СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОГО СЕТЕВОГО ТРУБОПРОВОДА В МНОГОМАГИСТРАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ СЕТЯХ Российский патент 2016 года по МПК F17D5/02 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к способам оперативного обнаружения поврежденного сетевого трубопровода при транспортировке тепловой энергии от теплоисточника (ТЭЦ, котельной) к потребителям в случае, когда передача энергии осуществляется по нескольким направлениям.

При наличии двух и более направлений передачи тепловой энергии возникают проблемы, связанные как с эксплуатацией самого теплоисточника, так и тепловых сетей. Такие проблемы связаны с возможными нештатными ситуациями, т.е. отклонениями от нормальных эксплуатационных режимов. Это может быть вызвано, например, следующими причинами: разрывом тепловых сетей, несанкционированным вмешательством в работу тепловых сетей, гидроударами и тому подобным.

В случае возникновения нештатной ситуации, например прорыва сетевого трубопровода, оперативный персонал теплоисточника реагирует на ситуацию по показаниям штатного расходомера (теплосчетчика), установленного на подпиточном трубопроводе, а также по изменениям давлений в прямых и обратных сетевых трубопроводах. И если от теплоисточника отходит одна тепловая магистраль, то действия значительно упрощены наличием только одного направления выдачи тепловой мощности.

При наличии двух и более тепловых выводов (магистралей) от теплоисточника эта проблема значительно усложняется ввиду высокой скорости происходящих гидродинамических процессов, так как волны давления (возмущения) распространяются по трубопроводам со скоростью, близкой к скорости звука в данной среде. А персонал как теплоисточника, так и района тепловых сетей (РТС) традиционно действует в соответствии со стандартно утвержденными инструкциями по ликвидации аварийных ситуаций на теплоисточнике и в тепловых сетях.

Проблема в том, что после получения сигналов по вышеуказанным приборам о нештатной ситуации уже через считанные секунды практически невозможно будет достоверно определить направление, от которого пришло возмущение. И при наличии нескольких направлений подачи тепловой энергии действия персонала во многом происходят интуитивно. А это, в свою очередь, может привести к развитию аварийной ситуации не только в тепловых сетях, но и на теплоисточнике, вплоть до его полной остановки в условиях низких температур наружного воздуха.

Известен способ контроля трубопровода и улавливания утечек [1], включающий соединение каждого участка трубопровода с накопительной емкостью, по времени наполнения которой судят о характере утечек. На всех контролируемых участках трубопровода на стыках труб устанавливают течеуловители, соединенные между собой гибким трубопроводом малого сечения, проложенным вдоль контролируемого трубопровода с уклоном в сторону накопительной емкости для сбора утечек, которую располагают на участке с минимальной отметкой местности.

Данный способ рассчитан, в основном, на плановое техническое обслуживание трубопроводов. Недостатком его является невозможность быстрого реагирования на форс-мажорные обстоятельства, такие, например, как разрыв трубопровода.

Известен также способ обнаружения мест течи в подземном напорном трубопроводе [2]. Способ реализуется путем последовательного перемещения акустического датчика по трассе трубопровода, регистрации и сравнения сигналов. С целью повышения надежности обнаружения мест течи в условиях интенсивных городских шумовых помех регистрацию проводят одновременно с помощью нескольких датчиков, которые устанавливают вдоль трассы с интервалом, превышающим глубину залегания трубопровода, и перемещают их вдоль трассы с шагом, равным интервалу между датчиками, а регистрацию сигнала производят в течение времени, превышающего длительность действия импульсных помех.

Как и ранее рассмотренный способ данный способ также не дает возможности быстрого реагирования на нештатные ситуации, возникшие при эксплуатации тепловых сетей.

