Теоретичний аналіз нормування енерговитрат в системах подачі та розподілення води при проведенні їх енергоаудиту

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕОРЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ НОРМУВАННЯ ЕНЕРГОВИТРАТ В СИСТЕМАХ ПОДАЧІ ТА РОЗПОДІЛЕННЯ ВОДИ ПРИ ПРОВЕДЕННІ ЇХ ЕНЕРГОАУДИТУ

Ткачук О.А., д.т.н., професор (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне)

Проаналізовано основні показники, що визначають величини нормованих витрат електроенергії в системах подачі і розподілу води. Проведено порівняльний аналіз між їх теоретичними та емпіричними значеннями. Визначено раціональні шляхи зниження енерговитрат.

It is analyses the basic parameters which define sizes of the normalized charges of the electric power in systems of submission and distribution of water. The comparative analysis between their theoretical and empirical values is carried out. Rational ways of decrease of losses of the electric power are determined.

Системи подачі і розподілу води (СПРВ) є найбільш енергомісткою частиною сучасних систем водопостачання населених пунктів і одним із найбільших споживачів електроенергії в житлово-комунальному господарстві.

Державними програмами, зокрема, реформування і розвитку житлово-комунального господарства [1], передбачено скорочення енерговитрат до 2010 року на 20%. Важливе місце відводиться впровадженню енергозберігаючих технологій подачі води, розроблення яких передбачає проведення їх періодичних обов'язкових технологічних та енергетичних аудитів.

Проведення енергетичного аудиту передбачає виконання таких робіт:

· встановлення фактичної подачі і витрат електроенергії кожною насосною станцією СПРВ;

· визначення фактичних питомих витрат електроенергії, кВт-год/м3, і їх зміну при різних режимах водоспоживання та графіках подачі води;

· визначення нормативних витрат електроенергії та їх аналіз в порівняні з фактичними із встановленням місць і величин її перевитрат;

· встановлення ефективності енерговитрат наявним насосним обладнанням і системою подачі та розподілу води в цілому;

· визначення першочергових заходів та перспективних шляхів зменшення енерговитрат на подачу води.

При цьому ключовою ланкою є визначення величин нормованих витрат електроенергії в СПРВ, які характеризують здатність СПРВ до забезпечення оптимальних витрат електроенергії при зміні режимів розбору і подачі води.

На основі досліджень діючих СПРВ населених пунктів (понад 30 об'єктів) [2, 3, 4] встановлено, що нормовані енерговитрати залежать від висотного розташування водопровідних споруд, поверховості забудови і частково від встановленого насосного обладнання. Фактичні енерговитрати обумовленні станом та режимами роботи насосного обладнання.

Визначення фактичних витрат електроенергії і, зокрема, їх питомих значень Nф, слід проводити на основі як звітних даних, так і контрольних вимірів. Це дозволяє оцінити точність звітної інформації, встановити реальні втрати води та електроенергії і отримати достовірні значення питомих витрат електроенергії для різних насосних агрегатів і режимів їх подачі.

Нормативні витрати електроенергії відповідають розрахунковим, визначеним за умови підтримування вільних напорів на рівні необхідних в контрольних (диктуючих) точках мережі. Нормативні питомі витрати електроенергії становлять

, (1)

нормування енерговитрата подача вода

де Nн - потужність насоса, кВт;

Q - подача насоса, м3/год;

g - прискорення вільного падіння, g = 9,81 м/с2;

q - подача насоса, л/с;

Н - напір насоса, м;

зн.а - коефіцієнт корисної дії насоса, частка одиниці.

Їх визначають для встановленого насосного обладнання Nо.н і для системи в цілому Nо.с. В першому випадку вони відповідають номінальним значенням Nо.ном, які розраховують за паспортними характеристиками насосів для найвищого к.к.д. зн.а (рис. 1), а для системи в цілому за формулою 1 для напору

, (2)

де Нг - геодезична висота підйому води, м;

h - нормовані втрати напору в трубопроводах від насосної станції до найвіддаленішого споживача (визначаються проектом або приймаються рівними 3...12 м на 1 км труб [5, табл. 5]), м.

Порівняльний аналіз фактичних питомих витрат електроенергії Nф із нормативними Nо.н і Nо.с дозволяє не тільки встановити місця і розміри перевитрат електроенергії, але й визначити можливі їх причини. Так, в разі коли Nф >> Nо.н має місце робота насосів в зоні низьких к.к.д., що характерно для випадків, коли відсутнє регулювання подачі при зміні режимів водоспоживання. Якщо Nф ~ Nо.н, але Nо.н >> Nо.с, то потужність встановлених насосів перевищує необхідну, а сумісна робота споруд СПРВ є неефективною (дроселювання напорів засувками, занижена пропускна здатність мережі тощо). В цих випадках необхідно провести додаткові натурні дослідження СПРВ [4, 5].

