Разработаем алгоритм управления ЧРП насоса системы теплоснабжения, который обеспечит поддержание внутри зданий заданной температуры воздуха при минимизации электропотребления приводом насоса.
Преимущества применения ЧРП рассмотрены в [1].
К - водогрейный котёл, Н - насос с ЧРП, М - электропривод, Р - расходомер, РБ - расширительный бак, БРК - балансировочный регулирующий клапан, П - потребитель тепла (отапливаемое здание).
Температура внутри здания зависит от двух факторов:
1. Температуры наружного воздуха;
2. Тепловой мощности, поступающей в систему отопления здания.
Тепловую мощность, подводимую к потребителю, можно регулировать:
1. Изменением расхода теплоносителя при его постоянной температуре (количественное регулирование).
2. Изменением температуры теплоносителя при его неизменном расходе (качественное регулирование).
Применение ЧРП подразумевает использование количественного метода регулирования. Расход теплоносителя регулируется изменением частоты вращения вала насоса – при изменении частоты вращения вала насоса на n% расход теплоносителя изменяется так же на n% (см. [2]).
Система теплоснабжения работает в широком диапазоне температур наружного воздуха. Для каждой температуры наружного воздуха должен быть задан расход в системе отопления здания, при котором температура воздуха внутри здания будет равна заданной (например 22 С).
Максимальный расход в системе теплоснабжения Q_макс равен сумме расходов в системах отопления каждого потребителя, заданных для минимальной температуры наружного воздуха.
Определим напор насоса H_0, необходимый для обеспечения в системе отопления расхода Q_макс, и выполним балансировку гидравлической сети (см. [3]). Для выполнения балансировки в нашей схеме предусмотрены балансировочные регулирующие клапаны (БРК).
Выберем насос у которого подаче Q_макс соответствует напор H_0, и в точке [Q_макс; H_0] КПД насосного агрегата максимален.
При работающем насосе (частота переменного тока в статоре электродвигателя f = 50 Гц, т.е. при байпасировании ЧРП) общий расход теплоносителя должен быть равен Q_макс, а в ветвях потребителей должны установиться расходы, заданные для минимальной температуры наружного воздуха.
Если расходы отличаются от требуемых, следует с помощью БРК добиться нужного распределения расходов. После окончания процесса гидравлической балансировки по крайней мере один БРК должен быть полностью открыт. Соблюдение данного условие гарантирует, что требуемое распределение расходов было достигнуто при минимально возможном увеличении гидравлического сопротивления сети, вызванное прикрытием БРК в ветвях потребителей.
Итак, что у нас есть:
1. Для каждой температуры наружного воздуха мы знаем значения расходов в каждой ветви потребителя, а значит и значение суммарного расхода.
2. Суммарный расход изменяется прямо пропорционально изменению частоты вращения вала насоса.
На поверхности лежит следующий алгоритм управления ЧРП: по температуре наружного воздуха БУ находит значение требуемого суммарного расхода и, с помощью изменения частоты вращения вала насоса, устанавливает этот расход в системе.
К - водогрейный котёл, Н - насос с ЧРП, М - электропривод, Р - расходомер, РБ - расширительный бак, БРК - балансировочный регулирующий клапан, П - потребитель тепла (отапливаемое здание), БУ - блок управления, Д1 - датчик температуры наружного воздуха.
Данный алгоритм даст сбой, если отключится один из потребителей. В этом случае произойдёт рост гидравлического сопротивления сети, что приведёт к уменьшению общего расхода. Блок управления отреагирует на падение суммарного расхода ниже уставки по расходу, заданной для текущей температуры наружного воздуха, увеличением частоты вращения вала насоса с целью увеличить расход до значения уставки. В результате, оставшиеся потребители получат ненужную им избыточную тепловую мощность и температура воздуха внутри зданий возрастёт выше требуемой помимо желания потребителей.
Вместо суммарного расхода необходимо найти другой параметр, на который не влияет отключение/подключение потребителей (в общем случае изменение гидравлического сопротивления системы).
