В общем энергопотреблении в системах водоснабжения и канализации населенных мест и производственных объектов более 90% составляют насосные системы для природных, питьевых, производственных и сточных вод, для подачи реагентов и воздуха. В связи с быстро растущими ценами на электричество, газ и нефть во всех странах остро встают вопросы повышения энергетической эффективности систем водоснабжения и канализации, а также их элементов.

Этим объясняются ужесточения требований международных и Европейских норм (ISO и EN) как к энергоэффективности, так и к качеству насосного оборудования. Так, международная ассоциация европейских производителей насосов Europump ввела новую одобренную схему маркировки насосов. В основе необходимости такой маркировки лежал факт, что существуют большие различия в энергопотреблении и разного уровня технологического развития на Востоке и Западе Европы. Только 20 % установленных в странах Европейского Союза насосных систем были оптимизированы по потребляемой энергии.

Разработанная схема энергетической маркировки ориентирована на потенциал энергосбережения, связанный с растущим мировым научно-техническим прогрессом. Эта схема описана в добровольном соглашении под названием "Промышленные обязательства", выработанном организацией Europump. В настоящее время это соглашение подписали четыре европейских производителя насосов, лидирующие позиции среди которых принадлежит концерну Grundfos. Эти промышленные обязательства включают в себя унифицированную схему классификации, основаны на индексе энергетической эффективности (EEI - Energy Efficiency Index), формируемом на основе годового профиля нагрузки и распространяемую на системы с почти одинаковым профилем нагрузки. Средний насос помещается в категории D и E.

Подписанием соглашения по энергетической маркировке производители насосов обязуются маркировать в будущем все насосы Действующие же на территориях России и большинства стран СНГ Строительные нормы и правила (СНиП), стандарты, технические условия и иные нормативные и технические документы в области проектирования и строительства насосных станций бывшего СССР не отвечают современным требованиям и условиям. Они требуют коренного изменения отдельных положений и внесения новых требований.

Так, в частности, действующий ГОСТ 10428-89. "Агрегаты электронасосные для центробежные скважинные для воды. Основные параметры и размеры" уже устарел в части основных параметров и размеров для погружных насосов водозаборных скважин, когда лучшие зарубежные образцы превосходят по многочисленным показателям.

Например, в табл.4. ГОСТ 10428-89 указан насосный агрегат ЭЦВ 4 с производительностью Q = 6,5 м3/ч с напором H = 4 бар, КПД = 38%, диаметр агрегата 95мм. С такими же параметрами по Q и H насос SQE имеет диаметр 74 мм, а КПД = 44 % . Аналогичных сравнений можно привести и по другим насосным агрегатам. В пособии к СНИП 2.04.02-84 по проектированию автоматизации и диспетчеризации систем водоснабжения указано противоречащее основополагающему принципу энергосбережения любых насосных станций , что "обычно системы автоматического регулирования с регулируемым приводом целесообразно применять в насосных установках сравнительно большой мощности (75-100 кВт и выше)". В тоже время все производители насосов создают встроенных систем автоматизации для любых типоразмеров насосного оборудования.

Таких примеров несоответствия можно привести бесчисленное множество с действующими нормативными документами. Использование высококачественных материалов (нержавеющая сталь, бронза, современные полимерные материалы) новых технологий производства позволило добиться превосходных технических характеристик и высокой долговечности основных узлов и деталей насосов.

Внедрение новейших достижений техники и контроль качества в процессе изготовления и на выпуске, а также сервисное обслуживание в процессе эксплуатации обеспечивает выпуск насосов, соответствующим европейским стандартам: DIN-EN-ISO 9001:1994 и EN 60335, директивам по безопасности механизмов (89/392/СЕЕ), напряжению (73/23/СЕЕ), электромагнитной совместимости (89/336/СЕЕ), уровню звука (2000/14/СЕЕ), а также действующим в СНГ стандартам и нормативам.

