Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка энергосберегающей геоинформационной системы реального времени для оптимального управления теплогидравлическими режимами систем теплоснабжения муниципального образования.

Номер контракта: 14.577.21.0026

Руководитель: Сафонов Евгений Владимирович

Должность руководителя: доцент кафедры "Двигатели летательных аппаратов" ЮУрГУ

Докладчик: Скремета Всеволод Орестович, инженер-исследователь

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет"(национальный исследовательский университет)

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
геоинформационные системы, гис, телеметрия, сбор данных, мониторинг, планирование, распределение ресурсов, интегрирующая система, система теплоснабжения, теплогидравлическая модель, балансировка, тепловой сети, математическое моделирование процесса теплоснабжения, энергетическая эффективность, автоматическое регулирование, энергосбережение, ресурсосбережение.

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение задачи повышения качества работы муниципальных систем центрального теплоснабжения с помощью некапиталоемких технологий и получение экономии тепловой и электрической энергии за счет оптимизации режимов работы тепловой сети и сокращения потерь энергии у потребителей с различных территориальным расположением. 2. Целью реализуемого проекта является создание комплекса научно-технических решений в области разработки геоинформационных систем реального времени для оптимального управления теплогидравлическими режимами систем теплоснабжения муниципального образования, а также получение значимых научных результатов в области оптимизации режимов работы сетей центрального теплоснабжения муниципального образования.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Важнейшие научно-технические результаты, ожидаемые в ходе выполнения ПНИЭР:
а) модели геоинформационных систем энергоэффективного управления в реальном времени сетями теплоснабжения муниципального образования с задачами формирования стратегической политики развития и модернизации коммунального хозяйства и решения широкого спектра задач в области энергосбережения;
б) повышение эффективности использования тепловой энергии за счет управления в реальном времени режимами работы сетей теплоснабжения при качественном, качественно-количественном и количественном регулировании тепловой нагрузки потребителей;
в) создание алгоритмического обеспечения, позволяющего проводить оперативный многопараметрический анализ теплотехнических процессов с возможностью прогнозирования и оптимизации расхода энергоресурсов;
г) создание технологии макромоделирования и оперативного расчета процессов сети теплоснабжения с учетом данных о расчетных и фактических режимах работы тепловых сетей, получаемых в режиме реального времени.
д) разработка методологии анализа и планирования интеграции комплексных систем управления ресурсопотреблением в области ЖКХ применительно к типовым и индивидуальным условиям их реализации во всех регионах России
е) разработка программного обеспечения ГИС;
ж) создание натурного научно-практического полигона "SmartCity" для проведения испытаний систем управления теплогидравлическими режимами магистральных систем теплоснабжения на базе инфраструктуры Южно-Уральского государственного университета.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечный продуктом ПНИЭР является программно-технический комплекс геоинформационной системы (ПТК ГИС) реального времени для оптимального управления системой теплоснабжения с учетом критериев энергетической эффективности производства, передачи и потребления тепловой энергии в условиях значительной неопределенности информации и риска, характерной для систем теплоснабжения муниципального образования.
ПТК ГИС нацелен на решение следующих задач:
а) снижение эксплуатационных затрат на обслуживание систем теплоснабжения;
б) сокращение уровня потерь в системах теплоснабжения;
в) повышение эффективности использования тепловой энергии за счет управления в реальном времени режимами работы сетей тепло-снабжения при качественном, качественно-количественном и количественном регулировании тепловой нагрузки потребителей;
г) повышение уровня живучести и безотказности систем теплоснабжения;
д) создание универсальной тиражируемой технологии управления системами теплоснабжения;
е) реализации алгоритмов автоматической оптимизации тепло-гидравлических параметров сетей теплоснабжения по результатам прогнозного моделирования с учетом реальных схем присоединения потребителей и фактических параметров сети;
ж) снижение уровня перетопов/недотопов за счет технологии автоматической гидравлической балансировки системы теплоснабжения в зависимости от внешних воздействий в режиме реального времени;
и) получение полной и достоверной информации о фактическом состоянии систем теплоснабжения.
При решении задач ПНИЭР будут получены следующие результаты:
а) разработан интеллектуальный автоматический балансировочный вентиль со встроенным вычислителем тепловой энергии с возможностью измерения температуры и расхода теплоносителя.
б) разработано алгоритмическое обеспечение, позволяющее проводить оперативный многопараметрический анализ теплотехнических процессов с возможностью прогнозирования и оптимизации расхода энергоресурсов.
в) разработана новая технология макромоделирования и оперативного расчета процессов сети теплоснабжения с учетом данных о расчетных и фактических режимах работы тепловых сетей, получаемых в режиме реального времени.
г) разработана методология анализа и планирования интеграции комплексных систем управления ресурсопотреблением в области ЖКХ применительно к типовым и индивидуальным условиям их реализации во всех регионах России.
Основные преимущества разрабатываемого ПТК ГИС:
а) автоматическая гидравлическая балансировка системы теплоснабжения в зависимости от внешних воздействий в режиме реального времени;
б) контроль параметров сети теплоснабжения на всем протяжении «источник-транспорт-потребитель»;
в) выявление расхождения между расчетными и фактическими режимами работы тепловых сетей;
г) автоматическая оптимизация тепло-гидравлических параметров сетей теплоснабжения по результатам прогнозного моделирования с учетом реальных схем присоединения потребителей;
д) автоматический расчет оптимальных режимов переключений во время аварийных ситуаций с учетом минимизации потерь.

