Гідравлічний розрахунок і моделювання теплових мереж
Підсистема "Гідравліка" ІГС "CityCom‑ТеплоГраф" для систем теплопостачання
Підсистема включає в себе повний набір функціональних компонент і відповідних їм інформаційних структур бази даних, необхідних для гідравлічного розрахунку і моделювання теплових мереж і систем теплопостачання будь-якої складності.
Зокрема за допомогою підсистеми "Гідравліка" для теплових мереж користувачі вирішують наступні завдання:
-
Розрахунок номінального гідравлічного режиму теплової мережі
-
Моделювання роботи теплових мереж з використанням тестових (модельних) версій баз даних
-
Групові зміни характеристик навантажень абонентів теплової мережі за заданими критеріями
-
Групові зміни характеристик ділянок теплової мережі за заданими критеріями
Розмірність розрахованих теплових мереж, ступінь їх закільцьованості, а також кількість теплоджерел, що працюють на загальну мережу - не обмежені.
Розрахунок номінального гідравлічного режиму
Це класичний вид гідравлічного розрахунку, який відштовхується від задання теплових навантажень споживачів. В результаті розрахунку виходить повний потокоррозподіл по подавальним та зворотним трубопроводам теплової мережі, а також абсолютні і наявні напори у всіх точках теплової мережі в припущенні, що всі споживачі отримують заявлене теплове навантаження при визначених для них температурних графіках.
Насосні групи на джерелах тепла, а також в насосних станціях змішання, підпору і підкачки описуються повною моделлю, що включає витратно-напірну характеристику групи насосних агрегатів.
Витратно-напорна характеристика може бути отримана двома способами:
- завданням параметрів граничних пар "витрата-напір", що описують робочу зону;
- завданням паспортних характеристик встановлених насосних агрегатів (вибір з довідника насосів) та комбінацією їх включення.
Гідравлічні опори ділянок трубопроводів визначаються їх довжиною, внутрішнім діаметром, сумою місцевих опорів, коефіцієнтом шорсткості або коефіцієнтом місцевих втрат (в залежності від обраного способу розрахунку), ступенем заростання.
Інструментарій підсистеми включає в себе табличні і графічні засоби аналізу режиму, отриманого в результаті гідравлічного розрахунку, включаючи пьезометричні графіки.
Розрахунок поточного (фактичного) гідравлічного режиму
Від гідравлічного розрахунку номінального режиму (він) відрізняється тим, що споживачі тепла в цьому випадку моделюються спеціально розрахованим на підставі "номінального" режиму внутрішнім гідравлічним опором (що включає обв'язку і звужують пристрої), а задане для них теплове навантаження ігнорується. Потокорозподіл при цьому повністю визначається витратно-напірними характеристиками груп насосних агрегатів, що працюють на теплову мережу, і гідравлічними опорами ділянок тепломережі і споживачів тепла.
Саме цей вид гідравлічного розрахунку є інструментом імітаційного моделювання. З його допомогою можна відповідати на питання, що станеться з гідравлічним режимом в тепловій мережі при аварійному відключенні якого-небудь устаткування (нештатна ситуація). Тому в літературі цей метод гідравлічного розрахунку часто називають "аварійним".
Істотна особливість методу полягає в тому, що гідравлічний розрахунок поточного режиму має сенс тільки на моделі, відкаліброваній для номінального гідравлічного режиму. Калібрування моделі - процес ідентифікації і тонкого налаштування наборів вихідних даних таким чином, щоб забезпечити максимальне наближення результатів гідравлічного розрахунку до даних натурних вимірювань ("посадка п’єзометра на вимірювання"). Калібрувальний інструментарій вмонтований в підсистему і коротко описаний нижче, методика калібрування залежить від безлічі обставин конкретної організації, що експлуатує теплову мережу.
Для гідравлічного розрахунку поточного режиму є все ті ж аналітичні інструменти, що і для номінального.
