Оптимизация повысительного насосного оборудования в системах водоснабжения. Автоматизация работы дожимной насосной станции Рабочая программа оптимизация работы насосных станций

УТВЕРЖДАЮ

Директор института природных ресурсов

А.Ю. Дмитриев

Базовая рабочая программа модуля (дисциплины) «эксплуатация насосных и компрессорных станций»

Направление (специальность) ООП 21.03.01 «Нефтегазовое дело»

Номер кластера (для унифицированных дисциплин )

Профиль(и) подготовки (специализация, программа)

« Эксплуатация и обслуживание объектов транспорта и хранения нефти, газа и продуктов переработки »

Квалификация (степень) Бакалавр

Базовый учебный план приема 2014 г.

Курс 4 семестр 7

Количество кредитов 6

Код дисциплины Б1.ВМ5.1.4

Форма обучения заочная

Вид промежуточной аттестации экзамен

Обеспечивающее подразделение кафедра ТХНГ ИПР

2014 Г.

1. Цели освоения модуля (дисциплины)

В результате освоения дисциплины Б1.ВМ5.1.4 «Эксплуатация насосных и компрессорных станций» бакалавр приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц1, Ц3, Ц4, Ц5 ООП 21.03.01 «Нефтегазовое дело»:

Общей целью изучения дисциплины является приобретение студентами базовых знаний, вязанных с эксплуатацией насосных и компрессорных станций.

Изучение дисциплины позволит студентам овладеть необходимыми знаниями и умениямив областинасосов и компрессоров. Приобрести знания, умения и навыки при проектировании, сооружении и эксплуатации насосов и компрессоров и его вспомогательного оборудования.

Внедрение современных систем SCADA в водном хозяйстве предоставляет предприятиям беспрецедентную возможность контроля и управления всеми аспектами получения, подачи и распределения воды из централизованной системы управления. Современные коммунальные предприятия за рубежом признают, что система SCADA не должна состоять из одного или нескольких изолированных «островков автоматизации», а может и должна быть единой системой, работающей в территориально распределенной сети, и интегрированной в информационно-вычислительную систему их предприятия. Следующим логическим шагом после внедрения системы SCADA является более эффективное использование этой инвестиции с применением самого современного программного обеспечения, позволяющего осуществлять управление с упреждением (в отличие от управления по данным обратной связи) системой водоснабжения. Преимущества, полученные в результате этих действий, могут включать повышение качества воды за счет сокращения ее возраста, сведение к минимуму расходов на энергоресурсы и повышение производительности системы без ущерба для эксплуатационной надежности.

Введение

С середины 1970-х годов автоматика вторглась в процессы подготовки, подачи и распределения питьевой воды, традиционно контролируемые ручным способом. До этого времени на большинстве сооружений использовались простые пульты с лампами аварийной сигнализации, циферблатные индикаторы и пультовые дисплеи, такие как самописцы с круглой диаграммой, в качестве устройств, дополняющих систему ручного управления. Позднее появились интеллектуальные приборы и анализаторы, такие как нефелометры, счетчики частиц и измерители pH. Их можно было использовать для управления насосами-дозаторорами химикатов для обеспечения соответствия применяемым стандартам по водоснабжению. В конечном итоге, полностью автоматическое управление с помощью ПЛК или систем распределенного управления появилось за рубежом в начале 1980-х годов. Наряду с совершенствованием технологии улучшались и процессы управления. Примером этого является применение измерителей проточных токов в качестве вторичного контура регулирования, расположенного за потоком внутреннего контура, предназначенных для дозировки коагулянта. Основная проблема заключалась в том, что теория применения индивидуальных измерительных приборов продолжала существовать в промышленности. Системы управления все еще разрабатывались так, как если бы один или несколько физических измерительных приборов были соединены вместе посредством проводов для управления единственной выходной переменной. Основное преимущество ПЛК заключалось при этом в возможности объединения большого объема цифровых и аналоговых данных, а также создания более сложных алгоритмов по сравнению с теми, которые можно получить при объединении отдельных измерительных приборов.

Как следствие, появилась возможность осуществлять, а также пытаться достигать такого же уровня управления в системе распределения воды. Начальные разработки в области оборудования телеметрии сталкивались с проблемами, связанными с низкой скоростью передачи данных, большой задержкой и ненадежностью линий радиосвязи или арендованных линий связи. На сегодняшний день эти проблемы все еще решены не окончательно, однако, в большинстве случаев, они преодолены благодаря применению высоконадежных сетей с коммутацией пакетов данных или ADSL-соединений с территориально распределенной сетью телефонной связи.

Все это связано с большими затратами, однако инвестиции в систему SCADA являются необходимостью для предприятий водоснабжения. В странах Америки, Европы и индустриально развитой Азии мало кто пытается осуществлять управление предприятием, не имея такой системы. Могут возникнуть трудности с предоставлением обоснования окупаемости значительных затрат, связанных с установкой системы SCADA и системы телеметрии, однако, в действительности, альтернатива данному направлению отсутствует.

Сокращение рабочей силы за счет использования централизованного резерва опытных сотрудников для управления широко распределенной системой и возможность контроля и управления качеством являются двумя наиболее распространенными обоснованиями.

Аналогично монтажу ПЛК на сооружениях, создающему основу для обеспечения возможности создания продвинутых алгоритмов, внедрение широко распределенной системы телеметрии и системы SCADA позволяет обеспечить более сложный контроль над распределением воды. В действительности, алгоритмы общесистемной оптимизации сейчас могут быть интегрированы в систему управления. Полевые дистанционные телеметрические блоки (RTU), система телеметрии и системы управления на сооружениях могут синхронно работать для сокращения существенных затрат на энергоресурсы и достижения других преимуществ для предприятий водоснабжения. Значительный прогресс достигнут в области качества воды, безопасности системы и энергоэффективности. В качестве примера, в настоящее время в США проводится исследование по изучению реакции в реальном времени на террористические акты с использованием оперативных данных и контрольно-измерительных приборов в системе распределения.

Распределенное или централизованное управление

Контрольно-измерительные приборы, такие как расходомеры и анализаторы, могут быть достаточно сложными сами по себе и способными выполнять сложные алгоритмы с использованием многочисленных переменных и с различными выходными данными. Они, в свою очередь, передаются в ПЛК или интеллектуальные блоки RTU, способные осуществлять весьма сложное диспетчерское телеуправление. ПЛК и блоки RTU подключены к централизованной системе управления, которая обычно расположена в головном офисе предприятия водоснабжения или на одном из крупных сооружений. Эти централизованные системы управления могут состоять из мощного ПЛК и системы SCADA, также способные выполнять очень сложные алгоритмы.

В этом случае вопрос заключается в том, где установить интеллектуальную систему или целесообразно ли дублировать интеллектуальную систему на нескольких уровнях. Имеются преимущества наличия локального управления на уровне блока RTU, при которых система становится относительно защищенной от потерь связи с сервером централизованного управления. Недостаток заключается в том, что в блок RTU поступает только локализованная информация. В качестве примера можно привести насосную станцию, оператору которой неизвестен ни уровень воды в емкости, в которую осуществляется перекачивание воды, ни уровень резервуара, из которого осуществляется перекачивание воды.

В масштабе системы отдельные алгоритмы на уровне блока RTU могут иметь нежелательные последствия для работы сооружений, например, за счет запроса слишком большого объема воды в несоответствующее время. Желательно использовать общий алгоритм. Поэтому оптимальным путем является наличие локализованного управления для обеспечения, как минимум, основной защиты в случае потери связи и сохранение возможности управления централизованной системой для принятия общих решений. Эта идея использования каскадных слоев управления и защиты является наиболее оптимальной из двух имеющихся вариантов. Элементы управления блока RTU могут находиться в состоянии покоя и включаться только при возникновении необычных условий или при потере связи. Дополнительное преимущество заключается в том, что относительно непрограммируемые блоки RTU могут использоваться в полевых условиях, так как они требуются только для выполнения относительно простых рабочих алгоритмов. На многих коммунальных предприятиях в США блоки RTU были установлены в 1980-х годах, когда применение относительно дешевых «непрограммируемых» блоков RTU было нормальным явлением.

Эта концепция сейчас также используется, однако, до недавнего времени, немного было сделано для достижения оптимизации в масштабах системы. Компания Schneider Electric внедряет системы управления на базе программного обеспечения (ПО), которое является управляющей программой в режиме реального времени и интегрируется в систему SCADA для автоматизации системы распределения воды (см. Рис. №1).

