CC BY
5
УДК 614.842
АНАЛИЗ ПРАКТИКИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРУПП
СОВМЕСТНО РАБОТАЮЩИХ НАСОСОВ В ПРОТИВОПОЖАРНОМ ВОДОСНАБЖЕНИИ И ПОДХОДОВ К АНАЛИТИЧЕСКОМУ ОПИСАНИЮ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК
В. Б. БУБНОВ, Д. С. РЕПИН
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново Е-mail: kafppv@mail.ru
В работе проанализированы подходы к управлению группами совместно работающих насосов на объектах защиты и аналитическому описанию их рабочих характеристик. Отмечены недостатки существующих математических моделей для расчета характеристик групп насосов в насосных станциях. Изложены преимущества метода частотного регулирования привода как наиболее энергетически эффективного. Внедрение данного метода необходимо сопровождать достоверными расчетами, направленными на решение оптимизационных задач настройки насосной станции с оценкой экономического эффекта. Результаты анализа позволили выявить основные проблемные вопросы существующей практики и эксплуатации групп совместно работающих насосов и определить важнейшие задачи, которые необходимо выполнить в данной области исследований. Приводится описание направлений дальнейших исследований, в частности в области оптимизации режимов эксплуатации групп совместно работающих насосов с пожарными насосами. Результаты работы представляют интерес для создания актуализированной научно-методической базы, включающей современные методики расчетов и рекомендации, позволяющие использовать методы моделирования и повысить точность расчета режимов работы насосного оборудования, а также проектных и экспертных работ в области обеспечения пожарной безопасности, которая будет полезна, в том числе, для совершенствования образовательной и научно-исследовательской деятельности образовательных организаций.
Ключевые слова: противопожарное водоснабжение, насосная станция, водопроводная сеть, напорно-расходная характеристика, оптимизация, модель, график водопотребления.
ANALYSIS OF THE PRACTICE OF OPERATION OF GROUPS OF JOINTLY OPERATING PUMPS IN FIRE-FIGHTING WATER SUPPLY AND APPROACHES TO THE ANALYTICAL DESCRIPTION OF THEIR CHARACTERISTICS
V. B. BUBNOV, D. S. REPIN
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo Е-mail: kafppv@mail.ru
The paper analyzes approaches to managing groups of jointly operating pumps at protected objects and an analytical description of their performance. The shortcomings of existing mathematical models for calculating the characteristics of groups of pumps in pumping stations are noted. The advantages of the drive frequency control method as the most energy efficient are stated. The introduction of this method must be accompanied by reliable calculations aimed at solving optimization problems of setting up a pumping station with an assessment of the economic effect. The results of the analysis made it possible to identify the main problematic issues of the current practice and operation of groups of cooperating pumps and to determine the most important tasks that need to be performed in this area of research. A description is given of directions for further research, in particular in the field of optimizing the operating modes of groups of jointly operating pumps with fire pumps. The results of the work are of interest for creating an updated scientific and methodological base, including modern calculation methods and recommendations that allow using modeling methods and improving the accuracy of calculating the operating modes of pumping equipment and design
© Бубнов В. Б., Репин Д. С., 2023
and expert work in the field of fire safety, which will be useful, among other things, to improve the educational and research activities of educational organizations.
Key words: fire-fighting water supply, pumping station, water supply network, pressure-flow characteristics, optimization, model, water consumption schedule.
Насосное оборудование является важнейшим элементом системы противопожарного водоснабжения на объектах защиты, что требует организации постоянного мониторинга его состояния. Насосы находят применение во внутреннем водоснабжении зданий, при оснащении зданий и сооружений системами пожаротушения, в наружном, в том числе и противопожарном, водоснабжении объектов, в системах подачи воды и огнетушащих составов в установках пожаротушения, для подачи воды на пожаротушение с использованием насосно-рукавных систем. [1]
Насосная станция представляет собой инфраструктурный объект, который предназначен для перекачки жидкостей и состоит из насосов (рабочих и резервных), трубопроводов и вспомогательных устройств. Добиться значительной экономии потребляемой насосной станцией электроэнергии можно путем модернизации оборудования, а также внедрения систем управления на основе технологий искусственного интеллекта.
