Водоснабжение и коммунальная инфраструктура

Энергетическое обследование систем водоснабжения и коммунальной инфраструктуры позволяет установить, сколько электрической энергии расходуется на подъём, транспортирование и распределение воды, работу водоотведения и вспомогательные технологические процессы. Основная задача — связать потребление энергии с фактическими объёмами перемещаемой воды, гидравлическими условиями, режимами насосного оборудования и границами отдельных инфраструктурных узлов.

Особенность коммунальной инфраструктуры заключается в том, что несколько технологических процессов могут использовать общие источники электроснабжения, насосные станции, резервуары, трубопроводы и системы управления. Поэтому общий расход электроэнергии не показывает непосредственно эффективность отдельного насоса или конкретного участка сети.

Например, увеличение электропотребления станции водоснабжения может быть связано с ростом подачи воды, изменением уровня в резервуарах, увеличением требуемого напора, работой дополнительных насосов либо изменением гидравлического сопротивления трубопроводов. Без данных о расходе воды, давлении и режимах оборудования невозможно достоверно определить причину.

При энергетическом обследовании объектов водоснабжения и коммунальной инфраструктуры в Тамбове и Тамбовской области программа работ формируется по фактической технологической схеме, границам учёта, режимам эксплуатации и доступности измерений. Наличие повышенных энергетических затрат, утечек, технических дефектов и потенциала энергосбережения устанавливается только после соответствующей проверки.

Как разделить подъём, транспортирование воды и водоотведение

Первый этап энергоаудита — определение технологических границ. Водоснабжение и водоотведение связаны общим движением водных потоков, но представляют собой разные процессы с собственными энергетическими нагрузками.

Для обследования выделяются следующие составляющие:

Подъём воды. Перемещение воды от источника водоснабжения с помощью соответствующего оборудования. Энергетические затраты зависят от фактического расхода, геодезических отметок, уровня воды, требуемого напора и характеристик насосной системы.
Транспортирование воды. Передача потока по магистральным и распределительным трубопроводам. Здесь существенны расход, давление, гидравлические сопротивления, работа насосных станций и схема сети.
Распределение потребителям. Обеспечение требуемых объёмов и параметров воды на соответствующих границах подключения.
Технологическая подготовка воды. При наличии соответствующего оборудования анализируются самостоятельные электрические и технологические нагрузки.
Водоотведение. Сбор и транспортирование сточных вод, включая насосные участки при их наличии.
Инфраструктурные узлы. Резервуары, станции, регулирующие устройства и другие объекты, влияющие на изменение расходов, уровней и давления.
Вспомогательные потребители. Электрическая энергия, расходуемая на управление, обслуживание технологических процессов и другое фактически подключённое оборудование.

Разделение необходимо потому, что одинаковый показатель удельного энергопотребления может относиться к разным технологическим задачам.

Например, электроэнергия на подъём воды с определённой высоты и электроэнергия на дальнейшую транспортировку по распределительной сети не должны без дополнительных условий оцениваться как одна и та же насосная операция.

Аналогично транспортирование питьевой воды и перекачивание сточных вод могут различаться по гидравлическим характеристикам, режимам эксплуатации и назначению оборудования.

Как построить водно-энергетический баланс

Водно-энергетический баланс — совместное количественное сопоставление водных потоков и расхода энергии в установленных границах системы.

Водная часть баланса показывает, какое количество воды поступает, перемещается, передаётся потребителям, используется в технологических процессах либо изменяет запас в резервуарах.

Энергетическая часть показывает, сколько электрической и другой учитываемой энергии расходуется для обеспечения этих процессов.

Для корректного построения баланса необходимо определить:

начальную и конечную границы рассматриваемого участка;
все существенные поступления воды;
все подтверждённые отборы и передачи воды;
изменение запасов в резервуарах и накопительных ёмкостях;
расположение расходомеров;
расположение электрических счётчиков;
состав оборудования, питающегося от соответствующих электрических линий;
фактические режимы насосов;
интервал, за который сопоставляются вода и электроэнергия.

Например, насосная станция может подавать воду в резервуар, из которого она затем поступает потребителям.

Если за исследуемые сутки запас воды в резервуаре увеличился, объём, поданный насосами, может превышать объём, переданный потребителям.

Эту разность нельзя автоматически объявлять утечкой: необходимо учесть изменение накопленного объёма.

Аналогично электрическая энергия станции за сутки должна сопоставляться с водным потоком за тот же период, а не с произвольно выбранным показанием расходомера.

Почему границы учёта определяют результат обследования

В коммунальных системах границы водного и электрического учёта могут не совпадать.

Например, один электрический счётчик может учитывать несколько насосов, систему управления и вспомогательное оборудование, тогда как расходомер фиксирует воду только на одном трубопроводе.

Если разделить всю электрическую энергию на объём воды этого трубопровода, полученный показатель может неправильно характеризовать эффективность отдельной насосной системы.

