CC BY
249
УДК 628.1:658.562
Харченко О.А., МатвееваГ.Н., Михайловский В.Н.
ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Проблемы экономии и рационального использования водных ресурсов и особенно пожарно-питьевой воды (ППВ) актуальны на любом промышленном предприятии. Вода - важный покупной энергетический ресурс, запасы которого ограничены. В моногородах сети предприятий и жилищного фонда взаимосвязаны; чтобы избежать отключений ППВ в жилищном фонде, необходимо провести целый комплекс мероприятий по жесткой экономии ППВ.
ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» обеспечивается ППВ от магистральных сетей МП «Водоканал» и является крупнейшим потребителем ППВ в г. Магнитогорске. Он имеет разветвленную структуру водоснабжения, принципиальная схема которой изображена на рис. 1. Сети ППВ имеют протяженность 145,4 км, средний диаметр 181,5 мм, диапазон изменения диаметров трубопроводов от 50 до 600 мм.
В связи со сложившейся инфраструктурой водоснабжения подача ППВ на промпшщадку осуществляется как «тупиковым» потребителям, так и «транзитным» (см. рис. 1). «Тупиковые» потребители - это площадка цеха покрытий, ККЦ, ГОП, «транзитные» потребители - нитки А, В, С, Д.
Через транзитных потребителей по водоводам А, В, С, Д осуществляется водоснабжение жилых районов левобережной его части г. Магнитогорска.
Баланс потребления ППВ на промышленных предприятиях имеет свои особенности, что обусловлено необходимостью использовать ППВ на технологические нужды, связанные с производством металлопродукции; в настоящее время это водопотребление составляет 6,2 м3/ч. Однако основное потребление ППВ - хозяйственнобытовые нужды (питьевой режим, душевые) и система пожаротушения. Структура годового потребления ППВ представлена на рис. 2.
Основные пути экономии ППВ можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся мероприятия, которые изменяют принципиальные схемы водоснабжения и требуют значительных капитальных затрат и времени на разработку технико-экономического обоснования, согласование проектной документации , строительство (прокладка новых трасс, реконструкция действующих сетей и т.д.). Ко второй группе относятся мероприятия организационного и эксплуатационно-технологического характера (организация коммерческого учета, проведение манометрической съемки и т.д.). Проведение мероприятий по экономии по второй группе является менее затратным и позволя-
ет достичь положительного экономического эффекта за меньшие промежутки времени.
Указанные группы мероприятий по экономии ППВ можно реализовать:
- у потребителей ППВ;
- у сетевой организации (структурного подразделения предприятия), на балансе которой нахо-
нитка «С»
нитка «С»
Площадка ГОП
Насосная водоснабжающей организации
Рис. 1. Принципиальная схема водоснабжения промышленного предприятия
□ 1 ■2ПЗП4И5П6И7П8И9
Рис. 2. Структура годового потребления пожарно-питьевой воды, %:
1 - горно-обогатительное производство; 2 - коксохимическое производство; 3 - сталеплавильное производство; 4 - прокатное производство; 5 - цеха главного энергетика; 6 - вспомогательные цеха; 7 - потери в сетях; 8 - дочерние организации; 9 - сторонние организации
дятся распределительные сети для подачи воды потребителям.
Энергосберегающие мероприятия у потребителей должны включать:
- организацию учета расходов ППВ;
- установку и внедрение энергосберегающего оборудования и технологий;
- автоматизацию управления режимами водопо-требления и водоотведения;
- рациональное использование ППВ.
Энергосберегающие мероприятия у сетевых организаций следует направить на:
- сокращение потерь и неучтенныхрасходов воды;
- автоматизацию управления режимами водоснабжения;
- автоматизацию гидравлических режимов работы водопроводных сетей.
Особо актуальны вопросы, касающиеся неучтенных расждов и потерь воды в водопроводных сетях, поскольку они оказывают существенное влияние на себестоимость продукции. Обоснованность этих расходов и потерь воды регламентируется нормативными документами. Величина потерь и неучтенныхрасходов воды в системах водоснабжения представляет собой разницу между количеством воды, поданной в водопроводную сеть предприятия и отпущенной всем потребителям.
