Проект «Создание цифрового аналога трубопроводных систем теплосети»

Виды дефектов, возникающих при эксплуатации тепловых сетей

Одним из наиболее часто встречающихся и опасных дефектов является коррозия металла, приводящая к утончению стенок, что, в свою очередь, приводит к нарушению прочности трубопровода и, в конечном счете, образованию трещин, свищей, разломов, через которые начинается утечка горячей воды. Этот процесс может развиваться как быстро, так и медленно. Сначала вода медленно сочится через образовавшиеся отверстия, и вокруг трубы под землей образуется все увеличивающийся объем воды, размывается грунт. В какой-то момент вода прорывается сквозь наземное покрытие, и случается авария.

Своевременное обнаружение утечки воды является необходимым для предупреждения подобных аварий. Процесс утечки воды может развиваться быстро, когда время от возникновения дефекта до аварии исчисляется часами, и даже минутами. Поэтому обнаружение мест утечек должно осуществляться максимально оперативно.

Другим дефектом трубопроводов горячего водоснабжения является нарушение теплоизоляции труб. Эти дефекты не приводят к авариям, но снижают энергоэффективность, так как часть тепла используется не по прямому назначению, а  уходит наружу, что, в свою очередь, приводит к экономическим потерям.

Существующие методы выявления дефектов

При прокладке тепловых сетей (системы горячего водоснабжения, отопления и теплотрассы) используют трубы ППУ изготовленные по ГОСТ 30732-2006. Эти трубы имеют специальную конструкцию, где внутренняя стальная труба с помощью специальных центрирующих опор размещается по центру трубы-оболочки, а внутреннее пространство между трубой-носителем и трубой-оболочкой заполняется пенополиуретаном.

В настоящее время существует простой, но низко надежный способ диагностирования утечек. Он состоит в следующем. Трубы ППУ снабжены системой ОДК (оперативного дистанционного контроля), представляющей собой проложенные в слое изоляции два медных провода.

Рисунок 1. Трубы ППУ

При прокладке тепловых сетей концы проводников выходят на поверхность земли и закрепляются на клеммах специального устройства – ковера. Коверы устанавливаются вдоль трубопровода с шагом в несколько сотен метров. Периодически замеряется сопротивление проводников. В случае отсутствия утечек сопротивление определяется полной длиной проводника. При возникновении утечки, в точке утечки, происходит электрическое замыкание проводников водой, и общее сопротивление уменьшается. По величине этого сопротивления приблизительно можно судить о месте утечки.

Низкая надежность существующего метода связана с тем, что, с одной стороны, замыкание проводников может произойти не сразу после возникновения утечки, так как утечка может начаться со стороны трубы, противоположной прокладки проводников. С другой стороны, замыкание проводников может произойти и без утечки. Например, замкнуть проводники могут грунтовые воды, просочившиеся под слой теплоизоляции. Кроме того, замеры сопротивления проводятся не постоянно, а периодически при обходе работниками эксплуатационной службы теплосети коверов.

В настоящее время о нарушении теплоизоляции труб можно судить лишь по нагреву находящихся над трубопроводом участков земли.

Таким образом, оперативное обнаружение дефектов трубопроводов горячего водоснабжения является важнейшей задачей при их эксплуатации

Решение проблемы создания цифрового аналога трубопроводных систем теплосети

Для решения проблемы создания цифрового аналога тепловых сетей необходимо решить следующие подзадачи:

– определить перечень параметров, подлежащих мониторингу;

– выбрать датчики, способные измерять эти параметры;

– определить места установки датчиков и  провести необходимую для их установки модернизацию конструкции трубопроводов;      

– учитывая отсутствие электропитания в местах пролегания трубопроводов, обеспечить автономное электрическое питание;

– выбрать технические средства беспроводной передачи информации от датчиков;

– создать математическую модель трубопровода для решения задачи прогнозирования возникновения аварий;

– разработать программное обеспечение для работы системы удаленного мониторинга;

– спроектировать сеть удаленного мониторинга (определить количество устройств  приема радиосигналов, места их расположения) для реальных объектов; 

– решить организационные вопросы (утверждение документации на модернизацию трубопроводов, согласование установки устройств  приема радиосигналов, разработка и утверждение регламента работы диспетчерской службы теплосети с учетом внедрения удаленного мониторинга).

Решенные подзадачи

  1. Определен перечень параметров, подлежащих мониторингу. Это следующие параметры:

– Давление воды в трубопроводе. Зная разность давлений в соседних тепловых камерах, можно судить об утечках воды на участках трубопровода между камерами.