Поэтому различают:

Границу отдельного насоса. Используется для анализа его гидравлических параметров и электрической нагрузки.
Границу насосной станции. Охватывает совместную работу агрегатов и предусмотренное вспомогательное оборудование.
Границу участка сети. Определяет транспортируемый объём, перепад давления и энергетические затраты соответствующего процесса.
Границу водоснабжения объекта. Связывает поступление воды, её распределение и соответствующие энергетические потоки.
Границу водоотведения. Отражает собственные расходы, уровни, перекачивание и другие фактические технологические процессы.
Границу коммунального комплекса. Позволяет оценить несколько взаимосвязанных объектов без подмены их индивидуальных показателей одним общим значением.

Каждая граница отвечает на определённый вопрос.

Для проверки насосного агрегата нужны его фактические расход, напор и электрическая мощность. Для оценки коммунального комплекса дополнительно необходимы показатели всех существенных технологических участков.

Какие энергетические потоки необходимо учитывать

Основная доля энергопотребления некоторых систем водоснабжения и водоотведения может быть связана с насосным оборудованием. Однако конкретная структура определяется фактическим оснащением объекта.

При обследовании выделяют:

электроэнергию насосов подъёма воды;
электроэнергию насосов транспортирования и распределения;
электроэнергию оборудования водоотведения;
энергопотребление технологической обработки воды или стоков, если такие процессы входят в обследуемую систему;
электропотребление оборудования управления и регулирования;
вспомогательные электрические нагрузки инфраструктурных узлов;
изменение энергетических условий вследствие накопления и последующей подачи воды;
взаимодействие с внешними системами водоснабжения, водоотведения и электроснабжения.

Например, насосное оборудование может обеспечивать необходимый расход воды, но часть общего энергопотребления станции формируется другими устройствами.

Чтобы оценить именно насосную систему, необходимо выделить её электрическую нагрузку или использовать подтверждённую расчётную модель.

Без этого общий расход электроэнергии нельзя напрямую интерпретировать как показатель эффективности насосов.

Удельная энергоёмкость: что показывает расход энергии на кубометр воды

Удельная энергоёмкость характеризует отношение потреблённой энергии к количеству воды, которое прошло через установленную технологическую границу.

Например, если электроэнергия измеряется в киловатт-часах, а объём воды — в кубических метрах, показатель выражается в кВт·ч/м³.

Он позволяет сопоставлять энергетические затраты с фактическим результатом процесса.

Однако удельная энергоёмкость должна иметь чётко определённый смысл.

Она может характеризовать:

подъём определённого объёма воды;
работу конкретной насосной станции;
транспортирование воды через участок сети;
водоснабжение группы потребителей;
перекачивание сточных вод;
коммунальный технологический процесс в более широкой границе.

Например, две станции могут иметь разные значения кВт·ч/м³ из-за различной высоты подъёма и необходимого давления на выходе.

Поэтому меньшая удельная энергоёмкость не всегда означает более эффективное оборудование, если станции выполняют неодинаковую гидравлическую работу.

Для сопоставления необходимо дополнительно учитывать напор, расходы, режимы и техническое назначение системы.

Рабочая точка насоса: основной критерий проверки

Рабочая точка насоса — фактическое сочетание расхода жидкости и создаваемого напора, при котором оборудование работает в конкретной гидравлической сети.

Она определяется взаимодействием характеристики насоса и сопротивления обслуживаемой системы.

Для энергоаудита недостаточно знать паспортную производительность или мощность электродвигателя.

Необходимо определить фактические параметры:

расход воды;
давление на входе и выходе;
создаваемый напор;
активную электрическую мощность;
частоту вращения при регулируемом приводе;
положение регулирующей арматуры;
уровни воды в соответствующих резервуарах;
состояние других насосов, работающих в общей системе.

Например, при изменении давления в распределительной сети рабочая точка насоса может измениться даже без технической неисправности.

Аналогично изменение уровня воды на входной стороне может повлиять на необходимый режим подъёма.

Поэтому вывод о неэффективности насосного оборудования требует сопоставления фактической рабочей точки с характеристиками конкретного агрегата.

Как оценить энергетические затраты на перекачивание

При перекачивании насос передаёт жидкости механическую энергию, необходимую для изменения её давления, высотного положения и обеспечения движения через гидравлическую систему.

Для оценки полезной гидравлической мощности используют расход жидкости, создаваемый напор и её физические характеристики.

В применимой модели для практически несжимаемой жидкости гидравлическая мощность связана с плотностью, ускорением свободного падения, объёмным расходом и напором.

Для определения фактической эффективности насосного агрегата необходимо сопоставить полезную гидравлическую мощность с потребляемой электрической мощностью в подтверждённой границе.

Однако результат зависит от состава оборудования.

Например, если электрические измерения выполнены на входе шкафа с несколькими насосами, полученная мощность не характеризует один агрегат.

Если измерен только расход всей станции, но неизвестно распределение потоков между параллельными насосами, нельзя непосредственно определить индивидуальную эффективность каждого агрегата.

Поэтому сначала устанавливают измерительную границу, затем рассчитывают гидравлический результат.

