Удаленная диспетчеризация теплосетей в «умном городе»

Опубликовано в номере:
PDF версия
По данным ООН, более половины населения Земли проживает в городах, а к 2050 г. число горожан увеличится приблизительно на 2,5 млрд человек [1]. Планомерное развитие городов неразрывно связано с внедрением технологий «умных городов» (Smart City). Ряд программ развития технологий «умного города» реализуются в России, в частности в Санкт-Петербурге [2]. Основой концепции «умных городов» является сбор информации о ситуации в городе на основе измерительных приборов, датчиков, камер, средств связи и систем хранения данных, в том числе на объектах энергетики и инженерного обеспечения. Задача повышения эффективности расходования ресурсов, снижения негативного воздействия на окружающую среду определяет необходимость оперативного мониторинга ситуации на объектах ЖКХ, ведения точного учета расходования энергоресурсов, осуществления управления в режиме реального времени, в частности на трубопроводах горячего водоснабжения (ГВС).

Диагностика целостности труб является важной задачей для обеспечения надежной и экономичной эксплуатации теплотрасс. Внедрение систем дистанционного контроля состояния трубопроводов значительно облегчает решение данной задачи. Такие системы представляют собой совокупность аппаратных и программных средств, которые позволяют собирать и анализировать различные параметры. С их помощью можно быстро обнаруживать неполадки в работе трубопровода, получать точную информацию о характере и координатах возникшего дефекта. Для осуществления контроля разработаны и применяются современные методы дистанционной диагностики [3, 4].

Санкт-Петербургский политехнический университет им. Петра Великого активно взаимодействует с администрацией Северной столицы и предприятиями коммунальных служб города. По задачам предприятий проводятся НИР и ОКР, организуется практика студентов, выполнение ими выпускных работ по актуальным для этих предприятий темам. В частности, по заданию Минобрнауки выполнен проект «Создание цифрового аналога трубопроводных систем теплосети».

Основные этапы выполнения работы:

  • выбрано оборудование и технология для беспроводной передачи данных от датчиков на компьютеры диспетчерской службы;
  • проведено тестирование технологии на объектах теплотрасс, подтверждена работоспособность, надежность и точность выбранной технологии;
  • определены требования к источникам питания датчиков на основе термоэлектрических преобразователей, проведена опытная эксплуатация;
  • выполняется пилотный проект удаленного мониторинга выделенного участка теплосети на основании соглашения с теплоснабжающим предприятием Санкт-Петербурга.
    Схема мониторинга теплотрасс

    Рис. 1. Схема мониторинга теплотрасс

Остановимся более подробно на некоторых достигнутых результатах. В ходе выполнения проекта разработана схема мониторинга теплопровода (рис. 1). Основная информация о состоянии теплопровода получается в тепловой камере — заглубленном железобетонном сооружении с фланцевыми соединениями труб, арматурой для размещения и обслуживания стыков, задвижек и другого оборудования теплотрасс (рис. 2).

Тепловая камера

Рис. 2. Тепловая камера

В камере размещаются модем, обеспечивающий передачу информации, датчики температуры, влажности, расхода воды и давления воды в трубе. Собранные сведения передаются на базовую станцию, а от нее через Интернет в диспетчерскую.

Для построения сети передачи информации выбрана технология энергоэффективной сети дальнего радиуса действия LoRaWAN (Long Range wide-area networks), обеспечивающая передачу небольших по объему и скорости данных на относительно большие расстояния. Модем с LoRaWAN-модулем преобразует и передает имеющиеся данные по радиоканалу на базовую станцию. Полученные базовой станцией сигналы от всех устройств в радиусе действия преобразуются и отправляются на удаленный сервер по доступным каналам связи Ethernet, сотовой сети, VSAT. Передача данных по радиоканалу осуществляется в нелицензируемом спектре частот, разрешенных к свободному использованию. В качестве рабочего выбран диапазон 868 МГц, его «пробивная» способность позволяет сигналу без помех проходить сквозь бетонные перекрытия тепловой камеры и в условиях городской застройки давать каждой базовой станции эффективный радиус покрытия 2,5–4 км. Расстояние зависит от конкретных условий, но по сравнению с другими технологиями в соотношении расстояние/энергоэффективность преимущество LoRaWAN налицо [5].

