Вопросы оптимизации режимов работы системы водоснабжения

апрель 2001 г.

В одной из публикаций ("ЖКХ", N 3/2001), где речь шла о вопросах экономической эффективности внедрения информационных технологий на предприятиях инженерных сетей, мы вскользь упоминали об оптимизации оперативного управления насосными станциями и регулирования запасов воды в резервуарах. В частности, было отмечено, что в структуре себестоимости водоснабжения львиная доля приходится на электроэнергию, и снижение затрат за счет оптимизации режимов работы насосных агрегатов позволяет получить весьма существенную экономию. Целью данной статьи является более подробное освещение этого вопроса.

У проблемы оптимизации управления режимами водоснабжения есть несколько составляющих, каждая из которых носит достаточно изолированный характер и способна дать хороший экономический эффект, а будучи рассматриваемы в комплексе, они в состоянии вывести технологический процесс на качественно новый уровень. Рассмотрим эти составляющие.

Управление насосными агрегатами. Существует и применяется на практике несколько видов регулирования подач: включение/выключение групп насосов и отдельных агрегатов (дискретное управление); дросселирование и рециркуляция потока; применение электропривода с переменной частотой вращения. Каждый насосный агрегат имеет свою фактическую расходно-напорную характеристику, . каждой точке которой соответствует некоторое паспортное значение потребляемой мощности электродвигателя. Именно выбор комбинации работающих насосных агрегатов и способа регулирования в зависимости от гидравлической характеристики сети и требуемых значений подач определяет положение текущей рабочей точки, а следовательно, и текущее значение потребляемой мощности по каждому агрегату и всей насосной станции в целом. Следовательно, критерием оптимизации является обеспечение заданного режима работы насосной станции по подачам и давлениям при минимально возможном расходе электроэнергии с учетом всех доступных способов регулирования. Основных проблем две: идентификация и "пересчет" реальных характеристик насосных агрегатов (они, как правило, не соответствуют паспортным, и, кроме того, изменяются с течением времени в силу естественного износа), а также расчет и построение совокупной характеристики "расход-напор-мощность" для группы работающих насосов по известным характеристикам каждого из них. Обе проблемы легко решаемы при наличии средств измерений для проведения время от времени натурных испытаний насосных агрегатов, а также соответствующего компьютерного математического обеспечения. Сама по себе оптимизация регулирования п этом не вызывает принципиальных сложностей - методы и алгоритмы решения таких задач разработаны достаточно давно и проверены практикой, достаточно эти методы знать и уметь применить. Результатом решения задачи оптимизации в каждый конкретный момент времени является выработка рекомендации по осуществлению такого комплекса управляющих воздействий (включение/отключение агрегатов, изменение положения дросселирующего клапана, изменение частоты вращения электродвигателей), который переводит текущую рабочую точку совокупной характеристики насосной станции к значению, которому соответствуют минимально достижимая при этом потребляемая электрическая мощность приводов насосов. При наличии технических средств телеметрии и дистанционного управления эти оптимальные управляющие воздействия могут осуществляться автоматически, с некоторым заданным интервалом времени. При отсутствии средств телеуправления полученные от компьютерной программы рекомендации выполняются диспетчерским персоналом в обычном "ручном" режиме, а сама оптимизация выполняется каждый раз при существенном изменении требуемых режимных параметров. Побочным полезным эффектом при этом является сохранение и возможность анализа электронного журнала значений параметров работы насосной станции и "истории" управляющих воздействий.
Управление запасами воды в резервуарах на основе статистических данных и прогноза водопотребления. Специалистами нашей компании создана уникальная в своем роде математическая модель прогнозирования водопотребления на основе накапливаемых данных по подачам и уровням воды в резервуарах. "Изюминкой" модели является специальный учет так называемых "нерегулярных дней", описание которых "не укладывается" в рамки обычного календарного временного ряда. Их особенность состоит в том, что они повторяются из года в год, приходясь каждый раз на различные дни недели (официальные и неофициальные праздники и связанные с ними переносы рабочих дней), или даже на различные недели и месяцы (в частности, религиозные праздники, такие как Пасха). В математической модели прогноза учитываются, кроме того, метеорологические данные и некоторые другие факторы, существенно влияющие на водопотребление. (Диспетчеры знают об эффекте "Штирлица", проявившемся впервые во время премьерного показа фильма "Семнадцать мгновений весны", когда в часы демонстрации по ТВ водопотребление в городах падало почти до нуля, тогда как обычно на вечерние часы приходится пик водоразбора - вместо "помыться-постираться" люди не отрываясь, сидели у телевизоров. В результате кое-где имели место переполнения резервуаров с затоплением прилегающих территорий). Основой для решения задачи прогнозирования потребления воды является многолетний архив данных почасовых измерений, для накопления которых предусмотрен специальный автоматизированный компьютерный журнал. Данные в этот журнал могут заноситься как автоматически, с использованием средств телемеханики (если они есть и работают), так и в "ручном" режиме, на основе суточных рапортов, поступающих с насосных станций в виде бумажных, электронных или факсимильных документов. Ориентируясь на данные прогноза, можно эффективно планировать загрузку насосных станций второго подъема для обеспечения необходимых запасов в резервуарах чистой воды, поскольку текущие значения уровней воды в них вкупе с данными прогноза водопотребления позволяют сформировать обоснованное "задание" для программы оптимизации режимов работы насосных станций (об этом шла речь выше). Точность прогноза, конечно же, существенно зависит от величины периода, за который накоплены архивные данные, от вида прогноза и времени "упреждения", но в любом случае она достаточно высока. Так, на основе многолетнего архива данных МГП "Мосводоканал", в центральной диспетчерской службе которого эксплуатируется описываемая модель, достигнуты следующие показатели точности прогнозов: средняя абсолютная процентная ошибка составляет примерно 1,3% для месячных данных, менее 5% для данных суточного прогноза, и около 2,5% для почасового прогноза. Кроме собственно прогнозирования, наличие архива данных позволяет строить аналитические отчеты и графики любой сложности - как во временной развертке, так и корреляционные.
Моделирование гидравлических режимов сети водоснабжения с учетом суточной неравномерности нагрузки. С некоторой степенью условности альтернативой задаче прогноза водопотребления на основе архивов реальных измерений может являться задача почасового моделирования потокораспределения в водопроводной сети. Это классическая задача гидравлического расчета, но с существенным дополнением. Если для обычного гидравлического расчета в качестве исходных данных по потребителям задается расчетная нагрузка в виде среднесуточного либо максимального значения водоразбора, то в рассматриваемой задаче для каждого потребителя задается и так называемый "суточный график водопотребления" (а точнее, один из нескольких существующих типов графиков суточной неравномерности). В этом случае может быть выполнен почасовой гидравлический расчет сети, в результате которого формируется график заполнения резервуаров. Следует отметить, что для целей оперативного управления использовать данный метод вряд ли целесообразно в силу возможных значительных отклонений реальных параметров водопотребления от расчетных величин. Однако как инструмент поверочного расчета при долгосрочном проектировании режимов и схем водоснабжения, проектировании новых подключений, анализе качественных и количественных характеристик гидравлических режимов в системе водоснабжения - такое моделирование представляется весьма полезным.