ПО считывает оперативные данные из системы SCADA о текущих уровнях водохранилища, потоках воды и эксплуатационной готовности оборудования, а затем создает графики для потоков загрязненной и очищенной воды для сооружений, всех насосов и автоматизированных задвижек в системе на плановый период. ПО способно выполнять эти действия в течение менее чем двух минут. Каждые полчаса программа запускается повторно для приспосабливания к изменяющимся условиям, преимущественно, при изменении нагрузки на стороне потребления и неисправности оборудования. Органы управления автоматически включаются ПО, позволяя осуществлять полностью автоматическое управление даже самыми мощными водораспределительными системами без эксплуатационного персонала. Основной задачей при этом является сокращение расходов на распределение воды, преимущественно, расходов на энергоресурсы.

Проблема оптимизации

Анализируя мировой опыт, можно заключить, что многочисленные исследования и усилия были направлены на решение проблемы, связанной с планированием производства, насосами и задвижками в водораспределительных системах. Большая часть этих усилий имела чисто научный характер, хотя было несколько серьезных попыток создания решения на рынке. В 1990-х годах группа американских коммунальных предприятий объединилась для продвижения идеи создания Системы контроля энергопотребления и качества воды (EWQMS) под эгидой исследовательского фонда Американской ассоциации водопроводных сооружений (AWWA). В результате этого проекта было проведено несколько испытаний. Совет по исследованию водных ресурсов (WRC) в Великобритании использовал подобный подход в 1980-х годах. Однако, как США, так и Великобритания были ограничены отсутствием инфраструктуры систем управления, а также недостатком коммерческих стимулов в этой отрасли, поэтому, к сожалению, ни одна из этих стран не достигла успеха, и впоследствии все эти попытки были оставлены.

Имеется несколько пакетов программ моделирования гидравлических систем, в которых используются эволюционные генетические алгоритмы, позволяющие компетентному инженеру принимать обоснованные проектные решения, но ни один из них не может считаться целевой автоматической системой управления в режиме реального времени любой водораспределительной системой.

Более 60 000 систем водоснабжения и 15 000 систем сбора и отведения сточных вод в США являются крупнейшими потребителями электроэнергии в стране, использующими около 75 млрд кВт*ч/год в масштабе всей страны - около 3% от годового потребления электричества в США.

Большинство подходов к решению проблемы оптимизации энергоиспользования указывает на то, что существенная экономия может быть достигнута за счет принятия соответствующих решений в области планирования режимов работы насосов, особенно, при использовании многокритериальных эволюционных алгоритмов (MOEA). Как правило, при этом прогнозируется экономия затрат на энергоресурсы в пределах 10 - 15 %, иногда - более.

Одна из проблем всегда заключалась в интеграции этих систем в реально существующее оборудование. Решения на базе алгоритмов MOEA всегда страдали от относительно низкого быстродействия решения, особенно, в системах, в которых использовалось большее число насосов по сравнению со стандартными системами. Быстродействие решения повышается экспоненциально, при этом, когда число насосов достигает диапазона в пределах от 50 до 100 штук. Это позволяет отнести проблемы в функционировании алгоритмов MOEA к проблемам, связанным с конструкцией, а сами алгоритмы - к системам обучения вместо систем автоматического управления в реальном времени.

Любой предложенный вариант общего решения проблемы распределения воды с наименьшими затратами требует наличия нескольких основных составляющих. Во-первых, это решение должно иметь достаточно высокое быстродействие, чтобы справиться с изменяющимися обстоятельствами в реальных условиях работы, и должно иметь возможность подключения к централизованной системе управления. Во-вторых, оно не должно вмешиваться в работу основных устройств защиты, интегрированных в существующую систему управления. В-третьих, оно должно решать свою задачу по снижению затрат на электроэнергию без негативного влияния на качество воды или надежность водоснабжения.

В настоящее время, и это демонстрирует мировой опыт, соответствующая задача решена путем применения новых, более продвинутых (по сравнению с MOEA) алгоритмов. Благодаря четырем крупным объектам в США, имеются данные о возможном быстродействии соответствующих решений, при этом достигнута цель по сокращению затрат на распределение.

Компания EBMUD составляет 24-часовой график, состоящий из получасовых блоков менее, чем за 53 секунды, компания Washington Suburban в штате Мэриленд решает эту задачу за 118 и менее секунд, компания Eastern Municipal в штате Калифорния делает это за 47 и менее секунд, а компания WaterOne в Канзас-Сити - менее чем за 2 минуты. Это на порядок быстрее по сравнению с системами на базе алгоритмов MOEA.

Определение задач

Затраты на электроэнергию являются основными затратами в системах подготовки и распределения воды и, обычно, уступают только затратам на рабочую силу. Из общих затрат на электроэнергию на работу насосного оборудования приходится до 95 % от всей электроэнергии, приобретаемой коммунальным предприятием, а остальная часть относится к освещению, вентиляции и кондиционированию воздуха.

Очевидно, что сокращение затрат на электроэнергию является основным стимулом для этих коммунальных предприятий, но только не за счет повышения эксплуатационных рисков или снижения качества воды. Любая система оптимизации должна быть способна учитывать изменение предельных условий, таких как эксплуатационные пределы водоема и технологические требования сооружений. В любой реальной системе всегда имеется значительное число ограничений. Эти ограничения включают: минимальную продолжительность работы насосов, минимальное время охлаждения насосов, минимальную скорость потока и максимальное давление на выходе узлов запорной арматуры, минимальную и максимальную производительность сооружений, правила создания давления в насосных станциях, определение продолжительности работы насосов для предотвращения значительных колебаний или гидравлических ударов.

Правила по качеству воды сложнее установить и выразить количественно, так как взаимосвязь между требованиями по минимальному рабочему уровню воды в водохранилище может противоречить необходимости регулярного оборота воды в водохранилище для уменьшения возраста воды. Распад хлора тесно связан с возрастом воды, а также в значительной степени зависит от температуры окружающей среды, что усложняет процесс установления жестких правил для обеспечения требуемого уровня остаточного хлора во всех точках системы распределения.

Интересным этапом каждого проекта внедрения является способность ПО определить «затраты на ограничение» в качестве выходных данных программы оптимизации. Это позволяет нам оспаривать некоторые представления клиентов посредством достоверных данных, и благодаря этому процессу снимать некоторые ограничения. Это является общей проблемой для крупных коммунальных предприятий, где с течением времени оператор может столкнуться с серьезными ограничениями.

Например, на большой насосной станции может существовать ограничение, связанное с возможностью одновременного использования не более трех насосов в связи с обоснованными причинами, заложенными еще на момент строительства станции.

В нашем ПО мы используем схему моделирования гидравлической системы для определения максимального потока на выходе насосной станции в течение дня для обеспечения соответствия любым ограничениям по давлению.

Определив физическую структуру водораспределительной системы, указав зоны повышенного давления, выбрав оборудование, которое будет находиться под автоматическим управлением нашего ПО, и получив согласованный набор ограничений, можно приступать к реализации проекта внедрения. Изготовление по техническим требованиям заказчика (при условии его предварительной подготовленности) и конфигурация обычно занимают от пяти-шести месяцев, за которыми следует всестороннее тестирование в течение трех месяцев и более.

Возможности программных решений

В то время как решение очень сложной проблемы планирования интересует многих, фактически оно является всего лишь одним из многочисленных этапов, необходимых для создания пригодного для использования, надежного и полностью автоматического средства оптимизации. Типичные этапы перечислены ниже:

• Выбор долгосрочных настроек.
• Считывание данных из системы SCADA, обнаружение и устранение ошибок.
• Определение целевых объемов, которые должны находиться в водохранилищах для обеспечения надежности поставок и оборота воды.
• Считывание любых изменяющихся данных третьей стороны, таких как цены на электроэнергию в реальном времени.
• Расчет графиков для всех насосов и задвижек.
• Подготовка данных для системы SCADA для запуска насосов или открытия задвижек по мере необходимости.
• Обновление данных анализа, таких как прогнозируемый спрос, затраты, оценка водоподготовки.

Большинство этапов в этом процессе будет выполняться в течение всего нескольких секунд, а выполнение решающей программы будет занимать наибольшее время, но, как указано выше, она все еще будет достаточно быстрой для работы в интерактивном режиме.

Операторы водораспределительных систем могут просматривать прогнозы и выходные данные в простом клиенте на базе, например, ОС Windows. На снимке экрана внизу (Рис. №1) на верхнем графике показан спрос, на среднем графике показан уровень воды в водохранилище, а нижний ряд точек является графиком работы насосов. Желтые столбцы указывают текущее время; все, что находится до желтого столбца, является архивными данными; все, что находится после него, является прогнозом на будущее. Из экранной формы видно прогнозируемое повышение уровня воды в водохранилище в условиях работающих насосов (зеленые точки).

