Удаленный мониторинг высокоэффективных систем подачи воды из водозаборных скважин.

Эффективность работы системы ВКХ, качество предоставляемых услуг затрагивает жизненно важные интересы как городского, так и сельского населения страны. В структуре затрат на производство услуг водоснабжения одними из основных показателей являются расходы на электроэнергию, составляющие в Беларуси 25,3 %, из них доля затрат на подъем воды из водозаборных скважин, составляет по разным регионам 17–19,2 % и более. Программными документами к 2025 году предусматривается снижение необоснованных потерь воды питьевого качества до 12%, снижение удельных норм расхода электрической энергии на подъем и подачу воды на 9 % к уровню 2015 года, проведение оптимизации схем водоснабжения в сельских населенных пунктах, внедрение современных автоматизированных систем управления технологическими процессами водоснабжения и водоотведения. Правительством Республики Беларусь предусмотрено.

Водозаборные сооружения являются первым элементом системы водоснабжения населенного пункта, поэтому от правильного проектирования, строительства и эксплуатации этих сооружений будет зависеть надежность подачи воды определенного качества конечному потребителю. Широкое использование подземных вод ставят большие задачи по созданию новых высокоэффективных погружных электронасосных агрегатов, обладающих высокими энергетическими и эксплуатационными качествами, повышенной надежностью, малой удельной металлоемкостью, высокой степенью унификации. 

На современном этапе развития отрасли применение средств автоматизации и диспетчеризации технологических процессов способствует снижению эксплуатационных затрат, позволяет в режиме реального времени обеспечивать постоянный контроль на удаленных объектах, производить удаленную корректировку и настройку оптимальных параметров работы оборудования. Это дает возможность уменьшения удельного потребления энергии, необоснованных потерь воды, сокращения численности обслуживающего персонала. 

Применение высокоэффективных систем подачи воды на основе синхронного привода, обеспечивающих удаленное управление технологическим процессом посредством автоматизированных систем, дает возможность достичь достаточно высокого, стабильного КПД насосного оборудования и системы подъема и подачи воды потребителю в процессе эксплуатации. Именно такой подход позволяет получить экономический эффект от снижения потребляемой из сети электрической энергии и добиться существенного уменьшения эксплуатационных расходов и увеличения срока службы оборудования.

С учетом этого, следует отметить актуальность вопросов эффективности применения на водозаборных скважинах республики водоподъемного оборудования с синхронным приводом на постоянных магнитах и повышения эффективности работы систем путем автоматизации и диспетчеризации объектов водоснабжения.

Особенностью автоматизированного управления объектов предприятий водопроводно-канализационного хозяйства является их большое количество, разбросанных на большой территории. Эффективное управление всей системой водоснабжения и водоотведения становится важным только при наличии такой связи между объектами, когда вода и информация о ней движутся параллельными потоками. Правильно организованная система передачи информации от объектов управления позволяет добиться их бесперебойной работы.

Основными задачами, решаемыми автоматизацией объектов водоснабжения и водоотведения, являются: оптимизация работы объектов со снижением потребления электрической энергии, утечек и затрат на обслуживание за счет сокращения штата и снижения требований к квалификации персонала.

Для решения этих задач ОАО «Завод Промбурвод» предлагает автоматизацию отдельно стоящих и удалённых водозаборных скважин и водозаборов, оснащенных не только скважинными электронасосными агрегатами с асинхронным приводом, но и высокоэффективными системами подачи воды с беспроводной передачей данных о ситуации на объекте на диспетчерский пункт в единую централизованную систему с предоставлением управления оператору диспетчерской службы.

Высокоэффективные системы подачи воды для водозаборных скважин состоят из скважинного агрегата с синхронным электродвигателем с ротором на постоянных магнитах и станции управления и защиты с телеметрией и частотным преобразователем.

Синхронные электродвигатели с ротором на постоянных магнитах имеют ряд преимуществ по сравнению со стандартными асинхронными двигателями. Они генерируют крутящий момент за счет магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами. Это снижает потери энергии и позволяет добиться более высокого КПД.

Для управления технологическим процессом подачи воды, а также оптимизации энергопотребления  при постоянной мощности и постоянном крутящем моменте на синхронных электродвигателях используются частотные преобразователи. Частотные преобразователи должны иметь в своем составе функцию управления синхронными электродвигателями и позволять регулировать их частоту управления до 100 Гц.

Для оценки эффективности работы высокоэффективной системы на водозаборных скважинах необходимо постоянно снимать такие показатели, как производительность, создаваемое давление, рабочий ток, потребляемая мощность, количество потребляемой электроэнергии,  время работы и т.д. По этим показателям вычисляется удельное энергопотребление и коэффициент полезного действия. 

Рисунок 1 – Схема удаленного мониторинга высокоэффективной системой подачи воды

Схема удаленного мониторинга высокоэффективной системой подачи воды представлена на рис. 1. Используя данную схему ОАО «Завод Промбурвод» выпускает высокоэффективные системы со станциями управления и защиты (СУЗ-ТМ-ПЧ), укомплектованные всем необходимым оборудованием для удаленного мониторинга и управления. В состав СУЗ-ТМ-ПЧ входит частотный преобразователь, выходной фильтр du/dt (моторный дроссель), контроллер, 2G/3G/4G модем с антенной  и блоком питания.