2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.
В настоящее время и на перспективу базовым подходом к теплоснабжению в жилищно-коммунальном хозяйстве Российской Федерации является централизованное теплоснабжение, позволяющее снизить затраты на производство тепла за счет совместной выработки электрической и тепловой энергии. Важную роль в эффективном функционировании централизованных систем теплоснабжения играет согласованная работа источников и потребителей при регулировании подачи тепла. В этой связи актуальным является решение задач оперативного управления, позволяющего осуществлять контроль и управление процессом теплоснабжения в различных режимах, а также своевременно выявлять потери и нерациональное использование тепла, проводить оценку эффективности теплоснабжения
Управление режимами теплоснабжения осуществляется, как правило, с помощью автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ), которые выполняют функции сбора, накопления и представления на ЭВМ информации о параметрах теплоносителя на источниках, в магистральных трубопроводах и у крупных потребителей. Для повышения эффективности оперативного управления сложными системами теплоснабжения целесообразным является проведение оперативного анализа текущих режимов функционирования тепловых сетей на основе математического моделирования процесса теплоснабжения с учетом территориальной привязки объекта.
Современные системы теплоснабжения муниципального образования являются сложными системами и содержат большое количество разнородных потребителей, распределенных на большой территории. Известные подходы к анализу режимов подобных сложных систем основаны на разработке математической модели реальной системы с помощью специализированного программного обеспечения. Сложность построения такой модели на практике для крупных сетей состоит в необходимости получения большого объема данных, включающих детальные характеристики трубопроводов тепловых сетей (длины, диаметры, коэффициенты шероховатости и т.д.) и потребителей, что требует значительных затрат времени и средств, а в ряде случаев практически нереализуемо.
Для оперативного анализа модель должна учитывать текущие фактические параметры теплоносителя в различных точках системы тепло-снабжения и позволять оперативно рассчитывать тепло-гидравлические режимы в случае оперативных переключений, что накладывает дополнительные требования к сходимости используемых математических методов, объему данных и скорости вычислений, и может быть достигнута за счет сокращения объема информации используемой при расчетах, а также повышения эффективности вычислительных алгоритмов.