Наше ПО предназначено для поиска возможностей сокращения производственных расходов, а также расходов на электроэнергию; тем не менее, расходы на электроэнергию имеют преобладающее влияние. В отношении сокращения расходов на электроэнергию оно выполняет поиск по трем основным направлениям:

• Перенос использования энергии на периоды с более дешевым тарифом, использование водохранилища для водоснабжения клиентов.
• Сокращение расходов при пиковом потреблении путем ограничения максимального числа насосов в эти периоды.
• Сокращение электроэнергии, необходимой для поставки воды в водораспределительную систему, путем использования насоса или группы насосов в режиме, близком к их оптимальной производительности.

Результаты компании EBMUD (Калифорния)

Подобная система начала функционировать в компании EBMUD в июле 2005 года. В первый год работы программа позволила добиться экономии энергоресурсов на 12,5 % (на 370 000 долларов США по сравнению с предыдущим годом, потребление в котором составило 2,7 млн. долларов США), подтвержденной независимыми экспертами. Во второй год работы она позволила получить еще лучшие результаты, и экономия составила около 13,1 %. Главным образом, это было достигнуто за счет переноса электрической нагрузки в трехдиапазонный тарифный режим. До использования соответствующего ПО, компания EBMUD уже прилагала значительные усилия по сокращению расходов на электроэнергию посредством ручного вмешательства операторов и сократила свои расходы на электроэнергию на 500 000 долларов США. Был построен достаточно большой напорный бассейн, который позволил компании отключать все насосы на 6-тичасовой период максимального тарифа, составляющего около 32 центов/кВт*ч. ПО планировало работу насосов для переноса из двух коротких периодов ровного графика нагрузки с каждой стороны пикового периода с тарифом в размере 12 центов/кВт*ч на десятичасовой ночной тариф внепикового периода в размере 9 центов/кВт*ч. Даже при незначительной разнице в стоимости электроэнергии выгода была существенной.

В каждой насосной станции установлено несколько насосов, и в некоторых случаях на одной станции используются насосы разной мощности. Это предоставляет программе оптимизации многочисленные опции для создания различных потоков в водораспределительной системе. Программа решает нелинейные уравнения, связанные с характеристиками гидравлической системы, для определения того, какая комбинация насосов будет обеспечивать требуемый ежедневный массовый баланс с максимальной эффективностью и минимальными расходами. Даже несмотря на то, что компания EBMUD приложила достаточно много усилий для повышения производительности насосов, использование ПО позволило успешно сократить общее число кВт*ч, необходимых для создания потока. На некоторых насосных станциях производительность была повышена более чем на 27 % исключительно за счет выбора требуемого насоса или насосов в соответствующее время.

Повышение качества сложнее выразить в количественном выражении. В компании EBMUD использовалось три операционных правила для повышения качества воды, которые они пытались выполнять в ручном режиме. Первым правилом являлось выравнивание скорости потока на водоочистной станции всего до двух изменений скорости в день. Более равномерные производственные потоки позволяют оптимизировать процесс дозирования химических веществ, получить соответствующий поток с низкой мутностью и стабильные уровни содержания хлора при более чистом водохранилище станции. Сейчас ПО стабильно определяет две скорости потока на водоочистных станциях благодаря надежному прогнозированию спроса и распределяет эти скорости на протяжении всего дня. Вторым требованием было увеличение глубины циклических водохранилищ для сокращения среднего возраста воды. Поскольку ПО является средством регулирования массового баланса, то реализация этой стратегии не составила сложности. Третье требование было наиболее жестким. Поскольку в каскаде имелось несколько резервуаров и насосных станций, подающих воду под различным давлением, компания EBMUD хотела, чтобы все насосные станции работали одновременно, когда в верхнем резервуаре требовалась вода для того, чтобы чистая вода поступала из нижней части каскада вместо старой воды из промежуточного резервуара. Это требование также было соблюдено.

Результаты компании WSSC (Пенсильвания, Нью-Джерси, Мэрилэнд)

Система оптимизации находится в эксплуатации в компании с июня 2006 года. Компания WSSC занимает в США практически уникальное положение, закупая более 80 % своей электроэнергии по реальной цене. Она действует на рынке PJM (штаты Пенсильвания, Нью-Джерси, Мэриленд) и закупает электроэнергию напрямую у независимого рыночного оператора. Остальные насосные станции работают по различным структурам тарифов трех отдельных компаний - поставщиков электроэнергии. Очевидно, что автоматизация процесса оптимизации планирования работы насосов на реальном рынке означает, что планирование должно быть гибким и должно реагировать на часовое изменение цен на электроэнергию.

ПО позволяет решить эту проблему менее, чем за две минуты. Операторы уже достигали успеха в переносе нагрузки на крупных насосных станциях под влиянием цен в течение всего года до установки ПО. Вместе с тем, заметные улучшения в планировании были очевидны уже в течение нескольких дней с момента начала функционирования автоматизированной системы. В первую неделю, была отмечена экономия порядка 400 долларов США в день только на одной насосной станции. Во вторую неделю эта сумма выросла до 570 долларов США в день, а в третью неделю она превысила 1000 долларов США в день. Аналогичные эффекты были достигнуты еще на 17 насосных станциях.

Водораспределительная система компании WSSC характеризуется высоким уровнем сложности и имеет большое количество неуправляемых предохранительных клапанов давления, усложняющих процесс расчета водопотребления и оптимизации. Хранение в системе ограничено примерно до 17,5 % от ежедневного водопотребления, что уменьшает возможность переноса нагрузки на периоды с более низкой стоимостью. Наиболее жесткие ограничения были связаны с двумя крупными водоочистными установками, где допускалось не более 4 переключений насосов в день. С течением времени появилась возможность устранить эти ограничения для повышения экономии в результате проектов реконструкции.

Взаимодействие с системой управления

В обоих указанных примерах требовалось взаимодействие ПО с существующими системами управления. В компании EBMUD уже имелся современный централизованный пакет планирования работы насосов, включающий таблицу с входными данными для каждого насоса максимум с 6 циклами запуска и останова. Было относительно просто использовать эту имеющуюся функцию и получать график работы насосов с данными из этих таблиц после каждого решения задачи. Это означало, что требовалось внесение минимальных изменений в существующую систему управления, а также указывало на наличие возможности использования существующих систем защиты от превышения и понижения скорости потока для водохранилищ.

Загородная система г. Вашингтон была еще более сложной для создания и подключения к системе. В головном офисе не был установлен централизованный ПЛК. Кроме того, в процессе реализации находилась программа по замене непрограммируемых блоков RTU на интеллектуальные ПЛК в полевых условиях. В язык сценариев пакета системы SCADA было добавлено значительное число логических алгоритмов, при этом была решена дополнительная задача обеспечения резервирования данных в серверах системы SCADA.

Использование стратегий общей автоматизации приводит к возникновению интересной ситуации. Если оператор вручную заполняет водохранилище в конкретной зоне, он знает, какие насосы были запущены и, следовательно, он также знает, какие уровни воды в водохранилище следует контролировать. Если оператор использует водохранилище, время заполнения которого составляет несколько часов, он будет вынужден контролировать уровни этого водохранилища в течение нескольких часов с момента запуска насосов. Если в течение этого промежутка времени произойдет потеря связи, он в любом случае сможет устранить эту ситуацию путем остановки насосной станции. Однако, если запуск насосов производится полностью автоматической системой, оператору не обязательно знать, что это произошло, и поэтому система будет в большей степени зависеть от автоматических локализованных органов управления, обеспечивающих защиту системы. В этом заключается функция локализованной логики в полевом блоке RTU.

Как и в любом сложном проекте, связанном с внедрением программного обеспечения, конечный успех зависит от качества входных данных и устойчивости решения к внешним помехам. Каскадные уровни блокировок и устройств защиты требуются для обеспечения уровня безопасности, необходимого для любого жизненно-важного коммунального предприятия.

Заключение

Крупные инвестиции в системы автоматизации и управления предприятий водоснабжения за рубежом позволили создать за последние 20 лет необходимую инфраструктуру для внедрения стратегий общей оптимизации. Предприятия водоснабжения самостоятельно разрабатывают еще более современное программное обеспечение для повышения эффективности использования водных ресурсов, сокращения утечек и улучшения общего качества воды.

Применение ПО является одним из примеров того, каким образом можно достичь финансовой выгоды за счет более эффективного использования значительных предварительных инвестиции в системы автоматизации и управления.

Наш опыт позволяет утверждать, что использование соответствующего опыта на предприятиях водоснабжения в России, построение расширенных систем централизованного управления является перспективным решением, способным эффективно решить блок актуальных задач и проблем отрасли.

апрель 2001 г.

В одной из публикаций ("ЖКХ", N 3/2001), где речь шла о вопросах экономической эффективности внедрения информационных технологий на предприятиях инженерных сетей, мы вскользь упоминали об оптимизации оперативного управления насосными станциями и регулирования запасов воды в резервуарах. В частности, было отмечено, что в структуре себестоимости водоснабжения львиная доля приходится на электроэнергию, и снижение затрат за счет оптимизации режимов работы насосных агрегатов позволяет получить весьма существенную экономию. Целью данной статьи является более подробное освещение этого вопроса.

