Содержание к диссертации
й-
1. Аналитический обзор основ насосной теории, нагнетательного
оборудовании и технологии решения задач создания и повышения
напора в системах подачи и распределения воды (СПРВ) 10
1.1. Насосы. Классификация, основные параметры и понятия.
Технический уровень современного насосного оборудования 10
Основные параметры и классификация насосов 10
Насосное оборудование для повышения напора в водоснабжении.... 12
Обзор новаций и усовершенствований насосов с точки зрения практики их применения 16
1.2. Технология применения нагнетателей в СПРВ 23
Насосные станции систем водоснабжения. Классификация 23
Общие схемы и способы регулирования работы насосов при повышении напора 25
Оптимизация работы нагнетателей: регулирования скорости и совместная работа 30
Проблемы обеспечения напоров в наружных и внутренних водопроводных сетях 37
Выводы но главе 40
2. Обеспечение потребного напора в наружных и внутренних
водопроводных сетях. Повысительиые компоненты СПРВ на уровне
районных, квартальных и внутренних сетей 412.1. Общие направления развития в практике применения насосного
оборудования для повышения напора в водопроводных сетях 41
л 2.2'. Задачи обеспечения потребных напоров в водопроводных сет
Краткая характеристика СПРВ (на примере СПб)
Опыт решения задач повышения напора на уровне районных и квартальных сетей 48
2.2.3. Особенности задач повышения напора во внутренних сетях 55
2.3. Постановка задачи оптимизации повысительных компонентов
СПРВ на уровне районных, квартальных и внутренних сетей 69
2.4. Выводы по главе „.._. 76
3. Математическая модель оптимизации насосного оборудования
на периферийном уровне СПРВ 78
3.1. Статическая оптимизация параметров насосного оборудования
на уровне районных, квартальных и внутренних сетей 78
Общее описание структуры районной водопроводной сети при решении задач оптимального синтеза .'. 78
Минимизация энергетических затрат на один режим водопотребления „ 83
3.2. Оптимизация параметров насосного оборудования на периферий
ном уровне СПРВ при изменении режима водопотребления 88Полирежимиое моделирование в задаче минимизации энергетических затрат (общие подходы) 88
Минимизация энергетических затрат при возможности регулирования скорости (частоты вращения колеса) нагнетателя 89
.2.3. Минимизация энергетических затрат в случае
каскадно-частотного регулирования (управления) 92
Имитационная модель для оптимизации параметров насосного
оборудования на периферийном уровне СПРВ 953.4. Выводы по главе
4'. Численные методы решения задач оптимизации параметров
насосного оборудования 1014.1. Исходные данные для решения задач оптимального синтеза , 101
Изучение режима водопотребления методами анализа временных рядов _ 101
Определение регулярностей временного ряда водопотребления 102
Частотное распределение расходов и коэффициенты
. неравномерности водопотребления 106
4.2. Аналитическое представление рабочих характеристик насосного
оборудования , 109Моделирование рабочих характеристик отдельных нагнетателей тят 109
Идентификация рабочих характеристик нагнетателей в составе насосных станций 110
4.3. Поиск оптимума целевой функции 113
Оптимальный поиск с использованием градиентных методов 113
Модифицированный план Холлаида. 116
4.3.3. Реализация оптимизационного алгоритма на ЭВМ 119
4.4. Выводы по главе 124
5. Сравнительная эффективность повысительных компонентов
СПРВ на основе оценки стоимости жизненного цикла
(с применением МИК для измерения параметров) 125
5.1. Методология оценки сравнительной эффективности
повысительных компонентов на периферийных участках СПРВ 125
5.1.1. Стоимость жизненного цикла насосного оборудования., 125
Критерий минимизации совокупных дисконтированных затрат для оценки эффективности повысительных компонентов СПРВ 129
Целевая функция экспресс-модели для оптимизации параметров насосного оборудования на периферийном уровне C1IPB 133
5.2. Оптимизация повысительных компонентов на периферийных
