Влияние статической составляющей сети водоснабжения на изменение мощности электропотребления насосного агрегата при частотном регулировании

АКТУАЛЬНОСТЬ. Эффективное функционирование городских систем водоснабжения играет важную роль в поддержании нормальной жизнедеятельности городов и населенных пунктов. Особенно важным является управление давлением и оптимизация гидравлических режимов в водопроводных сетях, поскольку они напрямую влияют на надежность водоснабжения и эффективное использование ресурсов. Однако, определение оптимальных параметров и методов регулирования в каждом конкретном случае требует тщательного исследования и анализа. В условиях постоянного увеличения требований к автоматизации водоснабжения и растущих инвестиций в её инфраструктуру, проблема корректного технико-экономического обоснования таких вложений приобретает особую актуальность.

ЦЕЛЬ. Для плавного регулирования напорной характеристики насоса в условиях необходимости поддержания заданного давления сети водоснабжения повсеместно применяются преобразователи частоты. В условиях значимости точной оценки инвестиционных затрат на автоматизацию насосных агрегатов возникает необходимость получения уравнений, которые учитывают особенности эксплуатации водопроводной сети на предпроектной стадии. В связи с этим авторы статьи ставят перед собой цель исследовать степень влияния статической составляющей сети водоснабжения на изменение электропотребления насосного агрегата при частотном регулировании и апробировать полученные зависимости на реальной статистике режимов водо- и энергопотребления водозабора «Сож» Гомельского водоканала.

МЕТОДЫ. Для решения поставленных задач использовались классические формулы подобия насосного агрегата, отражающие связь между расходом, напором и мощностью потребления. В качестве метрики оценки для верификации модели электропотребления насосного агрегата использовалась среднеквадратическая ошибка (mean squared error), средняя абсолютная ошибка (mean absolute error) и средняя абсолютная ошибка в процентах (mean percentage absolute error).

РЕЗУЛЬТАТЫ. Проведенные исследование демонстрирует значительное улучшение точности моделирования электропотребления при использовании модифицированного коэффициента, отражающего степень изменения мощности при изменении частоты питающей сети. При применении этого подхода, среднеквадратическая ошибка уменьшается более чем в два раза, с 0,35 до 0,167, средняя абсолютная ошибка снижается с 0,347 до 0,165, и средняя абсолютная процентная ошибка уменьшается с 0,20% до 0,08%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Проведенное исследование подтверждает эффективность применения частотного регулирования насосных агрегатов, обеспечивающего нелинейное изменение электрической мощности, и демонстрирует возможность более точного прогнозирования электропотребления, учитывающего специфику работы водопроводной сети. Результаты этой работы могут быть полезны для проектов по оптимизации систем городского водоснабжения, обеспечивая более точное планирование и использование ресурсов.

1. Fedorov O. V. Expeditious forecasting of power consumption //2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). IEEE, 2017. С. 1-4.

2. Development of customized simulation models for high voltage generators / I. Kirillov, I. Morozov, N. Kuznetsov [et al.] // Sustainable Energy Systems: innovative perspectives : Conference proceedings, Saint-Petersburg, 29–30 октября 2020 года. – Saint-Petersburg: Springer, Cham, 2021. – P. 190-196. – DOI 10.1007/978-3-030-67654-4_21. – EDN GYZBKA.

3. Грачева Е.И. Потери электроэнергии и эффективность функционирования оборудования цеховых сетей / Е.И. Грачева, О.В. Наумов. Москва: Издательство «Русайнс», 2017. – 168 с. – ISBN 978-5-4365-1661-5. – EDN YNMXXT.

4. Муравлева О. О., Вехтер Е. В., Жарикова Т. В. Оценка влияния энергетических характеристик асинхронного двигателя на энергосбережение насосного агрегата //Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2005. Т. 308. – №. 1. – С. 174-178.

5. Мизюрин А.О., Матвейчук Н.М. Энергоэффективность использования частотнорегулируемого привода в системах водоснабжения в сельскохозяйственном производстве // Молодежь в науке-2016. – 2017. – С. 407-414.

6. Карелин В. Я., Минаев А. В. Насосы и насосные станции: Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп.– М.: Стройиздат, 1986.- 320 с : ил.

7. Грунтович, Н.В., Влияние работающих двигателей на остаточные напряжения узлов комплексной нагрузки станций / Н.В. Грунтович, А.А. Капанский, В.М. Пупин, Д.О. Сафонов, О.В. Федоров // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. – 2021. – № 2. – С. 78–90.

8. Оптимизация схем электроснабжения промышленных предприятий / Е.И. Грачева, Т.В. Синюкова, Т.В. Табачникова, А. Н. Алимова. – Казань : Казанский государственный энергетический университет, 2022. – 135 с. – EDN SMARQD.

9. Камаль С., Сулейман А. М. Особенности работы центробежных насосов с использованием преобразователя частоты вращения //Природообустройство. – 2013. – №. 5. – С. 64-67.

10. Фащиленко В.Н. Регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок горных предприятий: Учеб. пособие. — М.: Издательство «Горная книга». – 2011. – 260. с.: ил.

11. Гришин А.П., Коэффициент полезного действия частотно-регулируемого электронасоса. Автоматизация и информатизация электрифицированного сельскохозяйственного производства. [Текст]/Гришин А.П., Гришин В.А.//Научные труды. Том 89. М.: ВИЭСХ, 2004. с. 118 – 127.

12. Романюк, В.Н. Интенсивное энергосбережение в промышленных теплотехнологиях / В. Н. Романюк, А. А. Бобич, Т. В. Бубырь // Энергия и менеджмент. - 2013. - № 6. - С. 8-12.

13. Интеллектуальные системы учета как инструмент снижения потерь электрической энергии / Т. А. Мусаев, О. В. Федоров, С. Р. Шагеев, М. В. Прохорова // Строительство: новые технологии - новое оборудование. – 2021. – № 2. – С. 52-55. – EDN GDPLEJ.

14. Павлов В.В. Исследование степени влияния статического напора сети на изменение активной мощности потребления насоса / В.В. Павлов, А.А. Капанский // Современные проблемы машиноведения : сб. науч. тр. В 2 ч. Ч. 2 / М-вообразования Респ. Беларусь [и др.] ; под общ. ред. А. А. Бойко. – Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2023. – С 61-64

15. Hruntovich, N. V., Kapanski, A. A., Baczynski, D., Vagapov, G. V., & Fedorov, O. V. (2019). Optimization of a variable frequency drive pump working on a water tower. In E3S Web of Conferences (Vol. 124, p. 05060). EDP Sciences.

16. Chicco, D. The coefficient of determination R-squared is more informative than SMAPE, MAE, MAPE, MSE and RMSE in regression analysis evaluation / D. Chicco, M. J. Warrens, G. Jurman // PeerJ. Computer Science. – 2021. – Vol. 7. – P. 1-24. – doi 10.7717/PEERJ-CS.623. – EDN VSUBGE.

17. Грачева Е. И., Сафин А. Р., Садыков Р. Р. Применение аналитического метода расчета надежности элементов систем электроснабжения на основе вероятностных моделей //Надежность и безопасность энергетики. – 2017. – Т. 10. – №. 1. – С. 48-52.

18. Васильев, А. А. Применение м-оценок для определения начального значения экспоненциальной средней в модели прогнозирования Брауна нулевого порядка / А. А. Васильев // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Экономика и управление. – 2021. – № 3(55). – С. 150-165. – doi 10.26456/2219-1453/2021.3.150-165. – EDN AMCGRV.