Моделювання перемикань
Це той інструмент, який, головним чином, дозволяє говорити про "гідравлічну модель" мережі. Суть полягає в автоматичному відстеженні програмою стану запірно-регулюючої арматури і насосних агрегатів у базі даних опису теплової мережі. Будь-яке перемикання на схемі теплової мережі тягне за собою автоматичне виконання гідравлічного розрахунку, і, таким чином, в будь-який момент часу користувач бачить той гідравлічний режим, який відповідає поточному стану всієї сукупності запірно-регулюючої арматури і насосних агрегатів на схемі теплової мережі.
Перемикання можуть бути як поодинокими, так і груповими, для будь-якої обраної (поміченої) сукупності елементів, що перемикаються.
Засувки типу "дросель", крім двох крайніх станів (відкрита/закрита), можуть мати проміжний стан "притиснута", який визначається або у відсотках відкриття клапана, або в числі оборотів штока. При цьому стані засувка моделюється своїм гідравлічним опором, розрахованим по паспортній характеристиці клапана.
Для насосних агрегатів і їх груп у моделі доступні кілька видів перемикань:
- включення/вимикання;
- дроселювання;
- зміна частоти обертання приводу.
За будь-якого перемикання насосних агрегатів в насосній станції або на джерелі автоматично перераховується сумарна витратно-напірна характеристика всієї сукупності працюючих насосів.
Для регуляторів тиску і витрати перемиканням є зміна уставки.
Для споживачів перемиканням є одна з таких дій:
- включення/відключення одного або декількох видів теплового навантаження;
- обмеження одного або декількох видів теплового навантаження (в %% від паспортної, в т.ч. і більше 100%);
- зміна температурного графіка і/або питомих витрат теплоносія за видами теплового навантаження;
- зміна способу завдання теплового навантаження зі списку, наявного в паспорті (проектна/договірна/фактична ...)
Передбачена генерація спеціальних звітів про відключених/включених абонентів і ділянках теплової мережі, стан яких змінився внаслідок останнього виробленого одиничного або групового перемикання. Ці звіти можуть, за бажанням користувача, містити будь-яку інформацію про ці об'єкти, що міститься в базі даних.
Режим гідравлічного моделювання дозволяє оперативно отримувати відповіді на запитання на кшталт "Що буде, якщо ...?" Це дає можливість уникнути помилкових дій при регулюванні режиму і переходах на реальній теплової мережі, що можуть спричинити неприємні і навіть фатальні наслідки.
Модельні бази
Підсистема гідравлічних розрахунків дозволяє моделювати довільні режими, в тому числі аварійні і перспективні. Само по собі гідравлічне моделювання передбачає внесення в модель якихось змін з метою відтворення режимних наслідків цих змін. Очевидно, що такі зміни спотворюють реальні дані, що описують експлуатовану теплову мережу в її поточному стані, що категорично неприпустимо.
Підсистема гідравлічних розрахунків містить спеціальний інструментарій, що дозволяє для цілей моделювання створювати й адмініструвати спеціальні "модельні" бази - набори даних, клонованих з основної (контрольної) бази даних опису теплової мережі, на яких можна проводити будь-які маніпуляції без ризику спотворити або пошкодити контрольну базу.
Крім свободи маніпуляцій, цей механізм також забезпечує можливість здійснення порівняльного аналізу різних режимів роботи теплової мережі, реалізованих в модельних базах, між собою. Зокрема, чудовим аналітичним інструментом є порівняльний п'єзометричний графік, на якому наочно видно зміна гідравлічного режиму, що відбулося в результаті тих чи інших маніпуляцій.