участках СПРВ при реконструкции и модернизации 135Система контроля подачи воды с использованием мобильного измерительного комплекса МИК 136
Экспертная оценка результатов измерения параметров насосного оборудования ПНС с использованием МИК 142
Имитационная модель стоимости жизненного цикла насосного оборудования ПНС на основе данных параметрического аудита 147
5.3. Организационные вопросы реализации оптимизационных
решений (заключительные положения) 152
5.4. Выводы по главе 154
Общие выводы .„ 155
Список ли гературы 157
Приложение 1. Некоторые понятия, функциональные зависимости и
характеристики, существенные при выборе насосов 166Приложение 2. Описание программы для исследования
оптимизационных моделей СПРВ микрорайона 174
Приложение 3. Решение задач оптимизации и построение
имитационных моделей LCCD НС с помощью табличного процессора 182
Введение к работе
Система подачи и распределения воды (СПРВ) является главным ответственным комплексом сооружений водоснабжения, обеспечивающим транспортировку воды на территорию снабжаемых объектов, распределение по территории и доставку к местам отбора потребителями. Нагнетательные (повыси-тельные) насосные станции (НС, ПНС), как один из основных структурных элементов СПРВ, во многом задают эксплуатационные возможности и технический уровень системы водоснабжения в целом, а также существенно определяют экономические показатели ее работы.
Значимый вклад в разработку тематики висели отечественные ученые: Н.Н.Абрамов, М.М.Андрияшев, А.Г.Евдокимов, Ю.А.Ильин, С.Н.Карамбиров, В.Я.Карелин, А.М.Курганов, А.П.Меренков, Л.Ф.Мошнин, Е.А.Прегер, С.В.Сумароков, А.Д.Тевяшев, В.Я.Хасилев, П.Д.Хорунжий, Ф.АЛИевслев и др.
Проблемы при обеспечении напоров в водопроводных сетях, стоящие перед российскими коммунальными предприятиями, как правило, однородны. Состояние магистральных сетей привело к необходимости снижения давления, вследствие чего возникла задача компенсировать соответствующее падение напора на уровне районных и квартальных сетей. Подбор насосов в составе ПНС зачастую производился с учетом перспектив развития, параметры производительности и напора завышались. Распространенным стал вывод насосов на потребные характеристики дросселированием с помощью задвижек, приводящий к перерасходу электроэнергии. Замена насосов вовремя не производится, большинство из них работает с низким КПД. Износ оборудования обострил необходимость реконструкции ПНС для повышения КПД и надежности работы.
С другой стороны, развитие городов и увеличение высотности домов, особенно при уплотнительной застройке, требуют обеспечения потребных напоров для новых потребителей, в том числе за счет оснащения нагнетателями домов повышенной этажности (ДПЭ). Создание напора, необходимого для раз-їичньіх потребителей, в оконечных участках водопроводной сети, может яв-ться одним из наиболее реальных путей повышения эффективности СПРВ.
Совокупность указанных факторов является основанием постановки задачи определения оптимальных параметров ПЫС при имеющихся ограничениях входных напоров, в условиях неопределенности и неравномерности фактических расходов. При решении задачи встают вопросы сочетания последовательной работы групп насосов и параллельной работы насосов, объединенных в пределах одной группы, а также оптимального совмещения работы параллельно соединенных насосов с частотным регулированием привода (ЧРП) и, в конечном счете, подбора оборудования, обеспечивающего потребные параметры конкретной системы водоснабжения. Следует учитывать значимые изменения последних лет в подходах к подбору насосного оборудования — как в плане исключения избыточности, так и в техническом уровне доступного оборудования.
Актуальность рассматриваемых в диссертации вопросов определяется возросшим значением, которое в современных условиях отечественные хозяйствующие субъекты и общество в целом придают проблеме эиергоэффективно-сти. Насущная необходимость решения этой проблемы закреплена в Федеральном Законе Российской Федерации от 23.11.2009 г. № 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации".