У проблемы оптимизации управления режимами водоснабжения есть несколько составляющих, каждая из которых носит достаточно изолированный характер и способна дать хороший экономический эффект, а будучи рассматриваемы в комплексе, они в состоянии вывести технологический процесс на качественно новый уровень. Рассмотрим эти составляющие.

Управление насосными агрегатами. Существует и применяется на практике несколько видов регулирования подач: включение/выключение групп насосов и отдельных агрегатов (дискретное управление); дросселирование и рециркуляция потока; применение электропривода с переменной частотой вращения. Каждый насосный агрегат имеет свою фактическую расходно-напорную характеристику, . каждой точке которой соответствует некоторое паспортное значение потребляемой мощности электродвигателя. Именно выбор комбинации работающих насосных агрегатов и способа регулирования в зависимости от гидравлической характеристики сети и требуемых значений подач определяет положение текущей рабочей точки, а следовательно, и текущее значение потребляемой мощности по каждому агрегату и всей насосной станции в целом. Следовательно, критерием оптимизации является обеспечение заданного режима работы насосной станции по подачам и давлениям при минимально возможном расходе электроэнергии с учетом всех доступных способов регулирования. Основных проблем две: идентификация и "пересчет" реальных характеристик насосных агрегатов (они, как правило, не соответствуют паспортным, и, кроме того, изменяются с течением времени в силу естественного износа), а также расчет и построение совокупной характеристики "расход-напор-мощность" для группы работающих насосов по известным характеристикам каждого из них. Обе проблемы легко решаемы при наличии средств измерений для проведения время от времени натурных испытаний насосных агрегатов, а также соответствующего компьютерного математического обеспечения. Сама по себе оптимизация регулирования п этом не вызывает принципиальных сложностей - методы и алгоритмы решения таких задач разработаны достаточно давно и проверены практикой, достаточно эти методы знать и уметь применить. Результатом решения задачи оптимизации в каждый конкретный момент времени является выработка рекомендации по осуществлению такого комплекса управляющих воздействий (включение/отключение агрегатов, изменение положения дросселирующего клапана, изменение частоты вращения электродвигателей), который переводит текущую рабочую точку совокупной характеристики насосной станции к значению, которому соответствуют минимально достижимая при этом потребляемая электрическая мощность приводов насосов. При наличии технических средств телеметрии и дистанционного управления эти оптимальные управляющие воздействия могут осуществляться автоматически, с некоторым заданным интервалом времени. При отсутствии средств телеуправления полученные от компьютерной программы рекомендации выполняются диспетчерским персоналом в обычном "ручном" режиме, а сама оптимизация выполняется каждый раз при существенном изменении требуемых режимных параметров. Побочным полезным эффектом при этом является сохранение и возможность анализа электронного журнала значений параметров работы насосной станции и "истории" управляющих воздействий.

Управление запасами воды в резервуарах на основе статистических данных и прогноза водопотребления. Специалистами нашей компании создана уникальная в своем роде математическая модель прогнозирования водопотребления на основе накапливаемых данных по подачам и уровням воды в резервуарах. "Изюминкой" модели является специальный учет так называемых "нерегулярных дней", описание которых "не укладывается" в рамки обычного календарного временного ряда. Их особенность состоит в том, что они повторяются из года в год, приходясь каждый раз на различные дни недели (официальные и неофициальные праздники и связанные с ними переносы рабочих дней), или даже на различные недели и месяцы (в частности, религиозные праздники, такие как Пасха). В математической модели прогноза учитываются, кроме того, метеорологические данные и некоторые другие факторы, существенно влияющие на водопотребление. (Диспетчеры знают об эффекте "Штирлица", проявившемся впервые во время премьерного показа фильма "Семнадцать мгновений весны", когда в часы демонстрации по ТВ водопотребление в городах падало почти до нуля, тогда как обычно на вечерние часы приходится пик водоразбора - вместо "помыться-постираться" люди не отрываясь, сидели у телевизоров. В результате кое-где имели место переполнения резервуаров с затоплением прилегающих территорий). Основой для решения задачи прогнозирования потребления воды является многолетний архив данных почасовых измерений, для накопления которых предусмотрен специальный автоматизированный компьютерный журнал. Данные в этот журнал могут заноситься как автоматически, с использованием средств телемеханики (если они есть и работают), так и в "ручном" режиме, на основе суточных рапортов, поступающих с насосных станций в виде бумажных, электронных или факсимильных документов. Ориентируясь на данные прогноза, можно эффективно планировать загрузку насосных станций второго подъема для обеспечения необходимых запасов в резервуарах чистой воды, поскольку текущие значения уровней воды в них вкупе с данными прогноза водопотребления позволяют сформировать обоснованное "задание" для программы оптимизации режимов работы насосных станций (об этом шла речь выше). Точность прогноза, конечно же, существенно зависит от величины периода, за который накоплены архивные данные, от вида прогноза и времени "упреждения", но в любом случае она достаточно высока. Так, на основе многолетнего архива данных МГП "Мосводоканал", в центральной диспетчерской службе которого эксплуатируется описываемая модель, достигнуты следующие показатели точности прогнозов: средняя абсолютная процентная ошибка составляет примерно 1,3% для месячных данных, менее 5% для данных суточного прогноза, и около 2,5% для почасового прогноза. Кроме собственно прогнозирования, наличие архива данных позволяет строить аналитические отчеты и графики любой сложности - как во временной развертке, так и корреляционные.

1. Моделирование гидравлических режимов сети водоснабжения с учетом суточной неравномерности нагрузки. С некоторой степенью условности альтернативой задаче прогноза водопотребления на основе архивов реальных измерений может являться задача почасового моделирования потокораспределения в водопроводной сети. Это классическая задача гидравлического расчета, но с существенным дополнением. Если для обычного гидравлического расчета в качестве исходных данных по потребителям задается расчетная нагрузка в виде среднесуточного либо максимального значения водоразбора, то в рассматриваемой задаче для каждого потребителя задается и так называемый "суточный график водопотребления" (а точнее, один из нескольких существующих типов графиков суточной неравномерности). В этом случае может быть выполнен почасовой гидравлический расчет сети, в результате которого формируется график заполнения резервуаров. Следует отметить, что для целей оперативного управления использовать данный метод вряд ли целесообразно в силу возможных значительных отклонений реальных параметров водопотребления от расчетных величин. Однако как инструмент поверочного расчета при долгосрочном проектировании режимов и схем водоснабжения, проектировании новых подключений, анализе качественных и количественных характеристик гидравлических режимов в системе водоснабжения - такое моделирование представляется весьма полезным.

Все описанные выше математические модели и алгоритмы реализованы специалистами нашей компании в виде специализированной информационно-графической системы (ИГС) "AnWater" . Это весьма сложный программный комплекс, интегрирующий несколько подсистем разного функционального назначения и предназначенный для эксплуатации персоналом центральных и районных диспетчерских служб муниципальных предприятий водоснабжения. В различном функциональном составе ИГС "AnWater" внедрена в водоканалах нескольких крупных городов России и прошла многолетнюю проверку промышленной эксплуатацией.

В заключение - несколько слов в адрес двух самых крупных в стране водоканалов. Создание информационно-технологических систем такого класса как ИГС "AnWater" , аккумулирующих в себе массу наукоемких решений, сложных математических моделей, знаний и методов прикладной предметной области, и требующих кропотливой и тщательной выверки и отладки, - невозможно без заинтересованности и поддержки со стороны персонала предприятия-заказчика. Сотрудники и руководители служб МГП "Мосводоканал" и его филиалов (Северная водопроводная станция, Производственное управление регулирующих узлов), а впоследствии и ГУП "Водоканал Санкт-Петербурга" на протяжении нескольких лет терпеливо и внимательно вникали в разрабатываемый и внедряемый "с колес" программный продукт, засыпали нас замечаниями и пожеланиями, заставляя в итоге делать систему не так, как нам было проще с точки зрения разработчиков, а так, как правильно и удобно с точки зрения эксплуатации. Персонал Московского и Питерского водоканалов, с которым при разработке и внедрении нам пришлось работать в постоянном контакте, проявил максимум терпимости и доброжелательности, а высокая профессиональная квалификация сотрудников, безусловно, сыграла свою роль при формировании предметных требований к системе. Именно благодаря сотрудничеству с этими двумя предприятиями ИГС "AnWater" и сейчас продолжает совершенствоваться и "обрастать" новыми задачами, но уже и в своем нынешнем виде эта система стала полноценным высококачественным продуктом, которому по функциональному составу и характеристикам математических моделей аналога в мире на сегодняшний день практически не существует. Пользуясь случаем, со страниц журнала я хочу от имени ИВЦ "Поток" высказать признательность коллективам МГП "Мосводоканал", его филиалов (СВС, ПУРУ) и ГУП "Водоканал Санкт-Петербурга" за их вклад в развитие отечественных интеллектуальных технологий, пожелать им успехов и выразить надежду на дальнейшее сотрудничество, от которого в конечном итоге выигрывают все.

