Система для оценки и прогнозирования сбросов сточных вод
SYSTEM FOR ESTIMATION AND FORECAST OF DISCHARGES OF WASTE WATER

Изобретение относится к системам водоотведения, а именно к устройствам оценки и прогнозирования сбросов сточных вод в окружающую среду.
Известна «Система для определения и обеспечения показателей надёжности и бесперебойности сетей водоснабжения и водоотведения» (см. Заявка: 2013142609/08 от 18.09.2013, Рос. Федерация: МПК G06Q50/00 (2012.01) / Кармазинов Ф. В., Мельник Е. А., Нефедова Е. Д., Трухин Ю. А., Курганов Ю. А., Ильин Ю. А., Игнатчик В. С., Игнатчик С. Ю.; опубл. 27.03.2015, Бюл. № 9), содержащая блок первичной обработки информации, блок расчёта показателей надёжности элементов сети, блок определения вероятностных показателей надёжности сети, блок определения технологических показателей надёжности сети водоотведения, блок оптимизации показателей надёжности сети. В системе имеется ячейка определения объёма аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений -го участка по формуле:
,
3
3
где - аварийный сброс неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений -го участка, м; - расход -го участка сети, м/с;  - комплексный показатель ремонтопригодности j-го участка сети; - интенсивность отключения j-го участка сети, 1/год; - интенсивность ремонта j-го участка сети, 1/год; t - время, час.
Недостатком указанного технического решения является узкая область функциональных возможностей, т.к. оно рассчитано на определение объёмов аварийных сбросов сточных вод только из-за аварий и засорений участков сетей. Это необходимо, но не достаточно для оценки сбросов всей системы. Необходимо также определять объёмы сбросов сточных вод по причинам аварийности на канализационных насосных станциях и при поступлении на них нерасчётных расходов сточных вод, например, в период дождей редкой повторяемости. С применением указанной системы это оценить не представляется возможным.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению служит полезная модель «Система управления энергопотреблением при эксплуатации общесплавных канализационных насосных станций» (см. патент на полезную модель №94291, Рос. Федерация: МПК F04B51/00 (2006.01)/ Кармазинов Ф.В., Кинебас А.К., Трухин Ю.А., Ильин Ю.А., Игнатчик В.С., Игнатчик С.Ю. и др.; опубл. 20.05.2010, Бюл. № 14), включающая:
- по меньшей мере, два насоса с всасывающими и напорными трубопроводами, приёмный резервуар с подводящим трубопроводом;
- модуль анализа диагностируемых параметров, содержащий блок сравнения подач, блок коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, блок коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса, блок анализа диагностируемых параметров, блок ввода эталонного диагностируемого параметра, при этом выход блока сравнения подач подключён к входу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, вход блока коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса подключён к выходу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, а выходы блоков коррекции диагностируемого параметра по диаметру рабочего колеса и ввода эталонного диагностируемого параметра - к входу блока анализа диагностируемых параметров;
- модуль контрольно-измерительных приборов, содержащий, по меньшей мере, два датчика подачи насоса, по меньшей мере, два датчика давления, установленные соответственно на всасывающем и напорном трубопроводах, датчик частоты вращения вала насоса, измеритель потребляемой мощности, при этом все датчики и измеритель потребляемой мощности модуля контрольно-измерительных приборов выполнены мобильными и дополнительно снабжены устройствами записи данных и каналами связи, выходы устройств записи данных, по меньшей мере, двух датчиков давления, датчика частоты вращения вала насоса и измерителя потребляемой мощности при помощи каналов связи подключены к входу блока коррекции диагностируемого параметра по частоте вращения вала, а выходы устройств записи данных, по меньшей мере, двух датчиков подачи насоса - к входу блока сравнения подач;
- модуль оптимизации энергопотребления, содержащий блок формирования гидравлических характеристик сетей, к входу которого при помощи каналов связи подключены выходы устройств записи данных, по меньшей мере, двух датчиков давления и выход блока сравнения подач, блок анализа энергопотребления, блок ввода диагностируемых параметров насосов-конкурентов, блок анализа энергопотребления насосов-конкурентов, при этом выходы блока анализа диагностируемых параметров и блока формирования гидравлических характеристик сетей подключены к входу блока анализа энергопотребления, выходы блока формирования гидравлических характеристик сетей и блока ввода диагностируемых параметров насосов-конкурентов подключены к входу блока анализа энергопотребления насосов-конкурентов, при этом блок анализа энергопотребления, блок анализа энергопотребления насосов-конкурентов выполнены с возможностью определения суммарного энергопотребления, модуль перекачки воды снабжён приёмным резервуаром с подводящим трубопроводом, модуль контрольно-измерительных приборов - датчиком интенсивности дождя с устройством записи данных и каналом связи, модуль оптимизации энергопотребления - блоком ввода объёма приёмного резервуара, блоком анализа водопритока, блоком ввода характеристик бассейна канализования. Всасывающие и напорные трубопроводы, по меньшей мере, двух насосов соединены с приёмным резервуаром, выходы блока сравнения подач, блока ввода объёма приёмного резервуара, блока ввода характеристик бассейна канализования и устройства записи данных датчика интенсивности дождя при помощи канала связи подключены к входу блока анализа водопритока, а выход блока анализа водопритока подключён к входу блока анализа энергопотребления и к входу блока анализа энергопотребления насосов-конкурентов.
Для указанной системы характерны два недостатка: низкая надёжность и ограниченные функциональные возможности.
