АВТОМАТИЗАЦИЯ ПЕРВОГО ПОДЪЕМА НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПГТ. НОВООРЛОВСК ЗАБАЙКАЛЬСКОГО КРАЯ
Научная статья
Палкин Г.А.1, *, Суворов И.Ф.2
1 ORCID: 0000-0001-9025-2524;
1, 2 ФГБОУ ВО Забайкальский государственный университет, Чита, Россия
* Корреспондирующий автор (pala88[at]yandex.ru)
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.
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 ORCID: 0000-0001-9025-2524;
1, 2 FSEI HE Transbaikal state university, Chita, Russia
* Corresponding author (pala88[at]yandex.ru)
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.
| Финансирование
Работа выполняется в рамках реализации проекта «Снижение энергетических затрат при эксплуатации скважинных насосных агрегатов систем водоснабжения путем разработки комплекса автоматического управления», финансируемого Советом по грантам Президента Российской Федерации (приказ №637). |
Funding
The work is carried out in the framework of the project “Reduction of energy costs in the operation of downhole pumping units of water supply systems by developing an automatic control system”, funded by the Council on grants of the President of the Russian Federation (order No. 637). |
| Конфликт интересов
Не указан |
Conflict of Interest
None declared |
Список литературы / References
- 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
Список литературы на английском языке / References in English
- MDK 3-02.2001 Pravila tekhnicheskoy ekspluatacii sistem i sooruzheniy kommunalnogo vodosnabzheniya i kanalizacii [Rules of technical operation of systems and structures of public water supply and Sewerage]. Moscow, 2000, 93 p. [in Russian]
- Terekhov L.D. Vodosnabzhenie i vodootvedenie v severnykh klimaticheskikh usloviyakh [Water supply and sanitation in Northern climatic conditions]/L.D. Terekhov, O.V. Akimov, YU.M. Akimova. Khabarovsk, FESURT Publ, 2008, 124 p., ill. [in Russian]
- Grigor’ev V.V. Raschet uslovij sovmestnoj prokladki truboprovodov nadzemnym sposobom [Сalculation of conditions for joint laying of overground pipelines] / Grigor’ev V.V., Zaharov P.E., Kondakov A.S., Larionova I.G. Matematicheskie zametki SVFU [Mathematical notes of NEFU], – 2017. vol. 24. – No.3. – pp. 78-89. [in Russian]
- Palkin G.A. Sposoby povysheniya economicheskoy effectivnosti i nadezhnosti ekspluatatsii uchastkov pervogo pod`ema system vodosnabzheniya s nakaplivayushchim reservuarom [Ways to improve the economic efficiency and reliability of operation the first lifting area in water supply systems with a storage reservoir] / Palkin G.A., Gorbunov R.V. Mezhdunarodniy nauchno-issledovatel`skiy zhurnal [International research journal]. Ekaterinburg: the Company POLYGRAPHIST Publ, – 2015, part. 1. – No.2-1(33). – pp. 59-60. [in Russian]
- Palkin G.A. Povyshenie otkazoustojchivosti sistemy vodosnabzheniya putem upravleniya nasosnymi agregatami [Increasing fault tolerance of the water system by controlling pumping units] / Palkin G.A., Gorbunov R.V., Suvorov I.F. // Informacionnye tekhnologii v modelirovanii i upravlenii: podhody, metody, resheniya: Sbornik nauchnyh statej I Vserossijskoj nauchnoj konferencii 12-14 dekabrya 2017 [Information technologies in modeling and management: approaches, methods, solutions: Collection of scientific articles of the I all-Russian scientific conference: December 12-14, 2017].– Tolyatti: Kachalin Aleksandr Vasilevich, 2017. part. 2. – 656 p. [in Russian]
- Palkin G.A. Upravlenie nasosnymi agregatami pervogo podema system vodosnabzheniya s nakaplivayushim reservuarom [Control of the first lifting pumping units on water supply system with storage reservoir] / Palkin G.A., Suvorov I.F. // Sovremennye naukoyemkie tekhnologii [Modern science-intensive technologies].- 2017. – No.7. – pp. 55-60. [in Russian]
- 2187888 Russian Federation, MPK G05D 9/00, G05D 7/00, G05D 23/00 Sposob regulirovaniya urovnya zhidkosti v emkosti-sbornike i cifrovaya sistema dlya ego osushchestvleniya [A method for regulating the liquid level in the collection vessel and a digital system for its implementation] / G.A. Palkin, R.V. Gorbunov, I.F. Suvorov, D.A. Dejs; the applicant and the patentee Trans-Baikal State University. – No 2015118302/28; appl. 15.05.2015; publ. 10.08.2016, Bul.Number 22 – 10p.: il. [in Russian]
- Shevelev F.A. Tablicy dlya gidravlicheskogo rascheta vodopovodnykh trub [Tables for the hydraulic calculation of water pipes]/F.A. Shevelev, A.F. Shevelev. Moscow, Stroyizdat Publ, 1984, 177 p. [in Russian]
- Tsvetkov F.F. Zadachnik po teplomassoobmenu [Problem book in heat and mass transfer] / F.F. Tsvetkov, R.V. Kerimov, V.I. Velichko. Moscow, MEI Publ, 2008, 196 p., ill. [in Russian]
- Palkin G.A. Kompyuternoe modelirovanie truboprovodov nadzemnoj prokladki s celyu ocenki ih teplovyh parametrov [Computer simulation of above the ground pipelines with the purpose of estimation of their heat parameters] / Palkin G.A., Kobylkin M.V., Suvorov I.F. // Nauchno-tekhnicheskij vestnik Povolzhya [Scientific and technical bulletin of the Volga region], – 2018. No.12. – pp. 271-274. [in Russian]
- 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
Загрузка...