Почему изменение напора влияет на энергоёмкость

Для транспортирования воды насос должен обеспечивать напор, соответствующий фактическим гидравлическим условиям.

Напор может включать составляющие, связанные с перепадом высот, давлением в контрольных точках и сопротивлением трубопроводов.

Например, при увеличении требуемого давления в конечной точке насосной системе может потребоваться другой рабочий режим.

Но увеличение потребления электроэнергии нельзя автоматически считать дополнительной потерей, если изменилось технически необходимое гидравлическое задание.

Для проверки необходимо определить:

геодезические отметки существенных точек;
уровень воды в источнике и резервуарах;
давление в контрольных сечениях;
расход;
гидравлическое сопротивление сети;
положение регулирующих устройств;
фактическую потребность конечных потребителей.

При расчёте энергоёмкости важно отличать необходимый напор от дополнительных гидравлических потерь, которые требуют технической проверки.

Как транспортирование воды связано с сопротивлением трубопроводов

При движении воды по трубопроводам возникают потери давления, связанные с трением и местными сопротивлениями.

Их величина зависит от конструкции сети и фактического расхода.

На гидравлические параметры влияют:

диаметры трубопроводов;
протяжённость участков;
внутреннее состояние труб;
повороты, переходы и соединения;
запорная и регулирующая арматура;
фактический расход воды;
режим работы нескольких насосных станций;
изменение конфигурации сети.

Например, повышенный перепад давления на участке может быть связан с его конструкцией или увеличением расхода.

Он не является самостоятельным доказательством засорения трубопровода.

Для проверки необходимо сопоставить перепад давления с расходом, геометрией и характеристиками участка.

Если измерения подтверждают изменение гидравлического сопротивления при сопоставимых режимах, появляется основание для дополнительного технического обследования.

Как отличить потери давления от утечки воды

Потери давления при движении жидкости и утечка воды представляют собой разные физические механизмы.

Гидравлическое сопротивление связано с затратами энергии на движение воды через трубопроводы и оборудование.

Утечка связана с выходом воды за пределы предусмотренного материального потока.

Например, давление между двумя точками может уменьшаться в исправном трубопроводе вследствие обычного гидравлического сопротивления.

Такое уменьшение не доказывает потерю воды.

Для выявления предполагаемой утечки необходимо построить водный баланс:

Определить границу участка.
Измерить поступающий объём воды.
Определить все предусмотренные отборы.
Учесть изменение запасов в резервуарах.
Сопоставить объёмы за согласованный период.
Проверить точность приборов учёта.
Определить необъяснённую составляющую.
При необходимости локализовать соответствующий участок дополнительными измерениями.

Если водный баланс не сходится, это основание для проверки неучтённых потоков, возможных утечек и измерительных причин.

Однако нельзя по одной разности между расходомерами определить место повреждения трубопровода.

Почему потери воды не равны всей потере электроэнергии

Если часть поднятой и транспортируемой воды не поступает к предусмотренному конечному потребителю, энергия, использованная для её перемещения, может становиться предметом анализа.

Но количество связанной с этим электроэнергии зависит от места выхода воды, схемы подачи и фактических режимов насосов.

Например, вода, теряемая после нескольких последовательных ступеней подъёма, уже прошла соответствующие энергетические процессы.

При этом устранение потери может изменить расход и рабочие точки насосного оборудования.

Поэтому потенциальное снижение электроэнергии нельзя определять только умножением объёма предполагаемой утечки на среднюю энергоёмкость всей коммунальной системы без проверки применимости такого расчёта.

Для обоснования необходимы:

локализация материальной потери;
объём потерянной воды;
состав пройденных ею технологических участков;
энергетические показатели соответствующих ступеней;
изменение гидравлических режимов после предполагаемого устранения потери;
влияние на другие подключённые потребители.

Таким образом, водные потери и потенциальная экономия электроэнергии взаимосвязаны, но не являются одной и той же величиной.

Резервуары и накопительные ёмкости: почему важно изменение уровня

Резервуары могут использоваться для накопления воды и согласования режима насосных станций с переменным потреблением.

При этом объём воды, перекачанный насосами за определённый период, не всегда равен объёму, переданному потребителям в тот же период.

Разность может определяться изменением запаса воды.

Для энергетического баланса необходимы:

геометрические или другие достоверные характеристики резервуара;
уровень воды в начале и конце периода;
поступление воды;
отбор воды;
работа насосов;
условия переключения между режимами;
временная согласованность архивов.

Например, насосная станция могла работать преимущественно ночью, наполняя резервуар, тогда как основной водоразбор происходил днём.

Прямое сравнение ночной электроэнергии станции с ночным потреблением конечных объектов в такой схеме будет некорректным.

Необходимо учитывать накопление и последующую передачу воды.

Как исследуют совместную работу нескольких насосов

На насосной станции могут одновременно работать несколько агрегатов.

При этом суммарный расход и необходимый напор определяются характеристиками насосов и общей гидравлической сети.

