NAPREDNI GRADNIKI IN REŠITVE VODENJA SISTEMOV DALJINSKIH OGREVANJ

Bojan Likar, Andrej Kokalj*, Igor Jogan**, Janez Štaudohar**, Zoran Gračner**

Kolektor Sinabit d.o.o.

*GIA-S d.o.o. **PETROL d.d.

POVZETEK

Cilj prispevka je predstaviti napredne gradnike in rešitve vodenja sistemov daljinskih ogrevanj s funkcijami usklajenega delovanja proizvodnih virov, distribucijskega omrežju in odjema. Prikazani bodo koncepti optimizacije uporabe različnih energetskih virov (lesna biomasa, kurilno olje, zalogovniki energije, akumulacija v omrežju), hidravličnih karakteristik distribucijskega omrežja, pasovne porazdelitve in nadzora odjemnih moči, ki so uporabljani za namene povečanja izkoristkov, optimizacije kapacitet in proizvodnih stroškov sistemov daljinskih distribucij toplote. Izvedba omenjenih funkcionalnosti je možna z uporabo polno avtomatiziranih podsestavov na nivojih kotlovske avtomatike, distribucijskega omrežja, regulacijskih in toplotnih postaj, meritev porabe energije, ipd, ki so prek enovite telemetrijske rešitve, različnih komunikacijskih medijev (RS485, GPRS, xDSL, ipd) in področnih vodil (M-BUS, Modbus, ethernet, ipd) integrirani v celovit centralni nadzorni sistem in poslovno informacijski sistem energetskega podjetja, kot lastnika oziroma upravljalca sistema.

Ključne besede: daljinsko ogrevanje, lesna biomasa, pasovni odjem, telemetrija, optimizacija, komunikacije

ABSTRACT

The purpose of this paper is to present advanced control components and solutions of district heating systems with the functions of the coordinated operation of energy devices, distribution network and energy consumption. Paper presents the concepts for optimization of the use of various energy sources (biomass, oil, energy storage, accumulation in the network), the hydraulic characteristics of distribution networks, bandwidth consumption and control of power demand, which are used for purposes of increasing efficiency, optimization of capacity and production costs of district heating systems. Implementation of these features is possible by using fully automated subassemblies at the level of boiler automation, distribution system and thermal control stations, energy consumption, etc., which are integrated into overall central control system and business information system of the energy company as an owner or operator of the system by the use of an uniform telemetry solution, various communication media (RS485, GPRS, xDSL, etc.) and communication networks (M-BUS, Modbus, ethernet, etc.)

Key words: district heating, biomass, bandwidth consumption, telemetry, optimization, communication

1. UVOD

Namen uvajanja naprednih gradnikov in rešitev vodenja v sisteme daljinskih ogrevanj je tako zmanjševanje investicijskih in obratovalnih stroškov kot višanje zanesljivosti, učinkovitosti, fleksibilnosti in nadzora oskrbe s toplotno energijo kot primarnim poslanstvom postavljenega sistema, ob hkratni možnosti učinkovite uporabe obnovljivih virov energije (biomasa, geotermalna energija, solarna energija, ipd) katerih razpoložljivost ni vedno konstantna in zadostna in se jo zato za namen zagotavljanja ustrežne razpoložljivosti v ogrevalnih sistemih pogosto kombinira z viri energije na osnovi fosfatnih goriv. Pri zasnovi vodenja krajevno porazdeljenih sistemov, katerih tipični primer so sistemi daljinskih ogrevanj, je potrebno upoštevati sledeče smernice:

Rešitev naj bo čimbolj decentralizirana in naj sestoji iz krajevno samostojnih podsestavov, ki so komunikacijsko povezani s soodvisnimi objekti in centrom vodenja.

Podsestavi naj bodo, v kolikor to dopušča struktura sistema, sposobni samostojnega delovanja in zagotavljanja zahtevanih funkcionalnosti tudi ob izpadu komunikacijske povezave s soodvisnimi objekti in centrom vodenja.

Usklajevanje delovanja in komunikacija med soodvisnimi objekti naj poteka direktno, brez posredovanja centra vodenja, Na tak način v primeru izpada centra vodenja delovanje lokalnih soodvisnih podsestavov poteka nemoteno naprej.

