Системы водоотведения

Энергетическое обследование систем водоотведения позволяет установить, сколько электроэнергии расходуется на перекачивание сточных вод, работу аэрационного оборудования и другие предусмотренные технологические процессы. Основная задача — связать потребление энергии с фактическим объёмом стоков, рабочими точками насосов, циклами их включения и режимами аэрации.

Системы водоотведения отличаются от обычного водоснабжения характером поступления жидкости. Сточные воды могут поступать неравномерно, накапливаться в приёмных резервуарах и перекачиваться отдельными циклами. Если объект включает очистные сооружения, дополнительную электрическую нагрузку способны формировать воздуходувки, компрессоры, мешалки и другое технологическое оборудование.

Например, увеличение суточного расхода электроэнергии канализационной насосной станции не обязательно означает снижение эффективности насосов. Возможно, вырос объём поступивших стоков, изменился требуемый напор, увеличилось количество циклов перекачивания или изменилась продолжительность работы оборудования.

Аналогично высокое электропотребление аэрации нельзя автоматически считать перерасходом: необходимо установить фактическую технологическую нагрузку, количество подаваемого воздуха, работу воздуходувок и условия, которые система должна обеспечивать.

При энергоаудите систем водоотведения в Тамбове и Тамбовской области состав обследования определяется фактической схемой канализационных сетей, насосных станций и очистных сооружений при их наличии. Выводы о дополнительных энергетических потерях, неисправностях и возможной экономии требуют измерений и сопоставимых эксплуатационных данных.

Какие энергетические потоки формируют потребление системы водоотведения

В зависимости от состава объекта необходимо выделить самостоятельные технологические и электрические нагрузки.

Перекачивание сточных вод. Электроэнергия насосов, обеспечивающих перемещение стоков через установленные гидравлические границы.
Аэрация. Электрические затраты оборудования, обеспечивающего подачу воздуха в соответствующий технологический процесс.
Перемешивание. Потребление мешалок и других предусмотренных устройств поддержания технологического режима.
Транспортирование по напорным сетям. Энергетические затраты, связанные с необходимым расходом, напором и гидравлическим сопротивлением.
Работа технологических установок. Дополнительные нагрузки фактически имеющегося оборудования обработки сточных вод.
Вспомогательные системы. Электропотребление управления, приводов и других устройств внутри выбранной границы.

Если обследуемый объект представляет собой только канализационную насосную станцию, нельзя включать в его энергетическую модель аэрацию, которой на объекте нет.

Если же анализируется комплекс водоотведения с очистными сооружениями, насосные и аэрационные затраты необходимо определять отдельно, а затем связывать через общий баланс.

Как определить границы энергетического обследования

Энергетический баланс — количественное сопоставление поступающей энергии с её использованием и другими энергетическими потоками внутри установленной границы за определённый период.

Для системы водоотведения его необходимо строить совместно с материальным балансом сточных вод.

В зависимости от объекта выделяют несколько уровней:

Отдельный насос. Проверяются расход, напор, электрическая мощность и продолжительность работы.
Канализационная насосная станция. Анализируются насосные циклы, приёмная ёмкость, совместная работа агрегатов и вспомогательные нагрузки.
Напорный трубопровод. Исследуются расход, давление, гидравлическое сопротивление и влияние режима перекачивания.
Аэрационная установка. Определяются расход воздуха, давление, электрическая мощность и технологическое назначение.
Очистные сооружения. При наличии анализируется распределение энергии между аэрацией, перекачиванием и другими предусмотренными процессами.
Комплекс водоотведения. Формируется общий водно-энергетический баланс от поступления стоков до соответствующих выходных границ.

Например, электрический счётчик очистных сооружений может учитывать насосы и воздуходувки одновременно.

Если требуется определить удельную энергоёмкость аэрации, общего показания такого счётчика недостаточно.

Необходимо выделить электрическое потребление соответствующего оборудования или использовать обоснованную расчётную модель.

Как строится водно-энергетический баланс

Водно-энергетический баланс связывает фактические объёмы сточных вод с энергией, расходуемой на их транспортирование и обработку в установленной технологической границе.

Водная часть баланса может учитывать:

поступление сточных вод;
передачу стоков на следующие технологические участки;
изменение объёма в приёмных резервуарах;
дополнительные поступления, если они существуют;
предусмотренные технологические отборы;
другие материальные потоки фактической схемы.

Энергетическая часть включает потребление насосов, аэрационного и вспомогательного оборудования.

Порядок построения баланса:

Определяют фактическую технологическую схему водоотведения.
Устанавливают входные и выходные материальные границы.
Проверяют расположение расходомеров и уровнемеров.
Определяют состав электрических потребителей.
Выделяют насосные, аэрационные и другие нагрузки.
Получают данные за одинаковые временные интервалы.
Учитывают изменение запасов сточных вод.
Определяют фактические режимы оборудования.
Рассчитывают энергетические показатели отдельных процессов.
Проверяют необъяснённые разности и измерительную неопределённость.