Для энергоаудита необходимо установить:

количество работающих насосов;
схему их соединения;
распределение расходов;
фактический напор;
электрическую мощность каждого агрегата либо станции в целом;
частоту вращения;
алгоритм включения и отключения;
продолжительность характерных режимов.

Например, один и тот же суммарный расход может обеспечиваться различными сочетаниями насосов.

Энергетический результат зависит от того, в каких рабочих точках оказываются агрегаты.

Поэтому нельзя автоматически считать, что использование меньшего количества насосов всегда обеспечивает минимальное электропотребление.

Для сравнения необходимы подтверждённые характеристики и сопоставимые гидравлические условия.

Как влияет частотное регулирование насосов

При наличии преобразователей частоты производительность насосного оборудования может изменяться через регулирование скорости вращения.

Это позволяет адаптировать режим к фактической потребности системы, если соответствующее решение предусмотрено конструкцией и допускается условиями эксплуатации.

Однако величина экономии зависит от гидравлической характеристики сети.

Например, в системе с существенной постоянной составляющей требуемого напора снижение частоты вращения может иметь иной энергетический эффект, чем в системе, где основную роль играет сопротивление трубопроводов.

Для оценки необходимо установить:

характеристику насоса;
фактический диапазон расходов;
требуемый напор;
долю статической составляющей;
сопротивление сети;
потребляемую электрическую мощность;
потери в электроприводе;
продолжительность каждого режима.

Поэтому расчёт экономии только по изменению частоты вращения без проверки фактической гидравлической модели может быть недостоверным.

Как выбрать репрезентативные режимы насосной системы

Репрезентативный режим — состояние оборудования, достаточно полно отражающее условия эксплуатации, для которых необходимо сделать технический вывод.

Для коммунальных насосных систем важно учитывать переменные расходы, уровни воды, давление и последовательность работы агрегатов.

В зависимости от задачи рассматривают:

Характерную подачу воды. Позволяет оценить рабочую точку при обычной нагрузке.
Период повышенного водопотребления. Используется для анализа станции при интенсивной подаче.
Минимальное водопотребление. Помогает исследовать режимы частичной производительности.
Наполнение резервуаров. Позволяет отделить накопление воды от непосредственной передачи потребителям.
Изменение уровня воды. Используется для проверки влияния напора.
Работу разных сочетаний насосов. Позволяет сравнить энергетические параметры при сопоставимых условиях.
Переключение технологических участков. Требует отдельного анализа изменения гидравлических границ.
Переходные процессы. Изучаются отдельно, если они существенно влияют на энергопотребление или работу оборудования.

Например, измерение насоса при одном расходе не позволяет автоматически определить его годовую энергоёмкость.

Для длительной оценки необходимы данные о продолжительности характерных режимов и соответствующем потреблении электроэнергии.

Как водоотведение меняет модель энергетического обследования

Водоотведение включает перемещение сточных вод и другие технологические операции в зависимости от фактического состава объекта.

Его энергетическая модель отличается от водоснабжения характером поступающих потоков, режимами накопления и условиями перекачивания.

Например, сточные воды могут поступать на насосную станцию неравномерно. Насосное оборудование включается в зависимости от уровня в приёмной ёмкости и заданного алгоритма управления.

Для анализа необходимо определить:

фактический приток сточных вод;
объём накопления;
уровни в приёмных ёмкостях;
расход насосного оборудования;
давление и необходимый напор;
количество и продолжительность включений;
активную электрическую мощность;
наличие других технологических нагрузок;
условия передачи стоков в последующие участки.

Например, большое число пусков насосов не является самостоятельным доказательством перерасхода электроэнергии. Необходимо определить фактический объём перекачанных стоков, энергию за период и влияние режимов включения.

При этом энергетический результат не должен оцениваться отдельно от необходимой функции водоотведения.

Почему показатели водоснабжения и водоотведения нельзя объединять без проверки

Водоснабжение и водоотведение связаны движением воды через коммунальную инфраструктуру, но их материальные балансы не обязательно совпадают по объёму и времени.

Например, объём воды, переданной потребителям, не всегда равен объёму сточных вод, поступивших в рассматриваемую систему водоотведения за тот же период.

Различия могут быть связаны с назначением потребления, дополнительными поступлениями, временной неравномерностью и другими особенностями фактической схемы.

Поэтому нельзя автоматически использовать объём водоснабжения как знаменатель удельной энергоёмкости водоотведения.

Необходимо определить именно тот водный поток, который характеризует соответствующую технологическую операцию.

Например, электроэнергия канализационной насосной станции должна сопоставляться с подтверждённым объёмом перекачанных стоков и фактическим гидравлическим режимом.

При анализе коммунального комплекса показатели отдельных участков сначала определяют самостоятельно, затем связывают через общую технологическую модель.

Как анализировать совместное влияние водопотребления, давления и режима насосов

На практике несколько факторов могут изменяться одновременно.

Например, в часы повышенного водопотребления увеличивается расход в сети, снижается давление в отдельных точках и система управления включает дополнительный насос.

Общее потребление электроэнергии возрастает.

Но нельзя сразу определить, какая часть прироста объясняется увеличением объёма воды, какая — изменением напора, а какая — новым сочетанием насосных агрегатов.

Для разграничения необходимо:

Определить изменение фактического водопотребления.
Измерить общий расход насосной станции.
Установить давление на входе и выходе.
Проверить уровни воды в резервуарах.
Зафиксировать количество работающих насосов.
Получить электрическую мощность.
Сопоставить рабочие точки агрегатов.
Определить действительную полезную гидравлическую нагрузку.
Оценить удельную энергоёмкость в сопоставимых режимах.
Выделить причины, которые не подтверждены измерениями.

Если объём воды известен только за сутки, а режим насосов изменяется каждый час, необходимо использовать более детальные временные данные либо обоснованную расчётную модель.

Иначе общий показатель может скрывать существенные различия между режимами.

Как отделить влияние смежных инфраструктурных объектов

Коммунальная система может получать воду от внешнего источника, передавать её другим организациям или использовать несколько последовательных насосных станций.

Поэтому изменение энергопотребления одного объекта иногда определяется режимом соседнего участка.

Например, если внешняя сеть изменяет располагаемое давление, насосная станция может перейти к другой рабочей точке.

При этом изменение электрической мощности не обязательно означает неисправность станции.

Для проверки необходимо установить:

границу подключения к внешнему источнику;
фактическое входное давление;
расход поступающей воды;
требуемые параметры на выходе;
работу последующих насосных станций;
режимы резервуаров и регулирующих узлов;
изменение водопотребления;
границы электрического учёта.

Если входные параметры изменились, их влияние необходимо отделить до оценки собственного энергетического состояния насосного оборудования.

Как проверить причины повышенной энергоёмкости

Рост показателя кВт·ч/м³ может иметь несколько конкурирующих объяснений.

Увеличился необходимый напор. Например, из-за изменения уровней воды или условий передачи потребителям.

Изменился фактический расход. Насос мог перейти к другой рабочей точке.

Изменилось сопротивление сети. Требуется проверка перепадов давления и расхода.

Изменилось сочетание работающих насосов. Общая энергоёмкость могла измениться вследствие перераспределения нагрузки.

Изменился способ регулирования. Например, режим частотного управления или положение регулирующей арматуры.

Увеличились вспомогательные нагрузки. Общий электрический счётчик мог зарегистрировать изменение работы другого оборудования.

Изменился объём воды в накопительных ёмкостях. Это может исказить сопоставление подачи и конечного потребления за короткий период.

Имеются неучтённые водные потоки. Требуется проверка полноты водного баланса.

Существует измерительная неопределённость. Показания расходомеров или электрических счётчиков могут относиться к несопоставимым границам и интервалам.

Для каждой версии необходим собственный проверяемый признак.

Например, повышенную удельную энергоёмкость нельзя считать доказательством износа насосного оборудования, пока не установлены его расход, напор и фактическая электрическая мощность.

Как выбрать приоритет инструментальных измерений

Программа обследования должна устранять конкретную неопределённость водно-энергетического баланса.

Если неизвестен объём воды, перемещаемой насосами, приоритетом становится измерение расхода.

Если расход известен, но отсутствуют давления, невозможно полноценно оценить гидравлическую работу.

Если расход и напор подтверждены, но электрический счётчик учитывает несколько установок, необходимо уточнить электрическую границу.

Если известно энергопотребление станции, но неизвестны уровни воды в резервуарах, может потребоваться уточнение материального баланса.

Если энергопотребление существенно меняется по времени, необходимы временные ряды.

В общем виде приоритет определяется следующим образом:

Установить фактическую технологическую схему.
Определить границу водного потока.
Определить границу электрического учёта.
Проверить сопоставимость этих границ.
Получить фактический расход.
Измерить давление и напор.
Зафиксировать режим насосов.
Получить электрическую мощность.
Учесть накопление и другие водные потоки.
Сопоставить показатели за один период.

Такой порядок позволяет исключить расчёты, в которых электрическая энергия одной системы делится на водный поток другой.

Какие документы необходимы для обследования

Исходная документация должна позволять восстановить фактическую схему подъёма, транспортирования, распределения воды и водоотведения.

Схемы и технические материалы:

технологические схемы водоснабжения;
схемы водоотведения;
схемы насосных станций;
планы основных трубопроводных участков;
сведения о диаметрах и протяжённости труб;
характеристики насосного оборудования;
характеристики резервуаров;
схемы расположения регулирующей арматуры;
электрические схемы питания;
расположение водомерных и электрических узлов учёта.

Учётные данные:

архивы расхода и объёма воды;
показания электрических счётчиков;
профили активной мощности;
данные о давлении;
показания уровнемеров;
данные по отдельным насосным станциям;
учёт поступления и передачи воды между инфраструктурными участками;
учёт стоков в соответствующих границах.

