Аушев А.В., генеральный директор ООО «Термолайн»
Синавчиан С.Н., канд. техн. наук, доцент
кафедры «Технологии приборостроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Журнал «Энергосбережение» №5, 2015 г. Стр. 52 - 56.
Сети центрального отопления и горячего водоснабжения предназначены для переноса теплоносителя от поставщика к потребителю и представляют собой теплоизолированную металлическую трубу, создающую герметичный контур для перемещения жидкостей под давлением до 1,6 МПа.
В условиях города задача контроля герметичности металлического трубопровода во время его эксплуатации определяется не только необходимостью сохранения его функциональности, но и требованием сохранения безопасности жизнедеятельности человека.
Одним из методов контроля герметичности металлического трубопровода является контроль давления в нем. Однако ряд причин, таких как наличие расхода теплоносителя потребителем, зависимость давления от температуры в замкнутом объеме, низкая точность манометров делают этот метод весьма грубым.
Теплопроводы можно разделить на две группы: первая группа – это теплопроводы, обладающие дополнительной герметичной оболочкой теплоизоляции по всей его длине (бесканальная прокладка), вторая – с негерметичной оболочкой изоляции, выполняющей в основном функции ее фиксации (канальная прокладка).
Рассмотрим эти группы с точки зрения обеспечения возможности обнаружения и локализации местоположения утечки теплоносителя. Как правило, для трубопроводов, изоляционный слой которых не защищен дополнительной гидроизоляционной оболочкой по всей длине, применяют канальную прокладку. Для трубопроводов канальной прокладки поиск утечки возможен только при использовании специальной аппаратуры. Такой аппаратурой являются акустические и корреляционные течеискатели, принцип действия которых основан на определении местоположения мощного источника звуковых и вибрационных колебаний при истечении жидкости за пределы герметичного контура. Также применяют тепловизоры, данные которых позволяют определять местоположение максимального уровня инфракрасного излучения грунта, нагреваемого бесконтрольно истекающим из трубопровода теплоносителем. Иногда применяют химический анализ грунтовых и сточных вод, определение наличия теплоносителя в которых свидетельствует о порыве трубопровода. Однако в условиях города присутствие смежных коммуникаций (куда уходит теплоноситель), а также неравномерность глубины и поверхности грунта над трубопроводом вносят существенные трудности в определение местоположения утечки при применении тепловизоров и химического анализа вод. Поэтому поиск местоположения порыва трубопровода при его канальной прокладке, как правило, заключается в комплексном подходе при выполнении данных работ. Кроме того, ни один из перечисленных методов невозможно реализовать дешевым постоянно установленным оборудованием, поэтому экономически доступная возможность автоматического оповещения об аварийной ситуации на трубопроводе отсутствует.
Для бесканальной прокладки применимы только трубопроводы, теплоизоляционный слой которых защищен дополнительной внешней гидроизоляционной оболочкой. Однако эта оболочка не только служит барьером для внешних грунтовых или талых вод, но и является препятствием для проникновения теплоносителя в обсыпку при потере герметичности металлической трубы. При этом истечение теплоносителя в обсыпку не сопровождается мощным выделением акустического шума и вибрации, как это происходит при канальной прокладке, что является причиной малой эффективности использования акустических и корреляционных методов. Единственным способом (из приведенных выше для трубопроводов канальной прокладки) определения наличия и местоположения разгерметизации металлического трубопровода или внешней оболочки является использование тепловизоров. Однако в условиях города этот способ нельзя считать точным, а автоматизация оповещения об аварийной ситуации недоступна.
