Комплексный подход к оптимизации работы системы подачи и распределения воды г. Омска

Аннотация

Предложен комплексный подход к оптимизации работы системы подачи и распределения воды крупных городов, основанный на гидравлическом моделировании с использованием современных программных продуктов. На примере г. Омска показана возможность адаптации расчетных результатов, полученных при моделировании водопроводных сетей на ЭВМ, к реальным условиям. Решение этой задачи позволило моделировать необходимые изменения состава и режима работы каждого из элементов водопроводной сети. Результат реализации подобного подхода – снижение аварийности на сетях и экономия электроэнергии на насосных станциях. Представлены методика проведения работ, применяемые средства измерений, последовательность реализации мероприятий, полученные результаты и возможные перспективы.

Ключевые слова

зонирование , насосная станция , система подачи и распределения воды , гидравлическое моделирование , экономия электроэнергии , снижение аварийности , надежность водоснабжения

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

За последние десятилетия планы развития некоторых крупных городов претерпели существенные изменения. Это связано с укрупнением производства, наращиванием мощностей промышленных предприятий, строительством нового жилья и т. д. Зачастую все эти факторы меняют нагрузку на инфраструктуру города несущественно, однако требуют новых подходов к эксплуатации жилищно-коммунального хозяйства. Одной из значимых составляющих ЖКХ являются инженерные коммуникации, из них водопроводные сети наиболее чувствительны к подобным изменениям.

В такой ситуации изменение нагрузки на водоисточник может быть минимальным, однако перераспределение объемов воды между смежными районами или изменение требуемых напоров воды в отдельных зонах с застройкой разной этажности обусловливает необходимость поиска действенных методов наладки и оптимизации работы системы подачи и распределения воды (СПРВ). Особого внимания заслуживает применение комплексного подхода к решению задач оптимизации СПРВ: гидравлическое моделирование с использованием современных программных продуктов, апробация разработанной модели в натурных условиях с дальнейшим расчетом оптимальных режимов работы насосных станций. Метод комплексного подхода оптимизации СПРВ применили специалисты ООО «РВК-Консалтинг» и ОАО «ОмскВодоканал» в г. Омске.

Источником хозяйственно-питьевого водоснабжения города является река Иртыш. В комплекс системы водоснабжения входят: водозаборы «Падь» и «Заря», Ленинская очистная водопроводная станция (ЛОВС) проектной производительностью 610 тыс. м³/сут, насосные станции второго подъема № 4 и 5, насосные станции третьего и четвертого подъема, водопроводные сети протяженностью более 1600 км.

Хозяйственно-питьевая вода из резервуаров ЛОВС насосными станциями № 4 и 5 подается потребителям. Система транспортировки воды в город состоит из двенадцати магистральных водоводов. При этом вода подается по двум направлениям: левобережному и правобережному. Левобережное направление включает в себя семь станций третьего подъема, правобережное – четыре станции третьего подъема. Таким образом, многие насосные станции наряду с подачей воды потребителю выполняют функцию подкачки для последующих станций. Для исключения обмерзания и обеспечения бесперебойной подачи воды потребителям магистральные водоводы правобережной и левобережной зон закольцованы между собой через насосные станции города. Схема магистральных водоводов г. Омска представлена на рисунке.

В условиях развития водопроводной сети схема водоснабжения города усложнялась за счет дополнительных элементов, исключающих многовариантность при решении какой-либо задачи и обусловливающих высокие значения отклика на изменения (инерцию системы). В свою очередь это привело к повышению аварийности и перерасходу электроэнергии на насосных станциях.

Целью работы являлось повышение качества и надежности работы СПРВ при снижении энергозатрат на транспортировку воды потребителям. Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи:

проанализировать параметры работы СПРВ на объектах системы водоснабжения на основе результатов натурных измерений с учетом разработанной гидравлической модели;
разработать альтернативные варианты зонирования водопроводной сети с помощью расчета их на ЭВМ для упрощения дальнейшей ее эксплуатации, провести апробацию предложенных решений в реальных условиях на водопроводных сетях города;
снизить аварийность, обусловленную отсутствием оперативной информации о параметрах работы сети и продолжительным временем реагирования на их изменение (с выбором мест установки диктующих точек);
рассчитать экономные режимы работы насосных станций с подбором оборудования и определением технико-экономических показателей, учитывая выбранный оптимальный режим работы водопроводной сети.

На стадии подготовки мероприятий предполагалось создать гидравлическую модель СПРВ г. Омска в программном комплексе Zulu 6.0, разработанном компанией ООО «ПОЛИТЕРМ» (Санкт-Петербург). Одновременно с этим требовалось актуализировать существующую гидравлическую модель в программном модуле Epanet Mike Urban (США), применяемую при проведении расчетов специалистами технического отдела ОАО «ОмскВодоканал». Использование разработанных гидравлических моделей в двух программных комплексах, разных по функциональным возможностям, расширило бы спектр их применения при последующей оптимизации водопроводной сети. В качестве исходных данных для гидравлических расчетов необходимо использовать параметры работы сети, зарегистрированные во время проведения режимной эксплуатации, включая манометрическую съемку в намеченных ранее точках сети и на насосных станциях города, фактические параметры работы насосного оборудования и другие данные.

При проведении натурных испытаний использовались следующие средства измерения: электронные регистраторы давления Qilog, портативные ультразвуковые расходомеры «Panametrics PT 878» и «АКРОН-1», анализаторы качества электрической энергии «Circutor AR5».