3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
В настоящее время существуют разработки направленные, как правило, на решение узких задач (коммерческий учет, диспетчеризация, автоматическое регулирование и т.д.), но не решают в комплексе проблемы управления системами теплоснабжения с учетом критериев энергетической эффективности, отсутствуют информационные системы аналитического типа для принятия управленческих решений и оптимизации расходов на производство, передачу и использование тепловой энергии в условиях значительной неопределенности информации и риска, что характеризует реальные условия функционирования систем теплоснабжения муниципального образования. В отечественной практике таких системных решений нет, а зарубежные системы в основном ориентированы на применения в интеллектуальных зданиях, инженерные сети которых изначально приспособлены для диагностики и мониторинга на основе традиционных приборных средств и имеют, как правило, систему для одного здания.
С учетом требований по обязательной установке индивидуальных приборов учета тепло- энергоресурсов, закрепленных в СНИП, и широкой государственной программы модернизации систем теплоснабжения жилищного фонда, проект обладает большим потенциалом для коммерциализации и может стать одним из успешных примеров внедрения отечественных инновационных технологий в масштабах страны в целом. Кроме то-го, настоящий проект, ввиду функциональной полноты и законченности в сочетании с высочайшими свойствами адаптивности, обладает значительным потенциалом для привлечения интереса со стороны зарубежных компаний в профильной области, например, таких как Danfoss (Дания) и ENBRA (Чехия).
В связи с вышесказанным, актуальным является создание аппаратно-программного комплекса геоинформационной системы энергоэффективного управления в реальном времени сетями теплоснабжения муниципального образования для формирования стратегической политики развития и модернизации коммунального хозяйства с учетом решения задач в области энергосбережения в масштабах города.
На данный момент уже существуют автоматизированные системы локального общедомового учета и автоматизированного регулирования теплоснабжения на уровне отдельных зданий и сооружений. Но энергосберегающий потенциал от их внедрения раскрыт не в полном объеме в связи с отсутствием средств объединяющие такие системы на уровне муниципальных образований ЖКХ в единый управляемый и контролируемый комплекс сбора данных, управления, аналитического анализа и планирования теплоснабжения, без которого функционал таких систем не может быть эффективно использован.
Задачей данного проекта является восполнение данного пробела. Он направлен на создание экономичного, модульного программно-аппаратного решения для реализации на его базе широкого спектра комплекса задач управления тепло-гидравлическими режимами сетей теплоснабжения в реальном масштабе времени.

4. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Ключевыми факторами успешной реализации проекта по разработке программно-технического комплекса геоинформационной системы являются:
- опыт организации-заявителя и соисполнителей в выполнения проектов в рамках заявленной тематики;
- организация-заявитель и соисполнители имеют научно-технический задел в предметной области проекта;
- организация-заявитель и соисполнители имеют опыт коммерциализации разработок;
- организация-заявитель и соисполнители имеют высококвалифицированные кадры, а также возможность привлечения профильных специалистов.
Среди основных рисков данного проекта можно выделить:
- рыночный, связанный с возможными потерями, возникающими в результате изменения конъюнктуры рынка. Вероятность наступления данного риска, связанная с изменением политики государства по отношению к реформированию ЖКХ и теплоэнергетического сектора, минимальна;
- технический, связанный с вероятностью получения отрицательных результатов опытно-конструкторских, технологических и экспериментальных разработок. Вероятность наступления данного риска – минимальна. Возможной мерой снижения риска является привлечение к выполнению работ разработчиков, обладающих высокой квалификацией и значительным опытом в данной области, что выводит разработку на уровень гарантированного результата;
- контрактный, связанный с ненадежностью соисполнителей. Возможной мерой снижения риска является проведение тщательного отбора организаций-контрагентов, обладающих успешным опытом в данной области;
- конъюнктурный - вероятность непредвиденной конкуренции. Данный риск минимален.
- сбытовой - вероятность неполучения запланированных доходов от продажи продукции проекта в связи завышенной стоимостью из-за ошибочного подбора компонентов и неоптимального проектирования. Данный риск минимален.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Область применения планируемых результатов находится в сфере деятельности теплоснабжающих организаций, управляющих компаний и товариществ собственников жилья, что сформирует массовый спрос на продукцию, предлагаемую к разработке в рамках проекта.
Основными потребителями научно-технического результата будут являться:
а) муниципальные администрации для решения федеральных задач по реформированию ЖКХ и энергосбережения на всех уровнях взаимодействия субъектов рынка: пользователя, поставщика и контролирующих организаций.
б) энергетические компании для повышения надежности функционирования различных подсистем;
в) управляющие компании, для внедрения систем учета и регулирования потребления тепло-, энергоресурсов в действующем жилищном фонде, с целью перехода на юридически обоснованные отношения с потребителями и производителями ресурсов.

