Автоматизация водоснабжения (к СНиП 2.04.02-84), часть 4

• часть 1
• часть 2
• часть 3
• часть 4
• часть 5

Расчет оптимальных доз реагентов заключается в нахождении доз реагентов, обеспечивающих минимальное значение технологической себестоимости обработки воды при условиях, которые определяют связь между входами технологических звеньев, и учете технологических ограничений на производительность сооружений и качество обработанной воды. Задача решается методом линейного программирования. Для корректировки модели применен релаксационный алгоритм идентификации (алгоритм Качмажа).

Расчет оптимального режима работы фильтров заключается в определении подачи воды каждым фильтром так, чтобы суммарный расход воды на нужды станции за заданное время был минимальным при заданных технологических ограничениях и общей подаче воды станцией. Задача решается методом проекции градиента. Расчет производится по математическим моделям фильтров. Коэффициенты моделей корректируются с помощью алгоритма Качмажа.

Решение задачи прогнозирования суточного графика вoдoпoтpeблeний в различных проектах ЛСУ ТП может осуществляться несколькими методами: построением моделей авторегрессии или проинтегрированного скользящего среднего, методом „предельных циклов" и др.

Для расчета оптимальных режимов работы насосных станций используются математические модели, связывающие напор и подачу насосных станций и давления в диктующих точках сети. Такие модули имеют вид полиномов, коэффициенты которых определяют на основе статистической обработки данных о параметрах работы системы за прошедшие две-три педели.

Для расчета оптимальных режимов работы систем с несколькими насосными станциями могут быть использованы методы линейного программирования.

Задача оптимального управления группами артезианских скважин (колодцев) предусматривает расчет для каждого часа суток необходимого числа работающих артезианских скважин с учетом их экономичности, длительности работы и уровня воды в скважинах. При увеличении водопотребления предусматривается включение наиболее экономичных скважин, а при уменьшении — отключение наименее экономичных. Задача решается методом логического анализа.

Взаимосвязь задач АСУ ТП, последовательность, периодичность и обусловленность их решения определяются общим алгоритмом функционирования, который отражает принятую стратегию оперативного управления.

Задачи централизованного контроля должны решаться круглосуточно-непрерывно. Учетные задачи, как правило, решаются ежечасно, тогда как расчет технико-экономических показателей должен проводиться один раз в смену или один раз в сутки.

Оперативное планирование режимов производится один раз в сутки, а также при резком изменении водопотребления или условий работы водопровода. Задачи коррекции режимов решаются по мере возникновения необходимости изменения расчетного плана работы сооружений.

Управление сооружениями производится в соответствии с расчетным оперативным планом-графиком оптимального режима или в результате решения задач коррекции режима.

На блок-схеме общего алгоритма функционирования АСУ ТП водоснабжения показана взаимосвязь задач.

5.4.1. Задачи централизованного оперативного контроля

Комплекс этих задач предусматривает непрерывный контроль технологических параметров и состояния оборудования на насосных станциях, водоочистных сооружениях и на водопроводной сети с помощью датчиков и телемеханической аппаратуры или других средств сбора и передачи информации.

Алгоритмы решения задач достаточно просты и во многом зависят от характеристик используемых технических средств передачи данных. Общей чертой этих алгоритмов являются использование операций усреднения, линеаризации или интегрирования измеряемых величин, сравнение контролируемых параметров с предельно допустимыми значениями и т.д.

5.4.2. Задачи оперативного учета

Оперативный учет контролируемых параметров осуществляется путем их регистрации с заданной периодичностью, формирования в виде массивов данных, хранимых в памяти ЭВМ, и выдачи диспетчеру выходных документов, содержащих учитываемые данные в часовом, сменном и суточном разрезах.

