Автоматизация первого подъема на примере системы водоснабжения пгт. Новоорловск Забайкальского края

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизация первого подъема на примере системы водоснабжения пгт. Новоорловск Забайкальского края

Палкин Г.А.

Аннотация

В данной работе приводится краткое описание проекта по разработке аппаратно-программного комплекса управления насосными агрегатами первого подъема системы водоснабжения пгт. Новоорловск Забайкальского края. Целью работы является повышение экономической эффективности процесса наполнения водой накапливающего резервуара первого подъема. Кроме того комплекс должен обеспечивать высокую надежность функционирования участка первого подъема путем предотвращения замерзания трубопровода. Производится анализ технической и экономической эффективности предложенных решений.

Ключевые слова: водоснабжение, автоматическое управление, уровень, температура. насосный автоматизация резервуар водоснабжение

AUTOMATION OF FIRST LIFT ON THE EXAMPLE OF WATER SUPPLY SYSTEM IN NOVOORLOVSK VILLAGE OF ZABAYKALSKY KRAI

Research article

Palkin G.A.1, *, Suvorov I.F.2

1, 2 FSEI HE Transbaikal state university, Chita, Russia

Abstract

This work presents a brief description of the project on the development of a hardware-software complex for controlling pumping units of the first lift of a water supply system in Novoorlovsk village of Zabaykalsky Krai. The goal of the work is to increase the economic efficiency of the accumulating reservoir water filling process in the first lift. Besides, the complex should provide high reliability of the operation of the first lift by preventing freezing of the pipeline. The paper presents the analysis of the technical and economic efficiency of the proposed solutions.

Keywords: water supply, automatic control, level, temperature.

Введение

Организация водоснабжения является важной составляющей нормального существования любого населенного пункта или промышленного предприятия.

Соответственно, процесс водоснабжения нормируется государственными стандартами, требующими выполнения ряда требований [1].

В системе водоснабжения пгт. Новоорловск Забайкальского края используется схема с накапливающим резервуаром. В подобных системах участок между скважиной и накапливающим резервуаром называется участком первого подъема. Преимуществом данной схемы является возможность аккумулирования и резервирования воды, выкачиваемой из скважин, для бесперебойного снабжения конечного потребителя. Подобные схемы системы водоснабжения широко распространены на территории Забайкальского края и Российской Федерации.

Основным недостатком схемы с накапливающим резервуаром является перелив воды из резервуара. Перелив возникает, когда скважинные насосные агрегаты первого подъема перекачивают в резервуар больше жидкости, чем необходимо конечному потребителю, а излишки воды сбрасываются в окружающую среду. При переливе происходит неоправданная растрата природных и производственных ресурсов. Только затраты электроэнергии на перелив в системе водоснабжения пгт. Новоорловск достигают до 30% от общей величины электропотребления.

Исходя из вышесказанного, актуальной задачей для обеспечения экономической эффективности системы водоснабжения пгт. Новоорловск является разработка комплекса автоматического управления, позволяющего минимизировать перелив воды и обеспечить достаточную надежность функционирования участка первого подъема.

Анализ предметной области

Для решения проблемы перелива воды из накапливающего резервуара необходимо плавно изменять производительность работы насосного агрегата первого подъема в зависимости от нужд конечного потребителя (уровня воды в накапливающем резервуаре), что, в свою очередь, будет изменять объемный расход жидкости в трубопроводе. При регулировании величины расхода жидкости будет изменяться и её температура, поскольку параметры теплопереноса напрямую зависят от величины объемного расхода воды в трубопроводе [2, C. 50-51].

Таким образом, изменение расхода жидкости, перекачиваемой в резервуар, увеличивает вероятность замерзания трубопровода, что необходимо учитывать в алгоритме управления комплексом. Ситуация осложняется тем, что в системе водоснабжения пгт. Новоорловск трубопровод заглубляется в грунт на уровень, недостаточный для предотвращения замерзания воды, а методы активной защиты (греющий кабель, предварительный водоподогрев) не используются ввиду низкой рентабельности [3, C. 78-79]. В данной ситуации для предотвращения замерзания водоводов используется способ подачи по трубопроводу максимального расхода воды. Данный способ приводит к постоянному максимальному переливу.

