Системы холодного и технического водоснабжения
Энергетическое обследование систем холодного и технического водоснабжения позволяет установить, сколько электроэнергии расходуется на водозабор, подъём воды, создание необходимого давления и транспортирование до потребителей. Основная задача — определить, связаны ли повышенные энергетические затраты с фактической гидравлической работой насосов, избыточным напором, сопротивлением трубопроводов или потерями воды в распределительной сети.
Высокое электропотребление насосной станции само по себе не доказывает низкую эффективность оборудования. Например, подъём воды из глубокого источника требует энергии даже при исправных насосах и рациональном управлении. В то же время станция может затрачивать дополнительную электроэнергию из-за необоснованно высокого давления или необходимости компенсировать утечки. Чтобы различить эти ситуации, необходимо сопоставить объём подачи, напор, электрическую мощность и фактический режим потребления воды.
Границы энергетического обследования водоснабжения
Системы холодного и технического водоснабжения обеспечивают подачу воды для соответствующих коммунальных и производственных потребностей. В их составе могут использоваться водозаборные сооружения, насосные группы, резервуары и распределительные трубопроводы.
При обследовании необходимо установить, какие операции выполняются внутри рассматриваемой границы: первоначальный подъём воды, повышение давления, транспортирование по сети или обеспечение потребителей необходимым расходом.
Для этого специалист изучает схемы трубопроводов, расположение насосных станций и резервуаров, точки измерения расхода воды и электрического потребления. Затем определяет, какие показатели относятся к отдельным этапам подачи.
Если одна группа насосов обеспечивает несколько участков сети, общий расход электроэнергии нельзя произвольно распределять между ними. Необходимо определить фактические границы подачи и доступность измерений.
Такой подход позволяет рассматривать энергетическую эффективность относительно конкретной выполненной работы, а не только общего количества воды, прошедшей через систему.
Полезная гидравлическая работа и удельное электропотребление
Насосное оборудование передаёт воде энергию, необходимую для её подъёма и перемещения. Полезная гидравлическая работа определяется объёмом поданной воды и напором, который требуется обеспечить в соответствующих условиях.
Напор характеризует энергию, передаваемую жидкости для преодоления разницы уровней, сопротивления трубопроводов и обеспечения необходимого давления у потребителей.
Поэтому одинаковый объём подачи не означает одинакового расхода электроэнергии. Станция, обеспечивающая больший напор, выполняет другую по величине гидравлическую работу.
При энергетическом обследовании специалист сопоставляет электрическое потребление с объёмом транспортируемой воды и фактическим напором. Удельный расход электроэнергии на кубический метр может использоваться как исходный показатель, но для объяснения его изменения необходимо учитывать условия подъёма и транспортирования.
Например, увеличение электропотребления на кубический метр при одновременном росте высоты подъёма воды не обязательно свидетельствует об ухудшении состояния насоса.
Для корректной оценки требуется определить, сколько энергии было затрачено при конкретном расходе и напоре. Только после такого сопоставления можно исследовать эффективность оборудования и системы управления.
Влияние уровня водоисточника на работу насосов
При водозаборе условия подъёма воды могут изменяться вместе с уровнем источника. Если уровень воды снижается, необходимый напор насосной установки при прочих сопоставимых условиях может увеличиваться.
В результате насос затрачивает больше энергии на перемещение того же объёма воды. Это изменение не обязательно связано с неисправностью оборудования.
Для анализа специалист использует сведения об уровнях водоисточника, расходах и напорах по соответствующим периодам. Эти данные сопоставляют с режимами насосных групп и электрическим потреблением.
Если увеличение расхода электроэнергии совпадает с изменением уровня источника, необходимо проверить, насколько изменилась фактически выполняемая гидравлическая работа.
Сравнение насосной станции в периоды с разными уровнями водозабора без учёта этого фактора может привести к ошибочной оценке её эффективности.
Сопоставимая нагрузка означает такие условия эксплуатации, при которых расход воды, напор и рабочий режим позволяют обоснованно сравнивать энергетические показатели.
