Цифровая система контроля тепловой сети Российский патент 2025 года по МПК G06F30/18 

Цифровая система контроля тепловой сети предназначена для контроля работы системы теплоснабжения, в том числе уменьшения времени обнаружения утечек и определения точного местоположения утечек в сетях центрального городского теплоснабжения.

Важнейшей задачей, стоящей перед предприятиями коммунальной теплоэнергетики, является надежное обеспечение потребителей теплом и горячей водой. В настоящее время вследствие значительного физического износа системы теплоснабжения практически на любом участке теплосети в любое время может возникнуть авария. Последствиями ее, помимо снижения комфортных условий для потребителя, являются материальные потери, связанные с прекращением подачи тепла и горячей воды. Утечка из системы 10 тонн нагретого до 100 градусов теплоносителя эквивалентна потере 1 Гкал тепла. Следовательно, оперативный поиск и устранение утечек на трубопроводахтепловых сетей является одной из актуальных проблем городского хозяйства.

Самым распространенным типом аварий на трубопроводах является нарушение целостности трубы и образование мест истечения теплоносителя – течей. В настоящее время для обнаружения поврежденного участка теплосети, расположенного под землей, обычно используют метод последовательных шурфовок, при котором место течи локализуется путем последовательного вскрытия теплотрассы в предполагаемом направлении. Это связано с определенными финансовыми и трудовыми затратами. Экономически более выгодно для обнаружения течей использовать специальные приборы – течеискатели, которые позволяют с заданной точностью определить местоположение течей и сократить количество шурфов, но при этом время обнаружения, материальные затраты на определение точного места достаточно велики.

Более эффективными являются аппаратные методы локализации дефектных участков теплотрасс, а именно – дистанционная тепловая аэросъемка поверхности грунта и последующее наземное инструментальное обследование подземных трубопроводов с применением пирометрических, акустических, акусто-корреляционных и расходометрических методов. Это позволяет минимизировать затраты на раскопки и дальнейшее благоустройство территории, при устранении утечки водопровода или течи труб отопления. Однако, для сложных протяженных теплотрасс даже аппаратные методы локализации прорывов требуют значительных временных и ресурсных затрат, поэтому развиваются подходы,основанные на анализе данных мониторинга.

Современные устройства мониторинга могут при незначительных финансовых затратах извлекать огромное количество данных из систем теплоснабжения с помощью установленных в ключевых точках системы датчиков измерения давления, расхода и температур теплоносителя. Эти данные могут использоваться в алгоритмах для анализа переходных процессов в распределенных системах теплоснабжения. Локальная утечка — это, прежде всего, гидравлическое явление, и, поскольку она расположена в определенном месте трубопровода, то ее наличие и местонахождение можно обнаружить, анализируя динамику изменения параметров потока воды.

В системах теплоснабжения теплоноситель перекачивается по замкнутому контуру, поэтому авария на одной трубе или одной насосной станции может привести к распространению изменений течения по всей трубопроводной сети.

В сети теплоснабжения используются трубы разных диаметров, длины, шероховатости и теплоизоляции. Также работа системы тепловых сетей зависит от времени суток, температуры окружающей среды, других условий эксплуатации.

Чтобы избежать аварийной ситуации или устранить её последствия, необходимо располагать эффективными способами и техническими средствами контроля работы тепловых сетей [А.Б. Роскин. Устройства для стабилизации колебаний давления и расхода в тепловых сетях//Новости теплоснабжения, №02, 2004 г.].

Если есть система датчиков на тепловой сети, то любое изменение в физической структуре трубы, например, соединение, сужение, расширение, закупорка, шероховатость или утечка приводит к изменению выходного сигнала от датчиков, так как меняются давление, расход, температура, причём эти значения также меняются со временем.

Известно устройство управления тепловым пунктом (см. патент РФ на полезную модель №66795, з. 20.01.2006 г., оп. 27.09.2007 г., МПК F24D 19/10), включающее управляющее устройство, пульт управления и блок коммутации, при этом управляющее устройство получает информацию от датчиков измеряемых параметров, вырабатывает и передает управляющее воздействие на исполнительные элементы через блок коммутации, а также получает команды от пульта управления, при этом подача питающего напряжения на исполнительные элементы осуществляется через блок коммутации, устройство снабжено блоком питания, через который на пульт управления и управляющее устройство подается питающее напряжение, и портом ввода/вывода для получения управляющим устройством команд от пульта управления и передачи информации о работе теплового пункта, а управляющее устройство содержит средство для расчета коэффициентов регулирования.

