Эффективное управление системой подачи и распределения воды Московского мегаполиса

Аннотация

Современная система водоснабжения г. Москвы – это сложнейший комплекс сооружений, обеспечивающих бесперебойную подачу воды в город. Главная цель управления этой системой – подача воды в город в необходимом количестве и соответствующего качества при обеспечении оптимального режима работы всех водопроводных сооружений. Основные аспекты эффективного управления системой водоснабжения: прогнозирование суточного и часового водопотребления города; планирование объемов подачи воды в город для водопроводных сооружений; организация оперативного управления системой (давлением, качеством); автоматизация процессов управления. Повышение эффективности управления столь крупномасштабной системой возможно только на основе поиска и внедрения инновационных решений, комплексного использования информационных технологий, включая геоинформационые системы, моделирование потокораспределения в водопроводных сетях и автоматизацию управления режимами подачи и распределения воды.

Ключевые слова

система водоснабжения , организация управления , прогнозирование , планирование , автоматизация , развитие информационных систем

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Современная система водоснабжения Москвы – это сложнейший комплекс сооружений, обеспечивающих бесперебойную подачу воды в город. В водопроводной системе Москвы, как и во всех современных городских системах водоснабжения, затраты на подачу воды (связанные с поддержанием рабочего состояния трубопроводов и оплату электроэнергии) являются главной составляющей суммарных эксплуатационных расходов. Их снижению способствует организация эффективного управления на основе знания технического состояния системы и возможности оперативного анализа характера взаимодействия между ее основными элементами.

Основными аспектами эффективного управления системой водоснабжения города являются: прогнозирование суточного и часового водопотребления; планирование объемов подачи воды в город для водопроводных сооружений; организация оперативного управления системой; автоматизация процессов управления.

Прогнозирование водопотребления города играет важную роль в процессе управления. От точности прогноза суточного и почасового потребления воды зависит эффективность режима работы насосных станций и регулирующих узлов, гидравлические параметры распределительной сети города.

В процессе эксплуатации система водоснабжения Москвы, имеющая сложную, территориально рассредоточенную структуру, подвергается воздействию множества факторов. Один из главных факторов, определяющих режим работы водопроводных сооружений, – водопотребление города, являющееся переменной величиной.

С 1995 г. наблюдается устойчивая тенденция снижения водопотребления (рис. 1), которая обусловлена выполнением комплекса общегородских мероприятий по ресурсосбережению, Целевой комплексной программы «Экономия и рациональное использование водных ресурсов в Москве и повышение надежности водоснабжения на период до 2010 г.», а также появлением широкого ассортимента водосберегающего оборудования и экономических стимулов, побуждающих население рационально расходовать воду.

На характер водопотребления влияют и другие факторы – сезоны, температура наружного воздуха, государственные и религиозные праздники, программы телепередач, футбольные матчи и др.

В летний период среднесуточное водопотребление столицы на 20–30% меньше, чем в зимний. Это связано с изменением уклада жизни москвичей, значительная часть которых с мая по август выезжает за город; сезонным отключением отопления, горячего водоснабжения, а также изменением температуры наружного воздуха. Наблюдения за характером часового водопотребления позволяют сделать однозначный вывод о влиянии рейтинговых телепередач на изменение водопотребления в городе. Яркий пример тому – трансляция футбольного матча Россия–Словения, который проходил 18 ноября 2009 г. (рис. 2). Во время перерыва между таймами в диспетчерской Мосводоканала был отмечен интенсивный рост водопотребления, сопровождающийся снижением давления в городской сети.

Другой пример – аномальная жара июля–августа 2010 г. (рис. 3). Вопреки многолетней тенденции снижения водопотребления с 15 июня 2010 г. началось его интенсивное увеличение, в июле оно достигло значения предыдущего года, а к началу августагород потребил на 0,5 млн. м³ (18%) воды больше, чем в аналогичный день прошлого года.

В связи с этим в Мосводоканале проводились исследования влияния аномальных температур наружного воздуха на подачу воды в город. В результате была выявлена следующая зависимость: в зимний период понижение температуры на 1°C дает увеличение потребления воды на 3000 м³/сут, а в летний, при сохранении температуры выше 25°C более 8 дней, повышение температуры на 1°C увеличивает водопотребление более чем на 60 тыс. м³/сут.