Расход в сети Q зависит от перепада давления на границах сети dP и её гидравлического сопротивления R. Упомянутые три величины связаны следующей формулой (подробнее см. [4]):
R = dP / Q^2
Так как нам известно, что при напоре насоса H_0 расход в системе составит Q_макс, мы можем найти гидравлическое сопротивление нашей системы отопления:
R = H_0 / Q_макс^2
Для каждого значения температуры наружного воздуха задан суммарный расход Q. Для обеспечения данного расхода необходим напор насоса
H = R * Q^2
H = P - P_вс, где P - давление на напоре насоса, P_вс - давление на всасе насоса.
Если принять, что давление на всасе насоса на всех режимах его работы постоянно, то вместо напора насоса можно использовать давление за насосом, измеряемое датчиком Д2.
К - водогрейный котёл, Н - насос с ЧРП, М - электропривод, Р - расходомер, РБ - расширительный бак, БРК - балансировочный регулирующий клапан, П - потребитель тепла (отапливаемое здание), БУ - блок управления, Д1 - датчик температуры наружного воздуха, Д2 - датчик давления на напоре насоса.
БУ, получив значение температуры наружного воздуха, идёт по следующей цепочке: температура наружного воздуха -> необходимый суммарный раcход -> напор насоса -> давление за насосом. Управление ЧРП сводится к поддержанию заданного для текущей температуры наружного воздуха давления за насосом.
Отключение какого либо потребителя приведёт к некоторому увеличению подводимой тепловой мощности к оставшимся потребителям. Это связано с тем, что при отключении потребителя при неизменном давлении за насосом суммарный расход в системе снижается, что приводит к уменьшению потерь давления в подводящих/отводящих трубопроводах и повышению перепада давления на оставшихся потребителях, что влечёт за собой увеличение расхода через них.
Схема с установленными в линии каждого потребителя регулирующими клапанами, управляемыми собственными блоками управления, позволяет задавать и поддерживать температуру воздуха внутри зданий вне зависимости от того, что происходит с другими потребителями.
К - водогрейный котёл, Н - насос с ЧРП, М - электропривод, Р - расходомер, РБ - расширительный бак, РК - регулирующий клапан с электроприводом, БРК - балансировочный регулирующий клапан, П - потребитель тепла (отапливаемое здание), БУ - блок управления, Д1 - датчик температуры наружного воздуха, Д2 - датчик давления на напоре насоса, t - датчик температуры внутри помещения.
В такой конфигурации БУ по измеренной температуре наружного воздуха устанавливает соответствующее давление за насосом. Величина этого давления обеспечивает через ветвь каждого потребителя с полностью открытым РК расход равный расходу, заданного для текущей температуры наружного воздуха. Блок управления системы отопления здания сравнивает уставку по температуре воздуха внутри здания с измеренной температурой и, в случае их расхождения, воздействует на РК в нужном направлении - уменьшая или увеличивая расход через систему отопления здания.
Следует обратить внимание, что если при при формировании таблицы соответствия величины расхода теплоносителя температуре наружного воздуха мы исходили из того, что расход теплоносителя должен обеспечить температуру воздуха внутри здания 22 С, то эта температура будет иметь место при полностью открытом РК и увеличить температуру воздуха внутри здания выше 22 С будет невозможно.
Таким образом, алгоритм управления ЧРП обеспечивает потребителям возможность получить расход теплоносителя, достаточный для поддержания заданной температуры воздуха внутри помещения при текущей температуре наружного воздуха, а потребитель посредством задания в собственном блоке управления уставки температуры воздуха внутри помещения, решает в какой степени этой возможностью воспользоваться.
С увеличением температуры наружного воздуха суммарный расход, необходимый для обеспечения заданной температуры воздуха внутри зданий, снижается, частота вращения вала насоса уменьшается прямо пропорционально снижению суммарного расхода, потребляемая насосным агрегатом электрическая мощность снижается прямо пропорционально кубу снижения частоты вращения вала насоса (подробнее см. [1]).
При достижении минимально допустимой частоты вращения вала насоса дальнейшее снижение подводимой к системе отопления зданий тепловой мощности может быть реализовано за счёт перехода к качественному регулированию (уменьшение температуры теплоносителя за котлом при неизменном расходе в системе теплоснабжения).
Ссылки
2. Моделирование напорной характеристики насоса с частотно-регулируемым приводом
3. Гидравлическая балансировка сети
4. Моделирование характеристики гидравлической сети
