ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

7.1. Удельные технико-экономические показатели
и их определение

Основными экономическими показателями работы насосной станции являются коэффициент полезного действия насосной станции и удельный расход электроэнергии (или условного топлива). Коэффициентом полезного действия насосной станции называется отношение полезной энергии, передаваемой перекачиваемой жидкости, к энергии, потребляемой электродвигателями всех агрегатов. Определяется этот коэффициент по формуле

(46)

где N_пл – полезная мощность станции, кВт∙ч;

N_пт – потребляемая мощность насосной станции, кВт∙ч.

Если насосная станция работает равномерно в течение суток, подавая расход Q, м³/с, при давлении р, кПа, то полезную мощность насосной станции можно вычислить по выражению

N_пл= Q ∙ p ∙ t, (47)

где t – время работы насосных агрегатов

Потребляемая мощность насосной станции находится по формуле

(48)

Коэффициент полезного действия насосного агрегата

η_а = η_н ∙ η_пр∙ η_дв.

Из выражений (46)–(48) получим: η_н.с = η_а. Это выражение справедливо, если на насосной станции установлены однотипные насосные агрегаты, работающие в одинаковом режиме в течение времени t. Если на станции установлены разнотипные насосы, имеющие различные КПД насосов и электродвигателей, то КПД насосной станции следует определять по зависимости

(49)

где Q₁, Q₂, Q_i – подачи насосных агрегатов,

η_a1,η_a2 ,η_ai – КПД насосных агрегатов;

η_a1= η_н1∙ η_дв1; η_a2= η_н2 ∙ η_дв2; η_ai=η_нi ∙ η_двi (здесь η_пр принимается равным 1).

При ступенчатой работе насосной станции полезная мощность станции равна отношению суммы полезных мощностей всех ступеней работы к сумме израсходованной энергии при всех ступенях работы насосной станции.

Предположим, что на насосной станции II подъема с трехступенчатым режимом работы установлены три однотипных насосных агрегата (рис. 50).

Один насос работает t₁ ч в 1 сут с подачей Q₁ м³/с при давлении p₁, кПа, имея η_a1= η_н1∙η_дв1; два насоса работают параллельно в течение t₂ ч в 1 сут с подачей Q₂ м³/с при давлении р₂, кПа, имея η_a1+II = η_н1+II ∙ η_дв1+II ; три насоса работают параллельно в течение t₃, ч, в 1 сут с подачей Q₃, м³/с, при давлении р₃, кПа, имея η_a1+II+III=η_н1+II+III ∙ η_дв1+II+III; причем t₁ + t₂ + t₃ = 24 ч.

В этом случае получим КПД станции как частное от деления полезной энергии, кВт∙ч, на энергию, затраченную электродвигателями насосных агрегатов при перекачивании жидкости, кВт∙ч:

Рис. 50. График ступенчатой работы насосной станции с тремя рабочими агрегатами

При работе разнотипных насосов КПД насосной станции определяют по формуле

где η_a1 – КПД первого агрегата при одиночной работе, η_a1 = = η_н1 ∙ η_дв1; η’_a1+II – КПД первого агрегата при параллельной работе со вторым агрегатом, η’_a1+II = η_н1+II ∙ η_дв1+II; η’’_a1+II – КПД второго агрегата при параллельной работе с первым агрегатом; η’’_a1+II = η_н1+II ∙ η_дв1+II; η’_a1+II+III – КПД первого агрегата при параллельной работе с третьим и вторым агрегатами, η’_a1+II+III = = η_н1+II+II ∙ _Iη_{дв1+II +III}; η’’_a1+II+III – КПД второго агрегата при параллельной работе с первым и третьим агрегатами, η’’_a1+II+III = = η_н1+II+III ∙ η_{дв1+II +III}; η’’’_a1+II+III – КПД третьего агрегата при параллельной работе с первым и вторым агрегатами, η’’’_a1+II+III = = η_н1+II+III ∙ η_{дв1+II +III}.

При определении КПД насосной станции большое значение имеет правильный учет расходования электроэнергии, который, как правило, производят отдельно по каждому насосному агрегату. Результаты учета записывают в журнал работы агрегата, где отмечают и режим его работы, т.е. подачу воды и манометрический напор.

