Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Изобретение относится к области систем водоснабжения и может быть использовано для их оптимизации по критерию минимальной стоимости общих затрат за жизненный цикл.

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 (Н_макс-Н_мин)/(Q_макс-Q_мин), где Н_мин - напор на выходе насоса, обеспечивающий комфортный напор в диктующей точке объекта при минимальном расходе воды, равном Q_мин, Н_макс - напор на выходе насоса, обеспечивающий комфортный напор в диктующей точке объекта при максимальном расходе воды, равном Q_макс (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. При этом, в других точках напор может быть избыточным, что приведет к перерасходу электроэнергии;

- с его применением можно оптимизировать только затраты на оплату электроэнергии без учета затрат на устранение аварий на сетях водоснабжения, которые зависят и от величины расчетного напора.

Задачей настоящего изобретения является снижение затрат на эксплуатационное содержание за жизненный цикл известного способа.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе, заключающемся 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, в соответствии с настоящим способом в качестве насоса применяют группу параллельно установленных насосов, при этом:

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 напора Н₀ воды на выходе насоса при условии обеспечения требуемого напора h_i у всех n потребителей, i=1, 2, …, n, и определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность,

б) выделяют в распределительной сети k зон с требуемым напором p_j на входе в j зону, j=1, 2, …, k, где p₁>p₂, p₂>p₃, …, p_-1>p_k,

в) снижают требуемое значение напора воды на выходе насоса до Н₁ из условия обеспечения требуемого напора p₂ потребителей зоны j=2 и определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение напоров потребителей зоны j=1 с р₂ до p₁,

г) повторяют этап в) снижая требуемое значение напоров воды на выходе насоса до Н₂, …, H_j, …, H_k-1 из условий обеспечения требуемых напоров p_j+1 потребителей зоны и определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, гдеи затраты на инвестиционную и операционную деятельность, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение напоров потребителей зоны j с p_j+1 до p_j, а зоны j-ƒ с p_j+1 до p_j-ƒ, где ƒ=1, …, j-1,

д) определяют требуемое значение напора H_k воды на выходе насоса при условии обеспечения напора p_k на входе в зону k и определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение напоров потребителей зоны j с p_k до p_j,

е) формируют множество u=k+1 пар значений затрат C_u на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл и соответствующих им аргументов - требуемых значений напоров H_u воды на выходе насоса, где u=0, 1, …, k. Определяют функцию С=ƒ(H), которая в точках Н₀, Н₁, …, H_k принимает значения, как можно более близкие к значениям C₀, С₁, …, C_k или равные этим значениям, а заданное значение напора воды на выходе насоса определяют посредством определения напора Н, при котором функция С=ƒ(H) принимает минимальные значения при H₀≤H≤H_k.

Имеется вариант развития, когда затраты на операционную деятельность принимают равными сумме, по меньшей мере, затрат на оплату электроэнергии и затрат на восстановление аварий в распределительной сети, при этом

,

где u=0, …, k; z - номер участка распределительной сети, z=1, 2, …, m; K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆ - эмпирические коэффициенты, зависящие от материала труб; К_и - коэффициент инфляции (коэффициент перехода от базовых цен к текущим); D_z - диаметр труб z-го участка, мм; L_z - длина z-го участка, км; t - продолжительность жизненного цикла, год; H_u - напор воды на выходе из насоса, м.в.с. Отличительными признаками заявляемого способа являются:

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 напора Н₀ воды на выходе насоса при условии обеспечения требуемого напора h_i у всех n потребителей, i=1, 2, …, n.

5. Определение затрат на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность.

6. Выделение в распределительной сети к зон с требуемым напором р.

на входе в у зону, j=1, 2, …, k, где p₁>p₂, p₂>p₃, …, p_-1>p_k.

7. Снижение требуемого значения напора воды на выходе насоса до Н₁ из условий обеспечения требуемого напора р₂ на входе в зону j=2.

8. Определение затрат на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение напоров потребителей зоны j=1 с p₂ до p₁.