Рис. 1. Устройство трубопровода в ППУ-изоляции, оборудованного СОДК
Использование системы оперативного дистанционного контроля (СОДК) трубопроводов в пенополиуретановой (ППУ) изоляции является единственно возможным гарантированным способом контроля состояния изоляции трубопровода канальной прокладки [1]. СОДК представляет собой комплекс из приборной и трубной части, состоящей из двух медных проводников, расположенных в толще изоляции параллельно металлическому трубопроводу по всей его длине (рис. 1). При намокании изоляции вследствие разгерметизации металлической трубы и внешней полиэтиленовой оболочки ее сопротивление резко снижается, что детектируется стационарными приборами контроля состояния изоляции. Согласно [1] данные детекторов СОДК необходимо фиксировать не реже одного раза в течение двух недель. Сбор информации традиционно осуществляется сотрудниками службы эксплуатации – «обходчиками», задачей которых является не только обход множества точек, но и фиксация на бумажном носителе данных стационарных и переносных детекторов состояния изоляции. Увеличивающиеся с каждым годом объемы внедрения трубопроводов в ППУ-изоляции, оснащенных СОДК [2], не позволяют их эффективно контролировать методом обхода, что является причиной необходимости применения систем диспетчеризации.
Система диспетчеризации – это система сбора данных с удаленных объектов на единый диспетчерский пульт (ДП), а также управление оборудованием контролируемых объектов с единого ДП, связь между которыми осуществляется либо по кабельным линиям, либо посредством GSM-связи. Для городских условий наиболее удобным и экономически целесообразным является использование GSM-канала, что позволяет объединить бесконечно большое количество удаленных объектов в единую сеть.
Более подробно остановимся на преимуществах постоянного дистанционного мониторинга (диспетчеризации) состояния трубопроводов с ППУ-изоляцией перед традиционным способом сбора информации. Еще раз отметим, что автоматический контроль герметичности металлической трубы и внешней оболочки реализуем только для данного типа трубопроводов канальной прокладки – трубопровода в ППУ-изоляции, оборудованного СОДК.
1. Мгновенное оповещение об изменении состояния трубопровода и целостности СОДК. Согласно п. 9.2 [1]: «Для оперативного выявления повреждений трубопровода необходимо обеспечить регулярный контроль состояния СОДК (не реже двух раз в месяц) с помощью детектора». За это время при прорыве металлической трубы возможен выход из строя всего участка трубопровода с ППУ-изоляцией. Возможно распространение воды внутри теплоизоляции трубопровода (между ППУ-изоляцией и оболочкой, а также ППУ-изоляцией и металлической трубой) на десятки метров в течение короткого времени. Эффективная эксплуатация таких участков в дальнейшем невозможна, процесс их намокания является необратимым, что приводит к необходимости перекладки десятков метров трубопровода.
Особо отметим, что потеря целостности металлической трубы в ППУ-изоляции не сопровождается резким падением давления в системе, как это происходит в трубопроводах канальной прокладки. Это связано, во-первых, с герметичностью полиэтиленовой оболочки, а во-вторых, с бесканальным методом прокладки трубопровода в ППУ-изоляции. Давление в трубе может сохраняться даже при распространении сетевой воды вдоль трубопровода на десятки метров. Данный факт свидетельствует о невозможности обнаружения аварийной ситуации на трубопроводе в ППУ-изоляции, кроме как с помощью исправной СОДК. В течение двух недель отсутствия съема показаний с детекторов возможен подмыв грунта, что приведет к обвалу несущих слоев почвы, а это, в свою очередь, в условиях города может привести не только к большому материальному ущербу, но и к человеческим жертвам.
2. Отсев ложных вызовов. Специфика работы «обходчиков» определяет возможность фиксации ими ложной информации или отсутствие передачи реальных сведений о показаниях детекторов аварийным службам. Зачастую при прибытии бригад реагирования показания детекторов соответствуют нормальной работе трубопровода, а ложный вызов связан с некомпетентностью «обходчика». Но хуже, если он не зафиксировал или не передал сведения об аварии на трассе. Сотрудники службы эксплуатации или сторонняя организация (работающая по договору), ответственные за съем показаний «по месту» способом обхода, могут реально не посещать контролируемые объекты, а сами при этом фиксируют «нормальное» состояние трубопровода, так как знают, что их никто не контролирует на данном этапе. Тогда время подмыва грунта превышает две недели, что значительно усугубляет последствия аварии на трубопроводе и увеличивает длину требуемой замены. Исключая «человеческий фактор» из цепочки оповещения об аварийной ситуации, мы значительно повышаем надежность трубопроводов в ППУ-изоляции.