П'єзометричні графіки
Це основний аналітичний інструмент фахівця з гідравлічних розрахунків теплових мереж. П'єзометр є графічним документом, на якому зображені лінії тисків в прямій та зворотій магістралях теплової мережі, а також профіль рельєфу місцевості - вздовж певного шляху, що з'єднує між собою два довільних вузла теплової мережі по нерозривному потоку теплоносія. На п’єзометричному графіку наочно представлені всі основні характеристики режиму, отримані в результаті гідравлічного розрахунку, по всіх вузлах і ділянках уздовж обраного шляху: манометричні тиски, повні і питомі втрати напору на ділянках теплової мережі, наявні тиски в камерах, витрати теплоносія, перепади, створювані на насосних станціях і джерелах, надлишкові напори і т.д.
Побудови власне п'єзометричного графіка передує вибір шуканого шляху. Для цієї мети на схемі теплової мережі відзначаються не менше двох вузлів, через які повинен пройти обраний шлях. У загальному випадку, з урахуванням закільцьованості теплових мереж, може існувати більш одного шляху, що з'єднує задані точки. В цьому випадку для однозначного визначення результату можна вказати проміжні точки, або змінити критерій пошуку шляху (це може бути мінімізація кількості ділянок, мінімізація гідравлічного опору або мінімізація сумарної довжини, пошук по лініях подавальної або зворотної магістралі). Шлях будується програмою автоматично з урахуванням стану запірної арматури у вузлах комутації (теплових камерах), знайдений шлях "підсвічується" на екрані кольором виділення.
Після вибору необхідного шляху одним кліком миші будується п'єзометричний графік. Склад інформації, що відображається на ньому, легенда і масштаб візуалізації легко налаштовуються користувачем в зручний для нього вигляд. Серед інших налаштувань, є можливість виділити на графіку порушення гідравлічного режиму, критерії порушень задаються користувачем. Графік може бути при необхідності роздрукований або експортований в інші програми через буфер обміну Windows.
На одному координатному полі графіка можуть бути одночасно побудовані п'єзометри для номінального і фактичного гідравлічекіх режимів, а також порівняльні графіки цих же режимів, побудовані за однією з модельних баз. Типи і кольори ліній і точок графіка легко налаштовуються, так щоб графіки різних гідравлічних режимів на одному полі були помітні між собою.
У разі наявності зв'язку ІГС "ТеплоГраф" з АСУ ТП, на п’єзометричному графіку можливо, крім розрахункових ліній тисків, показати реальні вузлові тиски, вимірювані датчиками безпосередньо на тепловій мережі. Це дозволяє зіставити режим, отриманий в результаті гідравлічного розрахунку, з даними фактичних замірів, і дуже спрощує процес калібрування розрахункової гідравлічної моделі.
П'єзометричний графік є незамінним інструментом калібрування гідравлічної моделі теплової мережі, оскільки графічна інтерпретація гідравлічного режиму дозволяє одночасно якісно і кількісно оцінити поправки, які необхідно внести в розрахункову модель, щоб вона найбільш адекватно повторювала "гідравлічну поведінку" реальної теплової мережі в експлуатації.
Аналіз режимів насосних станцій
Це графічний інструмент, що дозволяє оцінити гідравлічний режим навантаженості насосної стації. На графіку представлена розрахована витратно-напірна характеристика всієї сукупності працюючих насосних агрегатів, а також графіки споживаної потужності і ККД насосної станції. На витратно-напірної характеристиці зазначаються крайні точки робочої зони, а також зображується поточний стан робочої точки (витрата через насосну станцію і створюваний нею натиск). Цей графік дозволяє наочно оцінити поточний режим завантаження насосної станції з точки зору величини запасу або "перевантаженості" по продуктивності, ККД і економічності режиму. Так, якщо робоча точка лежить поблизу лівої межі робочої зони, це свідчить про значну надмірності включених насосних агрегатів; якщо ж вона "притиснута" до правого краю робочої зони, це означає необхідність включення в роботу додаткових насосних агрегатів в групі.
Як зазначалося вище, сукупна витратно-напірна характеристика розраховується на основі паспортних характеристик реальних насосних агрегатів, що працюють на мережу, або характеристик, отриманих ідентифікацією за натурними випробуваннями, або теоретичних характеристик, заданих "по двох точках".