9. Снижение требуемого значения напоров воды на выходе насоса до Н₂, …, H_j, …, H_k-1 из условий обеспечения требуемых напоров p_j+1 потребителей зоны j+1.

10. Определение затрат на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение напоров потребителей зоны j с p_j+1 до p_j, а зоны j-ƒ с p_j+1 до p_j-ƒ, где ƒ=1, …, j-1.

11. Определение требуемого значения напора H_k воды на выходе насоса при условии обеспечения напора p_k на входе в зону k.

12. Определение затрат на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение напоров потребителей зоны j с p_k до p_j.

13. Формирование множества u=k+1 пар значений затрат C_u на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл и соответствующих им аргументов - требуемых значений напоров H_j воды на выходе насоса, где u=0, 1, …, k.

14. Определение функции С=ƒ(H), которая в точках Н₀, Н₁, …, H_k принимает значения, как можно более близкие к значениям C₀, С₁, …, C_k или равные этим значениям.

15. Определение заданного значения напора воды на выходе насоса посредством определения напора Н, при котором функция С=ƒ(H) принимает минимальные значения при H₀≤H≤H_k.

16. Определение затрат на операционную деятельность равными сумме, по меньшей мере, затрат на оплату электроэнергии и затрат на восстановление аварий в распределительной сети, которые определяются по формуле

,

где u=0, …, k; z - номер участка распределительной сети, z=1, 2, …, m; K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆ - эмпирические коэффициенты, зависящие от материала труб; К_и - коэффициент инфляции (коэффициент перехода от базовых цен к текущим); D_z - диаметр труб z-го участка, мм; L_z - длина z-го участка, км; t - продолжительность жизненного цикла, год; H_u - 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, 12-16.

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 затрат C_u на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл t=10 годам, в которой технолого-экономические параметры - напор на входе в насос, м.в.с., подача насоса, м³/ч, коэффициент полезного действия (КПД) насоса, потребляемая мощность насоса P_насоса, 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 P_насоса+P_ИПНС, кВт, количество аварий на распределительной сети, шт. / 10 лет, стоимость ликвидации аварий на распределительной сети за 10 лет С_u^ав, млн. руб., оплата электроэнергии за 10 лет С_u^эл, млн. руб. определены на этапе гидравлического моделирования системы водоснабжения, на фиг. 3 - график с результатами формирования множества u=k+1 пар значений затрат C_u на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл и соответствующих им аргументов - требуемых значений напоров H_u воды на выходе насоса, определения функции С=ƒ(H) и определения напора Н, при котором она принимает минимальные значения при H₀≤H≤H_k.

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 напора Н₀=64 м.в.с. воды на выходе насоса 1 при условии обеспечения требуемого напора h_i у всех n потребителей 6, i=1, 2, …, n. На фиг. 1 в качестве примера приведена система водоснабжения, обслуживающая 32 потребителя, т.е. n=32. В этом режиме определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность. При этом затраты на инвестиционную деятельность включают в себя затраты на капитальное строительство, реконструкцию и определяются общепринятым способом по сметному расчету. Понятие сметный расчет доступно для понимания специалистами, т.к. определено согласно МДС 11-18.2005. В рассматриваемом примере затраты могут быть в общем случае равны сумме инвестиционных затрат на:

- 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 напор h_i 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 млн. руб.

Затраты на операционную деятельность в соответствии с настоящим изобретением равны сумме, по меньшей мере, затрат на оплату электроэнергии и затрат на восстановление аварий в распределительной сети. При этом

,

где z - номер участка распределительной сети, z=1, 2, …, m; K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆ - эмпирические коэффициенты, зависящие от материала труб, K_и - коэффициент инфляции (коэффициент перехода от базовых цен к текущим); H₀=64 м.в.с.; D_z - диаметр труб z-го участка, мм; L_z - длина z-го 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 приведены в таблице на фиг. 2. В ней же приведены результаты расчета затрат на оплату электроэнергии, вычисленные по известным зависимостям.

