Использование ZuluGIS при написании выпускной квалификационной работы магистра на тему «Совершенствование системы водоснабжения города Трехгорный»

Использование ZuluGIS при написании выпускной квалификационной работы магистра на тему «Совершенствование системы водоснабжения города Трехгорный»

Автор: Выпускник НГАСУ «Сибстрин»,
Специалист компании ООО «Корпус»
Карпицкий А.В.

Являясь сотрудником компании ООО «Корпус», которая в своей деятельности использует программные продукты ООО «Политерм», в рамках написания выпускной квалификационной работы магистра было принято решение использовать данные продукты т.к. они позволяют гибко подходить к расчетам систем водоснабжения.

Объектом для исследования был выбран город Трехгорный, состоящий из трех зон водоснабжения, обусловленных сложным рельефом с большим перепадом высот.

Цель работы: Исследование и анализ башенных систем водоснабжения. Исследование систем частотного преобразования. Моделирование модернизмодернизаации насосной станции третьего подъема водоснабжения города Трехгорный с подключением насосов к частотным преобразователям

Исходными данными для работы служила расчетная схема водоснабжения города Трехгорный с диаметрами и расчетными нагрузками на потребителях. 

На первом этапе было проведено исследование литературы описывающих башенные системы водоснабжения, а также систем частотного преобразования.

Что касается башенных систем, был сделан вывод, что хоть у таких систем и существуют положительные стороны применения, такие как:

• простота и надежность конструкции;
• длительность эксплуатации;
• не требует высококвалифицированных специалистов для обслуживания самой башни.

Но также имеется ряд критических недостатков:

• возможность промерзания в зимнее время в тяжелых физико-географических условиях;
• значительные капитальные затраты на обслуживание;
• трудоемкость эксплуатации;
• коррозионные процессы.

В настоящее время использование водонапорных башен оправдано не более чем на 20%, в случае фактического использования.

Что касается преобразователей частоты были выделены следующие преимущества:

1. Экономия электроэнергии. 
   Применение частотного преобразователя позволяет снизить пусковые токи и регулировать потребляемую мощность двигателя в зависимости от фактической нагрузки.
2. Увеличение срока службы промышленного оборудования.
   Плавный пуск и регулировка скорости вращения момента на валу позволяют увеличить межремонтный интервал и продлить срок эксплуатации электродвигателей
3. Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.
   ЧП не имеют движущихся частей, нуждающихся в регулярной чистке и смазке.
4. Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом
   Во многих частотных преобразователях реализована возможность подключения удаленных устройств телеметрии и телемеханики, они могут встраиваться в многоуровневые системы автоматизации
5. Широкий диапазон мощности двигателя.
   Частотные преобразователи устанавливают как на однофазные конденсаторные двигатели мощностью 1 кВт, так и на синхронные электромашины мощностью в десятки МВт.
6. Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.
   ЧП комплектуют защитой от перегрузок, коротких замыканий, пропадания фаз. Преобразователи также обеспечивают перезапуск при возможности подачи электроэнергии после ее отключения. Возможность бесступенчатой точной регулировки частоты вращения без потери мощности, что невозможно при использовании редукторов.
7. Снижение уровня шума работающего двигателя.
   Возможность замены двигателя постоянного тока асинхронными электрическими машинами с частотными регуляторами. Для оборудования, требующего регулировки момента и скорости вращения, часто используются двигателя постоянного тока, скорость вращения которых пропорциональна поданному напряжению. Такие электрические машины стоят дороже асинхронных и требуют дорогостоящих промышленных выпрямителей. Замена двигателей постоянного тока на асинхронные электромашины с частотным управлением даёт хороший экономический эффект.

Также имеются и недостатки:

1. Высокая сложность подключения и настройки оборудования
2. Требуются высококвалифицированный персонал для поддержания системы в рабочем состоянии
3. Высокая стоимость оборудования

Исходя из всех положительных и отрицательных качествах каждой системы, можно сделать вывод, что включение в систему частотного преобразователя для управления насосами улучшает качество работы.