Оптимизация повысительного насосного оборудования в системах водоснабжения

О. А. Штейнмиллер, к.т.н., генеральный директор ЗАО «Промэнерго»

Проблемы при обеспечении напоров в водопроводных сетях российских городов, как правило, однородны. Состояние магистральных сетей привело к необходимости снижения давления, вследствие чего возникла задача компенсировать падение напора на уровне районных, квартальных и внутридомовых сетей. Развитие городов и увеличение высотности домов, особенно при уплотнительной застройке, требуют обеспечения потребных напоров для новых потребителей, в том числе за счет оснащения повысительными насосными установками (ПНУ) домов повышенной этажности (ДПЭ). Подбор насосов в составе повысительных насосных станций (ПНС) производился с учетом перспектив развития, параметры подачи и напора завышались. Распространен вывод насосов на потребные характеристики дросселированием задвижками, приводящий к перерасходу электроэнергии. Замена насосов вовремя не производится, большинство из них работает с низким КПД. Износ оборудования обострил необходимость реконструкции ПНС для повышения КПД и надежности работы.

Совокупность указанных факторов приводит к необходимости определе¬ния оптимальных параметров ПНС при имеющихся ограничениях входных напоров, в условиях неопределенности и неравномерности фактических расходов. При решении такой задачи встают вопросы сочетания последовательной работы групп насосов и параллельной работы насосов, объединенных в пределах группы, а также совмещения работы параллельно соединенных насосов с частотным регулированием привода (ЧРП) и, в конечном счете, подбора оборудования, обеспечивающего потребные параметры конкретной системы. Следует учитывать значимые изменения последних лет в подходах к подбору насосного оборудования - как в плане исключения избыточности, так и в техническом уровне доступного оборудования.

Особая актуальность указанных вопросов определяется возросшим значением решения проблем энергоэффективности, что получило подтверждение в Федеральном законе РФ от 23.11.2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Вступление указанного закона в силу стало катализатором повсеместного увлечения стандартными решениями снижения энергопотребления, без оценки их эффективности и целесообразности в конкретном месте внедрения. Одним из таких решений для коммунальных предприятий стало оснащение ЧРП имеющегося насосного оборудования в системах подачи и распределения воды, зачастую морально и физически изношенного, обладающего избыточными характеристиками, эксплуатируемого без учета фактических режимов.

Анализ технико-экономических результатов любой планируемой модернизации (реконструкции) требует времени и квалификации персонала. К сожалению, руководители большинства муниципальных водоканалов испытывают дефицит и того и другого, когда в условиях постоянного крайнего недофинансирования приходится оперативно осваивать чудом доставшиеся средства, выделенные для технического «перевооружения».

Поэтому, осознавая, каких масштабов достигла вакханалия бездумного внедрения ЧРП на насосах повысительных систем водоснабжения, автор решил представить этот вопрос для более широкого обсуждения специалистами, занимающимися вопросами водоснабжения.

Основными параметрами насосов (нагнетателей), определяющими диапазон изменения режимов работы насосных станций (НС) и ПНУ, состав оборудования, конструктивные особенности и экономические показатели, являются напор, подача, мощность и коэффициент полезного действия (КПД). Для задач повышения напора в водоснабжении важна связь функциональных параметров нагнетателей (подача, напор) с мощностными:

где р - плотность жидкости, кг/м3; д - ускорение свободного падения, м/с2;

О - подача насоса, м3/с; Н - напор насоса, м; Р - давление насоса, Па; N1, N - полезная мощность и мощность насоса (поступающая к насосу через передачу от двигателя), Вт; Nb N2 - входная (потребляемая) и выходная (выдаваемая для передачи) мощности двигателя.

КПД насоса n h учитывает все виды потерь (гидравлических, объемных и механических), связанных с преобразованием насосом механической энергии двигателя в энергию движущейся жидкости. Для оценки насоса в сборе с двигателем рассматривается КПД агрегата na , определяющий целесообразность эксплуатации при изменении рабочих параметров (напора, подачи, мощности). Значение КПД и характер его изменения существенно определяются назначением насоса и конструктивными особенностями.

Конструктивное разнообразие насосов велико. Опираясь на принятую в России полную и логичную классификацию, основанную на различиях в принципе действия, в группе динамических насосов выделим лопастные насосы, используемые на сооружениях водоснабжения и канализации. Лопастные насосы обеспечивают плавную и непрерывную подачу при высоких КПД, имеют достаточную надежность и долговечность. Работа лопастных насосов основана на силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса с обтекающим потоком перекачиваемой жидкости, различия механизма взаимодействия в силу конструкции приводят к отличию эксплуатационных показателей лопастных насосов, которые разделяются по направлении потока на центробежные (радиальные), диагональные и осевые (аксиальные).

С учетом характера рассматриваемых задач наибольший интерес представляют центробежные насосы, в которых при вращении рабочего колеса на каждую часть жидкости массой т, находящейся в межлопастном канале на расстоянии г от оси вала, будет действовать центробежная сила Fu:

где w - угловая скорость вала, рад./с.

Методы регулирования рабочих параметров насоса

таблица 1

чем больше частота вращения п и диаметр рабочего колеса D.

Основные параметры насосов - подача Q, напор Я, мощность N, КПД I] и частота вращения п - находятся в определенной зависимости, которая отражается характеристическими кривыми. Характеристика (энергетическая характеристика) насоса - графически выраженная зависимость основных энергетических показателей от подачи (при постоянной частоте вращения рабочего колеса, вязкости и плотности среды на входе в насос), см. рис. 1.

Основной характеристической кривой насоса (рабочей характеристикой, рабочей кривой) является график зависимости развиваемого насосом напора от подачи H=f(Q) при постоянной частоте вращения п = const. Максимальному значению КПД qmBX соответствуют подача Qp и напор Нр в оптимальной режимной точке Рхарактеристики Q-H (рис. 1-1).

Если основная характеристика имеет восходящую ветвь (рис. 1-2) - интервал от Q = 0 до 2б, то она называется восходящей, а интервал - областью неустойчивой работы с внезапными изменениями подачи, сопровождаемыми сильным шумом и гидравлическими ударами. Характеристики, не имеющие возрастающей ветви, называются стабильными (рис. 1-1), режим работы - устойчивый во всех точках кривой. «Стабильная кривая необходима, когда требуется использовать два или несколько насосов одновременно» , что из экономических соображений весьма целесообразно в насосных приложениях. Форма основной характеристики зависит от коэффициента быстроходности насоса ns - чем он больше, тем круче кривая.

При стабильной пологой характеристике напор насоса при изменении подачи изменяется незначительно. Насосы с пологими характеристиками необходимы в системах, где при постоянном напоре требуется регулирование подачи в широких пределах, что соответствует задаче повышения напора в оконечных участках водопроводной сети

На квартальных ПНС, а также в составе ПНУ местных подкачек. Для рабочей части характеристики Q-H распространена зависимость:

где а, b - подбираемые постоянные коэффициенты (a>>0, b>>0) для данного насоса в пределах характеристики Q-H, имеющей квадратичный вид.

В работе применяются последовательное и параллельное подключение насосов. При последовательной установке суммарный напор (давление) больше, чем развивает каждый из насосов. Параллельная установка обеспечивает расход больше, чем каждый насос отдельно. Общая характеристика и основные соотношения для каждого способа приведены на рис. 2.

При работе насоса с характеристикой Q-H на трубопроводную систему (прилегающие водоводы и дальнейшая сеть) требуется напор для преодоления гидравлического сопротивления системы - суммы сопротивлений отдельных элементов, которые оказывают сопротивление потоку, что сказывается в итоге на потерях напора. В общем можно утверждать:

где ∆Н - потери напора на одном элементе (участке) системы, м; Q - расход жидкости, проходящий через этот элемент (участок), м3/с; k - коэффициент потерь напора, зависящий от вида элемента (участка) системы, C2/М5

Характеристика системы - зависимость гидравлического сопротивления от расхода. Совместная работа насоса и сети характеризуется точкой материального и энергетического равновесия (точкой пересечения характеристик сисистемы и насоса) - рабочей (режимной) точкой с координатами (Q,i/i), соответствующими текущей подаче и напору при работе насоса на систему (рис. 3).