Если условия существенно различаются, результаты необходимо интерпретировать с учётом этих изменений, а не относить всю разницу в потреблении к техническому состоянию насосов.
Избыточное давление и дополнительные энергетические затраты
Система водоснабжения должна обеспечивать необходимое давление у потребителей. Однако установленное давление насосной станции может быть выше того, которое требуется для фактического режима сети.
Необоснованно высокая уставка давления увеличивает необходимую работу насосного оборудования. При этом дополнительный напор не обязательно обеспечивает полезный результат для конечного потребителя.
Чтобы установить наличие избыточного давления, необходимо сопоставить параметры на насосной станции с давлением в удалённых точках сети.
Например, если станция поддерживает повышенное давление, а удалённые потребители уже получают воду с достаточными параметрами, появляется основание проверить возможность изменения уставки.
Однако по одному показанию давления на выходе насоса нельзя определить, является ли оно избыточным. Необходимо учитывать сопротивление трубопроводов, фактический расход воды и требования наиболее удалённых потребителей.
Изменение уставки должно оцениваться с сохранением необходимого водоснабжения во всех предусмотренных режимах.
Дросселирование и сопротивление трубопроводной сети
При дросселировании расход воды регулируют созданием дополнительного гидравлического сопротивления. Насос при этом может продолжать работать с прежней скоростью вращения, затрачивая энергию на преодоление сопротивления регулирующего элемента.
Такой режим требует отдельной оценки, поскольку снижение подачи не обязательно сопровождается пропорциональным уменьшением электрического потребления.
Специалист сопоставляет фактический расход и напор насосной группы с положением регулирующих элементов и электрической мощностью оборудования.
Если значительная часть требуемого насосом напора расходуется на дросселирование, необходимо проверить, существует ли технически допустимый способ обеспечить ту же полезную подачу при другом режиме управления.
Вместе с тем сопротивление распределительной сети возникает не только в регулирующей арматуре. Оно зависит и от состояния трубопроводов.
Например, снижение давления у удалённого потребителя может быть связано с повышенным сопротивлением участка сети. Но аналогичный признак способен возникать и при утечке воды.
Поэтому прежде чем менять режим насосной станции, необходимо разграничить возможные причины отклонения давления.
Последовательное включение насосов и распределение нагрузки
В зависимости от фактической схемы водоснабжения необходимый напор может обеспечиваться работой нескольких насосов. При последовательном включении их напоры участвуют в формировании общего режима системы.
Энергопотребление такой схемы зависит от характеристик оборудования, фактического расхода и создаваемого напора.
Если несколько насосов работают одновременно, нельзя определять рациональность режима только по количеству включённых агрегатов. Необходимо установить, какую гидравлическую работу выполняет система и насколько она соответствует потребности водоснабжения.
При обследовании сопоставляют мощность насосных групп, графики включения, расход и напор. Это позволяет определить, какие комбинации оборудования используются при различных условиях потребления воды.
Например, изменение потребности в воде может сопровождаться переходом на другую схему включения насосов. В таком случае сравнение электрического расхода необходимо проводить с учётом изменившейся производительности и напора.
На основании подтверждённых данных можно определить, требуется ли дальнейшее исследование последовательности включения оборудования или настройка действующего управления.
При этом альтернативный режим должен обеспечивать необходимый расход и давление. Снижение электрического потребления за счёт недостаточной подачи воды нельзя считать повышением эффективности.
Частотное регулирование насосного оборудования
Частотный привод позволяет изменять скорость вращения электродвигателя насоса. Это даёт возможность регулировать подачу и напор без обязательного сохранения прежней скорости оборудования.
Однако применение частотного регулирования не гарантирует экономию при любых условиях. Его результат зависит от характеристик насосов и требований трубопроводной системы.
Для оценки специалист сопоставляет фактическую электрическую мощность, расход и напор при существующем способе управления. Затем определяет, какие режимы водоснабжения необходимо обеспечить.
Если действующая система регулирует расход преимущественно дросселированием, появляется основание рассмотреть альтернативный режим управления насосом.
