Код документа: RU2620742C1
Изобретение относится к области систем водоснабжения и может быть использовано для их оптимизации по критерию минимальной стоимости общих затрат за жизненный цикл и затрат на оплату электроэнергии.
Известен способ управления электродвигателем насоса водоснабжения, включающий замеры напоров в расчетных точках системы водоснабжения, введение замеренных значений напоров в модель системы и изменение подачи воды по результатам моделирования [SU 1260460, МПК Е03В 1/00, 1986 г.].
Для этого способа характерны следующие недостатки, ограничивающие его применение с целью оптимизации системы водоснабжения:
- высокие капитальные затраты, поскольку способ требует установки измерительных датчиков в нескольких точках объекта водоснабжения и дистанционной передачи их показаний в систему управления электропривода;
- низкая эффективность, поскольку результат работы зависит от адекватности модели конкретному объекту водоснабжения. Кроме того, при незначительном внесении изменений в систему требуется корректировка модели.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу служит «Способ управления электродвигателем насоса водоснабжения», заключающийся в том, что измеряют напор воды на выходе насоса, сравнивают измеренный напор с заданным значением и минимизируют отклонение измеряемого напора от заданного значения путем воздействия на частоту вращения электродвигателя насоса, отличающийся тем, что измеряют расход воды и формируют заданное значение напора в виде суммы минимального напора и переменной составляющей, находящейся в прямой зависимости от измеренного расхода воды. Имеются варианты развития, когда:
- переменную составляющую заданного значения напора формируют пропорционально измеренному расходу воды;
- коэффициент пропорциональности определяют как отношение (Нмакс* Нмин)/(Qмакс -Qмин), где Нмин - напор на выходе насоса, обеспечивающий комфортный напор в диктующей точке объекта при минимальном расходе воды, равном Qмин, Нмакс - напор на выходе насоса, обеспечивающий комфортный напор в диктующей точке объекта при максимальном расходе воды, равном Qмакс (см. патент РФ №2346114 (приоритет от 22.06.2007 г.) «Способ управления электродвигателем насоса водоснабжения»).
Для указанного способа характерны высокие затраты на эксплуатационное содержание за жизненный цикл, поскольку:
- им предусмотрено поддержание расчетного напора во всей распределительной сети водоснабжения, ориентируясь только на одну или несколько диктующих точек, как правило, расположенных в отдаленных зонах. При этом в других зонах напор может быть избыточным, что приведет к перерасходу электроэнергии;
- с его применением можно оптимизировать только затраты на оплату электроэнергии без учета других эксплуатационных затрат, например, на устранение аварий на сетях водоснабжения, которые зависят и от величины расчетного напора. По этой причине однопараметрическая оптимизация может привести к результату, когда затраты на оплату электроэнергии будут минимальны, а в целом, эксплуатационные затраты возрастут.
Задачей настоящего изобретения является снижение электропотребления и затрат на эксплуатационное содержание за жизненный цикл известного способа.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе, заключающимся в том, что измеряют напор воды на выходе насоса, сравнивают измеренный напор с заданным значением и минимизируют отклонение измеряемого напора от заданного значения путем воздействия на частоту вращения электродвигателя насоса, при этом формируют заданное значение напора в виде суммы минимального напора и переменной составляющей, в соответствии с настоящим способом:
- в качестве насоса применяют группу параллельно установленных насосов,
а) создают гидравлическую модель системы водоснабжения, включающую насос, систему трубопроводов, подводящих воду к входу насоса, и систему трубопроводов, присоединенных к выходу насоса и подающих воду в распределительную сеть, проводят гидравлическое моделирование системы водоснабжения, определяют требуемое значение минимального напора H0 воды на выходе насоса при условии обеспечения требуемого минимального напора hi у всех n потребителей, i=1, 2, ..., n, и определяют затраты
б) выделяют в распределительной сети k зон с требуемым минимальным напором pj на входе в j зону, j = 1, 2, ..., k, где
в) снижают требуемое значение минимального напора воды на выходе насоса до H1 из условия обеспечения требуемого минимального напора p2 потребителей зоны j=2 и определяют затраты
жизненный цикл, обеспечивающей повышение минимального напора потребителей зоны j=1 с p2 до p1,
г) повторяют этап в), снижая требуемое значение минимальных напоров воды на выходе насоса до
д) определяют требуемое значение минимального напора Hk воды на выходе насоса при условии обеспечения требуемого минимального напора pk на входе в зону k и определяют затраты
е) формируют множество u=k+1 пар значений затрат Cu на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл и соответствующих им аргументов - требуемых значений минимальных напоров Hu воды на выходе насоса, множество дополнительных u пар значений затрат
Имеется вариант развития, когда затраты
где z - номер участка распределительной сети, z=1, 2, ..., m; K1, K2, Kз, K4, K5, K6 - эмпирические коэффициенты, зависящие от материала труб; Kи - коэффициент инфляции (коэффициент перехода от базовых цен к текущим); Dz - диаметр труб z-гo участка, мм; Lz - длина z-гo участка, км; t - продолжительность жизненного цикла, год; Hu - напор воды на выходе из насоса, м.в.с.
