Інтенсифікація роботи водоочисних споруд із зернистим завантаженням шляхом визначення раціональних значень тривалості фільтрування й промивки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 628.16.067

05.23.04 - Водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ РОБОТИ ВОДООЧИСНИХ СПОРУД ІЗ ЗЕРНИСТИМ ЗАВАНТАЖЕННЯМ ШЛЯХОМ ВИЗНАЧЕННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ ЗНАЧЕНЬ ТРИВАЛОСТІ ФІЛЬТРУВАННЯ Й ПРОМИВКИ

Горобченко Олексій Іванович

Одеса - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: Грабовський Петро Олександрович, доктор технічних наук, професор кафедри „Водопостачання” Одеської державної академії будівництва та архітектури.

Офіційний опонент: Поляков Вадим Леонтійович, доктор технічних наук, професор кафедри водопостачання Київського національного університету будівництва і архітектури, провідний науковий співробітник Інституту гідромеханіки НАН України (м. Київ).

Офіційний опонент: Сівак Віктор Михайлович кандидат технічних наук, доцент, кафедри водопостачання та бурової справи національного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне).

Захист відбудеться 24. 12. 2008 р. о 12.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.085.03 в Одеській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідрихсона, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідрихсона, 4.

Автореферат розісланий 21. 11. 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д41.085.03, к.т.н., доцент В.М. Пивонос



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Раціональне використання водних ресурсів в умовах дефіциту поверхневих вод та погіршення їх якості є складною науково-технічною й економічною проблемою. Згідно з Законом України «Про питну воду й питне водопостачання» одним із пріоритетних завдань держави є забезпечення населених пунктів високоякісною питною водою. Вирішення поставленої задачі може бути досягнуто вдосконаленням систем водопостачання, підвищенням ефективності їх роботи, впровадженням енергозберігаючих технологій і засобів автоматизації виробництва, застосуванням нових матеріалів і конструкцій. Найбільш важливим елементом систем водопостачання є водопровідні очисні споруди. Ефективність роботи цих споруд в значній мірі впливає як на якість, так і на собівартість очищеної води.

Роботу фільтрувальної споруди можна представити у вигляді двох послідовних і взаємопов'язаних між собою робочих циклів - фільтрування та промивки. Найбільш важливими експлуатаційними характеристиками першого циклу є швидкість фільтрування Vф і тривалість фільтроциклу Т, а для циклу промивки - її інтенсивність Vпр та тривалість t.

Водопровідні станції очищення води працюють в дуже складних, з погляду експлуатації, умовах. Зв'язано це, в першу чергу, із значними коливаннями якості та витрат початкової води, що відбуваються як в межах доби, так і відповідно до пори року. При невірно заданому режимі експлуатації відбувається збільшення витрат промивної води, що призводить до підвищення витрат електроенергії, реагентів, збільшення екологічного навантаження на навколишнє середовище.

Так, при щодобовій подачі питної води в Україні 6,9 млн. м3, об'єм води, що витрачається на промивку, досягає приблизно 700 тис. м3 на добу, що достатньо для водопостачання великого міста з населенням 1,5 млн. чоловік.

Розробка методик, що дозволяють визначати основні параметри режимів експлуатації фільтрувальних споруд за допомогою засобів автоматизації, в значній мірі дозволить підвищити ефективність і надійність роботи фільтрів, а також знизити екологічне навантаження на навколишнє середовище.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана із пріоритетними напрямками розвитку науки й техніки, викладеними в Законі України «Про пріоритетні напрямки розвитку науки й техніки» (п.3 «Збереження навколишнього середовища (довкілля) й сталий розвиток» та п.6 «Новітні технології й ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості й агропромисловому комплексі»).

Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні методик визначення тривалості фільтроциклу та промивки, а також розробці алгоритмів, що дозволяють здійснювати керування роботою фільтра.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні основні завдання:

- вивчити умови роботи фільтрувальних споруд;

- розглянути засоби керування роботою фільтрів, що працюють з постійною продуктивністю і продуктивністю, яка знижується в часі, і провести їх аналіз;

- розробити алгоритми керування роботою фільтрувальними спорудами; фільтрувальний споруда керування продуктивність

- отримати математичну модель роботи фільтрувальних споруд (швидкий фільтр, контактний освітлювач, напірний фільтр), виконати відпрацювання алгоритмів і перевірити адекватність отриманих математичних моделей;

- здійснити виробничу апробацію розроблених алгоритмів керування та економічно обґрунтувати запропоновані засоби керування роботою фільтрувальними спорудами.

Об'єкт досліджень - швидкі водоочисні фільтри.

Предмет досліджень - тривалість фільтроциклу й промивки фільтрів, що працюють з постійною продуктивністю і продуктивністю, яка знижується в часі.