Соответственно, для обеспечения экономически эффективного наполнения накапливающего резервуара водой необходимо на участке первого подъема поддерживать расход жидкости, достаточный для удовлетворения нужд конечного потребителя, и обеспечивающий защиту трубопровода от замерзания при минимальном переливе [4, C. 59-60].

Для достижения поставленной цели необходимо разработать алгоритм вычисления оптимальной величины расхода жидкости и аппаратную часть комплекса для его реализации. Дополнительно комплекс должен осуществлять диагностику технического состояния насосов, с целью расчета их ресурса и автоматического ввода резерва, в случае угрозы возникновения аварийной ситуации [5].

Методы реализации поставленных задач

Схема участка первого подъема системы водоснабжения пгт. Новоорловск имеет вид, представленный на рисунке 1.

Рис. 1 - Схема системы водоснабжения

В соответствии c техническим заданием необходимо было автоматизировать 10-ю скважину, которая имеет три насосных агрегата (1 основной, 1 резервный, 1 запасной) ЭЦВ10-65/100 мощностью 32 кВт каждый. Основной и резервный насос подключаются к распределительному узлу трубопроводом с диаметром условного прохода 150 мм. Далее вода транспортируется по сдвоенному трубопроводу с диаметром условного прохода 274 мм протяженностью 9 км и заглубленному в грунт примерно на 2 м в сдвоенный накапливающий резервуар.

Для реализации основных функциональных возможностей комплекса управления была разработана структурная схема его аппаратной части [6, C. 55-60], которая была адаптирована для автоматизации участка первого подъема системы водоснабжения пгт. Новоорловск в соответствии с рисунком 2.

Рис. 2 - Схема автоматизации участка первого подъема

На схеме Q1 - электромагнитный расходомер, L1 - ультразвуковой уровнемер, Т2 - датчик температуры окружающего воздуха, Т1-1 и Т1-2 -врезные датчики температуры воды в трубопроводе, М - электродвигатели скважинных насосов.

На рисунке 3 приводятся и функциональные требования к комплексу управления данным объектом.

В соответствии с поставленными требованиями процесс автоматизации участка первого подъема заключается в управлении производительностью основного насосного агрегата при помощи частотного преобразователя (ЧП). Необходимо, чтобы индикация параметров и управление частотным преобразователем осуществлялось на месте (щит ЧП), на контроллере (устройстве управления) и дистанционно через АРМ (автоматизированное рабочее место - персональный компьютер).

Также необходимо предусмотреть возможность ручного и автоматизированного выбора основного насосного агрегата и возможность ручного запуска и остановки основного насосного агрегата.

Рис. 3 - Функциональные требования

Автоматическое управление производительностью насосного агрегата должно осуществляться в зависимости от параметров расхода, получаемых от устройства управления и показаний расходомера, установленного на трубопроводе перед распределительным узлом. Расход рассчитывается специальным программным алгоритмом [7], на основании данных получаемых от датчиков температуры воды в конце сдвоенного трубопровода и уровня в накапливающем резервуаре. Информация со всех датчиков отображается на устройстве управления и АРМ оператора.

Анализ эффективности предложенных решений

Для оценки эффективности предложенных решений выполнялись расчеты температуры жидкости в конечной части трубопровода (как наиболее невыгодной точке трубопровода) [2, C. 50], [8], [9].

Для упрощения процесса расчета применялась специальная авторская программа оценки тепловых параметров трубопровода [10, C. 271-274].

При помощи данной программы был произведен расчет трубопровода первого подъема автоматизированной системы водоснабжения. В результате были получены зависимости температуры от расхода, представленные на рисунке 4.

Рис. 4 - Зависимость температуры воды от расхода

Анализируя рисунок 4, можно сделать вывод, что графически зависимость температуры жидкости в конечной части трубопровода от расхода является криволинейной и напоминает логарифмическую. При температуре окружающей среды 0 0С на заданных характеристиках системы замерзание маловероятно и может произойти только на сверхмалых расходах. При температуре окружающей среды -15 0С замерзание произойдет при расходе 5 м3/ч в одном трубопроводе и общем расходе 10 м3/ч соответственно. При температуре -35 0С замерзание произойдет при расходе 12 м3/ч в одном трубопроводе и общем расходе 24 м3/ч. Таким образом можно сделать вывод, что снижение расхода ниже данных величин недопустимо. А на более высоких значениях расхода выбранный способ управления обеспечивает защиту трубопровода от замерзания и минимизацию перелива воды из накапливающего резервуара. Результаты данных расчетов были апробированы на специальном лабораторном стенде [11, C. 227-234].

