Василенко А.А., Грабовський П.А., Ларкіна Г.М., Поліщук А.В., Прогульний В.І. Реконструкція і інтенсифікація споруд водопостачання та водовідведення

Подождите немного. Документ загружается.

141

де q – подача;

n – частота обертання;

H – напір;

N – потужність, що споживається електродвигуном.

Зміна частоти обертання насоса може бути реалізована такими

способами:

1. Використанням двигунів зі змінною частотою обертання-

•

електродвигуни постійного струму,

•

електродвигуни змінного струму з перемиканням обмо-

тки на різне число пар полюсів,

•

колекторні електродвигуни,

•

парові й газові турбіни,

•

двигуни внутрішнього згоряння.

2. Застосуванням гідромуфти або електромагнітної муфти ковзання.

3. Зміною частоти струму.

У насосних станціях підприємств ВКГ найбільше застосування

одержали короткозамкнені асинхронні двигуни змінного струму, що

не допускають зміни частоти обертання.

Гідромуфти конструктивно складні, вимагають збільшення га-

баритів насосної станції і є джерелами втрат енергії, що зростають зі

збільшенням глибини регулювання.

Електромагнітні муфти ковзання один час вважалися досить пе-

рспективними [47]. Однак, останнім часом найбільше поширення оде-

ржали частотні перетворювачі струму для регулювання роботи насо-

сів.

За даними фірми "Wilo", що є одним з лідерів на світовому рин-

ку насосів, у практиці західноєвропейських країн сьогодні безумовна

перевага віддається принципу управління числом обертів двигуна на-

соса в порівнянні з дросельним або рециркуляційним рішеннями. Ви-

сока ефективність і простота застосування цього принципу привели до

його швидкого успіху. Альтернативні способи - двигуни постійного

струму, в’язке зчеплення (гідромуфти) та ін. застосовуються винятково

в нестандартних і спеціальних випадках.

Необхідно відмітити, що зменшення числа обертів насоса допу-

скається до 40 % від номінального, оскільки при дуже малому числі

обертів двигун може недостатньо прохолоджуватися. Напір при цьому

знижується приблизно на 80%.

Серйозним недоліком систем частотного регулювання є їх порі-

вняно висока вартість. Орієнтовна ціна перетворювачів потужністю від

160 до 450 кВт – 84 – 95 доларів США за 1 кВт потужності. Можливе

142

використання одного перетворювача частоти для декількох насосів. У

цьому випадку потрібна додаткова станція групового управління вар-

тістю від 400 до 900 доларів США. Відносно високі витрати на при-

дбання насосів з електронним управлінням, як стверджують фірми

виробники, окупаються, як правило, дуже швидко

Докладний аналіз способів регулювання частоти обертання на-

сосів наведений в [50].

3.3.2. Методи управління насосною станцією

Під раціональним управлінням насосною станцією розуміються

такі режими її роботи, при яких забезпечується необхідна подача води

споживачам при мінімальних надлишкових напорах і мінімальних ви-

тратах енергії.

Складність рішення завдання вибору таких режимів обумовлена

дуже широкими діапазонами коливань необхідних витрат і напорів, що

відбуваються протягом доби, по днях тижня та по сезонах року. Так,

для міста із чисельністю населення 100 тис. чоловік коливання добо-

вих витрат становлять ± 30 %. Ще більші коливання годинних витрат

(протягом доби): від +54 % до 72 % [9].

Досить великі коливання необхідних напорів на виході з насос-

них станцій. Розглянемо спрощену схему роботи насосної станції на

водопровідну мережу. Нехай місто забудоване 9-ти поверховими бу-

динками, місцевість із плоским рельєфом (рис. 3.25). Втрата в мережі

при максимальному водорозборі становить 16 м, мінімальна витрата

вдвічі менше максимальної. Необхідний вільний напір для 9-ти пове-

рхової забудови при максимальному водорозборі - 42 м, при мініма-

льному - 34 м [9].

Напір на початку мережі при максимальному водорозборі дорі-

внює - 42 + 16 = 58м, а при мінімальному - 34 + 4 = 38 м. Таким чином,

напори насосної станції в цих режимах відрізняються на 20 м. Якщо

при мінімальній витраті використовувати той же насос, що і при мак-

симальній, то при такому ж напорі, що розвивається (а фактично напір

при зменшенні подачі росте) у всій мережі будуть створені значні над-

лишкові напори (див. пунктир на рис. 3.25).

