СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
WATER SUPPLY SYSTEM OPTIMIZATION METHOD

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;
макс
мин
макс
мин
мин
мин
макс
макс
- коэффициент пропорциональности определяют как отношение (Н-Н)/(Q-Q), где Н - напор на выходе насоса, обеспечивающий комфортный напор в диктующей точке объекта при минимальном расходе воды, равном Q, Н - напор на выходе насоса, обеспечивающий комфортный напор в диктующей точке объекта при максимальном расходе воды, равном Q (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:
0
i
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 Н воды на выходе насоса при условии обеспечения требуемого напора h 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,
j
1
2
2
3
-1
k
б) выделяют в распределительной сети k зон с требуемым напором p на входе в j зону, j=1, 2, …, k, где p>p, p>p, …, p>p,
1
2
2
1
в) снижают требуемое значение напора воды на выходе насоса до Н из условия обеспечения требуемого напора p 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 р до p,
2
j
k-1
j+1
j+1
j
j+1
j-ƒ
г) повторяют этап в) снижая требуемое значение напоров воды на выходе насоса до Н, …, H, …, H из условий обеспечения требуемых напоров p 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 до p, а зоны j-ƒ с p до p, где ƒ=1, …, j-1,
k
k
k
j
д) определяют требуемое значение напора H воды на выходе насоса при условии обеспечения напора p 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 до p,
u
u
0
1
k
0
1
k
0
k
е) формируют множество u=k+1 пар значений затрат C на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл и соответствующих им аргументов - требуемых значений напоров H воды на выходе насоса, где u=0, 1, …, k. Определяют функцию С=ƒ(H), которая в точках Н, Н, …, H принимает значения, как можно более близкие к значениям C, С, …, C 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 H≤H≤H.
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
,
1
2
3
4
5
6
и
z
z
u
где u=0, …, k; z - номер участка распределительной сети, z=1, 2, …, m; K, K, K, K, K, K - эмпирические коэффициенты, зависящие от материала труб; К - коэффициент инфляции (коэффициент перехода от базовых цен к текущим); D - диаметр труб z-го участка, мм; L - длина z-го участка, км; t - продолжительность жизненного цикла, год; H - 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.
0
i
4. Определение требуемого значения напора Н воды на выходе насоса при условии обеспечения требуемого напора h 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.
1
2
2
3
-1
k
на входе в у зону, j=1, 2, …, k, где p>p, p>p, …, p>p.
1
2
7. Снижение требуемого значения напора воды на выходе насоса до Н из условий обеспечения требуемого напора р на входе в зону j=2.
2
1
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 p до p.
2
j
k-1
j+1
9. Снижение требуемого значения напоров воды на выходе насоса до Н, …, H, …, H из условий обеспечения требуемых напоров p потребителей зоны j+1.
j+1
j
j+1
j-ƒ
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 до p, а зоны j-ƒ с p до p, где ƒ=1, …, j-1.
k
k
11. Определение требуемого значения напора H воды на выходе насоса при условии обеспечения напора p на входе в зону k.
k
j
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 до p.
u
j
13. Формирование множества u=k+1 пар значений затрат C на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл и соответствующих им аргументов - требуемых значений напоров H воды на выходе насоса, где u=0, 1, …, k.
0
1
k
0
1
k
14. Определение функции С=ƒ(H), которая в точках Н, Н, …, H принимает значения, как можно более близкие к значениям C, С, …, C или равные этим значениям.
0
k
15. Определение заданного значения напора воды на выходе насоса посредством определения напора Н, при котором функция С=ƒ(H) принимает минимальные значения при H≤H≤H.
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
,
1
2
3
4
5
6
и
z
z
u
где u=0, …, k; z - номер участка распределительной сети, z=1, 2, …, m; K, K, K, K, K, K - эмпирические коэффициенты, зависящие от материала труб; К - коэффициент инфляции (коэффициент перехода от базовых цен к текущим); D - диаметр труб z-го участка, мм; L - длина z-го участка, км; t - продолжительность жизненного цикла, год; H - 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.
