Система оперативного диагностирования притока воды
SYSTEM FOR RAPID DIAGNOSIS OF WATER INFLUX

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам определения графика притока сточных вод, поступающих на канализационные насосные станции (КНС).
Известен «Расходомер - счётчик безнапорных потоков жидкости» (см. патент на изобретение №2303768, Рос. Федерация: МПК G01L 1/00 (2006.01) / Трофимов В.В., Трофимов В.В., Ерохин В.Е., Ершов М.Н., Казьмин Ф.Г.; опубл. 27.07.2007, Бюл. №21.), содержащий устройство измерения средней скорости потока жидкости, включающее лопасть, устройство измерения уровня потока жидкости с рычагом и поплавком, оси, чувствительные элементы измерения угла поворота лопасти и измерения угла перемещения поплавка и электронный блок обработки данных. Лопасть и рычаг с поплавком жёстко закреплены на осях своих подшипников скольжения. Лопасть располагают в плоскости центральной продольной оси потока. Узлы крепления подшипников скольжения лопасти и рычага с поплавком выполнены с возможностью вращения в горизонтальной плоскости.
Недостатком указанного технического решения является ограниченная область применения, не позволяющая его использовать для измерения расхода сточных вод, поскольку наличие элементов, контактирующих с водой (лопасть, рычаг с поплавком и т.п.) приведёт к накоплению на них длинноволокнистых веществ, что приведёт к отказу устройства.
Известно «Устройство для измерения объёмного расхода жидкости в открытых каналах и безнапорных трубопроводах» (см. патент на полезную модель №18769, Рос. Федерация: МПК G01F 1/66 / Шафрановский М.Н., Чесаков Л.И., Громов Г.В., Проскурнев С.Ю., Рогов П.В., Каминский Ю.Д.; опубл. 24.04.2001), содержащее измеритель скорости жидкости, измеритель уровня жидкости, вычислитель и индикатор. При этом, измеритель скорости жидкости выполнен в виде оптического датчика, состоящего из приемо-передающей оптической системы, растрового анализатора и фотоприемного устройства, которое подключено к вычислителю.
Недостатком указанного технического решения является ограничение области применения открытыми каналами и безнапорными трубопроводами, не позволяющее его использовать для измерения расхода сточных вод в общесплавных системах водоотведения, где допускается напорный режим работы самотечных коллекторов.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению служит изобретение «Система диагностики притока воды» (см. патент на изобретение №2596029, Рос. Федерация: МПК G01F 1/66 (2006.01), G01L 1/66 (2006.01)/ Кармазинов Ф.В., Кинебас А.К., Пробирский М.Д., Игнатчик В.С., Игнатчик С.Ю. и др.; опубл. 27.08.2016, Бюл. № 24.), в которой:
- 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, блок формирования гидравлических характеристик сетей;
- датчики подачи насоса 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, блок анализа водопритока и блок формирования гидравлических характеристик сетей включены в состав модуля анализа диагностируемых параметров, модуль анализа диагностируемых параметров, дополнительно снабжён блоком ввода геометрических характеристик приёмного резервуара, снабжённого каналом связи, блоком ввода геометрических характеристик подводящего трубопровода, снабжённого каналом связи, блоком анализа откачки воды из приёмного резервуара, снабжённого устройством записи данных и каналом связи, модуль контрольно - измерительных приборов дополнительно снабжён датчиком уровня воды, установленном на подводящем трубопроводе и датчиком уровня воды, установленном в приёмном резервуаре, снабжёнными устройствами записи данных и каналами связи, модуль перекачки воды дополнительно снабжён запорно-регулирующим устройством с исполнительным органом, установленном на подводящем трубопроводе между датчиком уровня воды, установленном на подводящем трубопроводе, и приёмным резервуаром, устройством управления, снабжённым каналом связи, при этом, выход устройства записи данных датчика уровня воды, установленного в приёмном резервуаре, при помощи каналов связи подключён к входу устройства управления и 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, блок формирования гидравлических характеристик сетей дополнительно снабжён каналом связи, 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 блока ввода геометрических характеристик подводящего трубопровода при помощи канала связи соединён с входом блока формирования гидравлических характеристик сетей, выходы блоков ввода формирования гидравлических характеристик сетей 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 устройство управления, выполнено в виде человеко–машинной системы, например, диспетчерского пункта.
Имеется вариант развития, когда устройство управления, выполнено в виде регулирующего устройства.
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 формирования гидравлических характеристик сетей выполнен с возможностью определения зависимости объёма воды от уровня воды в подводящем трубопроводе по результатам математического моделирования системы.