2. В соответствии с Федеральным законом от 27.07.2010 N 190-ФЗ «О теплоснабжении» после 31 декабря 2011 года наличие электронной модели перспективной схемы теплоснабжения поселения, городского округа является обязательной для муниципальных образований с населением 150 тыс. человек и более. На территории Российской Федерации насчитывается около 167 городов с населением свыше 150 тыс. человек. Кроме того, все новое строительство в соответствии с действующими СНИПами, также обязательно должно оснащаться автоматизированными индивидуальными тепловыми пунктами. Таким образом, для продукции по проекту имеется значительный платежеспособный спрос. Предложение комплексного решения, основой которого будет являться предлагаемая система, приведет к появлению новой категории заказчиков.
В результате внедрения ПТК ГИС возможно достижение следующих результатов:
а) повышение эффективности производства тепла до 95 %;
б) снижение потерь в магистральных тепловых сетях до 3 %;
в) уменьшение потерь в распределительных тепловых сетях и системах горячего водоснабжения до 3 %;
г) сокращение расхода теплоносителя на подпитку до 0,5 объемов системы теплоснабжения в год;
д) осуществление приборного коммерческого учета всего топлива, используемого для производства тепловой энергии, и всего тепла, закупаемого со стороны;
е) обеспечение снижения потерь тепла от небаланса спроса и предложения до минимума за счет внедрения средств автоматизации, диспетчеризации и регулирования;

3. Проект направлен на развитие результатов работ выполняемых командой проекта в области энергосбережения и энергоэффективности, полученных при выполнении государственных контрактов в рамках ФЦП ««Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы». Так, при выполнении проекта будут использованы технические средства, разработанные и планируемые к разработке в рамках государственных контрактов, в том числе:
а) беспроводная система учёта энергоресурсов для ЖКХ (беспроводной измеритель температуры, импульсный преобразователь, локальный концентратор, домовой концентратор), разработанная по государственному контракту № 02.526.116004 (200 млн. руб.);
б) система автоматического управления индивидуального теплового пункта (ИТП), разработанная в рамках выполнения государственного контракта № 02.514.11.4116 (9 млн. руб.);
в) комплекс технических и программных средств для построения территориально-распределенных информационных систем сбора, обработки, аналитического планирования и управления технологическими параметрами инженерных сетей систем жизнеобеспечения зданий и сооружений (19 млн. руб.)
г) аппаратно-программная платформа автоматизированного регионального ситуационного центра энергоэффективности муниципального образования в г. Челябинске. (14 млн. руб.)
Данные разработки нашли практическое применение в г. Челябинске, а также тиражируется на территории Челябинской области при актив-ной поддержке Министерства строительства, инфраструктуры и дорожного хозяйства Челябинской области
Мероприятия по внедрению инновационных технологий включены в областную программу по энергосбережению.
Объем реализации продукции в Челябинской области за время выполнения проекта составляет примерно 100 млн. руб.