Za učinkovit nadzor so potrebne standardne funkcionalnosti centralno nadzornih sistemov (CNS), integrirane v centru vodenja:

o Zajem procesnih podatkov, stanj, alarmov z vključenih podsestavov prek različnih razpoložljivih komunikacijskih medijev (optika, RS485, GPRS, xDSL, ipd) in protokolov.

o Posredovanje parametrov in ukazov operaterjev oziroma optimizacijskih algoritmov na podsestave za stanja naprav, režime delovanja.

o Arhiviranje procesnih veličin za preglede poteka vrednosti procesnih veličin v obliki časovnih potekov (trendov) ali poročil v tabelarični obliki za analizo in optimizacijo delovanja podsestavov in celotnega sistema.

o Sistem alarmiranja in potrjevanja alarmov za takojšnje obveščanje osebja ob pojavu napake, za skrajšanje odzivnega časa in zmanjšanja nastale škode.

o Možnost uvajanja ekspertnih algoritmov optimizacije za delovanje podsestavov in celotnega sistema na podlagi zbranih meritev, algoritmov in modelov vodenja.

o Distribuirana arhitektura za hkratno, krajevno porazdeljeno večuporabniško upravljanje s sistemom, z vključevanjem operaterjev prek različnih komunikacijskih dostopov (LAN, UMTS, GPRS, ipd) in z uporabo spletnih tehnologij in standardnih spletnih brskalnikov.

o Večnivojski nivo dostopa uporabnikov omogoča kontrolo dostopa do posameznih funkcij CNS-a po pristojnostih.

V nadaljevanju bo na primeru projekta daljinskega ogrevanja na lesno biomaso (DOLB) Ribnica prikazan koncept postavitve in funkcionalnosti naprednega sistema vodenja za

usklajeno delovanje in optimizacijo delovanja proizvodnih virov, distribucijskega omrežja in odjema.

2. OPIS DOLB RIBNICA

Začetetk leta 2010 je bil Petrol d.d. izbran kot najugodnejši ponudnik, torej koncesionar za zagotavljanje toplotne energije v občini Ribnica. Takoj za tem so se začele aktivnosti z iskanjem pogodbenih partnerjev, izdelavo potrebnih projektov za pridobitev dovoljenj ter iskanjem služnosti pri odjemalcih. Po izdelavi dokumentacije PZI v maju 2010 so se začela gradbena dela, prvi poizkusni zagon pa je bil izveden v mesecu oktobru. Deli občine Ribnica so bili že prej v sistemu daljinskega ogrevanja (blokovska soseska Knafljev, Prijateljev trg, občinski objekti), kar je pripomoglo k sprejetju projekta.

Osnovni podatki o sistemu DOLB Ribnica so:

dolžina trase vročevoda 4400m,

celotna ogrevalna površina uporabnikov 72.000m2,

toplotna moč 5 MW,

predvidena letna proizvodnja toplote 10 GWh,

letna potrošnja sekancev 16500 nm3

načrtovani temperaturni režim primarnega vročevoda pri projektni zunanji temperaturi 95/55°C, sekundar 75/55°C

število toplotnih postaj 58 (2010) oziroma cca. 70 (načrtovano v 2011)

Celotni sistem ogrevanja lahko v grobem razdelimo na tri podsklope in sicer na sistem proizvodnje toplote (kotlovnica), distribucijski sistem (vročevod) ter sistem predaje toplote odjemalcem (toplotne postaje).

2.1 Kotlovnica

V kotlovnici so vgrajeni trije biomasni kotli proizvajalca Fröling, toplotnih moči 2x1 MW in 1x500 kW in en oljni kotel proizvajalca Buderus toplotne moči 2,5 MW. Vsi kotli so kaskadno vezani. Za pasovno porabo toplote se uporabljajo biomasni kotli, za pokrivanje konic pa tudi oljni kotel. Vsi kotli so z tropotnimi ventili zaščiteni pred nizkimi temperaturami povratka. V sistem sta vgrajena tudi dva hranilnika toplotne energije s kapaciteto 2×25m3, kjer se akumulira energija za vršne odjeme. Hidravlika sistema omogoča polnenje hranilnika v primeru nizke porabe ter v primeru vršne porabe hkratno praznenje sistema hranilnika in pridobivanje toplote iz vseh štirih kotlov. V sklopu kotlov so vgrajene tudi naprave za dobavo energentov (biomase in olja), dovod svežega zraka, odvod dimnih plinov, odpraševanje itd. Za izravnavo raztezkov vode, vzdrževanje tlaka in pripravo vode se uporablja kombinacija mehčalne naprave in modulne multifunkcijske naprave za pripravo vode.

Temperatura v vročevodnem sistemu se določa po toplotni krivulji v odvisnosti od zunanje temperature. Krmiljenje se odvija prek krmilnika, tropotnega ventila in dveh redundančnih frekvenčno reguliranih sistemskih črpalk. 2.2 Vročevod Vloga vročevodnega omrežja je poleg osnovne transportne funkcije tudi akumulacija toplote, količina vode je ocenjena na 106m3. Opremljen je z varnostnim sistemom javljanja puščanja.