В результаті в диктуючій точці буде надлишковий напір 20 м, а

в інших точках - ще більше. Звідси зрозуміла необхідність регулюван-

ня напорів на виході з насосної станції.

Веб – вузол - www.infoline.ru/~krn.nasos/price.htm#pchprice/.

143

Таке регулювання на існуючій насосній станції можна здійсню-

вати такими способами:

Мінімальна витрата

(необхідний напір)

Рис. 3.25. Схема до визначення напору насосної станції

НС

Максимальна витрата

(необхідний напір)

Максимальна витрата

(фактичний напір)

Вибором підходящого насоса або їх сполучення.

Регулюванням параметрів декількох або одного із працюючих на-

сосів (

розд.3.3.1). Слід зазначити, що питання про оптимальне регулю-

вання групи насосів розглядалося ще в 30-ті роки. В роботі [51] дове-

дено, що мінімальна витрата енергії буде при регулюванні одного із

групи паралельно працюючих відцентрових насосів. Цьому ж питанню

присвячені і більш пізні статті [52,53,54].

Використання автоматизованих систем управління (АСУ) роботою

систем подачі й розподілу води [50,55].

З перерахованих способів найбільш ефективний, зрозуміло,

останній – використання

АСУ. Однак створення АСУ вимагає значних

капітальних витрат і вирішення ряду складних технічних завдань, до

яких, зокрема, відноситься передача диспетчерові оперативної інфор-

144

мації про роботу системи (наприклад, напорів у диктуючих точках ме-

режі). Крім того, не можна вважати остаточно вирішену проблему ал-

горитму управління системою через її складність, хоча такі досліджен-

ня й проводяться [55]. Тому більш реальним способом управління для

більшості Водоканалів варто вважати 1-й і 2-й способи.

Одним з найбільш простих способів управління насосною стан-

цією є автоматизація роботи насосів шляхом підтримки заданого тиску

на виході з насосної станції [53]. Цей спосіб часто використовують для

порівняно невеликих підкачуючих насосних станцій з використанням

імпортного обладнання (наприклад, фірм Wilo або Grundfos). Для

управління багатонасосними установками фірма Wilo використовує

наступну технологію [56].

Контроль і управління роботою установки здійснюється за до-

помогою датчиків тиску на виході з насосної станції: залежно від цьо-

го тиску в межах заданого діапазону включаються або вимикаються

один за іншим насоси установки (рис. 3.26).

При використанні частотного перетворювача додатково здійс-

нюється зміна числа обертів основного насоса, що дозволяє знизити

діапазон тисків, у межах якого працюють насоси.

Така схема управління, безумовно, набагато ефективніша, ніж

регулювання дроселюванням - тут значно можуть бути знижені й над-

лишкові напори насосів і тиску в мережі. Однак і в цій схемі буде пе-

ревитрата енергії. Діапазон напорів, підтримуваних на виході з НС,

вище, ніж потрібні тиски, обумовлені характеристикою мережі (ця

характеристика проходить нижче, ніж смуга заданих тисків - див. рис.

3.26).

Найкращі результати з погляду енергозбереження дає управлін-

ня по тисках у контрольних точках мережі. Цей метод управління ре-

Насос 2

Насос 1

Рис. 3.26. Робота насосної

становки з

правлінням по

заданому тиску з частотним перетворювачем

Насос 3

Заданий діапазон

тисків

Роз

ах

нкова ха

акте

истика ме

ежі

145

комендований і в нормах проектування [9]. Капітальні витрати тут

трохи збільшуються за рахунок витрат на установку датчиків тиску на

мережі та передачу сигналів від датчиків у пункт управління.

При розміщенні датчиків варто мати на увазі, що положення ди-

ктуючої точки на мережі може змінитися при зміні подачі (рис.3.27).

Тому обмежитись однією контрольною точкою не завжди вдається.

Крім того, при достатньому числі точок контролю тиску в мережі дис-

петчер має можливість оперативно встановлювати передбачувані міс-

ця аварій.

При наявності даних про тиски в контрольних точках мережі

раціональне управління роботою насосних станцій зводиться до вирі-

шення завдання про те, які насоси повинні бути включені, з якими па-

раметрами вони повинні працювати (прикриття засувок, частотне ре-

гулювання й т.п.). Це завдання спрощується при наявності математич-

ної моделі системи СПРВ, що дає зв'язок напорів на виході з насосної

станції з тиском у контрольних точках в залежності від подачі насосної

станції.