5.4.3. Задачи расчета и анализа основных технико-экономических показателей

В объеме этих задач предусматриваются ежесменный и ежесуточный расчеты следующих технико-экономических показателей эксплуатации по насосным станциям:

фактических значений удельных расходов электроэнергии;

фактических значений удельных расходов химических реагентов;

водоподачи отдельными насосными станциями;

процента расхода воды на собственные нужды;

фактических значений технологической себестоимости воды по насосным станциям и водопроводу в целом

Анализ технико-экономических показателей производится сравнением фактических значений с планируемыми. Результаты расчетов регистрируются, индицируются и представляются в виде сменных и суточных рапортов дежурному диспетчеру.

5.4.4. Алгоритм управления подземными водоисточниками

Управление подземными водоисточниками (артезианскими скважинами, шахтными колодцами, лучевыми водозаборами и др.) имеет ряд особенностей и должно учитывать следующие факторы:

эксплуатационные особенности скважин (колодцев);

гидравлические условия скважин (колодцев) и аспекты совместной работы группы скважин (колодцев);

экономические показатели скважин (колодцев).

Эксплуатационные особенности накладывают ряд ограничений на работу скважин (колодцев). Необходимо избегать частых „рывков", т.е. включений и выключений скважин, так как это может привести к ссыпке песка (пескованию скважин). Во многих случаях пуск скважин связан с необходимостью кратковременного выпуска воды с примесью песка. Скважины необходимо периодически останавливать для профилактического осмотра или ремонта насоса.

Во избежание перегрузок сборного водовода и энергетических линий необходимо осуществлять пуск нескольких скважин постепенно через определенные временные интервалы (например, через 10 мин). Скважины, работающие на специальных потребителей, отключать нельзя. В шахтных колодцах, имеющих два насоса, целесообразно, чтобы один насос постоянно находился в работе, а второй включался и отключался по мере необходимости.

Необходимо обеспечить контроль уровня воды в скважинах и не допускать его снижения ниже предельно допустимого значения.

Алгоритмы управления артезианскими скважинами предусматривают разделение их на три группы:

первая (группа А) — скважины, работающие в настоящий момент;

вторая (группа В) ¾ скважины, находящиеся в резерве;

третья (группа С) ¾ скважины, находящиеся в простое (готовые к работе).

Массивы номеров скважин упорядочиваются в памяти ЭВМ по величине удельного расхода электроэнергии. При необходимости уменьшения подачи воды от водозабора необходимо исключить из массива А скважину, имеющую наибольший удельный расход электроэнергии. Номер этой скважины следует перенести из массива А в массив С. Обратные действия следует производить при необходимости увеличения подачи воды. Одновременно необходимо контролировать продолжительность работы каждой скважины с целью своевременного проведения профилактического осмотра или ремонта. При этом номер выведенной из работы скважины следует перевести из массива А в массив В.

5.4.5. Координированное управление несколькими водоисточниками групповой системы водоснабжения

В последние годы все большее распространение получают групповые системы водоснабжения, обеспечивающие водой несколько городов, поселков, предприятий, рассредоточенных на значительной территории. Обычно в таких системах водоснабжения используются один общий источник (водозабор) и несколько местных источников. Управление такими водоисточниками представляет сложную проблему.

В задачи оперативного управления здесь входят помимо стабилизации давлений в диктующих точках каждой водопроводной сети также координация работы водоисточников, распределение воды общего водоисточника между населенными пунктами, оптимизация режимов работы сооружений центрального и локальных водоисточников и др. Общий алгоритм функционирования системы оперативного оптимального управления включает следующие расчеты:

прогнозирование почасовой и суточной потребностей в воде населенных пунктов, питаемых групповой системой водоснабжения;

определение максимально возможной суточной подачи воды общего и локальных водоисточников;

определение потребностей в воде от общего водоисточника каждого населенного пункта;

распределение подачи воды от общего водоисточника к каждому населенному пункту;

определение оптимальных условий работы сооружений общего водоисточника;

определение оптимальных режимов сооружений локальных водоисточников;

контроль и регистрацию параметров работы сооружений водоисточников и водопроводных сетей населенных пунктов;

расчет и анализ технико-экономических показателей работы групповой системы водоснабжения в целом и сооружений общего и локальных водоисточников.

