Оптимизация электропотребления на объектах технического водоснабжения (на примере насосной станции третьего подъема ООО “Томскводоканал”)

Актуальность темы исследования
В соответствии с Энергетической стратегией РФ до 2030 года целевым
вектором является максимально рациональное использование энергетических
ресурсов на основе обеспечения заинтересованности их потребителей в
энергосбережении. Такая заинтересованность для предприятий возникает
вследствие ежегодного роста тарифов на энергоносители [1].
Также федеральный закон от 23.11.2009 №261-ФЗ «Об энергосбережении
и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в
отдельные законодательные акты РФ» регламентирует снижение потребляемых
энергоресурсов до 2015 года на 15 % с дальнейшим поддержанием данного
достигнутого показателя [2].
Экономическая эффективность объектов водоснабжения определяется
режимами работы насосных агрегатов и вспомогательного оборудования
насосных станций. Доля электрической энергии, которую потребляют
электродвигатели насосных агрегатов на передачу воды потребителю, достигает
70-90% [3].
Основным из самых эффективных способов повышения
энергоэффективности работы насосных агрегатов на сегодняшний день является
внедрение частотного регулируемого привода (ЧРП). Данный метод оптимизации
позволяет получить экономию электрической энергии и мощности до 40- 60%.
Применение частотного регулируемого привода несомненно позволяет
снизить уровень потребления электрической энергии, но в связи с тем, что на
розничных рынках стоимость потребленной электрической энергии (ЭЭ)
различается для каждого часа суток, то при регулировании электрической
нагрузки учет данного фактора может снизить затраты на ее приобретение.
Для ООО «Томскводоканал» решением вопроса повышения
энергоэффективности может стать оптимизация работы оборудования за счет
внедрения в структуру управления насосными агрегатами технической воды
функции оптимизации и прогноза потребления ЭЭ на базе частотного –
регулируемого привода.
Такое использование частотно-регулируемого привода в комплексе с
прогнозным регулированием запасов технической воды в резервуарах может
определить методику прогнозной оптимизации регулирования электрической
нагрузки насосного агрегата.
Прогноз потребления и оптимизационная функция учитывают в таком
случае цены на электроэнергию для каждого часа, а также стоимость сетевой
мощности и мощности покупки, позволяя в часы минимума стоимости
электрической энергии накапливать воду в резервуарах потребителя, а в часы
максимума стоимости осуществлять ее расход без нарушения технологического
процесса. Данный способ оправдан тем, что выполнение запаса электрической
энергии достаточно трудоемкий и дорогостоящий процесс, а в состав
технологической схемы потребителя включен резервуар технической воды.
В таком случае у предприятия появляется возможность помимо экономии
электрической энергии за счет использования частотного привода получить также
экономию в стоимостном выражении за счет регулирования и оптимизации
технологического процесса и внедрения прогнозного аппарата. Отсутствие
комплексного подхода к процедуре управления техническим процессом работы
насосного оборудования с учетом цен на потребляемую ЭЭ определили выбор
цели данной работы.
Степень разработанности темы исследования
Результаты исследования применения ЧРП на объектах водоснабжения и
на других промышленных предприятиях изложены в работах отечественных
авторов, таких как Б.С.Лезнова [4], А.В. Афанасьева [5], Д.Петрова [6],
И.А.Сыромятникова [7], В.Б.Воздвиженского [8], Г.Б.Лазарева [9]
Г.Б.Онищенко [10], Г.Г.Соколовского [11] и др. В данных работах доказано
получение экономии электрической энергии до 40%, и в некоторых случаях
даже до 60% за счет применения ЧРП на производстве. Аналогичные
результаты были достигнуты в работах зарубежных авторов [12-14].
На интернет – ресурсе информационно-внедренческого центра «City Com»
автором А.Р.Ексаевым представлена информация о внедрении системы
диспетчеризации на базе информационно-графической системы «AnWater» на
ОАО «Мосводоканал». По представленной на сайте информации с помощью
данной системы осуществляется регулирование электрической нагрузки в
зависимости от прогнозирования потребления ЭЭ и наполненности резервуаров
воды [15].
В представленной работе присутствует информация о достигнутой
погрешности прогноза, однако алгоритм управления электрической нагрузкой
станции и оценка экономической эффективности не приведены.
Следовательно, остается нерешенными ряд вопросов, связанных с
внедрением прогнозной оптимизацией, таких как разработка алгоритма
прогнозно-оптимизационного регулирования электрической нагрузки насосной
станции, выбор оптимального метода прогнозирования, наиболее
адаптированного к графику электрической нагрузки насосной станции,
проведение экономического обоснования эффективности использования такого
способа регулирования электрической нагрузки.
Идея работы: оптимизация электропотребления и снижение затрат на
приобретение электрической энергии на объектах технического
водоснабжения.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является
разработка методики прогнозно-оптимизационного управления работой
электрооборудования тракта технического водоснабжения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Провести оценку ситуации на розничном рынке электрической энергии и
выполнить прогнозирование потребления электрической энергии для
объекта водоснабжения.
2. Создать алгоритм управления работой насосного агрегата технического
водоснабжения при прогнозно-оптимизационном регулировании и
разработать имитационную модель насосной станции.
3. Рассчитать уровень потребления ЭЭ и затраты на ее приобретение при
прогнозно-оптимизационном регулировании работы насосного агрегата
технического водоснабжения. Сравнить полученные результаты с
другими способами регулирования электрической нагрузки. Оценить
эффективность использования прогнозно-оптимизационного
регулирования на экспериментальной установке.
