Технико-экономические показатели системы комплексного повышения эффективности насосных станций

УДК 628.12

Ю. А. АЛЕКСЕЕВА, ассистент

Т. В. КОРЕНЬКОВА, канд. техн.наук, доцент

Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского, г. Кременчуг

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСНОГО ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

Обоснованы составляющие энергоресурсосбережения системы комплексного повышения эффективности насосных станций коммунального хозяйства. Определены технико-экономические показатели от внедрения такой системы с учетом составляющих первичного и вторичного эффектов.

Обґрунтовано складові енергоресурсозбереження системи комплексного підвищення ефективності насосних станцій комунального господарства. Визначено техніко-економічні показники від впровадження такої системи з урахуванням складових первинного та вторинного ефектів.

Введение

Насосные установки различных объектов и комплексы на базе их отличаются друг от друга по назначению, объемам перекачиваемого продукта, мощности агрегатов, режимам работы и т. п. Поэтому прогнозирование энергетической эффективности и целесообразности применения систем автоматического управления насосными станциями (НС) с регулируемым электроприводом должны быть выполнены для конкретного объекта на основании особенностей технологической схемы и техникоэкономических расчетов.

НС систем городского водоснабжения и водоотведения представляют собой сложный комплекс взаимосвязанного электрогидравлического оборудования, включающий электроснабжающую сеть, систему электропривода, технологический механизм, гидросетьструбопроводнойарматурой, разветвленную системупотребителей, характеристики и свойства которых влияют на показатели функционирования всего технологического комплекса.

Анализ показал [1-4], что режимы работы таких объектов зависят от переменного графика потребителя, изменяющихся во времени эксплуатационных характеристик оборудования, числа и схемы включения работающих одновременно насосных агрегатов (НА), вида заводских напорно-расходных и энергетических характеристик насосов, способа управления электромеханическими и технологическими параметрами. Таким образом, в основе повышения эффективности работы НС коммунального хозяйства должен лежать комплексный подход оценки энергетических и экономических показателей во всех элементах силового канала рассматриваемого электротехнологического комплекса.

Для решения такой задачи авторами предложена [5, 6] система комплексного повышения эффективности (СКПЭ) НС, которая позволяет:

- осуществить прогноз водо- и энергопотребления НС для различных вариантов регулирования технологических параметров (дросселированием, изменением частоты вращения, ступенчатым регулированием, при комбинированном управлении);

- обеспечить требуемый технологический закон регулирования - стабилизацию давления в гидросети при изменении графика водопотребления;

- выполнить анализ энергетических и технико-экономических показателей используемого оборудования НС для обоснования выбора эффективного метода регулирования и целесообразности дальнейшей эксплуатации гидравлического оборудования.

С учетом сказанного, при определении экономической эффективности от внедрения СКПЭ НС водоснабжения, необходимо рассматривать две группы составляющих: первичного эффекта, включающего экономию электроэнергии непосредственно от

использования регулируемого электропривода насоса, снижение потерь энергии в насосе при его износе, уменьшение количества отказов оборудования, сокращение штата обслуживающего персонала НС, и вторичного эффекта, обусловленного снижением объема перекачки чистых и сточных вод за счет уменьшения избыточных напоров в трубопроводной сети.

Анализ показал, что в такого рода объектах годовая экономическая эффективность при учете вторичного эффекта в 5-7 раз, а в ряде случаев и более может превышать эффект от прямой экономии электроэнергии [7].

Тогда для НС коммунального хозяйства составляющие экономической эффективности имеют вид: см = См I + См п ,

где СЪгГ 1 = с№ё + СШср + сг + С5, СЪгГ 11 = Сд + сд - составляющие первичного и

вторичного экономического эффекта (снижение эксплуатационных расходов);

С№ё - экономический эффект от снижения потребляемой электроэнергии при

регулировании производительности изменением частоты вращения НА по сравнению с дросселированием потока жидкости в напорном коллекторе за счет устранения избыточного напора на дросселирующем органе;

Сд^ср - экономический эффект от снижения потерь энергии в насосе за счет учета

изменения его эксплуатационных характеристик путем принятия решения о целесообразности дальнейшей эксплуатации или замены оборудования;

Сг - экономический эффект от снижения расходов на обслуживание и ремонт оборудования за счет повышения надежности насосной станции;

С5 - экономический эффект от снижения денежных средств фонда для оплаты труда работников за счет сокращения штата обслуживающего персонала НС;

Сд - экономический эффект от снижения объемов непроизводительных расходов воды

и утечек за счет снижения избыточных напоров в трубопроводной сети;

Сд - экономический эффект от уменьшения сброса сточных вод в канализацию,

учитывающий стоимость перекачки и обработки стоков.

Цель работы. Определение технико-экономических показателей системы комплексного повышения эффективности насосных станций коммунального хозяйства при регулировании технологических параметров.