Наиболее сложным является координированное управление общим и местными водоисточниками. При этом целесообразно в общем случае принять общий водоисточник в качестве базового и покрывать пики водопотребления за счет местных источников. Однако в ряде конкретных случаев может оказаться необходимым принять в качестве базовых некоторые местные водоисточники.

В отдельных случаях (например, в периоды летнего водопотребления) производительность водоисточников может оказаться недостаточной для удовлетворения потребности в воде всех потребителей групповой системы водоснабжения. Для этого используется алгоритм распределения воды общего водоисточника между всеми потребителями (городами, населенными пунктами, предприятиями и др.) пропорционально их потребности и с учетом приоритетов.

5.4.6. Оперативное управление системами подачи распределения воды

Структура системы подачи и распределения воды зависит от планировки города, месторасположения водоисточников, рельефа местности и других факторов. Несмотря на разнообразие схем водопроводных сетей городов, можно выделить ряд типовых элементов, из которых складывается структура большинства систем подачи и распределения воды:

а) насосная станция питает изолированную зону;

б) несколько насосных станций питают общую зону;

в) насосная станция подает воду в сеть и резервуар;

г) насосная станция питает сеть и несколько резервуаров;

д) насосная станция питает сеть, резервуар и насосную станцию следующей зоны.

Алгоритм расчета оптимального режима работы каждой конкретной системы подачи и распределения воды имеет индивидуальный характер и строится на сочетании алгоритмов управления типовыми элементами, входящими в состав данного водопровода.

Наиболее сложными и важными являются задачи оперативного планирования оптимальных режимов. Трудность таких расчетов связана с необходимостью построения математических моделей системы подачи и распределения воды и прогнозирования колебаний водопотребления на предстоящий период.

Анализ задач оперативного управления показал, что для расчета оптимальных режимов работы насосных станций в большинстве случаев нецелесообразно производить гидравлический расчет водопроводных сетей и использовать принятые при проектировании традиционные модели потокораспределения — расчетные схемы сетей. Это объясняется трудностью получения данных о фактических и требуемых значениях узловых расходов для каждого часа предстоящих суток, а также чрезмерно большими для оперативного управления затратами машинного времени на проведение расчетов даже при использовании мощных современных ЭВМ.

Гидравлический расчет следует производить при анализе нагруженности различных магистралей водопроводной сети, при поиске наивыгоднейших вариантов развития сетей, перераспределения водопотоков при использовании управляемых задвижек или поворотных затворов на магистралях, а также при анализе аварийных ситуаций на сети и поиске вариантов локализации аварий или минимизации недоотпуска воды при отключении аварийных участков и др.

Для выбора оптимальных режимов работы насосных станций требуются только данные о напорах на насосных станциях и в диктующих точках сети. В то же время основная часть информации, получаемой при гидравлическом расчете (о потерях напора и расходах по участкам), при этом не используется и является избыточной.

В связи с этим для расчета оптимальных режимов работы насосных станций рекомендуется использовать обобщенные математические модели, выражающие взаимосвязь напора Н_н.ст и подачи Q _н.ст воды насосной станции с давлением в диктующей точке сети Н_дт:

Н_н.ст = Н_д.т + а + b Q_н.ст + с Q² _н.ст ,

где а , b , с ¾ коэффициенты, полученные в результате статистической обработки данных о параметрах работы насосных станций и водопроводной сети.

В ряде случаев характеристика сети достаточно хорошо описывается простой линейной моделью:

Н_н.ст = Н_д.т + а + b Q_н.ст .

Использование математических моделей указанного вида существенно облегчает расчет оптимальных режимов насосных станций при достаточной для практических целей точности решения. В целях повышения точности целесообразно производить периодическое уточнение моделей, т.е. программа расчета должна включать блок идентификации параметров .модели.