Первый недостаток (низкая надёжность ) заключается в том, что при эксплуатации системы возможны ситуации, когда приёмный резервуар, насосы и подводящий трубопровод будут подтоплены вследствие того, что приток воды на них будет больше суммы подач насосов. Из-за подтопления приёмного резервуара и насосов возможна остановка работы всей системы. Причинами таких ситуаций могут быть:
1. Снижение суммарной подачи насосов из-за их отказов;
2. Появление сверхрасчётного притока, например, при интенсивном дожде редкой повторяемости.
В результате часть воды через люки колодцев будет сброшена в окружающую среду, а расход воды, поступающей на канализационную насосную станцию и объем сбрасываемых в окружающую среду сточных вод известная система определить не сможет.
Второй недостаток (ограниченные функциональные возможности) заключается в том, что с применением известной системы можно оптимизировать только энергопотребление насосов, но ее нельзя применить для оптимизации выбросов сточных вод в окружающую среду.
Задачей настоящего изобретения является повышение надёжности и расширение функциональных возможностей системы.
Повышение надёжности системы (в рамках решения поставленной задачи) предполагается до уровня, при котором в условиях превышения притока воды над суммой подач насосов:
- приёмный резервуар и насосы будут защищены от подтопления;
- сохранится возможность определения расхода сточных вод, поступающих в систему;
- появляется возможность оценивать объем сбрасываемых в окружающую среду сточных вод.
Расширение функциональных возможностей системы (в рамках решения поставленной задачи) предполагается до уровня, когда при помощи предлагаемой системы появится возможность минимизировать выбросы сточных вод в окружающую среду.
Поставленная задача решена так, что в известной системе, включающей:
-модуль перекачки воды, содержащий, по меньшей мере, два насоса с всасывающими и напорными трубопроводами, приёмный резервуар с подводящим трубопроводом, при этом всасывающие трубопроводы, по меньшей мере, двух насосов соединены с приёмным резервуаром;
-модуль анализа диагностируемых параметров;
-модуль контрольно-измерительных приборов, содержащий или, по меньшей мере, два датчика подачи насоса, и/или, по меньшей мере, два датчика давления, установленные на напорных трубопроводах, и/или измеритель потребляемой мощности, при этом все датчики и измеритель потребляемой мощности модуля контрольно-измерительных приборов снабжены устройствами записи данных и каналами связи;
- блок ввода объёмов приёмного резервуара с каналом связи, блок анализа водопритока, в соответствии с настоящим изобретением:
- датчики подачи насосов выполнены с возможностью измерения подачи каждого насоса, измеритель потребляемой мощности выполнен с возможностью измерения силы тока и/или потребляемой мощности каждого насоса, блок ввода объёмов приёмного резервуара и блок анализа водопритока включены в состав модуля анализа диагностируемых параметров;
- модуль анализа диагностируемых параметров дополнительно снабжён блоком ввода геометрических характеристик приёмного резервуара, снабжённого каналом связи, блоком ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода, снабжённого каналом связи, блоком анализа откачки воды из приёмного резервуара, снабжённого устройством записи данных и каналом связи, блоком вероятностного анализа водопритока, снабжённого каналом связи, блоком вероятностного анализа суммарной подачи насосов, снабжённого каналом связи, блоком ввода вероятностных и технологических показателей надёжности насосов, снабжённого каналом связи, блоком вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод, снабжённого каналом связи, блоком анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду, блоком ввода прогнозных вероятностных характеристик водопритока, снабжённого каналом связи, блоком прогнозного анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду;
- блок анализа водопритока дополнительно снабжён двумя каналами связи, соединяющими его выход с входами блока вероятностного анализа водопритока и блока анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду;
- выход блока вероятностного анализа водопритока при помощи канала связи подключён к входу блока вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод, а выход блока ввода вероятностных и технологических показателей надёжности насосов при помощи канала связи подключён к входу блока вероятностного анализа суммарной подачи насосов;
- выход блока вероятностного анализа суммарной подачи насосов при помощи канала связи подключён к входу блока вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод, выход которого при помощи канала связи подключён к входу блока анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду;
- выход блока ввода прогнозных вероятностных характеристик водопритока при помощи канала связи подключён к входу блока вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод, а выход блока анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду, подключён к входу блока прогнозного анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду;
- модуль контрольно-измерительных приборов дополнительно снабжён датчиком уровня воды, установленным на подводящем трубопроводе и датчиком уровня воды, установленным в приёмном резервуаре, снабжёнными устройствами записи данных и каналами связи;
- модуль перекачки воды дополнительно снабжён запорно-регулирующим устройством с исполнительным органом, установленным на подводящем трубопроводе между датчиком уровня воды, установленным на подводящем трубопроводе, и приёмным резервуаром, устройством управления, снабжённым каналом связи.
При этом:
накоп
прит
кнс
прит
кнс
- блок вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод выполнен с возможностью определения функции плотности вероятности накопительного расхода Q= Q – Q, где Q, Q– расход водопритока и суммарная подача насосов;
накоп
- блок анализа водопритока выполнен с возможностью определения графика водопритока, поступающего в подводящий трубопровод перед приёмным резервуаром, и корреляционной зависимости между продолжительностью подтопления подводящего трубопровода и накопительным расходом Q сточных вод;
- выход устройства записи данных датчика уровня воды, установленного в приёмном резервуаре, при помощи каналов связи подключён к входу устройства управления и к входу блока анализа водопритока, выход устройства управления – к входу исполнительного органа запорно-регулирующего устройства, а устройство управления выполнено с возможностью формирования сигналов управления на исполнительный орган запорно-регулирующего устройства;
- выход блока ввода объёма приёмного резервуара, выходы устройств записи данных, по меньшей мере, двух датчиков подачи насоса, двух датчиков давления и измерителя потребляемой мощности при помощи каналов связи подключены к входу блока анализа откачки воды из приёмного резервуара;
- выход устройства записи данных датчика уровня воды, установленного на подводящем трубопроводе, при помощи канала связи подключен к входу блока анализа водопритока;
- выходы блоков ввода геометрических характеристик приёмного резервуара, ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода и устройства записи данных блока анализа откачки воды из приёмного резервуара при помощи каналов связи подключены к входу блока анализа водопритока.