Для оценки экономической целесообразности был произведен приблизительный расчет экономических затрат системы водоснабжения пгт. Новоорловск, определена себестоимость внедряемого комплекса и рассчитан срок его окупаемости. Отношение затрат на установку комплекса управления насосными агрегатами к годовой экономии средств, за счет использования данной системы, равно - 828 782 руб. / 270 334 руб. = 3,06. Срок окупаемости разрабатываемого комплекса составит примерно 3 года.

Заключение

Разработанная система позволит организовать максимально эффективный и практически бесперебойный процесс водоснабжения потребителей пгт. Новоорловск. Также данный комплекс может быть легко адаптирован для применения в системах водоснабжения аналогичной структуры. На текущий момент комплекс находится на стадии пробного внедрения.

Список литературы

МДК 3-02.2001 Правила технической эксплуатации систем и сооружений. M.: 2000. 93 с.

Терехов Л.Д. Водоснабжение и водоотведение в северных климатических условиях: учебное пособие/Л.Д. Терехов, О.В. Акимов, Ю.М. Акимова - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. - 124 с.: ил.

Григорьев В.В. Расчет условий совместной прокладки трубопроводов надземным способом / Григорьев В.В., Захаров П.Е., Кондаков А.С., Ларионова И.Г.// Математические заметки СВФУ, - 2017. Т. 24. - № 3. - С. 78-89.

Палкин Г.А. Способы повышения экономической эффективности и надежности эксплуатации участков первого подъема систем водоснабжения с накапливающим резервуаром / Палкин Г.А., Горбунов Р.В. // Международный научно-исследовательский журнал. Екатеринбург: Компания ПОЛИГРАФИСТ, 2015. Ч.1 - №2-1 (33). - С. 59-60.

Палкин Г.А. Повышение отказоустойчивости системы водоснабжения путем управления насосными агрегатами / Палкин Г.А., Горбунов Р.В., Суворов И.Ф. // Информационные технологии в моделировании и управлении: подходы, методы, решения: Сборник научных статей I Всероссийской научной конференции 12-14 декабря 2017. - Тольятти: Издатель Качалин Александр Васильевич, 2017. Ч.2 - 656 с.

Палкин Г.А. Управление насосными агрегатами первого подъема системы водоснабжения с накапливающим резервуаром / Палкин Г.А., Суворов И.Ф. // Современные наукоемкие технологии, 2017. - № 7. - С. 55-60.

Пат. 2593649С1 Российская Федерация МПК G05D 9/00, G05D 7/00, G05D 23/00 Способ регулирования уровня жидкости в емкости-сборнике и цифровая система для его осуществления / Г.А. Палкин, Р.В. Горбунов, И.Ф. Суворов, Д.А. Дейс; патентообладатель Заб. гос. ун-т. - №2015118302/28; заявл. 15.05.2015; опубл. 10.08.2016, Бюл. № 22. - 10 с.: ил.

Шевелев Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб / Ф.А. Шевелев, А.Ф. Шевелев. М.: Стройиздат, 1984. 177 с.

Цветков Ф.Ф. Задачник по тепломассообмену / Ф.Ф. Цветков, Р.В. Керимов, В.И. Величко. - 2-е изд., исправ. и доп. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 196 с., ил.

Палкин Г.А. Компьютерное моделирование трубопроводов надземной прокладки с целью оценки их тепловых параметров / Палкин Г.А., Кобылкин М.В., Суворов И.Ф. // Научно-технический вестник Поволжья, - - № 12. - С. 271-274.

Palkin G. Evaluation of ways to improve the energy efficiency of the sites of the first rise supply water systems with a storage tank by laboratory modeling / Palkin G., Suvorov I., Gorbunov R. // International Ural Conference on Green Energy (UralCon), Chelyabinsk, IEEE Xplore, 2018. pp. 227-234. doi: 10.1109/URALCON.2018.8544369

Размещено на Allbest.ru