3. Исключение коррупции. Возможна ситуация, когда сотрудник службы эксплуатации, ответственный за съем показаний «по месту», умышленно, по каким-либо причинам, пытается скрыть или исказить реальное состояние трубопровода – например, этим же сотрудником был принят в эксплуатацию трубопровод в ненадлежащем качестве или с неисправной СОДК. При организации удаленного контроля можно исключить коррупционную составляющую, имеющую место при приемке трубопроводов в эксплуатацию. Подобный подход также позволит обеспечить более высокое качество сдаваемых трубопроводов, так как принимает его в эксплуатацию один сотрудник, а через ПД контролирует другой.
4. Применение многоуровневых детекторов. Как правило, на теплотрассах установлены одноуровневые стационарные детекторы повреждений. Они сигнализируют о намокании трубопровода, при котором сопротивление его изоляции снижается только до 5 кОм. Использование многоуровневых детекторов с «токовым выходом» обеспечивает возможность обнаружения дефекта трубопровода на ранней стадии его формирования. Детектирование сопротивления изоляции контролируемого трубопровода происходит в шести диапазонах, верхний из которых соответствует идеальному состоянию изоляции (более 1 МОм). Скорость снижения сопротивления от верхнего диапазона до нижнего (менее 5 кОм) свидетельствует о размерах дефекта: чем выше скорость – тем значительнее дефект трубопровода.
5. Удобство восприятия получаемой информации, ее обработка и хранение. Сегодня вся информация, полученная от «обходчиков», хранится в основном на бумажных носителях. Такая информация сложна для восприятия, практически не поддается статистической обработке и неудобна для применения. Собираемые с помощью системы диспетчеризации данные являются не только более объемными, полными и достоверными, но и дают возможность проводить обработку с помощью различных алгоритмов математического анализа. Это позволяет отсеивать сезонные изменения состояния изоляции трубопровода, ложные срабатывания, ошибки, обусловленные человеческим фактором. Использование специального программного обеспечения позволяет автоматически формировать отчеты о состоянии трубопроводов, отслеживать характер и скорость реагирования персонала «на местах», а при накоплении достаточной выборки – проводить статистический анализ сведений об использовании трубопроводов с ППУ-изоляцией.
6. Гибкость системы диспетчеризации. Стабильность и качество функционирования любой системы телеметрии зависят от правильной организации архитектуры взаимодействия ее компонентов. Обычная структура системы диспетчеризации предусматривает сбор данных от территориально распределенных контролируемых объектов (часто однотипных) в единый центр. Бывают и другие варианты: многоуровневое построение диспетчерских, локальные узлы сбора или ретрансляции данных и прочие, но сути централизованного построения системы они не меняют. При этом размер системы в зависимости от самого объекта может быть как небольшим (в случае квартала, предприятия), так и гигантским (филиал, город, область).
7. Экономическая целесообразность. Роль автоматизации и модернизации технологического оборудования коммунальных сетей в современной действительности заключается не только в повышении качества обслуживания населения, но и в снижении стоимости предоставления услуги транспорта тепла и горячей воды. В случае применения систем диспетчеризации важными экономическими факторами снижения эксплуатационных затрат являются: отсутствие фонда заработной платы «обходчиков», их материального обеспечения, отсутствие необходимости обучения, контроля, бухгалтерского учета. Отсутствуют также дополнительные затруднения, связанные с организацией доступа «обходчиков» в помещения, где установлены детекторы. Особое значение имеет скорость доставки информации об аварийной ситуации, что является основным положительным экономическим показателем.
