CC BY
87
3. Окупаемость затрат, связанных с устройством заливной теплоизоляции малоэтажной отдельно стоящей застройки, находится в диапазоне 2-5 лет, что
отвечает общепринятым показателям эффективности капиталовложений.
Библиографический список
1. Эффективные слоистые каменные наружные конструкции с теплоизоляцией из композита «Поропласт CF» / В.А. Москвитин, А.В. Петров, О.А. Гнездилова и др.; ТУ 5741-00216602333-2006: утв. ООО «Фоампласт», ООО «Иркут-Инвест». Иркутск, 2006. 16 с.
2. Гагарин В.Г. Теория состояния и переноса влаги в стро-
ительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций [Электронный ресурс]: дис. ... докт. техн. наук: 05.23.01, 05.23.03. М.: НИИСФ, 2000. 396 с. Режим доступа: http://www.Rqb.dis.rsl.ru.
3. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. М.: Госстрой России ФГУП ЦПП, 2004. 43 с.
УДК 628.218
ОПТИМИЗАЦИЯ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ НА ОБЩИЙ НАПОРНЫЙ КОЛЛЕКТОР
© В.Р. Чупин1, Е.С. Мелехов2, Р.В. Чупин3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предлагается методика оптимизации совместной работы канализационных насосных станций (КНС) при их работе на общий напорный коллектор. Сущность методики заключается в определении пьезометрических напоров у каждой насосной станции в каждый час перекачки сточной жидкости. При известных или прогнозных графиках поступления стоков на КНС предлагается методика оптимизации многоступенчатой схемы перекачки сточной жидкости. При этом оптимизируются количество ступеней и время их действия исходя из заданного объема приемных резервуаров КНС, существующего парка насосного оборудования и требуемых напоров. Ил.5. Библиогр.4 назв.
Ключевые слова: работа канализационных насосных станций на общий напорный трубопровод; моделирование циклическими гидравлическими сетями; оптимизация ступеней работы насосов; метод кластерного анализа.
OPTIMIZATION OF SEWERAGE PUMPING STATION COMBINED OPERATION FOR GENERAL PRESSURE HEADER
V.R. Chupin, E.S. Melekhov, R.V. Chupin
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The paper offers an optimization procedure for sewerage pumping station (KNS) combined operation for a general pressure collector. The essence of the procedure is in determining piezometric pressures of each pumping station every hour of sewage liquor pumping. The optimization procedure of a multistage sewage liquor pumping scheme is proposed under the known or forecast graphs of sewage arrivals at KNS. Herewith, the number of stages and their duration are optimized based on the given volume of KNS receiving reservoirs, existing park of pumping equipment and required pressures. 5 figures. 4 sources.
Key words: operation of sewerage pumping stations for general pressure conduit; cyclic hydraulic network modeling; optimization of pumping operation stages; method of cluster analysis.
В результате развития и застройки городской территории, когда появляются новые микрорайоны, промышленные объекты и от них требуется транспортировать стоки на канализационные очистные сооружения (КОС), возникает задача прокладки дополнитель-
ных коллекторов либо организации перекачки стоков в общем коллекторе, который может быть и существующим. Известно, что с экономической точки зрения всегда выгодно стоки транспортировать в общих трубопроводах или в одном коллекторе. В этом случае
1Чупин Виктор Романович, доктор технических наук, профессор, директор Института архитектуры и строительства, тел.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
Chupin Victor, Doctor of technical sciences, Professor, Director of the Institute of Architecture and Construction, tel.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu.
2Мелехов Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: 89086624237.
Melekhov Evgeny, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Town Planning and Economy, tel.: 89086624237
3Чупин Роман Викторович, кандидат технических наук, докторант кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
Chupin Roman, Candidate of technical sciences, Doctoral Candidate of the Department of Town Planning and Economy, tel.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
система водоотведения может быть такой, как это В итоге решения системы уравнений (1) значения
представлено на рис.1. расходов на фиктивных ветвях укажут на производи-
Рис. 1. Схема напорной канализации
В начале развития городской территории стоки от НС-1 перекачивались на КОС по двум напорным трубопроводам, имеющим значительную протяженность. С появлением новой жилой застройки возникла потребность в сооружении трех КНС, от каждой из них необходимо проложить два протяженных трубопровода до КОС. Однако с экономической точки зрения проще напрямик подключиться к уже действующим напорным коллекторам, что очень часто и происходит. В то же время, если стоки, приходящие в приемные резервуары насосных станций, существенно отличаются и имеют значительные колебания в течение суток, то организовать работу КНС на общий напорный коллектор довольно сложно. При включении или отключении какого-либо насоса на одной КНС могут нарушиться режимы работы других КНС, и возможны случаи, когда одна насосная станция может «задавить» все остальные. Чтобы избежать этого, необходимо соответствующим образом организовать совместную работу насосных станций. Совместную работу КНС на общий напорный коллектор можно смоделировать в виде циклической гидравлической цепи. Например, для схемы, показанной на рис. 1, гидравлическая модель будет соответствовать рис. 2. Она состоит из реальных трубопроводов и фиктивных ветвей, моделирующих работу насосных станций.
