Мастер вопросников №1, 2014
Ответ. Нет, недостаточно. Закупочная стоимость является лишь небольшой частью затрат за весь период использования насосного агрегата (рис. 1). Эксплуатационные расходы (на электроэнергию, техобслуживание, запчасти и т.д.) намного выше стоимости его приобретения. Величины этих расходов существенно зависят от условий работы насоса.
Самой существенной составляющей как для насосов, перекачивающих воду, так и сточные жидкости, в общей структуре затрат являются расходы на электроэнергию. Поэтому при сравнении насосных агрегатов, прежде всего, требуется проверить, насколько их характеристики соответствуют системе, по которой будет транспортироваться жидкость.
Вкратце, нужно выполнить следующее:
1. Построить и рассмотреть совместную работу подбираемого насосного оборудования и характеристику трубопровода (системы), на которую это оборудование будет работать. При анализе необходимо учесть распределение продолжительности режимов работы по времени, а также все возможные режимы эксплуатации и изменения системы (в т.ч. аварии, увеличение/сокращение водопотребления, замену трубопроводов и т.д.), произвести кавитационный расчет.
2. По результатам выполненного анализа вывести из дальнейшего рассмотрения насосы, не подходящие для данной системе трубопроводов. Критериями для исключения могут служить: эксплуатация в области высоких значений допустимого кавитационного запаса, способных привестик работе в режиме кавитации, эксплуатация за пределами предпочтительного диапазона работы или в зоне перегрузки.
3. После исключения технически не подходящих системе насосов произвести выбор из оставшихся по показателю совокупности затрат на расчетный срок их службы, например 8 лет.
Совокупная стоимость затрат (или владения), обозначаемая LCC, по каждому из сравниваемых вариантов вычисляется с помощью уравнения:
При этом слагаемые обозначают следующие затраты:
Cic — начальная или капитальная стоимость, включающая: цену закупаемого оборудования; разработку конструкторской, технологической документации и коммерческого предложения; испытания и инспекторский надзор; обучение обслуживающего персонала; вспомогательное оборудование для охлаждения, гидравлического уплотнения и т.д.;
Cin — стоимость монтажа и пусконаладки;
Ce — затраты на электроэнергию. Количество потребляемой энергии следует рассчитывать по рабочим точкам насоса в координатах времени (как впрочем, и остальные элементы LCC). Если насосов несколько, то необходимо учитывать их параллельную работу. Суммарные затраты получаются путем перемножения рассчитанного энергопотребления, в кВт•ч , на соответствующий времени местный тариф на электроэнергию;
Со — заработная плата обслуживающего персонала;
Сm — затраты на ремонт и сервисное обслуживание. Зависят от их частоты, объема, стоимости запасных частей и расходных материалов. Капитальный ремонт и полное сервисное обслуживание отличаются возможностью/невозможностью проведения регламентных работ непосредственно на месте установки оборудования. Для достоверности лучше получить Cm у продавца с условием, что он будет осуществлять обслуживание и ремонт, поставку запчастей в течение срока службы, за плату в пределах заявленной им на конкурс суммы;
Cs — затраты по причине простоя и/или снижения производительности;
Сenv — затраты на защиту окружающей среды. Включают утилизацию отслуживших деталей отработанных смазок и охлаждающих жидкостей, а также штрафы за ущерб от порывов трубопроводов;
Cd — затраты на утилизацию, включая демонтаж и вывоз основного и дополнительного оборудования, восстановление рабочей площадки под замену оборудования.
При анализе LCC следует также учитывать финансовые факторы: ожидаемое изменение тарифов, инфляцию, уровень дисконтирования, процентную ставку.
LCC является универсальным и проверенным инструментом сравнения любой техники, поэтому настоятельно рекомендуем вносить в конкурсную документацию пункт о необходимости предоставления расчета величины совокупной стоимости владения по формуле (1).
Пример.