Для указанной системы характерна узкая область применения, т.к. она рассчитана только на решение задач по мониторингу притока воды на участке подводящего трубопровода, расположенного непосредственно за датчиком уровня воды на длину, на которой отсутствует попутный приток. В подавляющем числе систем это очень короткий участок без ответвлений. По этой причине она не может быть применена для диагностирования притока воды на участках, где есть попутные и транзитные расходы.
Задачей настоящего изобретения является расширение области применения известной системы.
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, запорно-регулирующее устройство с исполнительным органом, устройством управления, снабжённым каналом связи с возможностью формирования сигналов управления на исполнительный орган запорно-регулирующего устройства;
1
модуль контрольно - измерительных приборов, содержащий, по меньшей мере, два датчика подачи насоса, снабженные каналами связи и выполненные с возможностью измерения подачи каждого насоса, датчик уровня воды H, снабженный каналом связи, и выполненный с возможностью измерения уровня воды в подводящем трубопроводе, и датчик уровня воды, снабженный каналом связи, и выполненный с возможностью измерения уровня воды в приёмном резервуаре;
модуль анализа диагностируемых параметров, содержащий блок ввода объемов приемного резервуара и блок ввода геометрических характеристик приёмного резервуара, снабжённые каналами связи, блок анализа водопритока и блок формирования гидравлических характеристик сетей, снабжённого каналом связи, блок ввода геометрических характеристик подводящего трубопровода, снабжённого каналом связи, блок анализа откачки воды из приёмного резервуара, снабжённого каналом связи, при этом:
1
- запорно-регулирующее устройство с исполнительным органом установлено на подводящем трубопроводе между датчиком уровня воды H, снабженным каналом связи, и приёмным резервуаром;
- выход датчика уровня воды при помощи канала связи подключён к входу устройства управления и входу блока анализа водопритока, выход устройства управления при помощи канала связи - к входу исполнительного органа запорно-регулирующего устройства;
- выход блока анализа откачки воды из приёмного резервуара при помощи канала связи подключен к входу блока анализа водопритока;
- выход блока ввода геометрических характеристик приёмного резервуара при помощи канала связи подключён к входу блока анализа водопритока;
- выход блока ввода объёмов приёмного резервуара при помощи канала связи подключён к входу блока анализа откачки воды из приёмного резервуара;
- выход блока ввода геометрических характеристик подводящего трубопровода при помощи канала связи подключён к входу блока формирования гидравлических характеристик сетей;
- выход блока формирования гидравлических характеристик сетей при помощи канала связи подключён к входу блока анализа водопритока, в соответствии с настоящим изобретением:
2
1
- система дополнительно снабжена по меньшей мере одним дополнительным датчиком уровня воды Н, снабженным каналом связи, и выполненным с возможностью измерения уровня воды в точке подводящего трубопровода на расстоянии L>0 от датчика уровня воды Hпротив движения воды;
1
2
1
2
,
к
- блок формирования гидравлических характеристик сетей выполнен с возможностью определения объема V воды, находящейся на участке подводящего трубопровода длиной L между датчиком уровня воды Hи наиболее удаленном от него, по меньшей мере, одним дополнительным датчиком уровня воды Н, установленном на подводящем трубопроводе в зависимости от значений Н,Н,…Н, где к – количество дополнительных датчиков уровня воды;
1
2
к
- выходы датчиков уровня воды Н,Н,…,Нпри помощи каналов связи подключены к входу блока формирования гидравлических характеристик сетей.
Отличительными признаками заявляемой «Системы оперативного диагностирования притока воды» являются:
2
1. Дополнительное снабжение системы, по меньшей мере, одним дополнительным датчиком уровня воды Н, снабженным каналом связи;
2
1
2. Выполнение дополнительного датчика уровня воды Нс возможностью измерения уровня воды в точке подводящего трубопровода на расстоянии L>0 от датчика уровня воды Hпротив движения воды;
1
2
1
2
,
к
3. Выполнение блока формирования гидравлических характеристик сетей с возможностью определения объема V воды, находящейся на участке подводящего трубопровода длиной L между датчиком уровня воды Hи наиболее удаленном от него, по меньшей мере, одним дополнительным датчиком уровня воды Н, установленном на подводящем трубопроводе в зависимости от значений Н,Н,…Н, где к – количество дополнительных датчиков уровня воды;
1
2
к
4. Подключение выходов датчиков уровня воды Н,Н,…,Нпри помощи каналов связи к входу блока формирования гидравлических характеристик сетей.