Целью работы является проведение анализа существующих способов оптимизации режимов групп совместно работающих насосов в противопожарном водоснабжении, что в дальнейшем позволит разработать рекомендации по повышению эффективности систем подачи воды для противопожарного водоснабжения объектов защиты, мероприятия по сокращению потребления электроэнергии на привод насосного оборудования, а также компьютерную поддержку методов оптимизации групп совместно работающих насосов. Для этого на данном этапе работы анализируются практика эксплуатации групп совместно работающих насосов и подходы к аналитическому описанию их характеристик.
В городах и населенных пунктах обычно организуют хозяйственно-противопожарные водопроводы (объединенные). Вода из них подается также на промышленные предприятия. Обычно на промышленных предприятиях организуются отдельные производственный и хозяйственно-противопожарный водопроводы, реже - отдельные хозяйственно-питьевой, производственно-противопожарный или хозяйственно-производственно-противопожарный (объединенный). [1] Основная задача регулирования подачи насосов на объекте защиты - обеспечение заданного графика во-допотребления, который для производствен-
ных объектов определяется технологическим процесом.
Существует несколько подходов в практике управления группами совместно работающих насосов. Например, ступенчатый график работы насосных станций с применением напорно-регулирующих емкостей. В данном случае в различные периоды времени работает разное количество насосов (насосных групп), компенсация несоответствия графиков подачи и водопотребления происходит благодаря заполнению (опорожнению) напорно-регулирующей емкости. Регулирование подачи насосов, насосных станций может осуществляться путем дросселирования на нагнетательной линии, когда изменяется гидравлическая характеристика трубопроводной сети, в которую насосная станция подает воду и происходит изменение положения рабочей точки системы «насосная станция - водопроводная сеть». Регулирование может быть параллельным и последовательным. При параллельном осуществляется изменение подачи всех одновременно работающих насосов, при последовательном - сначала одного насоса, далее следующего и т.д. Регулирование подачи изменением числа оборотов приводных двигателей (частотное регулирование) может быть также параллельным и последовательным. Также иногда применяют и другие способы, например, регулирование байпассированием (направляющим аппаратом), организуя рециркуляцию жидкости через насос.
Используемые в настоящее время такие методы регулирования подачи, как байпасиро-вание и дросселирование на нагнетании имеют низкую энергетическую эффективность. В последние годы распространение получает один из самых энергетически эффективных методов регулирования подачи насосов - метод частотного регулирования привода. Этот метод описан в большом количестве монографий и статей ведущих ученых в области гидродинамики, а также производителями установок частотного регулирования подачи1 [2, 3].
Преимуществом использования таких установок также является снижение износа насосного оборудования за счет обеспечения
1 Шакарян Ю. Г., Нильский Н. Ф. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. М: МЭИ, 1997. 12 с.
плавного разгона двигателя, без повышенных пусковых токов и механических ударов. Известен данный метод давно, но его широкое использование ограничивалось высокой стоимостью оборудования для плавного изменения частоты вращения приводного двигателя. Благодаря быстрому развитию средств автоматизации, микроэлектроники, а также в связи с увеличением стоимости электроэнергии, метод частотного регулирования становится конкурентоспособным с традиционными методами.
Методы построения рабочих характеристик пожарных насосов («напор-подача», «мощность-подача», «КПД-подача») по результатам их испытаний и их аппроксимация полиномами разной степени являются хорошо известными [4, 5].
В работе [6] описаны наиболее полные математические модели насосных станций. Заключается суть метода в построении напор-но-расходной характеристики, общей для группы совместно работающих насосов, и рабочей точки в зависимости от гидравлического сопротивления трубопровода, т.е. параметры рабочей точки (напор, подача) при работе насоса на данную водопроводную сеть однозначно определяются характеристиками насоса и сети.