Например, если в течение суток объём поступивших стоков превышает объём, перекачанный насосами, причиной может быть увеличение уровня в приёмном резервуаре.

Без учёта этого изменения нельзя считать разность потерей жидкости либо неисправностью расходомера.

Почему насосные циклы особенно важны для энергоаудита

Канализационные насосные станции могут работать периодически, включая агрегаты при достижении определённого уровня жидкости и отключая их после снижения уровня.

Насосный цикл — последовательность рабочих состояний насосного оборудования, включающая запуск, перекачивание и остановку в соответствии с фактическим алгоритмом управления.

Энергетические затраты такого цикла зависят от нескольких факторов:

количества перекачанной жидкости;
создаваемого напора;
потребляемой мощности;
продолжительности работы;
режима заполнения приёмной ёмкости;
последовательности насосов;
изменения гидравлических условий;
переходных процессов.

Например, два режима могут обеспечивать одинаковую суточную перекачку, но отличаться количеством включений и длительностью каждого цикла.

Чтобы определить, какой из них энергетически предпочтительнее, необходимо измерить не только число запусков, но и электрическую энергию, расход и напор за соответствующие периоды.

Как проверить энергию одного насосного цикла

Для анализа отдельного цикла необходимо получить временной профиль работы оборудования.

При достаточных измерениях определяют:

момент включения насоса;
момент его остановки;
активную электрическую мощность во время работы;
суммарную электрическую энергию цикла;
объём перекачанной жидкости;
давление на входе и выходе;
уровень в приёмной ёмкости;
состояние параллельных насосов.

Затем энергию цикла сопоставляют с соответствующим объёмом перекачивания и гидравлическими условиями.

Например, более длительная работа насоса не обязательно означает большую энергоёмкость одного кубометра. Возможно, агрегат работал при другом расходе или напоре.

Поэтому важно определить не только продолжительность цикла, но и его полезный результат.

Почему большое количество пусков не доказывает перерасход электроэнергии

Частые включения могут быть связаны с изменением поступления стоков, алгоритмом управления или характеристиками приёмного резервуара.

Однако количество пусков само по себе не показывает электрическую энергию, потреблённую за период.

Например, кратковременный пусковой ток может значительно отличаться от установившегося рабочего тока. Но количество энергии определяется интегралом активной мощности по времени, а не максимальным мгновенным значением тока.

Поэтому для энергетического вывода необходимо проверить:

фактическую продолжительность пусковых процессов;
активную мощность;
энергию за цикл;
объём перекачанных стоков;
режим насоса после запуска;
состояние системы управления;
технические ограничения на количество пусков.

При этом частота включений может иметь самостоятельное значение для надёжности оборудования. Но оценка надёжности и расчёт энергетической экономии — разные задачи.

Как приёмный резервуар влияет на насосные циклы

Приёмный резервуар обеспечивает накопление поступающих стоков между периодами работы насосов.

Изменение уровня определяет объём жидкости, накопленный в системе, и может использоваться алгоритмом автоматического управления.

Для обследования необходимы:

геометрические характеристики резервуара;
зависимость объёма от уровня;
временной профиль уровня;
расход поступающих стоков;
фактическая производительность насосов;
уровни включения и отключения;
продолжительность циклов;
электрическое потребление.

Например, изменение уровней переключения может повлиять на длительность работы насосов и частоту их запусков.

Однако оценивать такое изменение только по ожидаемому сокращению количества пусков нельзя.

Необходимо дополнительно проверить гидравлические условия перекачивания, допустимые уровни, технологические ограничения и итоговую электрическую энергию.

Как определить фактический приток сточных вод

Приток может изменяться в течение суток и зависеть от режима подключённых потребителей и других фактических поступлений.

При наличии расходомера соответствующий поток определяется непосредственно по его показаниям с учётом измерительной границы.

Если прямой учёт отсутствует, при определённых условиях приток можно исследовать по изменению уровня в резервуаре и режиму работы насосов.

Но такой расчёт требует достоверных данных о геометрии резервуара, производительности насосов и других материальных потоках.

Например, скорость повышения уровня при отключённых насосах может характеризовать суммарный приток в соответствующих условиях, если отсутствуют существенные дополнительные поступления и отборы.

Если же одновременно действует другой насос или технологический отвод, простая интерпретация изменения уровня будет некорректной.

Поэтому расчётный приток необходимо проверять по фактической схеме.

Рабочая точка насоса водоотведения

Рабочая точка насоса — фактическое сочетание расхода жидкости и создаваемого напора при работе агрегата в конкретной гидравлической системе.

Она зависит от характеристики насоса и условий сети, через которую перемещаются сточные воды.

Для определения рабочей точки проверяют:

расход через насос;
давление и другие параметры, необходимые для определения напора;
уровень жидкости в приёмной ёмкости;
условия на выходе напорного трубопровода;
состояние регулирующей и запорной арматуры;
работу других насосов;
частоту вращения;
характеристики перекачиваемой среды.

Например, при понижении уровня в приёмном резервуаре могут изменяться условия на всасывающей стороне насоса.

Это способно повлиять на фактическую рабочую точку и энергетические параметры.