Режимные материалы:

графики работы насосов;
сведения о последовательности включения агрегатов;
настройки регуляторов давления;
данные о частоте вращения;
журналы эксплуатации;
сведения о переключениях трубопроводной сети;
графики водопотребления;
данные о заполнении и опорожнении резервуаров;
результаты предыдущих измерений при наличии.

Технические схемы задают границы потоков. Учёт показывает их величину. Режимные данные обеспечивают сопоставимость. Инструментальные измерения позволяют установить, чем вызвано изменение энергоёмкости.

Какие инструментальные измерения выполняют

Состав инструментальной проверки зависит от конкретного объекта, но для насосных и транспортных процессов важна одновременная регистрация гидравлических и электрических параметров.

В зависимости от фактической системы измеряют:

Объёмный или массовый расход. Позволяет определить количество перемещаемой воды.
Давление на входе и выходе. Используется для анализа напора насоса или участка сети.
Уровень воды. Необходим при изменяющихся условиях подъёма и накопления.
Активную электрическую мощность. Позволяет установить фактические затраты насосного оборудования.
Потреблённую электроэнергию. Используется для оценки работы за определённый период.
Частоту вращения. Помогает исследовать регулируемые насосные системы.
Состояния насосов. Необходимы для анализа совместной работы нескольких агрегатов.
Положение регулирующих устройств. Позволяет интерпретировать изменение гидравлических условий.
Объёмы накопления. Используются для корректировки водного баланса.
Продолжительность режимов. Необходима для перехода от мощности к суммарным энергетическим затратам.

Например, если измеряется только электрическая мощность насоса, нельзя определить его эффективность без гидравлических параметров.

Если имеется расход, но отсутствуют данные о напоре, невозможно отделить влияние изменения полезной гидравлической работы от других причин повышенного потребления.

Как работать с временными профилями

Коммунальные процессы часто характеризуются изменяющейся нагрузкой.

Водопотребление, поступление стоков и уровни резервуаров могут заметно меняться в течение суток.

Поэтому для энергетического анализа полезны синхронные временные ряды:

расхода воды;
давления;
уровней;
электрической мощности;
состояний насосов;
частоты вращения;
положения регулирующих устройств;
работы других технологических потребителей.

Например, если электроэнергия станции возрастает в период наполнения резервуара, это может быть связано с изменением объёма перекачиваемой воды или напора.

Но по совпадению времени нельзя определить, какой фактор оказал решающее влияние.

Необходимо сопоставить рабочую точку насосов и соответствующий водный баланс.

Как учитывать переходные режимы

После включения насоса, изменения положения клапана или переключения сети параметры могут изменяться до достижения нового устойчивого состояния.

В переходном режиме расход, давление и электрическая мощность не обязательно соответствуют одной стационарной рабочей точке.

Для корректной оценки необходимо фиксировать:

время переключения;
момент изменения расхода;
динамику давления;
изменение электрической мощности;
уровни воды;
состояние остальных насосов;
продолжительность переходного процесса.

Например, оценивать обычную энергоёмкость насосной станции по краткому периоду запуска без учёта дальнейшей работы некорректно.

Но если частые переключения составляют существенную часть режима эксплуатации, их энергетический вклад необходимо анализировать отдельно.

Для стационарного сравнения выбирают устойчивые участки временных рядов, а для полной энергетической оценки учитывают всю значимую продолжительность работы.

Почему показания разных счётчиков могут не совпадать

Разность между измеренным поступлением и передачей воды не обязательно свидетельствует о физической утечке.

На результат могут влиять:

различия в измерительных границах;
неучтённые потребители;
изменение запаса воды;
несинхронные интервалы учёта;
разные характеристики расходомеров;
переходные режимы;
изменение схемы подачи;
неполнота архивов.

Например, расходомер на выходе насосной станции и счётчик на вводе удалённого объекта могут охватывать промежуточные ответвления.

Поэтому их показания нельзя непосредственно использовать для определения потери воды на всём расстоянии.

Сначала необходимо установить, какие материальные потоки находятся между приборами.

Как оценивать измерительную неопределённость

Измерительная неопределённость характеризует ограничения точности результатов измерений и расчётов.

Для водно-энергетического баланса она имеет особое значение, поскольку показатель удельной энергоёмкости зависит от измеренной электроэнергии и объёма воды.

На результат влияют:

характеристики расходомеров;
условия установки приборов;
точность измерения давления;
достоверность уровнемеров;
характеристики электрических счётчиков;
синхронность архивов;
полнота охвата водных потоков;
учёт изменения запасов;
устойчивость режима;
корректность расчётной гидравлической модели.

Например, если удельная энергоёмкость двух сопоставляемых режимов отличается незначительно, а исходные измерения имеют существенную неопределённость, нельзя уверенно утверждать, что один режим энергетически эффективнее.

В таком случае необходимо уточнить измерительные данные либо расширить период наблюдений.

Как подтвердить причину повышенного электропотребления

Профессиональный вывод должен связывать наблюдаемое увеличение электроэнергии с конкретным физическим или эксплуатационным механизмом.

Например, если предполагается увеличение гидравлического сопротивления трубопровода, необходимо подтвердить изменение зависимости давления от расхода для соответствующего участка.

Если предполагается неэффективное сочетание насосов, необходимо сравнить их работу при сопоставимой гидравлической нагрузке.

Если предполагается утечка, требуется проверить водный баланс и локализовать необъяснённый материальный поток.

Если предполагается перерасход вследствие избыточного давления, необходимо установить действительную потребность в давлении на обслуживаемых границах.

Для причинного вывода необходимы:

Подтверждённое энергетическое отклонение.
Точная граница его возникновения.
Фактический расход воды.
Данные о напоре и давлении.
Электрическая мощность.
Состояние насосного оборудования.
Сведения о режиме смежной сети.
Проверка альтернативных объяснений.
Оценка измерительной неопределённости.

Если этих данных недостаточно, вывод должен оставаться технической гипотезой, а не утверждением о конкретном дефекте.

Как оценивать технические мероприятия

Мероприятие выбирается только после подтверждения причины энергетических затрат.

Если установлено несоответствие насосного режима фактической нагрузке, рассматривают технически допустимые способы изменения управления и распределения работы между агрегатами.

Если подтверждено повышенное сопротивление участка сети, необходимо исследовать его конструктивные и эксплуатационные характеристики.

Если установлен необъяснённый материальный расход, приоритетом становится проверка и локализация соответствующих водных потоков.

Если выявлено избыточное давление относительно подтверждённой потребности, оценивают условия регулирования с учётом всех подключённых потребителей.

Если отсутствует раздельный учёт насосных и вспомогательных нагрузок, первоначальным решением может быть организация дополнительных измерений.

Если повышенное потребление связано с внешними условиями, необходимо отдельно оценить возможности воздействия на собственную систему.

Например, уменьшение напора нельзя считать энергосберегающим результатом, если конечные потребители перестают получать воду с необходимыми параметрами.

А снижение количества работающих насосов не гарантирует уменьшения электроэнергии, если оставшиеся агрегаты переходят в менее благоприятные рабочие точки.

Как рассчитать возможную экономию электроэнергии

Расчёт энергетического эффекта должен учитывать изменение электрической мощности и продолжительность соответствующих режимов.

Для насосной системы необходимо определить:

исходный объём подачи;
необходимый расход после мероприятия;
требуемый напор;
характеристики насосов;
изменение гидравлического сопротивления;
режим регулирования;
электрическую мощность до и после;
продолжительность характерных нагрузок;
сохранение необходимых параметров водоснабжения или водоотведения.

Например, при предполагаемом уменьшении утечек может измениться объём воды, который необходимо поднимать и транспортировать.

Но для расчёта электроэнергии необходимо дополнительно установить, как изменятся рабочие точки насосов и режимы всей системы.

Поэтому нельзя автоматически считать весь водный дисбаланс достижимой экономией воды и электроэнергии.

Энергетический эффект определяется по конкретной модели и проверяемым исходным данным.

Какие результаты позволяет получить энергетическое обследование

При достаточном составе исходной информации результатом становится водно-энергетическая модель коммунальной инфраструктуры, в которой объёмы воды связаны с электрическими затратами, гидравлическими режимами и технологическими границами.

Такая модель позволяет:

определить границы подъёма, транспортирования и распределения воды;
выделить системы водоотведения;
установить состав инфраструктурных узлов;
построить водный баланс;
разделить основные электрические нагрузки;
рассчитать удельную энергоёмкость подтверждённых процессов;
определить фактические рабочие точки насосов;
исследовать влияние гидравлического сопротивления;
оценить работу нескольких насосных агрегатов;
проверить влияние уровней резервуаров;
отделить возможные водные потери от обычного изменения запасов;
разграничить собственные затраты объекта и влияние смежных систем;
выявить участки недостаточного учёта;
определить приоритет дополнительных измерений;
подготовить основу для расчёта энергосберегающих мероприятий.

Итоговая модель должна показывать, какие показатели получены непосредственными измерениями, какие рассчитаны и какие причины остаются неподтверждёнными.

Например, общий показатель кВт·ч/м³ может быть полезен для оценки динамики комплекса, но не заменяет проверки отдельных насосных станций и технологических процессов.

Когда результаты обследования остаются предварительными

Основное ограничение возникает, если отсутствуют согласованные данные для проверки водно-энергетического баланса и рабочих точек насосного оборудования.

Например:

Если известна только электроэнергия, но отсутствует объём воды, невозможно определить удельную энергоёмкость процесса.
Если известен объём воды, но не измерены давление и напор, нельзя достоверно оценить полезную гидравлическую работу.
Если несколько насосов имеют общий учёт, невозможно непосредственно определить эффективность каждого агрегата.
Если неизвестно изменение запаса воды в резервуаре, разность водных потоков может быть ошибочно принята за утечку.
Если не учтены промежуточные потребители, баланс транспортирования остаётся неполным.
Если отсутствуют данные о внешнем давлении, собственное поведение насосной станции может быть смешано с влиянием смежной сети.
Если не определены временные режимы, показатель за короткий период нельзя автоматически переносить на весь год.
Если данные водоснабжения используются для оценки водоотведения без проверки границ, результат может быть методически некорректным.
Если не установлено фактическое состояние регулирующих устройств, изменение расхода может иметь несколько объяснений.
Если рассчитанное различие сопоставимо с неопределённостью измерений, конкретный энергетический эффект остаётся неподтверждённым.

