СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ ПРЕДПРИЯТИЯ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА

Система относится к области водоснабжения и водоотведения, а также устройств для диагностики насосов.
Известен стенд для испытания насосов, содержащий нагрузочное устройство в виде вспомогательного насоса, гидравлически связанного с испытываемым насосом, источник питания, подключенный к электродвигателям обеих насосов (см. авторское свидетельство СССР №954611, F04B 51/00, приоритет от 14.01.81 г.).
Недостаток этого стенда - высокие капитальные затраты, т.к. для него необходимы значительные производственные площади (установка двух насосов).
Известно устройство для диагностики насосов, включающее датчики давления, датчик подачи насоса и частоты вращения вала насоса, выходы которых подключены к входу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала. Оно также содержит блок коррекции диагностируемого насоса по подаче, вход которого подключен к выходу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, а выход - к индикатору (см. авторское свидетельство СССР №898115, F04B 51/00, приоритет от 10.04.80 г.).
Известное устройство имеет узкую область применения, т.к.:
- для установки датчика подачи насоса необходимы прямолинейные участки трубопроводов, длины которых более чем в 10 раз превышают их диаметр. При диагностировании насосов большой производительности, например, при диаметре трубопровода 1200 мм, необходимая длина прямого участка должна превышать 12 м. В условиях действующих и при проектировании новых насосных станций выполнить это условие не представляется возможным;
- при помощи него не представляется возможным диагностировать параметрические характеристики насосов, например, коэффициент полезного действия.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели служит устройство для диагностики насосов, включающее:
- модуль перекачки воды, включающий насос с всасывающим и напорным трубопроводами (в прототипе насос с всасывающим и напорным трубопроводами);
- модуль (в прототипе - набор блоков) 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, при этом, выход блока сравнения подач подключен к входу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, вход блока коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса подключен к выходу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, а выходы блоков коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса и ввода эталонного диагностируемого параметра - к входу блока анализа диагностируемых параметров;
- модуль (в прототипе - набор приборов) контрольно-измерительных приборов, включающий датчик подачи насоса, по меньшей мере, один дополнительный датчик подачи насоса, выходы которых подключены к входу блока сравнения подач, по меньшей мере, два датчика давления, установленные соответственно на всасывающем и напорном трубопроводах, датчик частоты вращения вала насоса и измеритель потребляемой мощности, при этом выходы блока сравнения подач, по меньшей мере, двух датчиков давления, датчика частоты вращения вала насоса и измерителя потребляемой мощности подключены к входу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала (см. положительное решение по заявке "Устройство для диагностики насосов", F04B 51/00, приоритет от 05.07.2005 г.).
Известное устройство имеет узкую область применения, т.к.:
- оно может быть применимо только для диагностики конкретного насоса;
- оно может быть применимо только для диагностики параметрических характеристик насосов и недостаточно для определения мер по снижению энергопотребления насосными станциями.
Задачей настоящей полезной модели является расширение области применения известного устройства.
Поставленная задача решена так, что известная система управления энергопотреблением насосных станций предприятия коммунального хозяйства, включающая:
- модуль перекачки воды, включающий насос с всасывающим и напорным трубопроводами;
- 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, при этом, выход блока сравнения подач подключен к входу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, вход блока коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса подключен к выходу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, а выходы блоков коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса и ввода эталонного диагностируемого параметра - к входу блока анализа диагностируемых параметров;
- модуль контрольно-измерительных приборов, включающий датчик подачи насоса, по меньшей мере, один дополнительный датчик подачи насоса, выходы которых подключены к входу блока сравнения подач, по меньшей мере, два датчика давления, установленные соответственно на всасывающем и напорном трубопроводах, датчик частоты вращения вала насоса и измеритель потребляемой мощности, при этом выходы блока сравнения подач, по меньшей мере, двух датчиков давления, датчика частоты вращения вала насоса и измерителя потребляемой мощности подключены к входу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, согласно нашей полезной
модели все датчики и измеритель потребляемой мощности модуля контрольно-измерительных приборов выполнены мобильными и дополнительно снабжены устройствами записи данных и каналами связи, предназначенными для передачи информации в модуль анализа диагностируемых параметров, при этом, выходы устройств записи данных, по меньшей мере, двух датчиков давления, датчика частоты вращения вала насоса и измерителя потребляемой мощности при помощи каналов связи подключены к входу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, а выходы устройств записи данных датчиков подачи насос и, по меньшей мере, одного дополнительного датчика подачи насоса - к входу блока сравнения подач,
кроме того, модуль перекачки воды снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным насосом с всасывающим и напорным трубопроводами,
система дополнительно снабжена модулем оптимизации энергопотребления, включающим блок формирования гидравлических характеристик сетей, к входу которого при помощи каналов связи подключены выходы устройств записи данных, по меньшей мере, двух датчиков давления и выход блока сравнения подач.