У комплекті інструментарію підсистеми гідравлічних розрахунків поставляється велика база даних по кільком сотням видів насосів, які використовуються в теплопостачанні. Якщо у конкретного користувача зустрічається насосні агрегати, відсутні в базі даних "CityCom-ТеплоГраф", ми протягом кількох годин централізовано заносимо такі агрегати в довідник, з тим, щоб з цього моменту і надалі їх характеристики були доступні і іншим численним користувачам технології "CityCom".
Групові зміни характеристик навантажень абонентів теплової мережі за заданими критеріями
У підсистемі гідравлічних розрахунків є спеціальний інструмент для здійснення масових змін характеристик навантажень споживачів з метою моделювання - таким чином, щоб при цьому не міняти паспортні значення навантажень абонентів теплової мережі.
Цей інструмент дозволяє застосувати загальне правило зміни характеристик теплового навантаження одночасно для деякої сукупності споживачів, яка визначається заданим складним критерієм відбору, який може включати в себе, зокрема:
- по всій базі даних опису теплової мережі;
- по одній з зв'язкових компонент (теплової зоні джерела);
- за деяким графічним полем, заданим довільним багатокутником;
- за типом об'єктів теплопостачання (житло, адміністративні будівлі, промисловість і т. д.);
- за ознакою відомчої підпорядкованості;
- за ознакою "діючий/перспективний" і діапазону дат введення в експлуатацію;
- за ознакою адміністративного поділу; і т.п.
Для споживачів, відібраних за заданим критерієм, можна виконати одну з таких змін характеристик навантаження:
- включення/відключення одного або декількох видів теплового навантаження;
- обмеження одного або декількох видів теплового навантаження (в %% від паспортної, в тому числі і понад 100%);
- зміна температурного графіка і/або питомих витрат теплоносія за видами теплового навантаження;
- зміна способу завдання теплового навантаження зі списку, наявного в паспорті (проектна/договірна/фактична/...)
ППісля проведення серії змін характеристик навантажень електронний блок робить гідравлічний розрахунок теплової мережі, результати якого відразу ж доступні для візуалізації на схемі та аналізу.
Оскільки у разі зміни характеристик навантаження паспорти споживачів не змінюються, дуже просто повернутися до вихідного стану розрахункової гідравлічної моделі, що визначається паспортними значеннями теплових навантажень споживачів.
Групові зміни характеристик ділянок теплової мережі за заданими критеріями
Даний інструмент стосується різних цілей і завдань гідравлічного моделювання, проте його основне призначення - калібрування розрахункової гідравлічної моделі теплової мережі. Трубопроводи реальної теплової мережі завжди мають фізичні характеристики, що відрізняються від проектних в силу змін, що відбуваються в часі - корозії і випадення відкладень, що відбиваються на зміні еквівалентної шорсткості і зменшенні внутрішнього діаметра внаслідок заростання. Очевидно, що ці зміни впливають на гідравлічні опори ділянок трубопроводів, і в масштабах мережі в цілому це призводить до вельми значних розбіжностей результатів гідравлічного розрахунку по "проектним" значенням з реальним гідравлічним режимом, які спостерігаються в експлуатованій тепловій мережі. Виміряти дійсні значення шорсткостей і внутрішніх діаметрів ділянок діючої теплової мережі не представляється можливим, їх можна оцінити лише непрямим чином на підставі порівняння реального гідравлічного режиму з результатами розрахунків на гідравлічній моделі, і внести в модель відповідні поправки.
Інструмент групових операцій дозволяє виконати зміну характеристик для підмножини ділянок теплової мережі, що визначається заданим критерієм відбору, зокрема:
- по всій базі даних опису теплової мережі;
- по одній з зв'язкових компонент теплової мережі (теплової зоні джерела);
- по деякій графічній області, заданій довільним багатокутником;
- уздовж обраного шляху;
- за подавальним або зворотним трубопроводами теплової мережі, або симетрично;
- за видом теплових мереж (магістральні, квартальні, внутрішньодворові);
- за ділянками теплової мережі певного умовного діаметра;
- за ділянками теплової мережі з певним типом прокладки, і т. п.
