлическая изоляция теплоносителей на абонентском вводе используется для защиты местных установок от завышенного или заниженного давлений в тепловых сетях, при которых возможно разрушение нагревательных приборов или опорожнение систем отопления.
Регулирование температуры в системе ГВС осуществляется в зависимости от показаний датчика температуры в соответствии с заданным значением 60°C путём воздействия на исполнительные механизмы клапана Г1-Y, соответственно. Предусматривается ручной режим работы клапанов; кнопочный пост размещается по месту установки клапанов. Предусматривается возможность задания дополнительной уставки температуры по двум временным интервалам. Поддержание заданного давления в системе ГВС первой зоны осуществляется путём изменения частоты вращения рабочего насоса при помощи существующего преобразователя частоты (ПЧ), входящего в состав станции управления, установленной на насосах ГВС первой зоны, в зависимости от показаний датчиков давления на прямом и обратном трубопроводах.
Регулирование температуры теплоносителя t3 после водоподогревателя отопления (ВПО) осуществляется в зависимости от показаний датчика температуры наружного воздуха в соответствии с заданным температурным графиком путём воздействия на исполнительный механизм клапана Т-Y.
Поддержание заданного давления (65 м вод. ст.) в системе ХВС первой зоны осуществляется путём изменения частоты вращения рабочего насоса при помощи существующего преобразователя частоты, входящего в состав станции управления, установленной на насосах хозяйственного водоснабжения первой зоны в зависимости от показаний датчиков давления, установленных на трубопроводах ХВС и обратном трубопроводе ГВС второй зоны.
В рамках системы диспетчеризации контролируются и передаются на верхний уровень следующие сигналы [5–9].
Входные параметры:
1. Давление в подающем трубопроводе теплосети p1, МПа.
2. Давление в обратном трубопроводе теплосети p2, МПа.
3. Температура в подающем трубопроводе теплосети t1 из теплосчётчика, °C.
4. Температура в обратном трубопроводе теплосети t2 из теплосчётчика, °C.
5. Давление в городском водопроводе холодной воды pгор, МПа.
6. Температура наружного воздуха tнв, °C.
Выходные параметры:
7. Давление в подающем трубопроводе системы отопления p3, МПа.
8. Давление в обратном трубопроводе системы отопления p4.
9. Температура в подающем трубопроводе отопления t3, °C.
10. Температура в обратном трубопроводе отопления t4, °C.
11. Давление в подающем трубопроводе системы ГВС p7.
12. Давление в циркуляционном трубопроводе системы ГВС p13.
13. Температура в подающем трубопроводе ГВС (ВПГ1) t7.1, °C.
14. Температура в подающем трубопроводе ГВС (ВПГ2) t7.2, °C.
15. Температура в циркуляционном трубопроводе ГВС t13, °C.
16. Давление в подающем трубопроводе холодной воды pХВС, МПа.
Параметры от теплосчётчика на вводе в центральный тепловой пункт:
17. Расход тепловой энергии Q, Гкал.
18. Массовый расход теплоносителя в подающем трубопроводе G1, т/ч.
19. Массовый расход теплоносителя в обратном трубопроводе G2, т/ч.
20. Расход теплоносителя на подпитку отопления Gтп, т/ч.
21. Время работы теплосчётчика Сhr, ч.
Устранить отклонения параметра t3 и t7 возможно изменив настройки режимной карты регулятора ЦО и ГВС в шкафу автоматизации (ШКА). Больше всего времени на проведение исследований требует подготовка данных для последующего анализа. Эту задачу можно реализовать в центральном процессоре ШКА и системе диспетчеризации. В результате анализа выявлено, что имеется достаточный набор параметров, передаваемых из ШКА в систему диспетчеризации, чтобы выполнить анализ отклонений и определить их возможные причины в режиме реального времени.