Имеется вариант развития, когда корреляционная зависимость между продолжительностью подтопления подводящего трубопровода и накопительным расходом сточных вод представлена в виде
1
накоп
2
t=k/Q+k,
накоп
1
2
3
где t - продолжительность подтопления подводящего трубопровода, ч; Q - накопительный расход сточных вод, тыс. м/ч; k,k– эмпирические коэффициенты.
Имеется вариант развития, когда блок ввода геометрических характеристик приёмного резервуара выполнен с возможностью ввода средней площади поперечного сечения приёмного резервуара.
Имеется вариант развития, когда блок ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода выполнен с возможностью ввода зависимости объёма воды в подводящем трубопроводе от уровня воды в нем в виде
кол
3
кол
4
dV(t)/dt = k*ln(dН(t))+k,
кол
кол
3
4
3
где dV(t) - производная объёма воды в подводящем трубопроводе, м/ч; dН(t) – производная уровня воды в подводящем трубопроводе, м/ч; k,k– эмпирические коэффициенты.
Отличительными признаками заявляемой «Системы для оценки и прогнозирования сбросов сточных вод» являются:
1. Выполнение датчиков подачи насосов с возможностью измерения подачи каждого насоса;
2. Выполнение измерителя потребляемой мощности с возможностью измерения силы тока и/или потребляемой мощности каждого насоса;
3. Включение блока ввода объёмов приёмного резервуара и блока анализа водопритока в состав модуля анализа диагностируемых параметров;
4. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком ввода геометрических характеристик приёмного резервуара, снабжённого каналом связи;
5. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода, снабжённого каналом связи;
6. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком анализа откачки воды из приёмного резервуара, снабжённого устройством записи данных и каналом связи;
7. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком вероятностного анализа водопритока, снабжённого каналом связи;
8. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком вероятностного анализа суммарной подачи насосов, снабжённого каналом связи;
9. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком ввода вероятностных и технологических показателей надёжности насосов, снабжённого каналом связи;
10. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод, снабжённого каналом связи;
11. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду;
12. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком ввода прогнозных вероятностных характеристик водопритока, снабжённого каналом связи;
13. Дополнительное снабжение модуля анализа диагностируемых параметров блоком прогнозного анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду;
14. Дополнительное снабжение блока анализа водопритока двумя каналами связи;
15. Соединение выхода блока анализа водопритока при помощи двух каналов связи с входами блока вероятностного анализа водопритока и блока анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду;
16. Подключение выхода блока вероятностного анализа водопритока при помощи канала связи к входу блока вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод;
17. Подключение выхода блока ввода вероятностных и технологических показателей надёжности насосов при помощи канала связи к входу блока вероятностного анализа суммарной подачи насосов;
18. Подключение выхода блока вероятностного анализа суммарной подачи насосов при помощи канала связи к входу блока вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод;
19. Подключение выхода блока вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод к входу блока анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду;
20. Подключение выхода блока ввода прогнозных вероятностных характеристик водопритока к входу блока вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод;
21. Подключение выхода блока анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду, при помощи канала связи к входу блока прогнозного анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду;
22. Дополнительное снабжение модуля контрольно-измерительных приборов датчиком уровня воды, установленным на подводящем трубопроводе;
23. Дополнительное снабжение модуля контрольно-измерительных приборов датчиком уровня воды, установленным в приёмном резервуаре, снабжённым устройствами записи данных и каналами связи;
24. Дополнительное снабжение модуля перекачки воды запорно-регулирующим устройством с исполнительным органом, установленным на подводящем трубопроводе между датчиком уровня воды, установленным на подводящем трубопроводе, и приёмным резервуаром;
25. Дополнительное снабжение модуля перекачки воды устройством управления, снабжённым каналом связи;
накоп
прит
кнс
прит
кнс
26. Выполнение блока вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод с возможностью определения функции плотности вероятности накопительного расхода Q= Q – Q, где Q, Q– расход водопритока и суммарная подача насосов;
27. Выполнение блока анализа водопритока с возможностью определения графика водопритока, поступающего в подводящий трубопровод перед приёмным резервуаром;
накоп
28. Выполнение блока анализа водопритока с возможностью определения корреляционной зависимости между продолжительностью подтопления подводящего трубопровода и накопительным расходом Q сточных вод;
29. Подключение выхода устройства записи данных датчика уровня воды, установленного в приёмном резервуаре, при помощи каналов связи к входу устройства управления;
30. Подключение выхода устройства записи данных датчика уровня воды, установленного в приёмном резервуаре, при помощи каналов связи к входу блока анализа водопритока;