H2.p1«
О
Параллельная работа представляет собой совместную одновременную работу нескольких насосов. Они напорными патрубками присоединены к системе - водоводам, напорному коллектору, водосборнику. Применяется такая параллельная работа насосов при подаче воды к лафетным стволам, подаче на пожар
На рис. 1 представлена графическая интерпретация этого способа. При изменении гидравлического сопротивления сети водопроводов рабочая точка Q1, которая определяется пересечением характеристики насоса («напор-но-расходной») и гидравлического сопротивления водопроводной сети, сдвинется в точку Q2 по графику «напорно-расходной» характеристики насоса. Если применять метод снижения частоты вращения ротора приводного электродвигателя, то изменится характеристика насосной станции («напорно-расходная») и рабочая точка сдвинется в точку Q3. В случае введения в эксплуатацию для перепуска части жидкости байпасной линии, на линии выхода с насосной станции характеристика насосной станции (напорно-расходная) изменится, а рабочая точка при этом сдвинется в точку Q4.
Как правило, в насосных станциях имеет место совместная работа насосов, когда несколько насосов подают в одну систему транспортируемую жидкость. Включены в систему при этом они могут параллельно или последовательно. Совместная работа нескольких насосов (параллельная, последовательная) представляет собой один из способов регулирования работы насосных станций в системах водяного пожаротушения.
Рис. 1. Схема взаимодействия «насос - водопроводная сеть»
воды насосными станциями водопроводов (объединённых).
При последовательной работе насосов напорный патрубок одного из них подключают к всасывающему патрубку другого. Используется она в случаях, когда создаваемый одним насосом напор недостаточен. Это имеет ме-
сто, например, при тушении пожаров в зданиях повышенной этажности, когда воду необходимо подать на заданную высоту, при подаче воды в перекачку (на большие расстояния).
Для получения характеристик групп совместно работающих насосов (суммарных)
необходимо сложить подачи всех параллельно работающих насосов при одинаковом напоре (рис. 2) или сложить напоры всех последовательно работающих насосов при одинаковой подаче (рис. 3).
лс
Рис. 2. Схема параллельной работы двух насосов
Рис. 3. Схема последовательной работы двух насосов
Для рабочих характеристик насосов аналитические выражения задаются обычно полиномами второго порядка. Недостатком представленных в научных работах [3, 6, 7] моделей является ограниченная их информированность касаемо каждого отдельного насоса, а также влияния каждого насоса при осуществлении регулирования на характеристику всей группы совместно работающих насосов. К примеру, не учитывается влияние регулирования одного насос-
ного агрегата на режим работы всей насосной станции. Модель является весьма упрощенной, поскольку в ней для напорно-расходной характеристики насосов используется аппроксимирующая квадратичная функция, которая не обеспечивает высокую точность.
Существенным недостатком существующей в настоящее время практики аналитического описания характеристик для групп совместно работающих насосов, по нашему мне-
нию, является отсутствие адекватных методик расчета напорно-расходных характеристик для параллельно работающих насосов, имеющих различные характеристики. К примеру, в ПК ГИС Zulu2 применяются значения коэффициентов полиномов, аппроксимирующих характеристики насосов «напор-подача», среднеарифметические. Указанные подходы приводят к существенным ошибкам. В ряде других научных работ [6, 7] рекомендуется пользоваться графическими методиками (графическое сложение характеристик).
При транспортировке огнетушащей среды по трубопроводам важной задачей является минимизация возникающих гидросопротивлений, т.к. от их величины зависят энергетические затраты на перемещение жидкости. Одним из путей решения этой проблемы является дозирование в воду растворов водорастворимых полимерных материалов, в частности полиакрилами-да, сополимеров акриламида [8, 9]. При транспортировке такой жидкости изменится характеристика насосного агрегата, а в существующих методиках зачастую не учитывается влияние физических свойств перекачиваемой жидкости на эти характеристики. Поэтому при моделировании и оптимизации насосов в данных случаях также следует учитывать свойства воды с добавками полимера, оказывающие влияние на рабочие характеристики.
Другой проблемой является изменение фактических характеристик насосов в процессе эксплуатации вследствие их износа и некачественного обслуживания. На практике встречаются случаи, когда совместно эксплуатируемые насосы одной марки имеют отличающиеся друг от друга рабочие характеристики.
