Який на сьогодні стан енергоефективності роботи систем водопостачання в Україні? Перспективи розвитку
Тема енергоефективності за експлуатації систем водопостачання чи водовідведення буде актуальною у всі часи існування людства. Особливо глибоко вона має бути досліджена в Україні, в тому числі через проблеми з енергетикою, які виникли під час воєнних дій. Ефективність, звісно, має безпосередній вплив на обсяги споживання електроенергії, і як наслідок — потреби в генерації, придбанні енергообладнання, використання додаткових енергоресурсів тощо. Але разом з тим енергоефективність — це не лише про зменшення енерговитрат. Пропоную розглянути проблему зі споживанням води дещо в іншому, ніж зазвичай, ракурсі.
Робота будь-якої технологічної системи потребує певних енерговитрат, але ж виробництво електроенергії — це також технологічний процес, який потребує воду з достатньо великими обсягами споживання. Саме тому зменшення водоканалами енерговитрат, а це є складний комплексний процес із багатьма заходами, по своєму змісту є водночас прямою та опосередкованою боротьбою із зменшенням витрат води, втрат води, рівно як і зменшенням викидів CO2.
📊📊📊
За даними досліджень США в середньому на виробництво 1 кВт·год електроенергії витрачається близько 0,75 л води на газових електростанціях, 2,5 л — на атомних, 2,6 л — на вугільних. А з розумінням технологічної відсталості багатьох українських промислових потужностей, ці значення в Україні можуть бути більшими. Окрім цього кожний кВт додає 0,6-0,8 кг викидів CO2 в атмосферу. Саме тому енергоефективність має настільки важливе значення для ресурсозбереження, коли мовиться про питну або стічні води.
Насосне електричне обладнання масово використовується у житлово-комунальному господарстві, промисловій, сільськогосподарській та інших галузях країн світу. За різними оцінками частка насосів в загальному промисловому споживанні електроенергії може становити десь 30 %. Саме тому дослідження питань підвищення ефективності експлуатації насосних агрегатів (далі — Н/А) та інженерних систем в цілому є не лише на часі, але і, на жаль, таким, на що не зауважено в Стратегії розвитку енергоефективності в Україні. Дуже дивними є дискусії щодо тарифів комунальних підприємств за повної відсутності аналізу фактичного стану справ із ефективністю використання електроенергії.
Бути ефективними вимагають і Закон Упраїни «Про енергетичну ефективність», який, на жаль акцентує в Україні увагу на абсолютному зменшенні енерговитрат, як меті національної стратегії. Хоча більш фаховим в експертному середовищі вважається оптимізація виключно питомих енерговитрат. Про це йдеться в ДБН В.2.5-74:2013 «Водопостачання. Зовнішні мережі та споруди» п. 16.3.7 «… система повинна забезпечувати подачу води з мінімально можливими енергетичними витратами на одиницю поданого об’єму води, не допускаючи перенавантаження окремих агрегатів, роботи їх в зоні низьких коефіцієнтів корисної дії (ККД)… ». «Порядок формування тарифів на централізоване водопостачання та централізоване водовідведення» прямо забороняє неефективну експлуатацію насосного обладнання із фактичним ККД менше 55 % по воді та 50 % — по стоках.
❓ Який стан галузі ми маємо на сьогодні?
На рис.1 відображено дослідження фактичного ККД реальної діючої водонапірної насосної станції (далі — НС) № 1, яка подає воду обсягом 37 млн м³/рік. За наявного змінного ККД в межах 25-38 % та змодельованого можливого отримання ККД від 79 % перевитрата електроенергії сумарно сягає 8,9 ГВт·год/рік, або 53,9 % від загального обсягу споживання електроенергії.
Рис. 1. Графічний вигляд зміни ККД на водонапірній насосній станції № 1
На рис. 2 відображено дослідження фактичного коефіцієнта корисної дії (ККД) водонапірної насосної станції № 2, яка подає воду обсягом 14,2 млн м³/рік. За наявного змінного ККД в межах 22-28 % та змодельованого можливого ККД в межах 76-85 % перевитрата електроенергії сумарно становить майже 3,4 ГВт·год/рік, або 66,6 % від загального обсягу споживання електроенергії.
Рис. 2. Графічний вигляд зміни ККД на водонапірній насосній станції № 2
До речі, за результатами аудиту ефективності роботи водоканалу міста потенціал економії електроенергії може складати більше 41 ГВт на рік. Здається, сама цифра визначає глобальність проблеми перевитрат електроенергії по всій галузі водопостачання/водовідведення в країні.
