СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УЧАСТКОВ ПЕРВОГО ПОДЪЕМА СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ С НАКАПЛИВАЮЩИМ РЕЗЕРВУАРОМ

Палкин Г.А.¹, Горбунов Р.В.²

¹Аспирант 3-го года обучения, ²Старший преподаватель, Забайкальский государственный университет

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УЧАСТКОВ ПЕРВОГО ПОДЪЕМА СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ С НАКАПЛИВАЮЩИМ РЕЗЕРВУАРОМ

Аннотация

В статье рассмотрены основные проблемы эксплуатации участков первого подъема систем водоснабжения с накапливающим резервуаром. Предлагаются пути решения поставленных проблем при помощи разработки специальных алгоритмов управления рассматриваемым объектом, реализуемых в комплексной системе автоматического управления технологическим процессом. Сферами применения проекта могут быть системы питьевого и бытового водоснабжения небольших населенных пунктов, а также системы водоснабжения промышленных предприятий.

Ключевые слова: автоматизация, водоснабжение, надежность.

Palkin G.A.¹, Gorbunov R.V.²

¹Postgraduate student  3st  year of study, ²Elder lecturer, Zabaikal State University

WAYS OF INCREASING ECONOMIC EFFICIENCY AND RELIABILITY OF OPERATION SECTIONS OF THE FIRST LIFTING SYSTEMS WATER WITH STORING TANK

Abstract

In the article the basic problems of exploitation sections of the first lifting systems water with storing tank. The ways of solving problems through the development of special control algorithms under consideration to be implemented in a complex system of automatic control of technological process. Applications for the project can be drinking and domestic water supply of the small settlements, and water supply systems of industrial enterprises. Keywords: automation, water, reliability.

Организация водо- и теплоснабжения является одним из ключевых аспектов нормального существования любого более или менее крупного населенного пункта. Кроме того водо- и теплоснабжение является важной составляющей функционирования большинства промышленных предприятий.

В Забайкальском крае (и практически на всей территории РФ) водные ресурсы для организации водо- и теплоснабжения добываются преимущественно погружными насосами, размещенными в скважинах.

Обычно напора воды, создаваемого насосным агрегатом недостаточно для обеспечения нужд потребителей, поэтому широко применяется схема водоснабжения с накапливающим резервуаром (в соответствии с рисунком 1). В этом случае погружной скважинный насос наполняет водой специальный накапливающий резервуар , откуда другой насос перекачивает воду непосредственно потребителям. В данной схеме насос на скважине называется насосом первого подъема, а насос после накапливающего резервуара - второго подъема.

Рис. 1 - Система водоснабжения с накапливающим резервуаром

 

Существенным недостатком схемы с накапливающим резервуаром является проблема перелива воды, когда насос первого подъема перекачивает больше жидкости, чем требуется потребителю. В этом случае избыток жидкости просто сбрасывается из накапливающего резервуара в окружающую среду через спускное отверстие.

Данная проблема ведет к нерациональной растрате природных ресурсов и истощению дебета (запаса воды) скважины. Помимо этого, холостая работа насосного агрегата приводит к неоправданным затратам электроэнергии и преждевременному износу узлов насоса.

Внезапное истощение скважины или преждевременный выход насосного агрегата из строя может привести к длительному нарушению подачи воды в водонапорный резервуар. Если в системе отсутствует средство оповещения о данной ситуации, возможна опасность опустошения накапливающего резервуара, и, соответственно, прекращения подачи воды конечному потребителю.

Исходя из вышесказанного, актуальной задачей обеспечения эффективности и надежности эксплуатации систем водоснабжения с накапливающим резервуаром, является разработка и внедрение алгоритмов и комплекса управления электроприводами насосов, позволяющих автоматически регулировать расход воды, выдаваемый погружным насосом в зависимости от нужд потребителей, а также учитывать критические параметры системы и состояние её узлов.

Наиболее эффективным способом решения поставленной задачи является использование преобразователей частоты, изменяющих скорость вращения вала электродвигателя насоса, на основании сравнения текущего расхода жидкости и заданной установки расхода. Заданная установка расхода изменяется управляющим воздействием, выдаваемым специально разработанной микропроцессорной системой управления (МСУ) в зависимости от сигналов обратной связи с объекта управления. В данном случае, объектом управления является накапливающий резервуар, а основным параметром управления -  уровень воды в резервуаре. Управляющее воздействия, выдаваемое МСУ,  рассчитывается по пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) закону управления, который имеет вид [1]:

   (1)

где Out – значение управляющего воздействия;

G – коэффициент усиления;

e – ошибка управления (разность между требуемой и действительной величиной параметра (уровень воды в резервуаре));

I – величина интеграла ошибки;

D – величина производной ошибки.