В финальной стадии конкурса на поставку оборудования для насосной станции II-ого подъема системы водоснабжения крупного города рассматривалось два насоса X и Y с регулированием производительности посредством частотного преобразователя. Сравнения, выполненные для конкурсной точки подбора, показали, что насос X предпочтительнее. В этой точке агрегат обладает лучшими характеристиками (КПД, P2, NPSHr), а, учитывая тот факт, что данный насос еще и немного дешевле конкурента, казалось бы, можно объявлять победителя и закрывать конкурс. Однако после анализа режимов работы насосной станции, рассмотрения совместной работы предлагаемого оборудования с существующей и перспективной системой транспортировки воды стало очевидно, что насос Y гораздо лучше подходит для системы, практически во всем диапазоне эффективнее и, таким образом, окупается быстрее агрегата X (рис. 2).
Ответ. Начиная с 1990-х гг., в отрасли ВКХ стало появляться, а затем совершенствоваться полезное программное обеспечение (ПО) различного уровня сложности (табл. 1).
Вычислительная гидродинамика
Данный вид расчетов называют CFD (Computational Fluid Dynamics) анализом. Проводится анализ механики жидкостей (и газов) численным методом с алгоритмами решений на базе уравнений Навье-Стокса, уравнений неразрывности струи, учета сопротивлений системы, уравнений Эйлера. Результатом численного решения является поле скоростей и давлений движущейся жидкости (или газа).
Непосредственно службами ВКХ подобные расчеты не выполняется, поскольку сложны для повседневного использования: требуется тщательный ввод данных по графическому описанию объекта исследований, необходим анализ граничных условий в соответствии с их целью и задачами. Однако результаты расчетов начинают входить в практику ВКХ. Простым примером является факт регулярного использования этого математического аппарата для разработки рабочих органов насосов.
Имитация гидродинамических процессов поможет оценить работоспособность конструкций и сооружений на стадии проектирования, т.е. до строительства:
• Совместную работу резервуаров и насосов для водопроводных и канализационных насосных станций, предусмотреть конструктивные мероприятия против нежелательных эффектов: воронкообразование, кавитация, зашламление резервуаров и завышение их объемов (рис. 1),
• Надежность выбранных систем перемешивания (мешалок и систем аэрации для аэротенков при их независимом и совместном использовании),
• Множество задач, где ранее применялось масштабное моделирование объектов или, попросту, построение уменьшенной копии или гидравлической модели (оптимизация форм и конструкций сооружений).
ГИС + расчет сетей ВиВ
ГИС – это географические информационные системы, программы по созданию и редактированию электронных карт, топографических планов. Системы управления ресурсами территорий, вплоть до ведения имущественного кадастра города. Для служб ВКХ сохранение и поддержание полной технической информации о сетях, объектах крайне необходимо. С помощью ГИС возможно создавать карты в географических проекциях или план-схемы, включая карты и схемы инженерных сетей с поддержкой их топологии, работать с большим количеством растров, проводить совместный семантический (смысловой) и пространственный анализ графических и табличных данных, создавать различные тематические карты, осуществлять экспорт и импорт данных.
Представленное в табл. 1 ПО содержит выборку тех ГИС (рис. 2), которые поддерживают функционал гидравлического расчета сетей водоснабжения и водоотведения (самотечных и напорных). Данное ПО соответствует Правилам разработки и утверждения схем водоснабжения и водоотведения (п. 12 Постановление Правительства РФ № 782 «О схемах водоснабжения и водоотведения»).
Сети ВКХ (кольцевые, тупиковые, самотечные, напорные, включая насосные станции, накопительные резервуары и дросселирующие устройства) достаточно просто и быстро заносятся в ГИС в соответствии с координатами при одновременном формировании расчетных моделей. По расчетным расходам выполняется определение диаметров трубопроводов, уклонов, высотных схем, расчеты на явление гидроудара с определением «проблемных» участков. Обеспечен экспорт данных в MS Word или в MS Excel.
Очитка природных вод
Представленное ПО в разной степени обеспечивает имитационные расчеты процессов в соответствии с задачами проектирования, технологической оптимизации, автоматизации процессов (рис. 3) [ 1 ]:
• Коагуляции, флокуляции и регулирование pH,
• Обеспечение узлов ввода реагента, например, соли алюминия и железа, каустической соды NaOH, извести Ca(OH)2,
• Аэрации (сооружения различны),
• Отстаивания (осветлители со взвешенным слоем, флотаторы, отстойники, тонколойные отстойники),
• Фильтрации (однослойной, двухслойной, скоростной, мембранной, иногда биофильтрации),
• Адсорбции гранулированным углем,
• Иногда озонирования, как деструктора органических загрязнений,
• Умягчения,
• Дезинфекции (соединения хлора Cl2, ClO2, NH2Cl, озон),
• Обработки осадков (уплотнение, обезвоживание).
