Штейнмиллер О. А., генеральный директор ЗАО "Промэнерго"

Оптимизация систем водоотведения, водоснабжения и водоподготовки.

Вопросы энергоэффективности.

Существующая практика создания различных инженерных насосных систем демонстрирует возрастающее внимание к уровню их эффективности. Это является основной причиной все более широкого применения в качестве основополагающего подхода при разработке и оценке таких систем методологии анализа Стоимости Жизненного Цикла (в зарубежной практике принято сокращение LCC - Life Cycle Cost). В теоретическом плане подход основан на учете стоимости жизненного цикла оцениваемого комплекса насосного оборудования и предусматривает минимизацию совокупных затрат на строительство (реконструкцию), эксплуатацию и завершение использования. LCC - инструмент, который помогает минимизировать затраты и повысить эффективность, в том числе и насосных систем.

Общее количество затрат за все время существования (жизненный цикл) любого оборудования включает в себя:

•   первоначальные (капитальные) затраты, в т.ч. стоимость проектных работ, цена приобретения, затраты на строительство (реконструкцию) и монтаж;

•   эксплуатационные затраты, в т. ч. затраты на электроэнергию, затраты на обслуживание (в том числе, на постоянный персонал), затраты на текущее восстановление (на сервис и ремонт, а также на запчасти), затраты на плановые и внеплановые простои (в т.ч. на ликвидацию аварий, на вывод из эксплуатации и ввод в работу), экологические затраты и др.;

•   затраты на прекращение деятельности, в т.ч. демонтаж и утилизацию.

Институтом Гидравлики (Hydraulic Institute, USA) в 2000 году было подготовлено

руководство для насосного оборудования, согласно которому в общем виде стоимость жизненного цикла насосного оборудования может быть описана следующим соотношением:

где LCC - стоимость жизненного цикла; C1C - начальные затраты (цена приобретения насосного оборудования с сопутствующими принадлежностями); C1N - затраты на монтаж оборудования и ввод в эксплуатацию (включая пусконаладку и обучение персонала); CE - затраты на электроэнергию (для функционирования системы, включая привод насоса, средства управления, и любые дополнительные устройства); C0 - операционные затраты (затраты на оплату персонала, обеспечивающего текущее обслуживание системы); CM - затраты на сервисное обслуживание и ремонт (регулярный сервис и плановый ремонт); CS - затраты на непроизводственные потери (простои оборудования вне эксплуатации); CENV - затраты на экологию (устранение последствий загрязнения от работы насосного и вспомогательного оборудования); CD - затраты на списание и утилизацию (включая восстановление окружающей среды и ликвидацию вспомогательного оборудования).

Цена приобретения Cic и стоимость монтажа... Cin относятся к так называемым

первоначальным затратам или, иначе, затратам капитального характера, т.е. определяют ту сумму инвестиционных средств, о ближайшем расходовании которых принимается решение при выборе варианта. К сожалению, до сегодняшнего дня при принятии решений в основном учитываются именно эти - первоначальные (капитальные) - затраты на насосную систему.

Информация о размере эксплуатационных затрат зачастую принимается во внимание как дополнительная, носит приблизительный характер, степень ее важности нередко оцени¬вается интуитивно. В отличие от этого подхода анализ LCC , как для новых ПНС, так и для реконструкции, требует детальной оценки эксплуатационных затрат альтернативных систем.

Затраты на электроэнергию (Ce), расходуемую при эксплуатации насосного оборудования, являются, как правило, самым большим элементом затрат жизненного цикла, особенно для насосов постоянной эксплуатации [1]. Фактическое потребление энергии подлежит обязательному контролю и сопоставлению с физическими объемами продукции.

Операционные затраты, затраты на оплату постоянного обслуживающего персонала ( C0 ) в рамках современного подхода имеются две разнонаправленные тенденции: с одной стороны, удорожание рабочей силы при росте уровня квалификации (в силу возрастающей технической сложности), с другой стороны, сокращение персонала из-за повышения степени автоматизации и уровня надежности насосов, арматуры и автоматики, а также снижения объемов работ контрольного характера за счет внедрения средств диспетчеризации и передачи данных в пределах SCADA-систем коммунальных и промышленных предприятий.

Затраты на регулярный сервис и плановый ремонт (CM) следует рассматривать подробнее особенно в случаях, когда по какому-либо из подлежащих оценке вариантов по условиям гарантии такой сервис должен быть обеспечен контрактом ("законтрактован") и запасными частями для обеспечения резерва на случай чрезвычайного ремонта.

Другие элементы затрат в ходе эксплуатации, типа затрат на непроизводственные потери, простои оборудования (CS), затрат на экологию (Cmv), а также затраты на прекращение деятельности, включая стоимость демонтажа, списания и утилизации (CD ), как правило, значительно меньше рассмотренных выше затрат и часто могут оцениваться на основе имеющихся фактических данных для аналогичных насосных систем.