Перечисленные преимущества систем диспетчеризации показаний детекторов состояния трубопроводов в ППУ-изоляции стали причиной их применения еще в начале 2000-х годов. Первые упоминания о положительных эффектах опубликованы в 2009 г. [3]. На данный момент на ОАО «Мытищинская теплосеть» единовременно функционируют несколько систем передачи данных, осуществляющих обмен информацией как по кабельным линиям, так и по GSM-каналу.
На данный момент существует множество разнообразного оборудования для построения систем телеметрии. Реализация систем передачи данных возможна тремя способами.
Первый способ – это интеграция стационарных детекторов повреждений как первичных источников информации в архитектуру действующих систем телеметрии, выполняющих задачи мониторинга и управления технологическим оборудованием тепловых пунктов. Реализация данного способа возможна при наличии у детектора СОДК аппаратной возможности передачи данных на входные линии удаленного контроллера (детектор должен быть оснащен специальными выходами для передачи данных типа «токовый выход» или «сухой контакт»). Сотрудники тепловых сетей при этом должны обладать высокими профессиональными навыками для успешной визуализации, анализа и хранения данных детекторов на диспетчерском пульте (рис. 2).
Рис. 2. Зал управления оперативно-диспетчерской службы предприятия [3]
Детекторы в данном случае успешно коммутируются и функционируют с аппаратно-программными комплексами промышленной автоматики, таких торговых марок, как ОВЕН, Xenta, DEP, Мастер. Применяются как кабельные, так и GSM-каналы передачи данных. Этот способ передачи данных реализован для мониторинга и управления ряда тепловых пунктов в Москве, Мытищах, Реутове, Санкт-Петербурге, Астане.
Второй способ ориентирован на использование систем GSM-телеметрии, которые нашли свое применение в электроэнергетике, газовом хозяйстве, банковской сфере, комплексах охранно-пожарной сигнализации. Высокая конкуренция между производителями таких комплексов является причиной возникновении большого количества надежных и дешевых GSM-контроллеров, применение которых в целях мониторинга параметров состояния трубопроводов в ППУ-изоляции является экономически эффективным и простым в реализации решением [4]. Основными требованиями к системам GSM-телеметрии являются возможность передачи данных от детектора к контроллеру и наличие программного обеспечения диспетчерского пульта. Это программное обеспечение должно обеспечивать:
- непрерывный неограниченный контроль за удаленными объектами;
- визуализацию местоположения контролируемых объектов на карте населенного пункта;
- визуальное и акустическое уведомление в случае аварии;
- индивидуальное конфигурирование уровня сигнала «Авария» для каждого из объектов;
- стабильность передачи данных при дублировании различным транспортом (модемное соединение, SMS, голосовое соединение);
- возможность передачи и визуализации данных от охранных датчиков, датчиков температуры, давления и т.д.;
- возможность автоматического опроса объектов;
- отсылка SMS на телефоны ответственных лиц при возникновении аварийных ситуаций;
- персонализированное управление и хранение информации о действиях оператора в журнале событий;
- дружественный интерфейс, бесперебойность работы, простоту эксплуатации и т. д.
Широкое распространение в качестве системы передачи данных показаний детекторов состояния трубопроводов в ППУ изоляции получили GSM-контроллеры CCU825-S отечественного производства. Их технические характеристики, а также программное обеспечение пульта диспетчера полностью удовлетворяют высоким требованиям тепловых сетей. Коммутация GSM-контроллеров с детекторами, монтаж и конфигурирование удаленных контроллеров осуществляется самостоятельно сотрудниками отделов КИПиА или специальных подразделений, что значительно упрощается ввиду наличия подробных инструкций. Задача формирования локального диспетчерского пульта (ЛДП) на уровне предприятия тепловых сетей является легковыполнимой, так как заключается в установке и настройке бесплатного и интуитивно понятного программного обеспечения GuardTrakcer (рис. 3). Данный способ реализован предприятиями Новосибирска, Мытищ, Железнодорожного, Дмитрова.