Различают два типа систем: закрытые и открытые. В закрытых системах (отопления, кондиционирования и т.п.) объем жидкости постоянен, насос необходим для преодоления гидравлического сопротивления составляющих (трубопроводов, устройств) при технологически необходимом перемещении носителя в системе.

Характеристика системы - парабола с вершиной (Q,Н) = (0, 0).

В водоснабжении интерес представляют открытые системы , транспортирующие жидкость из одной точки в другую, в которых насос обеспечивает потребный напор в точках разбора, преодолевая потери на трение в системе. Из характеристики системы ясно - чем меньше расход, тем ниже потери на трение АНТ и, соответственно, потребляемая мощность.

Различают два типа открытых систем: с насосом ниже точки разбора и выше точки разбора. Рассмотрим открытую систему 1-го типа (рис. 3). Для подачи из резервуара № 1 на нулевой отметке (нижний бассейн) в верхний резервуар № 2 (верхний бассейн) насос должен обеспечить геометрическую высоту подъема Н, и компенсировать потери на трение АНТ, зависящие от расхода.

Характеристика системы

Парабола с координатами (0; ∆Н,).

В открытой системе 2-го типа (рис. 4)

вода под влиянием перепада высот (H1) доставляется потребителю без насоса. Разница высот текущего уровня жидкости в резервуаре и точки разбора (H1 ) обеспечивает некий расход Qr. Обусловленный перепадом высот напор недостаточен для обеспечения потребного расхода (Q). Поэтому насос должен добавить напор Н1 чтобы полностью преодолеть потери на трение ∆Н1 Характеристика системы - парабола с началом (0; -H1 ). Расход зависит от уровня в резервуаре - при его понижении высота Н, уменьшается, характеристика системы сдвигается наверх и расход снижается. Система отражает задачу недостатка входного давления в сети (подпор, эквивалентный Яг) для обеспечения подачи необходимого количества воды всем потребителям с требуемым напором.

потребности системы меняются во времени (меняется характеристика системы), встает вопрос о регулировании параметров насоса с целью соответствия текущим требованиям. Обзор методов изменения параметров насоса приведен в табл. 1.

При дроссельном регулировании и регулировании байпасом может происходить как снижение, так и увеличение потребляемой мощности (зависит от характеристики мощности центробежного насоса и положения рабочих точек до регулирующего воздействия и после него). В обоих случаях итоговый КПД значительно снижается, относительная потребляемая мощность на единицу подачи в систему увеличивается, происходит непроизводительная потеря энергии. Метод коррекции диаметра рабочего колеса обладает рядом преимуществ для систем со стабильной характеристикой, при этом срезка (или замена) колеса позволяет вывести насос на оптимальный режим работы без существенных начальных затрат, а КПД уменьшается незначительно . Однако метод неприменим оперативно, когда условия потребления и, соответственно, подачи непрерывно и существенно меняются в течение работы. Например, когда «насосная водопроводная установка подает воду непосредственно в сеть (насосные станции 2-го, 3-го подъемов, станции подкачки и т.п.)» и когда целесообразно частотное регулирование электропривода с помощью преобразователя частоты тока (ПЧТ), обеспечивающее изменение частоты вращения рабочего колеса (скорости насоса).

Основываясь на законе пропорциональности (формулы пересчета), можно по одной характеристике Q-H построить ряд характеристик насоса в диапазоне изменения частоты вращения (рис. 5-1). Пересчет координат (QA1 , HA ) некой точки А характеристики Q-H, имеющей место при номинальной частоте вращения n , для частот n1

n2.... ni , приведет к точкам А1 , А2.... Аi принадлежащим соответствующим характеристикам Q-Н1 Q-H2...., Q-Hi

(рис. 5-1). А1 , А2, Аi -, образуют так называемую параболу подобных режимов с вершиной в начале координат, описываемую уравнением:

Парабола подобных режимов - геометрическое место точек, определяющих при различных частотах вращения (скоростях) режимы работы насоса, подобные режиму в точке А. Пересчет точки В характеристики Q-H при частоте вращения n на частоты n1 n2 ni , даст точки В1, В2, Вi определяющие соответствующую параболу подобных режимов (0B1 B) (рис. 5-1).

На основе исходного положения (при выводе так называемых формул пересчета) о равенстве натурного и модельного КПД предполагается, что каждая из парабол подобных режимов является линией постоянного КПД. Это положение - основа использования в насосных системах ЧРП, представляемого многими едва ли не единственным способом оптимизации режимов работы насосных станций. В действительности при ЧРП насос не сохраняет постоянства КПД даже на параболах подобных режимов, так как с увеличением частоты вращения п возрастают скорости потока и пропорционально квадратам скоростей гидравлические потери в проточной части насоса. С другой стороны, механические потери сказываются сильнее при малых значениях скорости, когда мощность насоса мала. КПД достигает максимума при расчетном значении частоты вращения п0. При других n , меньших или больших n0 , КПД насоса будет уменьшаться по мере увеличения отклонения n от n0 . С учетом характера изменения КПД при изменении скорости, отмечая на характеристиках Q-Н1, Q-H2, Q-Нi точки с равными значениями КПД и соединяя их кривыми, получим так называемую универсальную характеристику (рис. 5-2), определяющую работу насоса при переменной частоте вращеия, КПД и мощности насоса для любой режимной точки.

Кроме снижения КПД насоса следует учесть снижение КПД двигателя вследствие работы ПЧТ , имеющее две составляющие: во-первых, внутренние потери ПЧТ и, вовторых, потери на гармониках в регулируемом электродвигателе (обусловлены несовершенством синусоидальной волны тока при ЧРП). КПД современного ПЧТ при номинальной частоте переменного тока составляет 95-98% , при функциональном снижении частоты выходного тока КПД ПЧТ снижается (рис. 5-3).

Потери в двигателях на гармониках, производимых при ЧРП (варьируемых от 5 до 10%), приводят к нагреву двигателя и соответствующему ухудшению характеристик, в результате КПД двигателя падает еще на 0,5-1% .

Обобщенная картина «конструктивных» потерь КПД насосного агрегата при ЧРП, приводящих к росту удельного энергопотребления (на примере насоса ТРЕ 40-300/2-S), представлена на рис. 6 - снижение скорости до 60% от номинальной уменьшает ла на 11% относительно оптимального (при рабочих точках на параболе подобных режимов с максимальным КПД). При этом потребление электроэнергии снизилось с 3,16 до 0.73 кВт, т.е. на 77% (обозначение P1, [(«Грундфос») соответствует N1, в (1)]. Эффективность при снижении скорости обеспечивается уменьшением полезной и, соответственно, потребляемой мощности.

Вывод. Снижение КПД агрегата в связи с «конструктивными» потерями приводит к росту удельного энергопотребления даже при работе вблизи точек с максимальным КПД.

В еще большей степени относительные энергозатраты и эффективность регулирования скорости зависят от условий эксплуатации (типа системы и параметров ее характеристики, положения рабочих точек на насосных кривых относительно максимума КПД), а также от критерия и условий регулирования. В закрытых системах характеристика системы может быть близка к параболе подобных режимов, проходящей через точки максимальных КПД для различных частот вращения, т.к. обе кривые однозначно имеют вершину в начале координат. В открытых системах водоснабжения характеристика системы имеет ряд особенностей, приводящих к существенному различию ее вариантов.

Во-первых, вершина характеристики, как правило, не совпадает с началом координат из-за различной статической составляющей напора (рис. 7-1). Статический напор чаще положителен (рис. 7-1, кривая 1) и необходим для подъема воды на геометрическую высоту в системе 1-го типа (рис. 3), но может быть и отрицательным (рис. 7-1, кривая 3) - когда подпор на входе в систему 2-го типа превышает потребный геометрический напор (рис. 4). Хотя нулевой статический напор (рис. 7-1, кривая 2) также возможен (например, при равенстве подпора потребному геометрическому напору).

Во-вторых, характеристики большинства систем водоснабжения постоянно изменяются во времени . Это относится к перемещениям вершины характеристики системы по оси напора, что объясняется изменениями величины подпора или величины потребного геометрического напора. Для ряда систем водоснабжения в силу постоянного изменения количества и расположения фактических точек потребления в пространстве сети происходит смена положения диктующей точки в поле , означающая новое состояние системы, которая описывается новой характеристикой с другой кривизной параболы.

В итоге очевидно, что в , работа которой обеспечивается одним насосом, как правило, затруднительно регулировать скорость насоса в однозначном соответствии с текущим водопотреблением (т.е. четко по актуальной характеристике системы), сохраняя положение рабочих точек насоса (при таком изменении скорости) на фиксированной параболе подобных режимов, проходящей через точки с максимальным КПД.

