«Электронный город»: Информатизация в водоканалах. ЗАО «Челныводоканал»
Р.А. Хуснутдинов
начальник отдела гидравлических расчетов и ГИС
ЗАО "Челныводоканал", г. Набережные Челны
май 2014 г.
ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» представляет собой комплекс сетей и сооружений по производству питьевой воды и приему и очистке сточных вод и обслуживает потребителей города Набережные Челны (Республика Татарстан) с численностью населения 520 тыс.чел. Предприятие имеет развитую инфраструктуру, включающую насосные станции, очистные сооружения и инженерные сети подачи и распределения воды, а также канализационные сети сбора и транспортировки сточных вод.
ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» является дочерним предприятием ОАО «КАМАЗ». Сети, которые обслуживаются и эксплуатируются предприятием, находятся в аренде, так как являются собственностью города. Общая протяженность водораспределительной сети ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» составляет 624,8 км. Протяженность сетей хозяйственно-бытовой канализации – 506,2 км. Количество объектов, имеющих присоединение к системам водоснабжения и водоотведения, обслуживаемых ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ», составляет около 8,5 тыс. Суточный объем воды, забираемый из реки Кама – около 200 тыс. куб.м, стоимость 1 куб.м хоз.-питьевой воды составляет 18,43 руб. с НДС, стоимость 1 куб.м хоз.-фекальных стоков – 12,31 руб. с НДС.
В 2005 г. ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» приняло решение о приобретении и внедрении инструмента для создания электронной модели водопроводной и канализационной сети, основываясь на требованиях ПТЭ, и даже не предполагая, какой экономический эффект принесет это решение в дальнейшем. Выбор пал на информационно-графическую систему (ИГС) «CityCom-ГидроГраф» (ИВЦ «Поток»). Внедрение ИГС «CityCom» обусловило необходимость создания на предприятии службы, занимающейся прорисовкой и описанием сетей, обслуживанием и эксплуатацией информационной системы. На сегодняшний день это Отдел гидравлических расчетов и геоинформационных систем, входящий в состав Центральной диспетчерской службы. Отдел был создан как вспомогательное звено, оказывающее инженерную поддержку основному производству.
С 2005 года по 2008 год были прорисованы и паспортизированы водопроводные сети северо-восточной части города – это около 260 км трубопроводов и 2208 колодцев. В 2008 году в аренду предприятию, учитывая опыт успешной эксплуатации сетей северо-восточной части, были отданы сети юго-западной части города, ранее находившиеся в управлении обанкротившегося муниципального предприятия. С 2008 года по 2010 были прорисованы и описаны сети юго-западной части города, это еще примерно 207 км трубопроводов и 1427 колодцев.
Процесс паспортизации сетей в ИГС «CityCom-ГидроГраф» продолжается: сейчас основной объем работ по прорисовке и паспортизации приходится на ввод данных по системе водоотведения. Паспортизация канализационных сетей занимает значительное время из-за отсутствия по ним достоверных данных . В качестве первого приближения для участков без документации задается минимальный уклон, т.е. самый «худший» с точки зрения гидравлики вариант.
Чего мы достигли при помощи «ГидроГрафа» и для каких целей мы используем его каждый день? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть основные функции Отела гидравлических расчетов и геоинформационных систем.
Первая и основная функция – это разработка режимных карт параметров давления и расхода на затворах станции второго подъема, подающей очищенную хоз.-питьевую воду в распределительную сеть города. Со станции второго подъема выходят два водовода на юго-западную часть города и два водовода на северо-восточную часть. Основной вопрос – определение давления, необходимого для запитывания потребителей. До внедрения ИГС «CityCom-ГидроГраф» эта задача решалась лишь приблизительно, опытным путем, диспетчер ориентировался на жалобы от потребителей (вернее, на их отсутствие).