Поэтому сравнивать разные циклы только по электрической мощности без учёта уровня и напора недостаточно.

Как рассчитать полезную гидравлическую мощность

При перекачивании жидкости насос передаёт ей механическую энергию.

Для практически несжимаемой жидкости гидравлическая мощность связана с плотностью, объёмным расходом и создаваемым напором.

В применимой модели:

Гидравлическая мощность = плотность жидкости × ускорение свободного падения × объёмный расход × напор.

Эта величина характеризует энергию, передаваемую жидкости за единицу времени.

Потребляемая электрическая мощность дополнительно отражает потери преобразования энергии в соответствующей границе.

Для оценки насосного агрегата необходимо сопоставить фактическую гидравлическую мощность с активной электрической мощностью.

Однако свойства сточных вод и условия их перекачивания могут отличаться от условий работы насосов с чистой водой. Применимость расчётной модели необходимо проверять по фактической среде и характеристикам оборудования.

Почему напор меняется между насосными циклами

Необходимый напор может зависеть от уровня жидкости на входе, давления в напорной сети и гидравлического сопротивления трубопроводов.

Например, при изменении уровня в приёмной ёмкости изменяется часть гидравлических условий работы насоса.

При изменении расхода может измениться сопротивление напорного трубопровода.

Если в общую сеть одновременно подают несколько насосных станций, на режим может повлиять их совместная работа.

Для проверки необходимо сопоставлять:

уровень жидкости перед запуском;
уровень в период работы;
расход;
давление на соответствующих участках;
состояние клапанов;
работу смежных насосных станций;
активную электрическую мощность;
продолжительность режима.

Если энергетические показатели меняются одновременно с напором, необходимо сначала определить влияние гидравлической нагрузки.

Только после этого можно оценивать возможное изменение эффективности самого оборудования.

Как определить удельную энергию водоотведения

Удельная энергия водоотведения — отношение потреблённой энергии к количеству сточных вод, соответствующему установленной технологической границе.

Для электрической энергии в киловатт-часах и объёма в кубических метрах показатель выражается в кВт·ч/м³.

Но он может характеризовать разные процессы:

перекачивание на отдельной насосной станции;
транспортирование через определённый напорный участок;
работу нескольких последовательных насосных станций;
суммарное энергопотребление очистных сооружений;
отдельный технологический этап обработки стоков.

Поэтому необходимо указывать, какая электрическая энергия включена в числитель и какой объём стоков — в знаменатель.

Например, показатель кВт·ч/м³ для насосной станции нельзя непосредственно сравнивать с показателем всего комплекса очистных сооружений.

Во втором случае электроэнергия может расходоваться не только на транспортирование, но и на аэрацию и другие процессы.

Почему удельная энергоёмкость зависит от состава сточных вод и технологии

Для насосной станции основное значение имеют объём перекачивания и гидравлические условия.

Для очистных сооружений энергопотребление может дополнительно зависеть от технологической нагрузки, которая не определяется только количеством кубических метров.

Например, два потока одинакового объёма могут требовать разных условий обработки в зависимости от фактических характеристик сточных вод.

При обследовании необходимо отдельно учитывать:

объём стоков;
технологические показатели поступающего потока, необходимые для соответствующего процесса;
режимы работы аэрации;
потребление насосов;
работу другого технологического оборудования;
продолжительность режимов;
требуемый результат обработки.

Поэтому рост общего кВт·ч/м³ очистных сооружений не обязательно свидетельствует о снижении эффективности насосов или воздуходувок.

Сначала необходимо определить, как изменилась технологическая нагрузка и структура электрического потребления.

Аэрация: какие энергетические показатели необходимо разделить

Если система водоотведения включает аэрационное оборудование, его энергопотребление необходимо рассматривать как самостоятельный технологический процесс.

В соответствующих схемах аэрация может обеспечивать подачу воздуха в обрабатываемую среду.

Электроэнергия используется для работы оборудования, создающего необходимый воздушный поток и давление.

Для обследования необходимо установить:

состав аэрационного оборудования;
назначение соответствующего технологического процесса;
фактический расход воздуха;
давление подачи;
электрическую мощность воздуходувок или компрессоров;
режим регулирования;
продолжительность работы;
условия передачи воздуха в технологическую среду;
показатели, по которым оценивается необходимый результат аэрации.

Например, увеличение расхода электроэнергии воздуходувок может быть связано с ростом расхода подаваемого воздуха.

Но для оценки энергетической эффективности необходимо определить, почему изменился расход и соответствует ли он фактической технологической потребности.

Почему электропотребление аэрации нельзя оценивать только по времени работы

Воздуходувки могут работать с переменной производительностью.

Поэтому одинаковая продолжительность работы не гарантирует одинакового электрического потребления.

На результат влияют:

расход воздуха;
требуемое давление;
характеристики оборудования;
скорость вращения;
способ регулирования;
сопротивление воздушной сети;
работа нескольких агрегатов;
фактическая технологическая нагрузка.

Например, воздуходувка может работать непрерывно, но изменять расход воздуха в зависимости от потребности процесса.

