Материал: Автоматизація насосних установок

стежить за температурою в павільйоні і управляє калорифером з метою недопущення заморожування НС;

безперервно контролює справність устаткування і власних технічних засобів;

контролює вихід за допустимі межі параметрів технологічного процесу, забезпечує коректну поведінку в разі технологічних аварій;

виключає роботу несправного устаткування;

відстежує параметри безпеки об'єкту (пожежна і охоронна сигналізація, сигналізація затоплення, контроль електроживлення);

забезпечує взаємодію з центральним пунктом;

підтримує зручний інтерфейс користувача.

Оптимальне керування насосними станціями

2. Цілі і критерії оптимізації

Як уже зазначалося, під оптимальним режимом роботи систем подачі та розподілу води слід розуміти такі умови експлуатації, при яких забезпечення водою споживачів досягається з мінімальними витратами електроенергії на насосних станціях і найменшими втратами води в мережах. Математичним виразом оптимальних режимів є мінімум функціоналу  при умовах . Розглянемо, з яких складових складається функціонал . Витрати електроенергії на насосних станціях залежать від подачі  і напору  на виході насосної станції, а також від ККД насосного агрегату: Подача  визначається потребами у воді, а напір  - необхідним напором в диктуючій точці мережі , втратами напору від насосної станції до диктуючій точці, різницею в геодезичних відмітках насосної станції та диктуючій точці, а також надлишковими напорами в диктуючій точці. При відомій подачі  в мережу найменші витрати електроенергії будуть у тому випадку, коли напір у диктуючий точці буде дорівнювати необхідному, тобто при надлишкових напорах, рівних нулю.

Крім цього, втрати електроенергії на насосних станціях викликаються роботою насосів при неоптимальних значеннях ККД. Такі умови можуть виникнути для деяких насосів при забезпеченні необхідних значень  і  на виході насосної станції. Скорочення цих втрат досягається підбором найбільш економічної комбінації працюючих насосів, що забезпечує підтримку  и  з найменшими витратами електроенергії.

При виборі комбінації насосів необхідно враховувати ще один фактор - обмеження по числу перемикань насосних агрегатів. При включенні в роботу нового насоса мають місце певні витрати електроенергії на пуск агрегату. Ці втрати особливо помітні для насосних агрегатів з двигунами великої потужності. Крім того, потрібно враховувати нормативне число міжремонтних перемикань насосів, а також обмеження щодо тривалості міжремонтної роботи насоса.

Дослідження режимів роботи систем подачі та розподілу води показали, що надлишкові напори в мережі викликають значні втрати води за рахунок витоків з мережі, за водомірних витоків у санітарно-технічної та водорозбірної арматури та ін. За даними АКХ, надмірний напір (0,1 МПа) призводить до збільшення витрати води у споживачів 5-8%. Звідси випливає, що ліквідація надлишкових напорів в мережі дасть не тільки економію електроенергії, але призведе також до зменшення втрат води. Крім цього, зниження напору в мережі сприятиме зменшенню кількості аварій, а отже, втрат води при розривах трубопроводів і витрат на ліквідацію пошкоджень.

З урахуванням викладеного видається доцільним розділити задачу мінімізації функціонала  на два етапи. На першому слід визначити умови які забезпечують роботу насосної станції з мінімальними витратами електроенергії на подачу води в мережу і мінімальні втрати води в мережі. Це буде досягнуто при найменших (нульових) надлишкових напорах в мережі. Завдання можна сформулювати наступним чином:

 (2.1)

При ;

В результаті мінімізації функціонала  будуть визначені необхідні значення напорів насосних станцій.

На другому етапі розрахунків визначаються оптимальні значення управляючих впливів , забезпечують реалізацію необхідних умов роботи насосної станції при мінімальних втратах електроенергії усередині насосної станції.

З урахуванням сказаного оперативне планування оптимальних режимів роботи насосних станцій повинно здійснюватися в наступному порядку:

         визначення (прогнозування) необхідної подачі води в мережу  на кожну годину наступної доби;

         розрахунок оптимальних значень напору  і подачі  (у випадку кількох насосних станцій) на кожну годину наступної доби;

         формування погодинного графіка оптимальних значень  и  насосних станцій;

         визначення оптимальних комбінацій працюючих насосів для реалізації погодинних графіків  и .

Останній етап розрахунків необхідний у тих випадках, коли на насосній станції немає технічних засобів плавного регулювання продуктивності насосів (синхронно-вентильних каскадів, частотних перетворювачів і т. п.) і є достатня кількість (більше 2-3) резервних насосів.

2.1 Прогнозування графіка водоспоживання

Прогнозування графіка водоспоживання на наступну добу є першим етапом оперативного планування оптимальних режимів. Приймається, що зміну умов експлуатації можна здійснювати з певною періодичністю (наприклад, не частіше ніж через 1 рік). На підставі цього припущення безперервний добовий графік водоспоживання замінюється дискретним (з кроком 1 рік).

Процес водоспоживання є нестаціонарним, випадковим процесом. На нього впливає безліч факторів як зовнішніх, так і внутрішніх. До зовнішніх факторів можна віднести хронологічні, метеорологічні, організаційні, до внутрішніх - параметри системи водопостачання, категорії споживачів та їх співвідношення в загальному обсязі водоспоживання та ін.