Как только в ИГС «CityCom-ГидроГраф» были введены данные «геометрии» и технологического описания всех сетей водоснабжения, появилась возможность осуществлять точный расчет. Сейчас, с использованием специального инструмента моделирования расхода водопотребления по времени суток, проводится расчет необходимого давления на затворах. Далее, при задании давления на станции второго подъема электронная модель позволяет оценить давления в самых высоких и неблагоприятных точках на городских сетях. Город Набережные Челны по проекту рассчитан на девятиэтажную застройку, в соответствии с требованиями СНиП ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» обеспечивает нормативное давление 42 м вод.ст. Для каждого времени суток, по известным расходам водопотребления, с учетом суточной неравномерности, на электронной модели определяется необходимое давление на станции второго подъема, обеспечивающее нормативное давление у потребителей. В результате проведенных в «ГидроГрафе» расчетов составляется режимная карта на каждый месяц.
Мы дошли до того, что рассчитываем режимную карту на каждый час. Помимо рабочих дней, просчитывается отдельно субботние, воскресные и праздничные дни. На каждый час суток с помощью ИГС «CityCom-ГидроГраф» рассчитывается давление, которое нужно держать на станции второго подъема для обеспечения нормативных параметров водоснабжения у всех потребителей.
С использованием аналитических инструментов «ГидроГрафа» (например, раскраска сетей по скоростям потока) были выявлены проблемные участки водопроводной сети, на которых сильно падает давление из-за превышения скорости. Для таких участков сетей с низкой пропускной способностью были разработаны мероприятия по их санации и/или реконструкции. Таким образом удалось снизить давление на затворах станций второго подъема с 8..9 кгс/см2 до 6..7 кгс/см2, что позволило уменьшить потребление электроэнергии на 40%.
Рис. 1. Выделение сетей по скоростям потока (искажено по требованию правообладателя)
Учитывая результаты моделирования, мы пошли еще дальше. Было принято решение об установке на насосные агрегаты частотно-регулируемых приводов (ЧРП). В алгоритм работы ЧРП были заложены параметры давления из рассчитанной на «ГидроГрафе» режимной карты для каждого часа суток. Расчеты показали, что за год эксплуатации ЧРП по режимным картам экономия электроэнергии составила более 3 млн. киловатт-часов, или более 6 млн. руб.
Следующим этапом оптимизации гидравлических режимов на водопроводных сетях стало зонирование сетей по давлению и установка регуляторов давления на зонах с избыточным давлением. Все расчеты по подбору мест установки регуляторов, а самое главное, по подбору необходимых параметров регулирования, были произведены и смоделированы в «ГидроГрафе».
Более того, проведя необходимые расчеты и ситуационное моделирование, с учетом снижения объемов водопотребления за последние годы, было принято решение о выводе из эксплуатации двух насосных станций третьего подъема. Годовой экономический эффект составил 5,6 млн. руб. Очевидно, что без предварительного моделирования в «ГидроГрафе» такое решение не могло быть принято.
Проведенные при помощи ИГС «CityCom-ГидроГраф» мероприятия по отладке режимов на водопроводных сетях позволили добиться снижения потерь и аварийности на водопроводных сетях, поскольку потери и повреждения находятся в прямой зависимости от величины давления. Снизив давления и проведя необходимые ремонтные работы, мы получили изумительную динамику по снижению потерь: если в 2005 году доля потерь воды питьевого качества по городским сетям составляла около 25%, то к 2013 году нам удалось уменьшить этот показатель до 6%. Порывы на сетях за этот же промежуток времени сократились более чем в два раза. Это связано, в первую очередь, с отсутствием скачков давления благодаря установке частотно-регулируемого привода на насосной станции, а во-вторых, со снижением давлений в сети.
Рис. 2. Статистика потерь и порывов на сетях (искажено по требованию правообладателя)
Учет и визуализация повреждений в ИГС «CityCom-ГидроГраф» сильно упрощает выбор первоочередных участков сетей, нуждающихся в капитальном ремонте. Помимо подсистемы «Повреждения», использование различных аналитических инструментов «ГидроГрафа» позволяет не только планировать участки для капитального ремонта, но и принимать решения об изменении диаметров труб, позволяя нашему предприятию экономить значительные денежные средства при закупке новых трубопроводов меньшего диаметра.