Если же значительная часть напора обусловлена необходимым подъёмом воды, снижение скорости может оказаться ограничено требованиями к подаче и давлению.
Поэтому ожидаемый энергетический результат должен определяться для конкретной гидравлической системы. Уменьшение скорости вращения само по себе не доказывает снижение расхода электроэнергии при сохранении полезной работы.
Утечки воды и дополнительная нагрузка насосной станции
Утечки распределительной сети увеличивают количество воды, которое требуется подать для обеспечения того же полезного отпуска потребителям.
Если часть перекачанной воды теряется до точки использования, насосное оборудование выполняет дополнительную гидравлическую работу. Соответствующее электропотребление может возрастать даже при неизменных характеристиках насосов.
Для проверки необходимо сопоставить объёмы воды, поданной в сеть, и объёмы подтверждённого потребления за одинаковые периоды.
Если количество поданной воды увеличивается, а полезный отпуск остаётся сопоставимым, появляется основание исследовать водный баланс сети.
Однако всю разницу между подачей и учтённым потреблением нельзя автоматически считать фактической утечкой. Необходимо проверить полноту измерений, состав потребителей и временную сопоставимость данных.
Это позволяет отделить потери воды от изменений полезного водопотребления и особенностей системы учёта.
Как отличить потери воды от электрических потерь насоса
Потери воды в сети и энергетические потери насосного оборудования представляют собой разные процессы.
При утечке часть перекачанной воды не поступает в полезный отпуск. В результате увеличивается объём гидравлической работы, необходимый для обеспечения потребителей.
Энергетические потери насоса связаны с преобразованием электрической энергии в гидравлическую работу. Их оценка требует измерения расхода, напора и электрического потребления оборудования.
Например, насос может работать с технически обоснованной эффективностью, но подавать дополнительную воду из-за утечек сети. В таком случае устранение утечки направлено на уменьшение ненужного объёма перекачки, а не на изменение КПД насосного агрегата.
Возможна и другая ситуация: водный баланс сети не показывает существенного необъяснённого расхода, однако насос работает в неблагоприятном режиме. Тогда требуется исследование самого оборудования и способов его управления.
Для выбора технического решения необходимо разграничить оба механизма. Один общий показатель расхода электроэнергии на кубический метр не позволяет достоверно установить, какой из них вызывает отклонение.
Падение давления в удалённых точках сети
Недостаточное давление у удалённого потребителя может возникать при различных условиях работы системы.
Одна из возможных причин — повышенное сопротивление трубопровода, например на участке с засором. Другая — утечка, влияющая на распределение воды и гидравлический режим.
При обследовании сопоставляют давление на насосной станции и в удалённых точках, фактический расход воды и сведения о состоянии трубопроводной сети.
Если насосная станция поддерживает необходимый выходной напор, но у отдельного потребителя давление недостаточно, необходимо установить, на каком участке формируется отклонение.
Увеличение давления всей станции без проверки сети может повысить энергопотребление, не устранив непосредственную причину.
Поэтому снижение давления служит основанием для проверки трубопроводов и соответствующих измерительных участков, но не является самостоятельным доказательством утечки или засора.
Резервуары и ограничения изменения насосных режимов
Резервуары влияют на режим работы системы водоснабжения, поскольку обеспечивают накопление воды и связаны с условиями её дальнейшей подачи потребителям.
При обследовании учитывают уровни воды, графики работы насосных групп и необходимую готовность системы к предусмотренным режимам эксплуатации.
Особое ограничение связано с противопожарными резервами. Мероприятия по сокращению электропотребления не должны ухудшать требуемую готовность водоснабжения для противопожарных нужд.
Например, изменение графика включения насосов или уставки давления не может рассматриваться исключительно по энергетическому результату, если оно затрагивает условия обеспечения необходимого резерва воды.
Поэтому технически допустимые варианты управления определяются с учётом назначения резервуаров и необходимых эксплуатационных ограничений.
Какие исходные данные необходимы для обследования
Для энергетической оценки необходимо связать электрическое потребление насосного оборудования с фактической гидравлической работой и результатами подачи воды потребителям.