Такі залежності одержують шляхом статистичної обробки даних

про вільні напори в контрольних точках (Н

), напорах на виході з на-

сосних станцій (Н

) і подачі насосної станції (Q

). Цей вид обробки

П’єзометрична лінія при q

макс .год

Зони недостатніх напорів

П’єзометрична лінія при q

мін .год

НС

Рис. 3.27. Зміна положення диктуючих точок в мережі при

зміні водоспоживання

146

називають «пасивним» експериментом. Значно більшу інформацію

одержують за допомогою «активного» експерименту, при якому напо-

ри й подачу НС змінюють у значно більших межах. Експерименти,

проведені в Москві, Санкт-Петербурзі, Зеленограді й інших містах,

показали, що математичні моделі роботи СПРВ можуть бути описані

залежностями виду

= Н

+ а + вQ

де а і в – емпіричні коефіцієнти, що змінюються залежно від періоду

водоспоживання (наприклад, вони різні для максимальної, середньої й

мінімальної витрат).

При наявності таких моделей можна розробити типові графіки

роботи насосів. Складання таких графіків є непростим завданням че-

рез можливу багатоваріантність його рішення, необхідності обліку

індивідуальних особливостей насосів (навіть якщо вони однієї марки).

Варто також враховувати необхідність рівномірного завантаження аг-

регатів, щоб уникнути передчасного їх зношування. Графіки роботи

насосів повинні періодично переглядатися, оскільки змінюється харак-

теристика системи, що обслуговується, і, крім того, змінюються харак-

теристики насосів. Однак значно кращі результати будуть отримані

при наявності автоматизованої системи управління роботою СПРВ.

Контрольні питання

1. Перелічіть методи регулювання роботи насосів.

Який з цих способів найбільш і найменш економічний?

Як змінити частоту обертання електродвигуна насоса?

Яким чином управляють роботою групи насосів при заданому

діапазоні тиску на виході із НС?

Що таке контрольна точка на мережі і як параметри в ній

впливають на роботу НС?

Для чого потрібна математична модель роботи СПРВ?

147

3.4. АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ

ВОДОПРОВОДОМ

АСУТП

– автоматизована система управління технологічним

процесом – людино-машинна система управління, що забезпечує ав-

томатизований збір і обробку інформації, необхідної для оптимізації

управління технологічним об'єктом відповідно до прийнятого крите-

рія.

Важлива роль в АСУТП належить людині (диспетчеру, опера-

тору), що сприймає результати обробки інформації в ЕОМ, бере участь

у виробітку оптимальних режимів, приймає остаточне рішення по ви-

бору управляючих впливів і реалізує їх шляхом посилки команд на

виконавчі механізми.

АСУТП виконує наступні завдання:

- одержання інформації від установлених на водопровідній мережі

датчиків (витрата, тиск, рівень і т.п.);

- передача інформації з використанням апаратури телемеханіки й зв'я-

зку в диспетчерський пункт;

- обробка цієї інформації за допомогою засобів обчислювальної техні-

ки з метою розрахунку оптимальних режимів роботи й видача резуль-

татів операторові або управляючим механізмам.

За типом функціонування, АСУТП класифікують наступним

чином:

інформаційні системи, що здійснюють автоматично або автомати-

зовано

збір і обробку технологічної інформації - рішення по

управлінню приймає і реалізує диспетчер.

локально-автоматичні системи, у яких автоматично виконуються

інформаційні функції, а також функції локального управління

окремими об'єктами; рішення по управлінню технологічним про-

цесом приймає і реалізує диспетчер.

системи, що радять, автоматично виконуючі п. 1) і формуючі по-

ради диспетчерові на вибір управляючих впливів;

автоматичні системи, в яких всі функції АСУТП виконуються ав-

томатично, а диспетчер здійснює нагляд за ходом технологічного

процесу і втручається тільки в разі потреби.

Іноді такі системи називають системами автоматизованого управління

(САУ) [44].

Автоматизований режим – за участю людини, автоматичний – без неї.

148

Крім того, в АСУТП є блоки, що виконують допоміжні функції

(всеукраїнський контроль над станом технічних засобів, зберіганням

інформації й т.п.).

Блок-схеми АСУТП звичайно розробляють індивідуально для

кожної системи водопостачання. Як приклад на рис. 3.28 наведена

блок-схема загального функціонування АСУТП.

