ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

Система относится к области водоотведения, а так же устройств для диагностики и оптимизации работы насосов.
Известен способ измерения расхода и объема многофазной жидкости в условиях пульсирующего потока. Сущность заключается в том, что рабочий объем приемной камеры КНС определяется между двумя датчиками высоты, которые фиксируются в процессе калибровки. Калибровку осуществляют стандартным ультразвуковым (или электромагнитным) расходомером-счетчиком. Периодичность калибровки проводится в зависимости от скорости зарастания камеры. Искомый объем сточных вод за нужный промежуток времени определяется как сумма рабочих объемов за каждый конкретный цикл. При этом в каждый цикл входит полное заполнение камеры сточными водами и ее полная откачка (см. Патент на изобретение RU 2294528, патентообладатель - ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» (заявка №2006100763/28, G01F 1/00, приоритет от 10.01.2006).
Для указанного способа характерна узкая область применения, т.к. он рассчитан только на решение задач коммерческого учета объема перекаченных стоков. При этом, при его помощи нельзя решать задачи оптимизации энергопотребления КНС поскольку он не позволяет определять и анализировать фактические энергетические характеристики эксплуатируемых насосов.
Известен ряд устройств, позволяющих ликвидировать недостаток указанного способа, т.е. определять и анализировать фактические энергетические характеристики эксплуатируемых насосов, например, описанные в полезной модели РФ «Система управления энергопотреблением насосных станций предприятия коммунального хозяйства», №62668, МПК F04B 51/00, 27.04.2007. Известная система включает в себя модуль анализа диагностируемых параметров, включающий блок сравнения подач, блок коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, блок коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса, блок анализа диагностируемых параметров, блок ввода эталонного диагностируемого параметра, модуль оптимизации энергопотребления, включающим блок анализа удельного энергопотребления, блок ввода диагностируемых параметров насосов-конкурентов, блок анализа удельного энергопотребления насосов-конкурентов.
Для указанной системы характерна узкая область применения, т.к. она рассчитана только на решение задач по мониторингу и оптимизации работы повысительных насосных станций систем водоснабжения, в которых расходы воды на входе и выходе одинаковые, т.е. без разрыва струи и не зависят от погоды (идет дождь или нет). По этой причине с применением этой системы решение задач по мониторингу и оптимизации работы канализационных насосных станций не представляется возможным.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели служит «Система управления энергопотреблением при эксплуатации общесплавных канализационных насосных станций» (см. патент РФ №94291, F04B 51/00, приоритет от 15.12.2009 г.). Указанная система может быть применена для мониторинга и оптимизации работы канализационных насосных станций (КНС), т.к. включает в себя:
модуль перекачки воды, содержащий, по меньшей мере, два насоса с всасывающими и напорными трубопроводами, приемный резервуар с подводящим трубопроводом;
модуль анализа диагностируемых параметров, содержащий блок сравнения подач, блок коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, блок коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса, блок анализа диагностируемых параметров, блок ввода эталонного диагностируемого параметра;
модуль контрольно-измерительных приборов, содержащий, по меньшей мере, два датчика подачи насоса, по меньшей мере, два датчика давления, установленные соответственно на всасывающем и напорном трубопроводах, датчик частоты вращения вала насоса, измеритель потребляемой мощности;
модуль оптимизации энергопотребления, содержащий блок формирования гидравлических характеристик сетей, блок анализа энергопотребления, выполненный с возможностью определения суммарного энергопотребления, блок ввода диагностируемых параметров насосов-конкурентов, блок анализа энергопотребления насосов-конкурентов, блок ввода объема приемного резервуара, блок ввода характеристик бассейна канализования.