А тепер декілька слів про деякі фактори, які можуть призводити до неефективної роботи систем водопостачання (водовідведення).
Рис. 3. Причини можливого збільшення енерговитрат системами водопостачання (водовідведення)
На рис. 4 продемонстровано загальний вигляд напірно-витратної характеристики (червона крива) умовного насосного агрегату, яка є залежністю напору, що може створювати насос відповідно до обсягу подачі води (витрати, м³/год). Під напірно-витратною характеристикою розміщений графік умовної ефективності (зеленим, ККД). Основним правилом залежності цих двох графіків є максимально можлива ефективність роботи насоса за умов знаходження його характеристик в номінальній робочій точці Qном.
Рис. 4. Напірно-витратна характеристика та розміщення робочої точки насосного агрегату
У реальній системі найчастіше робоча точка не має постійного розташування. Її знаходження визначається перетином характеристики встановленого насосу (червоний колір) та характеристики водорозподільної системи (синій), яка може бути змінною в часі. Для розуміння, як це працює, наводимо приклад. Якщо вода подається в систему із трубопроводами менших діаметрів, які викликають значні гідравлічні втрати тиску, насос працюватиме ліворуч від номінальної робочої точки в зоні малого обсягу подачі води та високого тиску (перетин з кривою 2). І навпаки, при збільшених діаметрах робоча точка переміщується правіше від номінальної. Аналогічно зменшення споживання води системою призводить до збільшення тиску в мережі (перехід в ліву зону характеристики), збільшення споживання води призводить до зменшення тиску і переміщення по напірно-витратній характеристиці праворуч від номінальної зони.
Головний висновок — будь-яке відхилення робочої точки від номінальної (оптимальної) призведе до падіння ефективності роботи та, відповідному збільшенню енерговитрат. До значних відхилень призводить одна із основних причин можливих надлишкових енерговитрат — підбір насосного обладнання, характеристики якого не відповідають характеристикам системи та змінним режимам споживання.
На практиці режими водоспоживання постійно змінюються в часі протягом доби та в різні сезони року, дещо в менших діапазонах зменшується і необхідний тиск, що ставило основне завдання оптимізації керування для досягнення найменших енерговитрат як процес контролю знаходження фактичної робочої точки насосів в зоні, близькій до номінальної. Саме тому робоча точка (без використання так званих перетворювачів частоти струму, далі — ПЧ) буде переміщуватися по кривій від зони малого споживання (зліва) до зони максимального споживання (справа), змінюючи при цьому ККД Н/А.
На рис. 5 наведено приклад реальної характеристики насосу, на якій продемонстровано необхідне зменшення витрат води від значення Qном. = 208 м³/год до Q = 118,3 м³/год, що призвело до збільшення тиску та падіння ККД, і відповідних енерговитрат, на 13, 2%. Зайвий тиск в системах так званого прямого пуску регулюють дроселюванням (прикриттям) засувки, що додає втрат електроенергії.
Рис. 5. Приклад переміщення робочої точки по напірно-витратній характеристиці
Проаналізуємо вплив збільшення тиску в мережі на витрати та втрати води в водорозподільній мережі. Причин збільшення тиску може бути декілька. Це і зменшення споживання води в закритій системі, якщо відсутнє регулювання частоти обертів насосів. Причиною утворення надлишкового тиску може бути і зміна геодезичних висот (висот над рівнем моря) через рельєф місцевості (рис. 6).
У прикладі на рис. 6 в нижній точці трубопроводу вхідний тиск буде збільшений на 32 м (3,2 bar) через зміну висот поверхні землі над рівнем моря.
Надлишковий тиск має вплив як на обсяги споживання води (при збільшеному тиску збільшується кількість води, яка витікає через однаковий за розрізом отвір), так і на підвищення вірогідності аварійних поривів на мережах, що теж додає втрат води системою.
Рис. 6. Трубопровід зі змінним профілем рельєфу прокладання
На рис.7 продемонстровано залежність витрат (втрат) води від тиску. Очевидним є той факт, що із меншим значенням тиску витрати та втрати води в мережі знижуються.
Надлишковий тиск і відсутність поточного контролю витрат — основні причини аварійності і великих втрат води через аварійність мереж.
Рис. 7. Вплив тиску в мережі на витрати (втрати) води
На рис. 8 зображений фрагмент гідравлічної моделі системи водопостачання одного з населених пунктів, який демонструє наявний надлишковий тиск в межах 5-6,3 bar на ділянці з одноповерховими забудовами, якій достатньо тиску в 1-1,5 bar для нормального функціонування.