Вплив великої кількості чинників на процес водоспоживання призводить до того, що в ньому завжди присутня частка невизначеності, яку неможливо усунути. Завдання полягає в мінімізації цієї невизначеності з метою кращого наближення прогнозованого графіка до фактичного. Останнім часом завдання оперативного прогнозування графіка водоспоживання розглядалася поруч авторів. Існуючі методи прогнозування можуть бути поділені на кілька основних груп.

Використання регресійних методів у прогнозуванні водоспоживання засноване на визначенні залежності величини водоспоживання від зовнішніх факторів. Використання регресійних моделей передбачає вирішення двох завдань: перше полягає у виборі чинників, що впливає на процес водоспоживання, та у визначенні форми рівняння регресії, друга (оцінювання параметрів) вирішується за допомогою статистичних методів обробки даних спостережень.

В якості факторів в регресійних моделях є метеорологічні параметри для різних сезонів року і днів тижня. Лінійні рівняння регресії (окремо для літа та зими) добре описують формування витрат води в залежності від впливу параметрів.

В якості «незалежних» змінних у регресійній моделі можуть використовуватися значення часових величин водоспоживання в попередні моменти. Такі моделі виділяються в особливий клас авто регресійних моделей. Вони знаходять широке застосування в прогнозуванні водоспоживання, так як часовий ряд водоспоживання характеризується тісним взаємозв'язком. Одним з різновидів цього методу є так званий метод експоненціального згладжування. При проведенні розрахунків більшого значення надається новітніми даними, що характеризує стан водоспоживання, у порівнянні з даними за попередні місяці, добу і години.

Для прогнозування обсягу годинної водоподачі складається статистичний ряд часових обсягів водоподачі насосної станції за даними найближчих 14 діб до прогнозованих діб. Загальна кількість годин цього ряду

х 24 = 336 г.

Алгоритм розрахунку прогнозованого обсягу водоподачі зводиться до наступного.

Визначаються приватні суми обсягів водоподачі за -ту годину періоду 14 діб:

,

де  - номер години; ; - значення часткової суми за -ту годину, ;  - номер діб;

  - - фактичний обсяг водоподачі за - ту годину - тої доби, .

Визначаються середньогодинні обсяги водоподачі за -ту годину періоду 14 діб:

,

де  - середньогодинної обсяг водоподачи за -ту годину періоду 14 діб.

Визначається значення среднечасового обсягу водоподачи періоду 14 діб:

                                                                           (2.1.1)

де  значення среднечасового обсягу водоподачи за період 14 діб, . Визначаються коефіцієнти згладжування часових обсягів водоподачі за - ту годину - тої доби періоду 14 діб.

.,

Де  - коефіцієнт згладжування часових обсягів за - ту годину -тої доби періоду 14 діб.

Обчислюються середні коефіцієнти згладжування часових обсягів за  - ту годину

,                                                                       (2.1.2)

де  - середній коефіцієнт згладжування годинної водоподачі за  - ту годину періоду 14 діб.

Визначаються прогнозовані значення годинної подачі води насосною станцією за +1 годин розглянутих діб. При цьому за основні величини приймаються розраховані параметри  і . При наявності тенденції до зростання коефіцієнта згладжування  розрахункова формула має вигляд:

,                                                        (2.1.3)

а при наявності тенденції до зниження коефіцієнта згладжування

,                                                        (2.1.4)

де  - прогнозоване значення обсягу водоподачі за годину розглянутих діб; ,- середні коефіцієнти згладжування витрат відповідно за  и  годин періоду 14 діб;  - середньогодинний обсяг водоподачі за період 14 діб, ;  - обсяг водоподачі для даного тижня, ;

                                                                    (2.1.5)

                                                                    (2.1.6)

Необхідні для прогнозу дані про погодинних значеннях подачі насосної станції у водопровідну мережу міста беруться з збережених в ЕВМ масивів даних, що містять результати вирішення завдання '' Облік за данини води насосною станцією».

Результати рішення, задачі прогнозування графіка годинний подачі води насосної станції є вихідною інформацією для вирішення наступного завдання даного комплексу '' Розрахунок оптимальних напорів насосної станції для кожної години».

Крім того, передбачена видача вихідної інформації як у вигляді роздруківки результатів розрахунку прогнозу погодинної водоподачі на 24 години майбутньої доби, так і у вигляді графіка, виведеного на дисплей. У шапці роздруківки і на дисплеї видається інформація про найменування насосної станції, для якої здійснюється розрахунок, дати прогнозу із зазначенням числа, місяця, року.

Прикладом прогнозу такого типу є метод «граничних циклів», використовуваний для прогнозування електроспоживання в енергетичних системах. В якості моделі «тренда» використовується синусоїдальна залежність обсягу водоспоживання від години доби. Адаптивні якості цієї моделі визначаються урахуванням застарівання більш ранніх даних шляхом присвоєння їм відповідної ваги.

Знайшов застосування при прогнозуванні водоспоживання методом авторегресії - проінтегруваної ковзаючої середньої (Боксу Дженкіс). Цей метод дозволяє працювати з нестаціонарними рядами шляхом переходу від нестаціонарного ряду водоспоживання до стаціонарного ряду його різниць. Він вигідно відрізняється від інших методів оперативного прогнозування своїми високими адаптивними якостями.