Понятие «потери» и «неучтенные расходы» ППВ необждимо разграничить. К потерям воды относятся:
- утечки воды в водопроводных сетях и сооружениях;
- естественная убыль воды при ее транспортировке потребителям (зависит от диаметра и протяженности трубопровода). Диапазон значений для стальных труб (на 1 км водопроводной сети) составляет от 16 л/ч (ёу = 100 мм) до 126 л/ч (ёу = 2000 мм).
Потери в водопроводных сетях могут составлять значительную величину вследствие следующих факторов: аварийного состояния сетей; разбалансирован-ности системы водоснабжения; отсутствия достаточ-
Неучтенные расходы воды
ного внимания к эксплуатации и методологического подхода к развитию системы водоснабжения при строительстве новых объектов промышленного, жилищного, гражданского и социального назначения. Высокая степень износа водопроводных сетей и оборудования обусловливает большое количество аварий и значительные объемы потерь и утечек воды.
К неучтенным расходам относятся технологические и организационно-учетные расходы (рис. 3).
Технологические расходы воды включают промывку и дезинфекцию водопроводных сетей, технологические нужды эксплуатации сетей водоотведения (промывка и прочистка сетей), расжды воды на тушение пожаров, проверку пожарных гидрантов.
Организационно-учетные расходы подразделяют на расходы воды, не зарегистрированные средствами измерений вследствие недостаточной чувствительности средств измерений (наличие погрешности приборов у потребителей ППВ и на насосных станциях), а также связанные с самовольным использование ППВ из-за несанкционированного подключения к трубопроводам.
Неучтенные расходы включают в себя также полезные расжды (затраты воды на собственные нужды предприятий, противопожарные нужды и др.) и потери воды из водопроводной сети через водоразборные колонки, уплотнения сетевой арматуры, потери воды при авариях, скрытые утечки воды из водопроводной сети и емкостных сооружений.
Наибольшую сложность представляет определение размера скрытых утечек воды из водопроводной сети. Объемы утечек зависят от состояния водопроводной сети, возраста, материала труб, грунтовых и климатических условий и других местных особенно -стей. Они составляют от 75 до 90% общего объема потерь воды в водопроводных сетях.
Важный этап работы по оптимизации системы водоснабжения - это организация учета расходов ППВ. Систему учета можно разделить на две составляющие:
- коммерческий учет (учет между поставляемым и потребляемым объемом энергоресурса; это касается взаиморасчетов с МП «Трест Водоканал» и со сторонними и дочерними организациями);
- внутризаводской учет (касается регулирования ППВ между структурными подразделениями предприятия). Следует отметить, что сама система учета не дает сокращения потребления энергоресурсов, она позволяет оценить уровень расждов, разработать и реализовать мероприятия по их сокращению, а также упорядочить взаимоотношения между энергоснабжающей организацией и потребителем в части списания потерь при транспортировке энергоресурсов до потребителя.
Система учета расждов ППВ по ОАО «ММК» базируется на схеме учета, типовой фрагмент которой изображен на рис. 4. Данная схема учета позволяет экономиче-
Рис. 3. Структура неучтенных расходов воды
ски заинтересовать потребителя в оптимизации своей системы водопотребления, а именно:
1) закрыть задвижку на байпасной линии (задвижка 3) с обязательной опломбировкой представителем водоснабжающей организации и пропустить весь объем ППВ через узел учета;
2) перенести узел учета Qи на зону балансового разграничения АВС, чтобы не оплачивать потенциально нормативные потери QШг, которые возникают между зоной балансового разграничения иузломучета.
Величина нормативных потерь Qпoт в зависимости от длины водопровода и его диаметра определяется либо условиями договора, либо наличием нормативных документов по предприятию.
Для дальнейшего уменьшения неучтенных расж-дов и потерь воды необходимо выполнение следующих мероприятий :
- установка приборов учета и регистраторов давления на границах балансовой принадлежности по схеме, представленной на рис. 4, с последующей возможностью сбора и обработки па-
{X-
потребитель
Рис. 4. Схема учета расхода питьевой воды у потребителя
іНІВІиО
поя
*ІЇЛ)
ПІНІЇ «Л*
*ищ
ЭСЛ][
Ні
т.