Еще одна важная повседневная задача Отдела гидравлических расчетов и геоинформационных систем заключается в обработке заявок на отключения (локализацию участков), поступающих в диспетчерскую службу от подразделений. Из-за снижения объемов водопотребления в последние годы обострилась проблема качества воды. Скорости движения воды в трубопроводах падают, из-за чего в трубах происходит накапливание вторичных загрязнений (отложений). Любое переключение вызывает изменение потоков, вода взмучивается, следовательно, ухудшается качество воды, поступающей к потребителям.
Первый пункт, который прописывается при разработке мероприятий при отключении - это очередность закрытия запорной арматуры. С помощью электронной модели определяется направление движение воды, моделируется правильная очередность закрытия запорной арматуры, в результате выдаются рекомендации по правильной локализации участка. Второй пункт - это возможное ограничение давления у потребителей: в «ГидроГрафе» после локализации и моделирования отключения участка осуществляется обязательная проверка на нормативное давление у потребителей. Третий пункт – формирование перечня объектов водопотребления, попадающих под отключение. И последний пункт – выявление участков с изменившимся после отключения направлением движения потоков (для этого используется специальное графическое выделение на схеме и соответствующий аналитический отчет). После выявления таких участков определяется перечень абонентов, к которым гипотетически возможно попадание «взмученной» воды. Составляется заявка для их оповещения и определяется перечень гидрантов или дренажей, через которые можно промыть участки, явившиеся причиной ухудшения качества подаваемой потребителям воды.
Все прописанные нами мероприятия производственно-диспетчерский отдел передает в управляющие компании, обслуживающие жилые дома, и другим потребителям, на которых повлияет отключение. Согласно Постановлению Правительства РФ от 06.05.2011 г. №354, п.101, при предоставлении коммунальной услуги ненадлежащего качества поставщик услуги «наказывается рублем» в размере фактического начисления оплаты за такую коммунальную услугу за весь период времени, в течение которого «ненадлежащее качество» имело место. Таким образом, мероприятия по сохранению качества воды позволяют избежать исключения объемов с реализации («непроданной воды»), экономя значительные денежные средства. При среднем суточном потреблении воды в 30 м3 одним домом, при наличии претензии на некачественные услуги водоснабжения со стороны 3-5 домов после каждого отключения, учитывая количество заявок, которые обрабатываются за год, суммарный убыток водоканала может составить несколько миллионов рублей в год. И этого убытка нам удается в основном избежать.
Другой важной задачей Отдела гидравлических расчетов и геоинформационных систем является проведение гидравлических расчетов при выдаче технических условий на присоединение к сетям новых абонентов. При помощи «ГидроГрафа» моделируется ситуация присоединения нового абонента с заявленной нагрузкой, определяются возможные изменения гидравлического режима сети и необходимые мероприятия для его поддержания. Сейчас мы можем с уверенностью сказать, что без электронного моделирования невозможно грамотно организовать выдачу технических условий на подключение, такая работа не может и не должна проводится «вслепую».
Помимо описанных основных функций нашего отдела, много смежных отделов, таких как производственно-диспетчерский отдел, отдел ремонтов, производственно-технический отдел, цех капитального ремонта, северо-восточный и юго-западный районы водопроводно-канализационных сетей и др. используют «CityCom-ГидроГраф» как «электронный паспорт сети», откуда можно получить любую востребованную информацию: год прокладки и ремонта, диаметры, длины, материал трубопроводов, деталировку колодцев, включая фотоизображения. Для канализационных участков имеются даже видеоматериалы внутренней диагностики, отснятые роботом-инспектором.
Подводя итог, можно уверенно сказать, что ИГС «CityCom-ГидроГраф» прочно встроилась в производственные процессы в ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» и экономит не только рабочее время, ускоряя решение множества текущих задач, но и материальные ресурсы – с одновременным повышением качества нашей продукции.