На этапе б) выделяют в распределительной сети k зон с требуемым напором p_j, на входе в j зону, j=1, 2, …, k, где p₁>p₂, p₂>p₃, …, p_-1>p_k. На фиг. 1 приведен пример такого выделения k=4 зон. Первая зона (на фиг. 1 обозначенная позицией 7) с требуемым напором на входе в зону p₁=60 м.в.с. Вторая зона (на фиг. 1 обозначенная позицией 8) с требуемым напором на входе в зону р₂=40 м.в.с. Третья зона (на фиг. 1 обозначенная позицией 9) с требуемым напором на входе в зону р₃=25 м.в.с. Четвертая зона (на фиг. 1 обозначенная позицией 10) с требуемым напором на входе в зону р₄=20 м.в.с.

На этапе в) снижают требуемое значение напора воды на выходе насоса до H₁=43 м.в.с. из условии обеспечения требуемого напора р₂=40 м.в.с. на входе в зону j=2, и определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение напора с р₂=40 м.в.с. до р₁=60 м.в.с. В этом режиме количество индивидуальных повысительных насосных станций равно 4, т.е. числу потребителей, находящихся в первой зоне. Затраты на их эксплуатационное содержание за жизненный цикл определяются аналогично затратам на эксплуатационное содержание насоса 1 за жизненный цикл. Результаты расчета по этому режиму приведены в таблице на фиг. 2.

Далее (этап г) повторяют этап в) снижая требуемое значение напора воды на выходе насоса до Н₂=27 м.в.с., Н₃=21 м.в.с., из условий обеспечения требуемого напора p₃=25 м.в.с., р₄=20 м.в.с. на входе в зону 3 и 4 соответственно, и определяют затраты С₂, С₃, на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, в том числе обеспечивающей повышение напора воды у потребителей в зонах при напоре воды на выходе из насоса Н₂=27 м.в.с. с р₃=25 м.в.с. до p₁=60 м.в.с., с р₃=25 м.в.с. до р₄=40 м.в.с., при напоре воды Н₃=21 м.в.с. с р₄=20 м.в.с. до p₁=60 м.в.с., с р₄=20 м.в.с. до р₂=40 м.в.с., с р₄=20 м.в.с. до р₃=25 м.в.с.

На этапе д) определяют требуемое значение напора Н₄=20 м.в.с. воды на выходе насоса при условии обеспечения напора p₅=19 м.в.с. на входе в зону 4, и определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение напоров потребителей всех зон до требуемых значений при напоре воды Н₄=20 м.в.с. с р₅=19 м.в.с. до p₁=60 м.в.с., р₅=19 м.в.с. до р₂=40 м.в.с., с р₅=19 м.в.с. до p₃=25 м.в.с., с p₅=19 м.в.с. до р₄=20 м.в.с.

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 С₀=38,43 млн. руб., C₁=36,38 млн. руб., С₂=37,2 млн. руб., С₃=44,66 млн. руб., С₄=63,21 млн. руб. и соответствующих им аргументов - требуемых значений напоров Н₀=64 м.в.с., H₁=43 м.в.с., Н₂=27 м.в.с., Н₃=21 м.в.с., Н₄=20 м.в.с. воды на выходе насоса. Далее, определяют функцию C=ƒ(H), которая в точках H₀, H₁, …, H₄ принимает значения, как можно более близкие к значениям C₀, С₁, …, С₄ или равные этим значениям. Результаты этого этапа приведены в графическом виде на фиг. 3. Парные значения представлены на фиг. 3 позицией 11, а функция С=ƒ(H) - позицией 12.

На завершающем этапе определяют заданное значение напора воды на выходе насоса посредством определения напора Н, при котором функция С=ƒ(H) принимает минимальные значения при H₀≤H≤H_k. На фиг. 3 приведен результат такой оценки, из которого видно, что оптимальным является напор Н=43 м.в.с.

Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию «промышленная применимость».