лад
I [ЛАШІЛИ 1НІ
+зе.о
ГЪощади ККЦ
-НЇ
ИПНДЙД
+42
--------г*й_
І ДинсНАЛ ЦгГ
ЧОцО
*М>
I
Рис. 5. Манометрическая съемка водопроводных сетей ОАО «ММК» до оптимизации режимов водоснабжения,
м вод. ст. («+»- веда выходит с промппощодки на насоснуюсганцию)
раметров системы для контроля и управления функционированием системы водообеспечения;
- организация коммерческого учета;
- организация внутреннего учета и аудита водоснабжения с диспетчеризацией водопотребления в режиме реального времени;
- приобретение и установка запорно-регулирую-щей арматуры, отвечающей по качеству изготовления требованиям европейских стандартов;
- использование современной запорно-регулирую-щей арматуры, которая позволяет не только сократить потери в водопроводной сети, но и снизить эксплуатационные расжды, избежать загрязнения питьевой воды и повысить экологическую безопасность;
- оптимизация технических параметров ППВ (давление, расход и т.д.);
- реконструкция эксплуатирующихся сооружений и водоводов;
- строительство новых объектов водоснабжения с применением современных технологий и оборудования, отвечающих требованиям стандартов качества для питьевой воды;
- определение потерь давления в сети, напоров у потребителей;
- определение оптимального режима совместной работы распределительной водопроводной сети;
- выявление участков с повышенным гидравлическим сопротивлением.
С целью оптимизации гидравлических режимов работы в ОАО «ММК» была проведена предварительная манометрическая съемка водопроводных сетей, результаты которой представлены на рис. 5.
Для оптимизации технических параметров ППВ (давления и расхода) разработана математическая модель, которая представляет собой систему уравнений, описывающих зависимость величины гидравлических сопротивлений от давления и расждов ППВ. Рассчитывались и анализировались различные схемы водопроводных сетей: тупиковые, закольцованные, смешанные.
Основные исходные параметры сетей ППВ для расчетов с использованием математической модели:
- часовое, суточное и месячное водопотребление;
- протяженность участков водоснабжения;
- диаметры трубопроводов и материал;
- давление в контрольных точках системы.
Для количественного расчета распределяемых объемов ППВ в сетях использовались данные из баланса водопотребеления ОАО «ММК».
Исждными уравнениями для расчетов являлись уравнение Бернулли и формула Дарси-Вейсбаха, на основании которых принято, что величина местных сопротивлений зависит от раежда и давления в начальных сечениях трубопроводов и подчиняется квадратичному закону скорости.
Формировали следующую матрицу гидравлических потерь АН:
АН =
/?11 /г^.-Лг; /21/22--'/2і;
hjlhl2---hjj,
где Иу/ - средние гидравлические потери /'-го элемента нау'-м участке водопровода.
Оптимизация целевой функции проводилась по критерию минимума гидравлических потерь с учетом ограничений на управляемые переменные. Дополнительные ограничения при решении уравнений вводятся по суточному потреблению воды в пределах лимитов и обеспечению давления у потребителей в допустимом диапазоне.
Разработана сетевая модель транспортной задачи оптимизации обеспечения потребителей ППВ. Рассмотрим ее подробнее: пусть т - число источников водоснабжения, обеспечивающих п потребителей; / - участок, имеющий пропускную способность не более Б{, у -потребителю требуется не менее Ц объема воды.
Величины Бт и Цп на рассматриваемом интервале времени принимаются постоянными. Гидравлические потери от /-го источника до у'-го потребителя равны Иу и зависят от давления, расжда, диаметра и типа трубопровода, количества местных сопротивлений и т.д.
Связь между гидравлическими потерями и давлением в сети устанавливали по уравнению Бернулли и Дар-си-Вейсбаха. Целевой функцией является выбор схемы и параметров водоснабжения для заданного интервала времени при минимальныхгидравлическихпотерях
Поскольку в реальных водопроводных сетях кроме потребителей существуют потери ППВ в водопроводах, то имеем несбалансированную транспортную задачу, которую сводим к сбалансированной путем введения дополнительного фиктивного потребителя с фиктивным спросом.
15,-Iд
}=1
г=1
}
При этом в дополнительной строке или дополнительном столбце указываются гидравлические потери, равные нулю.
Математическая постановка задачи имеет следующий вид.
Минимизировать
т п
, / = 1,2,-,т, У = 1,2,...,п .
/=1 ] =1 При ограничениях
X X}} = 5, г = 1,2,---, т;
г=1
Еху= , у=1,2,...,п.