СУЗ-ТМ-ПЧ имеет интерфейс для подключения внешнего счетчика электроэнергии по линии RS485, а также любого электросчетчика с импульсным (счетным) выходом. В своем составе также имеются интерфейсы для подключения приборов учета воды: – турбинный счетчик воды с импульсным (счетным) выходом; – ультразвуковой или электромагнитный расходомер с аналоговым выходом 4-20 мА. СУЗ-ТМ-ПЧ контролирует постоянно температуру электродвигателя с помощью датчика температуры PT100, встроенного в электродвигатель, а также ток, потребляемую мощность, давление, производительность, время работы и др.

Рисунок 2 – Интерфейс пользователя объекта с ПИД регулированием. 

Рисунок 3 – Вкладка уставок и состояния СУЗ-ТМ.

Используемое программное обеспечение – стандартная SCADA-система, выполняющая функции автоматического сбора информации технологических параметров каждого объекта.

На рис. 2 представлен интерфейс пользователя объекта в. д. Барсуки Смолевичского района реализованного и успешно эксплуатированного с 7 мая 2020 года. Высокоэффективная система имеет в своем составе скважинный агрегат СПА 6-16-120 нро с синхронным электродвигателем и СУЗ-ТМ-ПЧ с передачей данных. СУЗ-ТМ-ПЧ осуществляет поддержание заданного нижнего уровня воды в водонапорной башне от 0,26 до 0,36 МПа при частоте в 94 Гц по ПИД регулированию. Уставки верхнего и нижнего уровня давления, пределы верхней и нижней рабочей частоты оператор имеет возможность изменить удаленно через интерфейс программы (рис. 3).

Осуществляется контроль всех параметров, необходимых для оценки эффективности работы высокоэффективной системы, графики работы системы, формируются все необходимые отчеты. Пример отчета представлен на рис. 4. Внедренная высокоэффективная система подачи воды с удаленным мониторингом позволила снизить на 32 % удельный показатель потребления электроэнергии на 1 м3 воды по сравнению с предыдущим электронасосным агрегатом. Отказов высокоэффективной системы не наблюдается.

Рисунок 4 – Отчет о работе высокоэффективной системы.

На рис. 5 представлен интерфейс пользователя объекта водозабора г. Житковичи в д. Черетянка КУП «Житковичский коммунальник» реализованного 8 июля 2021 года. Высокоэффективная система имеет в своем составе скважинный агрегат СПА 6-40-90 нро с синхронным электродвигателем и СУЗ-ТМ-ПЧ. СУЗ-ТМ-ПЧ осуществляет подачу заданного объема воды в магистральный трубопровод. На этом объекте происходит регулировка частоты вращения для поддержания необходимой производительности высокоэффективной системы. Уставка рабочей частоты,  пределы верхней и нижней рабочей частоты оператор имеет возможность изменить удаленно через интерфейс программы.

Электронасосный агрегат на скважине №5 водозабора преднамеренно установлен был с запасом по напору для проверки фактического потребления электроэнергии, которая требуется для обеспечения требуемых характеристик напора и подачи. Потребляемая мощность системы составляет 9,5 кВт, что на 36,6 % ниже предыдущего агрегата. Внедренная высокоэффективная система подачи воды с удаленным мониторингом позволила снизить удельный показатель потребления электроэнергии поданной воды в кубических метрах на 21,8 % по сравнению с предыдущим электронасосным агрегатом. Отказов высокоэффективной системы не наблюдается.

Рисунок 5 – Интерфейс пользователя объекта с заданной производительностью.

Уже сегодня можно подкрепить итоги эксплуатации, а также подытожить итоги подконтрольной эксплуатации высокоэффективных систем подачи воды с удаленным мониторингом производства ОАО «Завод Промбурвод» на КУПП «Минскводоканал», КЖУП «Уником» г. Жлобин, КУП «Молодечноводоканал», ГП «Борисовводоканал», ГП «Смолевичский водоканал», филиала «Могилевводоканал» УПКП ВКХ «Могилевоблводоканал», КУП «Житковичский коммунальник» [Источник 1, Источник 2]. На ОАО «Завод Промбурвод» намечены дальнейшие работы по внедрению высокоэффективных систем на таких предприятиях как: КУПП «Кобринрайводоканал» водозабор «Брилево», Барановичский КУПП «Водоканал», ОАО «Слонимский водоканал», КЖУП «Октябрьское», КЖУП «Светоч» и другие объекты.

В работе показано, что применение высокоэффективных систем подачи воды и средств автоматизации и диспетчеризации на объектах водоснабжения является важнейшим направлением повышения эффективности работы районных систем ВКХ.

Модернизация систем водоснабжения посредством замены насосного оборудования на высокоэффективные системы и проведение автоматизации и диспетчеризации технологических процессов выдают безотказную работу насосного оборудования. За счет обеспечения возможности корректировки и настройки оптимальных параметров работы оборудования в удаленном режиме, постоянного контроля за параметрами работы в режиме реального времени с рабочего места оператора ВКХ района, оперативного выявления и своевременного устранения авариных ситуаций на трубопроводах и водозаборных скважинах в условиях реальных объектов приведенных в данной работе возможно добиться сокращения необоснованных потерь воды не менее чем на 5 % в сравнении с ранее существующими системами, при снижении потребления электроэнергии на процесс подъёма и подачи воды питьевого качества потребителю не менее чем на 10 %.

В.И. Бословяк

А.С. Козорез