Существующая схема водоснабжения города Трехгорный

Станция 3-го городского подъёма сдана в эксплуатацию в 1985 году, процент износа объекта составляет 37,36%.
В насосной станции 3-го подъёма установлено три насосных агрегата типа 1Д315-71. Данный насос по паспортным данным обеспечивает производительность 315 м3/ч при напоре 71 м. вод. ст., электрическая мощность насоса составляет 90 кВт. В работе находится один насос.
Из насосной станции часть воды подаётся в разводящую сеть III зоны, другая часть подаётся в водонапорную башню высотой 36 метров и ёмкостью бака 300 м3.

Поверочный расчет (рисунок 1), показал, что в зоне третьего подъема имеется недостаток напора на потребителях, т.к. водонапорная башня ограничивает подаваемый напор, что так же показывает неэффективность башни в данной схеме.

Хорошо иллюстрирует итоги расчета пьезометрический график (Приложение 1), который указывает на то, что водонапорная башня ограничивает свободный напор и тем самым снижает качество обеспечения водоснабжением потребителей. 

Рисунок 1 – Поверочный расчет системы с водонапорной башней

Далее к рассмотрению были приняты два варианта реконструкции системы: 

1. Разделение третьей зоны водоснабжения города на две части с питанием от двух насосов, с установкой на них частотных преобразователей.

2. Питание всей третьей зоны от одного насоса с подключением частотного преобразователя.

Для каждого варианта были произведены поверочные расчеты. Т.к. первый вариант предполагает разделение сети на зоны, ZuluGIS позволяет быстро определить новое потокораспределение воды в системе и оценить её работу в новых условиях.

Далее в комплексе ZuluHydro, с помощью функции «Оптимизация насосного оборудования» были определены параметры работы насосов при подключении их к частотным преобразователям.

1 Вариант

Согласно проведенному расчету (рисунок 3, 4) насосы в полной мере обеспечивают потребности водоснабжения потребителей, не выходя на максимальное количество оборотов рабочего колеса, снижая расходы на электроэнергию. Также данный вариант обеспечивает перспективу подключения новых потребителей без каких-либо дополнительных вложений. 

Суммарный перерасход электроэнергии составляет 925,37 кВт, в денежном эквиваленте - 1 172 055, 15 рублей в год. Данный вариант развития является более дорогим в обслуживании, но имеет больший запас на перспективу расширения области водоснабжения третьей зоны.

Часы суток	Суточный график частоты вращения, об/мин		Суточный график напора, м		Расход электроэнергии, кВт*ч			Стоимость электроэнергии, руб
	I зона	II зона	I зона	II зона	I зона	II зона	Сущ.	I зона	II зона	Сущ.
1	1965	1337	38,8	20,9	60,98	41,49	90	211,61	143,98	312,3
2	1933	1268	37,89	19,8	59,99	39,35	90	208,16	136,55	312,3
3	1932	1244	37,88	19,32	59,96	38,61	90	208,06	133,97	312,3
4	1933	1268	37,89	19,8	59,99	39,35	90	208,16	136,55	312,3
5	1938	1307	38,03	20,57	60,14	40,56	90	208,7	140,75	312,3
6	2000	1422	39,921	22,64	62,07	44,13	90	215,38	153,13	312,3
7	2145	1853	44,72	32,88	66,57	57,51	90	230,99	199,55	312,3
8	2310	2328	50,63	47,73	71,69	72,25	90	248,76	250,7	312,3
9	2476	2728	57,015	62,48	76,84	84,66	90	266,64	293,78	312,3
10	2431	2685	55,212	61,024	75,44	83,33	90	261,79	289,15	312,3
11	2337	2416	51,63	50,9	72,53	74,98	90	251,67	260,18	312,3
12	2252	2136	48,5	41,128	69,89	66,29	90	242,52	230,03	312,3
13	2104	1764	43,32	30,65	65,3	54,74	90	226,58	189,96	312,3
14	2074	1627	42,31	26,93	64,37	50,49	90	223,35	175,21	312,3
15	2045	1581	41,35	26,07	63,47	49,07	90	220,23	170,26	312,3
16	2136	1783	44,413	30,73	66,29	55,33	90	230,03	192,01	312,3
17	2204	1948	46,79	35,238	68,4	60,46	90	237,35	209,78	312,3
18	2170	1899	45,596	34,07	67,34	58,93	90	233,69	204,5	312,3
19	1365	2439	52,961	51,31	73,4	75,69	90	254,69	262,66	312,3
20	2369	2449	52,85	51,83	73,52	76	90	255,12	263,73	312,3
21	2417	2617	54,687	58,34	75,01	81,22	90	260,29	281,82	312,3
22	2502	2856	58,031	68,06	77,65	88,63	90	269,44	307,56	312,3
23	2387	2531	53,53	54,95	74,08	78,55	90	257,06	272,56	312,3
24	2025	1482	40,719	23,807	62,84	45,99	90	218,07	159,6	312,3
Итого					1627,76	1457,61	2160	5648,34	5057,97	7495,2