Текущие результаты проекта:
1. Разработана схема функциональной структуры геоинформационной системы для оптимального управления в режиме реального времени теплогидравлическими режимами систем теплоснабжения муниципальных образований. Схема разработана с учетом неполноты и недостоверности информации, нестационарности объекта управления и позволяет решить задачу оперативной компенсации ошибок при управлении сетями теплоснабжения.
2. Разработана математическая модель сети теплоснабжения, в том числе ее компонентов: теплогенерирующие установки, участки тепло-сетей, центральные тепловые пункты, потребители тепла. Особенностью разрабатываемой математической модели по сравнению с традиционны-ми методами проведения гидравлических расчетов тепловых сетей является отсутствие необходимости чрезмерной детализации характеристик сетей и потребителей при обеспечении достаточной для практического использования точности моделирования. Это дает возможность в условиях ограниченного объема исходных данных построить адекватную математическую модель сложной распределенной системы теплоснабжения.
3. Разработан алгоритм многопараметрического анализа теплотехнических процессов с возможностью прогнозирования и оптимизацией расхода энергетических ресурсов с целью обработки и точного вероятностного прогнозирования характеристик влияния внешней среды с целью обеспечения ЭО ПТК ГИС данными, способствующими эффективному управлению тепловыми нагрузками в магистралях сетей теплоснабжения. Разработанный алгоритм с точки зрения оптимизации расхода энергоресурса и повышения энергоэффективности системы централизованного теплоснабжения позволяет решить 2 задачи:
а) минимизация потребляемой системой тепловой энергии;
б) максимизация качества теплоснабжения, которое заключается в поддержании наиболее комфортных условий микроклимата.
4. Проведены вычислительные эксперименты с применением математической модели сети теплоснабжения. Проведенные эксперименты показали, что в тёплые периоды отопительного сезона (при температуре наружного воздуха -10°С) суммарная экономия при минимизации температур помещений в пределах значений, установленных санитарными нормами помещений для этих зданий, составляет 6,85%. При минимизации температур помещений до наиболее комфортных согласно санитарным нормам для этих зданий экономия составит 6,10%. При этом максимально комфортная температура в среднем по 3 зданиям на 0,5°С выше минимально допустимой. Предложенные методы моделирования, оптимизации и управления тепловыми режимами зданий на основе макромоделирования позволяют находить оптимальные номинальные значения режимных параметров системы теплоснабжения, обеспечивающих энергосберегающий режим ее работы. Внедрение разработанных алгоритмов в системах управления теплопотреблением зданий может обеспечить экономию до 25% тепловой энергии.
5. Произведен расчет и определены оптимальные параметры, влияющие на эффективность и надежность работы геоинформационной системы реального времени с применением разработанной математической модели. Полученный результат показал, что разрабатываемая геоинформационная система реального времени удовлетворяет нормативным требованиям по надежности и эффективности, а максимальное увеличение показателей надежности (безотказности) возможно при увеличении показателей безотказности датчиков и исполнительного механизма (вентиля интеллектуального балансировочного), что является оптимальным параметром, влияющим на эффективность и надежность работы геоинформационной системы реального времени. Расчеты следует принять во внимание при разработке вентиля интеллектуального балансировчного для увеличения параметров надежности и эффективности геоинформационной системы реального времени в целом.
6. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец вентиля интеллектуального балансировочного (ЭО ВИБ). Применение интеллектуальных автоматических балансировочных вентилей ВИБ в местах подключения распределительных тепловых сетей к магистральным в рамках рассматриваемый системы управления даст следующие возможности:
а) поддерживать на постоянном минимальном уровне требуемое давление в обратной линии;
б) поддерживать постоянный заданный перепад давлений в распределительной сети;
в) при использовании управляющего контроллера снизить и поддерживать температуру возвращаемого теплоносителя по заданному графику в зависимости от температуры наружного воздуха в отдельные периоды, когда температура воды в магистральных сетях превышает требуемую.
7. Разработана программа и методика лабораторных испытаний ЭО ВИБ, предназначенная для проверки правильности выбранных технических решений и проверки отдельных технических характеристик ВИБ необходимых для изготовления опытного образца, а в дальнейшем для освоения производства ВИБ.
8. Изготовлен экспериментальный образец вентиля интеллектуального балансировочного.
Полученные результаты позволяют определить направления дальнейших исследований и перейти к экспериментальным исследованиям, поставленным перед ПНИ задач.
9. На данный момент по результатам проекта опубликованы 3 научных статьи в журналах, индексируемых в базах «Scopus» и «Web of Science», а также подготовлена 1 диссертационная работа к защите на соискание ученой степени кандидат технических наук.
10. Результаты проекта были освещены на информационных мероприятиях, посвященных развитию международного научно-технического сотрудничества в области энергоэффективности в рамках Рамочной программы Евросоюза по научно-технологическому и инновационному развитию на период 2014-2020 гг. «Горизонт 2020».