Методи досліджень - математичне моделювання процесів фільтрування та промивки; вивчення впливу різних чинників на роботу фільтра; апробація розроблених алгоритмів керування та перевірка адекватності отриманих математичних моделей шляхом порівняння натурних спостережень і результатів чисельних розрахунків.

Наукова новизна одержаних результатів:

- обґрунтовано методику визначення тривалості фільтроциклу й промивки для фільтрів, що працюють в режимі продуктивності, яка знижується в часі;

- вдосконалено математичну модель роботи фільтра, що працює в режимі продуктивності, яка знижується в часі;

- розроблено алгоритми керування роботою фільтрувальними спорудами, що використовують оперативну інформацію роботи фільтрів.

Практичне значення одержаних результатів:

- Запропоновані алгоритми дозволяють встановлювати тривалість фільтроциклу й промивки фільтра, відповідні мінімальному значенню витрати води на власні потреби, що дозволяє скоротити ці витрати на 5-10%.

- Можливість створення могутньої інформаційної бази, яка дозволить здійснювати довгострокові прогнози в роботі фільтрів з метою запобігання виникнення аварійних ситуацій.

- Зниження екологічного навантаження на навколишнє середовище.

- Розроблені алгоритми впроваджені на існуючих спорудах м. Південноукраїнська. Річний економічний ефект склав 11 тис. грн., а питомий економічний ефект на 1 м2 площі контактного освітлювача - 250 грн/м2.

Особистий внесок здобувача. Розроблено алгоритми керування фільтрувальними спорудами. Отримано математичні моделі керування фільтрувальними спорудами. Запропоновано спосіб керування з використанням оперативної інформації, заздалегідь обробленої на математичних моделях. Складено програми реалізації цих моделей і виконано чисельні експерименти для відпрацювання алгоритмів. Проведено промислову апробацію результатів роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації апробовані на науково-технічних конференціях Одеської державної академії будівництва та архітектури (м. Одеса, 2003, 2005), науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (м. Харків, 2003, 2007), науково-технічній конференції викладачів, аспірантів та працівників Харківської національної академії міського господарства (м. Харків, 2008), міжнародних конгресах «ЭТЭВК-2001» та «ЭТЭВК-2007» (м. Ялта, 2001, 2007), «ЭКВАТЭК-2002», «ЭКВАТЭК-2004», «ЭКВАТЭК-2008» (Москва, 2002, 2004, 2008).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 праць, зокрема 5 - в спеціалізованих виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 137 найменувань, 5 додатків. Робота представлена на 150 сторінках основного тексту, включає 10 таблиць, 37 рисунків, загальний обсяг 183 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, представлено її наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, сформульовано мету й основні завдання досліджень, відображено зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

У першому розділі представлено огляд літератури, метою якого було вивчити наступні питання: завдання експлуатації, існуючі методи інтенсифікації фільтрувальних споруд, роботу фільтрувальних споруд і керування ними, відомі математичні моделі для процесів фільтрування й промивки.

Фільтрувальні споруди є важливою ланкою в комплексі водопровідних очисних споруд, при цьому вони, як правило, є «вузьким місцем» водопровідних очисних станцій, що обмежує їх продуктивність.

Завдання експлуатації водоочисних фільтрів можна сформулювати таким чином - забезпечити подачу заданої кількості води при її якості не нижче такої, яка регламентується нормами. Виявлено, що для вирішення завдань підвищення ефективності фільтрувальних споруд окрім відомих методів інтенсифікації їх роботи (фільтрування в напрямку зменшення розміру зерен завантаження; фільтрування зі швидкістю, що зменшується по ходу потоку; фільтрування зі швидкістю, що зменшується в часі; використання фільтруючих матеріалів завантажень з високою пористістю та розвиненою поверхнею; підвищення ефективності регенерації завантаження та ін.) доцільно використовувати ще й пошук раціональних значень тривалості фільтрування й промивки (раціональних режимів роботи фільтрувальних споруд).

Особливо складним є вирішення цієї задачі при роботі фільтрів з продуктивністю, яка знижується за часом. І хоча цей режим найпоширеніший на практиці, його ще недостатньо вивчено. Через відсутність довершених оперативних методів контролю, а також обґрунтованих рекомендацій, багато параметрів режимів експлуатації (тривалість фільтроциклу й промивки швидких фільтрів, періодичність скидання осаду із відстійників і т.п.) у багатьох випадках задаються довільно.

На більшості водоочисних станцій керування режимами роботи швидких фільтрів відбувається таким чином. Тривалість роботи фільтра задається оператором «на око», зважаючи на особистий досвід або згідно з графіком промивок фільтра (наприклад, в міру наповнення башти промивної води). В кращому випадку використовується досвід експлуатації фільтра в схожих умовах (якість вихідної води, доза коагулянтів, необхідна продуктивність, природні умови і т.п.). Ймовірно, що при такому підході майже завжди фільтри експлуатуються з неповною віддачею (занижена тривалість фільтроциклу).