31. Подключение выхода устройства управления к входу исполнительного органа запорно-регулирующего устройства;
32. Выполнение устройства управления с возможностью формирования сигналов управления на исполнительный орган запорно-регулирующего устройства;
33. Подключение при помощи канала связи выхода блока ввода объёмов приёмного резервуара к входу блока анализа откачки воды из приёмного резервуара;
34. Подключение при помощи канала связи выходов устройств записи данных, по меньшей мере, двух датчиков подачи насоса к входу блока анализа откачки воды из приёмного резервуара;
35. Подключение при помощи канала связи выходов устройств двух датчиков давления к входу блока анализа откачки воды из приёмного резервуара;
36. Подключение при помощи канала связи выхода измерителя потребляемой мощности к входу блока анализа откачки воды из приёмного резервуара;
37. Подключение при помощи канала связи выхода устройства записи данных датчика уровня воды, установленного на подводящем трубопроводе, к входу блока анализа водопритока;
38. Подключение при помощи канала связи выхода блока ввода геометрических характеристик приёмного резервуара к входу блока анализа водопритока;
39. Подключение при помощи канала связи выхода блока ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода к входу блока анализа водопритока;
40. Подключение при помощи канала связи выхода устройства записи данных блока анализа откачки воды из приёмного резервуара к входу блока анализа водопритока;
41. Представление корреляционной зависимости между продолжительностью подтопления подводящего трубопровода и накопительным расходом сточных вод в виде
1
накоп
2
t=k/Q+k,
накоп
1
2
3
где t - продолжительность подтопления подводящего трубопровода, ч; Q - накопительный расход сточных вод, тыс. м/ч; k,k– эмпирические коэффициенты;
42. Выполнение блока ввода геометрических характеристик приёмного резервуара с возможностью ввода средней площади поперечного сечения приёмного резервуара;
43. Выполнение блока ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода с возможностью ввода зависимости объёма воды в подводящем трубопроводе от уровня воды в нем в виде
кол
3
кол
4
dV(t)/dt = k*ln(dН(t))+ k,
кол
кол
3,
4
3
где dV(t) - производная объёма воды в подводящем трубопроводе, м/ч; dН(t) – производная уровня воды в подводящем трубопроводе, м/ч; kk– эмпирические коэффициенты.
По сведениям, имеющимся у авторов, отличительные признаки № 1, 2, 21, 25, 30, 32, 34 в технической литературе известны, а остальные - нет, что отвечает условию патентоспособности «новизна».
Совместное применение в заявляемом устройстве указанных отличительных признаков позволяет получить положительный эффект, заключающийся в том, что повышается надёжность и расширяются функциональные возможности системы.
Надёжность системы повышается до уровня, при котором в условиях превышения притока воды над суммой подач насосов:
- приёмный резервуар и насосы будут защищены от подтопления, поскольку наличие отличительных признаков № 22-25, 29, 31, 32 позволяет ограничить за счёт прикрывания запорно–регулирующего устройства поступление в приёмный резервуар притока воды, по расходу превышающего сумму подач насосов;
- сохранится возможность определения расхода сточных вод, поступающих в систему, поскольку наличие отличительных признаков № 1-7, 30, 33-43 позволяет обеспечить диагностику расхода воды (определения графика притока) в условиях, когда его поступление в приёмный резервуар регулируется запорно-регулирующим устройством;
- появляется возможность оценить объем сбрасываемых в окружающую среду сточных вод, поскольку наличие отличительных признаков № 7 – 11, 14-19, 26 – 28 позволяет обеспечить оценку объёма сбрасываемых в окружающую среду сточных вод.
Функциональные возможности системы повышаются до уровня, когда при помощи предлагаемой системы появляется возможность оптимизировать (например, свести до минимума) выбросы сточных вод в окружающую среду. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков № 12-13, 20 – 21, в соответствии с которыми:
- появляется дополнительная функциональная возможность оценивать объёмы сбрасываемых в окружающую среду сточных вод при увеличении или уменьшении притока;
- появляется дополнительная функциональная возможность за счет применения инженерных мероприятий снижать выбросы сточных вод в окружающую среду.
Полученный эффект является техническим в соответствии с Национальным стандартом Российской Федерации «Надежность в технике. Термины и определения» IEC  60050 (191):1990-12.
Предлагаемая авторами система отличается от прототипа конструктивно.
Q
прит
Q
кнс
На фиг. 1 представлена схема системы оценки и прогнозирования сбросов сточных вод, на фиг. 2 - пример построения графика водопритока, на фиг. 3 – пример результата анализа фактических данных, в результате которого получена корреляционная зависимость между продолжительностью подтопления подводящего трубопровода и накопительным расходом сточных вод, на фиг. 4 – пример результатов вероятностного анализа водопритока в виде функции плотности распределения водопритока f(Q), на фиг. 5 - пример результатов вероятностного анализа водопритока в виде функции плотности распределения суммарной подачи насосов f(Q), на фиг. 6 – пример результатов вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод, на фиг. 7 – пример результатов анализа объёма сточных вод, сбрасываемого в окружающую среду, на фиг. 8 – пример с результатами оценки эффективности инженерных мер, направленных на снижение выбросов сточных вод в окружающую среду.