Также известен способ определения момента и места утечки в трубопроводе [3]. При определении момента и места утечки во внутренней трубе коаксиального трубопровода, связывающего источник тепла с потребителем, производят одновременное измерение температуры теплоносителя на выходе от потребителя и на входе в источник тепла, температуры теплоносителя на выходе из источника тепла и на входе в потребитель тепла и температуры внешней трубы в нескольких точках по длине коаксиального трубопровода. Момент повреждения определяют по одновременному уменьшению расхода теплоносителя на входе в источник тепла и уменьшению температуры на входе в потребитель тепла и увеличению температуры теплоносителя на выходе из источника тепла, а место утечки - по наименьшему изменению температуры наружной стенки внешней трубы.

Недостатком вышеуказанной схемы является ее сложность и высокая стоимость затрат на техническое и метрологическое обслуживание.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ определения места утечки в закрытых тепловых сетях [4]. Задача способа - повышение точности определения места утечки, что позволяет сократить время последующего поиска точки утечки. Измеряют давление в обратном коллекторе при двух расходах подпиточной воды и одинаковом расходе теплоносителя. По полученным давлениям и расходам подпитки вычисляют давление в месте утечки Р. На пьезометрическом графике сети отмечают точки с давлением Р и соответствующие им места на всех участках сети. Конкретный участок с утечкой определяют по уменьшению расхода утечки при последовательном дросселировании расхода теплоносителя на каждом участке.

Недостатком данного способа является отсутствие оперативности для обслуживающего персонала теплоисточника и района тепловых сетей. Он может использоваться только для поиска утечек, факт наличия которых уже ранее установлен.

Все рассмотренные способы при наличии двух и более направлений выдачи тепловой мощности не работают эффективно, так как оперативный персонал теплоисточника и РТС вынужден заниматься поиском аварийного сетевого трубопровода путем поочередного отключения магистральных трубопроводов. Этот процесс растянут во времени и приводит ко всем вышеоговоренным проблемам.

Задачей настоящего изобретения является локализация аварийной ситуации в разветвленной многомагистральной тепловой сети путем оперативного обнаружения направления образовавшегося возмущения в указанной разветвленной сети.

Поставленная задача решается тем, что в коллекторах прямой и обратной сетевой воды, а также во всех прямых и обратных трубопроводах разветвленной многомагистральной тепловой сети в режиме реального времени отслеживают давление воды с помощью датчиков давления, анализируют изменение давлений во времени с помощью контроллера и ПЭВМ. Результаты анализа выдаются на автоматизированное рабочее место оператора ТЭЦ или котельной. При этом минимальное расстояние от коллекторов сетевой воды до точек отслеживания давления в сетевых трубопроводах выбирают исходя из неравенства:

где:

C_вд - скорость распространения волн давления;

τ_откл. - время отклика датчиков давления;

τ_{коммут.} - время срабатывания коммутирующих устройств;

τ_контр. - время обработки информации контроллером;

τ^пэвм - время обработки и выдачи на ПЭВМ оператору информации.

Предлагаемый способ поясняется фигурой, на которой изображена тепловая сеть, имеющая две тепломагистрали для передачи тепловой энергии по двум направлениям. При этом на фигуре все составные части тепловой сети показаны жирными линиями, а электрические связи между комплектующими, необходимыми для реализации заявляемого способа, - тонкими линиями.

Тепловая сеть работает следующим образом. В ТЭЦ или котельной 1 нагретая в водогрейных котлах или бойлерах вода (на фигуре не показаны) по трубе 2 подается в коллектор 3 прямой сетевой воды. Далее вода поступает в трубопровод 4 прямой сетевой воды тепломагистрали А через запорную арматуру 6 и расходомер 7, а в трубопровод 5 прямой сетевой воды тепломагистрали В - через запорную арматуру 8 и расходомер 9. Достигнув потребителей по трубопроводам 4 и 5, вода отдает часть своей тепловой энергии. Далее по трубопроводу 10 обратной сетевой воды (для тепломагистрали А) и далее через расходомер 12 и запорную арматуру 13, а также через трубопровод 11 обратной сетевой воды (для тепломагистрали В) и далее через расходомер 14 и запорную арматуру 15 охлажденная вода поступает в коллектор 16 обратной сетевой воды. Из коллектора 16 через трубу 17 вода поступает в водогрейные котлы или бойлеры, при этом часть воды, утерянная при транспортировке по тепловой сети, по трубе 18 через клапан 19, расходомер 20 и коллектор 16 также поступает на теплоисточник для постоянного нагрева. И далее все повторяется.