Не краще справи йдуть і з промивкою фільтра. Тривалість промивки визначається візуально за каламутністю промивної води, або згідно з величинами, встановленими технологами. Все це негативно відбивається на ефективності роботи фільтра і, як наслідок, призводить до зростання витрат води на власні потреби.

Як альтернативний варіант керування роботою фільтрувальних споруд для пошуку оптимальних режимів роботи можна використовувати експрес-інформацію, яка поступає від приладів, встановлених на досліджуваній споруді. При цьому керування роботою фільтром здійснюватиметься за допомогою методу адаптивного керування -- керування, коли бажаний стан системи визначається на основі попереднього процесу керування (тобто на основі накопичення досвіду).

У другому розділі описано розробку алгоритмів керування роботою фільтрувальними спорудами. Перед розробкою алгоритмів керування необхідно вирішити ряд проміжних завдань: вибрати засоби керування, задати техніко-економічні критерії оцінки та здійснити вибір найбільш раціонального.

Засобами керування вибрано тривалості фільтроциклу Т і промивки t. Для обґрунтування вибору засобів керування розглянуто основні характеристики фільтра та їх взаємовплив. При збільшенні тривалості фільтрування Т збільшується кількість профільтрованої води Wф, але в завантаженні фільтра накопичується більша кількість затриманих забруднень. Тому для досягнення необхідного ефекту регенерації завантаження необхідно витратити більшу кількість промивної води Wпр. При зменшенні тривалості промивки t знижується витрата промивної води Wпр, але ефект регенерації завантаження також зменшується. У завантаженні залишається більша кількість невимитих забруднень, затриманих в ході процесу фільтрування, що призводить до зниження пористості завантаження, зростання втрат тиску в ній і, як наслідок, скорочення тривалості фільтрування Т і зменшення кількості профільтрованої води Wф.

Таким чином, обидва засоби керування тісно взаємозв'язані. Тому при пошуку економічних режимів роботи фільтрувальних споруд необхідно враховувати взаємний вплив засобів керування.

Основним критерієм оцінки роботи фільтрувальної споруди є витрати води на власні потреби Р, які визначаються як відношення об'єму води, що витрачається на одну промивку Wпр, до об'єму води, профільтрованої за один фільтроцикл Wф, і корисна продуктивність фільтра Vп - витрата фільтрату за фільтроцикл, отримана з 1м2 фільтруючого завантаження, за вирахуванням витрати води на промивку (рис.1) -

, . (1)

Для керування стохастичними процесами застосовують методи, засновані на обробці результатів активного експерименту: метод «чорного ящику», метод адаптивного керування. В результаті аналізу був прийнятий останній метод.

Роботу адаптивної системи керування швидким фільтром можна представити таким чином:

1. Вносять корективи в роботу фільтра (тобто змінюють величини Т і t).

2. В ході роботи фільтра здійснюють контроль основних параметрів роботи та збір моніторингової інформації.

3. За заданим алгоритмом виконується обробка оперативної інформації та керування роботою фільтра в режимі реального часу.

4. По завершенню циклу фільтрування проводять аналіз результатів, отриманих після внесення коректив до роботи фільтра. З використанням алгоритму пошуку оптимальних способів керування формується пропозиція за величиною й спрямованістю подальших коректувань.

5. Досвід, накопичений в ході попередніх коректувань, враховується при наступному циклі фільтрування. Алгоритм керування роботою фільтра з використанням методу адаптивного керування представлено на рис.2.

Описані вище методи керування роботою фільтра ґрунтуються на даних активного експерименту. Тобто для ухвалення рішення про зміну величини засобів керування необхідно проаналізувати декілька фільтроциклів.

Для оцінки ефективності наданого керування також необхідні відомості про роботу фільтра після внесення виправлення. Оскільки фільтр має деяку інерційність, відомості необхідно зібрати про декілька фільтроциклів, наступних після коректив. Враховуючи велику протяжність фільтроциклів, інтервали часу між наданим коректуванням та його результатом будуть дуже великі.

За цей час можуть значно змінитися умови роботи фільтра, що обірве взаємозв'язок між початковою величиною засобів керування і величиною, необхідною на даний момент. Для скорочення тимчасових інтервалів циклу «коректування - аналіз - коректування» запропоновано проводити пошук величини і спрямованості засобів керування, а також оцінку ефективності на підставі прогнозів, виконаних за допомогою математичного моделювання досліджуваного процесу (рис. 2).

Крім того, показано доцільність використання заздалегідь накопиченої бази даних для завдання початкових умов процесу пошуку раціональних величин Т і t.

Для здійснення контролю й керування роботою фільтра було розроблено наступну систему алгоритмів:

1. Оперативного керування для визначення тривалості поточного фільтроциклу Т.

2. Оптимізації тривалості фільтроциклу Т при заданій тривалості промивки t.