Надлишкові тиски — одні з головних чинників для аварійності застарілих та зношених трубопроводів. Дуже часто аварійні витоки є невидимими, а втрати води — суттєвими.
Рис. 8. Скрін гідравлічної моделі системи водопостачання населеного пункту з надлишковим тиском у мережі
На жаль, як правило, в Україні управління споживанням води здійснюється пасивно, коли заходи зі зменшенням втрат води вживаються лише тоді, коли втрати стають відверто видимими, або про них повідомляється.
Перехід до активного управління, в більшості проєктів, що розглядаються, лише обговорюється та планується, найчастіше виключно міжнародними донорами при розгляді допомоги комунальним підприємствам України.
Активне управління втратами води можливе лише за допомогою зон, де система в цілому поділяється на низку менших підсистем, які називають зонами районних лічильників (District Meter Areas DMA). Звісно, коли система водопостачання поділена на менші, більш керовані ділянки, комунальне підприємство може краще спрямовувати діяльність зі скорочення нецільових витрат води.
Наведемо реальний приклад щодо роботи зі зменшення втрат води через аварійні витоки одного з комунальних підприємств України, де по 5-ти основних практично відокремлених напрямках були встановлені лічильники води для внутрішнього технологічного обліку.
Рис. 9. Приклад розподілення території споживання води на зони територіального обліку
Загальною проблемою комунальних підприємств України є недостатність фінансування для реалізації можливості заміни зношених трубопроводів мережі на нові. Саме тому розподіл зон споживання для обліку витрат (рівно як і втрат) води є рішенням, яке дозволяє скерувати наявні обмежені фінанси саме на ділянки з найбільшими втратами води. Втрати можуть бути як результатом аварійних витоків, так і несанкціонованого споживання води (самовільні врізки, втручання у роботу лічильників води).
На рис. 10 продемонстровано показники втрат води за зонами (відокремленими ділянками територій) та зміни цих втрат після визначення районів здійснення першочергових заходів для зменшення втрат води з мережі.
Рис. 10. Результати заходів зі зменшення втрат води через застосування зонованого обліку споживання
Повертаємося до аналізу факторів впливу на енергоефективність роботи систем водопостачання, робота над якими дозволяє поліпшити ефективність роботи систем.
Рис. 11. Вигляд гідравлічної моделі зміни кута врізки трубопроводів в напірний колектор насосної станції
На енерговитрати впливають (в тому числі) чинники, на які не звертають уваги ні проєктні, ні експлуатаційні організації. Серед таких є стандартний підхід, відповідно до якого напірні трубопроводи в насосних станціях після кожного насосного агрегату врізають в напірний колектор під кутом 90°. Разом з тим створена гідромодель зміни кута врізки в напірний колектор (рис. 11) підтверджує, що за певних умов побудови насосної станції, характеристик насосів та системи споживання зміна кута врізки може мати позитивний ефект — зменшення гідравлічних втрат тиску (рис. 12).
Рис. 12. Результати моделювання втрат тиску при зміні кута врізки в напірний колектор
Мало уваги приділяється і ролі автоматизації та диспетчеризації в підвищенні енергоефективності. Загальна практика — використовувати SCADA системи виключно для відображення параметрів, які характеризують роботу обладнання та системи в цілому. Але ж системи диспетчеризації можуть бути використані і для застосування автоматичного алгоритму управління системою для отримання найменшої енергетичної собівартості технологічного процесу подавання води. Не менш важливою функцією для таких систем може бути аналітичний контроль витрат води та інших параметрів з наданням підказок оператору про можливі несправності обладнання та пошкодження трубопроводів.
Рис. 13. Зовнішній вигляд панелі оператора SCADA з моніторингом енергоефективності
Сучасний підхід до оптимізації інженерних систем з отриманням оптимальних енерговитрат не може бути здійснений без інструментів, які допомагають комплексно оцінити проблематику та на рівні математичного моделювання оцінити прийняті рішення з оптимізації. До таких інструментів відноситься гідромоделювання (рис. 14).
Рис. 14. Фрагмент гідромоделі системи водопостачання
Саме створення гідромоделей дозволяє приймати відповідальні рішення щодо заміни насосного обладнання, заміни трубопроводів, зменшення енерговитрат за рахунок інколи збільшеного діаметра ділянки чи прокладання додаткових з’єднувальних трубопроводів, які зменшують втрати тиску та, відповідно, енерговитрати, встановлення регулюючих клапанів для балансування тисків в мережі тощо.