Осознавая широту и многообразие всего набора факторов, учитываемых при определении стоимости жизненного цикла насосной системы (начиная от первоначальных затрат и заканчивая процентной ставкой), отметим, что уровни значимости факторов при поиске оптимального решения в задачах проектирования насосных систем сильно отличаются. Наиболее значимый вклад в стоимость жизненного цикла насосного оборудования вносят затраты на электроэнергию и обслуживание (обобщенное для всего спектра насосов распределение затрат в соответствии с исследованиями Hydraulic Institute представлено на рис. 1).

 

Рис. 1. Распределение стоимости жизненного цикла насосных систем

Рассмотрим некоторые приложения подхода LCC в области коммунальных систем.

Начиная рассмотрение с задач канализации, остановимся на комплектных канализационных станциях (КНС), активным продвижением которых на российском рынке уже более 7 лет занимается представляемая нами компания - ЗАО "Промэнерго" (далее - Промэнерго). С учетом возрастающих требований к экологии в мегаполисах, использование КНС позволяет исключить загрязнение окружающей среды. Повышающийся интерес проектных, строительных и монтажных организаций к КНС, выполненных на базе стеклопластиковых резервуаров, показывает перспективность развития данного направлении в канализовании.

Потребление этого типа изделий завоевывает все большую популярность: в 2007 году Промэнерго было реализовано 18 КНС собственного производства на базе погружных насосов GRUNDFOS, в 2009 году объем производства (и продаж) составил уже более 40 КНС. Даже при реализации достаточно крупных объектов КНС показывают себя с наилучшей стороны. У нас имеется уже целый ряд примеров применения комплектных станций с очень значительными характеристиками - диаметром 3 метра, высотой до 12 м, с установленными насосами мощностью на уровне по 150-170 кВт каждый, с расходом до 1600 м3/час на один насос, напорные характеристики на некоторых КНС превышали 40 м. в. ст.

КНС выпускаются готовыми к непосредственной установке в систему канализации. Как правило, строймонтаж установки фундаментной плиты и самого стеклопластикового резервуара с подключением подводящего коллектора и напорных трубопроводов занимают у строительных организаций 1,5 - 2 недели. Установка насосов в резервуар КНС по направляющим трубам, расключение кабелей и регуляторов уровня в панель управления, размещённую вблизи от резервуара, занимает не более 2-х дней. При наличии электроснабжения и возможности подать в резервуар сточную воду строительство готовой к эксплуатации КНС может быть завершено через три недели монтажных и пусконаладочных работ.

Ёмкости из армированного стеклопластика являются инженерными сооружениями, выдерживающими нагрузки от давления грунта и грунтовых вод, массы технологического оборудования. Материалы КНС - армированный стеклопластик, ПВХ, нержавеющая сталь - не поддаются коррозии и гниению, что снимает необходимость профилактических работ по противокоррозионной защите корпуса и обеспечивает длительный срок службы, который составляет не менее 50 лет. Работа насосного оборудования также рассчитана на длительный срок (все рабочие механизмы выполнены из нержавеющей стали и кислотостойкого чугуна).

В итоге существенным для станций водоотведения при использовании КНС и соответствующего насосного оборудования будет являться сокращение:

•   сроков и стоимости монтажных работ;

•   эксплуатационных издержек в течении всего срока службы за счет снижения затрат на обслуживание (в силу уровня автоматизации), затрат на сервис и запасные части (в силу высокой конструктивной и технологической надежности применяемого насосного оборудования - погружных моноблочных насосов вертикального монтажа от ведущих мировых производителей, таких как GRUNDFOS, FLYGHT и др.) и затрат на электроэнергию (в силу реальной возможности оптимального подбора насосов с высоким КПД в рабочей точке, сохраняющимся на таком уровне в течение длительных периодов эксплуатации).

Что касается вопросов водоподготовки, то здесь одним из основополагающих принципов является экономичность в эксплуатации, которая может быть достигнута благодаря применению современного технологичного оборудования, в число которого входят и дозирующие насосы. Учитывая сложность приготовления и хранения используемых реагентов, а также их высокую стоимость, очевидно, что правильный подбор насосов-дозаторов позволяет уменьшить эксплуатационные затраты систем приготовления и подачи реагентов.

Отметим лидеров производства дозирующих насосов: GRUNDFOS-Alldos и Prominent, специализирующихся на выпуске мембранных насосов с различными типами привода.

Электромагнитный привод широко используется благодаря своей надежности и несложной конструкции (при подаче напряжения на обмотки электромагнита приходит в движение шток, который в свою очередь, приводит в движение мембрану). Существенный недостаток данного привода - невысокая точность дозирования в системах с часто меняющимися параметрами (расход, напор, вязкость реагента).