Фактический расход электроэнергии, кВт∙ч, за время t можно определить из выражения

(50)

Обычно стоимость подачи воды водопроводными и канализационными насосными станциями определяют, исходя из годовых эксплуатационных расходов и годового объема поданной воды. Поэтому Т принимают равным 365 дням. Однако первый член равенства (50) представляет собой расход электроэнергии в сутки максимальной подачи, а насосная станция в течение года в отдельные дни может подавать минимальный или средний объем воды. Для определения фактического годового расхода электроэнергии М.С. Заневский предложил ввести коэффициент, равный 0,85, т.е. A^год= 0,85

Вторым, наиболее важным экономическим показателем работы насосной станции является удельный расход электроэнергии – отношение фактически израсходованного количества электроэнергии к полезной работе, совершаемой насосами за то же время, т.е. , или

(51)

Если расход энергии определить в киловатт-часах (кВт∙ч) и отнести его к полезной работе в виде произведения тысячи тонна-метров поданной воды, то удельный расход электроэнергии станет числом именованным:

, ,

и будет называться теоретической удельной нормой расхода электроэнергии.

Теоретической удельной нормой расхода электроэнергии является расход электроэнергии, кВт∙ч, на подачу 1000 т перекачиваемой жидкости на высоту 1 м при режиме работы насоса и электродвигателя с максимальным КПД.

Удельную норму расхода электроэнергии для насосного агрегата можно определить по формуле

(52)

Анализ равенства (52) показывает, что удельная норма расхода электроэнергии обратно пропорциональна КПД насосного агрегата. Известно, что КПД насосного агрегата уменьшается при применении способа регулирования подачи насоса дросселированием на напорном патрубке. Уменьшение КПД насосного агрегата приводит к увеличению расхода электроэнергии и, следовательно, к ухудшению экономических показателей работы насосной станции.

Принимая паспортные значения η_н и η_дв можно получить теоретическую удельную норму расхода электроэнергии для насосного агрегата. Сравнение фактического удельного расхода электроэнергии в данных условиях работы агрегата с теоретическим удельным расходом позволяет судить об экономическом эффекте работы агрегата. Например, из выражения (52) можно определить КПД насоса:

(53)

Из опыта эксплуатации насосных агрегатов известно, что электродвигатель мало изменяет КПД с течением времени и его значение можно принимать по паспорту. Зная фактическую удельную норму расхода электроэнергии, можно определить фактический КПД насоса. Сравнение определенного КПД насоса с паспортным покажет, насколько изменилась энергетическая характеристика насоса. КПД насоса необходимо определять после окончания монтажа насоса перед сдачей его в эксплуатацию, так как бывают отклонения фактического КПД насоса от паспортных данных.

Для выявления изменений КПД насоса рекомендуется периодически (на станциях I подъема – 2 раза в 1 год; на станциях II подъема – 1 раз в год или в 2 года) производить испытания работы агрегата с определением энергетических характеристик насоса.

Удельная норма расхода электроэнергии является основным показателем для планирования подачи электроэнергии на питание насосной станции. Пользуются и еще одним показателем – коэффициентом использования рабочей мощности, которым называется отношение фактически израсходованной энергии А_ф в течение рассматриваемого периода к той энергии, которую могли израсходовать рабочие агрегаты, если бы они работали в течение 24 ч в оптимальном режиме А_р.а.опт, т.е. при подаче Q_oпт и давлении р_опт, соответствующих максимальному КПД:

(54)

где и (здесь m– число рабочих агрегатов, t – период работы агрегатов).

(55)

Коэффициентом использования установленной мощности называется отношение фактически израсходованной энергии А_ф к энергии, которую израсходуют все установленные насосы, если будут работать с максимальным КПД в течение 24 ч:

(56)

где n – число всех установленных насосов (рабочих и резервных); η_{a макс} – максимальный КПД агрегата при Q_опт.

7.2. Технико-экономическое сравнение вариантов
проектируемой насосной станции

Экономически обоснованный выбор решений является одним из основных факторов повышения эффективности капиталовложений.

При проектировании насосных станций различного назначения может быть намечено несколько технически равноценных вариантов, при которых полностью выполняются требования режима работы насосной станции и обеспечение требуемой подачи и напора, но различных по стоимости.

Экономическому сравнению подлежат технически осуществимые варианты насосных станций, обеспечивающих ввод в действие основных фондов в нужный народному хозяйству срок, выполнение запланированных подачи и напора и требуемые санитарно-гигиенические условия труда обслуживающего персонала.

При проектировании насосных станций водоснабжения возникают вопросы: какую принять форму здания в плане, каким способом осуществить строительство, какого типа установить насосы, как их установить (под залив или в соответствии с допустимой высотой всасывания), какое принять число агрегатов, степень и вид автоматизации, режим работы станции, вместимость регулирующей емкости, нужна ли система охлаждения двигателей и т.д.

При проектировании насосных станций перекачивания сточной жидкости, осадков и илов возникают следующие вопросы: какую выбрать схему станции и форму здания в плане, каким способом осуществить строительство, где расположить станцию, какую принять высоту установки насосных агрегатов, какие выбрать системы взмучивания осадка и технического водоснабжения, каким способом обрабатывать задержанные отбросы, каким образом блокировать насосную станцию с другими сооружениями канализационной сети и т.д.