Материал и результаты исследования Для НС системы водоснабжения г. Кременчуга, включающей: центробежный насос типа Д2000-100 (0п =0,556 м3/с; Н„ = 100 м; = 760 кВт; пп = 980 об/мин; ^=0,75);

асинхронный двигатель (Рп = 800 кВт; п0 = 1000 об/мин; яп=1,4 %; !;=94,5 А; ^=0,95; со$(р)=0,86; Ат=1,9; Л^=5,3); трубопровод (^=1,2 м; 1=5 км; Нс=10 м; ^с=291,6 с2/м5), капитальные затраты на внедрение СКПЭ НС сведены в табл. 1.

Таблица 1

Перечень элементов СКПЭ НС и их стоимость___________________________

Наименование оборудования Количество Стоимость, грн.

Единицы Всего

Преобразователь частоты (ПЧ) 1 шт. 800 кВт 1280000

Шкаф для установки ПЧ 1 шт. 4800 4800

Кабель силовой 40 м 25 1000

Кабель монтажный 50 м 16 800

Датчик расхода 3 шт. 30000 90000

Датчик давления 4 шт. 3900 15600

Устройство управления и принятия решения 1 шт. 6000 6000

Устройство сопряжения с датчиками 1 шт. 5000 5000

Итого, стоимость оборудования (СО): 1397000 грн.

Транспортные расходы 7,5% от СО 1397000 • 7,5/100= 104800

Строительно-монтажные, пуско-наладочные работы 10% от СО (СМР) 1397000 • 10/100= 139700

Накладные расходы, 21% от CMP (HP) 139700 -21/100= 29340

Плановые накопления 8% от суммы СМР и (139700 +29340)-8/100= 13520

Итого: 104800+139700+29340+1352 287400

Капитальные затраты Ks на СКПЭ НС: 1685000 грн.

Для исследуемого объекта получены диаграммы распределения энергии и потерь энергии во всех элементах силового канала насосного комплекса (НК) (рис. 1, 2) [6]. Анализ показал, что при отработке суточного графика водопотребления изменением частоты вращения (рис. 1, а) в пределах 40 % вниз от номинальной энергопотребление НС на

16 % ниже, чем при использовании дросселирования потока жидкости на выходе насоса ^ 2

(рис. 1, б). Тогда экономический эффект от прямой экономии электроэнергии средствами регулируемого электропривода составит:

С№ё = сЖг1 — С№ё 2,

где С№ё1 = , СЖё2 = 21ук - стоимость потребляемой электроэнергии; 1у = 360 -

количество рабочих дней НС в году; к = 1,0754 грн-кВт - тариф на электроэнергию; «1», «2»

- в индексах соответственно эксплуатационные расходы для базового варианта НС и при внедрении СКПЭ НС.

Рис. 1. Диаграмма распределения энергии в НК: Щ - энергия, поступающая от распределительной сети; Щ - энергия, подводимая к электродвигателю; 'Wsh - энергия на валу насоса; Щ - гидравлическая энергия насоса; Щс - гидравлическая энергия в сети

потребителя

При длительной эксплуатации насоса в результате износа происходит отклонение его эксплуатационных характеристик от паспортных и, соответственно, рост потерь мощности в турбомеханизме, составляющих в некоторых случаях 50-70 % от номинальных потерь [5]. Тогда, замена насоса на новый будет целесообразна при выполнении условия:

(С АЩср САЩсрп ) — Кср ,

где СШср = кїра срАРср, С’А^ = кїрй срАРСр - денежные затраты на потери энергии в

насосе при работе НС с паспортными и изменившимися эксплуатационными характеристиками насоса; іра ср - период определения фактических эксплуатационных

характеристик насоса; АРсрп, АР^р - потери мощности в насосе с паспортными и

изменившимися эксплуатационными напорно-расходными и мощностными

характеристиками; Кср - капитальные вложения нового центробежного насоса.

Анализ распределения потерь энергии в НК (рис. 2 а), в) показал, что для рассматриваемого насоса, находящегося в эксплуатации свыше 20 лет является целесообразным замена насоса на новый.

Рис. 2. Диаграмма распределения потерь энергии в НК: ЛЖЕ - суммарные потери энергии в НК; АЖср - потери энергии в центробежном насосе; - потери энергии в асинхронном

двигателе; АШтг - потери энергии от метода регулирования; АЖр - потери энергии в трубопроводе; АЖп - номинальные потери энергии в асинхронном двигателе

Применение регулируемого электропривода в НС позволяет сократить выход из строя электрогидравлического оборудования, снизить количество аварий на трубопроводных сетях.