Устройство содержит (см. фиг. 1):
1. Модуль перекачки воды, содержащий:
- по меньшей мере, два насоса 1 и 2 с всасывающими 3, 4 и напорными 5, 6 трубопроводами, приёмный резервуар 7 с подводящим трубопроводом 8, при этом всасывающие 3 и 4 трубопроводы, по меньшей мере, двух насосов 1, 2 соединены с приёмным резервуаром 7;
- запорно-регулирующее устройство 9 с исполнительным органом 10, устройство управления 11, снабжённое каналом связи 12, выполненное с возможностью формирования сигналов управления на исполнительный орган 10 запорно - регулирующего устройства 9;
2. Модуль контрольно-измерительных приборов, содержащий:
- или, по меньшей мере, два датчика 13 и 14 подачи насоса, и/или, по меньшей мере, два датчика 15, 16 давления, установленные на напорных 5, 6 трубопроводах и/или измеритель 17 потребляемой мощности;
- датчик 18 уровня воды, установленный на подводящем трубопроводе 8, и датчик 19 уровня воды, установленный в приёмном резервуаре 7, при этом все датчики 13-16, 18-19 и измеритель 17 потребляемой мощности снабжены устройствами 20 записи данных и каналами связи 21.
При этом датчики 13 и 14 подачи насоса выполнены с возможностью измерения подачи каждого насоса, а измеритель 17 потребляемой мощности - с возможностью измерения силы тока и/или потребляемой мощности каждого насоса.
3. Модуль анализа диагностируемых параметров, содержащий:
- блок 22 ввода геометрических характеристик приёмного резервуара, снабжённый каналом связи 23;
- блок 24 анализа откачки воды из приёмного резервуара, снабжённый устройством записи данных 25 и каналом связи 26;
- блок 27 анализа водопритока;
- блок 28 ввода объёмов приёмного резервуара с каналом связи 29;
- блок 30 ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода, снабжённый каналом связи 31;
- блок 32 вероятностного анализа водопритока, снабжённый каналом связи 33;
- блок 34 вероятностного анализа суммарной подачи насосов, снабжённый каналом связи 35;
- блок 36 ввода вероятностных и технологических показателей надёжности насосов, снабжённый каналом связи 37;
- блок 38 вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод, снабжённый каналом связи 39;
- блок 40 анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду.
При этом:
- запорно-регулирующее устройство 9 с исполнительным органом 10 установлено на подводящем трубопроводе 8 между датчиком 18 уровня воды, установленным на подводящем трубопроводе 8, и приёмным резервуаром 7;
- выход устройства 20 записи данных датчика 19 уровня воды, установленного в приёмном резервуаре 7, при помощи каналов связи 21 подключён к входу устройства управления 11 и входу блока 27 анализа водопритока, выход устройства управления 11 при помощи канала связи 12 - к входу исполнительного органа 10 запорно-регулирующего устройства 9;
- устройства 20 записи данных датчиков 13 - 16 и измерителя 17 потребляемой мощности при помощи каналов связи 21 подключены к входу блока 24 анализа откачки воды из приёмного резервуара;
- устройство записи данных 25 блока 24 анализа откачки воды из приёмного резервуара при помощи канала связи 26 подключено к входу блока 27 анализа водопритока;
- выход блока 22 ввода геометрических характеристик приёмного резервуара при помощи канала связи 23 подключён к входу блока 27 анализа водопритока;
- выход блока 28 ввода объёмов приёмного резервуара при помощи канала связи 29 подключён к входу блока 24 анализа откачки воды из приёмного резервуара;
- выход блока 30 ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода при помощи канала связи 31 подключён к входу блока 27 анализа водопритока.
Кроме того:
- блок 27 анализа водопритока дополнительно снабжён двумя каналами связи 41 и 42, соединяющими его выход соответственно с входами блока 32 вероятностного анализа водопритока и блока 40 анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду;
- выход блока 32 вероятностного анализа водопритока при помощи канала связи 33 подключён к входу блока 38 вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод, а выход блока 36 ввода вероятностных и технологических показателей надёжности насосов при помощи канала связи 37 подключён к входу блока 34 вероятностного анализа суммарной подачи насосов;
- выход блока 34 вероятностного анализа суммарной подачи насосов при помощи канала связи 35 подключён к входу блока 38 вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод, выход которого при помощи канала связи 39 подключён к входу блока 40 анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду;
- выход устройства 20 записи данных датчика 18 уровня воды, установленного на подводящем трубопроводе 8, при помощи канала связи 21 подключено к входу блока 27 анализа водопритока;
- модуль анализа диагностируемых параметров дополнительно снабжён блоком 43 ввода прогнозных вероятностных характеристик водопритока, снабжённого каналом связи 44, позволяющим соединять выход блока 43 ввода прогнозных вероятностных характеристик водопритока с входом блока 38 вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод;
- модуль анализа диагностируемых параметров дополнительно снабжён блоком 45 прогнозного анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду, к входу которого при помощи канала связи 46 подключён выход блока 40 анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду.
Работа системы проиллюстрирована на примере, когда модуль перекачки воды оборудован двумя (и более) насосами. В соответствии с настоящим изобретением количество насосов может быть разным, но принцип работы системы от этого не меняется.
Система может проводить:
- оценку фактических сбросов сточных вод из системы водоотведения в окружающую среду;
- оценку сбросов сточных вод из системы водоотведения в окружающую среду при прогнозном изменении притока, а также количества, показателей надёжности и подачи насосов.
прит
кнс
При проведении оценки фактических сбросов сточная вода с расходом Q по подводящему трубопроводу 8 при открытом запорно-регулирующем устройстве 9 свободно поступает в приёмный резервуар 7, уровень воды в котором начинает подниматься. При достижении первого верхнего уровня в работу включается один насос (номер 1 или 2). При этом суммарная подача насосов Q равна подаче работающего насоса. После этого возможны следующие режимы работы модуля перекачки воды.