2.3 Toplotne postaje Vse postaje se uporabljajo samo za ogrevanje objektov brez priprave sanitarne vode. Zagotavljajo časovno odvisno vremensko vodeno regulacijo temperature posameznih odjemalcev toplote.

Hidravlično balansiranje mreže daljinskega ogrevanja je izvedeno s kombiniranimi ventili, ki omogočajo omejitev maksimalnega pretoka prek merilne zaslonke in hkratno vodenje temperature v odvisnosti od zunanje temperature. Uporabljeni krmilniki in merilniki toplote imajo vgrajeno M-BUS kartico, ki omogoča priklop do 6 merilnikov toplote in aktivno omejevanje toplotne moči oziroma pretoka in povratne temperature primarja.

V primerih, ko je na sekundarnih sistemih potrebna regulacija več neodvisnih ogrevalnih krogov, so osnovni regulatorji razširjeni z dodatnimi regulatorji, ki so med seboj povezani z internim BUS vodilom po katerem poteka obdelava zahtev.

3. CILJI VODENJA DOLB RIBNICA

Za čim bolj optimalno delovanje sistema daljinskega ogrevanja je smiselno upoštevati več robnih pogojev. Na eni strani so to zahteve po določenem udobju, ki jih določa distribucija toplotne energije pri odjemalcih, na drugi strani pa minimalni stroški obratovanja in vzdževanja sistema daljinskega ogrevanja. S časovno optimizacijo te sestavljene funkcije je mogoče doseči najboljše izkostke takšnega sistema. Cilj je torej zagotoviti cenovno dostopno distribucijo toplotne energije pri najnižjih stroških »lastništva« celotnega sistema.

Omenjeno lahko razdelimo na sledeče podsklope:

3.1 Stroškovno učinkovita, zanesljiva in fleksibilna proizvodnja toplote

Glede na stroške, ki jih predstavljajo posamezni energenti je, kot je že bilo omenjeno, kot primarni cilj zaželjeno pokrivanje pasovnega odjema toplotne energije prek biomasnih kotlov, vršnih odjemov pa prek akumulacije in oljnega kotla. Prav tako je želja čim bolj zmanjšati odjemne konice, ob hkratnem doseganju visoke zanesljivosti, učinkovitosti, fleksibilnosti in nadzora proizvodnje in oskrbe s toplotno energijo.

3.2 Hidravlično uravnotežena mreža

Za pravilno delovanje sistema je potrebno zagotoviti da je pretok čez posamezne toplotne postaje ustrezen glede na izračunane toplotne moči. Na eni strani to pomeni da je potrebno na posamezni KTP zagotoviti dovolj visok padec tlaka za pravilno delovanje postaje, po drugi strani pa je potrebno te pretoke tudi mehansko ali elektronsko omejiti.

3.3 Cilj zagotavljanje ustrezne distribucije toplote pri odjemalcih

Glede na karakteristike objekta (izolacija, akumulacija, osončenje, ostali zunanji vplivi) je potrebno izbrati ogrevalno krivuljo, ki definira odvisnost temperature predtoka od zunanje temperature in izbranih programov ogrevanja. Smiselna je tudi uvedba nočnega reduciranega režima ogrevanja, s katerim se izognemo jutranjim konicam.

3.4 Zmanjšanje izgub pri proizvodnji in distribuciji in prenosu toplote

Zaželjena je čim bolj učinkovita proizvodnja toplote pri visokih izkoristkih kotlov ter ustrezne temperaturne razmere v vročevodnem sistemu zaradi znižanja izgub. Prav tako je zaželjen čim bolj učinkovit prenos toplote na uporabnika.

4. REŠITVE VODENJA DOLB RIBNICA

Za zadovoljitev ciljev vodenja DOLB Ribnica so bili skladno s smernicami postavitve vodenja krajevno porazdeljenih sistemov implementirani gradniki in rešitve vodenja na vseh sklopih sistema daljinskega ogrevanja.

