Нижче на рисунку 7 наведено приклад пошуку рішень з оптимізації під час проведення аудиту одного з водоканалів України. Роботу позначеної ділянки було змодельовано та визначено можливість заміни діаметру прокладеної труби ДУ 1000 мм. на трубу ПЕ внутрішнім діаметром 626мм без зміни характеристик умов протікання – втрат тиску при визначеному обсязі подачі води.

Рис. 7 Зменшення діаметру трубопроводу на визначеній ділянці

Як ми бачимо на рисунку, оптимізація рахується інколи в достатньо значних довжинах, діаметрах та із великою економією матеріальних ресурсів з проведення можливої реконструкції мереж.

Одним із основних в числі перших напрямків оптимізації роботи систем вважаємо підвищення енергоефективності роботи насосних станцій, яких у нашій практиці було досліджено в достатній кількості для можливості зробити висновок про тотальну неефективність їхньої роботи.

Рис.8 Графічний вигляд зміни ККД наявного НС водоканалу

На рис.8 продемонстровано вигляд характеристики зміни фактичного коефіцієнту корисної дії (ККД) на наявній НС, яка перевитрачає за попередніми розрахунками близько 3,9 млн кВт*год/рік, або 55,3% від загального споживання електроенергії.

Рис.9 Графічний вигляд зміни ККД на підвищувальній насосній станції водоканалу

На рис.9 продемонстровано вигляд характеристики зміни фактичного ККД на наявній підвищувальній насосній станції, яка перевитрачає за попередніми розрахунками близько 45,3 тис. кВт*год/рік, або 83,3% від загального споживання електроенергії.

Обидва приклади підтверджують неефективне використання енергоресурсів, яке набуло масовий характер для українських великих та малих комунальних підприємств з надання послуг водопостачання та водовідведення. Ефективним можна було б вважати ККД насосних станцій в межах від 50 до 84 % (в залежності від обсягів подачі води).

Оптимізація енерговитрат – комплексне завдання, яке пов’язане із всіма іншими компонентами оптимізації через повний взаємозв’язок необхідних оптимальних характеристик насосного обладнання із зміною характеристик споживання і відповідно – водорозподільних мереж.

Професійний енергоефективний підбір характеристик насосного обладнання – тема для багаторічних досліджень, які, нажаль, практично не проводяться в Україні. Хоча певні досягнення та алгоритми підбору були напрацьовані автором статті та успішно запроваджуються під час виконання реконструкцій.

Рис. 10 Вплив роботи перетворювача частоти на ККД.

Особливу увагу потребують дослідження із ефективністю використання перетворювачів частоти, яке набуло масового характеру при повній відсутності контролю за ефективністю таких рішень. Саме по собі використання перетворювачів частоти є сучасним явищем, яке в більшості випадків дійсно приводить до зменшення енерговитрат, особливо в порівнянні із застосуванням дроселювання насосних станцій засувками. Але разом із тим відсутність контролю ККД може призвести до значного збільшення енерговитрат у випадку, коли перетворювачі частоти використовують для керування насосів, характеристики яких підібрані невідповідно до системи водоспоживання. Тому завдання оптимізації роботи насосних станцій ми би вивили на перше місце через можливість отримання швидкого результату в короткий термін і з відносно незначними термінами окупності інвестицій. Звісно, така оптимізація має ґрунтуватися на науковому опрацюванні проблем та підтвердженні прийнятих рішень з підвищення ефективності на гідравлічних моделях.

Рис. 11 Фрагмент досліджень із зміни ефективності роботи насосних агрегатів

Значно впливає на ефективність роботи насосних станцій і алгоритм керування, який може бути одним із основних факторів досягнення найменших енерговитрат. Особливо важливо цей аспект розглядати при роботі групи насосних агрегатів в складі однієї насосної станції. Різниця в характеристиках насосів однієї групи має бути обрана науково обґрунтовано, відповідно до змінних характеристик споживання та системи. А обраний алгоритм керування має досягати основної мети – отримання найменших енерговитрат.