Решение задачи диспетчеризации в рамках представленной структурной схемы имеет ряд неоспоримых преимуществ:

  • большая (практически неограниченная) дальность, определяемая сетью базовых станций;
  • низкое энергопотребление. Современная схемотехника позволяет построить измерительный и передающий комплексы со средней суммарной потребляемой мощностью порядка 1 Вт;
  • высокая проникающая способность. Диапазон рабочих частот модуля обмена информацией позволяет размещать аппаратуру в тепловых узлах практически под землей;
  • использование для связи нелицензируемых частот.

Поступившие на сервер данные используют для отображения, анализа ситуации, построения отчетов и принятия решений.

При эксплуатации теплотрасс наиболее опасным и часто встречающимся дефектом является коррозия металла, приводящая к утончению стенок, нарушению прочности трубо­провода, образованию трещин, свищей, разломов, через которые начинается утечка воды. Максимально быстрое обнаружение дефекта является важной задачей.

В настоящее время широкое распространение получил простой, но малонадежный способ диагностирования утечек. Вдоль трубопровода, под слоем теплоизоляционного материала, при производстве труб прокладываются два медных провод­ника. Концы проводников выходят на поверхность земли и закрепляются на клеммах ковера, которые устанавливаются вдоль трубопровода с шагом в несколько сотен метров. По изменению величины сопротивления можно судить о возникновении утечки и приблизительном расстоянии до нее. Невысокая надежность существующего метода связана с тем, что, с одной стороны, замыкание проводников может произойти не сразу после возникновения утечки, так как утечка может начаться со стороны трубы, противоположной прокладке проводников. С другой стороны, замыкание проводников может произойти и без утечки. Например, замкнуть проводники могут грунтовые воды, просочившиеся под слой теплоизоляции. Кроме того, замеры сопротивления проводятся периодически при обходе работниками эксплуатационной службы теплосети.

Другой дефект трубопроводов горячего водоснабжения — нарушение теплоизоляции труб. Это не приводит к аварии, но снижает энергоэффективность. В настоящее время диагностирование подобных дефектов не выполняется, и об их наличии можно судить только по нагреву поверхности земли над трубопроводом.

Особенностью разработанной модели мониторинга является то, что обработка информации и принятие решения о местах возникновения аварийных ситуаций и потерь тепловой энергии осуществляется в режиме реального времени. Информация сохраняется в базах данных и используется для анализа протекающих в трубопроводах процессов.

Для решения поставленной задачи в рамках проекта «Создание цифрового аналога трубопроводных систем теплосети» коллективом были решены следующие вопросы:

  • определен перечень параметров, подлежащих мониторингу;
  • осуществлен выбор датчиков;
  • определены места установки датчиков;
  • проведена модернизация конструкции трубопроводов для установки датчиков;
  • обеспечено автономное электропитание на основе термоэлектричества;
  • выбраны средства беспроводной передачи информации от датчиков до диспетчерской;
  • создана математическая модель трубопровода для решения задачи прогнозирования возникновения аварий;
  • разработано программное обеспечение для работы системы удаленного мониторинга;
  • спроектирована сеть удаленного мониторинга для реального объекта;
  • в настоящее время решаются организационные вопросы (утверждение документации на модернизацию трубопроводов, согласование установки базовых станций, разработка и утверждение регламента работы диспетчерской службы теплосети с учетом внедрения удаленного мониторинга).

В ходе выполнения проекта был решен ряд подзадач.