Параметры работы водопроводной сети, описанные гидравлическими моделями в программных комплексах Zulu и Epanet, предполагалось сравнить с результатами натурных испытаний для подтверждения значений, полученных расчетным путем. При получении сравнимых результатов было необходимо выявить проблемные участки сети и пересмотреть варианты зонирования с учетом новых параметров, определить оптимальные режимы работы насосных станций с позиций энергоэффективности, а выбранные решения апробировать на основе натурных испытаний.

На первом этапе работы были собраны все необходимые данные, которые впоследствии служили исходными для разработки гидравлической модели в программном комплексе Zulu 6.0. На каждой насосной станции проведены замеры расходов воды по водоводам, измерены электрические параметры работы насосных агрегатов, установлены режимы работы насосных станций, на водопроводной сети города проведена манометрическая съемка с помощью электронных регистраторов давления. На основании замеров были выполнены расчеты по подбору насосного оборудования с оптимальными рабочими характеристиками. Сравнение разработанной модели в Zulu 6.0 и актуализированной модели в Epanet показало идентичный результат, что в дальнейшем позволило проводить специфические расчеты, характерные для каждого из программных продуктов.

На втором этапе были проведены натурные испытания по определению фактических параметров сети. При сравнении фактических и расчетных значений параметров работы СПРВ выявлена высокая сходимость результатов, что позволило в дальнейшем моделировать варианты по оптимизации работы СПРВ в данных программных продуктах.

На третьем этапе с помощью расчетов в гидравлических моделях были определены избыточные свободные напоры (до 80 м вод. ст.) в районах города с низкими геодезическими отметками, для которых характерна высокая аварийность сетей. Обнаружены участки циркуляции потоков от насосной станции (в количестве 450 м³/ч) обратно в резервуары той же станции, что приводит к повторному перекачиванию воды и, как следствие, перерасходу электроэнергии. На основании анализа режимов работы насосных станций и выполненных расчетов определено, что насосное оборудование практически на всех насосных станциях работает в неоптимальном режиме. Рассчитана возможность оптимизации и (или) вывода из эксплуатации отдельных насосных станций третьего подъема.

На четвертом этапе были выполнены многовариантные гидравлические расчеты с изменением режимов работы насосных станций, перераспределением потоков в разводящих сетях и магистральных водоводах, изменением зонирования, что позволило сформировать оптимальный режим работы системы водоснабжения г. Омска.

На основании натурных экспериментов по изменению зон влияния насосных станций в правобережной части г. Омска найдены оптимальные зоны покрытия, при внедрении которых подача воды от насосных станций «Октябрьская», «Первомайская» и «Центральная» уменьшается на 2350 м³/ч, а следовательно, уменьшается потребление электроэнергии за счет переключения потребителей по набережной Иртыша к насосной станции ЛОВС. Оценка достаточности резервуарного парка показала, что его увеличение нецелесообразно. Установлено, что насосную станцию «Советская-2», фактически являющуюся повысительной для станции «Советская-1», можно вывести из эксплуатации. Разработаны конкретные мероприятия по оптимизации работы обследованных насосных станций: установка нового насосного оборудования, обточка рабочих колес насосов, замена электроприводов, внедрение частотного регулирования и др.

При гидравлических расчетах была смоделирована работа водопроводной сети с регуляторами давления для снижения избыточных напоров, а соответственно – для снижения аварийности на водопроводных сетях в районах города с низкими геодезическими отметками. Для поддержания нормального давления в этих районах рекомендовано установить на водопроводных сетях шесть регуляторов давления диаметром от 200 до 600 мм.

Для постоянного контроля за параметрами работы системы водоснабжения в режиме реального времени специалистами ООО «РВК-Консалтинг» выбраны диктующие точки на сети, на которых необходимо установить регистраторы давления с выводом информации на центральный диспетчерский пункт. При выборе диктующих точек учитывалось соответствие расчетов в гидравлической модели фактической работе отдельных водоводов, имеющих значительные путевые нагрузки, кольцевых внутриквартальных сетей, влияющих на распределение нагрузок по водоводам, участков водоводов вблизи насосных станций третьего подъема, скорость движения воды в которых может влиять на подачу воды в город при неправильном распределении потоков воды, а также геодезические отметки.

В настоящее время мероприятия по оптимизации работы системы подачи и распределения воды г. Омска реализуются в приоритетном порядке.

Выводы

Применение гидравлического моделирования для оптимизации работы системы подачи и распределения воды позволило определить оптимальные режимы работы насосных станций и разработать мероприятия, направленные на повышение энергоэффективности. Мероприятия включают: обточку рабочих колес насосов, замену электродвигателей и (или) установку преобразователей частоты и др. При реализации этих мероприятий годовая экономия электроэнергии ориентировочно составит 22,5 млн. руб., предположительный срок окупаемости мероприятий – от 0,5 года до 6,7 лет. Гидравлическое моделирование позволяет: прогнозировать любые ситуации на водопроводных сетях (изменение характеристик насосного оборудования, перекладку трубопроводов с изменением первоначального диаметра, подключение новых абонентов), а также снизить аварийность на сетях, оценивая колебания свободных напоров с учетом суточной неравномерности потребления воды. Установка регистраторов давления в диктующих точках водопроводной сети и регуляторов давления в местах, определенных с помощью гидравлической модели, значительно снизит время реагирования на изменение параметров работы системы водоснабжения.

Список литературы

Турк В. И., Минаев А. В., Карелин В. Я. Насосы и насосные станции: Учеб. для вузов. – М.: Стройиздат, 1977.
Рекомендации по расчету среднегодовых нормируемых показателей расхода энергетических ресурсов в системах водоснабжения и водоотведения. – М., АКХ им. К. Д. Памфилова, 1984.