Модуль оптимизации энергопотребления также включает:
блок анализа удельного энергопотребления,
блок ввода диагностируемых параметров насосов-конкурентов,
блок анализа удельного энергопотребления насосов-конкурентов,
при этом, выходы блока анализа диагностируемых параметров и блока формирования гидравлических характеристик сетей подключены к входу блока анализа удельного энергопотребления, выходы блока формирования гидравлических характеристик сетей и блока ввода диагностируемых параметров насосов-конкурентов подключены к входу блока анализа удельного энергопотребления насосов-конкурентов.
Имеется вариант развития, когда система дополнительно снабжена по меньшей мере одним принтером, а модули анализа диагностируемых параметров,
оптимизации энергопотребления и планирования выполнены с возможностью вывода информации на принтер в виде отчетов.
Имеется вариант развития, когда каналы связи включают каналы связи с использованием сети Интернет.
Имеется вариант развития, когда каналы связи включают беспроводные каналы связи.
Отличительными признаками заявляемой системы управления энергопотреблением насосных станций предприятия коммунального хозяйства являются:
1. Выполнение мобильными датчиков и измерителя потребляемой мощности (новая форма выполнения элемента);
2. Дополнительное снабжение системы устройствами записи данных (новые конструктивные элементы);
3. Дополнительное снабжение системы каналами связи, предназначенными для передачи информации от устройств записи данных в модуль анализа диагностируемых параметров (новые конструктивные элементы);
4. Подключение выходов устройств записи данных, по меньшей мере, двух датчиков давления, датчика частоты вращения вала насоса и измерителя потребляемой мощности к входу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала (новые связи между элементами);
5. Подключение выходов устройств записи данных датчиков подачи насоса и, по меньшей мере, одного дополнительного датчика подачи насоса к входу блока сравнения подач (новые связи между элементами);
6. Дополнительное снабжение системы, по меньшей мере, одним дополнительным насосом с всасывающим и напорным трубопроводами (новые конструктивные элементы);
7. Дополнительное снабжение системы блоком формирования гидравлических характеристик сетей (новый конструктивный элемент);
8. Дополнительное снабжение системы блоком анализа удельного энергопотребления (новый конструктивный элемент);
9. Дополнительное снабжение системы блоком ввода диагностируемых параметров насосов-конкурентов (новый конструктивный элемент);
10. Дополнительное снабжение системы блоком анализа удельного энергопотребления насосов-конкурентов (новый конструктивный элемент);
11. Подключение к входу блока формирования гидравлических характеристик сетей выходов устройств записи данных, по меньшей мере, двух датчиков давления и выхода блока сравнения подач (новые связи между элементами);
12. Подключение выхода блока анализа диагностируемых параметров и блока формирования гидравлических характеристик сетей к входу блока анализа удельного энергопотребления (новые связи между элементами);
13. Подключение выхода блока формирования гидравлических характеристик сетей и блока ввода диагностируемых параметров насосов-конкурентов к входу блока анализа удельного энергопотребления насосов-конкурентов (новые связи между элементами);
14. Дополнительное снабжение системы, по меньшей мере, одним принтером (новый конструктивный элемент);
15. Выполнение модулей анализа диагностируемых параметров, оптимизации энергопотребления с возможностью вывода информации на принтер в виде отчетов (новые параметры и другие характеристики элемента);
16. Использование в качестве каналов связи сети Интернет (новые параметры и другие характеристики элемента);
17. Использование в качестве каналов связи беспроводных каналов связи (новые параметры и другие характеристики элемента).
По сведениям, имеющимся у авторов, отличительные признаки 2, 6, 14, 16 и 17 в технической литературе известны, а остальные - нет, что отвечает критерию патентоспособности "новизна".
Совместное применение в заявляемом устройстве указанных отличительных признаков позволяет получить положительный эффект.