Вопрос о том, который из этих вариантов должен быть принят к строительству, решают путем технико-эко­но­мичес­кого сравнения. Оптимальный вариант выбирается на стадии составления проектного задания по следующим показателям: капитальные вложения (строительная стоимость) К, годовые эксплуатационные расходы (себестоимость годовой продукции и услуг) С.

Капитальные вложения в строительство насосной станции К определяют по укрупненным сметным нормам (УСН), укрупненным показателям стоимости сооружений (УПСС), сметам по данному объекту или сметам по объектам-аналогам. Сметная стоимость строительства – это денежное выражение суммы затрат, необходимых для возведения насосной станции согласно проекту, ввода в действие ее основных фондов и плановых накоплений строительно-монтажных организаций. К эксплуатационным расходам относят: стоимость электроэнергии, расходуемой на подачу воды; заработную плату обслуживающего персонала; стоимость текущего ремонта; амортизационные отчисления; мелкие и неучтенные расходы.

Стоимость электроэнергии. По этой статье учитывают стоимость электроэнергии, затрачиваемой на производственные нужды и электроосвещение.

Промышленные и приравненные к ним потребители с присоединенной мощностью до 750 кВт оплачивают электроэнергию по одноставочному тарифу. Одноставочный тариф учитывает плату за отпущенную активную электроэнергию в кВт∙ч, учтенную счетчиком.

При присоединенной мощности от 750 кВт и более плата за отпущенную электроэнергию производится по двухставочному тарифу, который предусматривает дополнительную оплату заявленной мощности трансформаторов и высоковольтных электродвигателей (без автоматически включаемого резерва). При мощности более 750 кВт дополнительная плата исчисляется за отпускаемую потребителям мощность в час максимальной загрузки энергосистемы, совпадающий с часом максимального водопотребления (водопритока) или с часом максимального транзита.

Годовую стоимость электроэнергии, затрачиваемой насосными агрегатами, при равномерной круглосуточной работе насосной станции определяют по среднесуточной подаче насосной станции:

(57)

где а – стоимость электроэнергии, руб., за 1 кВт∙ч; η_н – КПД насосов, определяемый по каталогу при заданной подаче и напоре; – КПД электродвигателей, принимаемый: при их мощности до 10 кВт – 0,85, до 50 кВт – 0,9 и более 50 кВт – 0,92.

При соединении насоса с электродвигателем передачей какого-либо типа в знаменатель этой формулы вводят КПД передачи:

(58)

где η_пр= 0,94.

Годовую стоимость электроэнергии, затрачиваемой насосными агрегатами при ступенчатом режиме работы насосной станции, следует определять по формуле

(59)

где Q₁, Q₂, Q_m – подача воды насосной станцией соответственно на 1-й, 2-й,…, m-й ступени работы станции, м³/с; р₁, р₂,…, р_m – давление насосов при соответствующих ступенях работы станции, кПа; t₁, t₂, . t_m – число часов работы насосов в году при соответствующих ступенях; η_н1, η_н1+II, η_н1+II+II – КПД насосов при соответствующих ступенях работы станции; η_дв1, η_дв1+II, η_дв1+II+II – КПД электродвигателей при соответствующих ступенях работы насосной станции.

Оплата заявленной мощности электронасосных агрегатов высокого напряжения производится по суммарной мощности, определяемой по данным проекта электрооборудования. Суммарная мощность равна сумме мощностей рабочих агрегатов в час максимального электропотребления в данном районе (без автоматически включаемых насосных агрегатов).

Заявленная мощность электродвигателей, кВт, рабочих агрегатов вычисляется по зависимости

(60)

здесь η_дв принимается равным 0,92.

Стоимость заявленной мощности высоковольтных электродвигателей следует определять по формуле C_з = N_з∙ M (где М – стоимость 1 кВт заявленной мощности, руб.).

Оплачиваемая мощность трансформаторов N_тр, кВ×А, вычисляется по выражению

, (61)

где Р – коэффициент, учитывающий трансформаторный резерв (принимается равным 1,5); k – коэффициент, учитывающий электроосветительную нагрузку (принимается равным 1,05); cosφ = 0,9.

Стоимость, руб., установленной мощности трансформаторов С_{уст тр}=N_тр∙ M. На крупных насосных станциях, оборудованных электродвигателями высокого напряжения, все вспомогательные агрегаты (дренажные насосы, вакуум-насосы, дробилки и т.д.) имеют электродвигатели низкого напряжения. В этом случае стоимость суммарной установленной мощности определяют по формуле C'_уст= (N_з+ N_тр) ∙ M.