Для этого можно предложить достаточно простой алгоритм анализа, двух регулируемых параметров t3 и t7. Устранить причины возможно в короткие сроки. Этот алгоритм анализа можно исполнить в модуле центрального процессора CPU850 шкафа автоматизации и в системе диспетчеризации.
Рис. 1. Исследование причин отклонения температуры t3 ЦО для независимой схемы
Описание алгоритма анализа регулируемого параметра t3 приведено на блок-схеме (рис. 1).
1. Ввод дня и текущего начального времени анализа τ = 0 из центрального процессора.
2. Ввод исходных данных t3, tнв, p3 и p4 в текущий день при τ = 0 из центрального процессора (действия в центральном процессоре ШКА).
3. Проверка условия работоспособности насосов отопления НО1, НО2 по перепаду давления на насосе (разнице давлений в подающем и обратном трубопроводах p3 — p4). В норме перепад составляет 0,10–0,11 МПа, снижение до 0,05 МПа представляет собой признак отклонения в работе насосов системы отопления. Выход «Да» — сигнал «Насос ЦО норм.», выход «Нет» — сигнал «Насос ЦО откл.» (действия в центральном процессоре ШКА).
4. Проверка условия положительной или отрицательной температура наружного воздуха. Если насос НО работает с отклонениями и температура наружного воздуха отрицательная — это исходные события для аварии (размораживание системы отопления). Выход «Да» — сигнал «ЦО / Авария / Вызов аварийной бригады» (действия в центральном процессоре ШКА), выход «Нет» — сигнал «t3 нарушение».
5. Определить по графику 95/70 и tнв температуру t3, заданную для поддержания в системе ЦО (действия в центральном процессоре ШКА).
6. Проверка, что температура t3 отклонилась от заданного значения не более чем на ±2°C (отклонение регулятора ЦО в пределах ±0,5°C). Выход «Да» — сигнал «t3 норм.», выход «Нет» — сигнал «t3 нарушение» (действия в центральном процессоре ШКА).
7. Проверка, что температура t3 не превышает 95°C (исходные события — заклинивание регулятора ЦО в открытом положении при температуре t1 теплосети более 100°C или отключение насосов НО). Выход «Да» — сигнал «ЦО / Авария / Вызов аварийной бригады», выход «Нет» — сигнал «t3 нарушение» (действия в центральном процессоре ШКА).
8. В случае создания в системе ЦО условий для формирования сигнала «t3 норм.» через восемь часов провести следующий цикл проверки (действия в центральном процессоре ШКА).
9. В случае создания в системе ЦО условий для формирования сигналов «t3 нарушение» или «ЦО / Авария / Вызов аварийной бригады» вывести параметры режимной карты регулятора ЦО (действия в центральном процессоре ШКА).
10. В случае создания в системе ЦО условий для формирования сигналов «t3 нарушение» или «ЦО / Авария / Вызов аварийной бригады» вывести график изменения параметров t3, t3граф и tнв за последние восемь часов (действия в системе диспетчеризации).
11. Проверка соответствия параметров заданных точек графика t3 в регуляторе ЦО в ШКА и графика 95/70. Выход «Да» — сигнал «Устранить отклонения заданного значения t3граф в карте регулятора ЦО из ШКА и графика 95/70 по заданным точкам» и через восемь часов провести следующий цикл проверки (действия в центральном процессоре ШКА), выход «Нет» — сигнал «Завершение работы алгоритма».
За счёт приведения температуры t3 ЦО к графику путём внесения изменений в настройки регулятора возможно приведение к графику температуры возврата теплосети t2, что позволяет снизить тепловые потери теплосети в магистральном трубопроводе возврата теплосети; оцениваемый диапазон возможной экономии 6–12%. Проведённые исследования показали, что необходимо обеспечить формализованное управление конфигурацией измерителей и регуляторов автоматической системы регулирования (АСР) ЦТП путём создания в каждом филиале ПАО «МОЭК» утверждённых карт данных функциональных и физических характеристики АСР.