прит
1
Первый режим, когда расход воды Q, поступающей в приёмный резервуар 7, меньше подачи одного насоса. В этом режиме уровень воды в приёмном резервуаре 7 начинает снижаться. При достижении первого минимального уровня насос отключается. Объем воды V, находящийся в приёмном резервуаре 7 между первым минимальным и первым верхним уровнем, вводится через блок 28 ввода объёмов приёмного резервуара.
прит
кнс
2
Второй режим, когда расход воды Q, поступающей в приёмный резервуар 7, больше подачи одного насоса, но меньше подачи двух параллельно работающих. Модуль перекачки воды из первого режима во второй режим попадает, когда уровень воды в приёмном резервуаре 7 продолжает подниматься до второго верхнего уровня. В результате включается в работу второй насос (суммарная подача насосов Q равна сумме подач работающих насосов) и уровень воды в приёмном резервуаре 7 начинает снижаться. При достижении второго минимального уровня один насос отключается, а один продолжает работать. Объем воды V, находящийся в приёмном резервуаре 7 между первым минимальным и вторым верхним уровнем, вводится через блок 28 ввода объёмов приёмного резервуара.
прит
кнс
3
Третий режим, когда расход воды Q, поступающей в приёмный резервуар 7, больше подачи двух параллельно работающих - Q. В третий режим модуль перекачки воды попадает из второго режима, когда уровень воды в приёмном резервуаре продолжает подниматься до третьего верхнего уровня. Объем воды V, находящейся в приёмном резервуаре 7 между первым минимальным и третьим верхним уровнем, вводится через блок 28 ввода объёмов приёмного резервуара.
Информация о повышении уровня через выход устройства 20 записи данных датчика 19 уровня воды, установленного в приёмном резервуаре 7, при помощи канала связи 21 поступает к входу устройства управления 11. Для предотвращения затопления модуля перекачки воды из выхода устройства управления 11 при помощи канала связи 12 к входу исполнительного органа 10 запорно-регулирующего устройства 9 поступает команда на прикрытие. В результате:
- уровень воды в приёмном резервуаре 7 начнёт снижаться;
накоп
прит
кнс
прит
кнс
- уровень воды в подводящем трубопроводе 8 начнёт повышаться, поскольку в нем начнёт аккумулироваться вода за счёт накопительного расхода Q= Q – Q, где Q, Q– расход водопритока и суммарная подача насосов.
В течение всего третьего режима устройство управления 11 путём прикрытия – открытия будет поддерживать уровень воды, например, на третьем верхнем уровне. Система вернётся из третьего режима во второй, когда при полностью открытом запорно-регулирующем устройстве 9 уровень воды в приёмном резервуаре 7 будет продолжать снижаться.
Перечисленные режимы работы модуля перекачки воды относятся к режимам «старт – стоп». Настоящим изобретением не исключается другой тип режима работы, когда уровень воды в приёмном резервуаре 7 поддерживается примерно на одинаковом уровне за счёт включения – выключения насосных агрегатов. Это практикуется на больших канализационных насосных станциях, где число насосов значительно больше двух. Но, при этом, третий режим неизбежен при поступлении нерасчётных расходов воды, например, в дождь.
кнс
прит
В целом, в третьем режиме суммарная откачка Q воды насосами будет меньше поступающего расхода Q(водопритока), поэтому ее оценить по суммарной производительности насосов невозможно. Для решения этой задачи включаются в работу модуль контрольно-измерительных приборов и анализа диагностируемых параметров.
Датчики 13 - 19 синхронно (т.е. в одно и то же время) и через один и тот же интервал времени (например, 1 минуту) снимают показания и записывают в устройствах 20 записи данных, где таким образом хранится массив информации. При этом настоящим изобретением предусматривается возможность двух вариантов применения датчиков 13 - 17.
кнс
3
Первый вариант, когда применяется только один тип, т.е. или только датчики 13 и 14 подачи насоса, или только датчики 15, 16 давления, или только измеритель 17 потребляемой мощности. Этого достаточно для того, чтобы в блоке 24 анализа откачки воды из приёмного резервуара, куда информация от датчиков поступает по каналам связи 21, проанализировать и сохранить в устройстве записи данных 25 массив информации, характеризующий график изменения во времени расхода воды (суммарной подачи насосов), откачиваемой из приёмного резервуара 7. На фигуре 2 для примера этот график обозначен позицией 44, отражающей изменение расхода Q, тыс. м/ч.
1
2
3
При работе модуля перекачки воды в режиме «старт – стоп» расход откачиваемой воды в первом варианте дополнительно оценивается объёмным способом, с учётом объёмов приёмного резервуара. Информация о (V, V, V и т.д.) последних поступает в блок 24 анализа откачки воды из приёмного резервуара при помощи канала связи 29 из блока 28 ввода объёмов приёмного резервуара. В этом случае показания датчиков 15, 16 давления или измерителя 17 потребляемой мощности используются только для фиксации времени начала и окончания откачки воды из приёмного резервуара 7. Точность этого способа зависит от режима работы модуля перекачки воды, поскольку расход в этом случае оценивается как среднее значение продолжительности наполнения и откачки приёмного резервуара 7. Чем меньше эта продолжительность, тем больше точность оценки.
Второй вариант, когда они применяются одновременно. Это может быть реализовано в системах, на которых они уже установлены для контроля технологических показателей работы. В этом случае повысится надёжность системы в целом и точность оценки за счёт сопоставления результатов измерений.