Экономический эффект от снижения расходов на обслуживание и ремонт оборудования (табл. 2):

С - С - С

г г 1 2 з

где Сг1 - Сри1 + Ср1 + Су 1; Сг 2 - Сри 2 + Ср 2 + СУ2; Сри 1, Сри 2, Ср1, Ср 2

СУ1, СУ 2 -

расходы на обслуживание и ремонт НА, трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, соответственно; Сг2 получено на основе статистики отказов аналогичного объекта (модернезированного) с регулируемым электроприводом, обеспечивающим плавное регулирование параметров.

Расходы на обслуживание и текущий ремонт НА Сри состоят из затрат на замену

подшипниковых узлов Съ = Ськ1, перемотку электродвигателей Сет = Сетк2 и устранения

разбалансировок НА (подтяжка, набивка сальников и др.) СтЪ ри = Сшъ.рик3, где

Съ,Сет,СтЪри,к1 ,к2,к3 - стоимость комплекта подшипников, перемотки электродвигателя,

стоимость разбалансированного элемента НА и количество ремонтов за год соответственно. Расходы на обслуживание и текущий ремонт труб и коллекторов Ср состоят из затрат

на замену 1 м трубопровода в случае порыва СЪг - Срк4 и на устранение свищей С^ = Стк5,

где Ср ,Ст,к4,к5 - стоимость одного метра трубопровода, стоимость материала на

устранение свища и количество ремонтов за год соответственно.

Расходы на обслуживание и текущий ремонт запорно-регулирующей арматуры СУ1

состоят из затрат на замену задвижки

С,тЬ. V = С,тЬ. Vk8, ГДе СуаІ’Свт. уаіСтЬ . У’к6 Л А - СТОИМОСТЬ ЗaДBИЖKИ, ЗЛЄКТрОДВИГаТЄЛЯ

задвижки, стоимость разбалансированной механической части запорно-регулирующей арматуры (уплотнители, шестерни редуктора и др.) и количество ремонтов за год соответственно.

Таблица 2

Расходы на обслуживание, текущий ремонт и экономический эффект от их снижения

Статья расходов Для базового объекта Сг1, грн Для модерн. объекта Сг2, грн Экономический эффект Сг

Насосные агрегаты

Замена подшипников 8500 2710 68,6 %

Перемотка 69000 - 100%

Разбалансировка НА 70000 36000 в 1,9 раз

Трубы и коллектора:

Порывы 23000 18100 21,3 %

Свищи 12000 9700 19,2 %

Запорно-регулирующая арматура:

Разбалансировка 10400 8500 18,3 %

Замена ЭД задвижки 13700 7600 44,5 %

Замена задвижки 12300 9200 25,2 %

Итого: 218900 91810 127100 грн

Сокращение базового штата обслуживающего персонала НС составило 32,5 % по сравнению с новым, при этом экономический эффект от снижения денежных средств фонда для оплаты труда работников составил Св - Сл — Св2 = 46800 грн.

Для расчета стоимости сэкономленной чистой воды при внедрении регулируемого электропривода НС воспользуемся выражением [7]:

CQ ^О^ес.у,

где ¥ес у = Ди^Ку - снижение объемов непроизводительных расходов воды и утечек; кQ = 2,48 грн/м3 - стоимость воды; До^ = /(X,И*() - относительная экономия воды, определяемая по методике [7]; Х = Qmin/Qmax - минимальный расход; Qmin, Qmax -наименьшая и наибольшая подача НС; И* = Н Н1ПСХ - относительное противодавление.

Стоимость перекачки и обработки уменьшенного объема сточных вод [7]:

С = к V

ч ч ^еег.гев 3

где Уйесг.ге8 = 0,85^с.у - уменьшение объема сброса сточных вод в канализацию; кч = 2,32 грн/м3 - стоимость перекачки и обработки стоков.

Эксплуатационные расходы базового, нового вариантов и экономический эффект от их снижения приведены в табл. 3.

Годовая экономическая эффективность внедрения и период окупаемости СКПЭ НС:

Eeff I ~ С1.в/1 ~ АК ~ ЕпК ; Ее^ I+11 - СЪг^ 1 + СЪг^ П - АК - ЕПК;

Т] — К /(С-£е/1 ~ АК) ; ТI+п = К /(С£е/1 + С*еГ II ~ АК),

где Ее^ I - экономическая эффективность от первичного эффекта; Ее^ 1+я -экономическая эффективность от первичного и вторичного эффектов;

С^е/1 = С№ё + СШср + Сг + С2 - снижение эксплуатационных расходов от первичного

эффекта; СТе/-п - Сд + Сд - снижение эксплуатационных расходов от вторичного эффекта;

А = А%/100 - амортизационные отчисления от капитальных вложений, отн.ед.; А% = 8,3%

- норма амортизационных отчислений для электротехнического оборудования; К - К2 + Кср; Кср = 225 тыс. грн; Еп = 1 / Тп - нормативный коэффициент окупаемости

капитальных вложений; Тп = 0,15 - нормативный период окупаемости капитальных

вложений; Т1 - период окупаемости СКПЭ НС с учетом первичного эффекта; Т1+п - период окупаемости СКПЭ НС с учетом первичного и вторичного эффектов.