По сведениям, имеющимся у авторов, все отличительные признаки в технической литературе не известны, что отвечает условию патентоспособности «новизна».
Совместное применение в заявляемой системе указанных отличительных признаков позволяет получить положительный эффект, заключающийся в том, что расширяется область применения системы, т.к. она может быть применена для решения задач по диагностике притока воды (определения графика притока) на насосные станции, для которых приток воды будет больше сумы производительностей насосов, на участках, где есть попутные и транзитные расходы, поскольку:
- наличие отличительных признаков №1, 2 позволяет получить информацию об уровнях воды на всей длине интересующего участка подводящего трубопровода длиной L>0 в условиях, когда есть попутные притоки и, следовательно, уровень воды переменный;
- наличие отличительных признаков №3, 4 позволяет контролировать динамику изменения объема V воды, находящейся на всей длине интересующего участка подводящего трубопровода длиной L>0, что является необходимым условием для определения в блоке анализа водопритока суммы транзитных и попутных притоков на этом участке.
Предлагаемая авторами система отличается от прототипа конструктивно.
На фиг. 1 представлена схема системы оперативного диагностирования притока воды, на фиг. 2 - пример построения графика водопритока.
Система 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:
- по меньшей мере, два датчика 13 и 14 подачи насоса, установленные на всасывающих 3, 4 трубопроводах, не исключается вариант установки по меньшей мере двух датчиков 13 и 14 подачи насоса на напорных 5, 6 трубопроводах;
- датчик 15 уровня воды, установленный на подводящем трубопроводе 8 и датчик 16 уровня воды, установленный в приёмном резервуаре 7, при этом все датчики 13-16, снабжены каналами связи 17.
При этом, датчики 13 и 14 подачи насоса выполнены с возможностью измерения подачи каждого насоса.
3. Модуль анализа диагностируемых параметров, содержащий:
- блок 18 ввода геометрических характеристик приёмного резервуара, снабжённый каналом связи 19. Настоящим изобретением не исключаются различные варианты предоставления указанных характеристик и методов их определения (калибровка, измерение объёмным способом т.п.);
- блок 20 анализа откачки воды из приёмного резервуара, снабжённый каналом связи 21;
- блок 22 анализа водопритока;
- блок 23 ввода объёмов приёмного резервуара с каналом связи 24;
- блок 25 ввода геометрических характеристик подводящего трубопровода с каналом связи 26. Настоящим изобретением не исключаются различные варианты предоставления указанных характеристик, например, в виде профиля;
- блок 27 формирования гидравлических характеристик сетей с каналом связи 28.
При этом:
1
- запорно-регулирующее устройство 9 с исполнительным органом 10 установлено на подводящем трубопроводе 8 между датчиком уровня воды H15, снабженным каналом связи, и приёмным резервуаром 7;
- выход датчика уровня воды 16 при помощи канала связи подключён к входу устройства управления 11 и входу блока анализа водопритока 22, выход устройства управления 11 при помощи канала связи 12 - к входу исполнительного органа 10 запорно-регулирующего устройства 9;
- датчики 13-14 при помощи каналов связи 17 подключены к входу блока 20 анализа откачки воды из приёмного резервуара 7;
- выход блока 20 анализа откачки воды из приёмного резервуара при помощи канала связи 21 подключен к входу блока 22 анализа водопритока;
- выход блока 18 ввода геометрических характеристик приёмного резервуара при помощи канала связи 19 подключён к входу блока 22 анализа водопритока;
- выход блока 23 ввода объёмов приёмного резервуара при помощи канала связи 24 подключён к входу блока 20 анализа откачки воды из приёмного резервуара;
- выход блока 25 ввода геометрических характеристик подводящего трубопровода при помощи канала связи 26 подключён к входу блока 27 формирования гидравлических характеристик сетей;
- выход блока 27 формирования гидравлических характеристик сетей при помощи канала связи 28 подключён к входу блока 22 анализа водопритока.
Работа системы проиллюстрирована на примере, когда модуль перекачки воды оборудован двумя насосами. В соответствии с настоящим изобретением количество насосов может быть больше, но принцип работы системы от этого не меняется.
Сточная вода, 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 (№1 или 2). После этого возможны следующие режимы работы модуля перекачки воды.
1
Первый режим, когда расход воды, 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 23 ввода объёмов приёмного резервуара.
2
Второй режим, когда расход воды, поступающей в приёмный резервуар 7, больше подачи одного насоса, но меньше подачи двух параллельно работающих. