Определение оптимального принципа управления автоматизированной системой водоснабжения жилого здания
УДК (628.17:66-933.4)+502.174.
В статье рассмотрены современные способы управления насосными агрегатами в системах водоснабжения жилых зданий. Посредством физического (имитационного) моделирования систем водоснабжения трехэтажного здания доказана эффективность использования принципа автоматизированного управления с поддержанием постоянства давления на выходе насосного агрегата при питании его от преобразователя частоты.
Ключевые слова: системы водоснабжения, управление, преобразователь частоты, оптимальное управление.
В водоснабжении многих регионов России давно наблюдается тенденция к улучшению качества услуг за счет модернизации сетей водоснабжения и внедрения средств современного электропривода для их управления. При этом на множестве объектов водоснабжения автоматизация технологических процессов выполнена на примитивном уровне или отсутствует вовсе. Многие из этих объектов требуют круглосуточного присутствия персонала, а главным средством связи является телефон. Такое положение вынуждает поставщиков услуг водоснабжения переплачивать за эти издержки в виде повышенного фонда службы эксплуатации и невозможности предпринимать быстрые и четкие меры по управлению собственным хозяйством.
Кроме того, зачастую отсутствие мер по энергосбережению и повышению срока службы оборудования снижает прибыльность услуг водоснабжения, ущемляя интересы потребителей и нарушая требования, предъявляемые к поставщикам и к потребителям на законодательном уровне. Указанные недостатки существующих объектов водоснабжения определяют необходимость создания современных автоматизированных систем управления технологическими процессами в водоснабжении [1].
Современные системы подачи и распределения воды достаточно энергоемки и характеризуются значительными колебаниями нагрузки во времени. Для насосных агрегатов большой мощности систем водоснабжения частое количество включений-отключений недопустимо по условиям эксплуатации, поэтому основным способом регулирования производительности является дросселирование потока воды задвижкой [2].
Мощность, потребляемая электроприводом насосного агрегата, для данного способа регулирования также остается неизменной. Ее избыток расходуется на увеличение давления в трубопроводе выше расчетного значения, что приводит к досрочному износу трубопроводных систем и запорных устройств. Способ регулирования работы системы водоснабжения дросселированием является предпосылкой завышенного расхода воды у потребителей и утечек воды через соединения и щели [3].
В последние годы для управления насосными агрегатами широкое распространение получило применение частотно-регулируемого электропривода. Это позволяет эффективно управлять производительностью насосного агрегата, осуществлять плавный разгон и остановку насосных агрегатов, исключая возникновение гидроударов в трубопроводе [4].
Для исследования энергетической эффективности систем управления водоснабжением использован созданный на кафедре «Электроснабжение и электропривод» ЮРГ- ПУ(НПИ) стенд, внешний вид которого показан на рис.1.
Рис. 1. Имитационный стенд системы водоснабжения
Стенд предназначен для физического (имитационного) моделирования автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) водоснабжения и водоотведения, который позволяет исследовать следующие физические модели (ФМ):
- ФМ АСУ ТП водоснабжения первого подъема, водозабора или водоразборной напорной системы;
- ФМ АСУ ТП очистки и фильтрования воды;
- ФМ АСУ ТП водоснабжения второго подъема;
- ФМ АСУ ТП водоснабжения трехэтажного жилого дома;
- ФМ АСУ ТП водоснабжения системы пожаротушения;
- ФМ АСУ ТП водоотведения или канализационной насосной станции.
Гидравлическая схема стенда приведена на рис. 2.
Рис. 2. Гидравлическая схема стенда
Нагрузка на сеть водоснабжения и водоотведения со стороны потребителей имитируется с помощью кранов Z1- Z3. Для слежения за давлением на выходе насосного агрегата использован микропроцессорный датчик давления «РАДОН». Слежение за расходом электроэнергии осуществляет многофункциональный счетчик ПСЧ-4ТМ.05М, предназначенный для технического и коммерческого учета электрической энергии, потоков мощности в энергосистемах, на промышленных предприятиях и в составе автоматизированных систем контроля и управления потреблением электроэнергии. В лабораторном стенде используется насос Grundfos CHI 2 - 60, основные характеристики которого приведены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики насосного агрегата Grundfos CHI 2-60
Для управления насосным агрегатом использован преобразователь частоты VLT® 8000 AQUA, специально предназначенный для управления турбомеханизмами.
