М ОДЕЛИРОВАНИЕ И А Н А Л И З ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ГОРОДСКОГО ВОДОСНАБЖ ЕНИЯ с.в.шилько К.т.н., заведующий лабораторией Ю.Г.КУЗЬМИНСКИЙ Старший научный сотрудник Ю.М.ПЛЕСКАЧЕВСКИЙ Д.т.н., ведущий научный сотрудник ГНУ «Институт механики металлополимерных систем им. В. А. Белого Национальной Академии наук Беларуси», г.Гомель, Беларусь Р.И.ВОРОБЕЙ К.т.н., доцент Белорусский национальный технический университет, г.Минск, Беларусь В статье изложен инновационный подход к анализу энергоэффективности городского водоснабжения на основе гидродинамической 0-D модели. Основные особенности современного го­ родского водоснабжения [1] - сложная сетевая структура трубопроводов с несколькими стан­ циями водоподъема, непрерывные суточные изменения числа потребителей, постепенное уменьшение производительности насосов вследствие изнашивания. Специфической про­ блемой городских систем водоснабжения стран СНГ является недостаточно гибкое управление, связанное с ограниченным ис­ пользованием средств частотного регулиро­ вания мощности насосов, применение которо­ го еще недавно ограничивалось магистраль­ ными нефтепроводами [2,3]. В качестве интегрального показателя энер­ гоэффективности городского водоснабжения обычно принимается удельный расход элек­ троэнергии [4]. Непосредственное влияние на энергоэффективность водоснабжения оказы­ вают коэффициент полезного действия [КПД] насосов [5] и эквивалентные диаметры отво­ дов. В свою очередь, недостаточно высокий КПД насосов обусловлен несоответствием фактической объемной скорости водоподачи номинальным параметрам производительно­ сти и значительной рециркуляцией воды вследствие износа щелевых уплотнений рабо­ чих колес [6]. Обоснование мероприятий по повышению энергоэффективности водоснабжения во мно­ гом базируется на математическом моделиро­ вании гидродинамических процессов [7-14]. В частности, применение методов 0-D модели­ рования, описывающего гидродинамические процессы в обобщающем понятии «приведен­ ный диаметр», способствует достижению ощу­ тимых практических результатов при мини­ мальных затратах интеллектуальных и вы­ числительных ресурсов путем замены систем дифференциальных уравнений гидродинами­ ки на прямые зависимости вышеуказанных параметров. Это позволяет решать задачи мо­ ниторинга и управления в реальном масштабе времени, в т.ч. использовать результаты моде­ лирования в оперативной деятельности. Функциями исследовательской версии разра­ ботанного комплекса компьютерных про­ грамм «СИТИГИДРО»+«ДИНАС» [9,10], реали­ зующих разработанную модель городского во­ доснабжения, являются: 1. Создание баз данных автоматически рассчитываемых паспортных характеристик насосов, определение фактических параметров регулирования и зазора щелевого уплотнения на основе идентификации модели насосов в программном продукте «ДИНАС». 2. Анализ изменения приведенного диа­ метра трубопроводов во времени на основе су­ точной и помесячной статистики водопотреб- ления; 0-D моделирование режимов общего городского водоснабжения для прогнозирова­ ния объемной скорости, давления, коэффици­ ента полезного действия, удельного расхода энергии, числа активных потребителей, а так­ же прогноза параметров локальной системы скважинного водосбора в программном про­ дукте «СИТИГИДРО». Разработанная авторами модель городско­ го водоснабжения включает модели насосных агрегатов, локальной системы скважинного водосбора и отводящего трубопровода, а так­ же взаимодействия станций водоснабжения. Основными аналитическими зависимостя­ ми модели насосного агрегата [14] являются параболические аппроксимации напорной (h) и мощностной (N) характеристик [зависимо­ стей от объемной скорости q) насоса, где учи­ тываются коэффициент регулирования kr: k2a + krbq + cq2 = h k;?ae + k2beq + krceq2 = N' Коэффициент регулирования является произведением коэффициентов изменения частоты тока и изменения диаметра рабочего колеса насоса. Регулирование позволяет изме­ нить номинальную подачу (объемную ско­ рость при максимальном КПД) насоса. Коэф­ фициент kz увеличения зазора в результате изнашивания определяется следующим обра­ зом: (Энергосбережение и Водоподготовка • исходя из фактических значений напора и подачи, а также коэффициентов аппроксима­ ции характеристики напора, вычисляются гидравлические потери из уравнения: ^факт — 3 + К Ч ф ак т + Д Ч ) + с СЧфакт + А Я ) 2 > • по фактическим давлениям Рдо и Рза, плот­ ности p(t), размерам колеса и вычисленным гидравлическим потерям Aq определяется ко­ эффициент увеличения зазора из уравнения: Aq к = - 2лс11Ь / 2 - Ю ( Р з а - Р д о ) 0,061 2Ь + 1,5 рЮ Мониторинг состояния насоса при помощи программы «ДИНАС» [10] состоит в периоди­ ческой расчетной оценке коэффициентов