Известен автоматический регулятор гидравлического режима тепловой сети RU 2 678 225. Изобретение относится к теплоэнергетике, к области теплоснабжения населенных пунктов и предназначено для автоматической наладки гидравлического режима тепловой сети. Решение изобретения - автоматическая наладка гидравлического режима тепловых сетей, приведение расходов в трубопроводах к расчетным значениям путем включения в работу электронного регулятора гидравлического режима тепловой сети. Поставленная задача решается за счет того, что в автоматический регулятор гидравлического режима тепловой сети, включающий прямой и обратный трубопроводы тепловой сети, датчик температуры обратной воды тепловой сети, датчик температуры наружного воздуха, на подающем трубопроводе тепловой сети установлен блок регулирования расхода теплоносителя, введен электронный регулятор гидравлического режима тепловых сетей, входы которого соединены с датчиками температур обратной воды и наружного воздуха, а выходы подключены к блоку регулирования расхода теплоносителя. Обеспечивается автоматическое регулирование гидравлического режима тепловой сети.

Известен учетно-регулирующий комплекс теплопотребления (патент РФ на полезную модель №32143, з. 20.12.2002, оп. 10.09.2003), содержащий теплосчетчик, включающий в себя преобразователи расхода и температуры в подающем и обратном трубопроводах и вычислитель, систему регулирования тепловой энергии, включающую в себя регулирующий клапан, погодный компенсатор и вычислитель, при этом вычислитель системы регулирования через канал обмена данными подключен к вычислителю теплосчетчика и его преобразователям температуры.

Известен  учетно-регулирующий комплекс теплопотребления, патент на полезную модель 32 143 от 20.12.2002, содержащий теплосчетчик, включающий в себя преобразователи расхода и температуры в подающем и обратном трубопроводах и вычислитель, систему регулирования тепловой энергии, включающую в себя регулирующий клапан, погодный компенсатор и вычислитель, отличающийся тем, что в него дополнительно введена система регулирования тепловой энергии, включающая регулирующий клапан, погодный компенсатор и вычислитель, при этом вычислитель системы регулирования через дополнительно введенный канал обмена данными подключен к вычислителю теплосчетчика и его преобразователям температуры.

В патенте CN109241676A раскрыт метод выбора временного разрешения тепловых сетей и зданий в единой энергетической системе. Устанавливаются модель оптимизации работы и имитационная модель интегрированной энергетической системы. Мощность впрыска тепловой сети в результате оптимизации работы используется в качестве входных данных имитационной модели тепловой сети и состояния тепловой нагрузки, так что получаются результаты имитационной модели, а затем устанавливаются индекс погрешности тепловой сети и состояния здания и критерий выбора временного разрешения. Сравнивая результаты оптимизации работы с результатами имитационной модели, оценивается, удовлетворяет ли значение индекса погрешности исходному критерию. Если критерий не удовлетворяется, корректируется временное разрешение тепловой сети и тепловой нагрузки, и вышеуказанные шаги повторяются до тех пор, пока не будет получено надлежащее временное разрешение тепловой сети и тепловой нагрузки. Метод полностью учитывает влияние различного временного разрешения на рабочее состояние тепловой сети и тепловой нагрузки и выбирает наилучшее временное разрешение тепловой сети и тепловой нагрузки для обеспечения баланса тепловой мощности и качества теплоснабжения интегрированной энергетической системы, а также для обеспечения безопасной и надежной работы интегрированной энергетической системы.

Общими недостатками рассмотренных выше решений является невозможность точного определения места утечек в тепловой сети, отсутствие или неполный контроль гидравлического режима тепловых сетей.

Существуют методы моделирования работы потокораспределения в системах технологических трубопроводов [Филимонов С.А., Необъявляющий П.А., Михиенкова Е.И. Применение гибридного алгоритма моделирования для исследования системы удаления вредных газов алюминиевого производства. Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. №6 (44), 2016,  Стр: 64-79.], но они на адаптированы к работе тепловых сетей.