начальник отдела гидравлических расчетов и ГИС
ЗАО "Челныводоканал", г. Набережные Челны
май 2014 г.
ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» представляет собой комплекс сетей и сооружений по производству питьевой воды и приему и очистке сточных вод и обслуживает потребителей города Набережные Челны (Республика Татарстан) с численностью населения 520 тыс.чел. Предприятие имеет развитую инфраструктуру, включающую насосные станции, очистные сооружения и инженерные сети подачи и распределения воды, а также канализационные сети сбора и транспортировки сточных вод.
ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» является дочерним предприятием ОАО «КАМАЗ». Сети, которые обслуживаются и эксплуатируются предприятием, находятся в аренде, так как являются собственностью города. Общая протяженность водораспределительной сети ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» составляет 624,8 км. Протяженность сетей хозяйственно-бытовой канализации – 506,2 км. Количество объектов, имеющих присоединение к системам водоснабжения и водоотведения, обслуживаемых ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ», составляет около 8,5 тыс. Суточный объем воды, забираемый из реки Кама – около 200 тыс. куб.м, стоимость 1 куб.м хоз.-питьевой воды составляет 18,43 руб. с НДС, стоимость 1 куб.м хоз.-фекальных стоков – 12,31 руб. с НДС.
В 2005 г. ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» приняло решение о приобретении и внедрении инструмента для создания электронной модели водопроводной и канализационной сети, основываясь на требованиях ПТЭ, и даже не предполагая, какой экономический эффект принесет это решение в дальнейшем. Выбор пал на информационно-графическую систему (ИГС) «CityCom-ГидроГраф» (ИВЦ «Поток»). Внедрение ИГС «CityCom» обусловило необходимость создания на предприятии службы, занимающейся прорисовкой и описанием сетей, обслуживанием и эксплуатацией информационной системы. На сегодняшний день это Отдел гидравлических расчетов и геоинформационных систем, входящий в состав Центральной диспетчерской службы. Отдел был создан как вспомогательное звено, оказывающее инженерную поддержку основному производству.
С 2005 года по 2008 год были прорисованы и паспортизированы водопроводные сети северо-восточной части города – это около 260 км трубопроводов и 2208 колодцев. В 2008 году в аренду предприятию, учитывая опыт успешной эксплуатации сетей северо-восточной части, были отданы сети юго-западной части города, ранее находившиеся в управлении обанкротившегося муниципального предприятия. С 2008 года по 2010 были прорисованы и описаны сети юго-западной части города, это еще примерно 207 км трубопроводов и 1427 колодцев.
Процесс паспортизации сетей в ИГС «CityCom-ГидроГраф» продолжается: сейчас основной объем работ по прорисовке и паспортизации приходится на ввод данных по системе водоотведения. Паспортизация канализационных сетей занимает значительное время из-за отсутствия по ним достоверных данных . В качестве первого приближения для участков без документации задается минимальный уклон, т.е. самый «худший» с точки зрения гидравлики вариант.
Чего мы достигли при помощи «ГидроГрафа» и для каких целей мы используем его каждый день? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть основные функции Отела гидравлических расчетов и геоинформационных систем.
Первая и основная функция – это разработка режимных карт параметров давления и расхода на затворах станции второго подъема, подающей очищенную хоз.-питьевую воду в распределительную сеть города. Со станции второго подъема выходят два водовода на юго-западную часть города и два водовода на северо-восточную часть. Основной вопрос – определение давления, необходимого для запитывания потребителей. До внедрения ИГС «CityCom-ГидроГраф» эта задача решалась лишь приблизительно, опытным путем, диспетчер ориентировался на жалобы от потребителей (вернее, на их отсутствие).