kr и кь. Для идентификации состояния насоса го­ родского водоснабжения в качестве входных данных необходимо задать тип насоса, давле­ ние, величину подачи и потребляемую мощ­ ность. Результатами идентификации являются коэффициенты регулирования и увеличения зазора, фактические номинальные параметры насосов при данном коэффициенте регулиро­ вания, экономическая оценка потерь электро­ энергии. Модель скважинного водосбора полезно использовать для оптимизации энергопотреб­ ления на стадии проектирования (выбор типа насосов) и диспетчеризации (выбор числа на­ сосов). В число параметров модели входит длина и диаметр трубопроводов, глубина скважин, типы насосов, уровень воды в резер­ вуарах и перечень включенных насосов. В ре­ зультате моделирования определяется объем подаваемой воды и совокупная потребляемая мощность. Диаметры трубопроводов водосбо­ ра настолько велики, что потери напора вследствие турбулизации течения можно не учитывать. Фактически энергоэффективность водосбора зависит от удачного выбора вклю­ чаемых насосов при «плавающей» глубине уровня воды. По данным производителей, энергоэффективность насосов водосбора го­ раздо ниже энергоэффективности насосов по­ дачи воды. Модель локального отвода станции 2-го подъема построена в предположении фикси­ рованных значений конечного давления воды у потребителя и длины эквивалентного тру­ бопровода, заменяющего реальную сетевую структуру. Приведенный диаметр отводящего трубопровода определяется диаметром фик­ сированной части и числом активных потре­ бителей воды в данный момент [13]. Парабо­ лическая зависимость числа потребителей и объемов водоподачи от сезона и времени ус­ танавливается статистическими методами. Модель системы городского водоснабжения и реализующая ее компьютерная программа «СИТИГИДРО» полезна для диспетчеризации водоснабжения в том случае, если обеспечива­ ет персонал инструментом выбора эффектив­ ного режима подачи воды. Основным уравне­ нием для определения объема подачи воды станцией является уравнение баланса напора, генерируемого насосами и расходуемого на турбулентное течение в трубопроводах fkr(Prmx)2a+fkr(PnHx)b-fq(kr)+c-fq(kr)2= 0,25 1,75 - 0,0247— fd(q) где fd, fq, fkr - функции определения числа активных пользователей и приведенного диа­ метра трубопровода по объему подачи вода, распределения потоков по параллельным на­ сосам с учетом частотного регулирования, расчета коэффициента регулирования по по­ даче насоса и пределу давления; а, Ь, с - коэф­ фициенты аппроксимации паспортной харак­ теристики насоса. Входными параметрами являются текущий месяц, почасовой график включенных насосов, пределы выходных давлений и наличие час­ тотного регулирования. На выходе модели по­ часовой график параметров (давление, подача, КПД, число активных пользователей), инте­ гральные параметры (подача, потребление и стоимость электроэнергии, а также ее удель­ ный расход). Цветом выделяются низкие зна­ чения КПД, избыточное применение парал­ лельных насосов и нарушение уставок при от­ сутствии частотного регулирования. Сопос­ тавление двух режимов позволяет произво­ дить диспетчерские оптимизационные реше­ ния. Практическими инструментами управле­ ния являются задание числа насосов, рабо­ тающих на станциях подачи воды, и пределы выходных давлений, устанавливаемые на станциях в системе частотного регулирования. Поскольку насосы переключаются довольно редко, пределы давлений остаются наиболее распространенным средством диспетчериза­ ции водоподачи. Зачастую сетевые отводы от разных стан­ ций подачи воды пересекаются. Изменение предела давления на одной станции ведет к изменению коэффициента регулирования, с неизбежным изменением объема подаваемой воды. При неизменности объема потребляе­ мой воды это ведет к изменению числа актив­ ных пользователей и объема подачи воды на станциях, сетевые отводы которых пересека­ ются с отводом станции измененного выход­ ного давления. Изменение подачи воды стан­ циями ведет к изменению КПД насосов и об­ щего коэффициента удельного расхода энер­ гии А. Поэтому искусство диспетчеризации во­ доснабжения воспитывается у персонала в те­ чение длительного периода времени. Установ- ление связи изменения объема водоподачи на станции с измененным пределом давления и на смежных станциях осуществляется через число активных пользователей. Охарактеризуем способы снижения по­ требления электроэнергии по сравнению с ис­ ходным (фактическим) режимом (табл.1): • замена насосного агрегата или капи­ тальный ремонт щелевых уплотнений при на­ личии собственной службы или подрядной ор­ ганизации (данная процедура периодична и повышает затраты на водоподачу); • перераспределение объемов подачи во­ ды станциями изменением пределов выход­ ных