Ближайшим аналогом предлагаемой цифровой системы тепловых сетей является система ZuluGIS - система для создания карт, моделирования инженерных сетей и разработки ГИС-приложений, включающая Программы для ЭВМ для расчёта систем теплоснабжения «ZuluThermo 2021», регистрационный номер в Роспатенте 2021661683, от 14.07.2021; «ZuluThermo 9.0», регистрационный номер в Роспатенте 2021616777 от 27.04.2021, ZuluThermo 8.0, регистрационный номер в Роспатенте 2014615669 от 20.06.2014.https://www.politerm.com/products/geo/zulugis/.

Система ZuluGIS с набором программ для теплогидравлических расчетов тепловых сетей ZuluThermo позволяет моделировать режимы работы тепловой сети, анализировать аварийные ситуации, оценивать эффективность мероприятий по модернизации и перспективному развитию систем централизованного теплоснабжения. Состав задач: наладочный расчет тепловой сети; поверочный расчет тепловой сети; калибровка тепловой сети, конструкторский расчет тепловой сети, расчет требуемой температуры на источнике, расчет надежности системы теплоснабжения, расчет резерва пропускной способности сети, расчет радиуса эффективного теплоснабжения, расчет нормативных потерь тепла через изоляцию, анализ термограмм, коммутационные задачи, построение пьезометрического графика, построение продольного профиля в (AutoCAD/DXF).

Эти программы предназначены для определения различных гидравлических аномалий (утечек, несанкционированного отбора, неисправности задвижек, сужения диаметра) в тепловой сети, при совместном использовании гидравлической модели и показаний приборов. Если гидравлическая модель тепловой сети откалибрована, то гидравлический расчет, выполненный для текущих расходов на потребителях, должен в результате получить давления в узлах, совпадающие с показаниями датчиков давления. Снятие показаний приборов и выполнение соответствующего гидравлического расчета можно выполнять с заданной периодичностью. Если за период измерения в реальной сети произошли изменения, которые не описаны в гидравлической модели (возникновение утечки, несанкционированный отбор, изменение гидравлического сопротивления участка, вызванного неисправностью задвижки и т. д.), то гидравлический расчет зафиксирует расхождение между расчетными давлениями и показаниями манометров, а также расхождение между суммарным расходом на источниках в модели и показаниями расходомеров.

Обнаружение и визуализацию отклонений расчетной гидравлической модели от показаний приборов можно проводить в режиме реального времени, для этого в настройках расчета указывается время автоматического пересчета модели. В результате автоматического расчета в поля для результатов расчета будут записываться обновленные данные, если включены временные раскраски или надписи - они тоже будут обновляться. Если расход на источнике по расходомеру стал заметно больше расхода в гидравлической модели, то можно предположить возникновение утечки.

Реальная точность локализации зависит от качества гидравлической модели, количества, точности и местоположения приборов на сети, одновременности снятия показаний.

Недостатком данной системы ZuluGIS является то, что обнаружить утечку и определить её местоположение возможно только с точностью до одной ветви, ограниченной датчиками контроля, невозможно более точно определить места утечки в определенной ветви сети.

Задачей данного изобретения, цифровой системы контроля тепловой сети, является дистанционное определение локализации места утечки воды или прорыва трубопровода в системе теплоснабжения с высокой точностью, до трёх метров, и высоким быстродействием, без использования дополнительных измерительных приборов.

Поставленная задача решается следующим образом.

Цифровая система контроля тепловых сетей, расположенная на сервере, характеризующаяся тем, что содержит граф тепловой сети города, систему телеметрии с датчиками контроля и управления, базу данных тепловой сети, программу для численного моделирования потокораспределения в системах технологических трубопроводов, причём

граф тепловой сети города состоит из набора узлов и ветвей, в котором трубопроводы моделируются ветвями, а места изменения в физической структуре трубы, места соединения, источники и потребители тепловой сети, места расположения датчиков контроля и управления моделируются узлами, в каждом узле соблюдается баланс расхода воды, при отображении данных или результатов расчета ветви и узлы графа могут менять свой цвет в зависимости от условий работы тепловой сети;

система телеметрии содержит показания датчиков контроля и управления, имеет связь с сервером, её данные передаются в цифровую систему;

база данных тепловой сети содержит рассчитанные для каждой ветви сети коэффициенты местного сопротивления, данные по шероховатости и зарастанию труб, их геометрии и теплоизоляции, величину давлений и расхода, советующих нормально работающей тепловой сети;

программа ЭВМ численного моделирования потокораспределения в системах технологических трубопроводов моделирует потокораспределение неизотермичной среды в системах трубопроводов с учетом теплообмена с окружающей средой.