Рис. 12 Зовнішній вигляд панелі оператора системи водопостачання, яка керується SCADA

Основні ідеї енергоефективних алгоритмів керування складними системами водопостачання були запропоновані до реалізації автором під час напрацювання концептуальної ідеї та виконання ТОВ «Торговий Дім «Гідроавтоматизація» проектної документації реконструкції одного із водоканалів України із підвищенням енергоефективності. Контроль ефективності функціонування системи найкраще може бути покладений не на людину – інколи носія негативного впливу людського фактору, а на комп’ютерні системи, які можуть бути не лише збірником та відображувачем інформації, але і центром прийняття рішень з оптимізацій в автоматичному режимі. Саме контроль технологічного процесу та миттєве опрацювання його характеристик при програмуванні правильного алгоритму ефективного керування системою, може стати ключовим фактором в оптимізації функціонування системи і одним із головних чинників досягнення мінімальних енерговитрат.

Не менш важливим напрямом оптимізації систем водопостачання є оптимізація тисків в мережі. Надлишкові тиски призводять не лише до підвищення аварійності, але і до збільшення втрат води.

Дослідимо вплив значення тиску в трубопровідній мережі на прикладі витоку води крізь отвір, який утворився внаслідок аварійної ситуації, що могла виникнути через корозію, гідравлічний удар або інші причини.

Для реальної рідини витрата крізь отвір розраховується за формулою Торрічеллі:

Qвтр. = μ *s *j*√2gh

μ – коефіцієнт стиснення струменя;
s – площа перерізу отвору;
j – поправочний множник;
g – прискорення вільного падіння, м/с²;
h – висота стовпа води над отвором, м. (тиск).

Для моделювання розрахунків приймаємо допущення: μ = 0,97, j=0,98.

Змодельований розрахунок доводить безпосередню залежність втрат води крізь отвір в трубі від значень тиску в трубопровідній мережі. Отримання надлишкового тиску при виникненні аварій в системах водопостачання, пов’язаних з ушкодженням трубопроводів, значно збільшує втрати води, тому оптимізація системи, яка зводиться до можливого зменшення тиску в системі, одночасно зменшить втрати води через виникнення аварійних ситуацій.

Рис. 12 Вплив тиску на втрати води в аварійних ситуаціях

Особливо проблема нерівномірності тисків стосується населених пунктів із складним рельєфом місцевості і значними перепадами висот. В таких випадках основними проблемами є наступні:

• Надлишковий тиск в трубопроводах на ділянках із значно нижчими рівнями висот;
• Можлива недостатність тисків в ділянках з високим розташуванням відносно рівнів розташування насосних станцій;
• Збільшення вірогідності поривів трубопроводів на ділянках з надлишковим тиском та відповідно втрат води через виникнення аварійних ситуацій, пов’язаних із пошкодженням трубопроводів;
• Можливе збільшення електроенергії через потребу забезпечити тиском райони з високим розташуванням відносно рівня розташування насосних станцій.

Всі ці питання мають розглядатися під час пошуку рішень з оптимізації.

Одним із напрямом непрямої дії з оптимізації систем водопостачання ми вважаємо запровадження зонованого обліку споживання води, що має безпосередній вплив на характеристики функціонування систем водопостачання.

Зональний моніторинг споживання води – розподіл мережі водопостачання населеного пункту на зони (ділянки), які можуть бути чітко охарактеризовані споживанням (подачею) води за конкретний проміжок часу.

Основною метою розподілу систем водопостачання на зони обліку є наступне проведення аналітичного дослідження, яке б чітко визначало:

1. Різницю між кількістю поданої на зону води та облікованою вимірювальними засобами споживачів.
2. Черговість та направленість виконання робіт з пошуку різниць в обсягах подачі та споживання в межах зони;
3. Черговість виконання робіт з пошуку різниць в обсягах подачі води та споживанні в межах населеного пункту.
4. Наступне відповідне корегування налаштувань гідромоделі системи водопостачання населеного пункту для отримання якісного інструменту прийняття рішень з оптимізації систем водопостачання.