Наряду с высоким качеством насосов технологическими возможностями насосов (регулирование производительности, встроенные системы автоматизацию, модули управления и др.), методологии оптимального выбора насосов стали основой в разработке технических требований к насосному оборудованию и насосным станциям. В основе методики расчета и выбора насосного оборудования, заложенной в старых технических нормативных документах, которой ныне пользуются проектировщики и эксплуатационники, лежат устаревшие подходы. Они базируются, как правило, на выборе насосов из каталогов по предварительно определенным расходу (Q) и давлению (H) и практически не рассматривают комплексно насосную систему, как связанную многочисленными технологическими и экономическими критериями с системой водоснабжения и водоотведения в целом. Экономические же критерии, такие как стоимость жизненного цикла, расход электроэнергии, строк полезного использования, а также критерии надежности оборудования - срок службы, межремонтный период и др. не анализируются за прогнозный период работ. Эти критерии сегодня определены в ряде в международных нормативных документах, из которых следует выделить "Пособие по анализу стоимости жизненного цикла насосов", разработанного в 2001 г. институтом Гидравлики США, и ассоциацией Europump [2].

Количество энергии и материалов, используемых насосной системой, зависят от вида насоса, вида установки и способа эксплуатации системы. Эти факторы взаимоувязаны. Более того, они должны быть тщательно подобраны друг к другу, обеспечивая в течение своей работы наименьшее потребление энергии, наименьшие эксплуатационные затраты, другие преимущества.

Анализ стоимости жизненного цикла является инструментом, позволяющим минимизировать величину затрат, максимизировать энергоэффективность насосных систем, а также снизить количество выбросов и способствовать сохранению природных ресурсов Основными составляющими анализа стоимости жизненного цикла обычно являются: первоначальная стоимость установки, затраты на электроэнергию, эксплуатационные расходы, стоимость ремонта и др. Используя как инструмент сравнения между возможным вариантом и альтернативным, анализ стоимости жизненного цикла позволяет выявить наиболее эффективное относительно затрат проектное решение в рамках имеющихся данных.

Действующие насосные системы предоставляют больше возможностей для сокращения энергозатрат при анализа стоимости жизненного цикла по сравнению с новыми системами по двум причинам. Во-первых, в настоящее время база работающих насосов более чем в 100 раз количества устанавливаемых новых каждый год. Во-вторых, многие из существующих систем имеют насосы или средства управления уже не удовлетворяют изменившимся за время их работы условиям. Проведенные исследования показали, что сохранение потребляемой энергии насосами может составлять более, чем 30%, путем изменений в оборудовании или системе управления. Анализ стоимости жизненного цикла, как для нового оборудования, так и для модернизируемого, требует оценки вариантов альтернативных систем. Для большинства оборудования, стоимость энергии и эксплуатационные расходы в течение жизни оборудования превосходят остальные составляющие стоимости жизненного цикла. Поэтому важно точно определить текущую стоимость энергии, ожидаемый ежегодный рост цен на энергию в течение оцениваемого периода, наряду с ожидаемой стоимостью технического обслуживания и материалов.

Для проведения оценки насосов или другого оборудования, должны быть проведено обследование насосных систем и собрана достоверная информация относительно ее эксплуатации. Использование неправильной или неточной информации приводит к получению неточных результатов. Насосные системы, как правило, имеют срок использования от 15 до 20 лет. Некоторые затраты имеют место в самом начале их эксплуатации, другие появляются в разное время эксплуатации. Поэтому необходимо определить текущую или дисконтированную стоимость стоимости жизненного цикл, чтобы точно оценить различные варианты.

Этот анализ связан с оценками, которые характеризуют элементы системы, а именно - сравнение различных видов насосов, средств контроля и управления. Необходимо также учитывать эксплуатационные затраты, или стоимость запасных частей и принадлежностей, которые поставляются при покупке оборудования. Следует также определиться с технологической схемой насосной системы. Чем меньше диаметр труб, тем меньше их стоимость и арматуры, а также строительства и монтажа. Однако, меньшие диаметры требуют более мощных насосов, что приводит к более высоким инвестициям на их приобретение и соответственно затратам. К тому же меньшие размеры труб на входе насоса в результате увеличения гидравлических потерь уменьшают кавитационный запас насоса, что потребует применения более мощного насоса и соответственно дорогого.