Особенно существенно снижение КПД при ЧРП в соответствии с характеристикой системы проявляется в случае значительной статической напорной составляющей (рис. 7-1, кривая 1). Так как характеристика системы не совпадает с параболой подобных режимов, то при снижении скорости (за счет снижения частоты тока с 50 до 35 Гц) точка пересечения характеристик системы и насоса ощутимо сместится влево. Соответствующее смещение на кривых КПД приведет в зону меньших значений (рис. 7-2, «малиновые» точки).

Таким образом, потенциалы энергосбережения при ЧРП в системах водоснабжения существенно разнятся. Показательна оценка эффективности ЧРП по удельной энергии на перекачку

1 м3 (рис. 7-3). В сравнении с дискретным управлением типа D регулирование скорости имеет смысл в системе типа С - с относительно малым геометрическим напором и значительной динамической составляющей (потерями на трение). В системе типа В геометрическая и динамическая составляющие значительны, регулирование скорости эффективно на определенном интервале подач. В системе типа А с большой высотой подъема и малой динамической составляющей (менее 30% от потребного напора) применение ЧРП сточки зрения энергетических затрат нецелесообразно. В основном задача повышения напора на конечных участках водопроводной сети решается в системах смешанного типа (типа В), что требует предметного обоснования применения ЧРП для повышения энергоэффективности.

Регулирование скорости в принципе позволяет расширить диапазон рабочих параметров насоса вверх от номинальной характеристики Q-H. Поэтому некоторые авторы предлагают так подбирать оснащенный ПЧТ насос, чтобы обеспечить максимальное время его работы на номинальной характеристике (с максимумом КПД). Соответственно, с помощью ЧРП при снижении подачи скорость насоса снижается относительно номинальной, а при увеличении - возрастает (при частоте тока выше номинала). Однако кроме необходимости учитывать мощность электродвигателя отметим, что производители насосов обходят молчанием вопрос практического применения длительной работы насосных двигателей с частотой тока, существенно превышающей номинальную.

Весьма привлекательна идея управления по характеристике системы, снижающего избыточные напоры и соответствующий перерасход энергии. Но определять потребный напор по текущему значению меняющегося расхода затруднительно в силу многообразия возможных положений диктующей точки в сиюсекундном состоянии системы (при изменении количества и расположения мест потребления в сети, а также расхода в них) и вершины характеристики системы на оси напора (рис. 8-1). До массового применения средств КИПиА и передачи данных возможна лишь «аппроксимация» управления по характеристике на основе частных для сети предположений, задающих набор диктующих точек или ограничивающих сверху характеристику системы в зависимости от расхода . Пример такого подхода - 2-позиционное регулирование (день/ночь) выходного давления в ПНС и ПНУ.

Принимая во внимание значительную изменчивость по расположению вершины характеристики системы и по текущему положению в поле диктующей точки, а также ее неопределенности на схеме сети, приходится сделать вывод, что на сегодняшний день в большинстве пространственных систем водоснабжения применяется управление по критерию постоянного давления (рис. 8-2, 8-3). Важно, что при снижении расхода Q частично сохраняются избыточные напоры, которые тем больше, чем левее рабочая точка, а снижение КПД при уменьшении частоты вращения рабочего колеса, как правило, усилится (в случае соответствия максимума КПД точке пересечения характеристики насоса при номинальной частоте и линии установленного постоянного давления).

Признавая возможности сокращения потребляемой и полезной мощности при регулировании скорости с целью лучшего соответствия потребностям сестемы, необходимо определять реальную эффективность ЧРП для конкретной системы, сопоставляя или сочетая этот способ с другими действенными методами снижения энергозатрат, и в первую очередь с соответствующим уменьшением номиналов подачи и/или напора в расчете на один насос при увеличении их количества.

Показателен пример схемы параллельно и последовательно соединенных насосов (рис. 9), обеспечивающей значительное количество рабочих точек в широком диапазоне напоров и подач .

При повышении напора на участках сетей водоснабжения, приближенных к потребителям, встают вопросы сочетания последовательной работы групп насосов и параллельной работы насосов, объединенных в пределах одной группы. Применение ЧРП поставило также вопросы оптимального совмещения работы ряда параллельно соединенных насосов с частотным регулированием

При совмещении обеспечивается высокая комфортность для потребителей за счет плавного пуска/ останова и стабильного напора, а также снижение установочной мощности - зачастую количество резервных насосов не меняется, а номинальное значение потребляемой мощности в расчете на один насос снижается. Также снижаются мощность ПЧТ и его цена.

По сути рассмотрения ясно, что совмещение (рис. 10-1) позволяет перекрыть необходимую часть рабочей зоны поля . Если подбор оптимален, то на большей части рабочей зоны, и в первую очередь на линии контролируемого постоянного давления (напора), обеспечивается максимальный КПД большинства насосов и насосной установки в целом. Предметом обсуждения совместной работы параллельно соединенных насосов в сочетании с ЧРП зачастую становится вопрос о целесообразности оснащения каждого насоса своим ПЧТ.

Однозначный ответ на этот вопрос будет недостаточно точен. Конечно, правы утверждающие , что оснащение каждого насоса ПЧТ увеличивает возможное пространство расположения рабочих точек для установки. Могут быть правы и считающие , что при работе насоса в широком диапазоне подач рабочая точка не находится в оптимуме КПД, а при работе 2 таких насосов с пониженной скоростью общий КПД будет выше (рис. 10-2). Этой точки зрения придерживаются поставщики насосов, оснащенных встроенными ПЧТ.

По нашему мнению, ответ на этот вопрос зависит от конкретного вида характеристик системы, насосов и установки, а также от расположения рабочих точек. При управлении по постоянному давлению увеличение пространства расположения рабочих точек не требуется, и поэтому установка, оснащенная одним ПЧТ в щите управления, будет работать аналогично установке, каждый насос которой оснащен ПЧТ. Для обеспечения более высокой технологической надежности возможно установить в шкаф второй ПЧТ - резервный.

При правильном подборе (максимум КПД соответствует точке пересечения основной характеристики насоса и линии постоянного давления) КПД одного насоса, работающего на номинальной частоте (в зоне максимума КПД), будет выше общего КПД двух таких же насосов, обеспечивающих ту же рабочую точку при работе каждого из них с пониженной скоростью (рис. 10-3). Если рабочая точка лежит за пределами характеристики одного (двух и т.д.) насоса, то тогда один (два и т.д.) насос будет работать в «сетевом» режиме, имея рабочую точку на пересечении характеристики насоса и линии постоянного давления (с максимальным КПД). А один насос будет работать с ПЧТ (имея при этом более низкий КПД), и его скорость будет определяться текущим требованием системы по подаче, обеспечивая соответствующую локализацию рабочей точки всей установки на линии постоянного давления.

Целесообразно так подбирать насос, чтобы линия постоянного давления, определяющая и рабочую точку с максимальным КПД, пересекалась с напорной осью как можно выше относительно линий характеристик насоса, определенных для пониженных скоростей. Это корреспондируется с отмеченным выше положением о применении при решении задач повышения напора в оконечных участках сети насосов со стабильными и пологими характеристиками (по возможности с более низким коэффициентом быстроходности ns).

При условии «один насос рабочий...» весь диапазон подачи обеспечивается одним насосом (рабочим в данный момент) с регулируемой скоростью, поэтому большую часть времени насос работает с подачей меньше номинальной и, соответственно, при более низком КПД (рис. 6, 7). В настоящее время присутствует строгое намерение заказчика ограничиться двумя насосами в составе установки (один насос рабочий, один - резервный) с целью снижения первоначальных затрат.

Эксплуатационные затраты влияют на выбор в меньшей степени. При этом нередко заказчик с целью «перестраховки» настаивает на применении насоса, номинальное значение подачи которого превышает расчетный и/или замеренный расход. В таом случае выбранный вариант будет не соответствовать реальным режимам водопотребления на значительном интервале времени суток, что приведет к перерасходу электроэнергии (из-за более низкого КПД в наиболее «частом» и широком диапазоне подачи), снизит надежность и долговечность работы насосов (из-за частого выхода на минимум 2„ин допустимого диапазона подачи, для большинства насосов - 10% от номинального значения), уменьшит комфортность водоснабжения (из-за периодичности функции останова и старта). В результате признавая «внешнюю» обоснованность аргументов заказчика, приходится принять как факт избыточность большинства вновь устанавливаемых повысительных насосов на внутренних , что приводит к очень низкому КПД насосных агрегатов. Использование ЧРП при этом дает лишь часть возможной экономии в эксплуатации.