В другом случае несколько агрегатов могут периодически подключаться для обеспечения повышенного расхода.

Чтобы определить энергоёмкость, необходимо измерять активную электрическую мощность и сопоставлять её с воздушным и технологическим режимом.

Расчёт только по паспортной мощности и количеству часов может не отражать фактическое потребление.

Рабочая точка воздуходувки

Для аэрационного оборудования, создающего поток воздуха, важны фактические расход и давление.

Рабочая точка соответствующего агрегата определяется сочетанием этих параметров при работе в конкретной воздушной системе.

Её изменение может быть связано с режимом регулирования, сопротивлением трубопроводов, характеристиками аэрационных устройств и другими условиями.

Для проверки необходимы:

расход воздуха;
давление на выходе оборудования;
условия на входе;
электрическая мощность;
частота вращения при наличии регулирования;
состояние регулирующей арматуры;
работа параллельных агрегатов;
режим технологического потребителя.

Например, рост давления может быть связан с увеличением сопротивления системы подачи воздуха.

Но нельзя автоматически считать его следствием засорения аэрационных устройств.

Для подтверждения необходимо сопоставить давление и расход с характеристиками сети и оборудования.

Как аэрация связана с технологической нагрузкой

Энергопотребление аэрации необходимо оценивать с учётом функции, которую она выполняет в соответствующем технологическом процессе.

Например, при биологической очистке подача воздуха может быть связана с обеспечением необходимых условий для протекания процессов обработки сточных вод.

Фактическая потребность зависит от характеристик поступающих стоков, принятой технологии и предусмотренного режима.

Для энергетического анализа устанавливают:

технологическое назначение аэрации;
фактическую нагрузку процесса;
предусмотренные параметры управления;
измеряемые показатели технологической среды;
расход подаваемого воздуха;
электрическое потребление воздуходувок;
продолжительность характерных режимов.

Например, уменьшение расхода воздуха может снизить электрическую мощность оборудования.

Но такое уменьшение не является допустимым энергосберегающим мероприятием, если нарушаются необходимые условия очистки.

Следовательно, энергетическая оценка должна учитывать одновременно электрические затраты и подтверждённую технологическую потребность.

Как отличить избыточную аэрацию от необходимого режима

Высокая подача воздуха не является самостоятельным доказательством избыточной аэрации.

Для причинного вывода необходимо проверить, соответствует ли фактический расход воздуха потребности процесса при конкретной нагрузке.

Последовательность анализа:

Устанавливают назначение аэрационного оборудования.
Определяют фактическую технологическую нагрузку.
Получают показатели, характеризующие необходимый режим процесса.
Измеряют расход воздуха.
Измеряют давление и электрическую мощность.
Проверяют алгоритм регулирования.
Устанавливают продолжительность характерных режимов.
Сопоставляют энергетические затраты с требуемым технологическим результатом.
Проверяют альтернативные причины повышенного потребления.

Например, воздуходувки могут потреблять больше электроэнергии вследствие увеличения фактической нагрузки очистки.

Если это изменение технически необходимо, оно не должно автоматически классифицироваться как энергетическая потеря.

Если же измерения подтверждают подачу воздуха сверх необходимого для конкретного режима уровня, появляется основание для оценки технически допустимого регулирования.

Как разделять насосную и аэрационную энергию

Для комплексных сооружений водоотведения принципиально важно разделять электрические нагрузки, выполняющие разные технологические функции.

Насосы расходуют энергию на транспортирование жидкости.

Воздуходувки используют её для подачи воздуха в соответствующий процесс.

Их показатели эффективности имеют разные физические основания.

Например, насосную нагрузку можно исследовать по расходу жидкости, напору и электрической мощности.

Для аэрационного оборудования дополнительно необходимы расход воздуха, давление и технологические параметры, определяющие потребность в аэрации.

Если все агрегаты подключены к одному электрическому счётчику, общий расход не позволяет непосредственно определить вклад каждой системы.

Для разделения используют самостоятельный учёт, временные профили мощности или обоснованную модель фактических нагрузок.

Как изменяется баланс при совместной работе насосов и аэрации

На очистных сооружениях несколько технологических процессов могут изменять нагрузку одновременно.

Например, увеличивается поступление сточных вод, насосы работают чаще, а режим аэрации изменяется вследствие дополнительной технологической нагрузки.

Общий расход электроэнергии растёт.

Чтобы установить причину, необходимо отдельно проверить:

объём поступивших стоков;
объём перекачивания;
расход и напор насосов;
электрическое потребление насосной системы;
фактическую технологическую нагрузку аэрации;
расход и давление воздуха;
электропотребление воздуходувок;
нагрузки другого оборудования;
изменение запасов жидкости;
временную согласованность показателей.

Если не измерено отдельное потребление насосов и аэрации, общий прирост нельзя распределять между ними произвольно.

Нужно уточнить измерительную модель или обозначить расчётный характер распределения.

Как выбирать репрезентативные режимы обследования

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

Для водоотведения требуется учитывать одновременно неравномерное поступление стоков, насосные циклы и работу технологического оборудования.