Все описанные выше математические модели и алгоритмы реализованы специалистами нашей компании в виде специализированной информационно-графической системы (ИГС) "AnWater". Это весьма сложный программный комплекс, интегрирующий несколько подсистем разного функционального назначения и предназначенный для эксплуатации персоналом центральных и районных диспетчерских служб муниципальных предприятий водоснабжения. В различном функциональном составе ИГС "AnWater" внедрена в водоканалах нескольких крупных городов России и прошла многолетнюю проверку промышленной эксплуатацией.

В заключение - несколько слов в адрес двух самых крупных в стране водоканалов. Создание информационно-технологических систем такого класса как ИГС "AnWater", аккумулирующих в себе массу наукоемких решений, сложных математических моделей, знаний и методов прикладной предметной области, и требующих кропотливой и тщательной выверки и отладки, - невозможно без заинтересованности и поддержки со стороны персонала предприятия-заказчика. Сотрудники и руководители служб МГП "Мосводоканал" и его филиалов (Северная водопроводная станция, Производственное управление регулирующих узлов), а впоследствии и ГУП "Водоканал Санкт-Петербурга" на протяжении нескольких лет терпеливо и внимательно вникали в разрабатываемый и внедряемый "с колес" программный продукт, засыпали нас замечаниями и пожеланиями, заставляя в итоге делать систему не так, как нам было проще с точки зрения разработчиков, а так, как правильно и удобно с точки зрения эксплуатации. Персонал Московского и Питерского водоканалов, с которым при разработке и внедрении нам пришлось работать в постоянном контакте, проявил максимум терпимости и доброжелательности, а высокая профессиональная квалификация сотрудников, безусловно, сыграла свою роль при формировании предметных требований к системе. Именно благодаря сотрудничеству с этими двумя предприятиями ИГС "AnWater" и сейчас продолжает совершенствоваться и "обрастать" новыми задачами, но уже и в своем нынешнем виде эта система стала полноценным высококачественным продуктом, которому по функциональному составу и характеристикам математических моделей аналога в мире на сегодняшний день практически не существует. Пользуясь случаем, со страниц журнала я хочу от имени ИВЦ "Поток" высказать признательность коллективам МГП "Мосводоканал", его филиалов (СВС, ПУРУ) и ГУП "Водоканал Санкт-Петербурга" за их вклад в развитие отечественных интеллектуальных технологий, пожелать им успехов и выразить надежду на дальнейшее сотрудничество, от которого в конечном итоге выигрывают все.