Система телеметрии — это беспроводная автоматизированная система дистанционного сбора показаний датчиков контроля и управления на центральный сервер сбора данных.

По данным системы телеметрии тепловой сети цифровая система адаптируется к реально существующей тепловой сети города путем уточнения коэффициентов местного сопротивления, шероховатости и зарастания труб для каждого участка сети и для каждой ветви графа, которые заносятся в базу данных.

База данных тепловой сети содержит рассчитанные для каждой ветви сети коэффициенты местного сопротивления, данные по шероховатости и зарастанию труб, их геометрии и теплоизоляции, величину давлений и расхода, советующих нормально работающей тепловой сети.

По данным системы телеметрии от датчиков контроля и управления, которые находятся в узлах, цифровая система контролирует соблюдение режима работы тепловой сети (ТС), а на каждой ветви определяет перепад давления, расход теплоносителя, тепловые потери, и проверяет их на соответствие параметрам трубопровода при данном состоянии окружающей среды в зависимости от расхода воды по данному трубопроводу и её температуры, находящихся в базе данных.

В нормальном состоянии ветви и узлы графа окрашены в одинаковые цвета.

Цифровая система контроля тепловых сетей начинает аварийную работу по обнаружению места утечки при нарушении режима тепловой сети по показаниям системы телеметрии и выполняет следующие шаги:

1) выделение фрагмента ТС, на котором произошла утечка, содержащего узлы с датчиками, на чьих показаниях основано начало аварийной работы, и соединяющие их ветви; изменение цвета ветвей графа и узлов графа, находящихся в аварийном состоянии;

2) преобразование выделенного фрагмента в отдельную детализированную модель тепловой сети (ДМТС); использование данных из базы данных тепловой сети по выделенному фрагменту;

3) задание в ДМТС граничных условий (давлений и расхода), соответствующих нормально работающей системе;

4) с помощью программы ЭВМ численного моделирования потокораспределения в системах технологических трубопроводов выполнение серии численных расчётов, где последовательно в каждый узел ДМТС подставляется фиктивная ветвь с расходом, равным предполагаемой величине утечки;

5) анализ результатов серии расчётов на соответствие текущим показаниям датчиков, которые фиксируют прорыв трубопровода или утечку воды и выбор наиболее точного варианта;

6) определение местоположения утечки с точностью до, по крайней мере, трёх метров.

Используемая в цифровой системе тепловой сети Программа для численного моделирования потокораспределения в системах технологических трубопроводов – это Программа для ЭВМ SigmaNet, номер регистрации (свидетельства)2016613273, дата регистрации: 24.03.2016 - (SigmaNet).Программа моделирует потокораспределние неизотермичной многокомпонентной среды в системах трубопроводов с учетом тепломассообмена с окружающей средой [Д. В. Бойков, А. А. Дектерев. Адаптация методов идентификации теории гидравлических цепей для уточнения неизвестных параметров систем вентиляции и газоудаления. Енисейская теплофизика - Сборник материалов конференции Енисейская теплофизика - 2023; Красноярск; Красноярск, 2023г., Стр. 90-91.]. Программа позволяет строить топологию и задавать параметры технологических сетей различной сложности. Позволяет решать задачи анализа и оптимизации существующих и проектирования новых трубопроводных систем. Программа состоит из следующих основных модулей: модуль построения топологической схемы, расчетный модуль и модуль анализа результатов расчетов в виде технологической схемы с цветовой шкалой значений искомых величин, графиков, гистограмм и таблиц [Сентябов А.В., Гаврилов А.А., Гризан С.А., Дектерёв А.А., Бойков Д.В. Эффективность расчетов на графических процессорах в вычислительной гидродинамике несжимаемой жидкости// Математическое моделирование, Том: 29, № 3,  2017, Стр. 16-28].

Программа позволяет определять местоположение утечки с точностью, по крайней мере, до трёх метров.

Под детализированной моделью ТС понимается модель, в которой каждая ветвь выделенного фрагмента представлена в виде последовательно соединённых подветвей с заданным шагом. Шаг разбиения ветви определяется разрешающими возможностями датчиков, ограничивающих выделенный фрагмент.

Пункты 2)-5) отрабатывают автоматически, после указания выделенного фрагмента.