При обследовании выделяют:

Период характерного притока. Используется для проверки обычного режима перекачивания.
Период повышенного поступления стоков. Позволяет исследовать работу нескольких насосов и изменение нагрузки.
Период минимального притока. Помогает оценить частоту включения насосов и сохраняющиеся электрические нагрузки.
Один полный насосный цикл. Используется для определения объёма перекачки и энергии соответствующего цикла.
Несколько последовательных циклов. Позволяют оценить устойчивость повторяющегося режима.
Работу разных сочетаний насосов. Применяется для сопоставления рабочих точек.
Характерную нагрузку аэрации. Используется для связи электрической мощности воздуходувок с технологической потребностью.
Частичную нагрузку аэрации. Позволяет исследовать работу регулирования.
Переходные режимы. Требуют самостоятельной оценки при существенном влиянии пусков и переключений.

Измерение одного цикла не позволяет автоматически определить энергопотребление станции за год.

Для длительной оценки необходимы данные о количестве, продолжительности и параметрах характерных циклов.

Как временные ряды позволяют различать причины

Временные профили показывают, как электрическое потребление связано с изменением уровня жидкости, расхода, напора и работой отдельных агрегатов.

Для насосных станций полезны архивы:

уровня в приёмном резервуаре;
состояний насосов;
активной электрической мощности;
расхода сточных вод;
давления;
частоты вращения;
моментов запуска и остановки;
срабатывания управляющих устройств.

Для аэрации дополнительно важны:

состояния воздуходувок;
расход воздуха;
давление;
электрическая мощность;
технологические показатели процесса;
управляющие задания.

Например, рост общей мощности может совпадать с запуском второго насоса и увеличением подачи воздуха.

По одной общей кривой нельзя определить вклад каждого оборудования.

Для этого необходим раздельный учёт либо данные, позволяющие количественно восстановить соответствующие нагрузки.

Как отделить влияние смежной сети

Насосное оборудование водоотведения может зависеть от условий напорного трубопровода или связанной коммунальной системы.

Например, изменение давления в общей напорной сети может повлиять на рабочую точку канализационной насосной станции.

При этом электрическая мощность изменится без обязательной неисправности насоса.

Для проверки необходимо установить:

границу подключения станции;
давление на выходе;
фактический расход;
условия работы общей напорной сети;
состояние других насосных станций;
уровень в приёмной ёмкости;
работу регулирующих устройств;
электрическую мощность;
время изменения режимов.

Если входные или выходные гидравлические условия изменились, их влияние должно быть учтено до оценки собственных энергетических характеристик насоса.

Если при сопоставимых условиях сохраняется отклонение, требуется дополнительная техническая проверка оборудования.

Как отличить гидравлическое сопротивление от изменения состава стоков

Характеристики перекачиваемой среды могут влиять на работу оборудования.

При этом нельзя автоматически объяснять любое повышение потребления изменением состава сточных вод.

Необходимо сначала проверить расход, напор, состояние трубопроводов и режим агрегата.

Если фактические свойства среды существенно отличаются от предпосылок применяемой гидравлической модели, их влияние исследуют дополнительно.

Например, изменение режима перекачивания может совпадать с изменением характеристик поступающих стоков.

Но чтобы связать эти события, необходимы соответствующие технические данные.

Без них причина остаётся гипотезой.

Почему показания общего электросчётчика могут вводить в заблуждение

Общий электросчётчик насосной станции или очистных сооружений может охватывать несколько независимых нагрузок.

Например, на одной электрической границе могут находиться:

насосы;
воздуходувки;
мешалки;
средства управления;
другие фактически установленные технологические устройства.

Если общее потребление увеличилось, по одному показанию нельзя установить конкретную причину.

Для локализации необходимо определить состав подключённого оборудования и его временные режимы.

Если имеются внутренние счётчики, следует проверить, не возникает ли двойной учёт электрической энергии при суммировании общих и локальных показаний.

Если раздельного учёта нет, распределение электрической энергии должно быть обоснованным и сопровождаться указанием ограничений.

Какие документы необходимы для обследования

Исходные материалы должны позволять восстановить фактическую схему водоотведения и связать насосные циклы и аэрационные нагрузки с электрическим потреблением.

Технологическая документация:

схемы канализационной сети;
схемы насосных станций;
характеристики приёмных резервуаров;
схемы напорных трубопроводов;
сведения о технологических участках очистных сооружений при наличии;
схемы аэрационных систем;
расположение расходомеров и уровнемеров;
сведения о подключённых смежных объектах.

Паспорта оборудования:

характеристики насосов;
паспорта электродвигателей;
сведения о регулируемых приводах;
характеристики воздуходувок и компрессоров при наличии;
документация регулирующей арматуры;
характеристики средств измерения;
схемы электрического питания.

Учётные и эксплуатационные данные:

объём поступающих и перекачанных сточных вод;
уровни в приёмных резервуарах;
архивы работы насосов;
частота и продолжительность циклов;
расходы и давления;
активная электрическая мощность;
потреблённая электроэнергия;
архивы работы аэрации;
расход и давление воздуха при наличии;
технологические показатели процесса очистки;
журналы переключений и обслуживания.

