Причин написання статті про стан оптимізації систем водопостачання в Україні було декілька:
- Власний успішний досвід реалізації групою підприємств «Гідроавтоматизація» понад 200 проєктів реконструкцій об’єктів систем водопостачання із отриманням економій енерговитрат від 25 до 70-80%.
- Досвід гідроенергетичного аналізу ефективності функціонування сотень комунальних підприємств, в тому числі водоканалів великих міст України, які за рівнем ефективності далеко поступалися оптимальним показникам енерговитрат, що можуть бути досягнуті при фаховій роботі із оптимізації систем.
- Практика проведення навчання представників органів місцевого самоврядування та комунальних підприємств територіальних громад із створення гідравлічних моделей систем водопостачання та реалізації заходів, які призводять до оптимізації систем.
- Невдалі намагання керівників галузі ЖКГ запровадити оптимізацію через примус комунальних підприємств до закупівлі за чималі кошти марної документації із незрозумілими розрахунками від нав’язаних підприємств, які були далекі від розуміння оптимізацій як таких.
Основна теза: ОПТИМІЗАЦІЯ – це не тільки про гідравліку, це про комплексний погляд на рівняння із багатьма невідомими, серед яких і гідравліка, і енергетика, і автоматизація із диспетчеризацією, і багато інших факторів, від яких залежить ефективність роботи складних інженерних систем.
В статті викладемо декілька основних порад, що використовуються і в експертній, і в проектній, і в практичній діяльності.
Фактично ОПТИМІЗАЦІЯ – це процес, що має на меті спрямувати розвиток систем до найкращого стану. Якщо конкретизувати цю діяльність за напрямами розвитку систем водопостачання, то можна виділити серед основних наступні:
- Забезпечення надійною якісною послугою
- Зменшення питомих енерговитрат
- Зменшення експлуатаційних витрат
- Оптимізація тисків в мережі
- Зменшення частки несплаченої води
- Збільшення терміну експлуатації обладнання та матеріалів
- Зменшення впливу людського фактору
- Підвищення економічної та функціональної стійкості комунальних підприємств
Будь-які дії завжди починаються із реалізації запланованого. В нашій діяльності завжди все починається із досліджень, а саме:
- Збір вхідних даних згідно з опитувальними листами (приклад розміщено на сайті).
- Аналіз вхідних даних, в тому числі розрахунки ефективності функціонування системи.
- Створення гідравлічної моделі системи.
- Пошук та оцінка прийнятих технічних рішень з оптимізації системи.
- Визначення характеристик процесів, об’єктів, обладнання, матеріалів тощо.
Основними сферами прийняття технічних рішень вважаємо наступні:
- Зміна конфігурації мереж – закільцювання мереж, ділянок; роз’єднання трубопроводів для оптимізації швидкостей руху і т. ін.
- Зміна діаметрів труб – відповідно до швидкостей, втрат тисків.
- Зміна характеристик насосних станцій – приведення до відповідності характеристикам системи водопостачання.
- Використання регулюючих клапанів для балансування тисків.
- Зонування – розподілення системи на зони співрозмірного тиску, використання ПНС.
- Запровадження ефективних алгоритмів керування – автоматизація, диспетчеризація
- Застосування зонованого моніторингу споживання води.
Нижче наведу практичні приклади реалізації напрямів оптимізації систем водопостачання.
Рис.1 Завдання з оптимізації тисків в системі
На рис. 1 відображено завдання із оптимізації тисків в мережі населеного пункту. В свій час було прокладено трубопровід, який мав об’єднати обрані ділянки мережі для вирішення проблеми із недостатністю тиску в певних районах. Пошук з оптимізації конфігурації системи було виконано шляхом виконання гідравлічної моделі за допомогою програмного комплексу Epanet. Змодельоване рішення зекономило кошти на виконанні можливих помилкових робіт.
Рис. 2 Помилка у виборі характеристик трубопроводів.
На рис. 2 позначено ділянку трубопроводу із недостатнім діаметром, через яку обсяг води із артезіанської свердловини був зменшеним, відповідно – енерговитрати збільшені, а населений пункт мав проблеми із недостатністю води в пікові часи споживання. В цьому конкретному випадку заміна діаметра трубопроводу на більший одночасно була оптимізацією і якості надання послуг в цілому, і підвищенням енергоефективності зокрема.
Рис. 3 Оптимізація через зміну конфігурації мереж.
На рис.3 наведено приклад, коли вода із джерела – артезіанської свердловини, із значними втратами тиску через гідравлічні характеристики системи подавалася на велику відстань до башти Рожновського, з якої було організоване водорозподілення до споживачів. Оптимізація мала просте рішення – з’єднання основного подавального трубопроводу із вуличними мережами, що через зменшення обсягу транспортування води значно покращило гідравлічні характеристики системи та зменшило енерговитрати, необхідні для функціонування системи водопостачання.
Рис. 4 Гідравлічна модель проблеми застою води
На рис. 4 продемонстровано скрін гідравлічної моделі одної з ділянок системи водопостачання населеного пункту, в якій спостерігався регулярний застій води, що негативно впливало на якість та призводило до постійних скарг із боку споживачів. З точки зору гідравліки цей факт цілком зрозумілий, основною причиною було мале споживання в кінцевих точках мережі та відповідні йому наднизькі швидкості руху води (застій). На рис.5 зображено технічне рішення проблеми застою, яке полягало у перекритті ділянок вільного руху води, зміні напрямків руху води, що забезпечило збільшення швидкості руху і покращило ситуацію із якістю.
Рис. 5 Гідравлічна модель рішення проблем із застоєм води.
Одним з напрямів оптимізації систем є розгляд доцільності використання того чи іншого діаметру трубопроводів. Через значні зміни гідравлічних характеристик мереж за останні часи (зменшення обсягів споживання, які відбулися через масове запровадження обліку, зменшення обсягів промислових виробництв тощо) спостерігається експлуатація труб значно більшого діаметру, ніж доцільно. Так само трапляються випадки, коли прокладені під час ремонтів труби меншого діаметру погіршують ситуацію із тисками в мережі, створюючи проблеми для споживачів.
Процес дослідження характеристик мереж має бути регулярним. На цей час найкращим рішенням реалізації такого контролю є використання гідравлічного моделювання систем та застосування диспетчеризації із моніторингом основних характеристик.
Оптимізація мереж доволі складний та комплексний процес, який рідко має одне рішення. Це рішення завжди межує між більшою вартістю труб із більшим діаметром (при менших втратах електроенергії) і більшими витратами електроенергії для прокачування води крізь дешевші труби меншого діаметру.
Наведемо графічний варіант порівняльного моделювання, яке було застосоване для прикладу оцінки оптимізації діаметрів мереж трубопроводів.
Рис. 6 Схема дослідження оптимальності діаметрів трубопроводів
На рис. 6 наводимо умовну схему роботи насосної станції, яка подає воду в зазначених обсягах через напірну трубу змінного діаметру (умовні характеристики позначені на рисунку).
Автором статі було змодельовано роботу системи за різних умов і отримані наступні графіки зміни характеристик:
Відповідно до отриманих даних можемо зробити висновок про те, що в будь якому завданні з оптимізації діаметрів труб мережі є «золота середина». Це діаметр конкретної ділянки, який може бути визначеним як оптимальний, коли його подальше збільшення недоцільно через отримання додаткових витрат без збільшення ефективності цих витрат. Так само, коли отримання економії матеріальних втрат через зменшення діаметру призводить до значно більших енергетичних витрат системою.