3. Оптимізації тривалості промивки t при заданому часі фільтроциклу Т.

4. Пошуку Т та t, які відповідають мінімуму витрат води на власні потреби.

У всіх алгоритмах використовується система обмежень:

* Каламутність фільтрату - Со?Сдоп.

* Повинна бути забезпечена необхідна корисна продуктивність - Vп?Vтреб.

* Тривалість фільтроциклу повинна бути не більш припустимої - Т<Тдоп.

* Мінімально допустима тривалість промивки - tмин ? t ? tмакс.

У третьому розділі розроблено математичну модель, яка дозволяє встановити взаємозв'язок між засобами керування Т, t, і функцією мети Р. Принципову схему роботи фільтра представлено на рис. 3, а основні рівняння математичної моделі зведено до табл. 1.

Таблиця 1 - Основні рівняння математичної моделі

№№	Рівняння	Формули
	Баланс маси затриманих забруднень
	Баланс енергії	hрасп = Z1 -Z2 = S1V12 + S2Vф2 + hЗ
	Баланс води у фільтрі
	Втрата напору в завантаженні фільтра
	Рівень води у фільтрі
	Витрати води, яка поступає до фільтра
	Витрати води, яка відводиться від фільтра
	Пористість
	Забруднення в завантаженні після промивки
	Каламутність промивної води
	Об'єм фільтрату
	Об'єм промивної води	WПР=FVпрt,
	Корисна продуктивність фільтра
	Витрати води на власні потреби

Тут Z1, Z2, ZФ, ZФ0 - п'єзометричні відмітки в колекторі сирої води, колекторі фільтрату, у фільтрі, початкова відмітка води у фільтрі (рівень жолоба), м; hрасп - напір в фільтрі, м; hз - втрата напору в завантаженні, м; V1 - швидкість подачі води у фільтр, м/год; Vф - швидкість фільтрування, м/год; Т - тривалість фільтроциклу, год; t, tпр - тривалості промивки, простою фільтра при промивці, год; S1, S2, - коефіцієнти опору комунікацій, с2/м5; сф - щільність затриманого осаду у поровому просторі, г/м3; L - висота фільтруючого шару, см; v - динамічна в'язкість води, см2/с; mo - пористість фільтруючого матеріалу; dэ - еквівалентний діаметр зерен, см; Vпр - інтенсивність промивки, см/с; Vп - корисна продуктивність фільтра, м/год; Wф - об'єм фільтрату, м3; Wпр - об'єм води, витраченої на промивку, м3; G - маса забруднень, затриманих одиницею об'єму завантаження, г/м3; Gост - маса забруднень, що залишилися в одиниці об'єму завантаження після промивки фільтра, г/м3; F - площа фільтра, м2; Р - витрати води на власні потреби, %; ДСпр - різниця каламутності промивної води на виході з фільтра і каламутності фільтрату, яким промивається фільтр, г/м3.

Для практичного застосування отриманої математичної моделі необхідно задати початкові умови:

- п'єзометрична відмітка в колекторі сирої води прийнята постійною - Z1 =const,

- початковий рівень води у фільтрі (рівний відмітці кромки жолоба) - ZФо=Zж,

- залишкові забруднення в завантаженні після промивки дорівнює нулю - Gост=0,

- пористість відповідає чистому завантаженню - m = m0,

- п'єзометрична відмітка у відвідному колекторі (прийнята постійною) - Z2=const.

Математична модель передбачає виконання прийнятих обмежень:

Со<Сдоп, Vп?Vтреб, Т<Тдоп, tмин ? t ? tмакс.

Представлена система рівнянь була реалізована чисельними методами шляхом покрокового рахунку. Для реалізації математичної моделі цим методом було розроблено алгоритм рахунку математичної моделі (рис. 4). Було встановлено, що на базі розробленої математичної моделі можна вивчати інші фільтрувальні споруди, такі як контактний освітлювач і напірний фільтр.



У четвертому розділі було вирішено ряд задач по вивченню різних умов роботи фільтра для перевірки адекватності розробленої математичної моделі й відпрацювання розроблених алгоритмів.

В ході досліджень було встановлено, що тривалість промивки, прийнята як засіб керування роботою фільтра, достатньо ефективно змінює основні характеристики (наприклад, грязеємність) фільтруючого завантаження.

На рисунку 5 представлено графік стабілізації зростання залишкових забруднень Goст за умови різної тривалості промивки t, отриманий в результаті досліджень на математичній моделі. На графіку чітко вирізняються області, відповідні ступінчастому зменшенню тривалості промивки (ділянки D, E, F, G, H) від t=7хв до t=3хв, періоди стабілізації залишкових забруднень Goст, співпадаючі за часом із зміною тривалості промивки t.