Использование в качестве аппроксимирующей функции полиномов более высокого порядка позволит повысить точность расчетов. Развитие современных компьютерных технологий вполне позволяет усложнять общую модель насосной станции за счет использования распараллеливания алгоритмов оптимизации. Интегрирование моделей групп совместно работающих насосов и водопроводной сети видится наиболее эффективным вариантом моделирования всей системы для решения задачи снижения энергозатрат.
При использовании агрегатов различного типоразмера в случае параллельной работы насосов, важная задача состоит в поиске параметров регулировки их подачи, при которых минимальны энергозатраты на транспортировку среды [4]. Как отмечено выше, в последние годы получает все большее распространение метод частотного регулирования как
самый энергетически эффективный. Как известно, энергоэффективность для групп совместно работающих насосов увеличивается при большей степени равномерности загрузки насосов. Такому условию будет соответствовать снижение частоты вращения вала насоса для большего типоразмера, при котором напор его холостого хода равен напору холостого хода для насоса меньшего типоразмера.
Метод частотного регулирования является дорогостоящим, его внедрение должно сопровождаться обоснованными точными расчетами, оценивающими возможный экономический эффект. Проведение таких расчетов с нахождением оптимальной частоты работы электродвигателя насосного агрегата требует большого количества вычислений. Выполнить их возможно только с применением ЭВМ. В настоящее время готовой модели, а также программного продукта, реализованного на ее основе, для решения оптимизационной задачи настройки насосной станции методом использования частотного регулирования подачи и связанной с ней экономической задачи, нет.
Износ оборудования приводит к плановому обновлению насосных агрегатов. При изменении режима группы совместно работающих насосов, обусловленного изменением режима обслуживаемого ей оборудования, возможен подбор новых насосных агрегатов, которые обеспечат минимальные возможные энергозатраты. Часто в эксплуатации находятся насосы, выведенные на режим работы, находящийся за пределами рекомендованной рабочей зоны [4]. Разница в цене насосов вполне нивелирует снижение потребления электроэнергии и за счет долгого срока службы самих агрегатов. Существует множество моделей насосов, и подбор оптимального агрегата также требует существенных вычислительных затрат.
В ходе подбора новых насосных агрегатов к ним предъявляются следующие требования: обеспечение (в соответствии с графиком водопотребления) основных параметров напора, подачи; обеспечение необходимой степени надежности, а также бесперебойности работы; удобство эксплуатации; долговечность.
При проектировании, строительстве групп насосов (совместно работающих) следует стремиться снизить затраты на их сооружение путем максимальной компактности расположения оборудования, использования стандартных изделий и материалов.
2 www.geoinfograd.ru (дата обращения 03.04.2023)
Результаты проведенного анализа существующей практики эксплуатации и моделирования групп совместно работающих насосов позволили выявить основные недостатки и определить основные задачи дальнейших исследований, такие как разработка аналитического метода расчета характеристик групп совместно работающих насосов, укомплектованных насосами разных марок; разработка методики пересчета характеристик насосов на перекачку среды с другими физическими свойствами в случае использования в качестве ог-нетушащей среды воды с добавками водорастворимых полимерных материалов; формулировка задачи оптимизации групп совместно работающих насосов по критерию минимума
энергозатрат; разработка модели для решения задачи настройки насосной станции методом использования частотного регулирования и связанную с ней экономической задачи; разработка рекомендаций по оптимизации режимов эксплуатации групп совместно работающих насосов с пожарными насосами.
Полученные результаты представляют интерес для разработки актуализированной научно-методической базы, включающей современные методики расчетов и рекомендации, позволяющие использовать методы моделирования и повысить точность расчета режимов работы насосного оборудования, а также проектных и экспертных работ в области обеспечения пожарной безопасности.
Список литературы
1. Жучков В. В. Противопожарное водоснабжение. М.: Академия ГПС МЧС России, 2016. 298 с.
2. Елин Н. Н., Бубнов В. Б., Снегирев Д. Г. Насосные станции: учебное пособие. Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2012. 129 с.
3. Multiobjective Optimization of Low-Specific-Speed Multistage Pumps by Using Matrix Analysis and CFD Method / Qiaorui Si, Shouqi Yuan, Jianping Yuan [et al.]. J. Appl. Math. Vol. 2013. 10 p.