На рис. 2 эти ветви показаны штриховыми линиями и моделируют характеристику насосных станций в виде
Я = (Яг + г)-5н с*д2, где 5н с - сопротивление насоса (или группы насосов); Нг - геометрическая высота нагнетания насосов; 1 -геодезическая отметка оси насосов КНС.
Для определения значений расходов стоков (ц) по ветвям циклической схемы требуется решить систему уравнений в виде аналогов первого и второго законов Кирхгофа:
гАц = О
{ВН = ВН, ^ = = С*ч2- (1)
тельность насосных станций. Возможны случаи, когда на этих ветвях расходы будут отрицательными. Это означает, что данная насосная станция будет «задавлена» другими, сработает обратный клапан и насосная станция отключится от сети. Но даже если на фиктивных ветвях будут расходы положительными, может оказаться так, что они будут либо больше, либо меньше требуемых величин. В этом случае приемные резервуары насосных станций будут или опорожняться или переполняться.
Избежать таких случаев можно путем введения в (1) дополнительных условий в виде регуляторов расходов
41^41^ Ъ- (2)
В этом случае, если ъ > Ъ, то ъ = Ъ, и если ъ < ъ, то ъ = ъ; если ъ < 0 , то ъ = 0 .
Алгоритмически это сведется к решению задачи (1) и коррекции расходов согласно условию (2) до выполнения сходимости вычислительного процесса, когда на двух последних итерациях решение меняться не будет. В итоге может оказаться, что некоторые насосные станции будут отключены или блокированы другими, а некоторые КНС будут работать в неоптимальных режимах. В этом случае понадобится для блокированных КНС каким-то образом увеличить напор, а для других изменить общую характеристику насосов.
Но даже если решение будет найдено, требуется его реализовать, т.е. подобрать комбинацию насосов, включая перенастройки регуляторов давления. Но как только изменится режим поступления стоков в систему водоотведения, все расчеты и настройки необходимо выполнить заново.
Предлагается эту проблему рассматривать комплексно и заранее вырабатывать решения по включению или отключению тех или иных насосов на каждой КНС в зависимости от прогнозируемых режимов перекачки стоков.
Рис. 2. Гидравлическая модель напорной канализации: Н - геометрический напор насосов; 1 - геодезическая
отметка оси насосов
Если графики поступления стоков в систему водо-отведения известны заранее, то расчеты по определению напоров насосных станций можно выполнить следующим образом.
Необходимо на насосных станциях зафиксировать величины стоков, поступающих в приемные резервуары, и определить расходы по «реальным» напорным трубопроводам. Затем, начиная от узла-сброса стоков, вычислить потери напора и определить требуемые напоры на всех насосных станциях, как это показано на рис. 3. Причем такие расчеты можно выполнять для каждого часа поступления стоков в систему водоотведения. В итоге можно определить графики включения тех или иных насосов на каждой насосной станции. При этом надо отметить, что несоблюдение этих графиков (по напору и расходу) может привести к блокированию одних насосных станций другими.
В связи с этим сложившаяся методика организации перекачки стоков, основанная на достижении определенных уровней в резервуаре, требует существенного развития и усовершенствования.
Сущность существующей методики, которая изложена в СНиП. 2.04.03-85, заключается в следующем [1]. За основу принимается ступенчатая схема откачки стоков из приемного резервуара. При этом производи-
тельность насоса, работающего в час максимального притока сточной жидкости, принимается равной этой величине. Вместимость приемного резервуара определяется количеством переключений насосных агрегатов в час (три при ручном и пять при автоматическом управлении переключений). При этом объем приемного резервуара принимается равным 5-минутной подаче насоса с наибольшей производительностью. График перекачки стоков получается многоступенчатым и оказывается слабо связанным с гидравлическими характеристиками подбираемого насосного оборудования и напорных трубопроводов. Это порой приводит к нерациональным схемам эксплуатации насосных агрегатов и к расточительности затрат электроэнергии. Чтобы как-то сбалансировать работу таких насосных станций, обслуживающий персонал эмпирически отыскивает приемлемую комбинацию включения агрегатов в зависимости от колебания уровня стоков в приемном резервуаре. Организация работы КНС на общий напорный трубопровод по такой схеме еще более затруднительна.
Следует отметить, что с появлением регулируемого электропривода в насосном оборудовании появилась возможность более эффективно организовывать работу КНС, однако и в этом случае требуется пред-
Рис. 3. Определение напоров насосных станций
варительное обоснование совместной работы: приемный резервуар - насосы - напорный трубопровод [2,3].