Таким чином, в звичайних умовах зростання залишкових забруднень досить швидко (на 4-5 циклі) стабілізується. Встановлено, що тривалість промивки, прийнята як засіб керування роботою фільтра, достатньо ефективно змінює основні характеристики (грязеємність) фільтруючого завантаження. При цьому слід враховувати наявність періоду стабілізації в роботі фільтра при зміні тривалості промивки.

Проведено чисельні експерименти по вивченню роботи фільтра в режимі постійної продуктивності. При роботі фільтра з регулюванням швидкості фільтрування засувкою кількість води, що поступила у фільтр, і кількість профільтрованої води залежить від рівня води у фільтрі.

Рівень води у фільтрі підтримується постійним шляхом зміни ступеню прикриття засувки фільтрату, тобто шляхом зменшення опору у відвідних комунікаціях Sз - ділянка 1-2 (рис. 6). Після того, як засувка буде повністю відкрита (Sз=0), фільтр починає працювати в режимі фільтрування з продуктивністю, що зменшується за часом (ділянка 2-3).

Вивчено вплив коливань рівня в колекторі сирої води при виведенні сусідніх фільтрів на промивку. Встановлено, що при рішенні задач адаптивного керування цим чинником можна нехтувати.

На рис. 7 представлено результати чисельних розрахунків керування роботою фільтра з використанням розроблених алгоритмів. Умовні позначення на рис. 7: 0 - А - робота фільтра до застосування алгоритму; А - В - область пошуку значень засобів керування t, Т (робота алгоритму);

В - С - період стабілізації роботи фільтра після прийняття нової величини тривалості промивки; С - D - робота фільтра з новою тривалістю промивки.

В результаті проведених розрахунків встановлено:

1. Раніше прийнята тривалість промивки t=7хв і тривалість фільтроциклу Т=29год не забезпечували мінімуму витрати води на власні потреби.

2. З використанням алгоритму було знайдено тривалість промивки t=4,7хв і тривалість фільтроциклу Т=24год, при яких виконуються обмеження (2.5) - (2.8), а витрати води на власні потреби Р мінімальні - вони скоротилися з 5,2% до 3,5%, тобто на 32,7%.

У п'ятому розділі розглянуто способи реалізації розроблених алгоритмів:

1. Без додаткових капіталовкладень з використанням існуючого обов'язкового комплекту контрольно-вимірювальних приладів, необхідного для роботи станції.

2. З використанням контрольної споруди, обладнаної необхідним комплектом контрольно-вимірювальних приладів і розповсюдженням результатів на сусідні фільтри.

3. Установка додаткового необхідного комплекту контрольно-вимірювальних приладів на кожному фільтрі (або на групі фільтрів).

Для ефективної роботи алгоритму з використанням прогнозів на основі математичного моделювання необхідний наступний комплект контрольно-вимірювальних приладів (орієнтирне розміщення - рис. 8):

1. Датчики рівня води до фільтрувальних споруд, у фільтрі, в колекторі фільтрату.

2. Лічильники витрат фільтрату й промивної води.

3. Прилади контролю каламутності води (на кожному фільтрі або на групі фільтрів).

У цьому розділі також розглянуто відомі методи оцінки ефективності впровадження нової техніки:

1. За мінімальною приведеною вартістю:

П = Ен Кс+Э,

де П - приведена витрата, грн/рік; Ен - нормативний коефіцієнт ефективності капіталовкладень, для об'єктів нової техніки задається рівним 0,15; Кс - вартість капіталовкладень, грн; Э - експлуатаційні витрати, грн/рік.

Аналіз витрат життєвого циклу (Life cycle cost - LCC).

Чистий дисконтний прибуток (ЧДП):

ЧДП =

де Эинт - економічний ефект, грн; tр - кінцевий момент розрахункового періоду, рік; Вi(t) - вартісна оцінка результатів реалізації розглянутого проекту за розрахунковий період i (або i-й період життєвого циклу проекту по впровадженню результатів НДР), i=1…t; Ci(t) - вартісна оцінка витрат на проект і реалізацію його результатів за розрахунковий період i (або i-й період життєвого циклу проекту), i=1…t; q - ставка дисконтування (порівняння); Ri - прибуток від реалізації проекту - Ri(t) = Вi(t) - Ci(t); Vt - дисконтний множник.

Розрахунок економічної ефективності методом ЧДП в умовах ринкової економіки дозволяє отримати гнучкі й точніші економічні оцінки.

Для визначення економічного ефекту було розроблено програму розрахунку ЧДП. Як приклад для визначення економічного ефекту прийнято водопровідні очисні споруди м. Південноукраїнська. Згідно з результатами розрахунку (рис. 9) термін окупності проекту склав 8 місяців. При подальшій експлуатації проект починає приносити прибуток підприємству.