Пункт 4) подразумевает проведение серии расчётов в параллельном режиме.

Точность локализации места порыва ограничена точностью датчиков системы телеметрии.

Заявленное изобретение разработано в рамках выполнения гранта (договора №70-2023-001318 от 27.12.2023 г. идентификатор соглашения о предоставлении субсидии 000000D730324P540002), а именно:

- относится к направлению развития искусственного интеллекта: "Строительство и городская среда";

- относится к мероприятию плана Исследовательского центра 2-й волны в сфере искусственного интеллекта Новосибирского государственного университета по направлению «Строительство и городская среда»: №24 "Выполнение работ в 2024 г. по ТЗ (проект Энергетика и распределительные сети умного города)";

- относится к тематике Программы Исследовательского центра 2-й волны в сфере искусственного интеллекта Новосибирского государственного университета по направлению "Строительство и городская среда"»: "Энергетика и распределительные сети умного города".

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в повышении точности определения местоположения утечки в тепловой сети. Технический результат достигается за счет этапов, на которых выполняют: выделение фрагмента тепловой сети (ТС), на котором произошла утечка, содержащего узлы с датчиками, на чьих показаниях основано начало аварийной работы, и соединяющие их ветви, и изменение цвета ветвей графа и узлов графа, находящихся в аварийном состоянии; преобразование выделенного фрагмента в отдельную детализированную модель тепловой сети (ДМТС) и использование данных из базы данных тепловой сети по выделенному фрагменту; задание в ДМТС граничных условий, соответствующих нормально работающей системе; выполнение серии численных расчётов с помощью программы ЭВМ численного моделирования потокораспределения в системах технологических трубопроводов, где последовательно в каждый узел ДМТС подставляется фиктивная ветвь с расходом, равным предполагаемой величине утечки; анализ результатов серии расчётов на соответствие текущим показаниям датчиков, которые фиксируют прорыв трубопровода или утечку воды, и выбор наиболее точного варианта; определение местоположения утечки с точностью по меньшей мере до трёх метров.

Цифровая система контроля тепловых сетей, расположенная на сервере, характеризующаяся тем, что содержит граф тепловой сети города, систему телеметрии с датчиками контроля и управления, базу данных тепловой сети, программу для численного моделирования потокораспределения в системах трубопроводов, причём

граф тепловой сети города состоит из набора узлов и ветвей, в котором трубопроводы моделируются ветвями, а места изменения в физической структуре трубы, места соединения, источники и потребители тепловой сети, места расположения датчиков контроля и управления моделируются узлами, в каждом узле соблюдается баланс расхода воды, при отображении данных или результатов расчета ветви и узлы графа могут менять свой цвет в зависимости от условий работы тепловой сети;

система телеметрии содержит показания датчиков контроля и управления, система телеметрии имеет связь с сервером, её данные передаются в цифровую систему,

база данных тепловой сети содержит рассчитанные для каждой ветви сети коэффициенты местного сопротивления, данные по шероховатости и зарастанию труб, их геометрии и теплоизоляции, величину давлений и расхода, советующих нормально работающей тепловой сети;

программа ЭВМ численного моделирования потокораспределения в системах технологических трубопроводов моделирует потокораспределение неизотермичной среды в системах трубопроводов с учетом теплообмена с окружающей средой, при этом цифровая система контроля тепловых сетей выполнена с возможностью:

- выделения фрагмента тепловой сети (ТС), на котором произошла утечка, содержащего узлы с датчиками, на чьих показаниях основано начало аварийной работы, и соединяющие их ветви, и изменения цвета ветвей графа и узлов графа, находящихся в аварийном состоянии;

- преобразования выделенного фрагмента в отдельную детализированную модель тепловой сети (ДМТС) и использования данных из базы данных тепловой сети по выделенному фрагменту;

- задания в ДМТС граничных условий, соответствующих нормально работающей системе;

- выполнения серии численных расчётов с помощью программы ЭВМ численного моделирования потокораспределения в системах технологических трубопроводов, где последовательно в каждый узел ДМТС подставляется фиктивная ветвь с расходом, равным предполагаемой величине утечки;

- анализа результатов серии расчётов на соответствие текущим показаниям датчиков, которые фиксируют прорыв трубопровода или утечку воды, и выбора наиболее точного варианта;

- определения местоположения утечки с точностью по меньшей мере до трёх метров.