Для случая работы группы КНС с регулируемыми электроприводами на общий напорный трубопровод не снимается проблема возможности блокировки одних насосных станций другими. Можно обеспечить график работы насосов, соответствующий графику притоков сточной жидкости в приемный резервуар. Но этот график будет реализован лишь в случае обеспечения сбалансированного по всем насосным станциям графика их напоров.
Известно, что наиболее эффективной является равномерная работа насосного оборудования, но из-за неравномерности поступления стоков на КНС такой режим работы насосов практически невозможно организовать. Невозможно в этом случае обойтись без ступенчатой работы насосов, хотя необходимо стремиться, чтобы их количество было минимальным. Для существующих КНС ограничением по выбору количества ступеней работы насосных станций будут величины емкостей приемных резервуаров.
В этом случае возникает задача обоснования минимального количества ступеней работы насосных станций, которую можно сформулировать следующим образом.
При известных объемах приемных резервуаров и состава насосного парка с регулируемым электроприводом требуется найти минимальное количество сту-
пеней работы насосных станций, обеспечивающих требуемые напоры и минимальные затраты электроэнергии. При этом график прихода стоков на КНС считается известным (прогнозным).
Для решения этой задачи предлагается следующая методика.
1. Для каждой КНС формируются ступени работы насосных агрегатов по времени их включения и продолжительности работы. Для этого используется один из методов кластерного анализа - метод "Ближайших соседей" [4]. Применительно к данной задаче этот довольно простой метод заключается в объединении часовых притоков в кластеры - ступени по правилу минимальных расстояний и меры принадлежности.
При этом расстояния между часовыми притоками вычисляются следующим образом:
ЦМ1 = ((р, - Р,+1)2+1)0-5, и мера принадлежности:
I = (р/+1)0-5,
где - мера схожести притоков сточной жидкости в приемный резервуар КНС. Если эту меру принять больше чем 0тах , то все 24 часовых притока объединятся в 1 кластер - 1ступень. Если принять =0, то весь график притока сточной жидкости разобьется на 24 кластера, т.е. на 24 ступени. Следовательно, оптимальная мера принадлежности находится в интервале : 0 < фг < ( флат - фт т).
Рис. 4. Работа насосных станций в пять ступеней
Рис. 5. Работа насосных станций в две ступени
Варьируя значением , можно получать различные ступени работы КНС.
2. Зная количество ступеней работы КНС и время их действия, строят интегральные графики притока сточной жидкости и их перекачки по ступенчатому графику и определяют потребные регулирующие объемы. Если потребные регулирующие объемы будут больше, чем емкость приемного резервуара, этот график перекачки стоков из дальнейших рассмотрений исключается. В итоге останется один или несколько графиков, чья регулирующая емкость максимально приближена к емкости приемного резервуара КНС.
3. Все перечисленные расчеты проводятся для каждой КНС.
4. На основании полученных таким образом графиков перекачки стоков определяются напоры на выходе из каждой КНС по схеме, представленной на рис.1. Потребные напоры определяются для каждого часа перекачки стоков.
5. Зная напоры КНС, подсчитывают затраты электроэнергии.
6. Согласно пунктам 4, 5 расчеты выполняются для всех графиков, регулирующие емкости которых не превышают объем приемного резервуара.
7. Среди этих графиков выбирается график с
минимальными затратами электроэнергии, который и принимается для дальнейшей реализации.
8. Под каждые графики перекачки стоков организуется работа существующих насосов. Для насосов с регулируемым электроприводом их работу организовать не сложно. При отсутствии регулируемого электропривода, возможно, потребуется провести срезку колес или их замену, либо произвести замену всего насосного оборудования на соответствующее графикам перекачки стоков.
Так, например, при объеме приемного резервуара 610 м3, оптимальным будет работа насосов в пять ступеней (см. рис. 4), а при объеме приемного резервуара в 950 м достаточно организовать две ступени, как это показано на рис. 5.
Таким образом, предлагается новая методика организации перекачки стоков группой КНС, работающих на общий напорный трубопровод. Методика основана на предварительной разработке графиков перекачки стоков и схемы их реализации. В системе диспетчерского управления эта методика может использоваться как подсистема советов диспетчеру при формировании краткосрочных и долгосрочных графиков перекачки стоков.
Библиографический список
1. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения.
2. Николаев В.Г. Влияние характеристик насосов на энергопотребление канализационных насосных станций и качество очистки сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2009. № 10. Ч. 2. С. 3-10.
3. Муравлева О.О., Тютева П.В. Использование энергети-
чески эффективных двигателей в регулируемом приводе насосов // Водоснабжение и санитарная техника. 2008. № 5. С. 29-32.
4. Многомерные статистические методы. Ч. IV: Кластерный анализ: учебно-методическое пособие / Н.И. Гришакина [и др.]. Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2005. 54 с.