Виробнича апробація алгоритмів проводилася на водопровідній очисній станції міста Південноукраїнська. Станція є комплексом споруд розрахунковою продуктивністю 42 тис. м3/добу. Впровадження проводилося без додаткових капіталовкладень - виходячи з комплекту контрольно-вимірювальних приладів і можливостей зміни засобів керування на станції. Було запропоновано наступну технологію застосування розроблених алгоритмів керування роботою фільтрувальними спорудами. Для апробації алгоритму було вибрано «розрахунковий» і «контрольний» освітлювачі (середні за своїми виробничими характеристиками). Оцінка результатів проводилася методом порівняння роботи цих освітлювачів. Робота проводилася таким чином:

1. Від приладів, встановлених на кожному контактному освітлювачі, отримували динаміку швидкості фільтрування.

2. Після накопичення достатньої кількості інформації здійснювався прогноз з метою встановлення тривалості фільтрування, відповідного заданій на даний момент корисній продуктивності.

При керуванні роботою фільтрувальними спорудами було використано два алгоритми:

1. Алгоритм оптимізації тривалості промивки при заданому часі фільтроциклу.

2. Алгоритм оптимізації тривалості фільтроциклу при заданій тривалості промивки.

Алгоритм пошуку мінімуму приведених витрат не застосовувався, оскільки продуктивність станції дуже часто змінювалася (3-4 рази протягом доби).

При роботі фільтрів за першим алгоритмом витримувався суворий графік промивок. Завдання алгоритму полягало у визначенні тривалості промивки, відповідної мінімуму витрати води на власні потреби. В ході роботи за допомогою запропонованого алгоритму було встановлено, що тривалість промивки в середньому по станції завищена на 2-3 хвилини. Скорочення тривалості промивки дозволило скоротити витрати на власні потреби на 10-15%.

При роботі фільтрів за другим алгоритмом тривалість промивки визначалася об'ємом води в промивній башті й підтримувалася постійною. Завданням алгоритму було визначити тривалість фільтроциклу, при якій буде забезпечено необхідну корисну продуктивність станції. В ході роботи за допомогою запропонованого алгоритму було встановлено, що тривалість фільтроциклу занижена в середньому на 4 години. Підставою для розрахунків економічного ефекту є дані ПТБ ЦВКХ і ТС Південноукраїнської водопровідної очисної станції м. Південноукраїнська за 2005г., зведені до табл. 2.

Таблиця 2 - Дані для економічних розрахунків за результатами випробувань

Розрахунковий параметр	Одиниці вимірювання	Контрольний	Розрахунковий
Середня швидкість фільтрування	м/год	5	5
Середня тривалість фільтроциклу	год	20	24
Витрати води на одну промивку	м3	500	380

Економія об'єму води на власні потреби контактного освітлювача № 10 за рік при його корисній площі 44 м2 склала ДW=13,4 тис. м3.

Річний економічний ефект склав близько 11 тис. грн, питомий економічний ефект на 1 м2 площі освітлювача - Э? = 250 грн/м2.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Проаналізовано відомі способи інтенсифікації фільтрувальних споруд і показано актуальність пошуку раціональних режимів керування роботою фільтрувальних споруд.

2. Вивчено режими роботи фільтрувальних споруд та існуючі засоби керування їх роботою. Встановлено відсутність обґрунтованих рекомендацій за визначенням тривалості фільтроциклу T і промивки t для найбільш поширеного випадку - роботи при продуктивності, що знижується в часі. Визначено критерії оцінки ефективності роботи фільтра - витрата води на власні потреби Р і корисна продуктивність фільтра Vп.

3. Доведено, що найкращим методом керування роботою фільтрів є адаптивне керування.

4. Розроблено алгоритми оперативного й довгострокового керування роботою фільтра. Для скорочення числа послідовних наближень при пошуку раціональних величин Т і t рекомендовано застосовувати комбінований спосіб, заснований на пошуку рішень з використанням розроблених математичних моделей та бази даних.

5. Запропоновано математичні моделі, що дозволяють відображати взаємозв'язок вибраних засобів керування (Т і t) та основних технологічних характеристик фільтрувальних споруд.

6. Для реалізації моделей обрано чисельний метод з використанням покрокового рахунку. Розроблено алгоритм розрахунку математичної моделі й вибрано крок часу, який забезпечує задовільну точність обчислень.

7. Проведено апробацію розробленої математичної моделі шляхом зіставлення результатів рішення ряду прикладних завдань з фізичними уявленнями про досліджуваний процес.

8. Проаналізовано існуючі методи оцінки ефективності впровадження запропонованого алгоритму, на основі чого для оцінки ефективності впровадження прийнято чистий дисконтний прибуток (ЧДП). Розроблено програму визначення економічної ефективності.