Для указанной системы характерна узкая область применения, т.к. она рассчитана только на решение задач по мониторингу и оптимизации работы канализационных насосных станций на стадии обследования и экономического обоснования (с учетом электропотребления) варианта реконструкции. По этой причине применением этой системы для решение задач по оперативному управлению энергопотреблением на стадии эксплуатации канализационных насосных станций не представляется возможным, поскольку:
- система не может самостоятельно диагностировать дополнительные сопротивления, например, неполное открытие обратных клапанов, которыми оборудованы все канализационные насосные станции. Опыт эксплуатации КНС показывает, что это явление не редкое и приводит к увеличению электропотребления в 1,5-1,75 раза, т.к. засоренный или частично открытый обратный клапан создает дополнительное сопротивление при перекачке воды;
- система не может самостоятельно диагностировать состояние, при котором обратный клапан не закрывается. Опыт эксплуатации КНС показывает, что это явление не редкое и приводит к увеличению электропотребления в 1,5-2 раза, т.к. полностью или частично открытый обратный клапан, установленный после неработающего насоса, создает внутренний переток, когда часть воды, подаваемая работающим насосом, через этот обратный клапан возвращается в приемный резервуар;
Задачей настоящей полезной модели является расширение области применения известной системы.
Поставленная задача решена так, что в известной системе, включающей модуль перекачки воды, содержащий приемный резервуар с подводящим трубопроводом, по меньшей мере, два насоса с напорными трубопроводами и всасывающими трубопроводами, соединенными с приемным резервуаром, модуль контрольно-измерительных приборов, содержащий, по меньшей мере, измеритель потребляемой мощности, модуль анализа диагностируемых параметров, модуль оптимизации энергопотребления, в соответствии с настоящей полезной моделью модуль перекачки воды, дополнительно снабжен, внутренним напорным коллектором, по меньшей мере, с двумя выходами, соединенным с напорными трубопроводами насосов, по меньшей мере, двумя электроприводами насосов, по меньшей мере, одним блоком электропитания насосов, по меньшей мере, двумя питающими кабелями и одним измерительным кабелем, по меньшей мере, двумя обратными клапанами, установленными на напорных трубопроводах, при этом блок электропитания насосов при помощи питающих кабелей соединен с электроприводами насосов, а измерительным кабелем соединен с измерителем потребляемой мощности, модуль анализа диагностируемых параметров дополнительно снабжен архивным блоком и блоком анализа дополнительных сопротивлений, при этом, выход измерителя потребляемой мощности соединен с входом архивного блока, выход архивного блока - с входом блока анализа дополнительных сопротивлений, модуль оптимизации энергопотребления дополнительно снабжен блоком формирования аварийного сообщения, при этом, выход блока анализа дополнительных сопротивлений соединен с входом блока формирования аварийного сообщения.
Имеется вариант развития, когда модуль анализа диагностируемых параметров дополнительно снабжен блоком анализа внутреннего перетока, вход которого соединен с выходом архивного блока, а выход - соединен с входом блока формирования аварийного сообщения. Имеется вариант развития, когда модуль перекачки воды дополнительно снабжен низкоскоростным высокомоментным измельчителем твердых частиц, установленным на подводящем трубопроводе и/или в приемном резервуаре.