К входу блока 27 анализа водопритока поступает следующая информация:
кнс
- от устройства 25 записи данных блока 24 анализа откачки воды из приёмного резервуара 7 при помощи канала связи 26. Информация представляется в виде графика изменения во времени расхода воды, откачиваемой из приёмного резервуара 7, т.е. Q(t);
рез
- от выхода устройства 20 записи данных датчика 19 уровня воды, установленного в приёмном резервуаре 7, при помощи канала связи 21. Информация представляется в виде графика изменения во времени уровня воды в приёмном резервуаре 7. На фигуре 2 для примера этот график обозначен позицией 45, отражающей изменение уровня Н(t), м.в.с.;
- от выхода блока 22 ввода геометрических характеристик приёмного резервуара 7 (например, в виде средней площади поперечного сечения) при помощи канала связи 23. Информация представляется в виде константы. По этой причине блок 22 не оборудуется устройством записи данных. Однако произведение этой константы на значения из массива информации об уровне воды в приёмном резервуаре 7, поступающей от выхода устройства 20 записи данных датчика 19 уровня воды, позволяет в блоке 27 анализа водопритока получить информацию в виде графика изменения во времени объёма воды в приёмном резервуаре 7 (на фигуре 2 не показан);
кол
- от выхода устройства 20 записи данных датчика 18 уровня воды, установленного на подводящем трубопроводе 8, при помощи канала связи 21. На фигуре 2 для примера этот график обозначен позицией 46, отражающей изменение уровня Н(t), м.в.с.;
- от выхода блока 30 ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода (например, в виде зависимости объёма воды от уровня воды в подводящем трубопроводе) при помощи канала связи 31. Информация представляется в виде функции. По этой причине блок 30 не оборудуется устройством записи данных. Однако применение этой функции позволяет на основании информации, полученной от датчика 18 уровня воды в подводящем трубопроводе, вычислять объем воды в нем.
Этой информации достаточно для того, чтобы в блоке 27 анализа водопритока:
Определить график водопритока, поступающего в подводящий трубопровод 8 перед приёмным резервуаром 7, на основании следующего уравнения баланса воды
накоп
Определить корреляционную зависимость между продолжительностью подтопления подводящего трубопровода и накопительным расходом Q сточных вод, т.к.:
прит
кнс
рез
кол
Q(t)=Q(t)+dV(t)/dt+dV(t)/dt,
рез
рез
кол
1
кол
1
кол
где dV(t) = dН(t)*S, S - средняя площадь поперечного сечения приёмного резервуара 7, поступающая из блока 22 ввода геометрических характеристик приёмного резервуара; dV(t)/dt = f(dН(t)), f - зависимость объёма воды от уровня воды Н(t) в подводящем трубопроводе 7, поступающая из блока 30 ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода. По одному из вариантов развития
кол
1
кол
3
кол
4
3
dV(t)/dt=f(Н(t))=k*ln(dН(t))+k, м/ч.
прит
3
На фигуре 2 для примера полученный график Q(t) обозначен позицией 47, отражающий изменение водопритока, тыс. м/ч;
- продолжительность t подтопления подводящего трубопровода 8 возможно определить по продолжительности повышения уровня воды в нем;
накоп
накоп
прит
кнс
накоп
- накопительный расход Q сточных вод возможно определить по формуле Q = Q- Q. В том случае, когда Q> 0 имеет место подтопление подводящего трубопровода 8.
На фигуре 3 для примера показан результат анализа фактических данных 48, в результате которого получена корреляционная зависимость 49 по формуле
1
накоп
2
t=k/Q+k,
1
2
где k=8,k=0,55.
прит
Q
прит
В блоке 32 вероятностного анализа водопритока на основании графика водопритока Q(t), определённого за длительный период, например один год, в блоке 27 анализа водопритока, поступающего по каналу связи 41, получаются результаты вероятностного анализа водопритока. Настоящим изобретением допускаются различные варианты предоставления результатов такого анализа. В качестве примера, на фиг. 4 представлен вариант, когда он приведён в виде функции плотности распределения водопритока f(Q).
н1
н2
Дополнительно через блок 36 ввода вероятностных и технологических показателей надёжности насосов вводится требуемая информация. Допустим (для сплошного примера демонстрации работоспособности системы), что для перекачки водопритока, функция плотности распределения которого представлена на фиг. 4, необходима станция с четырьмя насосами первого типа с подачей Q и семью насосами второго типа с подачей Q. Тогда в блоке 36 для примера вводится следующая информация;
Вероятностные показатели:
Технологические показатели:
1
- интенсивность отказов насосов первого типа л= 0,002, 1/ч;
2
- интенсивность отказов насосов второго типа л= 0,001666667, 1/ч;
1
- интенсивность восстановления насосов первого типа м= 0,001538, 1/ч;
2
- интенсивность восстановления насосов второго типа м= 0,001429, 1/ч.
н1
3
- подача насосов первого типа Q= 7,5, тыс. м/ч;
н1
3
- подача насосов второго типа Q= 17, тыс. м/ч.
Q
кнс
Эта информация по каналу связи 37 поступает в блок 34 вероятностного анализа суммарной подачи насосов, в котором выполняется анализ вероятностей суммарной подачи насосов. Настоящим изобретением предусматривается возможность применения различных методов расчёта для проведения заявленного анализа. Для примера, на фиг. 5 представлен результат, полученный путём решения системы дифференциальных уравнений Колмогорова, описывающей процесс изменения состояний насосов, и представленный в виде функции плотности распределения суммарной подачи насосов f(Q).
В результате, в блок 38 вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод поступает следующая информация:
Q
прит
- из блока 32 вероятностного анализа водопритока - результаты анализа водопритока, например, в виде функции плотности распределения водопритока f(Q), представленной на фиг. 4;
Q
кнс
- из блока 34 вероятностного анализа суммарной подачи насосов - результаты анализа суммарной подачи, например, в виде функции плотности распределения суммарной подачи насосов f(Q), представленной на фиг. 5.