9. Запропоновані алгоритми було впроваджено на станції очищення води м. Південноукраїнська. Річна економія води на власні потреби контактного освітлювача площею 44 м2 склала 13,4 тис. м3, річний економічний ефект - близько 11 тис. грн, питомий економічний ефект 250 грн/м2.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Грабовский П.А., Горобченко А.И. Оптимизация режимов эксплуатации водоочистных станций с использованием современных средств автоматизации // Сб. материалов III международной выставки-коференции «Вода 2000». «Актуальные проблемы водоподготовки, водоснабжения и водоотведения стран Черноморского региона». Одесса, 14-16 сент. 2000 г. - Одесса, 2000. - С. 123-124.

2. Грабовский П.А., Горобченко А.И. Оптимизация режимов эксплуатации водоочистных станций // Сб. докладов Международного конгресса «ЭТЭВК-2001» -- Экология, технология, экономика водоснабжения и канализации. Ялта, 22-26 мая 2001 г. - Ялта, 2001. - С. 127-129.

3. Грабовский П.А., Горобченко А.И. Способы управления работой скорых фильтров // Коммунальное хозяйство городов. Научно-техн. сб. ХНАГХ. - К.: Техника. - 2002. - Вып. 45. - С. 151-158.

4. Грабовский П.А., Горобченко А.И. Постановка задачи оптимального управления работой скорых водоочистных фильтров // Тезисы докладов V Международного конгресса «Вода: экология и технология» (ЭКВАТЭК-2002). Москва, 4-7 июня 2002 г. - М., 2002. - С. 344.

5. Грабовський П.О., Горобченко О.І. Керування роботою швидких водоочисних фільтрів // Науковій вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ. - 2003. - Вип. 22. - С. 132-136.

6. Горобченко А.И. Математическая модель и алгоритм управления фильтровальными сооружениями // Вісник ОДАБА. - Зб. наук. праць. - Вип. 11, Одеса: Астропринт, 2003. - С. 119-124.

7. Грабовский П.А., Горобченко А.И. Способы оптимизации работы фильтровальных сооружений // Тезисы докладов VI Международного конгресса «Вода: Экология и Технология» (ЭКВАТЭК-2004). Москва, 1-4 июня 2004 г. - М., 2004. - С. 559-560.

8. Горобченко А.И. Адаптивное управление работой фильтровальных сооружений // Сб. докладов Международного конгресса «ЭТЭВК-2007» - Экология, технология, экономика водоснабжения и

9. канализации. Ялта, 22-26 мая 2007 г. - Ялта, 2007. - С. 322-323.

10. Горобченко А.И. Математическая модель работы контактного осветлителя // Науковій вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ. - 2007. - Вип. 40. - С. 266-270.

11. Горобченко А.И., Гуринчик Н.А. Применение математического моделирования процесса фильтрования с переменной скоростью для получения оптимальных режимов работы фильтровальных сооружений // Программа и тезисы докладов XXXIV научно-техн. конфер. преподавателей, аспирантов и сотрудников ХНАГХ. - Часть 1. - Харьков, 2008. - C.162-165.

12. Грабовский П.А., Горобченко А.И. Гуринчик Н.А. Постановка задач оптимального проектирования и управления работой фильтровальных сооружений // Тезисы докладов VIІІ Международного конгресса «Вода: Экология и Технология» (ЭКВАТЭК-2008). Москва, 1-4 июня 2008 г. - М., 2008. - С. 15.



АННОТАЦИЯ

Горобченко А.И. Интенсификация работы водоочистных сооружений с зернистой загрузкой путём определения рациональных значений продолжительностей фильтрования и промывки. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - водоснабжение, канализация. - Одесская государственная академия строительства и архитектуры. Одесса. 2008.

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме повышения эффективности работы фильтровальных сооружений путём поиска оптимальных параметров работы, таких как продолжительность фильтроцикла, продолжительность промывки.

Научно обоснованы рекомендации по выбору продолжительности фильтроцикла для фильтровальных сооружений, работающих в режиме снижающейся по времени производительности.

Произведён обзор существующих методов интенсификации фильтровальных сооружений. Показана актуальность поиска рациональных значений продолжительностей фильтроцикла и промывки фильтровальных сооружений.

Изучены различные режимы работы фильтровальных сооружений и существующие способы управления их работой. Установлено отсутствие обоснованных рекомендаций по определению продолжительности фильтроцикла для наиболее распространённого случая - работы в режиме снижающейся во времени производительности.

Рассмотрены основные характеристики работы фильтровальных сооружений с целью выбора управляющих воздействий. Показано, что в качестве основных управляющих параметров работы фильтровального сооружения целесообразно принять продолжительность фильтрования Т и продолжительность промывки t. Определены критерии оценки эффективности работы фильтра - расход воды на собственные нужды Р и полезная производительность фильтра Vп.

Исходя из условий работы фильтровальных сооружений и особенностей процессов, произведён выбор метода управления работой фильтра - метод адаптивного управления.