у=1
При этом необждимо учитывать пропускную способность трубопровода Щ:
0 * Ху < иг
Если в силу каких-то причин некоторые источники водоснабжения являются недоступными для определенного потребителя, то соответствующая величина х/ исключается из задачи. Задача решается симплексным алгоритмом.
Оптимизация по математической модели для различных временных интервалов (часы, сутки, месяц) выполняется переопределением соответствующих задействованных переменных
Результатом решения математической модели является определение оптимальной схемы водоснабжения и давлений Ру в контрольных точках системы по условию не уменьшения давления ниже нормативного Р < Р
1 нормат — 1 уНа водопроводных сетях, имеющих большой срок эксплуатации, целесообразно проводить дополнительную оптимизацию минимизации неучтенных потерь %у, которые определяются по эксплуатационным показателям как разница между поступившим объемом воды на вводе и количеством израсходованной воды у потребителя, отразив эти потери в виде коэффициента в применяемых формулах
Оптимизация сети по давлению существенно снижает расжды воды у потребителя и неучтенные потери в сетях.
Отличительной особенностью разработанной модели является реальная содержательно-временная составляющая, соотнесенная с эксплуатационной составляющей.
Бодоснабжающая
организация
+46 0 нитка «С» +40,0
+15,0
нитка « Д»
+13,0
эспц
ЛПЦ-4
ЛПЦ-5
+4,0
Вс помогательные цеха
М.О Доменный цех
нитка «А»
Площадка цеха покрытий
+18,0
+10,0
Площадка ККЦ
нитка «В»
+42 +42
1 ЛПЦ-3
-СХЬ
-41,0
-6,0
ГОП
Насосная водоснабжающей организации
+32,0 +20,0
Рис. 6. Манометрическая съемка водопроводных сетей ОАО «ММК» после оптимизации режимов водоснабжения, м вод. ст.:
«+» - вода выходит с промплощадки на насосную станцию; «-» - вода от насосной станции поступает на промплощадку
Пересчет кольцевой схемы водоснабжения позволил провести мероприятия по распределению давления в магистральных сетях без ущерба для потребителей. Представленная оптимизация схемы проведена в 2008 г.; это позволило снизить потери в водопровод-ныхсетях при минимальных капитальных затратах.
Манометрическая съемка после оптимизации гидравлических режимов приведена на рис. 6.
В результате проведенных исследований и использования математического моделирования было рекомендовано:
- снизить давление ППВ по нитке « С-вжд» с 70 до 46 м вод. ст. Снижение давления осуществлялось дросселированием с помощью запорно-регулирующей арматуры на нитке «С-вжд». Снижение расжда по нитке «С» составило 280 м3/ч (с 450 до 170 м3/ч);
- при снижении давления по нитке «С-вход» из -менено направление движения потока в узле «С-выход», а именно от насосной водоснабжающей организации на промплощадку ОАО «ММК» (на рис. 5, 6 направление движения воды показано стрелками);
- уровень ППВ в насосной станции поддерживают подачей воды через трубопроводы ниток «А» и «В».
Потребление ППВ на промышленной площадке ОАО «ММК» до и после оптимизации приведено в таблице.
Потребление пожарно-питьевой воды на промышленной площадке ОАО «ММК», тыс. м3
Таким образом, проведение организационнотехнологических мероприятий, связанных с организацией учета расходов ППВ у потребителей и совершенствованием гидравлических режимов водоснабжения промплощадки ОАО «ММК» позволило снизить потребление ППВ в ОАО «ММК» на 12% с годовым экономическим эффектом 4,5 млн руб.
Месяц Год
2007 2008 2009 2010
Январь 593,131 651,554 607,129 557,527
Февраль 522,3213 596,877 570,284 531,329
Март 602,804 633,709 660,666 572,018
Апрель 589,232 628,856 626,864 548,793
Май 630,727 632,228 650,188 572,802
Июнь 614,976 592,497* 645,147 572,256
Июль 631,251 608,650 624,311 593,863
Август 622,797 568,566 596,340
Сентябрь 611,193 551,366 545,159
Октябрь 643,506 597,050 548,924
Ноябрь 623,307 598,762 552,346
Декабрь 647,589 585,016 579,316
Всего: 7332,837 7245,131 7206,674
* Начало оптимизации по режимам водоснабжения.