Отличительными признаками заявляемого способа является следующее:
1. Применение в качестве насоса группы параллельно установленных насосов.
2. Создание гидравлической модели системы водоснабжения, включающей насос, систему трубопроводов, подводящих воду к входу насоса, и систему трубопроводов, присоединенных к выходу насоса и подающих воду в распределительную сеть.
3. Проведение гидравлического моделирования системы водоснабжения.
4. Определение требуемого значения минимального напора воды на выходе насоса при условии обеспечения требуемого минимального напора hi у всех n потребителей, i=l, 2, ..., n.
5. Определение затрат
6. Выделение в распределительной сети k зон с требуемым минимальным напором pj на входе в j зону, j= 1, 2, ..., k, где
7. Снижение требуемого значения минимального напора воды на выходе насоса до H1 из условий обеспечения требуемого минимального напора p2 на входе в зону j=2.
8. Определение затрат
9. Снижение требуемых значений минимальных напоров воды на выходе насоса до
10. Определение затрат
11. Определение требуемого значения минимального напора Hk воды на выходе насоса при условии обеспечения минимального напора pk на входе в зону k.
12. Определение затрат
13. Формирование множества k+1 пар значений затрат Cj на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл и соответствующих им аргументов - требуемых значений минимальных напоров Hj воды на выходе насоса, где j=0, 1, ..., k.
14. Формирование множества u=k+1 пар значений затрат
15. Определение функции
16. Определение функции
17. Определение заданного значения минимального напора воды на выходе насоса посредством определения напора H=max(Hэс, Hэл), при котором функции
18. Определение затрат
где z - номер участка распределительной сети, z=1, 2, ..., m; K1, K2, K3, K4, K5, K6 - эмпирические коэффициенты, зависящие от материала труб; Kи - коэффициент инфляции (коэффициент перехода от базовых цен к текущим); Dz - диаметр труб z-гo участка, мм; Lz - длина z-гo участка, км, t - продолжительность жизненного цикла, год; Hu - напор воды на выходе из насоса, м.в.с.