Серьезной проблемой при использовании данного алгоритма управления является замерзание жидкости при эксплуатации трубопроводов наземной прокладки в условиях низких температур окружающей среды. Известно, что температура в воды в трубопроводе прямо пропорционально зависит от диссипативной теплоты трения q_mp [2], рассчитываемой по формуле:

   (2)

где g – ускорение свободного падения; ρ – плотность перекачиваемой жидкости; Q – расход перекачиваемой жидкости; I – гидравлический уклон в трубопроводе.

Из формулы (2) можно сделать вывод, что температура жидкости в трубопроводе прямо пропорционально зависит от расхода. Соответственно, при применении формулы (1) в условиях низкой температуры окружающей среды возможна ситуация снижения расхода до недопустимого уровня, что может привести к замерзанию жидкости в трубопроводе. Для решения данной проблемы предлагается ввести в алгоритм управления насосным агрегатом дополнительный ПИД-канал, осуществляющий расчет управляющего воздействия по температуре в конечной части трубопровода. В качестве результирующего управляющего воздействия принимается максимальное, что обеспечивает достаточный расход воды для предотвращения замерзания трубопровода и своевременного наполнения накапливающего резервуара.

Помимо вычисления необходимых значений расхода воды, МСУ обеспечивает расчет ресурса электроприводов насосных агрегатов на скважине. В случае, если ресурс активного насоса снижается ниже допустимого уровня, производится переключение на резервный насос и оповещение персонала. Расчет ресурса осуществляется на основании данных, получаемых от систем диагностики электроприводов насосов [3], [4], [5].

Разработанные алгоритмы и микропроцессорная система управления позволяют повысить экономическую эффективность и надежность эксплуатации систем водоснабжения с накапливающим резервуаром.  Также полученные результаты могут быть использованы в различных областях промышленности, где требуется перекачка жидкости из одного резервуара в другой по трубопроводу наземной прокладки.

Литература

1. Болл Стюарт Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров. – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007. – 360 с.: ил.
2. 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.
3. Суворов И.Ф., Горбунов Р.В., Палкин Г.А., Коряков Д.В. Способ диагностики межвитковых замыканий асинхронного электродвигателя // Патент РФ №2529596С1 G01R31/06, 27.09.2014. Бюл. № 27.
4. Суворов И.Ф., Горбунов Р.В., Палкин Г.А., Коряков Д.В. Способ диагностики межвитковых замыканий асинхронного электродвигателя // Патент РФ №2537518С2 G01R31/06, 10.01.2015. Бюл. № 1.
5. Суворов И.Ф., Горбунов Р.В., Палкин Г.А., Коряков Д.В. Способ диагностики изоляции обмоток статора асинхронного электродвигателя // Патент РФ №2537744С1 G01R31/34, 10.01.2015. Бюл. № 1.

References

1. Boll Stjuart R. Analogovye interfejsy mikrokontrollerov. – M.: Izdatel'skij dom «Dodeka-XXI», 2007. – 360 s.: il.
2. Terehov L.D. Vodosnabzhenie i vodootvedenie v severnyh klimaticheskih uslovijah: uchebnoe posobie/L.D. Terehov, O.V. Akimov, Ju.M. Akimova – Habarovsk: Izd-vo DVGUPS, 2008. – 124 s.: il.
3. Suvorov I.F., Gorbunov R.V., Palkin G.A., Korjakov D.V. Sposob diagnostiki mezhvitkovyh zamykanij asinhronnogo jelektrodvigatelja // Patent RF №2529596S1 G01R31/06, 27.09.2014. Bjul. № 27.
4. Suvorov I.F., Gorbunov R.V., Palkin G.A., Korjakov D.V. Sposob diagnostiki mezhvitkovyh zamykanij asinhronnogo jelektrodvigatelja // Patent RF №2537518S2 G01R31/06, 10.01.2015. Bjul. № 1.
5. Suvorov I.F., Gorbunov R.V., Palkin G.A., Korjakov D.V. Sposob diagnostiki izoljacii obmotok statora asinhronnogo jelektrodvigatelja // Patent RF №2537744S1 G01R31/34, 10.01.2015. Bjul. № 1.