При такой комплектации тепловой сети в случае возникновении нештатной ситуации, например на прямом сетевом трубопроводе тепломагистрали А (на фигуре показан прорыв трубопровода условным обозначением 21), оперативный персонал теплоисточника изначально зафиксирует ситуацию по работе технологической сигнализации и по установленным штатным манометрам (на фигуре не показаны), которые зафиксируют падение давлений сетевой воды. Кроме того, расходомер 20 покажет скачкообразный рост расхода подпиточной воды, а клапан 19 откроется полностью. Увеличение же разности между расходами сетевой воды в прямом и обратном трубопроводах тепломагистрали А отслежена персоналом не будет по причине несоизмеримости величины возникшего роста подпитки и разницы номинальных расходов в прямом и обратном сетевых трубопроводах. То есть персонал изначально не сможет однозначно определить направление возникшего возмущения.

Для реализации заявляемого способа в теплосети устанавливают дополнительные комплектующие и оборудование. В коллекторах прямой 3 и обратной 16 сетевой воды, а также во всех прямых и обратных трубопроводах тепловой сети 4, 5, 10 и 11 устанавливают датчики давления 23, 24, 25, 26, 27 и 28 с технически минимально возможным временем отклика. А непосредственно на территории ТЭЦ (котельной) устанавливают контроллер 29, ПЭВМ 30 и создают автоматизированное рабочее место (АРМ) 31 оператора. Электрическая связь между дополнительно установленными комплектующими и оборудованием показана на фигуре тонкими линиями.

Теперь в случае возникновении нештатной ситуации, например на прямом сетевом трубопроводе тепломагистрали А, в результате отслеживания давления в режиме реального времени, обработки информации контроллером и ПЭВМ и подачи ее на АРМ, оператор ТЭЦ (котельной) зафиксирует факт прохождения волны давления через датчики в следующем порядке: датчик 25 → датчик 23 → датчик 26. Это однозначно определит факт возникновения возмущения именно на прямом сетевом трубопроводе тепломагистрали А или на прилегающей внутриквартальной сети, подключенной к данному магистральному трубопроводу.

Аналогичное произойдет в случае возникновении нештатной ситуации, например на обратном сетевом трубопроводе тепломагистрали В (на фигуре показан порыв трубопровода позицией 22). Тогда датчики давления покажут распространение волны давления в следующем порядке: датчик 28 → датчик 24 → датчик 27. Это однозначно укажет направление возмущения для принятия правильного решения оперативному персоналу.

Обязательным условием корректной работы заявляемого способа является достаточная удаленность (L_min) точек, где фиксируются давления в режиме реального времени датчиками 25, 26, 27 и 28 отдатчиков 23 и 24. В противном случае может оказаться, что время прохождения волны давления при возникновении нештатной ситуации меньше, чем время срабатывания всего комплекса оборудования, что не позволит достоверно определить направление возникновения нештатной ситуации. Поэтому при выборе точек расстановки датчиков давления и должно выполняться неравенство:

где:

C_вд - скорость распространения волн давления;

τ_откл. - время отклика датчиков давления;

τ_{коммут.} - время срабатывания коммутирующих устройств;

τ_контр. - время обработки информации контроллером;

τ^пэвм - время обработки и выдачи на ПЭВМ оператору информации.

Таким образом, внедрение способа позволит решить следующие технические и экономические проблемы:

1. Оперативно и однозначно определить конкретный сетевой трубопровод, где произошла нештатная ситуация, правильно направить аварийную бригаду тепловых сетей и предотвратить развитие аварийной ситуации на теплоисточнике.

2. Снизить издержки, связанные с потерями тепловой энергии и теплоносителя при аварийных ситуациях, транспортные и трудовые издержки по поиску аварийных участков тепловой сети.