Таблица 3

Эксплуатационные расходы________________________________

Составляющие экономического эффекта С^е/ Базовые, грн Новые, грн

первичный С'№ё - CWg1 CWg 2 16 % 1120000 грн Cwgl - 7007000 Сщ2 -5887000

С - С' - С А Wcp А Wcp AWcpn 44,6 % 1114000грн С;№ср = 249800 CAWcpn ~ 138500

С - С - С г г 1 г 2 в 2,4 раза 127100 грн Сг1 = 218900 Сг 2 =91810

С - С - С 32,5 % 46800 грн СЛ = 144000 С32 - 97200

С£е/ I СМ1 = 2407900 грн 9867900 7461010

вторич- ный Св 19,1 % 7238000 грн 37890000 30660000

С 15 % 1016000 грн 6771000 5755000

СТ,е/II = С<2 + Сд С^е/ц - 8253000 грн 44660000 36410000

СЪе/1 + СЪе/ II С’£е/1 + С’£е/ II ~ I0660900 гр - -

Из анализа полученных технико-экономических показателей (рис. 3, 4) видно, что экономическая эффективность СКПЭ НС, базирующаяся только на первичном эффекте, позволяет получить годовой экономический эффект 1,96 млн. грн, срок окупаемости такой системы составит 10,2 мес. При учете вторичного эффекта - годовой экономический эффект увеличится в 5,2 раза, а срок окупаемости сократится до 2,2 мес.

С <1%ПГ 2%. с.

Рис. 3. Диаграмма распределения составляющих экономического эффекта

С1е/1 + СТ,е/ II

С

1е/!

Т, мес ПЕе^, млн.грн

________|_______I I

110,21

Г 1,96

110,2

С / Ы

Рис. 4. Технико-экономические показатели СКПЭ НС

Выводы

Показано, что при определении технико-экономической эффективности от внедрения систем автоматического управления насосных станций коммунального хозяйства с регулируемым электроприводом необходимо учитывать взаимосвязанность работы электрогидравлического оборудования системы подачи чистых и перекачки сточных вод. Сказанное приводит к появлению «лавинообразного» эффекта в результате применении предлагаемой системы комплексного повышения эффективности насосных станций, обусловленного экономией электроэнергии в результате применения регулируемого электропривода и снижением потерь энергии в результате учета износа технологического оборудования, сокращением утечек и непроизводительных расходов в трубопроводных сетях.

Список литературы

1. Клепиков В. Б. О роли электропривода в решении проблемы энергоресурсосбережения в Украине / В. Б. Клепиков, В. Ю. Розов // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ», 2008. - № 30. - С. 18-21.

2. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках / Б. С. Лезнов. - М.: Энергоатомиздат, 2006. - 360 с.

3. Алексеева Ю. А. Техническое состояние и технологии управления насосными комплексами коммунального хозяйства / Ю. А. Алексеева, Т. В. Коренькова // Вісник КДПУ: Зб. наук. пр. КДПУ. - Вип. 3/2008 (50), - ч. 1. - Кременчук: КДПУ, 2008. -С. 135-141.

4. Петросов В. А. Устойчивость водоснабжения / В. А. Петросов. - Харьков: Фактор, 2007. - 357 с.

5. Алексеева Ю. А. Система повышения эффективности насосного комплекса с энергонаблюдателем в контуре управления / Ю. А. Алексеева, Т. В. Коренькова // Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія й практика. Тематичний випуск науково-технічного журналу «ЕЛЕКТРОІНФОРМ». - Львів: ЕКОінформ, 2009. -С. 377 - 381.

6. Загирняк М. В. Система повышения эффективности электромеханических комплексов / М. В. Загирняк, Т. В. Коренькова, Ю. А. Алексеева // Электротехника. -М.: Знак, 2012. - № 7. - С. 2-8.

7. Лезнов Б. С. Методика оценки эффективности применения регулируемого электропривода в водопроводных и канализационных насосных установках / Б. С. Лезнов - М.: Машиностроение, 2011. - 88 с.

TECHNICAL AND ECONOMIC PARAMETERS OF THE SYSTEMS OF COMPLEX IMPROVE EFFICIENTLY PUMPING STATIONS

J. ALEKSEEVA, ass., T. KOREN‘KOVA, Cand. of Sc. (Tech.), Assoc. Prof.

The components of energy and resource saving of the system of municipal pumping stations complex efficiency improvement have been grounded. Technical and economic parameters of the introduction of such a system with the components of the primary and secondary effects have been defined.

Поступила в редакцию 05.10 2012 г.