Следует оценивать и качество оборудования относительно материалов с различными характеристиками износостойкости либо других характеристик, которые увеличивают срок службы насоса. Это может сказаться на более высоких первоначальных затратах, но снизит стоимость жизненного цикла. В процессе проектирования наиболее сложным является сравнительная оценка стоимостных характеристик насосного агрегата (насоса+электродвигателя) к потребностям системы, обусловленной переменными режимами работы в большом диапазоне требуемой производительности и давления. Кроме того, с течением времени могут возрасти потери напора в трубах, как по причине увеличения их сопротивлений в связи с зарастанием, так возможным увеличением расхода. Поэтому проектировщики с целью гарантированной работы насосной системы устанавливают с запасом насосное оборудование, параметры которого могут значительно превышать требования, установленные для его работы в нормальных условиях. Это приводит к увеличению расходов на материалы, монтаж и эксплуатацию.

Количество потребляемой энергии, материалов и оборудования систем водоснабжения и канализации зависят от типа насоса, вида установки, режимов работы и способов эксплуатации. Эти факторы взаимоувязаны и должны быть тщательно подобраны друг к другу, обеспечивая в течение своей работы наименьшее потребление энергии и наименьшие эксплуатационные затраты, другие преимущества. Первоначальная цена приобретения является малой частью стоимости жизненного цикла для широко применяемых насосов. Хотя требования по эксплуатации могут иногда перевесить решения относительно стоимости энергии, однако все еще можно найти оптимальное решение. Правильное проектирование насосной системы является наиболее важным элементом минимизации стоимости жизненного цикла.

Все насосные системы состоят из насоса, двигателя, установленных труб, средств контроля, и все эти элементы должны рассматриваться индивидуально. Правильный проект учитывает взаимодействие насоса с остальной системой и рассчитывает точку(и) работы. Должен проводиться расчет характеристик системы труб для определения требуемого насоса. Это применяется как для простых систем, так и для более сложных (разветвленных) систем. При проектировании новых насосных систем их оптимизации может обеспечить экономию стоимости и энергии 20-50%. Наибольший эффект может быть получен на новых насосных системах ввиду того, что в проектах насос может быть включен как одной из переменных составляющих оптимизации. К сожалению, инженеры-проектировщики из-за ограниченности финансирования и времени, используют в основном традиционный подход, при котором решаются задачи гидравлического расчета насосных систем с заданными параметрами (расходом и давлением) и не имеют возможности оптимизировать проекты.

Наличие огромного числа переменных в сложных насосных системах делает такую оптимизацию практически невозможной, даже с использованием современных методов гидравлического анализа на компьютерах. При традиционном подходе проектировщик проводит технологический анализ насосных систем с применением формул и методов вычисления, после чего производятся калькуляционные расчеты. Определяются размеры трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры и т.д., а затем производится подбор насосов. Технический анализ производиться для исследования режимов работы насосной системы. Такой анализ наиболее приемлем для оценки работы существующей насосной системы или проекта.

Даже с помощью современного программного обеспечения гидравлического моделирования, когда имеется возможность подбора различных конфигураций труб и насосов на компьютере, проектировщиками крайне редко делается сравнение их стоимостных показателей. Следует также отметить, что при проектировании традиционным подходом, нехарактерно анализировать особенности эксплуатационных режимов работы насосных систем. В проблеме эффективного использования электроэнергии особое место занимают вопросы применения регулируемого электропривода насосов посредством использования устройств, изменяющих число оборотов в зависимости от оптимального технологического режима их работы. Обоснованность правильного выбора того или иного способа регулирования и конкретного оборудования должна определятся четкой методологией расчета экономических показателей эффективности путем сравнения различных вариантов. Упрощенный подход часто приводит к неоправданным техническим решениям и низкой эффективности применения установок регулируемого электропривода.