В этих случаях заключение должно разделять:

подтверждённые границы объекта;
измеренные водные потоки;
показания электрического учёта;
фактические гидравлические режимы;
расчётные показатели энергоёмкости;
подтверждённые причины отклонений;
технические гипотезы;
измерительную неопределённость;
необходимые дополнительные измерения.

Отсутствие достаточных данных не доказывает, что насосное оборудование работает эффективно или неэффективно. Оно ограничивает возможность установить конкретный механизм повышенных энергетических затрат.

Как подготовить коммунальный объект к энергоаудиту

Подготовку начинают с построения актуальной технологической схемы.

Необходимо установить источники поступления воды, насосные станции, магистральные и распределительные трубопроводы, резервуары, потребителей и границы передачи в смежные системы.

Для водоотведения отдельно определяют источники поступления стоков, насосные участки, накопительные ёмкости и последующие технологические границы.

Перед обследованием следует ответить на основные вопросы:

Какие технологические процессы входят в коммунальный объект?
Где начинаются и заканчиваются границы подъёма воды?
Какие участки обеспечивают транспортирование и распределение?
Как организовано водоотведение?
Где установлены расходомеры и электрические счётчики?
Совпадают ли их измерительные границы?
Как изменяются объёмы воды в резервуарах?
Какие насосы работают одновременно?
Известны ли их фактические расходы и напоры?
Как измеряется активная электрическая мощность?
Как регулируется давление?
Есть ли временные архивы уровней и расходов?
Какие внешние параметры влияют на работу объекта?
Можно ли раздельно оценить энергоёмкость подъёма, транспортирования и водоотведения?
Какие водные потоки не охвачены учётом?
Какие дополнительные измерения необходимы для проверки энергетических отклонений?

После анализа документации выбирают репрезентативные режимы и программу инструментального обследования.

Для насосов определяют расход, напор и активную электрическую мощность.

Для трубопроводной сети проверяют водный баланс, давление и гидравлические сопротивления.

Для резервуаров учитывают изменение запасов воды.

Для водоотведения устанавливают собственные материальные потоки, насосные режимы и электрические нагрузки.

Для коммунального комплекса в целом связывают эти показатели через согласованные технологические границы, не подменяя индивидуальные характеристики одним общим удельным расходом.

Измерения и изменения режимов действующих насосных и коммунальных систем должны выполняться с соблюдением требований безопасной эксплуатации. Снижение напора, изменение последовательности насосов или регулирования не должно нарушать необходимые условия водоснабжения и водоотведения.

Главный результат энергетического обследования водоснабжения и коммунальной инфраструктуры — подтверждённая связь между объёмами воды, гидравлической работой и электрическим потреблением на каждом значимом участке.

Она позволяет определить, где энергозатраты связаны с необходимым подъёмом воды, где зависят от транспортирования и сопротивления сети, где формируются самостоятельные нагрузки водоотведения и какие расхождения требуют дополнительной проверки.

Такой подход исключает произвольное распределение общего электропотребления между объектами, выводы об утечках по одной разности счётчиков и обещания экономии без проверенной водно-энергетической модели.

Выберите направление обследования

Внутри категории необходимо определить конкретную технологическую границу. Комплексный коммунальный объект, система подачи воды и водоотведение имеют разные водные потоки, режимы и критерии энергетической оценки.

Комплексы коммунальной инфраструктуры — анализ взаимосвязанных насосных станций, распределительных и технологических узлов, разграничение энергетических потоков между объектами и проверка общего водно-энергетического баланса.
Системы холодного и технического водоснабжения — обследование подъёма, транспортирования и распределения воды, рабочих точек насосов, давления, расходов и удельных электрических затрат.
Системы водоотведения — анализ перекачивания сточных вод, накопительных режимов, работы насосных станций и энергоёмкости фактических процессов водоотведения.

Если объект объединяет несколько перечисленных направлений, сначала необходимо определить показатели каждого процесса в собственной измерительной границе, а затем проверить их взаимосвязь в общем коммунальном балансе. Это позволяет избежать двойного учёта воды и электрической энергии и правильно установить причину отклонения.

Связанные направления

Другие категории объектов и инженерных систем представлены в разделе «Что обследуем».

Состав работ по обследованию насосного оборудования и инженерных систем рассмотрен в услуге «Энергоаудит инженерных систем».

Причины изменения электрического потребления при различных гидравлических режимах подробнее рассмотрены в материале «Перерасход электроэнергии насосной системой: основные причины».