Централізований контроль. Вирішуються завдання періодич-

ного виміру технологічних параметрів; виявлення, оперативне відо-

браження й сигналізація відхилень від заданих значень (в т.ч. аварійні

сигнали).

Оперативний облік

. Тут із заданою періодичністю проводиться

реєстрація вимірюваних технологічних параметрів і стану обладнання.

Здійснюється автоматичне ведення журналу експлуатації за зміну, до-

бу.

Розрахунок техніко-економічних показників (ТЕП)

. Один раз у

добу виконуються розрахунки показників, що характеризують роботу

водопроводу, підраховуються зведені показники за добу.

Діагностика технологічних процесів. Виконуються розрахунки

по аналізу відхилень технологічних параметрів від необхідних зна-

чень, визначається необхідність змін технологічного режиму.

Рекомендації з раціонального режиму експлуатації

. Здійсню-

ються розрахунки режиму роботи технологічних об'єктів, тобто при

необхідності вносяться зміни в оперативний план роботи відповідно

до відхилень, які виявились.

Оперативне планування процесу

. Здійснюються розрахунки оп-

тимальних режимів роботи водопровідних споруд на майбутній період

(години, доба).

Отримана інформація накопичується в базах даних, а необхідна

її частина передається в суміжні системи управління, проводиться

формування масивів інформації для передачі в АСУТП верхнього рів-

ня (Водоканал, обласні управління й т.п.).

Реалізація АСУТП вимагає капіталовкладень на влаштування

системи зв'язку, сухих колодязів на мережі (з датчиками тиску, ви-

тратомірами), установка рівнемірів, витратомірів, керованих поворот-

них затворів і т.п.

Крім того, знадобляться витрати на придбання комп'ютерів,

створення мережі й розробку програмного забезпечення. Тому доціль-

но здійснювати техніко-економічне обґрунтування по введенню

АСУТП і вводити його по частинам (локальні, інформаційні й т.д.).

Однак ці витрати досить швидко окупаються.

149

Централізований

конт

оль

Діагностика

оцесів

Оперативний облік

Оперативне

управління

Розрахунок

ТЕП

Оперативне

планування

процесу

СИСТЕМА

ВОДОПОСТАЧАННЯ

Рекомендації по

раціональному

режиму

експл

атації

Рис. 3.28. Блок – схема АСУТП водопроводу

Диспетчер

Основні фактори економії за рахунок АСУТП:

Скорочення витрати електроенергії.

Скорочення втрат і невиробничих витрат (за рахунок зни-

ження надлишкового тиску, числа аварій і т.п.).

Зниження витрат на аварійно-відбудовні роботи внаслідок

скорочення числа аварій і зменшення часу їх ліквідації.

Скорочення штату.

150

Крім того, знижується вартість нового будівництва мереж за ра-

хунок вибору оптимальних шляхів розвитку мережі.

Контрольні питання

1. Що таке АСУТП?

Яка різниця між автоматичною й автоматизованою система-

ми?

Завдання АСУТП.

Перелічіть АСУТП за типом функціонування.

За рахунок чого досягається економічна ефективність від

впровадження АСУТП?

Б. ВОДОВІДВЕДЕННЯ

4. РЕКОНСТРУКЦІЯ МЕРЕЖ ВОДОВІДВЕДЕННЯ ТА СПОРУД

НА НИХ

4.1. ОБСТЕЖЕННЯ ТА ПАСПОРТИЗАЦІЯ МЕРЕЖ

ВОДОВІДВЕДЕННЯ, ЗБІЛЬШЕННЯ ПРОПУСКНОЇ

ЗДАТНОСТІ

Розробці проекту реконструкції мереж передує детальне обсте-

ження і паспортизація.

Паспортизація мереж полягає в наступному:

•

вивчаються виконавчі креслення мереж і зйомка останніх ро-

ків;

• разом із службою експлуатації виявляються найбільш наван-

тажені ділянки;

•

здійснюється уточнення траси діючої існуючої мережі і скла-

даються паспорти колодязів в яких вказується адреса, прив’язка до

існуючих сталих наземних об’єктів, наводяться дані про стан констру-

кцій, схема трубопроводів, їх діаметри, глибина закладання та матеріал

труб;

•

вивчається гідравлічний режим роботи ділянок методом замі-

ру витрат стічних вод на основі якого при перекритті бічних приєднань

можливо встановити наявність або величину інфільтрації або ексфіль-

трації.