2 Вариант

Данный вариант предполагает оставить один насос на всю третью зону водоснабжения с подключением частотного преобразователя (Рисунок 5). Для соблюдения надежности системы, предполагается подключение резервного насоса ко второму частотному преобразователю.

С учетом того, что в данном варианте из системы убирается только водонапорная башня, был произведен поверочный расчет для того, чтобы убедиться в возможности обеспечения населения водой. Расчет показал, что один насос вполне справляется со своей задачей.

Далее согласно тем же данным была произведена оптимизация насоса с учетом подключенного частотного преобразователя.

Экономия на электроэнергии составила 513 306,8 рублей в год

	Суточный график частоты вращения,		Суточный график напора, м		Расход электроэнергии,		Стоимость электроэнергии,
Часы суток	об/мин				кВт/ч		руб
	Реконстр.	Сущ.	Реконстр.	Сущ.	Реконстр.	Сущ.	Реконстр.	Сущ.
1	1998	2900	38,42	58,42	62,01	90	215,16	312,3
2	1933	2900	37,43	58,42	59,99	90	208,16	312,3
3	1932	2900	37,45	58,42	59,96	90	208,06	312,3
4	1933	2900	37,43	58,42	59,99	90	208,16	312,3
5	1938	2900	37,43	58,42	60,14	90	208,70	312,3
6	2050	2900	39,82	58,42	63,62	90	220,76	312,3
7	2285	2900	43,11	58,42	70,91	90	246,07	312,3
8	2560	2900	47,59	58,42	79,45	90	275,69	312,3
9	2856	2900	53,73	58,42	88,63	90	307,56	312,3
10	2776	2900	51,12	58,42	86,15	90	298,95	312,3
11	2596	2900	47,9	58,42	80,57	90	279,56	312,3
12	2442	2900	45,02	58,42	75,79	90	262,98	312,3
13	2214	2900	41,85	58,42	68,71	90	238,42	312,3
14	2174	2900	41,43	58,42	67,47	90	234,12	312,3
15	2145	2900	41,44	58,42	66,57	90	230,99	312,3
16	2256	2900	42,28	58,42	70,01	90	242,95	312,3
17	2364	2900	44,23	58,42	73,37	90	254,58	312,3
18	2370	2900	45,84	58,42	73,55	90	255,22	312,3
19	2644	2900	48,7	58,42	82,06	90	284,73	312,3
20	2635	2900	48,42	58,42	81,78	90	283,76	312,3
21	2750	2900	51,19	58,42	85,34	90	296,15	312,3
22	2900	2900	52,35	58,42	90,00	90	312,30	312,3
23	2715	2900	50,9	58,42	84,26	90	292,38	312,3
24	2075	2900	39,84	58,42	64,40	90	223,46	312,3
Итого					1754,72	2160,00	6088,88	7495,2

Анализируя данные варианты, можно сделать вывод, что их можно рассматривать как этапы развития системы водоснабжения города. На первом этапе развития системы, как более эффективным, использовать 2 вариант развития. При возникновении потенциальных проблем на потребителях, можно приступить к реализации второго этапа, который представлен 1 вариантом.

Данная последовательность в развитии системы сохранит эффективность, а самое главное, безопасность системы.

Рисунок 2 – Распределение потребителей и итоги расчета оптимизации насосов при первом варианте реконструкции

Рисунок 3 – Распределение потребителей и итоги расчета оптимизации насосов при первом варианте реконструкции

Рисунок 4 – Итоги расчета оптимизации насосов при втором варианте реконструкции

---

В выпускной работе, с помощью ГИС «Zulu», были выполнены все расчетные аспекты работы, которые подтвердили выводы, сделанные при литературном обзоре. Функционал программы позволяет в полной мере решать нестандартные задачи и гибко подходить к различным ситуациям.

см. так же: Отчет по выпускной квалификационной работе студента Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) Слабуха Г.А.