Розрахункові витрати електроенергії визначаються залежністю

, (3)

де N - розрахункова потужність насосів, кВт;

T - тривалість роботи насосів з цією потужністю, год.

Прийнявши рівними інтервали T, розрахункову потужність N можна розглядати як питому величину витрат енергії на подачу води [6], яка становить

, (4)

де Q - подача води насосною станцією, л/с;

Hг - геометрична висота підняття води, м;

h - втрати напору в СПРВ (від насосної станції до диктуючої точки), м;

Sм - гідравлічний опір системи;

з - коефіцієнт корисної дії насосних агрегатів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При цьому коефіцієнт нерівномірності витрат енергії на подачу води буде визначатись за формулою

. (5)

Прийнявши співвідношення між середніми втратами напору h і геометричною висотою підняття води Hг рівним k

, (6)

отримаємо

. (7)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Залежність коефіцієнтів нерівномірності енерговитрат КN від коефіцієнтів нерівномірності водоспоживання Кгод при величинах відношень втрат напору до геометричної висоти підйому води в СПРВ k :

1 - 0,0; 2 - 0,2; 3 - 0,5; 4 - 1,0; 5 - 2,0; 6 - 5,0; 7 - ?.

Аналіз формул 5...7 показує, що при зміні k від 0 (h=0 при Sм=0) до ? (Hг =0) КN буде змінюватись в межах від Кгод до (Кгод.)в+1. Зміни нерівномірності енерговитрат, що характеризується коефіцієнтом КN, залежно від коефіцієнтів нерівномірності водоспоживання Кгод показано на рис. 2. Очевидно, що при значеннях Кгод < 1,0 коефіцієнти КN змінюються в обмеженому діапазоні (не більше ніж на 0,3), а при Кгод > 1,0 - зростають в кілька разів.

Перевірка відповідності значень КN, розрахованих за формулою 7, їх дійсним величинам для реальних СПРВ населених пунктів вказує на очевидну розбіжність. Так, на рис. 3 нанесено експериментальні дані і теоретичну залежність, отримані (01..04. 2005 р.) для насосної станції ІІІ-го підйому м. Івано-Франківська (Hг = 40,5 м; h 10,4 м; k = 0,26; Qср 3200 м3/год; Nср = 735 кВт; паралельна робота 2-х насосів).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Порівняння фактичних значень коефіцієнтів нерівномірності енерговитрат КN із їх теоретичними: 1 - експериментальні дані; 2 - лінія тренда експериментальних даних; 3 - теоретична залежність КN = f(Кгод).

Такий характер розбіжності між фактичними і теоретичними значеннями коефіцієнтів нерівномірності енерговитрат має місце на кожній водопровідній насосній станції, що не мають сучасних пристроїв регулювання їх продуктивності, зокрема, перетворювачів частоти струму. Обумовлено це тим, що підібране насосне обладнання розраховане на забезпечення подачі максимальних розрахункових витрат води. Лінія 2 (рис. 3) практично визначається Q - N - характеристикою насосів і не може співпадати із теоретичною залежністю 3. Розбіжність зростає при збільшенні коефіцієнта k = h/Hг .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Зміни енерговитрат при регулюванні подачі трьома насосами в СПРВ: 1 - традиційній; 2 - районованій; 3 - теоретична залежність КN = f(Кгод).

Дані рис. 3 засвідчують, що із зменшенням подачі насосами фактичні витрати електроенергії значно перевищують оптимальні (до 30 % - в діапазоні експериментальних величин; понад до 50 % - при мінімальному водоспоживанні). Скорочення фактичних витрат електроенергії досягається використанням кількох насосів, що забезпечують подачу води при різних режимах водоспоживання (рис. 4). Характерно, що за умови подачі споживачам розрахункових витрат води із необхідними напорами, оптимальні витрати електроенергії мають місце тільки при максимальній подачі насосів. Графік цих витрат є ступінчастим і із збільшенням кількості насосів буде наближуватись до теоретичної лінії (3). Однак, при цьому зростатиме будівельна вартість насосної станції та експлуатаційні витати на ремонт і оплату електроенергії через менші величини коефіцієнтів корисної дії менш потужних насосів. Тому, кількість насосних агрегатів повинна бути обмеженою залежно від продуктивності насосної станції [4, 6].

Таке регулювання подачі води на головній насосній станції, крім перевитрат електроенергії, створює надлишкові напори у водопровідній мережі практично в усіх діапазонах роботи насосів. Тобто, практично протягом всього експлуатаційного періоду у водопровідній мережі, навіть у диктуючих точках, мають місце надлишкові напори. Це є однією із основних причин підвищення аварійності мережі і зростання витоків води, особливо в районах, в яких необхідні напори значно менші ніж в диктуючи точках.