Отличительными признаками заявляемой системы Энергосберегающей системы оперативного управления энергопотреблением при эксплуатации канализационных насосных станций являются:
1. Дополнительное снабжение модуля перекачки воды внутренним напорным коллектором, по меньшей мере, с двумя выходами;
2. Соединение напорных трубопроводов насосов с внутренним напорным коллектором;
3. Дополнительное снабжение модуля перекачки воды, по меньшей мере, двумя электроприводами насосов;
4. Дополнительное снабжение модуля перекачки воды, по меньшей мере, одним блоком электропитания насосов;
5. Дополнительное снабжение модуля перекачки воды, по меньшей мере, двумя питающими кабелями;
6. Дополнительное снабжение модуля перекачки воды, по меньшей мере, одним измерительным кабелем;
7. Дополнительное снабжение модуля перекачки воды, по меньшей мере, двумя обратными клапанами,
8. Установка обратных клапанов на напорных трубопроводах;
9. Соединение блока электропитания насосов при помощи питающих кабелей с электроприводами насосов;
10. Соединение блока электропитания насосов при помощи измерительного кабеля с измерителем потребляемой мощности;
11. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров архивным блоком;
12. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком анализа дополнительных сопротивлений;
13. Соединение выхода измерителя потребляемой мощности с входом архивного блока;
14. Соединение выхода архивного блока с входом блока анализа дополнительных сопротивлений;
15. Дополнительное снабжение модуля оптимизации энергопотребления блоком формирования аварийного сообщения;
16. Соединение выхода блока анализа дополнительных сопротивлений с входом блока формирования аварийного сообщения;
17. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком анализа внутреннего перетока;
18. Соединение входа блока анализа внутреннего перетока с выходом архивного блока;
19. Соединение выхода блока анализа внутреннего перетока с входом блока формирования аварийного сообщения;
20. Дополнительно снабжение модуля перекачки воды низкоскоростным высокомоментным измельчителем твердых частиц;
21. Установка низкоскоростного высокомоментного измельчителя твердых частиц на подводящем трубопроводе и/или в приемном резервуаре. По сведениям, имеющимся у авторов, отличительные признаки 1-11,13 в технической литературе известны, а остальные - нет, что отвечает условию патентоспособности «новизна». Совместное применение в заявляемом устройстве указанных отличительных признаков позволяет получить положительный эффект, который заключается в том, что расширяется область применения системы, т.к. она может быть применена для решения задач по оперативному управлению энергопотреблением на стадии эксплуатации канализационных насосных станций. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков 1-19, т.к.:
- за счет применения отличительных признаков 1-16 появляется возможность самостоятельно диагностировать засорение или неполное открытие обратных клапанов и формировать об этом аварийное сообщение;
- за счет применения отличительных признаков 1-11, 13, 15, 17-19 появляется возможность самостоятельно диагностировать состояние, при котором обратный клапан не закрывается и формировать об этом аварийное сообщение;
- за счет применения отличительных признаков 20, 21 появляется возможность измельчать твердые частицы, содержащиеся в сточных водах, и тем самым уменьшить вероятность засорения обратных клапанов.
Предлагаемая авторами система отличается от прототипа конструктивно. На фиг.1 представлена схема Энергосберегающей системы оперативного управления энергопотреблением при эксплуатации канализационных насосных станций, на фиг.2, 3, 4 - примеры информации (в графическом виде) о потребляемой мощности трех разных фактически работающих КНС, которую возможно хранить в архивном блоке 21. Система содержит (см. фиг.1):
- модуль перекачки воды, содержащий приемный резервуар 1 с подводящим трубопроводом 2, насос 3 с всасывающим трубопроводом 4 и напорным трубопроводом 5, на котором установлен обратный клапан 6, насосом 7 с всасывающим трубопроводом 8 и напорным трубопроводом 9, на котором установлен обратный клапан 10. Напорные трубопроводы 5 и 9 насосов 3 и 7 соединены с внутренним напорным коллектором 11, оборудованным, по меньшей мере, двумя выходами 12 и 13. Насосы 3 и 7 дополнительно снабжены соответственно электроприводами 14 и 15. Модуль так же дополнительно снабжен, по меньшей мере, одним блоком 16 электропитания насосов, по меньшей мере, двумя питающими кабелями 17, 18 и одним измерительным кабелем 19. При этом блок 16 электропитания насосов при помощи питающего кабеля 17 соединен с электроприводом 14 насоса 1, а при помощи питающего кабеля 18 соединен с электроприводом 15 насоса 7;
- модуль контрольно-измерительных приборов, содержащий, по меньшей мере, измеритель потребляемой мощности 20, соединенный при помощи измерительного кабеля 19 с блоком 16 электропитания насосов;
- модуль анализа диагностируемых параметров содержащий, архивный блок 21 и блок 22 анализа дополнительных сопротивлений, при этом, выход измерителя потребляемой мощности 20 соединен с входом архивного блока 21, выход архивного блока 21 - с входом блока 22 анализа дополнительных сопротивлений. Имеется вариант развития, когда модуль анализа диагностируемых параметров дополнительно снабжен блоком 23 анализа внутреннего перетока, вход которого соединен с выходом архивного блока 21;
- модуль оптимизации энергопотребления содержащий блок 24 формирования аварийного сообщения, при этом, выходы блока 22 анализа дополнительных сопротивлений, блока 23 анализа внутреннего перетока соединены с входом блока 24 формирования аварийного сообщения.