Важной особенностью оперативного планирования является необходимость учета колебаний водопотребления в течение предстоящих суток. Водопотребление носит случайный характер, поэтому при планировании режимов необходимо осуществлять расчет по прогнозированию этого процесса на основе данных о подаче воды насосными станциями за прошедший период.

Оперативное планирование режимов работы насосной станции рекомендуются осуществлять путем декомпозиции этой задачи на ряд последовательно решаемых подзадач. При этом планируемый период разделяется на отрезки времени, в течение которых водопотребление принимается неизвестным и непрерывный график водопотребления заменяется дискретным (например, почасовым).

Оперативное планирование производится в такой последовательности:

расчет прогнозированного почасового графика водопотребления на предстоящие сутки;

расчет оптимальных параметров работы насосных станций (подачи, напора) для каждого часа предстоящих суток;

выбор оптимального состава работающих насосов для каждого часа суток.

В настоящее время разработаны алгоритмы и программы решения задач прогнозирования, выбора оптимального состава насосов, а также расчета оптимальных параметров работы насосных станций для ряда характерных структур систем подачи и распределения воды, сетей с одной или несколькими насосными станциями, сетей с насосными станциями и резервуарами, сетей с резервуарами и др.

В некоторых алгоритмах предусматривается одновременное решение задач расчета оптимальных параметров работы насосных станций и выбора оптимального состава работающих насосов.

5.5. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АСУ ТП

Эффективность системы управления во многом зависит от рационального выбора комплекса технических средств (КТС), позволяющего своевременно получать и обрабатывать информацию в АСУ ТП и обеспечивать выполнение задач технологического управления.

Выбор технических средств должен производиться с учетом совместимости технических средств, модульности, надежности, максимальной эффективности и системного подхода.

Решение задач управления в АСУ ТП характеризуется интеграцией управления технологическим оборудованием и оперативно-производственного управления в единую систему при наличии тесного логического и информационного взаимодействия между ними. В соответствии с этим выбор КТС определяется функциональной структурой АСУ ТП, организационной структурой управления и информационной структурой, устанавливающей содержание и последовательность этапов обработки информации в системе.

КТС АСУ ТП должен выполнять следующие функции: связь с объектом и сбор информации, передачу информации, связь с оператором и отображение информации, обработку информации в соответствии с принятыми алгоритмами, накопление и хранение информации.

В соответствии с изложенным КТС АСУ ТП водоснабжения должен включать следующие основные виды аппаратуры: датчики, исполнительные механизмы, аппаратуру регулирования, средства связи и аппаратуру телемеханики, ЭВМ, диспетчерское оборудование.

Основой для получения первичной информации и технологических параметров процесса подачи, обработки и распределения воды являются датчики: расходомеры, манометры, уровнемеры, измерители и сигнализаторы динамического уровня воды в скважинах, измерители тока или потребляемой электроэнергии, качественных параметров воды и др.

В число исполнительных механизмов входят станции автоматического управления насосными агрегатами, электроприводы задвижек и поворотных затворов, механизмы управления электрооборудованием насосных станций, дозаторы химических реагентов. Некоторые виды исполнительных механизмов (например, герметичные, взрывобезопасные электроприводы для управления задвижками или затворами, установленными в затапливаемых или загазованных камерах на сети) пока еще не изготовляются, и это затрудняет автоматизацию водоснабжения. В АСУ ТП необходимо предусматривать применение на насосных станциях аппаратуры регулирования частоты вращения насосов (асинхронно-вентильных установок, частотных преобразователей, индукторных муфт скольжения и др.).

Так как городские водопроводные сооружения (насосные станции, резервуары, водоводы и распределительная сеть) рассредоточены на значительной территории, необходимой частью управления являются средства связи, с помощью которых осуществляется передача информации от сооружений в диспетчерские пункты и в обратном направлении. Для этих целей используются телемеханические комплексы, аппаратура управления и передачи информации.

Для передачи и первичной обработки информации рекомендуется также использовать микропроцессорные устройства, связанные между собой с помощью модемов и линий связи.