Схемы задают границы водных и энергетических потоков. Учёт показывает количественный результат. Режимные данные определяют сопоставимость. Инструментальные измерения позволяют разделить насосную нагрузку, аэрацию и влияние смежных систем.

Какие инструментальные измерения необходимы

Для проверки насосных циклов, аэрации и удельной энергии водоотведения необходимы синхронные данные, относящиеся к конкретным режимам оборудования.

Для насосных станций:

объём и расход сточных вод;
уровень жидкости в приёмной ёмкости;
давление и напор;
активная электрическая мощность;
электрическая энергия за цикл;
время включения и отключения;
число работающих насосов;
частота вращения при наличии регулирования.

Для аэрационных систем:

расход воздуха;
давление;
активная электрическая мощность;
потреблённая электроэнергия;
состояние работающих агрегатов;
параметры регулирования;
характеристики технологической нагрузки;
продолжительность соответствующего режима.

Для общего баланса:

поступление и выход сточных вод;
изменение накопленного объёма;
показания электрических счётчиков;
энергопотребление других технологических установок;
временные отметки архивов;
условия работы смежных систем.

Например, расход стоков за сутки и кратковременное измерение электрической мощности одного насоса не позволяют непосредственно определить полную удельную энергию водоотведения за сутки.

Необходимо учесть все существенные циклы, состав работающего оборудования и соответствующие временные интервалы.

Как определить приоритет дополнительных измерений

Если существующий учёт неполон, последовательность измерений должна определяться тем, какая величина препятствует причинному выводу.

Если неизвестен объём перекачанных стоков, приоритетом становится определение расхода или обоснованная оценка по циклам и изменению уровней.

Если объём известен, но отсутствует напор, нельзя достоверно оценить полезную гидравлическую работу насосов.

Если расход и напор подтверждены, но отсутствует электрическая мощность, невозможно определить энергетические характеристики агрегата.

Если требуется исследовать влияние числа пусков, необходимы временные ряды состояний насосов и энергии за цикл.

Если основной вопрос связан с аэрацией, необходимо получить данные о воздушной нагрузке и электрическом потреблении.

Если общий счётчик объединяет насосы и воздуходувки, требуется раздельное измерение или подтверждённая модель распределения.

Если система связана с внешней напорной сетью, дополнительно проверяют гидравлические параметры на границе подключения.

Как проверить измерительную неопределённость

Измерительная неопределённость характеризует ограниченность точности результатов измерений и расчётов.

Для систем водоотведения она влияет на определение объёма стоков, гидравлической мощности насосов, расхода воздуха и удельного электропотребления.

При оценке учитывают:

точность расходомеров сточных вод;
характеристики уровнемеров;
достоверность геометрии приёмных резервуаров;
точность измерения давления;
характеристики электрического учёта;
точность определения расхода воздуха;
синхронность архивов;
учёт переходных процессов;
полноту технологических и электрических границ;
применимость расчётных моделей.

Например, если отличие удельной энергии двух насосных режимов невелико по сравнению с неопределённостью измерений, нельзя уверенно утверждать, что один режим эффективнее.

Аналогично небольшое расхождение общего баланса не является достаточным доказательством физической потери сточных вод.

При недостаточной достоверности необходимо расширить измерения или обозначить результат как предварительный.

Как отличить неэффективность оборудования от режимной причины

Повышенное электропотребление может иметь несколько конкурирующих объяснений.

Изменился объём поступающих стоков. Насосам потребовалось перекачать больше жидкости.

Изменился напор. Возможно изменение уровня в резервуаре или условий напорной сети.

Изменилось количество насосных циклов. Необходимо проверить их продолжительность, перекачанный объём и энергию.

Изменилось сочетание работающих насосов. Агрегаты могут перейти к другим рабочим точкам.

Изменилось сопротивление трубопроводов. Требуется проверить зависимость перепада давления от расхода.

Увеличилась технологическая нагрузка аэрации. Потребность в подаче воздуха могла объективно возрасти.

Изменился режим воздуходувок. Требуется проверить фактический воздушный поток, давление и управление.

Изменились вспомогательные нагрузки. Общий счётчик может учитывать другие технологические устройства.

Изменились условия смежной системы. Например, давление в общей напорной сети.

Существует измерительное расхождение. Данные могут относиться к разным границам или периодам.

Для каждого объяснения требуется соответствующее измерение.

Например, повышение кВт·ч/м³ насосной станции нельзя приписывать износу насосов, пока не установлены фактические расход, напор и электрическая мощность.

Как исследовать смешанное влияние насосов и аэрации

На комплексных объектах водоотведения насосная и аэрационная нагрузки могут изменяться одновременно.

Например, после увеличения поступления стоков насосная станция работает интенсивнее, а аэрационное оборудование меняет подачу воздуха в соответствии с технологической нагрузкой.

Общее электрическое потребление растёт.