По сведениям, имеющимся у авторов, отличительные признаки 1-5 в литературе известны, а остальные - нет. Совместное их применение в заявляемом способе позволяет снизить затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, поскольку:
- им предусмотрено зонирование распределительной сети системы водоснабжения с поддержанием в каждой зоне минимально допустимого напора. Таким образом избегают переизбытка напора, что приведет к снижению расхода электроэнергии. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков 1 - 4, 6 - 7, 9, 11;
- им предусмотрена оптимизация не только затрат на оплату электроэнергии, но и с учетом затрат на устранение аварий на сетях водоснабжения, которые зависят и от величины расчетного напора. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков 5, 8, 10, 12-18. При этом затраты на оплату электроэнергии будут минимизированы до уровня, при котором в целом, эксплуатационные затраты не возрастут. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков 13-16.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы водоснабжения, на которой может быть реализована предлагаемая система, на фиг. 2 - таблица с результатами определения на этапе гидравлическое моделирование системы водоснабжения за жизненный цикл t=10 лет следующих технолого-экономических параметров - давления на входе в насос, м.в.с, подачи насоса, м3/ч, коэффициент полезного действия (КПД) насоса, потребляемая мощность насоса Рнасоса, кВт, затраты на реконструкцию насоса, млн. руб., количество индивидуальных повысительных насосных станций (ИПНС), затраты на внедрение всех ИПНС, млн. руб., подача всех ИПНС, м3/ч, потребляемая мощность ИПНС Рипнс, кВт, общая потребляемая мощность Рнасоса+Рипнс, кВт, количество аварий на распределительной сети, шт./10 лет, стоимость ликвидации аварий на распределительной сети за 10 лет Cjав, млн. руб., оплата электроэнергии за 10 лет Cjэл, млн. руб., на фиг. 3 - график с результатами формирования множества u=k+1 пар значений затрат Cu на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл и соответствующих им аргументов - требуемых значений минимальных напоров Hu воды на выходе насоса, множества дополнительных u пар значений
Осуществление изобретения.
Способ может быть реализован в системе водоснабжения, общий вид которой представлен на фиг. 1. Система водоснабжения включает в себя насос 1, представленный в виде группы 2 параллельно установленных насосов, систему трубопроводов 3, подводящих воду к входу насоса, и систему трубопроводов 4, присоединенных к выходу насоса 1 и подающих воду в распределительную сеть 5, на которой расположены потребители 6.
В процессе реализации способа на этапе а) создают гидравлическую модель системы водоснабжения, включающую насос 1, систему трубопроводов 3, подводящих воду к входу насоса, и систему трубопроводов 4, присоединенных к выходу 1 насоса и подающих воду в распределительную сеть 5. Настоящим изобретением не исключаются различные варианты создания гидравлической модели, например, математической, реализуемой на компьютере с применением специальных программ, или натурной. Проводят гидравлическое моделирование системы водоснабжения, определяют требуемое значение минимального напора Hc = 64 м.в.с. воды на выходе насоса 1 при условии обеспечения требуемого минимального напора hi у всех n потребителей 6, i=l, 2, …, n. При этом настоящим способом допускается применение различных методов формирования переменной составляющей напора, например:
- как в прототипе, пропорционально измеренному расходу воды;
- по суточному графику.
На фиг.1 в качестве примера приведена система водоснабжения, обслуживающая 32 потребителя, т.е. n=32. В этом режиме определяют затраты
- реконструкцию насоса 1 (насосной станции);
- реконструкцию распределительной сети 5;
внедрение индивидуальной повысительной насосной станции/станций (ИПНС).
На этапе а) внедрение индивидуальной повысительной насосной станции/станций не требуется, поскольку в этом режиме требуемый минимальный напор hi обеспечивается у всех 32 потребителей, проводить реконструкцию распределительной сети 5 по результатам моделирования не целесообразно. Поэтому, в этом режиме затраты на инвестиционную деятельность равны затратам на реконструкцию насоса 1 (насосной станции) и включены в таблицу на фиг. 2, где
Затраты
где z- номер участка распределительной сети, z=l, 2, …, m; K1, K2, K3, K4, K5, K6 - эмпирические коэффициенты, зависящие от материала труб, Kи - коэффициент инфляции (коэффициент перехода от базовых цен к текущим); H0=64 м.в.с; Dz - диаметр труб z-гo участка, мм; Lz - длина z-гo участка, км, t - продолжительность жизненного цикла, год. В рассматриваемом примере m=76, K1=5,6, K2=-0,7, K3=0,7, K4=7⋅10-5, K5=0,1389, K6=7,9259, t=10 лет.