Научная новизна работы:
1. Предложена методика ситуационного выбора метода прогнозирования
потребления электрической энергии, позволяющая достигнуть высокой
точности прогноза, снизив отклонения фактического потребления от
планового значения.
2. Разработан алгоритм управления работы насосного агрегата
технического водоснабжения при внедрении прогнозно-
оптимизационного управления.
3. Разработана методика регулирования электрической нагрузки с
использованием прогнозно-оптимизационного управления, результаты
расчета экономической эффективности от использования данного
способа регулирования в сопоставлении с другими способами
регулирования.
4. Доказана эффективность применения прогнозно-оптимизационного
регулирования электрической нагрузки на экспериментальной
установке.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке методики
прогнозно-оптимизационного регулирования электрической нагрузки для объекта
технического водоснабжения.
Практическая значимость работы:
1. В соответствии с графиком электрической нагрузки насосной станции
выбран метод прогноза, который позволяет получить наименьшую
погрешность и минимальную стоимость отклонении прогнозного
потребления ЭЭ от фактического значения.
2. Разработан алгоритм прогнозно-оптимизационного управления, при
котором в зависимости от прогноза потребления электрической энергией,
запасов воды в резервуарах технической воды и значения стоимости ЭЭ
и мощности на розничном рынке, осуществляется регулирование
электрической нагрузки насосного агрегата. Таким подходом достигается
снижение суммарных затрат на приобретение электрической энергии и
мощности.
Практическая ценность подтверждается актом об использовании
результатов научно-исследовательской работы на предприятии ООО
«Томскводоканал».
Методология диссертационного исследования. Методологической и
теоретической основой диссертационного исследования послужили результаты
отечественных и зарубежных исследований в области прогнозирования
потребления электрической энергии для промышленных предприятий, и
исследования в области применения частотно-регулируемого привода на
объектах водоснабжения. При выполнении работы применялись методы
компьютерного моделирования и математической статистики обработки
результатов эксперимента.
Методы диссертационного исследования. В ходе исследования
применялись методы математического моделирования, вейвлет-анализа,
эконометрические методы, методы нейронных сетей с погружением в
нейросетевой логический базис, методы авторегрессии проинтегрированного
скользящего среднего, расчет параметров схем замещения основного
энергетического оборудования. Для обработки данных использованы
программные продукты: MS Excel, Mathcad 14.0, Matlab 2013а, Statistica 6.0.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Методика ситуационного выбора метода прогнозирования потребления
электрической энергии, позволяющая достигнуть высокой точности
прогноза, снизив отклонения фактического потребления от планового
значения.
2. Алгоритм управления работы насосного агрегата технического
водоснабжения при внедрении прогнозно-оптимизационного
управления.
3. Методика регулирования электрической нагрузки с использованием
прогнозно-оптимизационного управления, результаты расчета
экономической эффективности от внедрения данного способа
регулирования в сопоставлении с другими способами регулирования.
4. Оценка эффективности применения прогнозно-оптимизационного
регулирования электрической нагрузки на экспериментальной
установке.
Степень достоверности и апробация результатов исследования:
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью
постановок рассматриваемых задач и методов их решения; надежно
протестированными компьютерными программами; хорошим соответствием
расчетных и экспериментальных данных. Экономическая оценка представлена
в соответствии с действующими ценами на розничном рынке электрической
энергии и мощности.
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: 11-ый
Международный форум по стратегическим технологиям IFOST-2016 (г.
Новосибирск); научная-практическая конференция Energy Quest 2014 (г.
Екатеринбург); VI Международная научно-техническая конференция (г. Томск);
V Всероссийская научная-техническая конференция «Электроэнергия: от
получения и распределения до эффективного использования» (г. Томск);
Всероссийская молодежная конференция «Химическая физика и актуальные
проблемы электроэнергетики» (г. Томск); Международная конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика» (г. Томск); ХVII Всероссийская научно-техническая конференция
«Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (г. Томск); научна-
практическая конференция «Локальная энергетика: опыт, проблемы, перспективы
развития» (г. Якутск); XII Всероссийской студенческий научно-технический
семинар «Энергетика: экология, надежность, безопасность» ( г. Томск); IV чтения
Ш. Шокина материалы IV Международной научно-технической конференции (г.
Павлодар); Всероссийская научная студенческая конференция молодых ученых
«Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск); XV Международная научно-
практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных
«Современная техника и технологии».
Внедрение результатов исследований. Результаты исследований
переданы и используются на ООО «Томскводоканал».
Личный вклад автора Автор принимал непосредственное участие в
планировании и проведении исследований данной диссертационной работы;
обработке, анализе и обобщении полученных данных; написании статей,
докладов.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 21
работа, в том числе одна статья в изданиях, входящих в базу Scopus; 6 статей в
изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для соискателей
ученых степеней.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, шести глав, заключения и приложения. Работа изложена на 140
листах, содержит 62 рисунка, 21 таблицу, 4 приложения и список
использованных источников из 83 наименований.
Краткое содержание диссертации.
В первой главе диссертации проводится оценка использования частотного
регулируемого привода в промышленности, в частности для нагнетающего
оборудования на примере реальной экспериментальной установки.
Во второй главе и третьей главе рассмотрена и проанализирована текущая
ситуация на розничном рынке электрической энергии и произведен анализ
графика нагрузки объекта водоснабжения с выделением гипотезы прогноза.
В четвертой главе подробно изучены методы однофакторного
прогнозирования потребления ЭЭ применительно к насосной станции третьего
подъема.
В пятой главе была сформирована имитационная модель фрагмента