Прогнозирование водопотребления является основой для планирования подачи воды для каждой станции водоподготовки, регулирующего узла в городе (рис. 4). Процесс прогнозирования осуществляется в два этапа. На первом этапе учитываются все возможные факторы (сезонный и суточный характер, температура и др.). На втором этапе составляется план подачи воды для каждого водопроводного сооружения отдельно. Подготовка детального почасового плана подачи воды определяет в конечном итоге оптимальные гидравлические параметры работы системы: давление на коллекторах насосных станций второго и третьего подъема, давление в распределительной сети, уровни в резервуарах питьевой воды регулирующих узлов. Прогнозирование и планирование подачи осуществляется с помощью автоматизированной системы. На сегодняшний день точность прогноза водопотребления составляет 1,5%.

Для контроля соблюдения плана подачи воды в Центральном диспетчерском управлении используетсяинформационная система, которая в режиме реального времени показывает фактическую подачу воды на каждый час суток и ее отклонение от запланированной (рис. 5). Отклонения от режима подачи как в суточном, так и в часовом разрезе укладываются в 3%, что свидетельствует о высоком качестве прогнозирования и планирования. С переходом в 2009 г. на оптовый рынок электроэнергии получена экономия на затраты электроэнергии и мощности около 179 млн. руб., в том числе и за счет увеличения предсказуемости работы системы водоснабжения. Несмотря на достигнутые результаты, точность прогнозирования на нерегулярные дни (праздники, школьные каникулы и др.) недостаточна и превышает 3%.

В настоящее время специалистами МГУП «Мосводоканал» и разработчиком автоматизированной программы решается вопрос совершенствования ее алгоритма с учетом особенностей режима работы каждого водопроводного сооружения. При прогнозе водопотребления планируется учитывать температуру наружного воздуха.

Другим важным аспектом является организация оперативного управления системой подачи и распределения воды. Вся информация о параметрах работы водопроводных сооружений поступает в автоматизированную систему диспетчерского контроля Центрального диспетчерского управления (рис. 6). В режиме on-line поступают все необходимые сведения: давление в распределительной сети города, мнемосхемы насосных станций с указанием количества работающих агрегатов, расходы воды по водоводам и качество исходной воды, подаваемой потребителю. На основании этих данных диспетчерским персоналом при необходимости производятся корректирующие действия.

Эффективность управления давлением в трубопроводах во многом зависит от количества датчиков, установленных в городе. В настоящее время МГУП «Мосводоканал» имеет современную систему мониторинга давления (рис. 7). Это 218 точек контроля, которые передают информацию о давлении от насосных станций, регулирующих узлов и распределительной сети города. Детальный анализ работы всех сооружений показал, что требуется расширение этой системы. К концу 2010 г. появились сто новых точек, а к 2013 г. их количество должно достигнуть пятисот.

Для автоматизации процесса управления давлением в Мосводоканале используются частотные преобразователи (установлены на насосных агрегатах), которые в автоматическом режиме поддерживают давление в сети города, опираясь на давление в диктующих точках, исключая избыточное давление в трубопроводах и минимизируя риск возникновения аварийных ситуаций.

Важным элементом управления является внедрение телеуправляемой запорно-регулирующей арматуры. Основные критерии ее применения – это управление давлением и подачей воды, уровнями резервуаров питьевой воды регулирующих узлов, возможность оперативного отключения трубопроводов в местах пересечения со сложными транспортными развязками, железными дорогами, а также проходящих по режимным объектам. Имеется также опыт применения регуляторов расхода и давления на основных водоводах больших диаметров.

Сетевые регуляторы работают по гидравлическому принципу и поддерживают заданное давление в отдельных микрорайонах, снимая статические и динамические нагрузки с трубопроводов. Учитывая, что Москва расположена на семи холмах, и перепад геодезических отметок земли составляет 140 м, на распределительной сети действует 20 зон.

Третий важный аспект эффективного управления – это автоматизация технологических процессов и решение задачи снижения влияния человеческого фактора на работу системы в целом.

Сегодня большое внимание уделяется развитию автоматизированных программ управления. Одна из них – автоматизированная информационная система «предупреждения аварийных ситуаций» (рис. 8). Любые повреждения на водопроводных сетях города имеют резонанс и доставляют неудобства москвичам. Имея такой инструмент контроля, бригады направляются в район предполагаемой аварии до того, как информация об изливе поступит в единую приемную Мосводоканала. При изменении давления по какому-либо датчику в городе и выходе за установленный предел в диспетчерской раздается звуковой сигнал. Появляется таблица, где в режиме реального времени отображаются все точки, в которых значения давления отклонились от своего диапазона. Полученные данные автоматически накладываются на карту трубопроводов, и диспетчер определяет район предполагаемой аварии. Оперативное реагирование диспетчера на снижение давления в диктующих точках зоны позволяет минимизировать ущерб и в кратчайшие сроки локализовать аварию.