Как только в ИГС «CityCom-ГидроГраф» были введены данные «геометрии» и технологического описания всех сетей водоснабжения, появилась возможность осуществлять точный расчет. Сейчас, с использованием специального инструмента моделирования расхода водопотребления по времени суток, проводится расчет необходимого давления на затворах. Далее, при задании давления на станции второго подъема электронная модель позволяет оценить давления в самых высоких и неблагоприятных точках на городских сетях. Город Набережные Челны по проекту рассчитан на девятиэтажную застройку, в соответствии с требованиями СНиП ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» обеспечивает нормативное давление 42 м вод.ст. Для каждого времени суток, по известным расходам водопотребления, с учетом суточной неравномерности, на электронной модели определяется необходимое давление на станции второго подъема, обеспечивающее нормативное давление у потребителей. В результате проведенных в «ГидроГрафе» расчетов составляется режимная карта на каждый месяц.
Мы дошли до того, что рассчитываем режимную карту на каждый час. Помимо рабочих дней, просчитывается отдельно субботние, воскресные и праздничные дни. На каждый час суток с помощью ИГС «CityCom-ГидроГраф» рассчитывается давление, которое нужно держать на станции второго подъема для обеспечения нормативных параметров водоснабжения у всех потребителей.
С использованием аналитических инструментов «ГидроГрафа» (например, раскраска сетей по скоростям потока) были выявлены проблемные участки водопроводной сети, на которых сильно падает давление из-за превышения скорости. Для таких участков сетей с низкой пропускной способностью были разработаны мероприятия по их санации и/или реконструкции. Таким образом удалось снизить давление на затворах станций второго подъема с 8..9 кгс/см2 до 6..7 кгс/см2, что позволило уменьшить потребление электроэнергии на 40%.
Рис. 1. Выделение сетей по скоростям потока (искажено по требованию правообладателя)
Учитывая результаты моделирования, мы пошли еще дальше. Было принято решение об установке на насосные агрегаты частотно-регулируемых приводов (ЧРП). В алгоритм работы ЧРП были заложены параметры давления из рассчитанной на «ГидроГрафе» режимной карты для каждого часа суток. Расчеты показали, что за год эксплуатации ЧРП по режимным картам экономия электроэнергии составила более 3 млн. киловатт-часов, или более 6 млн. руб.
Следующим этапом оптимизации гидравлических режимов на водопроводных сетях стало зонирование сетей по давлению и установка регуляторов давления на зонах с избыточным давлением. Все расчеты по подбору мест установки регуляторов, а самое главное, по подбору необходимых параметров регулирования, были произведены и смоделированы в «ГидроГрафе».
Более того, проведя необходимые расчеты и ситуационное моделирование, с учетом снижения объемов водопотребления за последние годы, было принято решение о выводе из эксплуатации двух насосных станций третьего подъема. Годовой экономический эффект составил 5,6 млн. руб. Очевидно, что без предварительного моделирования в «ГидроГрафе» такое решение не могло быть принято.
Проведенные при помощи ИГС «CityCom-ГидроГраф» мероприятия по отладке режимов на водопроводных сетях позволили добиться снижения потерь и аварийности на водопроводных сетях, поскольку потери и повреждения находятся в прямой зависимости от величины давления. Снизив давления и проведя необходимые ремонтные работы, мы получили изумительную динамику по снижению потерь: если в 2005 году доля потерь воды питьевого качества по городским сетям составляла около 25%, то к 2013 году нам удалось уменьшить этот показатель до 6%. Порывы на сетях за этот же промежуток времени сократились более чем в два раза. Это связано, в первую очередь, с отсутствием скачков давления благодаря установке частотно-регулируемого привода на насосной станции, а во-вторых, со снижением давлений в сети.
Рис. 2. Статистика потерь и порывов на сетях (искажено по требованию правообладателя)
Учет и визуализация повреждений в ИГС «CityCom-ГидроГраф» сильно упрощает выбор первоочередных участков сетей, нуждающихся в капитальном ремонте. Помимо подсистемы «Повреждения», использование различных аналитических инструментов «ГидроГрафа» позволяет не только планировать участки для капитального ремонта, но и принимать решения об изменении диаметров труб, позволяя нашему предприятию экономить значительные денежные средства при закупке новых трубопроводов меньшего диаметра.