Положительный эффект заключается в том, что расширяется область применения устройства, т.к.:
- оно может быть применимо не только для диагностики конкретного насоса, но и всех насосов насосных станций предприятия коммунального хозяйства. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков №1-6, т.к. за счет мобильности датчиков и измерителя потребляемой мощности, а также наличия устройств записи данных и каналов связи появляется возможность проводить диагностику любого насоса;
- оно может быть применимо не только для диагностики параметрических характеристик насосов, но и для определения мер по снижению энергопотребления насосными станциями. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков №7-10, позволяющих определять оптимальные режимы использования эксплуатируемых насосов.
Таким образом, заявляемое устройство для диагностики насосов отвечает критерию "изобретательский уровень".
Предлагаемое авторами устройство отличается от прототипа конструктивно.
На фиг.1 представлена схема системы управления энергопотреблением насосных станций предприятия коммунального хозяйства, на фиг.2 - пример сравнения паспортной (эталонной) и фактической (измеренной) зависимостей КПД насоса от его подачи, на фиг.3 в дополнение к фиг.2 - сравнение паспортных и фактической характеристик удельного энергопотребления насоса и удельного энергопотребления насоса и системы трубопроводов.
Устройство содержит (см. фиг.1):
- по меньшей мере, датчики 1, 2 давления и датчик 3 частоты вращения вала насоса, выходы которых подключены к входу блока 4 коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала;
- датчик 5 подачи насоса;
- по меньшей мере, один дополнительный датчик 6 подачи насоса;
- блок 7 сравнения подач;
- измеритель 8 потребляемой мощности.
Все датчики 1-3, 5, 6 и измеритель 8 потребляемой мощности выполнены мобильными и дополнительно снабжены устройствами 9 записи данных и каналами 10 связи, предназначенными для передачи информации. При этом, выходы устройств 9 записи данных, по меньшей мере, двух датчиков давления 1 и 2, датчика 3 частоты вращения вала насоса и измерителя 8 потребляемой мощности при помощи каналов связи 10 подключены к входу блока 4 коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, а выходы устройств 9 записи данных датчиков 5 подачи насоса и, по меньшей мере, одного дополнительного датчика 6 подачи насоса - к входу блока 7 сравнения подач.
Все датчики 1-3, 5, 6 и измеритель 8 потребляемой мощности, снабженные устройствами 9 записи данных, составляют модуль контрольно-измерительных приборов.
Выход блока 7 подключен к входу блока 4 коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала.
Система также включает:
- блок 11 коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса. Выход блока 4 коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала подключен к входу блока 11 коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса;
- блок 12 анализа диагностируемых параметров. Выход блока 11 коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса подключен к входу блока 12 анализа диагностируемых параметров;
- блок 13 ввода эталонного диагностируемого параметра. Выход блока 13 ввода эталонного диагностируемого параметра подключен к входу блока 12 анализа диагностируемых параметров.
Блоки 4, 11-13 составляют модуль анализа диагностируемых параметров.
Система также снабжена насосом 14 с всасывающим 15 и напорным 16 трубопроводами. Кроме того, система дополнительно снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным насосом 17 с всасывающим 18 и напорным 19 трубопроводами. При этом, по меньшей мере, два датчика давления (1 и 2) за счет мобильности могут быть установлены соответственно на всасывающем и напорном трубопроводах любого из насосов.
Вместе насосы 14, 17 с всасывающими 15, 18 и напорными 16, 19 составляют модуль перекачки воды.
Система дополнительно снабжена модулем оптимизации энергопотребления, включающим:
- блок 20 формирования гидравлических характеристик сетей, к входу которого при помощи каналов 10 связи подключены выходы устройств 9 записи данных, по меньшей мере, двух датчиков давления 1, 2 и выход блока 7 сравнения подач;
- блок 21 анализа удельного энергопотребления;
- блок 22 ввода диагностируемых параметров насосов-конкурентов;
- блок 23 анализа удельного энергопотребления насосов-конкурентов.
При этом, выходы блока 12 анализа диагностируемых параметров и блока 20 формирования гидравлических характеристик сетей подключены к входу блока 21 анализа удельного энергопотребления, выходы блока 20 формирования гидравлических характеристик сетей и блока 22 ввода диагностируемых параметров насосов-конкурентов подключены к входу блока 23 анализа удельного энергопотребления насосов-конкурентов.
Возможен вариант развития, когда система дополнительно снабжена, по меньшей мере, одним принтером (на фиг.1 не показан), а модули анализа диагностируемых
параметров, оптимизации энергопотребления выполнены с возможностью вывода информации на принтер в виде отчетов.