При влаштуванні районованих СПРВ (рис. 5) вказані недоліки зводяться до мінімуму [4]. Графік витрат електроенергії на головній насосній станції фактично апроксимується з теоретичною лінією їх оптимальних величин. Це, крім ліквідації перевитрат електроенергії, дозволяє практично протягом всього експлуатаційного періоду знизити надлишкові напори в основній частині водопровідної мережі. Однак, при максимальному водоспоживанні в диктуючих точках окремих районів напори знизяться нижче необхідних. Тому, у їх вузлах регулювання встановлюються підвищувальні насосні станції (ПНС).

При зниженні водоспоживання в цих районах вільні напори перевищують необхідні. Для їх зниження у вузлах регулювання встановлюються дроселі (регульовані засувки із електро- чи гідроприводом, або регулятори тиску). Робота ПНС і дроселів повинна бути автоматизованою залежно від зміни напорів у диктуючих точках району. Режими дроселювання напорів і роботи ПНС почергово змінюються залежно від режимів водоспоживання і подачі води головною насосною станцією (рис. 4). Для великих районів встановлюються свої районні насосні станції, які можуть функціонувати як станції підкачки (без розриву струменя і втрат напорів, створених головною насосною станцією) або як зонні із забором води із РЧВ. Невеликі райони та окремі споживачі із малими необхідними напорами підключаються до головних магістралей через дроселі у вузлах регулювання.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Приклад районованої СПРВ:

1 - головна насосна станція; 2 - основні магістральні лінії; 3 - зонна насосна станція; 4 - вузли регулювання; 5 - зони і райони водопровідної мережі

Така схема подачі води створює не тільки передумови для економії води і електроенергії але й спрощує експлуатацію при аварійно-відновлювальних і профілактичних роботах. Ремонт водопровідної мережі одного району не призводить до зниження подачі води в інших. Це особливо суттєво в умовах нинішнього старіння і зношення трубопроводів із зниженням їх показників надійності, коли відключення однієї ділянки потребує відключень кількох ділянок і навіть припинення подачі води насосною станцією.

Для таких умов функціонування СПРВ доцільно проводити зміну технологій подачі води, орієнтованих на стабілізацію водопостачання із забезпеченням мінімальних нормативних напорів. Вони передбачають:

· зміну технологічної схеми і режимів подачі води з максимальним використанням особливостей рельєфу і поверховості забудови міста (зонування та районування водопровідних мереж), трьохставкових тарифів на електроенергію, наявного насосного обладнання та резервуарів;

· заміну електродвигунів на менш потужні з обточкою робочих коліс насосів;

· заміну насосного обладнання на районних насосних станціях і підкачках, зокрема, із використанням перетворювачів частоти струму;

· санацію і реновацію трубопроводів (цементування їх внутрішньої поверхні та введення в середину існуючих пластмасових труб), планову заміну будинкових вводів (трубами типу ПНТ);

· планово-профілактичне обслуговування і заміну засувок, гідрантів тощо.

Висновки: Основними показниками, що визначають величини нормованих витрат електроенергії в системах подачі і розподілу води: є номінальні питомі витрат електроенергії насосними агрегатами, фактичні та теоретичні (формула 7) значення коефіцієнтів нерівномірності витрат енергії і подачі води. Скорочення енерговитрат і втрат води в умовах інтенсивного зношення трубопроводів базується на зміні технологій подачі води, орієнтованих на стабілізацію водопостачання із забезпеченням мінімальних нормативних напорів на основі зонування і районування водопровідних мереж.

Література

1. Закон України «Про загальнодержавну Програму реформування і розвитку житлово-комунального господарства на 2004-2010 роки» (№ 1869-IV від 24.06.2004 р.).

2. Ткачук О.А. Шляхи забезпечення функціонування систем подачі і розподілу води в умовах їх старіння й зношення. // Науковий вісник будівництва. Вип. 26 Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2004. - с. 69 - 74.

3. Ткачук О.А., Шадура В.О., Новицька О.С. Скорочення енерговитрат та шляхи зменшення втрат води в системах водопостачання // «Меліорація і водне господарство». Міжвідомчий. наук. зб. Вип. 92. К., 2005. - С. 165 - 173.

4. Ткачук О.А. Структурно-функціональне удосконалення систем подачі та розподілення води. Автореф. дис. докт. техн. наук. Рівне: НУВГП, 2007. 32 с.

5. Хоружий П.Д. Расчет гидравлического взаимодействия водопроводных сооружений. - Львов: Вища школа, 1983, - 152 с.

6. Ткачук О.А. Вплив нерівномірності водоспоживання на енерговитрати в системах подачі і розподілу води населених пунктів // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування. Зб. н. пр. Вип. 5 (18). Рівне: УДУВГП, 2002. - С. 207-213.

Размещено на Allbest.ru