Благодаря использованию шагового привода в насосах-дозаторах удалось решить проблемы низкой точности дозирования (в современных насосах GRUNDFOS серии DME погрешность составляет менее 1%) и равномерности распространения реагента в потоке жидкости. Это достигается благодаря тому, что регулирование производительности осуществляется за счет изменения скорости вращения двигателя. Шток жестко связан с мембраной и поэтому мембрана совершает полный ход при любой производительности.

С внедрением высокоточных дозирующих насосов во многих областях их применения была отмечена реальная экономия при эксплуатации комплексных систем:

S в процессе очистки сточных вод (дозирование флокулянтов и коагулянтов) увеличивается интенсивность осаждения загрязняющих веществ и, соответственно, возрастает производительность очистных сооружений и качество готовой воды; как следствие, снижаются удельные и общие затраты на электроэнергию, затрачиваемую на основное технологическое оборудование (аэраторы, насосы, фильтры, установки обезвоживания);

•S в процессах дезинфекции экономия реагентов и электроэнергии достигается применением дозаторов с регулированием производительности по внешним сигналам (например, поступающим от расходомеров воды) - при снижении расхода воды система эквивалентно снижает расход реагента, сокращая производительность насосов-дозаторов.

В настоящее время Промэнерго отмечает увеличение объема запросов со стороны коммунальных и промышленных предприятий ряда отраслей на системы дозирования, оснащенные современной дозировочными насосами, а также усложнение характера задач их приложения. Наиболее крупным из реализуемых Промэнерго в настоящий момент проектов с применением насосов GRUNDFOS-Alldos, можно назвать Контракт реконструкции системы дезинфекции водозаборных сооружений г. Архангельска с переводом на гипохлорит натрия.

В области систем подачи и распределения воды (СПРВ) особо следует выделить повысительные насосные станции (ПНС), на которых в силу отсутствия постоянного обслуживания и большого объема наработки насосов (более 2000 часов в год) распределение эксплуатационных издержек (см. рис. 1) еще больше сдвигается в сторону преобладания энергетических затрат. Это позволяет в первом приближении оценивать общую эффективность решения на основании уровня его энергоэффективности, что может быть положено в основу декомпозиции задачи оптимизации повысительных насосных систем.

Анализ LCC начинается с оценки того, какие детали проекта системы следует рассматривать. В ходе разработки при отборе оборудования должны быть установлены данные о режимах и параметрах работы ПНС. Безотносительно специфики проектов ПНС варианты должны сравниваться между собой при сопоставимых основных условиях (например, при одном и том же уровне подачи Q при обеспеченности другого параметра - напора H ). Ана¬лиз должен достичь ситуации, при которой существенные различия между решениями учте¬ны, как в части насосного оборудования, так и в части средств и схем контроля.

Справедливое сравнение касается также условий и сроков финансирования. Некоторые виды затрат будут осуществляться в начале проекта, другие могут быть понесены в разное время в течение жизненного цикла и будут различными в зависимости от принятых решений. Именно в этом причина для применения приведенного (дисконтированного) значения стоимости жизненного цикла, позволяющего оценить (и сравнить) эффективность различных решений. В общем плане дисконтирование - приведение будущих доходов и затрат к одному моменту (как правило, началу проекта, который для проектов с коротким сроком инвестиционных расходов может быть совмещен с началом периода эксплуатации).

Расчетный период принимается с учетом продолжительности создания, эксплуатации и (при необходимости) ликвидации объекта. При определении срока эксплуатации оборудования или объекта различают экономический срок эксплуатации (время морального старения, после которого экономически целесообразно провести замену оборудования) и технический срок эксплуатации (время физического износа, т.е. физически возможный срок эксплуатации объекта инвестиций). При проведении анализа в рамках модели LCC целесо¬образно использовать экономический срок эксплуатации.

Начало расчетного периода рекомендуется определять датой вложения средств (например, в ПИР), либо датой начала операционной деятельности (эксплуатации). Завершение проекта (ликвидация) может быть следствием износа основной части производственных фондов. Расчетный период измеряется количеством шагов расчета. Для рассматриваемой задачи за шаг расчета целесообразно принимать один год, иногда - месяц.

Используя дисконтирование затрат в составе формулы (1), определим совокупные дисконтированные затраты за жизненный цикл оборудования:

где LCCD - совокупные дисконтированные затраты за жизненный цикл оборудования; t - текущий шаг расчетного периода (год или месяц); TCP - срок службы; r - расчетная норма дисконта, CE (t) + CO (t) + CM (t) + CS (t) + CENV (t) - сумма шаговых эксплуатационных затрат (понесенных в ходе текущего шага t ), по составу соответствующих представленным в (1).