Заработная плата обслуживающего персонала. В эту статью включается основная и дополнительная заработная плата рабочих, непосредственно участвующих в обслуживании насосной станции. Количество человеко-смен в 1 сут для обслуживания насосных станций определяется в зависимости от подачи насосной станции, м³/сут:

– до 16 000 – 3,5;

– от 16 000 до 50 000 – 5,5;

– от 50 000 до 150 000 – 7;

– свыше 150 000 – 9.

Приведенный расчет относится к насосным станциям с ручным управлением, на которых должен быть свой обслуживающий персонал. В эти расчеты включены трудовые затраты на работу по текущему ремонту, выполняемые слесарем-ремонтником, слесарем по ремонту КИП и устройств автоматики.

Стоимость текущего ремонта. Эта стоимость определяется в виде отчислений от стоимости капитальных вложений и принимается: для зданий насосных станций – 2,2 %, для оборудования – 3,8 %.

Амортизационные отчисления. Средства, предназначенные как на полное, так и на частичное возмещение (капитальный ремонт) производственных затрат, принимаются по нормам амортизационных отчислений в процентах к балансовой стоимости. Усредненные амортизационные отчисления для насосных 293 станций от стоимости капитальных вложений принимают: для зданий – 3,5 %, для оборудования – 12 %.

Мелкие и неучтенные расходы. В эксплуатационных расходах необходимо учитывать неучтенные расходы, отдельный подсчет которых нецелесообразен ввиду их малого размера или затруднителен, а именно: оплата услуг нанимаемого транспорта, оплата отопления, освещения и вентиляции помещений, расходы на содержание участков, на приобретение инвентаря и пр. Неучтенные расходы принимают равными 3 % суммы эксплуатационных расходов.

По результатам определения капитальных и эксплуатационных затрат проводят экономическое сравнение рассматриваемых вариантов. При сравнении вариантов может оказаться, что К₁ > К₂ и С₁ > С₂. В этом случае не возникает теоретических и методических сложностей, так как совершенно очевидно, что второй вариант экономичнее первого и по капитальным вложениям, и по эксплуатационным расходам.

Однако в практике технико-экономического сравнения конкурирующих вариантов наиболее часто получается, что по одному варианту капиталовложения больше, а эксплуатационные расходы меньше или наоборот, т. е. К₁ > К₂, а С₁ < С₂ или К₁ < К₂, а С₁ > С₂. При различных соотношениях капитальных вложений на строительство насосной станции и эксплуатационных расходов экономическое сравнение вариантов производят по методу окупаемости дополнительных капитальных вложений за счет экономии на эксплуатационных расходах. Срок т, в течение которого экономия от эксплуатационных затрат компенсирует дополнительные капиталовложения, называется сроком окупаемости. При проектировании насосных станций обычно принимают т равным 7–10 годам.

Фактический срок окупаемости определяется из выражения

(62)

Если фактический срок окупаемости больше нормативного Т > τ, вариант с большими капиталовложениями неэкономичен, т.е. лучшим оказывается второй вариант. Если T < τ, вариант с большими капиталовложениями экономичнее, т.е. лучшим будет первый вариант.

Формула (62) позволяет сравнивать варианты попарно. При сравнении нескольких вариантов их экономическую оценку следует проводить путем сравнения приведенных затрат. Приведенные затраты представляют собой сумму эксплуатационных затрат и капитальных вложений, приведенных к одинаковой размерности в соответствии с нормативом эффективности:

З = С + К /τ или З = С + Е ∙ К, (63)

где Е – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений.

Самым выгодным является вариант с наименьшими приведенными затратами.

список литературы

1. СНиП 2.04.02–84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.

2. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: в 3 т. / науч.-метод. рук. и общ. ред. М.Г Журбы. – Вологда; М.: Вологод. гос. техн. ун-т, ГНЦ ВОДГЕО, 2001.– Т. 3 – 188 с.

3. Абрамов Н.Н., Поспелова М.М., Сомов М.А., Расчет водопроводных сетей. – М.: Стройиздат, 1983. – 304 с.

4. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции: учебник для вузов. – М.: Стройиздат, 1986. – 320 с.

5. Чадаевский В.Ф., Вишневский К.П., Накладов Н.Н. Проектирование насосных станций и испытание насосных установок. – М.: Кокос, 2000. – 376 с.

6. Залуцкий Э.В., Петрухно А.Н. Насосные станции. Курсовое проектирование. – Киев: Выща шк., 1987. – 167 с.

7. Карелин В.Я., Новодержкин Р.А. Насосные станции с центробежными насосами. – М.: Стройиздат, 1983.

8. Курганов А.Н., Федоров Н.Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. – Л.: Стройиздат, 1978.

9. Вахлер Б.Л. Насосные станции металлургических предприятий. – М.: Металлургиздат, 1964.

10. СНиП 2.04.03–85. Канализация. Наружные сети и сооружения.