Посредством физического (имитационного) моделирования исследовались энергетические характеристики АСУ ТП водоснабжения трехэтажного жилого здания при реализации следующих принципов управления насосным агрегатом:
а) принцип неуправляемого насосного агрегата;
б) принцип регулирования давления (напора) дросселированием;
в) принцип автоматизированного регулирования давления.
При исследовании каждого из трех принципов управления насосным агрегатом настраивалось выходное давление величиной в 2 Бар. Изменение эквивалента нагрузки Ni на насосный агрегат, имитирующей изменение интенсивности потребление воды этажами №№1-3 в трехэтажном жилом доме, осуществлялось посредством изменения в определенные промежутки времени положения рукояток кранов Z1 - Z3. В процессе выполнения эксперимента положение рукояток кранов изменялось (в Ti промежутки времени в зависимости от порядкового номера измерения i) в соответствии с таблицей 2, имитирующей суточные, месячные и годовые графики потребления воды со свойственными им пиковыми значениями.
Таблица 2. Порядок включения кранов Z1-Z3
Результаты моделирования АСУ ТП водоснабжения трехэтажного жилого здания представлены на рис. 3.
Рис. 3. Потребление электрической энергии при управлении насосным агрегатом
В результате моделирования работы АСУ ТП водоснабжения трехэтажного жилого здания в течение 170 сек. получены следующие значения потребления электроэнергии: в системе неуправляемого насосного агрегата - 34,1 Вт; в системе регулирования давления (напора) дросселированием - 33 Вт; для автоматизированной системы регулирования
давления - 12,6 Вт.
Как показывают исследования, по сравнению с управлением насосным агрегатом дросселированием использование принципа автоматизированного управления с поддержанием постоянства давления на выходе насосного агрегата при питании его от преобразователя частоты позволяет уменьшить потребление электрической энергии более чем в 2,5 раза. Таким образом, частотный способ автоматизированного регулирования производительности насосного агрегата при поддержании постоянного давления является наиболее энергоэффективным.
Литература:
1. Савченко А.В., Зюбровский Л.Г., Пятибратов Г.Я. Повышение производительности технологической установки с учетом эффективности использования электроэнергии электроприводом // Изв. вузов. Электромеханика - 2003. - № 5. - С. 46-49.
2. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках / Б.С. Лезнов. - М.: Ягорба-Биоинформсервис, 1998 . - 180 с.
3. Абрамов Н. Н. Водоснабжение. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М, Стройиздат, 1974. 480 с.
4. Калицун В.И. Гидравлика, водоснабжение и канализация : учебное пособие для вузов, обучающихся по спец. «Промышленное и гражданское строительство» / В. И. Калицун, В. С. Кедров, Ю. М. Ласков. 4-е изд., перераб. и доп. Москва : Стройиздат, 2003. 397 с. : ил. Библиогр.: с. 392.
Determination of the optimal control principle of the automatic supply system of a residential building
This article covers modern control methods of pumping units in water supply systems of residential buildings. Through the physical (simulation) simulation of water supply systems three-storey building proved the effectiveness of the use of the principle of automated control, maintaining constant output pressure of the pump unit when powered from frequency Converter.
Keywords: supply system, control, frequency Converter, optimal control.
Burhanova Renata Anverovna, Ph.D. (eng), associate Professor of Department «Mining». E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.;
Kivo Alexander Mikhailovich, Ph.D. (eng), associate Professor of the Department «power Supply and electric drive», e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
South-Russian state Polytechnic University (NPI) named after M. I. Platov. 346428, Russia, Rostovskaya obl., Novocherkassk, Prosvescheniya St., 132, URGU (NPI). M. I. Platov.
Журнал «Вода Magazine», №11 (111), 2016 г.