В настоящее время данная программа совершенствуется. Проводится экспертная оценка действующего алгоритма. Система водоснабжения Москвы представляет собой комплекс взаимосвязанных водопроводных сооружений. Это – пять станций водоподготовки, двенадцать регулирующих узлов, шесть насосных станций. Магистральные и сетевые трубопроводы построены по радиально-кольцевому принципу, поэтому на давление в контролируемых точках может оказывать влияние одновременно несколько водопроводных сооружений. В связи с этимбыли проанализированы все крупные аварии на трубопроводах, начиная с 2004 г., проведен эксперимент по проверке работоспособности системы на примере смоделированной ситуации (излив воды через выпуск на напорной магистрали, подающей воду в район Ясенево от Коньковского регулирующего водопроводного узла).

На основании полученных результатов определен характер необходимых доработок алгоритма существующей системы, в котором будут учтены следующие факторы, определяющие режим подачи воды:

изменение давления в точках телеметрии и на коллекторах насосных станций второго и третьего подъема;
изменение расхода воды как в целом по насосным станциям, так и по отдельным водоводам;
включение и выключение насосных агрегатов;
изменение частоты вращения рабочих колес насосных агрегатов;
привязка точек телеметрии к конкретным источникам (насосной станции, регулирующему узлу, водоводам, магистралям).

Важным индикатором эффективности работы системы является качество воды у потребителя. В настоящее время на распределительной сети установлено 27 автоматизированных анализаторов общего остаточного хлора и мутности воды, передающих информацию в диспетчерскую службу. Ежегодно их количество будет планомерно увеличиваться (в 2011 г. – 80 шт.). На этой базе планируется создание автоматизированной системы контроля качества воды, которая в режиме реального времени будет показывать, как меняются показатели воды (по остаточному хлору и мутности), пройдя путь от станции водоподготовки до потребителя.

Определить место установки таких анализаторов позволяет внедряемая программа гидравлического моделирования режимов подачи и распределения воды Mike Urban (рис. 9). С ее помощью можно проверить соответствие данных гидравлического расчета их фактическому состоянию. Задавая параметры исходного вещества (например, содержание остаточного хлора на выходе с Рублевской станции водоподготовки), можно с высокой степенью достоверности, на основании гидравлического расчета, выполненного программой, проследить изменение его концентрации в сетях города.

На сегодняшний день в Мосводоканале имеются большие наработки в части резервирования. Выполнена оценка работы каждого элемента системы; проанализированы возможные нештатные ситуации (отключение энергоснабжения, отказ подающих или напорных трубопроводов) и соответствующие действия. Данный материал является основой для создания информационной системы «Советчик диспетчера», которая поможет дежурному персоналу в части принятия решений по управлению режимом функционирования любого элемента системы водоснабжения (регулирующего узла, водовода, насосной станции и др.).

Системой «Советчик диспетчера» предусмотрено решение следующих задач:

накопление информации о технологических решениях, применяемых в случае возникновения штатных и нештатных ситуаций;
оперативный поиск рекомендуемых способов выхода из нештатных ситуаций, а также сведений о зарезервированных ресурсах, которые могут быть для этого использованы;
ввод сведений о состоянии технологических и административных процессов.

Кроме того, данная система будет иметь функцию обучения персонала.

Выводы

Повышение эффективности управления системой водоснабжения Москвы возможно только на основе поиска и внедрения инновационных решений, комплексного использования информационных технологий, включая геоинформационные, моделирование потокораспределения в водопроводных сетях и автоматизацию управления режимами подачи и распределения воды.

Анализ функционирования системы водоснабжения в штатных и экстремальных условиях дает ценную информацию, позволяющую определить круг необходимых мер, и обозначить задачи на ближайшую перспективу:

обеспечение экономичных режимов работы оборудования при заданном давлении в трубопроводах;
повышение уровня автоматизации процесса управления режимами работы системы подачи и распределения воды;
исключение человеческого фактора при принятии решений.

Решение перечисленных задач позволит повысить эффективность управления системой подачи и распределения воды и, как следствие, качества услуг, предоставляемых жителям столицы.