Известно, что сам по себе регулируемый привод не может дать значительной экономии электроэнергии. Здесь должен решаться целый комплекс вопросов, связанных в первую очередь с определением оптимальных технологических режимов работы соответствующего оборудования и внедрением системы автоматического управления с использованием регулируемого электропривода, который является основным элементом этой системы. Для систем водоснабжения и канализации характерным является наличие разнообразных технологических процессов забора, подготовки, хранения, подачи и распределения воды, а также сбора, отвода и очистки сточных вод, которые необходимо учитывать при разработке схемы управления [3]. В сложных процессах биологической очистки сточных вод немаловажное значение приобретают вопросы режимов работы насосных агрегатов. Расход электрической энергии зависит от производительности очистных сооружений, использованной технологии, выбора сооружений особенно для аэрации и перемешивания сточных вод, от использованной автоматики. Экономия электроэнерги во многом зависит от правильного технологического режима работы насосных агрегатов. Особенно это важно для систем биологической очистки сточных вод с биореакторами SBR, где эффективная работа сооружений в целом зависит от насосов, обеспечивающих заполнение и опорожнение биореакторов [4].

На насосных станциях, как правило, регулируемым параметром управления является давление на напорном трубопроводе или в диктующей точке водопроводной сети, а в отдельных случаях может быть уровень воды в резервуаре или расход воды в водоводе. Основные задачи систем автоматического управления состоят в минимизации электропотребления, исключении избыточного давления, поддержании требуемого давления в контрольных точках, обеспечении защиты насосов от опасных режимов работы агрегатов, обеспечении плавных пусков и остановок насосов. Соответственно, технологические и экономические расчеты должны все это учитывать. Для определения и выбора количества и мощностей регулируемых и нерегулируемых насосов необходимо сделать технико-экономическое обоснование, как для вновь проектируемых, так и для модернизируемых объектов.

Так, при реконструкции насосных станций за счет применения регулируемого привода возможно уменьшение общего количества насосных агрегатов за счет увеличения их мощности или применения насосов типа "инлайн", что позволяет снизить капитальные затраты на строительство зданий насосных станций. Практическая реализация проектных решений возможна только в ограниченном числе альтернативных вариантов, характеризуемых определенными значениями искомых параметров. Именно среди этих реальных вариантов необходимо определить и принять лучший по выбранному критерию Сегодня существует острая потребность в создании информационных оптимизационных технологий, которые бы с помощью компьютера автоматизировали процесс выбора насосных систем с минимальной стоимостью и потреблением электроэнергии.

Основная задача оптимизации насосных систем - достичь определенной цели проекта, которая в зависимости от местных условий и требований (ограничений) заказчика может быть различной: минимизировать стоимость, энергию или риск, или максимизировать производительность, безопасность или надежность. Технология оптимизации состоит из алгоритмов математических процедур, в которых поисковые методы циклически изменяют проект, приводя его к поставленной цели. Чтобы осуществлять методы оптимизации в проекте требуется высоко надежный и в вычислительном отношении эффективный инструмент программного обеспечения гидравлического расчета насосной системы. Этот инструмент является основным стержнем общего алгоритма, к которому по определенным оптимизационным методам должен обращается программный комплекс.

Этот алгоритм может объединять имеющиеся системы программного обеспечения (к примеру, программы для гидравлических расчетов систем водоснабжения: "WELLS" [3], ГРСПВ [5], FluidFlow [6], "Гидросистема" [7], PIPE-FLO 2007[8] и др., компьютерные программы для моделирования процессов очистки сточных вод: BioWin (канадской фирмы EnviroSim Associates Ltd.),GPS-X и SimWorks (канадской фирмы Hydromantis Inc.), SIMBA 5 (немецкой фирмы IFAK), с современной технологией оптимизации, чтобы фактически для насосной системы, которая отвечает требованиям проекта, определить минимальную стоимость. Несмотря на огромное развитие техники программирования компьютеры в проектировании особенно очистных сооружений являются новым инструментом, который практически лишь с недавнего времени функционирует в инженерной отрасли очистки сточных вод.

Компьютерное проектирование требует исключительно большую тщательность в задании исходных данных и скорость решения задач или вычислений. Огромная достоинство компьютерного моделирования в том, что в тракте эксперимента можно факультативно варьировать различными параметры и проверить, как вся система реагирует на изменения внешней обстановки. Модельные исследования очень трудоёмкие и дорогостоящие. Отсюда возникает необходимость тщательного осмысления и планирования заданий моделирования. Экономические расчеты должны определять соответствующие затраты, являющиеся основой оптимизации. Перед выполнением оптимизации необходимо определить цель, так как насосная система может быть оптимизирована исходя из минимизации или ее стоимости или стоимости жизненного цикла.