Модуль перекачки воды может быть дополнительно снабжен низкоскоростным высокомоментным измельчителем твердых частиц 25, установленным на подводящем трубопроводе 2 и/или в приемном резервуаре 1. На фиг.1 представлен вариант с установкой на подводящем трубопроводе 2.
Система работает следующим образом. Сточные воды по подводящему трубопроводу 2 через высокомоментный измельчитель твердых частиц 25 поступают в приемный резервуар 1. При этом, в высокомоментном измельчителе твердых частиц 25 происходит дробление (измельчение) твердых частиц, содержащихся в сточных водах, и тем самым уменьшается вероятность засорения обратных клапанов 6 и 10. По мере наполнения приемного резервуара 1 (достижения уровня воды до максимального значения) включается в работу, по меньшей мере, один из насосов 3 или 7. Один из них рабочий, второй - резервный. Для выравнивания наработки насосы, как правило, их запускают в работу поочередно. Например, при работе насоса 3 вода по всасывающему трубопроводу 4 забирается из приемного резервуара 1 и по напорному трубопроводу 5 через открывшийся потоком воды обратный клапан 6 подается во внутренний напорный коллектор 11. При работе насоса 7 вода по всасывающему трубопроводу 8 так же забирается из приемного резервуара 1 и по напорному трубопроводу 9 через открывшийся потоком воды обратный клапан 10 подается в тот же внутренний напорный коллектор 11 из которого, по меньшей мере, по двум выходам 12 и 13, в зависимости от назначения КНС, подается в напорный коллектор или распределительную камеру (на фиг.1 не показаны). При работе только насоса 3 обратный клапан 6 открывается, а обратный клапан 10 обратным потоком воды, поступающей в напорный трубопровод 9 из напорного коллектора 11, закрывается. Аналогично, при работе только насоса 7 обратный клапан 10 открывается, а обратный клапан 6 - закрывается. Работа насоса (или насосов) продолжается до опорожнения приемного резервуара 1, а точнее - до снижения уровня воды до минимального значения. После этого насос 3 или 7 отключается.
Работу насосов 3 и 7 обеспечивают соответственно электроприводы 14 и 15, питание которых осуществляется блоком 16 электропитания насосов при помощи двух питающих кабелей 17, 18. При этом, измеритель потребляемой мощности 20, соединенный при помощи измерительного кабеля 19 с блоком 16 электропитания насосов с заданной эксплуатационным персоналом периодичностью (менее 1 минуты) производит измерение мощности, потребляемой насосами 3 или 7 и передает измеренное значение на вход архивного блока 21. В последнем накапливается информация об изменении во времени потребляемой мощности насосов, см. фиг.2, 3, 4. Из нее, кроме потребляемой мощности, виден и режим работы насосов - периодичность включения и продолжительность откачки, т.к. при работе насосов потребляемая мощность больше нуля, а во время простоя - равна нулю.
