Результаты исследования схем регулирования отопительной нагрузки с элеваторным присоединением

В настоящее время свыше 65% нагрузки отопления присоединяется к тепловым сетям по зависимой (элеваторной) схеме. Перерасход тепловой энергии в данном случае при положительных температурах наружного воздуха может составлять 9−15% годового отпуска тепла на отопление.

В [1, 2] была предложена схема регулирования отопительной нагрузки с элеваторным присоединением, включающая два независимых регулятора. Она позволяет поддерживать требуемую температуру на входе к потребителям в зависимости от температуры наружного воздуха и постоянный расход в местной системе отопления. Возможна реализация двух вариантов схемы. Для выбора оптимального варианта была разработана динамическая модель системы отопления и проведены исследования схем регулирования отопительной нагрузки с элеваторным присоединением.

На рис. 1, 2 представлены схемы элеваторных узлов с регулятором температуры (РТ) на линии смешения (рис. 1) и за элеватором (рис. 2). Регулятор расхода (РР) в обоих случаях расположен на входе в систему и поддерживает заданный (расчетный) расход в местной системе отопления (G_потр)^зд. Регулятор температуры поддерживает требуемое (заданное) по температурному графику значение температуры смешанной воды за элеватором (t^вхпотр)^зд.

Изменение температуры смешанной воды за элеватором при заданных температурах в подающей и обратной линиях тепловой сети может быть осуществлено только изменением коэффициента смешения элеватора. При постоянных гидравлических сопротивлениях сопла элеватора и местной системы отопления изменить коэффициент смешения можно, изменяя сопротивление клапана регулятора температуры. С уменьшением его гидравлического сопротивления коэффициент смешения возрастает, поэтому по мере роста температуры наружного воздуха tng регулятор температуры открывается, а регулятор расхода прикрывается для поддержания постоянства расхода смешанной воды.

Входным сигналом РР является небаланс между заданным и фактическим расходом воды к потребителям (G_потр)^зд— G_потр). Регулятор преобразует его по ПИ-закону и воздействует на клапан, регулирующий расход рабочей среды Gвх в систему отопления.

Входным сигналом РТ является небаланс между заданной и фактической температурой воды, поступающей к потребителям ((t^вхпотр)^зд t^вхпотр) Регулятор преобразует входной сигнал по ПИ-закону и воздействует на клапан, который, в зависимости от своего расположения, изменяет расход на входе к потребителям Gвх или расход рабочей среды, подмешивающейся в элеватор Gсм.

С помощью преобразования Лапласа [3] из уравнений теплового и материального балансов и соотношения для коэффициента смешения элеватора были получены передаточные функции (см. полную версию статьи — прим. ред.). За нулевые начальные условия был принят расчетный режим работы элеватора (Qо^р=581, 4 кДж/с — расчетная нагрузка отопления при текущей температуре наружного воздуха t_нв=-26 ^ОС).

При этом было принято:

изменение t^выхпотр при изменении t^вхпотр происходит с интегральной постоянной времени 60 с;

изменение t^вхпотр при изменении расхода Gпотp происходит практически мгновенно, т. е. интегральная постоянная времени канала Gпотр -> t^вхпотр 0, 1 с.

Для клапана РТ постоянная времени Т_клр_Т была принята 10 с, для клапана РР постоянная времени Т_клРР=5 с.

Недостаток схемы с РТ за элеватором состоит в том, что она представляет собой взаимосвязанную систему. Регуляторы влияют на переходные характеристики друг друга при их совместной работе. Например, когда РТ нужно увеличить температуру, он будет открывать связанный с ним клапан (после элеватора), тем самым, увеличивая расход воды к потребителям. Но РР будет закрывать свой клапан (перед элеватором), чтобы сохранить постоянным расход в системе отопления. Поэтому целесообразно в схему регулирования добавить компенсатор, сигнал от которого поступает на вход РТ. При правильной настройке компенсатор должен обеспечивать инвариантность РТ при работе РР (передаточная функция компенсатора для этой схемы приведена в полной версии статьи — прим. ред.).

В схеме на рис. 1 предусмотрена возможность учесть влияние температуры наружного воздуха tng на температуру на входе к потребителям Стр.

В процессе исследования была разработана методика настройки автоматических регуляторов системы отопления и рассчитаны параметры настройки регуляторов: коэффициент усиления k_p и постоянная времени интегрирования T_u, представленные в табл. 1.

На рис. 3 показаны переходные процессы t^вхпотр и Gпотр в системе отопления с регулятором температуры на линии смешения при изменении задания РТ (t^вхпотр)^зд на 10 ^ОС и задания РР (Gпотр)^зд на 0, 5 кг/с.

На рис. 4 представлены переходные процессы t^вхпотр и Gпотр в системе отопления с регулятором температуры за элеватором при изменении задания РТ (t^вхпотр)^зд на 10 ^ОС и задания РР (G_потр)^зд на 0, 5 кг/с.

Хорошо видно, что переходные процессы в системе отопления с РТ на линии смешения (рис. 3) более устойчивы, чем процессы в системе с РТ за элеватором (рис. 4): степень затухания колебаний Ш как температуры t^вхпотр, так и расхода Gпотр в первом случае равна 1, во втором — Ш=0, 95 при одинаковом времени достижения заданных значений. Кроме того, как отмечалось выше, схема с РТ за элеватором является взаимосвязанной, что требует ввода дополнительного компенсирующего сигнала. Также в ходе модельных исследований было получено, что для нее необходима автоподстройка в зависимости от нагрузки.

Таким образом, схема с РТ на линии смешения позволяет обеспечить более качественное поддержание температуры и расхода и является наиболее удобной с точки зрения регулирования.

Дополнительно была рассмотрена схема регулирования, когда РТ находится на входе в систему отопления, а РР — за диффузором элеватора. Соответствующая схема элеваторного узла представлена на рис. 5.

Параметры настройки регуляторов, рассчитанные для данного варианта системы регулирования, представлены в табл. 2.

Для обеспечения инвариантности регуляторов в схему был также введен компенсатор (передаточная функция компенсатора для данной схемы приведена в полной версии статьи — прим. ред.). Соответствующие переходные процессы t^вхпотр и Gпотр при изменении задания РТ (t^вхпотр)^зд на 10 ^ОС и задания РР (G_потр)^зд на 0, 5 кг/с представлены на рис. 6.

Сравнивая рис. 4 и 6, можно отметить, что изменение мест положения регуляторов РТ и РР не улучшило качества переходных процессов: сохранилась колебательность процессов, увеличилось динамическое отклонение ^ЛЈ_тр и Gпотр. Также надо отметить, что, помимо ухудшения качества поддержания температуры и расхода в системе, схема с РТ на входе и РР после элеватора (см. рис. 5) сохранила недостатки предыдущей схемы: также нуждается во вводе компенсирующего сигнала и требует автоподстройки при различных нагрузках.

тепловой энергия элеватор регулятор