Еще одна важная повседневная задача Отдела гидравлических расчетов и геоинформационных систем заключается в обработке заявок на отключения (локализацию участков), поступающих в диспетчерскую службу от подразделений. Из-за снижения объемов водопотребления в последние годы обострилась проблема качества воды. Скорости движения воды в трубопроводах падают, из-за чего в трубах происходит накапливание вторичных загрязнений (отложений). Любое переключение вызывает изменение потоков, вода взмучивается, следовательно, ухудшается качество воды, поступающей к потребителям.
Первый пункт, который прописывается при разработке мероприятий при отключении - это очередность закрытия запорной арматуры. С помощью электронной модели определяется направление движение воды, моделируется правильная очередность закрытия запорной арматуры, в результате выдаются рекомендации по правильной локализации участка. Второй пункт - это возможное ограничение давления у потребителей: в «ГидроГрафе» после локализации и моделирования отключения участка осуществляется обязательная проверка на нормативное давление у потребителей. Третий пункт – формирование перечня объектов водопотребления, попадающих под отключение. И последний пункт – выявление участков с изменившимся после отключения направлением движения потоков (для этого используется специальное графическое выделение на схеме и соответствующий аналитический отчет). После выявления таких участков определяется перечень абонентов, к которым гипотетически возможно попадание «взмученной» воды. Составляется заявка для их оповещения и определяется перечень гидрантов или дренажей, через которые можно промыть участки, явившиеся причиной ухудшения качества подаваемой потребителям воды.
Все прописанные нами мероприятия производственно-диспетчерский отдел передает в управляющие компании, обслуживающие жилые дома, и другим потребителям, на которых повлияет отключение. Согласно Постановлению Правительства РФ от 06.05.2011 г. №354, п.101, при предоставлении коммунальной услуги ненадлежащего качества поставщик услуги «наказывается рублем» в размере фактического начисления оплаты за такую коммунальную услугу за весь период времени, в течение которого «ненадлежащее качество» имело место. Таким образом, мероприятия по сохранению качества воды позволяют избежать исключения объемов с реализации («непроданной воды»), экономя значительные денежные средства. При среднем суточном потреблении воды в 30 м3 одним домом, при наличии претензии на некачественные услуги водоснабжения со стороны 3-5 домов после каждого отключения, учитывая количество заявок, которые обрабатываются за год, суммарный убыток водоканала может составить несколько миллионов рублей в год. И этого убытка нам удается в основном избежать.
Другой важной задачей Отдела гидравлических расчетов и геоинформационных систем является проведение гидравлических расчетов при выдаче технических условий на присоединение к сетям новых абонентов. При помощи «ГидроГрафа» моделируется ситуация присоединения нового абонента с заявленной нагрузкой, определяются возможные изменения гидравлического режима сети и необходимые мероприятия для его поддержания. Сейчас мы можем с уверенностью сказать, что без электронного моделирования невозможно грамотно организовать выдачу технических условий на подключение, такая работа не может и не должна проводится «вслепую».
Помимо описанных основных функций нашего отдела, много смежных отделов, таких как производственно-диспетчерский отдел, отдел ремонтов, производственно-технический отдел, цех капитального ремонта, северо-восточный и юго-западный районы водопроводно-канализационных сетей и др. используют «CityCom-ГидроГраф» как «электронный паспорт сети», откуда можно получить любую востребованную информацию: год прокладки и ремонта, диаметры, длины, материал трубопроводов, деталировку колодцев, включая фотоизображения. Для канализационных участков имеются даже видеоматериалы внутренней диагностики, отснятые роботом-инспектором.
Подводя итог, можно уверенно сказать, что ИГС «CityCom-ГидроГраф» прочно встроилась в производственные процессы в ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» и экономит не только рабочее время, ускоряя решение множества текущих задач, но и материальные ресурсы – с одновременным повышением качества нашей продукции.