Эксплуатационные расходы СПРВ составляют определяющую часть затрат на водоснабжение, которая продолжает увеличиваться в связи с ростом тарифов на электроэнергию. С целью снижения энергоемкости большое значение придается оптимизации СПРВ. По авторитетным оценкам от 30% до 50 % энергозатрат насосных систем может быть сокращено за счет изменения насосного оборудования и способов управления.
Поэтому представляется актуальным совершенствование методологических подходов, разработка моделей и комплексного обеспечения принятия решений, позволяющих оптимизировать параметры нагнетательного оборудования периферийных участков сети, в том числе при подготовке проектов. Распределение потребного напора между насосными узлами, а также определение в пределах узлов, оптимального числа и типа насосных агрегатов с учетом рас-
8 четной подачи, обеспечат анализ вариантов периферийной сети. Полученные результаты могут быть интегрированы в задачу оптимизации СПРВ в целом.
Цель работы — исследование и разработка оптимальных решений при выборе повысительного насосного оборудования периферийных участков СПРВ в процессе подготовки реконструкции и строительства, включая методическое, математическое и техническое (диагностическое) обеспечение.
Для достижения цели в работе решались следующие задачи:
анализ практики в сфере повысительных насосных систем с учетом возможностей современных насосов и методов регулирования, сочетания последовательной и параллельной работы с ЧРП;
определение методического подхода (концепции) оптимизации повысительного насосного оборудования СПРВ в условиях ограниченности ресурсов;
разработка математических моделей, формализующих задачу выбора насосного оборудования периферийных участков водопроводной сети;
анализ и разработка алгоритмов численных методов для исследования предложенных в диссертации математических моделей;
разработка и практическая реализация механизма сбора исходных данных для решения задач реконструкции и проектирования новых ПНС;
реализация имитационной модели формирования стоимости жизненного цикла по рассматриваемому варианту оборудования ПНС.
Научная новизна. Представлена концепция периферийного моделирования подачи воды в контексте сокращения энергоемкости СПРВ и снижения стоимости жизненного цикла "периферийного" насосного оборудования.
Разработаны математические модели для рационального выбора параметров насосных станций с учетом структурной взаимосвязи и полирежимного характера функционирования периферийных элементов СПРВ.
Теоретически обоснован подход к выбору числа нагнетателей в составе ПНС (насосных установок); проведено исследование функции стоимости жизненного цикла ПНС в зависимости от числа нагнетателей.
Разработаны специальные алгоритмы поиска экстремумов функций многих переменных, основанные на градиентных и случайных методах, для.исследования оптимальных конфигураций НС на периферийных участках.
Создан, мобильный измерительный комплекс (МИК) для диагностики действующих повысительпых насосных систем, запатентованный в полезной модели № 81817 "Система контроля подачи воды".
Определена методика выбора оптимального варианта насосного оборудования ПНС на базе имитационного моделирования стоимости жизненного цикла.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Даны рекомендации по выбору типа насосов для повысительных установок и Ш 1С на основе уточненной классификации современного насосного оборудования для повышения напора в системах водоснабжения с учетом таксонометричсского деления, эксплуатационных, конструктивных и технологических признаков.
Математические модели ПНС периферийных участков СПРВ позволяют снизить стоимость жизненного цикла за счет выявления "резервов", в первую очередь в части энергоемкости. Предложены численные алгоритмы, позволяющие доводить до конкретных значений решение оптимизационных задач.
Разработано специальное оперативное средство сбора и оценки исходных данных (МИК), используемое для обследования действующих систем водоснабжения при подготовке их реконструкции.
Подготовлены рекомендации по обследованию действующих повысительных систем водоснабжения с использованием МИК и подбору оборудования для ПНС (выбору проектного решения) на основе малогабаритных автоматических насосных станций (МАНС).
Результаты НИОКР реализованы на ряде объектов коммунального водоснабжения, включая ПНС и МАНС в домах повышенной этажности.
Похожие диссертации на Оптимизация насосных станций систем водоснабжения на уровне районных, квартальных и внутридомовых сетей