Возможен вариант развития, когда каналы 10 связи включают каналы связи с использованием сети Интернет.
Возможен вариант развития, когда каналы 10 связи включают беспроводные каналы связи.
ф
ф
n
n
ф
ф
n
n
ф
n
1
n
n
1
n
Для примера, в качестве диагностируемых параметров приняты фактические зависимости коэффициентов полезного действия (КПД) η насосов от подачи Q, т.е. зависимость η=f(Q). Эти диагностируемые параметры доступны для понимания специалистами на основании уровня техники их смыслового содержания, т.к. содержатся в паспорте любого насоса. Паспортные зависимости η=f(Q) в данном случае являются эталонными. В процессе эксплуатации (возможно длительной) фактические зависимости η=f(Q) за счет износа насосов начинают отличаться от η=f(Q).Причем, при фиксированных Q η<η. Это приводит к перерасходу энергии при работе насосов. Перерасход энергии имеет место и в тех случаях, когда насос развивает подачу, например Q, при которой η=f(Q) менее максимально возможного η.
Система работает следующим образом. Все датчики (1-3, 5, 6, 8) синхронно (т.е. в одно и то же время) и через один и тот же интервал времени (например, 1 минуту) снимают показания и записывают в устройствах 9 записи данных.
При этом, сигналы от датчиков 1 и 2 давления измеряют давления соответственно на всасывающем 15 и напорном 16 трубопроводах насоса 14 или на всасывающем 18 и напорном 19 трубопроводах дополнительного насоса 17 или на других насосах, на которые могут быть установлены датчики, используя их свойство мобильности. Аналогично, сигналы от датчика 3 частоты вращения вала насоса 12 (или дополнительного насоса 17 или других насосов) измеряют скорость вращения валов (на фиг.1 не показан) этих насосов.
Сигналы от датчика 5 подачи насоса и, по меньшей мере, одного дополнительного датчика 6 подачи насоса измеряет подачи насоса 14 (или дополнительного насоса 17 или других насосов) на его всасывающем 13 или напорном
14 трубопроводах (или на всасывающем 18 и напорном 19 трубопроводах дополнительного насоса 17). На фиг.1 показан вариант, когда измерение осуществляется на всасывающем трубопроводе. Две измеренных подачи через устройства 9 записи данных при помощи канала связи 10 поступают в блок 7 сравнения подач.
Измеритель 8 потребляемой мощности определяет потребляемую мощность приводом (не показан) насоса 14 или 17 или другого насоса.
В устройствах 9 записи данных всех приборов записи ведутся синхронно (т.е. в одно и то же время) и через один и тот же интервал времени (например, 1 минуту), а их передача по каналам связи 10 осуществляется периодически (например, 1 раз в сутки) или по мере исчерпания записывающей способности устройств 9.
Измеренные значения от всех датчиков (1-3, 8) и блока 7 сравнения подач поступают в блок 4 коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, где производится приведение измеренных значений к номинальной частоте вращения вала, т.е. паспортной. Измеренная (фактическая) частота вращения может отличаться от паспортной по следующим причинам: установка двигателя с другой частотой вращения; установка регулятора частоты вращения; скольжение в двигателях и т.п.).
Если в блоке 7 в результате сравнения определена значительная разница между измеренными подачами (например, больше допустимой погрешности измерений), то результаты измерений всех датчиков (включая датчиков подач), выполненные в это время, не учитываются. В противоположном случае подача определяется, как средняя величина меду показаниями датчика 5 подачи насоса и, по меньшей мере, одного дополнительного датчика 6 подачи насоса.
Откорректированные таким образом все измеренные значения поступают в блок 11 коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса. В нем осуществляется приведение измеренных значений к номинальному (паспортному) диаметру рабочего колеса.
В процессе синхронных измерений все откорректированные таким образом значения поступают в блок 12 анализа диагностируемых параметров, где накапливается массив фактических параметров, отражающих зависимость от подачи Q следующих значений:
- потребляемой мощности N,
- развиваемого давления Р;
ф
- коэффициента полезного действия η.
ф
ф
На основании полученных данных в блоке 12 определяется фактическая зависимость коэффициента полезного действия (КПД) η насоса от подачи Q, т.е. зависимость η=f(Q). Она может быть определена либо в процессе аппроксимации данных, либо посредством графического построения, либо другими методами. Чем больше данных, тем выше точность ее построения.