 

Определение перечня параметров, подлежащих мониторингу

На основании опыта эксплуатации теплотрасс ЖКХ был определен перечень параметров, значения которых будут использованы для прогнозирования аварийных ситуаций и оценки энергоэффективности:

  • давление воды в трубопроводе: по разности давлений в соседних тепловых камерах можно судить об утечках воды на участке;
  • расход воды в трубопроводе: по разности расхода также можно судить об утечке воды на участке;
  • температура воды: зная разность температур воды между соседними камерами, можно судить о состоянии теплоизоляции на участке;
  • влажность воздуха внутри тепловой камеры позволяет обнаружить утечки через фланцевые соединения;
  • несанкционированный доступ в тепловую камеру.

 

Выбор датчиков

При выборе датчиков для измерения вышеуказанных параметров были учтены следующие требования:

  • соответствие диапазона и точности измерений измеряемым параметрам;
  • возможность электрической стыковки выходов датчиков со входами устройств беспроводной передачи информации (радиомодемов);
  • возможность работы датчиков как при высокой влажности, так и в горячей воде (в случае затопления тепловых камер);
  • возможность работы датчиков в заданном диапазоне температур, характерных для данной местности;
  • антивандальное исполнение датчиков (защита датчиков от повреждений при выполнении работ внутри тепловых камер);
  • низкое энергопотребление, учитывая отсутствие сетевого электропитания в тепловых камерах.

 

Выбор источника питания

Одним из наиболее важных элементов разработанной системы является источник питания. Как было отмечено выше, средняя потребляемая мощность устройствами, обеспечивающими реализацию данной технологии, находится в пределах 1 Вт. Обеспечение электропитанием подземных объектов с использованием штатных электрических сетей связано с большой проектной работой и высокой стоимостью подключения и эксплуатационными затратами. Применение аккумуляторных батарей также представляет определенные трудности из-за сложности доступа на объект, в первую очередь из-за высокой влажности и температуры на объекте. При рекомендованной температуре эксплуатации аккумуляторных батарей до +35 °C температура в тепловой камере может достигать +50 °C и выше.

В данной ситуации единственным вариантом обеспечения электропитанием становится применение термо­электрической генерации, широко известной в промышленности с середины прошлого века [6, 7].

Термоэлектрическая пара

Рис. 3. Термоэлектрическая пара

Основой термоэлектрических генераторов служит термоэлектрическая пара (рис. 3). При наличии градиента температуры (Th – Tc) возникает термо-ЭДС, обеспечивающая протекание постоянного электрического тока I при подключении внешней нагрузки RL. Генерируемая электрическая мощность будет равна разности мощности теплового потока на горячей и холодной стороне термопары. Ряд последовательно соединенных в несущей конструкции термопар образуют термоэлектрический генераторный модуль (ТГМ), представленный на рис. 4.

Конструкция термоэлектрического генераторного модуля

Рис. 4. Конструкция термоэлектрического генераторного модуля

Диапазон рабочих температур трубы ГВС (+100…+130 °С) идеально соответствует диапазону рабочих температур низкотемпературного термоэлектрического генераторного модуля (ТГМ). Теория термоэлектрической генерации, практика применения и результаты натурных испытаний подробно рассмотрены в [8, 9]. Из приведенных в [9] результатов испытаний видно, что ТГМ обеспечивает выходное напряжение порядка 400 мВ и выходную мощность около 45 мВт при наличии минимальной разности температур 10 °С. Необходимое для устойчивой работы современных микросхем для систем накопления энергии (Energy Harvesting) напряжение 30 мВ, достаточное для запуска DC/DC повышающего конвертера, будет обеспечено при разности температур на сторонах модуля 2–3 °C.

Проведенные измерения показали, что в реальных условиях при наименьшей температуре трубы порядка +90 °C температура в тепловой камере составляет порядка +40 °C (летний период), а при температуре трубы около +120…+140 °C температура в камере повышается до +50 °C. Таким образом, разность температур на ТГМ с учетом потерь составит ~50 °C в наихудшем варианте.