Для ділянок теплових мереж, відібраних за певною сукупністю критеріїв, можна зробити будь-яку з наступних операцій:
- зміна еквівалентної шорсткості;
- зміна ступеня заростання трубопроводів;
- зміна коефіцієнта місцевих втрат;
- зміна способу розрахунку опору.
Після проведення серії змін характеристик ділянок трубопроводів теплової мережі автоматично проводиться гідравлічний розрахунок, результати якого відразу ж доступні для візуалізації на схемі та аналізу.
Оскільки у разі зміни характеристик ділянок теплової мережі їх паспорти не модифікуються, в будь-який момент можна повернутися до вихідного стану розрахункової гідравлічної моделі, що визначається паспортними значеннями характеристик ділянок теплової мережі.
Табличні та графічні аналітичні інструменти
Поряд з самим затребуваним інструментом, - п’єзометричними графіками, - підсистема гідравлічних розрахунків теплових мереж забезпечена великою кількістю зручних засобів аналізу. Зокрема, такі:
- "гідравлічна" розфарбовка мережі: різними кольорами виділяються включені, відключені і тупикові ділянки теплових мереж;
- спеціальні розфарбовки теплової мережі за значеннями різних характеристик гідравлічного режиму (за швидкістю, по зонам тисків в прямій або зворотній магістралі, за питомими втратами напору на ділянках і т.п.);
- графічні виділення (виділення кольором або іншим способом вузлів і/або ділянок теплової мережі за деяким критерієм), наприклад: споживачі з перевищенням тиску в зворотній магістралі, теплові камери з "притиснутими" засувками, вузли з наявним напором нижче заданого, ділянки з перевищенням заданої швидкості потоку, і т.п.
- розстановка на схемі теплової мережі значків-стрілок, що вказують напрямок руху теплоносія по лінії подачі або зворотній магістралі;
- підпис на схемі теплової мережі значень витрат на ділянках і тисків в вузлах мережі;
- довільні табличні аналітичні документи, створені за вихідними даними і результатами гідравлічного розрахунку теплових мереж;
- гідравлічні довідки на окремі вузли, ділянки, джерела, насосні станції та споживачів теплової мережі;
- довільні запити та вибірки з бази даних, що містять будь-які описані функції від параметрів режиму, отриманих в результаті гідравлічного розрахунку.
Набір розфарбовок, графічних виділень і аналітичних документів нічим не обмежений, крім потреб користувача і дотримання загального принципу: групувати, фільтрувати і аналізувати можна тільки ті дані, які в явному вигляді присутні в базі даних проекту, або обчислювані з них.
Для споживачів перемиканням є одну з таких дій:
- включення/відключення одного або декількох видів теплового навантаження;
- обмеження одного або декількох видів теплового навантаження (в %% від паспортної, в т.ч. і більше 100%);
- зміна температурного графіка і/або питомих витрат теплоносія за видами теплового навантаження;
- зміна способу завдання теплового навантаження зі списку, наявного в паспорті (проектна/договірна/фактична ...)
Передбачена генерація спеціальних звітів про відключених/включених абонентів і ділянках теплової мережі, стан яких змінився внаслідок останнього виробленого одиничного або групового перемикання. Ці звіти можуть, за бажанням користувача, містити будь-яку інформацію про ці об'єкти, що міститься в базі даних.
Режим гідравлічного моделювання дозволяє оперативно отримувати відповіді на запитання на кшталт "Що буде, якщо...?" Це дає можливість уникнути помилкових дій при регулюванні режиму і переходах на реальній теплової мережі, що можуть спричинити неприємні і навіть фатальні наслідки.