В качестве каналов связи используются, как правило, выделенные линии связи городской телефонной сети или радиоканалы. Ввиду трудности обеспечения такими каналами связи в условиях современных крупных городов целесообразно использовать для этих целей коммутируемые линии связи городской телефонной сети и соответствующую аппаратуру автоматического вызова и контроля передачи информации.

Для обработки поступающей информации и расчета оптимальных режимов работы водопроводных сооружений в АСУ ТП рекомендуется использовать мини- и микро-ЭВМ и построенные на их базе управляющие вычислительные комплексы.

Современные тенденции развития технических средств контроля и управления предусматривают ориентацию на использование программируемых микропроцессорных устройств, позволяющих совмещать функции первичной обработки, контроля и регистрации информации (ведение рабочих журналов эксплуатации) с функциями расчета режимов работы и технико-экономических показателей, а также с управлением по заданной программе.

Диспетчерское оборудование должно включать средства отображения и регистрации информации, аварийной связи с сооружениями и т.п. (дисплейные модули, диспетчерские щиты, мнемосхему водопроводной сети, электроуправляемые пишущие машинки, средства телефонной и радиосвязи).

5.6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АСУ ТП ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Внедрение АСУ ТП водоснабжения позволяет значительно улучшить водоснабжение городов, получить экономию электроэнергии на подъем и транспортирование воды, снизить потери воды и уменьшить число аварий, сократить численность обслуживающего персонала.

Вместе с тем создание АСУ ТП связано с большими затратами на проектирование системы, приобретение и монтаж средств вычислительной техники, телемеханики, автоматики и контрольно-измерительной аппаратуры. При планировании работ по созданию АСУ ТП водоснабжения и анализе их работы необходимо правильно оценить показатели экономической эффективности АСУ ТП водоснабжения и определить пути их повышения.

Изложенные ниже методы позволяют оценить экономическую эффективность АСУ ТП, а также систем диспетчерского управления водоснабжением.

Внедрение АСУ ТП и систем диспетчерского управления водоснабжением позволяет получить экономию в сфере управления за счет частичного или полного высвобождения производственного персонала автоматизированных водопроводных сооружений.

Величину этой экономии ЭD _ч , руб., рекомендуется определять по формуле

ЭD _ч = D ч Ф_п.п / ч_п.п ,

где D ч ¾ число высвобожденных работников, чел.;

Ф_п.п , ч_п.п ¾ соответственно фонд зарплаты, руб., и численность производственного персонала, чел.

Экономия в сфере производства достигается за счет автоматизации, телемеханизации сооружений, а также решения задач контроля, оперативного оптимального планирования, управления оборудованием и анализа режимов работы сооружений.

Рассмотрим вначале факторы, влияющие на производственные затраты. К их числу относятся:

расход электроэнергии на подъем и транспортирование воды;

расход химических реагентов на обработку воды;

стоимость аварийно-восстановительных работ вследствие сокращения числа аварий.

Уменьшение стоимости электроэнергии D С_эл.эн , руб., потребляемой насосными станциями, обеспечивается за счет оптимизации режима работы насосов (уменьшения напора на выходе станций, уменьшения потерь электроэнергии при выборе оптимальной комбинации насосов и их работой при максимальных КПД и др.) и подсчитывается по формуле

D С_эл.эн = С_о.эл.эн (b ₁ + b ₂ ),

где С_о.эл.эн ¾ стоимость израсходованной насосной станцией электроэнергии в год обследования;

Q _пл , Q _о ¾ подача воды соответственно в планируемом году внедрения АСУ ТП и в год обследования, тыс. м³ ;

b ₁ , b ₂ ¾ коэффициенты влияния АСУ ТП соответственно на сокращение потерь электроэнергии внутри насосной станции и на уменьшение расхода электроэнергии насосами на подачу воды в сеть.

Уменьшение стоимости расхода химических реагентов D С_х.р , руб., подсчитывается по формуле

D С_х.р = С_о.х.р а_р ,

где С_о.х.р ¾ стоимость затрат химических реагентов в год обследования, руб.;

а_р ¾ коэффициент влияния АСУ ТП на сокращение расхода химических реагентов.