Принятые условные обозначения

1 - ТЭЦ (котельная);

2 - труба подачи в коллектор прямой сетевой воды;

3 - коллектор прямой сетевой воды;

4 - трубопровод прямой сетевой воды тепломагистрали А;

5 - трубопровод прямой сетевой воды тепломагистрали В;

6 - запорная арматура;

7 - расходомер;

8 - запорная арматура;

9 - расходомер;

10 - трубопровод обратной сетевой воды тепломагистрали А;

11 - трубопровод обратной сетевой воды тепломагистрали В;

12 - расходомер;

13 - запорная арматура;

14 - расходомер;

15 - запорная арматура;

16 - коллектор обратной сетевой воды;

17 - труба отвода из коллектора обратной сетевой воды;

18 - труба для подачи воды на подпитку тепловой сети;

19 - клапан;

20 - расходомер подпиточной воды;

21 - схематическое изображение разрыва трубопровода тепломагистрали А;

22 - схематическое изображение разрыва трубопровода тепломагистрали В;

23 - датчик давления в коллекторе прямой сетевой воды;

24 - датчик давления в коллекторе обратной сетевой воды;

25 - датчик давления в трубопроводе прямой сетевой воды тепломагистрали А;

26 - датчик давления в трубопроводе прямой сетевой воды тепломагистрали В;

27 - датчик давления в трубопроводе обратной сетевой воды тепломагистрали А;

28 - датчик давления в трубопроводе обратной сетевой воды тепломагистрали В;

29 - контроллер;

30 - ПЭВМ;

31 - автоматизированное рабочее место оператора (АРМ)

Источники информации

1. RU 2106570 C1, кл. F17D 5/02, 10.03.1998.

2. SU 1216550 A1, кл. F17D 5/02, 07.03.1986.

3. SU 1260633 A1, кл. F17D 5/02, 30.09.1986.

4. SU 1652848 A1, кл. G01M 3/28, 30.05.1991.

Способ предназначен для оперативного обнаружения поврежденного сетевого трубопровода многомагистральной тепловой сети, отходящей от теплоисточника. Способ состоит в том, что в коллекторах прямой и обратной сетевой воды, а также во всех прямых и обратных трубопроводах тепловой сети в режиме реального времени отслеживают давление воды с помощью датчиков давления, анализируют изменение давлений во времени с помощью контроллера и персональной электронно-вычислительной машины и результаты анализа выдают на автоматизированное рабочее место оператора теплоисточника. При этом минимальное расстояние от коллекторов сетевой воды до точек отслеживания давления в отходящих от теплоисточника трубопроводах выбирают исходя из неравенства:

где:

C_вд - скорость распространения волн давления;

τ_откл. - время отклика датчиков давления;

τ_{коммут.}- время срабатывания коммутирующих устройств;

τ_контр. - время обработки информации контроллером;

τ^пэвм - время обработки и выдачи на ПЭВМ оператору информации. Технический результат - уменьшение потерь тепловой энергии и теплоносителя. 1 ил.

Способ оперативного обнаружения поврежденного сетевого трубопровода многомагистральной тепловой сети, отходящей от теплоисточника, отличающийся тем, что в коллекторах прямой и обратной сетевой воды, а также во всех прямых и обратных трубопроводах тепловой сети в режиме реального времени отслеживают давление воды с помощью датчиков давления, анализируют изменение давлений во времени с помощью контроллера и персональной электронно-вычислительной машины и результаты анализа выдают на автоматизированное рабочее место оператора теплоисточника, при этом минимальное расстояние от коллекторов сетевой воды до точек отслеживания давления в отходящих от теплоисточника трубопроводах выбирают исходя из неравенства:

где:
С_вд - скорость распространения волн давления;
τ_откл. - время отклика датчиков давления;
τ_{коммут.} - время передачи сигнала по линиям связи,
τ^ПЭВМ - время обработки соответствующей программой и выдачи информации персональной электронно-вычислительной машиной оператору.