Результат интеллектуальной деятельности: Способ энергосбережения в системах водоснабжения

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 (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, 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 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, включающие затраты на оплату электрической энергии,

б) выделяют в распределительной сети k зон с требуемым минимальным напором p_j 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 на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность, включающие затраты на оплату электрической энергии, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за

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 из условий обеспечения требуемых минимальных напоров p_j+1 потребителей зоны j+1, и определяют затраты на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность, включающие затраты на оплату электрической энергии, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение минимального напора потребителей зоны j с p_j+1 до p_j, а зоны j-f с p_j+1 до p_j-1, где f=1, ..., j-1,

д) определяют требуемое значение минимального напора H_k воды на выходе насоса при условии обеспечения требуемого минимального 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, включающие затраты на оплату электрической энергии, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение минимального напора 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 минимальных напоров H_u воды на выходе насоса, множество дополнительных u пар значений затрат на оплату электрической энергии и соответствующих им аргументов - требуемых значений минимальных напоров H_u воды на выходе насоса, где u=0, 1,..., k, определяют функции и , которые в точках H₀, H₁, …, H_k принимают значения, как можно более близкие к значениям C₀, C₁, …, C_k и или равные этим значениям, а заданное значение минимального напора воды на выходе насоса определяют посредством определения напора H=max(H^эс, H^эл), при котором функции и принимают минимальные значения при и .

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 z - номер участка распределительной сети, z=1, 2, ..., m; K₁, K₂, Kз, K₄, K₅, K₆ - эмпирические коэффициенты, зависящие от материала труб; K_и - коэффициент инфляции (коэффициент перехода от базовых цен к текущим); D_z - диаметр труб z-гo участка, мм; L_z - длина z-гo участка, км; t - продолжительность жизненного цикла, год; H_u - 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 h_i у всех n потребителей, i=l, 2, ..., n.

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

6. Выделение в распределительной сети k зон с требуемым минимальным напором p_j 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 на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где и - затраты на инвестиционную и операционную деятельность, включающие затраты на оплату электрической энергии, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение минимального напора потребителей зоны j=l с p₂ до p₁.

9. Снижение требуемых значений минимальных напоров воды на выходе насоса до из условий обеспечения требуемых минимальных 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, включающие затраты на оплату электрической энергии, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение минимального напора потребителей зоны j с p_j+1 до p_j, а зоны j-f с p_j+1 до p_j-f, где f=1, ..., j-1.

11. Определение требуемого значения минимального напора H_k воды на выходе насоса при условии обеспечения минимального 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, включающие затраты на оплату электрической энергии, - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение минимального напора потребителей зоны j с p_k до p_j.

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

14. Формирование множества u=k+1 пар значений затрат на оплату электрической энергии и соответствующих им аргументов - требуемых значений минимальных напоров воды на выходе насоса, где u=0, 1, ..., k.

15. Определение функции , которая в точках H₀, H₁, …, H_k принимает значения, как можно более близкие к значениям C₀, C₁, …, C_k или равные этим значениям.

16. Определение функции , которая в точках H₀, H₁, …, H_k принимает значения, как можно более близкие к значениям или равные этим значениям.

17. Определение заданного значения минимального напора воды на выходе насоса посредством определения напора H=max(H^эс, H^эл), при котором функции и принимают минимальные значения при и .

18. Определение затрат на операционную деятельность равными 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); D_z - диаметр труб z-гo участка, мм; L_z - длина z-гo 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, 12-18. 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 Р_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 Р_ипнс, кВт, общая потребляемая мощность Р_насоса+Р_ипнс, кВт, количество аварий на распределительной сети, шт./10 лет, стоимость ликвидации аварий на распределительной сети за 10 лет C_j^ав, млн. руб., оплата электроэнергии за 10 лет C_j^эл, млн. руб., 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 минимальных напоров H_u воды на выходе насоса, множества дополнительных u пар значений затрат на оплату электрической энергии и соответствующих им аргументов - требуемых значений минимальных напоров Hu воды на выходе насоса, где u=0, 1, …, k, и определения функции и , которые в точках H₀, H₁, …, H_k принимает значения, как можно более близкие к значениям C₀, C₁, …, C_k и или равные этим значениям, и определения заданного значения минимального напора воды на выходе насоса посредством определения напора Н=max(H^эс, H^эл), при котором функции и принимают минимальные значения при и .

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 H_c = 64 м.в.с. воды на выходе насоса 1 при условии обеспечения требуемого минимального напора h_i 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 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 минимальный 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 =18 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=l, 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-гo участка, мм; L_z - 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 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 минимальным напором p_j на входе в j зону, j=l, 2, …, k, где . На фиг. 1 приведен пример такого выделения k=4 зон. Первая зона (на фиг. 1 обозначенная позицией 7) с требуемым минимальным напором на входе в зону p_1' = 60 м.в.с. Вторая зона (на фиг. 1 обозначенная позицией 8) с требуемым минимальным напором на входе в зону p_2' = 40 м.в.с. Третья зона (на фиг. 1 обозначенная позицией 9) с требуемым минимальным напором на входе в зону p_3' = 25 м.в.с. Четвертая зона (на фиг. 1 обозначенная позицией 10) с требуемым минимальным напором на входе в зону p_4' = 20 м.в.с.

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 на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение минимального напора с p₂ = 40 м.в.с. до p₁ = 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 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 на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл, где - затраты на эксплуатационное содержание индивидуальной повысительной насосной станции/станций за жизненный цикл, обеспечивающей повышение минимального напора потребителей всех зон до требуемых значений при минимальном напоре воды H₄ = 20 м.в.с. с p₅ = 19 м.в.с. до p₁ = 60 м.в.с., с p₅ = 19 м.в.с. до p₂ = 40 м.в.с., с p₅ = 19 м.в.с. до p₃ = 25 м.в.с., с p₅ = 19 м.в.с. до p₄ = 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 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 , которая в точках H₀, H₁, …, H₄ принимает значения, как можно более близкие к значениям C₀, C₁, …, C₄ или равные этим значениям. Результаты этого этапа приведены в графическом виде на фиг. 3. Парные значения представлены на фиг. 3 позицией 11, а функция - позицией 12.

Кроме того, на этапе е) формируют множество дополнительных k=5 пар значений затрат на оплату электрической энергии за жизненный цикл = 11,82 млн. руб., = 9,42 млн. руб., С₂^эл = 7,66 млн. руб., С₃^эл = 7,72 млн. руб., С₄^эл = 8,37 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 , которая в точках H₀, H₁, …, H₄ принимает значения, как можно более близкие к значениям C₀, C₁, …, C₄ или равные этим значениям. Результаты этого этапа приведены в графическом виде на фиг. 3. Парные значения представлены на фиг. 3 позицией 13, а функция - позицией 14.

На завершающем этапе определяют заданное значение минимального напора воды на выходе насоса посредством определения напора H=max(H^эс, H^эл), при котором функции и принимают минимальные значения при и . На фиг. 3 приведен результат такой оценки, из которого видно, что оптимальным является минимальный напор H=max(H^эс, H^эл) max(43,27)=43 м.в.с.

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