Рис. 3. Пример основного окна ПО ЛДП GuardTracker
Третий способ диспетчеризации показаний детекторов СОДК предложен в Альбоме технических решений [4]. В случае если эксплуатирующая организация не видит необходимости в создании собственного ЛДП (отсутствие должного финансирования, персонала или сторонней организации соответствующего уровня подготовки, малое количество объектов), возможно использование сервисов объединенного диспетчерского пульта (ОДП). На ОДП, расположенный в г. Щелково Московской области, стекает информация от сконфигурированных для работы с ОДП GSM-контролеров CCU825-S, установленных на территории РФ, РК и РБ.
Экстренное оповещение ответственного лица эксплуатирующей организации при возникновении аварийной ситуации происходит по любому для него удобному способу (в личном кабинете на сайте ОДП, на электронную почту, на сотовый телефон, в диспетчерскую службу и т. д.). Также предусмотрен плановый опрос по графику, утвержденному эксплуатирующей организацией.
Эксплуатирующая организация должна обеспечить в месте установки детектора и удаленного GSM-контроллера сохранность установленного оборудования, его бесперебойное питание и удовлетворительный уровень GSM-сигнала (применение репитера при необходимости).
Впоследствии возможен дистанционный перевод данных на вновь созданный эксплуатирующей организацией ЛДР. Таким образом, использование услуг ОДП становится тестовым вариантом организации собственного ЛДП.
Способ диспетчеризации показаний детекторов определяется на уровне проектных работ, так как спецификация, а значит, и дальнейшее финансирование, формируется специалистом проектной организации. Поэтому одной из важных задач эксплуатирующей организации является оформление полного технического задания с указанием требований по диспетчеризации проектируемого трубопровода.
На основании предоставленного технического задания проектировщик должен определить местоположение и комплектацию точки контроля СОДК трубопровода, оснащенной детектором повреждений. Обязательным условием постоянного функционирования такой точки контроля является наличие в ней питания 220 В, 50 Гц. Также поставляются комплектации точек контроля СОДК для работы в автономном режиме [4]. Однако их применение возможно только в исключительных случаях, так как вне зависимости от типа источника питания (солнечная панель или батареи) комплекты для автономной работы обеспечивают только периодический контроль состояния изоляции трубопровода, что является основным способом снижения энергопотребления.
Опыт внедрения и поставки оборудования для диспетчеризации показаний детекторов состояния трубопроводов в ППУ-изоляции свидетельствует о своевременности, достаточно высоком уровне оснащенности и экономической эффективности данного направления. Профессиональный подход позволяет полностью автоматизировать процесс оповещения об аварийных ситуациях на трубопроводах тепловых сетей, что возможно только для трубопроводов, оснащенных СОДК. При этом предложены различные способы реализации мониторинга показаний детекторов для различного уровня профессиональной подготовки персонала тепловых сетей.
Литература
1. СТО 18929664.41.105–2013. Система оперативно-дистанционного контроля трубопроводов с тепловой изоляцией их пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке или стальном защитном покрытии. Проектирование, монтаж, приемка, эксплуатация.
2. Кашинский В.И., Липовских В.М., Ротмистров Я.Г. Опыт эксплуатации трубопроводов в пенополиуретановой изоляции в ОАО «Московская теплосетевая компания» // Теплоэнергетика. 2007.. № 7. С. 28?30.
3. Казанов Ю.Н. Организационная и техническая модернизация системы теплоснабжения Мытищинского района // Новости теплоснабжения. 2009. № 12. С. 13–26.
4. ООО «Термолайн». Альбом технических решений по проектированию систем оперативно-дистанционного контроля трубопроводов в пенополиуретановой изоляции. М., 2014.