4. Королёв М. Г. Оптимизация работы насосной станции // Культура, наука образование: проблемы и перспективы: материалы III Всероссийской научно-практической конференции. Нижневартовск: Нижневартовский государственный университет. 2014. Ч. 2. С. 307309.
5. Yi Gong, Jilin Cheng. Combinatorial Optimization Method for Operation of Pumping Station with Adjustable Blade and Variable Speed Based on Experimental Optimization of Subsystem. Hindawi Publishing Corporation Advances in Mechanical Engineering, vol. 2014, 7 p.
6. Турк В. И., Карелин В. Я., Минаев А. В. Насосы и насосные станции. М: Стройиздат, 1986. 304 с.
7. Чебаевский В. Ф., Вишневский К. П., Накладов Н. Н. Проектирование насосных станций и испытание насосных установок. М.: Колос, 2000. 320 с.
8. Абросимов Ю. Г. Гидравлика. М.: Академия ГПС МЧС России, 2016. 312 с.
9. Бубнов В. Б., Дмитриев И. В., Ша-мин В. И. Исследование условий получения и применения в системах противопожарного водоснабжения водорастворимого полимер-ного материала // Пожарная и аварийная безопас-
ность: сборник материалов XIII Международной научно-практической конференции. Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спаса-тельная академия ГПС МЧС России, 2018. С. 47-52.
References
1. Zhuchkov V. V. Protivopozharnoye vodosnabzheniye [Fire water supply]. Moscow: Akademija GPS MChS Rossii, 2016. 298 p.
2. Yelin N. N., Bubnov V. B., Snegi-rev D. G. Nasosnyye stantsii: uchebnoe posobiye [Pumping stations: tutorial]. Ivanovo: OONI Ivl GPS MChS Rossii. 2012. 129 p.
3. Multiobjective Optimization of Low-Specific-Speed Multistage Pumps by Using Matrix Analysis and CFD Method / Qiaorui Si, Shouqi Yuan, Jianping Yuan [et al.]. J. Appl. Math. Vol. 2013. 10 p.
4. Korolev M. G. Optimizatsiya raboty na-sosnoy stantsii [Optimization of the operation of the pumping station]. Kul'tura, nauka obrazovani-ye: problemy i perspektivy: materialy III Vse-rossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Nizhnevartovsk: Nizhnevartovskiy gosudarstven-nyy universitet. 2014, issue 2, pp. 307-309.
5. Yi Gong, Jilin Cheng. Combinatorial Optimization Method for Operation of Pumping Station with Adjustable Blade and Variable Speed Based on Experimental Optimization of Subsystem. Hindawi Publishing Corporation Advances in Mechanical Engineering, vol. 2014, 7 p.
6. Turk V. I., Karelin V. Ya., Minayev A. V. Nasosy i nasosnyye stantsii [Pumps and pumping stations]. Moscow: Stroyizdat, 1986. 304 p.
7. Chebayevskiy V. F., Vishnevskiy K. P., Nakladov N. N. Proyektirovaniye nasosnykh stantsiy i ispytaniye nasosnykh ustanovok [Design of pumping stations and testing of pumping units]. Moscow: Kolos, 2000. 320 p.
8. Abrosimov Yu. G. Gidravlika [Hydraulics]. Moscow: Akademija GPS MChS Rossii, 2016. 312 p.
9. Bubnov V. B., Dmitriyev I. V., Shamin V. I. Issledovaniye usloviy polucheniya i primeneniya v sistemakh protivopozharnogo vodosnabzheniya vodorastvorimogo polimernogo materiala [Study of the conditions for obtaining
and using water-soluble polymeric material in fire water supply systems]. Pozharnaya i avariynaya bezopasnost': sbornik materialov XIII Mezhdu-narodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Ivanovo: FGBOU VO Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii, 2018, pp. 47-52.
Бубнов Владимир Борисович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: kafppv@mail.ru
Bubnov Vladimir Borisovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, associate professor
E-mail: kafppv@mail.ru
Репин Денис Сергеевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
преподаватель
E-mail: denisrep@mail.ru
Repin Denis Sergeevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
teacher
E-mail: denisrep@mail.ru