Для раздельной оценки необходимо:

Определить объём и режим поступления стоков.
Учесть накопление жидкости.
Выделить насосные циклы.
Определить расход, напор и электроэнергию насосов.
Зафиксировать технологические условия аэрации.
Измерить расход воздуха и электрическую мощность воздуходувок.
Учесть другие электрические нагрузки.
Сопоставить все показатели за согласованный период.
Рассчитать удельное потребление отдельных процессов.
Установить подтверждённые причины изменения общего энергопотребления.

Если отдельные нагрузки не измеряются, нельзя распределять общий расход электроэнергии между насосами и аэрацией без обоснованной модели.

Если технологическая нагрузка аэрации неизвестна, нельзя считать высокую электрическую мощность воздуходувок доказательством неэффективности.

Какие технические мероприятия могут быть обоснованы

Мероприятие выбирается по подтверждённому механизму энергетических затрат.

Если установлено нерациональное распределение работы насосов, проверяют технически допустимые варианты последовательности агрегатов и их рабочих точек.

Если повышенная энергия перекачки связана с гидравлическими условиями, исследуют соответствующий участок сети и фактический требуемый напор.

Если значительная часть затрат обусловлена режимом насосных циклов, оценивают алгоритм управления с учётом притока, объёма резервуара и эксплуатационных ограничений.

Если подтверждено отклонение аэрационного режима, рассматривают регулирование подачи воздуха при сохранении необходимого технологического результата.

Если основной расход формируют вспомогательные установки, их энергетические показатели исследуют отдельно.

Если отсутствуют данные для разделения нагрузок, приоритетом становится дополнительный приборный учёт.

Если отклонение вызвано смежной системой, необходимо установить, какие изменения доступны в границах обследуемого объекта.

Нельзя рассматривать снижение числа насосных включений или расхода воздуха как самостоятельную цель без проверки необходимых условий водоотведения и технологической обработки.

Как рассчитать возможную экономию электроэнергии

Для количественной оценки необходимо определить, как изменятся фактическая мощность и продолжительность работы оборудования при сохранении необходимого технологического результата.

Для насосной части расчёт включает:

исходный объём перекачивания;
напор и расход;
состав работающих насосов;
электроэнергию за цикл;
число и продолжительность циклов;
новую предполагаемую последовательность работы;
изменение рабочих точек;
ограничения по уровням и частоте пусков.

Для аэрации необходимо отдельно определить:

исходный расход воздуха;
требуемый технологический режим;
электрическую мощность воздуходувок;
возможный режим регулирования;
изменение воздушного сопротивления и давления;
продолжительность нагрузки;
условия сохранения необходимого результата обработки.

Например, уменьшение электрической мощности воздуходувки при меньшей подаче воздуха не является достаточным доказательством полезной экономии, если технологический процесс перестаёт обеспечивать необходимые параметры.

Аналогично сокращение количества запусков насосов не гарантирует снижение суточного электропотребления, если изменяется продолжительность работы или создаваемый напор.

Как подтвердить результат после изменения режима

После технического мероприятия необходимо повторно проверить энергетические показатели в сопоставимых условиях.

Для насосной системы сравнивают:

объём поступивших и перекачанных стоков;
изменение запасов в резервуаре;
расход и напор;
энергию одного цикла;
число и продолжительность циклов;
состав работающих насосов;
суммарную электроэнергию;
удельную энергию перекачивания.

Для аэрации проверяют:

сопоставимость технологической нагрузки;
фактический расход воздуха;
давление;
электрическое потребление;
режим управления;
сохранение необходимых технологических показателей.

Если после мероприятия общий расход электроэнергии снизился, но одновременно уменьшился объём поступающих стоков, необходимо отделить влияние нагрузки.

Если изменилось качество или количество обрабатываемых стоков, сравнение аэрационных затрат также требует соответствующей проверки.

Энергетический результат должен подтверждаться не только изменением показаний счётчика, но и сопоставимостью выполняемой технологической задачи.

Какие результаты позволяет получить энергоаудит водоотведения

При достаточном составе исходных данных результатом становится проверяемая модель системы водоотведения, связывающая объёмы сточных вод, насосные циклы, аэрационную нагрузку и электрическое потребление.

Она позволяет:

установить фактические границы технологических процессов;
построить водный баланс системы;
учесть изменение объёмов в приёмных резервуарах;
определить расход и напор насосов;
восстановить последовательность насосных циклов;
рассчитать электрическую энергию отдельных циклов;
определить удельную энергию перекачивания;
исследовать совместную работу насосов;
выявить влияние напорной сети и смежных объектов;
разделить насосные и аэрационные электрические нагрузки;
сопоставить аэрацию с фактической технологической потребностью;
оценить рабочие точки воздуходувок;
определить вклад других технологических установок;
выявить ограничения существующего учёта;
выбрать приоритет дополнительных измерений;
подготовить основу для расчёта технических мероприятий.

В итоговом заключении необходимо разграничивать фактически измеренные величины, расчётные оценки и технические гипотезы.