Снижение стоимости аварийно-восстановительных работ D С_а -_в.р , достигаемое вследствие уменьшения числа аварий при оптимизации режимов работы насосных станций и сети, подсчитывается по формуле

D С_а-в.р = ,

где L _пл ¾ планируемая протяженность водопроводной сети на год внедрения АСУ ТП, км;

l_q ¾ то же, в год обследования;

N _о ¾ число аварий на сети в год обследования;

С_о.а-в.р , ¾ средняя стоимость аварийно-восстановительных работ на одну аварию, руб.;

g ¾ коэффициент влияния АСУ ТП на уменьшение числа аварий.

При внедрении АСУ ТП уменьшаются различные виды потерь воды (утечки из сети, потери воды при авариях, заводомерные утечки за счет уменьшения избыточных напоров в сети и др.).

Уменьшение потерь воды влияет на экономические показатели работы водопроводно-канализационных предприятий.

Поскольку водопроводы обычно действуют в условиях постоянного роста потребности в воде, уменьшение потерь воды приводит к соответствующему увеличению объема ее реализации.

Экономия за счет роста реализации воды D Э_р.в , руб., подсчитывается по формуле

D Э_р.в = Q_nл (а_ут.с + а_с.н + а_ав ) Т_в.ср,

где а_ут.с , а_с.н , а_ав ¾ коэффициенты влияния АСУ ТП соответственно на уменьшение расхода воды на утечки из сети, потери воды при авариях и на собственные нужды;

Т_в.ср ¾ средний тариф на воду в год внедрения АСУ ТП, руб/м³ .

Увеличение объема реализации воды будет сопровождаться увеличением объема воды, поступающей в канализацию, и соответствующим ростом прибыли по системе канализации D П_кан , равным:

D П_кан = ,

где П_кан.о ¾ прибыль по системе канализации в год обследования, руб.

Уменьшение потерь воды дает также народнохозяйственную экономию капитальных вложений, которые потребовались бы при отсутствии АСУ ТП для соответствующего развития мощностей водопровода и канализации.

Приведенная народнохозяйственная экономия капитальных вложений D Э_кап , руб., подсчитывается по формуле

D Э_кап = Е_н ,

где T _н  — нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений в отрасли;

Б_в.ф , Б_к.ф ¾ стоимость основных фондов водопровода и канализации в год обследования, руб.;

а_зав ¾ коэффициент влияния АСУ ТП на уменьшение заводомерных утечек.

Кроме этого, решение задач анализа работы водопроводных сетей и расчета оптимальных путей строительства новых линий позволит уменьшить потребность в капитальных вложениях на развитие водопровода. Приведенная годовая народнохозяйственная экономия D Э_стр , руб., подсчитывается по формуле

D Э_стр = Е_н К_стр а_стр ,

где К_стр ¾ - среднегодовые затраты на строительство новых линий, руб.;

а_стр ¾ коэффициент влияния АСУ ТП на уменьшение стоимости строительства.

Определенный народнохозяйственный и социальный эффект достигается за счет уменьшения расхода электроэнергии, которая может быть использована в других отраслях народного хозяйства, а также за счет улучшения водоснабжения населения и промышленности, однако численная оценка этих факторов затруднительна. С учетом сказанного общая экономия Э, руб., от внедрения АСУ ТП будет равна:

Э = D Э_ч + D С_эл.эн + D С_х.р + D С_а-в.р +D Э_р.в + D П_кан + D Э_кап + D Э_стр .

Характерной чертой приведенных расчетов является экспертная оценка влияния АСУ ТП на ожидаемую экономию электроэнергии, реагентов, воды и другие факторы.

Рекомендуемые значения коэффициентов влияния автоматизации управления на показатели экономии приведены в табл. 8.

Таблица 8

• часть 1
• часть 2
• часть 3
• часть 4
• часть 5