На этапе наладки КНС в блок 22 анализа дополнительных сопротивлений и в блок 23 анализа внутреннего перетока вносится информация о нормативной потребляемой мощности насосов, т.е. потребляемой мощности в расчетном режиме эксплуатации, когда отсутствуют дополнительные сопротивления и внутренние перетоки. Например, на фиг.2, 3 и 4 в графическом виде представлена информация о потребляемой мощности трех разных фактически работающих КНС. В соответствии с настоящей полезной моделью подобная информация хранится в архивном блоке 21. Пусть, для КНС, изменение потребляемой мощности, которой представлено на фиг.2, на этапе наладки в блок 22 анализа дополнительных сопротивлений и в блок 23 анализа внутреннего перетока введена нормативная потребляемая мощность 20 кВт, на фиг.3 - 8,3 кВт, на фиг.4 - 6 кВт.
Блок 22 анализа дополнительных сопротивлений с заданной периодичностью анализирует информацию, хранящуюся в архивном блоке 21. Его работа настроена на обнаружение снижения потребляемой мощности при одновременном увеличении продолжительности откачки воды из приемного резервуара, т.к. при увеличении напора потребляемая мощность центробежных насосов снижается. Анализируя информацию по фиг.3 и 4 блок 22 анализа дополнительных сопротивлений не обнаруживает дополнительных сопротивлений, т.к. на этих КНС отсутствуют факты снижения потребляемой мощности ниже нормативной. Анализируя информацию по фиг.2. где отражена поочередная работа трех одинаковых насосов, блок 22 анализа дополнительных сопротивлений обнаруживает дополнительное сопротивление при работе только одного насоса. Это проявляется в снижении потребляемой мощности в период с 14 до 15 часов и в период с 21 до 22 часов, см. фиг.2. На основании этого блок 22 анализа дополнительных сопротивлений направляет сигнал в блок 24 формирования аварийного сообщения, который формирует аварийный сигнал. Настоящей полезной моделью не исключается любая форма аварийного сигнала, например SMS сообщение, если положенное в основу полезной модели устройство реализовано в виде функций автоматизированной системы управления КНС, или звукового сигнала, если устройство реализуется непосредственно эксплуатационным персоналом.
Блок 23 анализа внутреннего перетока с заданной периодичностью анализирует информацию, хранящуюся в архивном блоке 21. Его работа настроена на обнаружение повышения потребляемой мощности, т.к. при увеличении подачи потребляемая мощность центробежных насосов повышается. Анализируя информацию по фиг.2. где отражена поочередная работа трех одинаковых насосов, блок 23 анализа внутреннего перетока не обнаруживает фактов внутреннего перетока, т.к. на этой КНС отсутствуют факты повышения потребляемой мощности выше нормативной. В то же время, анализируя информацию по фиг.3 и 4, где отражена работа только одного насоса, блок 23 анализа внутреннего перетока обнаруживает различные варианты внутреннего перетока, когда через неполностью закрытые обратные клапаны соседних неработающих насосов часть сточной воды обратно перекачивается в приемный резервуар 1. Опыт эксплуатации показывает, что подобные ситуации проявляются, как правило, при попадании под седла обратных клапанов длинноволокнистых веществ, содержащихся в сточных водах. При этом, при повторных включениях насосов, когда эти обратные клапаны открываются потоком воды, длинноволокнистые вещества могут вымываться, т.е. работоспособность обратного клапана может в ряде случаев восстанавливаться без проведения его чистки. Наряду с этим, в большинстве случаев, как показывает опыт эксплуатации, необходимо нести затраты на чистку обратных клапанов для того, что бы избежать перерасхода электроэнергии.
В частности, на фиг.3 представлен вариант, когда в период с 9 до 13 часов имел место внутренний переток, с которым КНС справилась самостоятельно. В этом случае блок 23 анализа внутреннего перетока не направляет сигнал в блок 24 формирования аварийного сообщения. В то же время, на фиг.4 представлен вариант, когда на КНС имеет место устойчивый внутренний преток, который нельзя ликвидировать без вмешательства эксплуатационного персонала. В этом случае блок 23 анализа внутреннего перетока направляет сигнал в блок 24 формирования аварийного сообщения.
Таким образом, предлагаемая система соответствует критерию «промышленная применимость».