– Расход воды в трубопроводе. Этот параметр также позволяет судить об утечках воды на участках трубопровода между камерами.

– Температура воды. Зная разность температур воды между соседними камерами, можно судить о качестве теплоизоляции на участках трубопровода между камерами.

– Влажность воздуха внутри тепловой камеры. Знание этого параметра позволяет оценить наличие горячей воды на дне камере, что имеет место при утечках через фланцевые соединения.

– Остаточный заряд аккумуляторов устройств, установленных в камере. Этот параметр говорит о работоспособности системы удаленного мониторинга.

– Несанкционированный доступ в тепловую камеру.

 Перечень параметров согласован с предприятиями, занимающимися горячим водоснабжением (АО «Теплосеть Санкт-Петербурга», ГУП «ТЭК»).

2. Выбраны датчики для измерения вышеуказанных параметров.

При выборе датчиков учитывались следующие требования:

– соответствие диапазона и точности измерений измеряемым параметрам;

– возможность электрической стыковки выходов датчиков со входами устройств беспроводной передачи информации (радиомодемов);

– возможность работы датчиков как при высокой влажности, так и в горячей воде (бывают случаи затопления тепловых камер);

– возможность работы датчиков в заданном диапазоне температур, характерных для данной местности;

– антивандальное исполнение датчиков (защита датчиков от повреждений при выполнении работ внутри тепловых камер);

– низкое энергопотребление, учитывая отсутствие сетевого электропитания в тепловых камерах.

Был произведен обзор отечественного и зарубежного рынка датчиков и выбраны модели датчиков, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям.

Датчики были испытаны на действующих объектах АО «Теплосеть Санкт-Петербурга».

3. Определены места установки датчиков в тепловых камерах. Разработана конструкция блока датчиков и конструкция модернизированного узла трубопровода для установки блока датчиков.

4. Выбраны технические средства беспроводной передачи информации от датчиков.

При выборе средств беспроводной передачи сигналов от датчиков рассматривались различные технологии (GSM, Wi-Fi , GPRSZigBee и др.). Критериями выбора являлись следующие:

– дальность надежной передачи информации;

– проницаемость (надежное прохождение сигнала от подземных объектов через железобетонные стены и металлические люки);

– минимальное энергопотребление.

В результате была выбрана наиболее современная и быстро развивающаяся технология LoRaWAN ( Low-power Wide-area Network).

Рисунок 2. Схема удаленного мониторинга теплотрасс

Сигналы от установленных в тепловых камерах датчиков по проводам подаются на также установленные в камеры модемы. Сигналы от модемов, в свою очередь, по радиоканалу передаются на базовые станции. Дальность радиоприема базовых станций зависит от застройки территории и в условиях города составляет обычно 1…5 км. Базовые станции устанавливаются на объектах, имеющих выход в интернет, или, при отсутствии такого выхода, оснащаются SIM картами выхода в интернет. Информация от базовых станций по интернету передается на удаленные компьютеры диспетчерской службы теплосети.

Модемы и базовые станции выпускаются в России и за рубежом. В описываемом проекте использованы модемы и базовые станции Российского производства, выпускаемые предприятием «ВЕГА-Абсолют», г. Новосибирск.

Экспериментальная часть работы                                        

Было заключено Соглашение о сотрудничестве СПбПУ с АО «Теплосеть Санкт-Петербурга». В рамках этого соглашения, АО выделило несколько тепловых камер для экспериментов по тестированию мониторинга с помощью различных технологий.

В процессе тестирования определялись следующие  параметры технологии:

– дальность приема сигналов  устройств беспроводной передачи данных;

– уровни сигналов на приемных устройствах,

– точность передачи данных (соответствие значений измеряемых параметров непосредственно в тепловой камере и на удаленном компьютере);

– влияние городской застройки на качества передачи информации;

– влияние погодных условий на качество передачи информации;

– влияние различных электромагнитных помех на качество передачи информации;

– длительность работы устройств с аккумуляторным питанием без подзарядки аккумуляторов.

Тестирование проводилось с использованием нескольких технологий.

Наилучшие результаты показала технология LoRaWAN.

Передача информации по этой технологии осуществляется надежно, уровень передаваемых сигналов не зависит от погодных условий, городской застройки и помех. Дальность приема сигналов (расстояние от тепловых камер до базовых станций составляет 2…3 км. Погрешность передачи информации составляет не более 0,5%.