ф
ф
Для уменьшения объема измерений и повышения их достоверности имеется возможность проведения измерений во время пуска насосов 14 или 17 (или других насосов), когда его подача равна нулю. В это время измеряется только развиваемое (максимально возможное) давление. Его знание повышает достоверность построения фактической зависимости η=f(Q).
n
n
ф
ф
В блок 12 анализа диагностируемых параметров через блок 13 ввода эталонного диагностируемого параметра поступает паспортная (эталонная) зависимость η=f(Q).Ее сравнение с фактической η=f(Q) позволяет ответить на вопрос о перерасходе энергии при работе насоса.
В качестве примера на фиг.2. представлен вариант такого сравнения. Из него видно, что максимальное значение паспортного КПД насоса находится на уровне 88%, а фактического - на уровне 67%.
Следовательно, в данном случае имеют место износные явления на насосе.
В целом, для снижения энергопотребления требуется выполнение одного из следующих мероприятий: замена насоса на новый такого же типа или другой тип.
Для определения оптимального из них в предлагаемой системе применяется модуль оптимизации энергопотребления. В нем в блоке 20 формирования гидравлических характеристик сетей обрабатывается информация, поступающая при помощи каналов 10 связи от выходов устройств 9 записи данных, по меньшей мере, двух датчиков давления 1,2 и выхода блока 7 сравнения подач.
сети
На основании полученных данных в блоке 20 определяется фактическая зависимость сопротивления сети Н от подачи Q, т.е. зависимость Н=f(Q). Она может быть определена либо в процессе аппроксимации данных, либо посредством графического построения, либо другими методами. Чем больше данных, тем выше точность ее построения.
n
n
ф
ф
3
Указанные результаты из блока 20 поступают в блок 21 анализа удельного энергопотребления, куда также (из блока 12 анализа диагностируемых параметров) поступают паспортная (эталонная) зависимость η=f(Q) и фактическая η=f(Q). Этой информации достаточно для определения показателей удельного энергопотребления, под которым понимается расход электроэнергии в кВт-ч, потребляемый при подаче насосом 1000 м воды на высоту 1 м.
уд n
уд n
уд ф
уд ф
уд сист
уд сист
Удельный показатель учитывает влияние на энергопотребление не только изменения состояния насосов, но и изменение гидравлических характеристик системы (состояния задвижек, труб и т.п.), в которой он эксплуатируется. Поэтому для оценки энергетической эффективности эксплуатации насосов в блоке 21 определяются три следующих норматива удельного расхода электроэнергии. Паспортный норматив насоса - удельный расход электроэнергии N=f(Q) по данным производителя, см. фиг.3. Фактический норматив насоса - удельный расход электроэнергии N=f(Q) по данным диагностики, см. фиг.3. Фактический норматив системы - удельный расход электроэнергии N=f(Q) по данным диагностики с учетом необходимости регулирования подачи насоса при работе на напорный трубопровод (или сеть).
уд ф
уд ф
Из примера на фиг.3 видны составляющие потерь электроэнергии. Наибольшую разницу составляет различие между фактическим нормативом насоса - удельным расходом электроэнергии N=f(Q), полученным по данным
уд n
уд n
уд ф
уд ф
уд сист
уд сист
диагностики, и паспортным N=f(Q). Менее значительную разницу составляет различие между N=f(Q) и N=f(Q), полученным по данным диагностики с учетом необходимости регулирования подачи насоса при работе на напорный трубопровод.
Одновременно, в блоке 23 анализа удельного энергопотребления насосов-конкурентов определяется эффективность мер, позволяющих снизить энергопотребление за счет внедрения новых насосов, в том числе и других моделей.
При этом, для оценки эффективности мер в блоке 23 в него поступает информация из блока 22 ввода диагностируемых параметров насосов-конкурентов и блока 20 формирования гидравлических характеристик сетей. Этого достаточно для определения удельного энергопотребления новых насосов, в том числе и других моделей.
Полученной информации о фактическом удельном энергопотреблении эксплуатируемых насосов, результаты ее сравнения с эталонным и удельным энергопотреблением насосов-конкурентов достаточно для обоснования выбора оптимального варианта реконструкции (или капитального ремонта) насосных станций, позволяющего минимизировать потребление электроэнергии.
Таким образом, предлагаемая система соответствует критерию "промышленная применимость".