В рамках данного определения для стандартизации и простоты предполагаем, что капитальные вложения (затраты инвестиционного характера в составе CIC и CIN ) осуществ¬ляются одноразово в нулевой точке, совпадающей с началом 1-го шага эксплуатации, все эксплуатационные затраты любого из шагов (года) смещены к концу этого шага (года), за¬траты на ликвидацию заказчик несет в конце последнего (TCP ) шага (года) эксплуатации. Безусловно, при необходимости, связанной с характером задачи и порядком несения затрат, определение шагов и событий в пределах расчетного периода может быть изменено.

Норма дисконта r - норма, используемая при дисконтировании затрат в модели вследствие существования временного предпочтения или положительной ставки процента. В общем плане r играет роль базового уровня, в сравнении с которым оценивается экономиче¬ская эффективность варианта проекта. С учетом "затратного" характера решаемых нами за¬дач и при отсутствии стоимостной оценки полезных результатов повысительных компонен¬тов СПРВ рекомендуется значение нормы дисконта ориентировать на величину ставки ре¬финансирования ЦБ РФ (как некую заданную оценку стоимости используемого капитала).

Итак, для различных энергосберегающих мероприятий, направленных на снижение текущих издержек, целесообразность замены действующего оборудования определяют по показателям совокупных дисконтированных затрат за расчетный период. Подход LCC может использоваться как инструмент сравнения между имеющимся вариантом и альтернативными проектами реконструкции, позволяющий оценить целесообразность реконструкции и выбрать самое рентабельное решение в рамках доступных данных.

Существующие системы обеспечат большую экономию с помощью LCC, чем новые: во-первых, существует в десятки раз больше систем, имеющих насосное оборудование в составе, чем заново создается каждый год; во-вторых, существующие системы имеют неоптимизированные насосы или средства управления, особенно в связи с изменением параметров насосных задач с течением времени. Некоторые исследования показывают, что от 30 до 50 % затрат электроэнергии, потребляемой насосными системами, могли бы быть сокращены за счет изменения системы управления или самого насосного оборудования [1].

В случае, когда речь идет о реконструкции существующей системы, для построения массива исходных данных целесообразно предварительное проведение параметрического (иначе - насосного) аудита, который предусматривает проведение серии замеров расходнонапорных и электрических параметров предполагаемого к замене насосного оборудования ПНС. Моделирование повысительной системы в связи с предстоящей реконструкцией предолагает наличие информации о водопотреблении всех абонентских узлов системы.

Известные ранее системы контроля параметров подачи воды не удовлетворяют ряду требований, предъявляемых к объему, достоверности и сопоставимости результатов измерений. Приборы не были связаны в единый комплекс, а измерения осуществляются в ручном раздельном режиме без синхронизации, запись параметров водопотребления (расхода и давления) - независимая, параметры энергопотребления также не связанны по времени с параметрами водопотребления. Измерения энергопотребления производятся по 1-офазной схеме (ток - по 1-й фазе, напряжение - по какой-то из 2-х других) в предположении симметричности электропитания и нагрузки, что зачастую приводит к недостоверности результатов.

Была поставлена задача разработать систему контроля подачи воды, которая должна: представлять собой мобильной и компактный измерительный комплекс, легко доставляемый в точки водопроводной сети, в том числе удаленные;

оперативно настраиваться на выполнение измерений параметров и сбора данных сети водоснабжения, включая оборудование НС в ее различных точках;

производить измерения параметров в точках СПРВ входящими в состав измерительными приборами с высокой точностью (достоверностью);

обеспечивать одновременность (одномоментность) измерений параметров в текущей точке СПРВ для сопоставления соответствующих результатов;

сохранять (записывать) данные измерений (массив параметров) на внешний носитель в ходе проведения для дальнейшего анализа и моделирования;

отображать результаты измерений на мониторе компьютера в графической форме для визуального контроля как в ходе измерений, так и после них.

В результате наших работ предложено новое техническое решение для контроля подачи воды в составе измерительных приборов и средств подключения к сети водоснабжения, интегрированных в единый мобильный измерительный комплекс или сокращенно МИК. Состав МИК представлен на рис. 2. Получен патент на полезную модель [2].

МИК прошел испытания и показал свою работоспособность. На момент настоящей публикации Промэнерго произведено несколько комплексов, которые активно применяются в работе самого Промэнерго и региональных представительств Грундфос (Россия). В настоящее время продолжается работа по совершенствованию МИК.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1.  Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems. Executive Summary. Office of Industrial Technologies U.S. Department of Energy, Hydraulic Institute, Europump, 2006г.

2.  Патент на полезную модель №81817 Система контроля подачи воды 27.03.2009г. Штейнмиллер О.А., Ким А.Н.

3.  Штейнмиллер О. А., Ким А.Н. Задача оптимального синтеза повысительных систем по¬дачи и распределения воды (СПРВ) микрорайона / Вестник гражданских инженеров 2009/1 (18) март