На рис. 5 представлена зависимость генерируемой мощности от температуры нагреваемой (так называемой горячей) стороны ТГМ. Как видно из графика, значения снимаемых с модуля тока и напряжения с увеличением разности температур возрастают в линейной, а мощность — в квадратичной пропорции.

График зависимости тока I (A), напряжения U (В) и мощности Р (Вт) от разности температур между горячей и холодной сторонами генераторного модуля ТГМ-199-1,4-3,5

Рис. 5. График зависимости тока I (A), напряжения U (В) и мощности Р (Вт) от разности температур между горячей и холодной сторонами генераторного модуля ТГМ-199-1,4-3,5

Конструкция термоэлектрического генератора приведена на рис. 6. Она, как правило, содержит четыре основных узла:

  • источник тепла (1);
  • теплоприемник (2), передающий тепло от источника к термоэлектрическому генераторному модулю;
  • собственно ТГМ (3);
  • радиатор охлаждения (4), обеспечивающий распределение тепла в окружающей среде.
    онструкция термоэлектрического генератора

    Рис. 6. Конструкция термоэлектрического генератора

Все элементы конструкции на пути прохождения тепла характеризуются величиной теплового сопротивления. Получить наибольшую эффективность термоэлектрического генератора позволяет оптимизация элементов конструкции и правильный выбор ТГМ. Для обеспечения максимальной надежности конструкции генератора применен конвекционный способ теплообмена с окружающей атмосферой. Альтернативой является применение увеличивающих интенсивность теплообмена вентиляторов, однако надежность конструкции из-за установки вращающихся и относительно быстро изнашивающихся деталей получается на порядок хуже.

Из широкого перечня предлагаемых отечественной промышленностью ТГМ при малых перепадах температуры и воздушно-конвекционном способе отвода тепла в окружающую среду наиболее целесообразно применять модули с высоким тепловым сопротивлением (значение указывается в каталоге производителя). Также предпочтительно применять модули, имеющие большее значение вырабатываемого напряжения при одинаковом перепаде температур. Одним из оптимальных ТГМ можно считать ТГМ-199-1,4-3,5 [10], вольт-амперная характеристика которого приведена на рис. 5. В наихудших условиях опытной эксплуатации генератора с таким ТГМ отдаваемая в нагрузку мощность составила 0,5 Вт. Применение двух генераторов позволило решить задачу энергообеспечения.

 

Заключение

В рамках выполнения проекта «Создание цифрового аналога трубопроводных систем теплосети» проведен выбор оборудования и технологии беспроводной передачи данных, тестирование технологии на объектах теплотрасс. Полученные положительные результаты подтвердили работоспособность, надежность и точность технологии. Это позволило перейти к выполнению пилотного проекта удаленного мониторинга выделенного участка теплосети на основании соглашения с теплоснабжающим предприятием Санкт-Петербурга.

Литература
  1. Информационный центр ООН в Москве.
  2. Седлер М. Х. Удаленное диспетчирование инженерных сетей путем создания цифрового двойника. Доклад на пленарном заседании «Умные ресурсы. Цифровизация».
  3. Курчавина В. Г., Седлер М. Х. Комплексное оценивание стратегии реновации трубопроводов теплосети. Тезисы докладов. СПбПУ, 2016.
  4. Седлер М. Х., Карабасов Е. А. Повышение качества контроля труб путем разработки установки автоматизированного ультразвукового контроля. Современное машиностроение. Наука и образование. СПбПУ, 2014.
  5. Тимовский А. Развитие сетей LoRaWAN в России: беспроводные системы диспетчеризации для ЖКХ // Control Engineering Россия. 2016. № 6.
  6. Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1956–1960.
  7. Иорданишвили Е. К. Термоэлектрические источники питания. М.: Советское радио, 1968.
  8. Шостаковский П. Г. Альтернативные источники электрической энергии промышленного применения // Control Engineering Россия. 2013. № 3.
  9. Шостаковский П. Г. Современные термоэлектрические источники питания электронных устройств // Компоненты и технологии. 2015. № 1.
  10. ecogentech.ru

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *