CC BY
679
УДК 628.1(09): 620.9
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ГОРОДСКИХ СЕТЕЙ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И
ВОДООТВЕДЕНИЯ
Н.Л. Великанов1, С.И. Корягин2
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. И.Канта)
236041, г. Калининград, ул. А.Невского, 14
Изложены методы определения потребности в электрической энергии систем водоотведения. Приведены направления повышения эффективности их работы. Рассмотрены проблемы повышения энергоэффективности систем водоснабжения и водоотведения региона. Приведены особенности водопотребления в Калининградской области.
Ключевые слова: насосные установки, водоснабжение, водоотведение, энергоэффективность
ENERGY EFFICIENCY OF WATER SUPPLY AND OUT WATER-WAY NETWORKS
OF CITY
N.L. Velikanov, S.I. Korjagin Immanuel Kant Baltic Federal University (IKBFU) 236041, ¡Kaliningrad, street A.Nevskogo, 14
Methods of definition of requirement for electrical energy of systems of water removal are stated. Directions of pinch of efficiency of their operation are given.
Increase problems of power efficiency of water supply and out water-way systems of region are considered. Features of water consumption in the Kaliningrad region are resulted.
Keywords: pump installations, water supply, water removal, energy efficiency
Наиболее энергоёмкими объектами канализационных сетей являются насосные и воздуходувные установки. По некоторым оценкам, на перекачку сточных вод в России ежегодно расходуется 60—70 млрд. кВтч электроэнергии. Однако энергетическая эффективность насосных и воздуходувных установок определяется не только состоянием их оборудования, но в значительной мере зависит от структуры, состояния и режимов работы смежных технологических сооружений: систем водоотведения, канализационных очистных сооружений [1-3].
Основная доля энергетических затрат предприятий канализационного хозяйства приходится на технологические нужды. С увеличением производительности насосных станций возрастает доля энергии, расходуемой на перекачку стоков, то есть на основные технологические нужды (табл. 1). Одновременно снижается доля энергии, расходуемой на отопление, вентиляцию, освещение, на работу вспомогательных механизмов.
При проведении энергетического обследования наибольшее внимание следует уделять анализу работы основных агрегатов, пере-
качивающих стоки. Главная задача - обеспечить экономичные режимы работы основных насосных агрегатов.
Таблица 1. Распределение энергетических затрат насосных станций в % от общего энергопотребления
Энергетические затраты Производительность насосных станций, млн. м3/год
до 50 50-100 100-151 150-200
Перекачка стоков 50-85 85-94 94-95 95-96
Отопление 25-6 6-3 3-2 2-1
Вспомогательные 8-5 5-3 3-2 2-1
механизмы и
системы
Вентиляция 6-3 3-2 2-1,5 1,5-1
Освещение 5-3 3-2 2-1,5 1,5-1
Оперативные цели, релейная защита 1-0,5 0,5-0,3 0,3-0,2 0,2-0,1
Экономичная работа насосных агрегатов обеспечивается, главным образом, соответствием режимов работы насосных агрегатов и системы трубопроводов, по которым сточные воды перекачиваются на очистные сооружения.
1 Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии
транспортных процессов и сервиса, БФУ им. И.Канта, тел.: 8 (4012) 33-82-84, e-mail: monolit8@yandex.ru;
'Корягин Сергей Иванович- доктор технических наук, профессор, директор института транспорта и технического сервиса, БФУ им. П.Канта, тел.: 8 (4012) 33-82-84, e-mail. SKoryagin@kantiana.ru
В ходе энергетического обследования канализационных насосных станций должны быть рассмотрены совместные режимы работы насосных установок и трубопроводной системы водоотведения.
Для насосных установок необходимо учитывать наличие резервуаров. Достаточное количество резервуаров соответствующего объема, правильно расположенных с учетом рельефа местности, обеспечивает более равномерный и экономичный режим работы насосных установок.
При определении норм расходования энергии на перекачку следует обязательно учитывать рельеф местности. Всегда удельный расход энергии (кВт.ч/м3) насосной установки, подающей воду на высокие отметки, при прочих равных условиях, будет выше, чем установки, подающей воду на низкие геодезические отметки.
Значительно влияет на энергопотребление насосных установок состояние трубопроводов. В настоящее время примерно 50% всей воды подается с коррозионными отложениями, которые уменьшают живое сечение труб до 20% и увеличивают гидравлическое сопротивление труб в 2^3 раза. Износ труб может быть выявлен сопоставлением расчетных значений характеристик водоводов с результатами эксплуатационных наблюдений и испытаний наиболее важных и ответственных участков [1-3].
Аналогичный подход должен иметь место при энергетическом обследовании очистных канализационных сооружений. Наиболее крупными потребителями энергии на канализационных очистных сооружениях являются воздуходувные агрегаты. Количество воздуходувных агрегатов на крупных станциях аэрации достигает 10^12 единиц. Экономичность их работы обеспечивается, прежде всего, эффективной системой аэрации сточной жидкости, т.е. правильным выбором аэраторов и качеством воздуховодов. Энергетическое обследование предприятий канализационного хозяйства должно включать в себя достаточно глубокое изучение основных технологических процессов очистки и транспорта воды.
Современная система канализации г. Калининграда в значительной степени предопределена наличием разветвленной существующей сети в кварталах, прилегающих к реке Преголя, где построена как общесплавная. При позднейшей застройке города новые районы были канализованы по раздельной схеме. Таким образом, в городе принята смешанная система канализации.
Общая водосборная площадь канализационной системы составляет 7200 га. Примерно 5% городской территории не обслуживается
канализационной системой, что в пересчете на население составляет 20 тыс. человек [1].
Сточные воды г. Калининграда собираются тридцатью коллекторами и сетью притоков к ним и отводятся на очистные сооружения: в пределах города - главным коллектором, за пределами - самотечным отводным коллектором Основная часть коллекторов работает по раздельной системе, а затем переходит па общесплавной режим работы. Главный коллектор также является общесплавным. В системе канализации имеется акведук, несколько дюкеров и 2 песколовки на главном коллекторе.
К настоящему времени протяженность сетей общесплавной канализации составляет 40% от раздельной [1].
В пределах города сточные воды частично поступают в главный коллектор самотеком, частично перекачиваются в него насосными станциями. Всего на сети канализации 14 насосных станций подкачки, плюс 1 станция техобслуживания на общесплавной сети. Дождевые стоки через ливнестоки сбрасываются в реку Преголя. Городские сточные воды отводятся на очистные сооружения механической очистки. Сооружения после войны были восстановлены. Общегородские стоки расходом порядка 160,0-180,0 тыс. м3 в сутки транспортируются главным коллектором на очистные сооружения. Пройдя через очистные сооружения и по обводному каналу, сточные воды отводятся в Приморскую бухту Калининградского залива.
Бытовые сточные воды от жилых кварталов и промышленных предприятий собираются главным коллектором, расположенным вдоль реки Преголя и отводятся на очистные сооружения механической очистки, расположенные в 1 км от города.
Протяженность канализационных сетей города составляет более 500 км [1].
Степень износа канализации составляет 80%. Многие закрытые коллекторы превратились в открытые сточные канавы, т.к. объем стоков в 2-2,5 раза больше пропускной способности [1].
Важнейшим показателем при оценке эффективности работы сетей водоотведения является потребление электроэнергии. Различными рекомендациями [2,3] предусмотрены два взаимодополняющих метода определения потребности в электрической энергии. Первый метод - расчетный - основан на подробных технических расчетах. Второй метод - нормативный - основан на удельных нормах расхода электрической энергии.
Расчет годовой потребности в электрической энергии (кВтч/год) каждым насосным агрегатом производится путем суммирования расходов электрической энергии на каждом
режиме работы.
Коэффициент полезного действия оборудования принимается по паспортным данным. Если имеются фактически замеренные характеристики агрегатов, то расчет может проводиться с их использованием.
При вводе в действие новой насосной станции величины производительности насоса и полного напора рекомендуется принимать по проекту исходя из трех режимов работы с максимальной, средней и минимальной подачей.
При определении потребности в электрической энергии на действующих насосных станциях на основе анализа данных журналов эксплуатации устанавливаются несколько режимов работы насосов и соответствующее время их работы. Для насосных станций первого подъема и станций по перекачке сточных вод выделяются 2 - 3 режима в течение года, а для насосных станций второго и последующих подъемов - несколько режимов в зависимости от неравномерности подачи каждого агрегата. Для получения представительной выборки данных рекомендуется использовать журналы эксплуатации насосных станций с записями ежечасной подачи и напора воды за 24 сут. (например, за 1-е и 15-е числа каждого месяца года), для насосных станций первого подъема - за 12 сут.
При расчете суммарного расхода электрической энергии насосными агрегатами каждой насосной станции должны соблюдаться условия равенства общей годовой подачи воды насосной станции и суммарной подачи всех агрегатов за год. Общая расчетная подача насосных станций второго подъема (а также насосных станций первого подъема, работающих непосредственно в сеть) должна равняться расчетной годовой подаче в сеть.
Расход электрической энергии на перекачку и очистку воды (сточных вод) нормативным методом определяется путем суммирования расходов электрической энергии, потребляемой всеми насосными станциями (насосными станциями перекачки сточных вод) и очистными сооружениями водоснабжения (водоот-ведения) организации коммунального комплекса.
В расчетах учитываются удельный и годовой расход электрической энергии (табл. 2,3).
Документы [4 - 7] регламентируют систему мер государственного регулирования энергосбережения и энергоэффективности. В частности, в приказе [7] установлено требование по снижению удельного потребления воды в жилых зданиях по отношению к среднему фактическому потреблению на 01.01.2008 г.-320 дм3/чел. сут. поэтапно до 45% к 2020 г., то есть до 175 дм3/чел. сут. В том числе горячей воды с 150 дм3/чел. сут. до 80-85 дм3/чел. сут.
Современное законодательство распространяется на системы водоснабжения и неразрывно связанные с ними системы водоотведе-ния, которые являются коммунальными системами массового обслуживания со значительным ресурсо- энергопотреблением [4-9].
Таблица 2 - Удельный расход электрической энергии на перекачку воды (сточных вод)
Полный напор, м Удельный расход электрической энергии, кВт ч/1000 м3
Насосные станции водоснабжения Насосные станции водоотведения
10 39 44
20 76 83
30 113 124
40 150 167
50 187 211
60 224 257
70 260 304
80 297 353
90 334 404
100 370 -
120 444 -
140 516 -
160 589 -
180 662 -
200 734 -
300 1094 -
Примечание:
1. При промежуточном значении полного напора значение удельного расхода электрической энергии определяется путем интерполяции.
2. При наличии на насосной станции частотного преобразователя к значению удельного расхода электрической энергии применяется коэффициент 0,9.
Системы водоснабжения ежегодно подают каждому жителю болллее 100 тонн воды, потребляют до 40 % тепловой энергии на коммунальные нужды для получения горячей воды, до 5 % электроэнергии на подъем и транспортировку воды.
Общественные затраты на содержание систем водоснабжения и водоотведения и постоянную поставку гражданам этих коммунальных услуг находятся на втором месте (26, 5 %) после систем отопления (28 %) значительно превосходят затраты на электрогазоснабжение (10.8 %, 8.7%) (2009 г.).
За срок службы многоквартирного здания (100 лет) суммарные затраты на горячую воду, холодную и водоотведение превышают строительную (капитальную) стоимость нор-
мативнои жилои площади на одного человека (20 м2) в 1.4 раза.
Таблица 3. Расход электрической энергии на работу вспомогательного оборудования насосной станции
Наименование показателя Производительность насосной станции, тыс. м3/сут.
о Е* 6-25 ■ _ уп о | о ^н о 101200 Я и о и а о и н
Расход электрической энергии, тыс. кВт ч. в год 5 47 90 185 310 400
Дополнительный расход электрической энергии при наличии на станции перекачки сточных вод следующего оборудования:
- вентиляция, тыс. кВт ч. в год 2 6 10 15 20 25
-механические грабли, кВт ч./1000 куб.м 22,5
- дробилка, кВт ч./1000 м3 31,5
Примечание: расход электрической энергии на отопление укрупненными нормативами не предусмотрен.
Износ этих систем составляет 40....80 % и является одной из основных причин потерь воды и энергии.
Потери в системах водоснабжения, по официальным данным, составляют 22...24%, что значительно превышает потери готового продукта в других отраслях народного хозяйства (2...5%). Среднее удельное водопотребление на одного человека (320 дм3/чел. сут.) более, чем в два раза превышает потребление в европейских стра-нах (120...150 дм /чел. сут.).
Анализ структуры водопотребления показывает, что формирование водопотребления в системе водоснабжения в основном происходит во внутренних водопроводах зданий в процессе использования воды потребителями. Потери воды на непроизводительные расходы, возникающие в процессе санитарно-гигиенических и хозяйственных процедур, утечки через негерметичную водоразборную арматуру, трубопроводы и сливы воды, качество которой (температура, мутность, запах, цветность) не удовлетворяет потребителя, составляют значительную часть подаваемой воды.
В структуре теплопотребления в водопроводе горячей воды отмечаются значительные потери тепла из-за нерациональных расходов горячей воды и незаинтересованности потребителей в ее рациональном использовании.
На основании отечественных и зарубежных исследований водопотребления непосредственно у потребителей эта величина оценивается на уровне 50 - 120 дм3/чел. сут, при этом нижний предел соответствует минимальному благоустройству жилища, а верхний оптимальному (стандартному). Учитывая технически обусловленные (минимальные) потери воды, социальная потребность принята в размере 140 дм3/чел. сут.
В Калининграде действует норматив водопотребления на одного жителя в 9 м в месяц.
Для всего региона (кроме Калининграда) питьевой вода добывается из подземных источников. В областном центре вода поступает также из р. Преголи, искусственных систем озер и водохранилищ.
Реализацию политики ресурсосбережения в системах водоснабжения и водоотведения можно обеспечить техническими, организационно - экономическими и организационно -воспитательными мероприятиями (рис. 1).
К техническим мероприятиям по экономии воды (ресурсосбережению) во внутренних и наружных водопроводах зданий, сооружений в основном можно отнести приборное оснащение, автоматизацию производственных процессов (рис. 2).
Технические мероприятия по эффективному использованию тепловой, электрической энергии в системах водоснабжения (энергосбережение) представлены на рис. 3.
Немаловажную роль в деле энергоресурсосбережения играют организационно -экономические (рис. 4) и организационно - воспитательные мероприятия (рис. 5).
Резервы энергоресурсосбережения в системах водоснабжения в России составляют не менее 50 %.
Меры по повышению энергоэффективности систем водоснабжения и водоотведения
Г^ I 1
Организационно Технические - экономические
Организационно - воспитательные
Холодная вода
Горячая вода
Рисунок 1 - Общая структура мер по повышению энергоэффективности систем водоснабжения и водоотведения
Для ускорения процесса энергоресурсосбережения необходимо изменить социальное отношение в стране в целом и регионах к воде путем изменения социально экономиче-
ских нормативов, учитывающих существенное ние природных водных объектов. влияние воды на здоровье населения и состоя-
Рисунок 2. - Общая структура технических мероприятий по повышению энергоэффективности систем
холодного водоснабжения и водоотведения
Использование местных водонагревателей
Эффективная теплоизоляция
Модернизация
тепловых
пунктов
\втоматизация
управления техническими параметрами систем
Установка счетчиков тепловой энергии
п
Снижение гидравлического сопротивления труб
Рисунок 3 - Общая структура технических мероприятий по повышению энергоэффективности систем
горячего водоснабжения и водоотведения
Рисунок 4 - Общая структура организационно воспитательных мероприятий
Рисунок 5 - Общая структура организационно -экономических мероприятий
Литература
1. Официальный сайт МУП КХ «Водоканал» городского округа «Город Калининград» (Электронный ресурс). URL: http://vk39.ru/sistema-vodosnabjenii/ (дата обращения: 12.10.2014).
2. Методические рекомендации по определению потребности в электрической энергии на технологические нужды в сфере водоснабжения, водоотведе-
ния и очистки сточных вод, 2007. - М.: Центр муниципальной экономики и права.-16 с.
3. Методика по разработке удельных нормативов водопотребления и водоотведения для производственных объектов ОАО «АК «Транснефть», РД 15339.4-090-01, введен в действие с 01.12.2001. - МФ ГНУ ВНИИГиМ им. А. Н. Костякова, утвержден первым вице-президентом ОАО АК «Транснефть» В. В. Калининым 09.11.2001 года. - 11 с.
4.Указ Президента РФ от 4.06.2008 г. № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики».
5.Федеральный закон № 261-ФЗ от 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
6. Закон РФ № 384-ФЗ от 30 декабря 2009 года «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».
7. Приказ Министерства регионального развития от 28 мая 2010г. № 262 «О требованиях энергетической эффективности зданий, строений, сооружений».
8. Постановление Правительства Российской Федерации от 23 мая 2006 г. № 307 г. Москва «О порядке предоставления коммунальных услуг гражданам».
9. Великанов Н.Л., Колобов А.В., Проскурнин Е.Д. Калининградская область: Водопользование и водо-потребление в городе. - Калининград, ОАО "Янтарный сказ", 2007. -208 с.