Разработаны алгоритмы оперативного и долгосрочного управления работой фильтра. Ввиду большой инертности фильтровальных сооружений, наличия периодов стабилизации поиск оптимальных управляющих воздействий занимает достаточно длительное время. Для сокращения времени вывода фильтра в режим, соответствующий минимуму расхода воды на собственные нужды, рекомендовано применять комбинированный способ управления, основанный на поиске промежуточных решений с помощью разработанных математических моделей, также с использованием базы данных.

В настоящей работе разработаны математические модели, которые позволяют отражать взаимосвязь выбранных управляющих воздействий и основных технологических параметров фильтровальных сооружений.

Рассмотрены различные способы реализации математической модели. Выбран численный метод с использованием пошагового счёта. Разработан алгоритм счёта математической модели, выбран шаг счёта, который обеспечивает удовлетворительную точность расчёта.

Произведена апробация разработанной математической модели путём сопоставления результатов решения прикладных задач, полученных с использованием математической модели с общепринятыми представлениями об исследуемом процессе. Разработанные математические модели фильтровальных сооружений позволяют описывать различные режимы работы, а также учитывать влияние внешних факторов на работу фильтра.

Проведён обзор существующих методов оценки эффективности внедрения предложенного алгоритма, на основе которого для оценки эффективности внедрения разработанного алгоритма принят чистый дисконтированный доход (ЧДД). Разработана программа определения экономической эффективности с использованием методики ЧДД.

Представлены результаты экспериментального внедрения разработанного алгоритма. Определён экономический эффект на период внедрения. Экономия воды на собственные нужды контактного осветлителя за год при его полезной площади 44 м2 составила 13,4 тыс. м3, годовой экономический эффект составил около 11 тыс. грн, удельный экономический эффект на 1 м2 площади осветлителя - 250 грн/м2.

Ключевые слова: очистка воды, скорый фильтр, переменная скорость фильтрования, алгоритм, оптимизация, режимы управления.



АНОТАЦІЯ

Горобченко О.І. Інтенсифікація роботи водоочисних споруд із зернистим завантаженням шляхом визначення раціональних значень тривалості фільтрування й промивки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04. - водопостачання, каналізація. - Одеська державна академія будівництва та архітектури. Одеса. 2008.

Дисертаційна робота присвячена актуальній проблемі підвищення ефективності роботи фільтрувальних споруд шляхом пошуку оптимальних параметрів роботи таких як тривалість фільтроциклу та тривалість промивання.

Науково обґрунтовані рекомендації вибору тривалості фільтроциклу для фільтрувальних споруд, працюючих у режимі продуктивності, що знижується за часом.

Розроблено алгоритми оперативного й довгострокового керування роботою фільтра. Для скорочення кількості послідовних наближень, під час пошуку величин тривалості фільтроциклу та тривалості промивання, встановлено доцільність використання математичних моделей роботи фільтра. У роботі розроблено математичні моделі, які дозволяють відображати взаємозв'язок вибраних тривалостей фільтроциклу, промивання та інших технологічних параметрів фільтрувальних споруджень.

Розроблено програму визначення економічної ефективності з використанням методики ЧДП.

Експериментальне впровадження розробленого алгоритму доводить можливість підвищення ефективності роботи фільтрувальних споруджень шляхом раціонального вибору тривалості фільтроциклу та тривалості промивання.

Ключові слова: очищення води, швидкий фільтр, змінна швидкість фільтрування, алгоритм, оптимізація, режими керування.

THE SUMMARY

Gorobchenko A.I. - The intensification work of water supply constructions with granular bed by determination of rational importance of filtration and backwashing duration. - Manuscript. The dissertation on the competition of a scientific degree of Candidate in Technical Sciences in specialty 05.23.04. - water supply, sewage - Odessa state academy of building and architecture. Odessa. 2008.

Dissertation work is dedicated to the vital problem of an increase in the effectiveness in the filter construction work by the search for the optimum parameters such as: the duration of filter run and washing. The recommendations regarding the selection of filter run duration for the filter constructions working in the regime of the productivity descending on the time are scientifically substantiated. The choice of the method controlling the filter work - the method of adaptive control - is based on the conditions for filter constructions work and on the specific features of processes. The algorithms of operational and long-term control of the filter work are developed. The search for controlling influences by means of the mathematical models of the filter work is established to reduce the number of successive approximations. The mathematical models, which make it possible to reflect the interrelation of the selected controlling influences and the basic technological parameters of filter constructions, are developed.The different methods of mathematical model realization are considered. The numerical method with the use of step-by-step calculation is selected for the realization of this model. The algorithm of the calculation of mathematical model is developed, the step of calculation, which ensures the satisfactory accuracy of calculation, is selected.

The program of the determination of economic effectiveness with the use of a procedure NDI (Net Discount Income) is developed. The results of the experimental implementation of the developed algorithm are represented.

The keywords: water treatment, rapid filter, the variable rate of filtration, algorithm, optimization, the control modes.

Размещено на Allbest.ru

...