u
насоса
насоса
ИПНС
u
u
u
u
0
k
3
3
ав
эл
На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы водоснабжения, на которой может быть реализована предлагаемая система, на фиг. 2 - таблица с результатами определения затрат C 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, м/ч, коэффициент полезного действия (КПД) насоса, потребляемая мощность насоса P, кВт, затраты на реконструкцию насоса, млн. руб., количество индивидуальных повысительных насосных станций (ИПНС), затраты на внедрение всех ИПНС, млн. руб., подача всех ИПНС, м/ч, потребляемая мощность ИПНС Рипнс, кВт, общая потребляемая мощность P+P, кВт, количество аварий на распределительной сети, шт. / 10 лет, стоимость ликвидации аварий на распределительной сети за 10 лет С, млн. руб., оплата электроэнергии за 10 лет С, млн. руб. определены на этапе гидравлического моделирования системы водоснабжения, на фиг. 3 - график с результатами формирования множества u=k+1 пар значений затрат C на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл и соответствующих им аргументов - требуемых значений напоров H воды на выходе насоса, определения функции С=ƒ(H) и определения напора Н, при котором она принимает минимальные значения при H≤H≤H.
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.
0
i
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 Н=64 м.в.с. воды на выходе насоса 1 при условии обеспечения требуемого напора h 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).
i
На этапе а) внедрение индивидуальной повысительной насосной станции/станций не требуется, поскольку в этом режиме требуемый напор h 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
,
1
2
3
4
5
6
и
0
z
z
1
2
3
4
5
6
-5
где z - номер участка распределительной сети, z=1, 2, …, m; K, K, K, K, K, K - эмпирические коэффициенты, зависящие от материала труб, K - коэффициент инфляции (коэффициент перехода от базовых цен к текущим); H=64 м.в.с.; D - диаметр труб z-го участка, мм; L - длина z-го участка, км; t - продолжительность жизненного цикла, год. В рассматриваемом примере m=76, K=5,6, K=-0,7, K=0,7, K=7⋅10, K=0,1389, K=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.
j
1
2
2
3
-1
k
1
2
3
4
На этапе б) выделяют в распределительной сети k зон с требуемым напором p, на входе в j зону, j=1, 2, …, k, где p>p, p>p, …, p>p. 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 p=60 м.в.с. Вторая зона (на фиг. 1 обозначенная позицией 8) с требуемым напором на входе в зону р=40 м.в.с. Третья зона (на фиг. 1 обозначенная позицией 9) с требуемым напором на входе в зону р=25 м.в.с. Четвертая зона (на фиг. 1 обозначенная позицией 10) с требуемым напором на входе в зону р=20 м.в.с.
1
2
2
1
На этапе в) снижают требуемое значение напора воды на выходе насоса до H=43 м.в.с. из условии обеспечения требуемого напора р=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 р=40 м.в.с. до р=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.
2
3
3
4
2
3
2
3
1
3
4
3
4
1
4
2
4
3
Далее (этап г) повторяют этап в) снижая требуемое значение напора воды на выходе насоса до Н=27 м.в.с., Н=21 м.в.с., из условий обеспечения требуемого напора p=25 м.в.с., р=20 м.в.с. на входе в зону 3 и 4 соответственно, и определяют затраты С, С, 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 Н=27 м.в.с. с р=25 м.в.с. до p=60 м.в.с., с р=25 м.в.с. до р=40 м.в.с., при напоре воды Н=21 м.в.с. с р=20 м.в.с. до p=60 м.в.с., с р=20 м.в.с. до р=40 м.в.с., с р=20 м.в.с. до р=25 м.в.с.
4
5
4
5
1
5
2
5
3
5
4
На этапе д) определяют требуемое значение напора Н=20 м.в.с. воды на выходе насоса при условии обеспечения напора p=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 Н=20 м.в.с. с р=19 м.в.с. до p=60 м.в.с., р=19 м.в.с. до р=40 м.в.с., с р=19 м.в.с. до p=25 м.в.с., с p=19 м.в.с. до р=20 м.в.с.
Результаты расчета по этому режиму приведены в таблице на фиг. 2.
0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
0
1
4
0
1
4
На этапе е) формируют множество k=5 пар значений затрат на эксплуатационное содержание системы водоснабжения за жизненный цикл С=38,43 млн. руб., C=36,38 млн. руб., С=37,2 млн. руб., С=44,66 млн. руб., С=63,21 млн. руб. и соответствующих им аргументов - требуемых значений напоров Н=64 м.в.с., H=43 м.в.с., Н=27 м.в.с., Н=21 м.в.с., Н=20 м.в.с. воды на выходе насоса. Далее, определяют функцию C=ƒ(H), которая в точках H, H, …, H принимает значения, как можно более близкие к значениям C, С, …, С 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.
0
k
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 H≤H≤H. 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».