Рис. 4. Пример результата имитационного моделирования объекта очистки сточных вод на базе ПО GPS-X: а) Интерфейс ПО с выводом результата и комплексной схемой очистки сточных вод, включающей стадии: механической, биологической (с удалением биогенных элементов: азот, фосфор) очистки, доочистки на дисковых фильтрах; б) элемент распределения концентрации растворенного фосфора в статичных условиях по длине аэротенка с обеспечением 0,8–1 мг/л на выходе; в) динамического распределения параметров качества очистки после дисковых фильтров доочистки (дозирование Fe+ при настройке контроллера в автоматизированном режиме по содержанию растворенных ортофосфатов) при соблюдении ПДС в водоемы рыбохозяйственного назначения, г) фрагмент динамики потребного количества воздуха для станции аэрации в суточном режиме.
Все программное обеспечение в большой степени базируется на эмпирических моделях. Необходимы настройка и калибровка моделей. Программные комплексы WatPro, TECHNEAU и Stimela представлены моделями не только для стационарных расчетных условий, но и для нестационарных, динамических. Из представленного в табл. 1 ПО, пожалуй, пакет WatPro наиболее полно поддерживается объемом номенклатуры процессов и сооружений при его регулярном обновлении. Реализуются процессы совместной работы с системой SCADA. Кроме того, он более доступен, поскольку носит коммерческий характер, в отличие от ПО, разработанного университетами.
Очиcтка сточных вод
На очистных сооружениях, включая стадию обработки осадка, с различными гидродинамическими параметрами реализуются кинетические процессы: физические (отстаивание, аэрация, флотация, фильтрация, процеживание, уплотнение, термическая сушка, сжигание и т. д.), химические (коагуляция, дезинфекция, реагентная очистка и т. д.) и биологические (аэробные, анаэробные, аноксидные, сбраживание, стабилизация). ПО позволяет использовать средства имитационного моделирования для решения задач проектирования, эксплуатации и автоматизации очистных сооружений водоотведения.
Имитация отдельно выделенного сооружения, без учета его связи с остальным комплексом, может привести к искажениям. Математическое описание каждого процесса задается системой алгебраических (линейных и нелинейных) и/или дифференциальных уравнений, отражающих взаимное влияние различных параметров. Сложные процессы очистки сточных вод и их взаимные связи обычно представляются разработчиками в виде компактных матриц.
Детальное сравнение ПО и методика ввода исходных параметров представлены в [ 2 ]. Анализ современного программного обеспечения выявил расчетный комплекс GPS-X, (рис. 4), как наиболее полный и комплексный продукт, сохраняющий удобства пользования, в том числе прямой связи с MS Excel (для формирования отчетов) и MATLAB (для разработки сложных пользовательских алгоритмов автоматизированного управления технологическими процессами). Предложенная методика включает комплекс мероприятий: определение фракционирования ХПК с использованием анализатора OxiTop (WTW, Германия); оценку неравно - мерности поступления исходных масс загрязнений по основным показателям; респирометрические исследования, статистическую обработку данных, полученных на объекте. Методика позволяет обеспечить повышенную достоверность результатов для нестационарно-динамических условий расчета очистных сооружений сточных вод.
В области автоматизации комплексы используются для идентификации уставок программируемых логических контроллеров. Совместное использование с системой SCADA реализовано на 3-х объектах, но пока для условий РФ нами не рекомендуется, поскольку образует некоторое подобие «искусственного интеллекта», в котором влияние технолога на процессы очистки будет запаздывать. Кроме того, велика вероятность частичного выхода из строя или калибровки сложных датчиков и первичных приборов, сигналы с которых будут рассматриваться системой как надежные (требуется вмешательство технолога).