Результаты расчета
На этапе б) выделяют в распределительной сети k зон с требуемым минимальным напором pj на входе в j зону, j=l, 2, …, k, где
На этапе в) снижают требуемое значение минимального напора воды на выходе насоса до H1 = 43 м.в.с. из условии обеспечения требуемого минимального напора p2 = 40 м.в.с. на входе в зону j=2, и определяют затраты
Далее (этап г) повторяют этап в), снижая требуемое значение минимального напора воды на выходе насоса до H2 = 27 м.в.с., H3 = 21 м.в.с., из условий обеспечения требуемого минимального напора p3 = 25 м.в.с., p4 = 20 м.в.с. на входе в зону 3 и 4 соответственно, и определяют затраты C2, C3, на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, обеспечивающей повышение напора при минимальном напоре воды H2 = 27 м.в.с. с p3 = 25 м.в.с. до p1 = 60 м.в.с., с p3 = 25 м.в.с. до p2 = 40 м.в.с., при минимальном напоре воды H3 = 21 м.в.с. с p4 = 20 м.в.с. до p1 = 60 м.в.с., с p4 = 20 м.в.с. до p2 = 40 м.в.с., с p4 = 20 м.в.с. до p3 = 25 м.в.с.
На этапе д) определяют требуемое значение минимального напора H4 = 20 м.в.с. воды на выходе насоса при условии обеспечения минимального напора p5 = 19 м.в.с. на входе в зону 4, и определяют затраты
Результаты расчета по этому режиму приведены в таблице на фиг. 2.
На этапе е) формируют множество k=5 пар значений затрат на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл C0 = 38,43 млн. руб., C1 = 36,38 млн. руб., C2 = 37,2 млн. руб., C3 = 44,66 млн. руб., C4 = 63,21 млн. руб. и соответствующих им аргументов - требуемых значений минимальных напоров H0 = 64 м.в.с, H1 = 43 м.в.с., H2 = 27 м.в.с., H3 = 21 м.в.с., H4 = 20 м.в.с. воды на выходе насоса. Далее, определяют функцию
Кроме того, на этапе е) формируют множество дополнительных k=5 пар значений затрат на оплату электрической энергии за жизненный цикл
На завершающем этапе определяют заданное значение минимального напора воды на выходе насоса посредством определения напора H=max(Hэс, Hэл), при котором функции
Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение относится к области систем водоснабжения и может быть использовано для их оптимизации. Задачей настоящего изобретения является снижение электропотребления и затрат на эксплуатационное содержание за жизненный цикл. Способ энергосбережения в системах водоснабжения заключается в том, что измеряют напор воды на выходе насоса, сравнивают измеренный напор с заданным значением и минимизируют отклонение измеряемого напора от заданного значения путем воздействия на частоту вращения электродвигателя насоса, при этом формируют заданное значение напора в виде суммы минимального напора и переменной составляющей, при этом в качестве насоса применяют группу параллельно установленных насосов. Создают гидравлическую модель системы водоснабжения, включающую насос, систему трубопроводов, подводящих воду к входу насоса, и систему трубопроводов, присоединенных к выходу насоса и подающих воду в распределительную сеть, проводят гидравлическое моделирование системы водоснабжения, определяют требуемое значение минимального напора воды на выходе насоса при условии обеспечения требуемого минимального напора у всех потребителей, определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл. Выделяют в распределительной сети зоны c требуемым минимальным напором. Снижают требуемое значение минимального напора воды на выходе насоса из условия обеспечения требуемого минимального напора потребителей зоны и определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл. Повторяют этап снижения требуемых значений минимальных напоров воды на выходе насоса из условий обеспечения требуемых минимальных напоров потребителей зоны и определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл. Определяют требуемое значение минимального напора воды на выходе насоса при условии обеспечения минимального напора на входе в зону и определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл. Формируют множество пар значений затрат на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл и соответствующих им аргументов - требуемых значений минимальных напоров воды на выходе насоса, множество дополнительных пар значений затрат на оплату электрической энергии и соответствующих им аргументов - требуемых значений минимальных напоров воды на выходе насоса. И определяют заданное значение минимального напора воды на выходе насоса. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Комментарии