Взагалі підвищення енергоефективності — складний комплексний процес, який давно виходить за межі уяви більшості водоканалів на рівні «заміни старого обладнання на нове» та «простого встановлення перетворювачів частоти ПЧ для управління насосами» (пристрої, які регулюють оберти електродвигунів насосів в залежності від заданого керуючого параметра). До речі, неконтрольоване використання вище згаданих ПЧ є однією з основних причин значного зменшення ефективності роботи насосних станцій.
На рис. 15 позначені напірно-витратна характеристика умовного насоса з номінальною робочою точкою «1» та, відповідно, графік коефіцієнта корисної дії. Розглянемо, як впливає регулювання обертів ПЧ на вигляд характеристик.
Рис. 15. Вплив використання перетворювачів частоти на ефективність роботи насосної станції
При зменшенні обертів насосу (наприклад — для отримання необхідного зменшеного тиску або витрати води) напірно-витратна характеристика зміщується до перетину осі витрат Q та осі напору Н. Водночас зміщується і розташування робочої точки «2» відносно номінальної із найвищою ефективністю. В результаті таких рухів ККД насосного агрегату зменшується. А за деяких умов таке зменшення може бути настільки суттєвим, що в рази збільшує енерговитрати.
На рис. 16 наведено приклад застосування ПЧ для управління насосним агрегатом з метою підтримання заданого тиску в мережі при зміні обсягу споживання води. Як результат — зменшення ККД і відповідно — витрат електроенергії на 32 %.
Рис. 16. Приклад зменшення ККД при регулюванні Н/А ПЧ
Процес падіння ККД при регулюванні насосів перетворювачем частоти є майже неминучим через особливість роботи водорозподільних мереж населених пунктів. Характерними рисами роботи таких систем є змінне погодинне споживання води в часі протягом різних періодів року (рис. 17) та змінні потреби в напорі, який має створювати насос.
Рис. 17. Змодельовані діапазони погодинних обсягів подачі води умовною насосною станцією
Вирішення загальної проблеми неконтрольованого падіння ККД під час керування ПЧ нещодавно вперше було запатентовано в Україні. Спосіб автоматичного управління насосною станцією з оптимізацією енерговитрат пропонується як алгоритм автоматичного керування групою насосів насосної станції, які використовують перетворювачі частоти.
Рис. 18. Структурна схема організації автоматичного керування групою насосів НС з оптимізацією енерговитрат
Принциповою особливістю такого способу керування є моделювання роботи насосної станції з розрахунками оптимальних конфігурацій підключень Н/А, які б дозволили отримати найвищий ККД НС загалом. Даний спосіб реалізується за допомогою встановлених приладів обліку — лічильника витрат води насосною станцією та датчиків тиску, з яких в режимі онлайн знімаються характеристики, відповідно до яких формуються керуючі сигнали.
Рис. 19. Зовнішній вигляд панелі пристрою керування ефективністю роботи НС
Інновація запропонованого способу полягає в тому, що в пристрій керування вносяться параметри основних робочих точок напірно-витратних характеристик та характеристик ефективності Н/А, які входять до складу насосної станції. Усі вхідні дані, одночасно із постійним збором параметрів технологічного процесу подачі води, є джерелом створення математичної моделі, яка створює оптимальні алгоритми керування для досягнення найменших енерговитрат.
На рис. 20 відображено графік зміни ККД, який може бути потенційно отриманий на одній з насосних станцій шляхом використання інноваційного способу керування насосами.
Рис. 20. Змодельований результат можливого отримання ККД при використанні способу автоматичного управління насосною станцією з оптимізацією енерговитрат
Практика застосування комплексного підходу до визначення потенціалу енерговитрат та пошуку рішень з його отримання на більш як 200 об’єктів систем водопостачання свідчить про наявні резерви з економії електроенергії у майже всіх комунальних підприємств України в межах 25-70 %. Час простих рішень із зменшення енерговитрат майже скінчився. Енергоефективність це в першу чергу наука, яка має бути покладена в основу всіх процесів покращень.
☝️ Енергоефективність — це не лише про електроенергію, це про економію природних ресурсів, збереження навколишнього середовища, підвищення економічних спроможностей комунальних підприємств та надання якісних послуг населенню України.
Автор: Сергій Карелін, технічний консультант з водопостачання «DOBRE USAID»
Матеріал є частиною журналу «Sustainability leaders guide» № 2, 2025 (лютий)
Для отримання доступу до журналу, звертайтесь:
📞Безкоштовно зі стаціонарних та мобільних телефонів: 0 800 330 351
або
📞067 110 71 73, 093 787 29 64, v.tymoshenko@ukraine-oss.com
📞(099) 370-4227, (096) 740-3028, a.prystupa@ukraine-oss.com