Web klienti

Eth

ern

et

SCADA strežnikWIN CC

Poslovno informacijski sistem Petrol

SiemensS7-300 RS485

Kotlovski regulator Froling

Kotlovski regulator Buderus

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

RS485 ponavljalnik

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

RS485 ponavljalnik

RS485 ponavljalnik

RS485 ponavljalnik

RS485 ponavljalnik

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja Toplotna

postaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

RS485 ponavljalnik

RS485 ponavljalnik

RS485 ponavljalnik

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Toplotnapostaja

Odjemalci

Kotlovnica

Mešalni ventili in črpalke

Peči

Petrol

RS

48

5

Signalne povezave RS485

Požarni zid

SDO Ribnica

Toplotnapostaja

GPRS router

Toplotnapostaja

GPRS router

Toplotnapostaja

GPRS router

Toplotnapostaja

GPRS router

Toplotnapostaja

GPRS router

Toplotnapostaja

Mobilni operater

WAN / Internet

APN mobilnega operaterja

ADSL usmerjevalnik

Slika 1 Shema CNS DOLB Ribnica

V kotlovnici je kot glavno vozlišče celotnega sistema vodenja aplikacija industrijskega krmilnika Siemens S7-300, ki avtomatsko, po nastavljenih parametrih algoritma vodenja, usklajuje delovanje vseh podsklopov sistema, tako na nivoju kotlovnice kot omrežja s toplotnimi postajami. Lokalno vodenje treh biomasnih kotlov izvaja lokalna kotlovska avtomatika, ki je prek RS232 serijskih vmesnikov in komunikacijskega protokola proizvajalca povezana na centralni krmilnik za zajem ključnih procesnih podatkov (stanja

podsklopov kotlov, temperature, izkoristki, moči, alarmi, ipd). Režim in moč delovanja vseh biomasnih kotlov lokalna avtomatika kaskadno določa glede na oceno trenutne vrednosti in trenda spreminjanja akumulirane energije v zalogovniku. Podobno je prek RS485 serijskega vmesnika in komunikacijskega protokola na centralni krmilnik povezana lokalna avtomatika vršnega oljnega kotla. Za namene stroškovne optimizacije uporabe različnih energetskih virov – lesna biomasa, kurilno olje, akumulirana energija v zalogovniku, s ciljem glede na kapacitete, razpoložljivost opreme in odjem v omrežju maksimizirati uporabo cenovno najugodnejšega energenta - lesno biomaso, je na nivoju centralnega krmilnika implementiran algoritem vodenja, ki upošteva procesne parametre - referenčno temperaturo omrežja, določeno po toplotni krivulji in dosegano temperaturo v omrežju, nivo akumulirane energije v zalogovniku in temparaturo vode v zgornjem delu zalogovnika. Algoritem glede na (ne)doseganje zgornjih procesnih parametrov v določenih histerezah in časovnih zamikih, vklaplja vršni oljni kotel z referenčno temperaturo ogrevalnega kroga, ki se privzeto določa glede na referenčno temperaturo omrežja z nastavljenim odstopanjem. Na tak način je dosežena možnost maksimalne izraba biomase kot primarnega energetskega vira, s sekundarno uporabo v zalogovniku in omrežju akumulirane energije in uporabo vršnega oljnega kotla kot terciarnega vira energije samo za pokrivanje primankljajev moči odjema. Vsi parametri algoritma so nastavljivi iz nadzornega sistema, kar omogoča optimizacijo glede na časovne konstante in dinamiko odzivov.

Slika 2 SCADA shema kotlovnice

Centralni krmilnik kotlovnice je tudi vozlišče za komunikacijo z vsemi lokalnimi krmilniki toplotnih postaj, uporabljen je serijski protokol Modbus RTU, ki je s strani številnih proizvajalcev krmilne opreme zaradi odprtosti, robustnosti, interoperabilnosti in

enostavnosti imlementacije široko podprt, kar investitorju omogoča neodvisnost od določenega proizvajalca opreme. Na vseh delih novozgrajenega toplovodnega omrežja so bile ob gradnji vzpostavljene tudi žične povezave do toplotnih postaj za serijsko RS485 komunikacijo s krmilnikov kotlovnice. Ker se je v sistem vključilo tudi del starega toplovodnega omrežja, kjer ni bilo vzpostavljenih signalnih žičnih povezav, se je toplotne postaje, priključene na staro omrežje, komunikacijsko vključilo v nadzor prek GPRS povezave. Za otok novozgrajenega dela omrežja, ki se ga je do kotlovnice povezalo prek starega toplovoda, pa je bila uporabljena ADSL ethernet komunikacija, ki je otočno združila vse lokalne, žično povezane toplotne postaje. Na centralnem krmilniku je bila ustrezno implementirana enovita telemetrijska rešitev, ki omogoča funkcionalno enakovredno uporabo različnih komunikacijskih medijev, po posameznih lokacijah uporabljenih glede na razpoložljivost in ceno vzpostavitve, kar investitorju omogoča odprtost in neodvisnost pri nadaljnih širitvah.