Например, высокий общий показатель кВт·ч/м³ очистных сооружений сам по себе не доказывает неэффективность насосной станции.

Для такого вывода необходим анализ её собственных гидравлических и электрических параметров.

Когда выводы остаются предварительными

Главное ограничение обследования возникает, если нет достаточных данных для проверки насосных циклов, аэрации и удельной энергии водоотведения методом водно-энергетического баланса и анализа насосных режимов.

Например:

Если известна только электроэнергия станции, но неизвестен объём перекачанных стоков, нельзя достоверно определить удельную энергию перекачивания.
Если расход известен, но отсутствует напор, невозможно оценить полезную гидравлическую работу насоса.
Если отсутствуют данные о включениях и остановках, нельзя восстановить структуру насосных циклов.
Если не измеряются уровни резервуара, материальный баланс может быть неполным.
Если общий счётчик объединяет насосы и аэрацию, невозможно непосредственно определить их отдельные затраты.
Если известна мощность воздуходувки, но неизвестен расход воздуха, энергетическая оценка аэрационного режима ограничена.
Если отсутствуют показатели технологической нагрузки, нельзя достоверно определить обоснованность подачи воздуха.
Если не учтено давление смежной напорной сети, изменение рабочей точки насоса может быть ошибочно признано неисправностью.
Если измерения выполнены в разные интервалы, расчётная удельная энергоёмкость может оказаться некорректной.
Если наблюдаемое различие сопоставимо с измерительной неопределённостью, конкретная величина дополнительных энергетических затрат остаётся неподтверждённой.

При недостаточных данных результат должен отдельно содержать:

подтверждённые границы обследования;
измеренные водные потоки;
сведения о насосных циклах;
фактические гидравлические параметры;
измеренное электрическое потребление;
режимы аэрационного оборудования при его наличии;
расчётные показатели энергоёмкости;
подтверждённые причины отклонений;
непроверенные гипотезы;
перечень недостающих измерений.

Отсутствие необходимых данных не доказывает исправность или неэффективность оборудования. Оно означает, что механизм повышенного потребления пока не подтверждён.

Как подготовить систему водоотведения к энергоаудиту

Подготовку начинают с актуализации схемы поступления, накопления, перекачивания и обработки сточных вод.

Необходимо установить фактический состав насосного оборудования, наличие аэрации и других технологических установок, границы электрического учёта и доступные архивы режимов.

Перед обследованием следует ответить на следующие вопросы:

Какие объекты входят в обследуемую систему водоотведения?
Как измеряется объём поступающих стоков?
Как определяется объём перекачивания?
Есть ли приёмные резервуары и как изменяется уровень?
Какие насосы установлены?
Какова их фактическая производительность?
Можно ли измерить создаваемый напор?
Как регистрируются пуски и остановки?
Известна ли энергия одного насосного цикла?
Как определяется последовательность работы агрегатов?
Какие условия создаёт смежная напорная сеть?
Есть ли на объекте аэрационное оборудование?
Как измеряется расход воздуха?
Какие технологические параметры определяют потребность в аэрации?
Есть ли раздельный учёт насосов и воздуходувок?
Какие другие электрические нагрузки входят в общую границу?
Доступны ли синхронные временные ряды?
Какие измерения необходимы для расчёта удельной энергии водоотведения?

После проверки исходных данных выбирают характерные насосные циклы и режимы технологической нагрузки.

Для насосов одновременно определяют расход, напор и активную электрическую мощность, а также продолжительность работы и изменение уровня жидкости.

Для аэрационного оборудования при его наличии измеряют расход воздуха, давление, электрическую мощность и параметры технологического процесса.

Затем показатели отдельных процессов связывают через общий водно-энергетический баланс, не смешивая насосные затраты с другими нагрузками.

Измерения и изменения алгоритмов работы действующих систем должны выполняться с соблюдением требований безопасной эксплуатации. Изменение уровней включения насосов, последовательности агрегатов или подачи воздуха допустимо только при сохранении необходимых условий водоотведения и технологической обработки сточных вод.

Главный результат энергетического обследования системы водоотведения — подтверждённая связь между количеством и режимом поступления сточных вод, насосными циклами, аэрационной нагрузкой и расходом электрической энергии.

Она позволяет установить, обусловлено ли повышенное потребление фактическим объёмом стоков, гидравлической работой насосов, особенностями циклического управления, технологической потребностью в аэрации или влиянием смежных систем.

Только после такого разграничения можно обоснованно выбрать следующий технический шаг: анализ насосных циклов, проверку рабочей точки агрегата, исследование аэрационного режима, уточнение измерительных границ или расчёт конкретного энергосберегающего мероприятия.

Связанные направления

Общая модель водных потоков и энергетических затрат коммунальных систем представлена на странице «Водоснабжение и коммунальная инфраструктура».

Состав работ по энергетическому обследованию насосных и других инженерных систем рассмотрен в услуге «Энергоаудит инженерных систем».

Подходы к локализации подтверждённых энергетических потерь и разграничению влияния смежных систем представлены в направлении «Выявление потерь энергии в инженерных системах».