Тенденция применения двух насосных ПНУ (один - рабочий, один - резервный) широко проявляется в новом жилищном строительстве, т.к. ни проектные, ни строительно-монтажные организации практически не заинтересованы в эксплуатационной эффективности инженерного оборудования возводимого жилья, главным критерием оптимизации является закупочная цена при обеспечении уровня контрольного параметра (например, подачи и напора в единственной диктующей точке). Большинство новых жилых домов, с учетом возросшей этажности, оснащается ПНУ. Возглавляемая автором компания («Промэнерго») осуществляет поставки ПНУ как производства « », так и своего производства на базе насосов «Грундфос» (известных под наименованием МАНС). Статистика поставок «Промэнерго» в этом сегменте за 4 года (табл. 2) позволяет отметить абсолютное преобладание двух насосных ПНУ, особенно среди установок с ЧРП, которые в основном будут использованы в системах хозяйственнопитьевого водоснабжения, и в первую очередь жилых зданий.

По нашему мнению, оптимизация состава ПНУ, как в части затрат на электроэнергию, так и в части надежности работы, ставит вопрос об увеличении количества рабочих насосов (при снижении подачи каждого из них). Эффективность и надежность могут быть обеспечены только сочетанием ступенчатого и плавного (частотного) регулирования.

Анализ практики повысительных насосных систем с учетом возможностей современных насосов и методов регулирования, принимая во внимание ограниченность ресурсов, позволил предложить в качестве методического подхода оптимизации ПНС (ПНУ) концепцию периферийного моделирования подачи воды в контексте сокращения энергоемкости и стоимости жизненного цикла насосного оборудования . Для рационального выбора параметров насосных станций с учетом структурной взаимосвязи и полирежим- ного характера функционирования периферийных элементов системы подачи воды разработаны математические модели. Модельное решение позволяет обосновать подход к выбору числа нагнетателей в составе ПНС, в основе чего лежит исследование функции стоимости жизненного цикла в зависимости от числа нагнетателей в составе ПНС. При исследовании по модели ряда действующих систем установлено, что в большинстве случаев оптимальное число рабочих насосов в составе ПНС составляет 3-5 единиц (при условии применения ЧРП).

Литература

1. Березин С.Е. Насосные станции с погружными насосами: расчет и конструирование/С.Е. Березин. - М.: Стройиздат, 2008.

160 с.

2. Карелин В.Я. Насосы и насосные станции/В.Я. Карелин, А.В. Минаев.

М.: Стройиз-дат, 1986. - 320 с.

3. Карттунен Э. Водоснабжение II: пер. с финского/Э. Карттунен; Ассоциация инженеров-строителей Финляндии RIL г.у. - СПб.: Новый журнал, 2005 - 688 с.

4. Кинебас А.К. Оптимизация подачи воды в зоне влияния Урицкой насосной станции Санкт-Петербурга/ А.К. Кинебас, М.Н. Ипатко, Ю.В. Рук- син и др.//ВСТ. - 2009. - № 10, ч. 2. - с. 12-16.

5. Красильников А. Автоматизированные насосные установки с каскадно-частотным управлением в системах водоснабжения [Электронный ресурс]/А. Красильникова/Строительная инженерия. - Электрон, дан. - [М.], 2006. - № 2. - Режим доступа: http://www.archive- online.ru/read/stroing/347.

6. Лезнов Б.С. Энергосбережения и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках/ Б.С. Лезнов. - М.: Энергоатом- издат, 2006. - 360 с.

7. Николаев В. Потенциал энергосбережения при переменной нагрузке лопастных нагнетателей/В. Нико- лаев//Сантехника. - 2007. - № 6. - с. 68-73; 2008. - № 1. - с. 72-79.

8. Промышленное насосное оборудование. - М.: ООО «Грундфос», 2006. - 176 с.

9. Штейнмиллер О.А. Оптимизация насосных станций систем водоснабжения на уровне районных, квартальных и внутридомовых сетей: автореф. дис. ... канд. техн. наук/ О.А. Штейнмиллер. - СПб.: ГАСУ, 2010. - 22 с.

БЫСТРАЯ СВЯЗЬ

Пояснительная записка

Настоящая рабочая учебная программа разработана в соответствии с Государственным общеобязательным стандартом образования РК по специальности 2006002 «Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ», а поэтому предназначена для реализации государственных требования к уровню подготовки специалистов по предмету «насосные и компрессорные станции» и является основной при необходимости для составления рабочей учебной программы.

Программа предмета «Насосные и компрессорные станции магистральных газонефтепроводов» предусматривает изучение приемов эксплуатации, ремонтно-технического обслуживания установок, различных типов насосных и компрессорных станции. Особое внимание уделено компрессорным цехам с газотурбинным, газомоторным и электрическим приборам по изучению приемов эксплуатации и ремонта технического оборудования. При изучении предмета необходимо использовать достижения и разработки как в отечественной так и в зарубежной практике. Информации различных серий по технологии перекачки нефти и газа, а также газоконденсата и нефтепродуктов при выполнении расчетов необходимо соблюдение ГОСТа и ЕСКД.

При реализации настоящей рабочей программы необходимо использовать дидактические и наглядные пособия, схемы, уроки на компрессорных и насосных станциях.

Настоящая рабочая программа предусматривает проведение практических занятий, которые способствуют успешному усвоению учебного материала, приобретение навыков в решении практических задач связанных с работой компрессорных и насосных станции, необходимо проводить экскурсии на действующие станции.

Тематический план

Тема 1. Насосные агрегаты применяемые на нефтеперекачивающих станциях магистральных трубопроводов

Технологические схемы и основные оборудования, КС и насосных станциях, а также вспомогательное оборудование перекачивающих агрегатов. Основные узлы и блоки на КС и насосных станциях.

Характеристики насосов, работа насосов на сеть. Выбор насоса по заданным параметрам. Параллельное и последовательное соединение насосов. Методы регулирования режима работы насосов. Неустойчивая работа насосов: Помпаж и кавитация.

Тема 2. Эксплуатация нефтеперекачивающих станций

Компремация газа на КС, основные параметры, контролируемые на КС. Деление КС по технологическому принципу. Операции проводимые на КС. Основные группы КС. Основные задачи персонала, осуществляющие эксплуатацию, техобслуживание и ремонт оборудования, систем и сооружении КС. Классификация НПС и характеристика основных объектов. Генеральных план НПС.

Тема 3 . Генеральный план НПС

Насосный агрегат. Вспомогательные системы. Основное и вспомогательное оборудование компрессорных станций.

Тема 4. Резервуарные парки нефтеперекачивающих станций

Поршневые насосы. Центробежные насосы. Вихревые насосы. Подпорные насосы. Их основные характеристики. Подача. Напор. Мощность. КПД. Каавитационный запас.

Тема 5. Основные сведения о магистральном газопроводе

Турбоблок. Камера сгорания. Пусковой турбо детонатор. Турбодетандер. Лалопаворотные устройства. Элементы масло системы. Системы регулирования. Базовые модификации газоперекачивающих агрегатов. Нагнетатели производства АО «невский завод» (г. Санкт- Петербург), АО «Казанский компрессорный завод (г.Казань), АО «СМНПО им.М.В.Фрунце» (г.Сумы).

Тема 6 Классификация компрессорных станций Назначение состав сооружений и генеральные планы компрессорных станций

Характеристика эксплуатации ПГПА. Особенности ПГПА. Область их применения. Назначение поршневых ГПА.

Тема7. Трубопроводная арматура применяемая на насосных и компрессорных станциях

Совмещение компрессорных цехов. Блочные конструкции ПГПА. Основные функции блоков. Состав газоперекачивающего агрегата ГПУ.

Тема 8. Водоснабжение станций.

Устройство. Турбины высокого давления и соплового аппарата, устройство турбины низкого давления и корпусов ГТУ.

Тема 9. Водоотведения станций

Исполнение газотурбинных установок. Требования предъявляемые к корпусу газотурбинных установок. Эксплуатационные характеристики.

Тема 10 Теплоснабжение станций

Виды вспомогательных систем. Функции данных систем.

Агрегатная функция

Станционная функция

Вспомогательные системы газоперекачивающих агрегатов.

Тема 11. Вентиляция станций

Основные сведения по системам водоснабжения. Источники водоснабжения и водозаборные сооружения. Виды водоотводящих сетей. Оборудование водоотводящих сетей.

Тема 12. Система энергоснабжения

Обще цеховая и агрегатные системы маслоснабжения. Аварийный слив масла. Работа смазочной системы. Система охлаждения масла на базе аппаратов воздушного охлаждения.

Список использованной литературы

1. Суринович В.К. Машинист технологических компрессоров 1986г.

2. Резвин Б.С. Газотурбинные и газоперекачивающие агрегаты 1986г.

3. Бронштейн Л.С. Ремонт газотурбинной установки 1987г.

4. Громов В.В. Оператор магистральных газопроводов.

5. Нефтепромысловые оборудования Е.И.Бухаренко. Недра,1990г.

6. Нефтепромысловые машины и механизмы. А.Г.Молчанов. Недра,1993г.