прит
кнс
Q
накоп
накоп
Этой информации достаточно для того, чтобы в блоке 38 вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод выполнить вероятностный анализ разницы двух случайных величин - QиQ, и получить ее, например, в виде функции плотности распределения f(Q) накопительного расхода Q. Для примера, на фиг. 6 представлен результат такого анализа.
В блок 40 анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду, поступает следующая информация:
Q
накоп
- из блока 38 вероятностного анализа накопительного расхода сточных вод - результаты анализа накопительного расхода, например, в виде функции плотности распределения накопительного расхода f(Q), представленной на фиг. 6;
накоп
- из блока 27 анализа водопритока - результаты анализа корреляционной зависимости между продолжительностью подтопления подводящего трубопровода 8 и накопительным расходом Q сточных вод, представленной на фиг. 3.
Этой информации достаточно для того, чтобы в блоке 40 анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду, выполнить:
накоп
накоп
- оценку зависимости общей продолжительности T эксплуатации системы за год (или другой требуемый период), когда Q> 0, от Q. Результаты такой оценки представлены на фигуре 7 позицией 50;
накоп
накоп
накоп
- оценку зависимости количества случаев N в году (или другой требуемый период), когда Q> 0, от Q. Результаты такой оценки представлены на фигуре 7 позицией 51. При этом для оценки использована корреляционная зависимость между продолжительностью подтопления подводящего трубопровода 8 и накопительным расходом Q, обозначенная позицией 52;
- оценку интегрального объёма V сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду за год (или другой требуемый период). Результаты такой оценки представлены на фигуре 7 позицией 53.
Этот пример иллюстрирует повышение надёжности предлагаемой системы по сравнению с прототипом, т.к. ее применение в условиях превышения притока воды над суммой подач насосов позволит сохранить ее работоспособность поскольку:
- приёмный резервуар и насосы будут защищены от подтопления;
- сохранится возможность определения расхода сточных вод, поступающих в систему;
- появляется возможность оценивать объем сбрасываемых в окружающую среду сточных вод.
При проведении оптимизации сбросов сточных вод из системы водоотведения в окружающую среду возможны следующие режимы ее работы.
Первый режим, когда прогнозируется изменение алгоритмов работы (или реконструкция) только модуля перекачки воды при фактически измеренном водопритоке. В этом случае:
- блок 43 ввода прогнозных вероятностных характеристик водопритока не включается в работу;
- модуль контрольно-измерительных приборов и модуль анализа диагностируемых параметров работают так же, как и при оценке фактических сбросов за исключением того, что в блоке 36 ввода вероятностных и технологических показателей надёжности насосов осуществляется ввод новых вероятностных и технологических показателей надёжности насосов, отражающих результаты изменения алгоритмов работы (или реконструкции) насосов, а в блок 45 прогнозного анализа объёма сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду, по каналу связи 46 поступают для сравнения результаты прогноза в этом режиме.
накоп
накоп
Для примера на фиг. 8 позицией 54 обозначены результаты оценки количества случаев N в году (или другой требуемый период), когда Q> 0, от Q, а позицией 55 – результаты оценки интегрального объёма V сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду за год (или другой требуемый период) при уменьшении вдвое интенсивностей отказов насосов.
Второй режим, когда прогнозируется изменение водопритока при сохранении алгоритмов работы (или реконструкция) модуля перекачки воды. В этом случае:
- модуль контрольно-измерительных приборов и модуль анализа диагностируемых параметров не включается в работу;
- в блоке 43 ввода прогнозных вероятностных характеристик водопритока вводятся прогнозные вероятностные характеристики водопритока;
- в остальном модуль анализа диагностируемых параметров работает так же, как и в первом режиме.
накоп
накоп
Для примера на фиг. 8 позицией 56 обозначены результаты оценки количества случаев N в году (или другой требуемый период), когда Q> 0, от Q, а позицией 57 – результаты оценки интегрального объёма V сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду за год (или другой требуемый период) при увеличении на 16% водопритока.
Третий режим, когда прогнозируется изменение водопритока при одновременном изменении алгоритмов работы (или реконструкция) модуля перекачки воды. В этом случае:
- модуль контрольно-измерительных приборов и модуль анализа диагностируемых параметров не включается в работу;
- в блоке 43 ввода прогнозных вероятностных характеристик водопритока вводятся прогнозные вероятностные характеристики водопритока;
- в блоке 36 ввода вероятностных и технологических показателей надёжности насосов осуществляется ввод новых вероятностных и технологических показателей надёжности насосов, отражающих результаты изменения алгоритмов работы (или реконструкции) насосов.
накоп
накоп
Для примера на фиг. 8 позицией 58 обозначены результаты оценки количества случаев N в году (или другой требуемый период), когда Q> 0, от Q, а позицией 59 – результаты оценки интегрального объёма V сточных вод, сбрасываемых в окружающую среду за год (или другой требуемый период) при одновременном увеличении на 16% водопритока и уменьшении вдвое интенсивностей отказов насосов.
Этот пример иллюстрирует расширение функциональных возможностей предлагаемой системы, поскольку ее применение позволило обосновать уменьшение интенсивности отказов насосов в качестве инженерной меры, направленной на оптимизацию (снижение) сбросов сточных вод в окружающую среду.
Таким образом, предлагаемая система соответствует критерию «промышленная применимость».