- Расход воды, напоры и уровни водоисточников по периодам. Позволяют определить условия подъёма и транспортирования воды, а также сопоставимость рабочих режимов.
- Мощность и режимы насосных групп, схемы трубопроводов и резервуаров. Необходимы для установления состава оборудования, границ энергопотребления и условий работы системы.
- Данные о поданной и потреблённой воде, утечках и давлениях удалённых точек. Используются для формирования водного баланса, проверки причин отклонения давления и определения эксплуатационных ограничений.
Первая группа характеризует фактически выполняемую гидравлическую работу. Вторая позволяет установить, каким оборудованием и при каком электрическом потреблении она выполняется. Третья необходима для проверки того, какое количество воды поступает в полезное потребление и где возникают признаки отклонения.
Если отсутствуют измерения расхода, напора и электрического потребления, нельзя достоверно определить фактический КПД насосной станции.
Если известен только объём воды, но неизвестен напор, сравнение удельного электропотребления разных станций может оказаться некорректным.
Как устанавливают причину повышенного энергопотребления
Проверка причинного механизма означает последовательное установление связи между наблюдаемым расходом электроэнергии и физическими условиями подачи воды.
Сначала сопоставляют электрическое потребление с объёмом подачи и фактическим напором. Это помогает определить, изменились ли энергетические затраты вследствие большей гидравлической работы.
Затем рассматривают уровни водоисточника и условия транспортирования. Если высота подъёма изменилась, необходимо учитывать её влияние на потребление.
Следующий этап — проверка установленного давления, дросселирования, последовательности включения насосов и работы частотного привода.
После этого анализируют соотношение поданной и полезно потреблённой воды. Если возникает необъяснённая разница, необходимо проверить полноту учёта и возможность потерь воды в сети.
Если у отдельных потребителей давление недостаточно, исследуют сопротивление соответствующих трубопроводов и возможные утечки.
Такой порядок позволяет разграничить работу насосов, условия распределения воды и потери, связанные с её транспортированием.
Результаты энергетического обследования
Результатом становится гидравлический и энергетический баланс системы холодного или технического водоснабжения. Он связывает расход электроэнергии с объёмом перекачки, фактическим напором и количеством воды, поступающей в полезный отпуск.
В балансе определяются подтверждённые режимы работы насосных групп, причины возможного избыточного напора и участки сети, для которых необходимо проверить потери воды.
На основании этих данных можно выбрать направления дальнейших действий: контроль утечек, обследование трубопроводов, уточнение уставок давления или пересмотр управления насосным оборудованием.
Если установлено, что дополнительное энергопотребление связано с необходимым подъёмом воды из источника, этот расход не следует представлять как доказанную неэффективность насоса.
Если выявлен необоснованно высокий напор, дальнейшее рассмотрение должно учитывать параметры удалённых потребителей и условия непрерывности водоснабжения.
Если обнаружена разница между подачей и полезным отпуском, необходимо подтвердить её причину, прежде чем считать весь объём утечкой.
Фактический КПД насосной станции нельзя устанавливать без измеренных расхода воды, напора и электрического потребления. Также нельзя обещать определённую экономию от изменения управления без проверки соответствующих гидравлических режимов.
В отличие от систем водоотведения, где самостоятельное значение имеют удаление и технологическая обработка стоков, предметом обследования холодного и технического водоснабжения является напорная подача воды с обеспечением необходимого качества и параметров у потребителей.
Практическая ценность обследования заключается в возможности отделить технически необходимую гидравлическую работу от избыточного давления, неблагоприятных режимов насосов и потерь воды в сети. Это позволяет принимать решения по конкретной подтверждённой причине повышенного энергопотребления.
Общее направление представлено на странице «Водоснабжение и коммунальная инфраструктура». Комплексное исследование относится к услуге «Энергоаудит инженерных систем». Проверка режимов насосного оборудования связана с задачей «Выявление неэффективных режимов работы оборудования». Дополнительные пояснения представлены в материале «Перерасход электроэнергии насосной системой: основные причины».