Slika 3 SCADA shema DOLB Ribnica

Vsaka toplotna postaja je opremljena s svojim krmilnikom, senzoriko, toplotnim merilom in izvajalnim elementom (regulacijskim ventilom). Za namen regulacije je vgrajen krmilnik Samson Trovis 5576 z glavnimi karakteristikami:

17 nastavljivih vhodov za tipala temperature PT1000/Pt100, PTC/Pt100 aliNTC/Pt100 in binarni vhodi

2 x tri točkovni signal: obremenitev max. 250V AC, 2A, alternativno 2 × dvotočkovni signal, alternativno 2 x zvezna regulacijska izhoda: 0 do 10 V, s PID regulacijskim algoritmom,

komunikacijski vmesnik RS232 za povezavo z modemom oz. CNS-om prek Modbus protokola,

M-Bus vmesnik za komunikacijo z merilnikom toplotne energije,

spominski modul

več kot 150 prednastavljenih tipskih strojnih shem,

ogrevalne karakteristike po izbiri po strmini ali po štirih točkah; drseče omejevanje temperature povratka.

SHEMA TOPLOTNE POSTAJE

MEJA DOBAVE DISTRIBUTERJA DALJINSKEGA OGREVANJA

L E G E N D A:

1 MERILNIK TOPLOTNE ENERGIJE 3 PRENOSNIK TOPLOTE 4 ELEKTRONSKI REGULATOR2 KOMBINIRAN REGULACIJSKI VENTIL 5 EKSPANZIJSKA POSODA 6 OBTOČNA ČRPALKA

V LASTI UPORABNIKA V LASTI DISTRIBUTERJA

Slika 4 Shema toplotne postaje

S krmilnikov toplotnih postaj je izveden zajem vseh ključnih procesnih parametrov in režimov delovanja (zunanja temperatura, temperatura povratka na primarju, temperura dovoda na sekundarju, režim delovanja lokalnega krmilnika, meritev s kalorimetrov prek M-Bus protokola – trenutna moč, trenutni pretok, temperatura dovoda in povratka na primarju, skupna poraba energije, ipd) in omogočeno parametriranje urnikov, ogrevalnih krivulj in aktivacije omejevanja toplotne moči oziroma pretoka in povratne temperature primarja. Z implementiranimi funkcijami je omogočen polno funkcionalen nadzor nad stanjem in porabo energije na toplotnih postajah, prilagajanje odjema v odvisnosti od zunanje temperature, določanje različnih časovnih režimov dobave toplote glede na potrebe posameznega odjemalca in obvladovanja jutranjih odjemnih konic, omejevanja maksimalne toplotne moči, pretoka in povratne temperature povratka na odjemnih mestih za namene hidravličnega uravnoteženja mreže, regulacije pasovnega odjema in minimizacije izgub v omrežju. V primeru izpada komunikacije s centralnim krmilnikom lokalni krmilnik deluje samostojno, možno pa je tudi njegovo lokalno parametriranje.

Slika 5 SCADA shema toplotne postaje

Slika 6 Določanje ogrevalnih krivulj

V okolju Siemens WinCC so bile izvedene ostale ključne funkcionalnosti centralno nadzornih sistemov – centraliziran zajem in arhiviranje na nivoju glavnega industrijskega krmilnika zbranih procesnih podatkov sistema, določanje parametrov in režimov delovanja sistema, izveden sistem alarmiranja različnih skupin uporabnikov s sistemov SMS info obveščanja in alarmiranja za vsa pomembna stanja in alarme, uporaba spletnih klientov za večuporabniški daljinski nadzor sistema, poročilni sistem z vmesnikom za avtomatske prenose odčitkov porabe po odjemalcih v Petrolov poslovno informacijski sistem.

5. SKLEP

Na primeru sistema vodenja DOLB Ribnica, ki v celotnem obsegu investicije ne predstavlja znatnega deleža, so bile predstavljene številne pridobitve uvajanja naprednih gradnikov in rešitev vodenja v sisteme daljinskih ogrevanj:

Zmanjšanje investicijskih stroškov vzpostavitve in obratovalnih stroškov delovanja sistema daljinskega ogrevanja zaradi optimizacije vgrajenih kapacitet in izkoristkov pri obratovanju sistema.

Višanje zanesljivosti in učinkovitosti oskrbe s toplotno energijo.

Optimizacija izrabe energetskih virov.

Manjši obratovalni stroški in stroški vzdrževanja sistema, daljinski nadzor in obratovanje brez stalno prisotnega osebja.

Hitra detekcija napak in možnost takojšnega reagiranja ob napaki.

Možnost analiz in optimizacij delovanja sistema.