давлений, вызывающим изменение на­ правлений потоков и соответствующий раз­ мыв отложений. Таблица 1 Оценка способов повышения энергоэффективности Для анализа параллельной работы насосов предложен специальный калькулятор, отра­ жающий взаимодействие насоса с регулирова­ нием и насоса без регулирования. Приводятся фактические характеристики насосов, коэф­ фициент регулирования первого насоса, его доля в подаче воды, потребляемая энергия и КПД системы. Пользователь может менять ус­ тавки регулирования и объем подачи воды. Автономное использование калькулятора по­ зволяет прогнозировать распределение пото­ ков по параллельным насосом без проведения натурных экспериментов. Основным резуль­ татом прогнозирования является выявление режимов, при которых второй насос не несет нагрузки. Вопросы верификации разработан­ ных О-D моделей «ДИНАС» и «СИТИГИДРО» решались сопоставлением фактических пара­ метров и модельных результатов. В частно­ сти, для идентификации и верификации «СИ­ ТИГИДРО» важными параметрами являются давление, объем подачи, уровень в резервуа­ рах, частота тока и токовая нагрузка насосов. Выводы. Полученные результаты целесо­ образно использовать для информационной поддержки принятия решений по выбору тех­ нологического режима, реконструкции систем водоснабжения, периодичности планово­ профилактических, ремонтных работ и обуче­ ния оперативного персонала предприятий во­ доснабжения. Применение разработанных гидродинами­ ческих моделей и программного обеспечения в контуре идентификации состояния оборудо­ вания и диспетчеризации способствует повы­ шению энергоэффективности городского во­ доснабжения. На их основе планируется соз­ дать программно-аппаратные средства теку­ щего контроля состояния щелевых уплотне­ ний насосов и автоматического управления пределами выходных давлений на станциях подачи воды. ЛИТЕРАТУРА. 1. Эгильский И.С. Автоматизированные системы управления технологическими процессами подачи и распределения воды.- Л.: Стройиздат, 1988. 2. Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Определение ниж­ ней границы диапазона частотного регулирования электродвигателей магистральных насосов / / Нефте­ газовое дело. 2010.- http://www.ogbus.ru [Дата обра­ щения 13.01.2013). 3. Каргин СА. Анализ потерь энергии при работе группы насосов, оснащенных-регулируемым приводом / / Нефтегазовое дело. 2009. http://www.ogbus.ru (Дата обращения 13.01.2013). 4. Пивоваров В.Ф., Шефель О.М. Энергосбережение и энергосберегающие технологии в жилищно- коммунальном хозяйстве / / Реконструкщя житла. 2006. Випуск 6. 5. Николаев В.Г. Энергосберегающие методы управления режимами работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения / / Автореф. дисс. на соискание ученой степени доктора техн. наук,- М.: 2010. 6. Мельник В.А. Щелевое уплотнение с деформи­ руемой втулкой / / Сб. тр.10 МНТК «ГЕРВИКОН-2002».- Сумы: 2002. 7. Костышин B.C. Моделирование режимов работы центробежных насосов на основе электрогидравличе- ской аналогии.- Ивано-Франковск: 2000. 8. Кузьминский Ю.Г., Шилько С.В., Вьюн В.И. Расчет гидравлических характеристик путем идентификации моделей насосных агрегатов и перекачивающих стан­ ций магистральных нефтепроводов / / Механика ма­ шин, механизмов и материалов. 2008. №2. 9. Свид. №325 от 21.07.2011 о регистрации компь­ ютерной программы СИТИГИДРО V I.1 / Ю.Г.Кузьминский, С.В.Шилько / / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасць 2011. 10. Свид. №254 от 16.11.2010 о регистрации ком­ пьютерной программы ДИНАС V1.0 / Ю.Г.Кузьминский, С.В.Шилько / / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасць 2010. 11. Шилько С.В., Кузьминский Ю.Г., Плескачевский Ю.М. Компьютерная диагностика фактического со­ стояния насосных агрегатов как средство повышения энергоэффективности водоснабжения / 3 МНТК При­ боростроение-2010.- Минск: БИТУ, 2010. С.133-134. 12. Кузьминский Ю.Г., Шилько С.В. Анализ энерго­ эффективности трубопроводного транспорта на осно­ ве гидродинамической модели / / 7 МНТК Надежн. и безопасн. магистр, трубопров. транспорта.- Новопо- лоцк: ПГУ, 2011. 13. Адаптивная система управления водоснабже­ нием города / Ю.Г.Кузьминский [и др.] / / Матер. 4 Ме- ждун. н/т конф. Приборостроение-2011.- Минск: БНТУ, 2011. С.104-105. 14. Кузьминский Ю.Г., Шилько С.В. Применение ма­ тематической модели для повышения энергоэффек­ тивности городского водоснабжения / / Междун. конф. «Совр. проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика».- Новосибирск: 2011.- http://conf.nsc.ru/niknik-90/reportview/37764 (Дата обращения 13.01.2013). Режим Производи­ тельность Удельный расход электроэнергии Фактический 100% 100% Изменение пределов давления 100,1% 95,3% Восстановление щелевого уплотнения 100% 89,3%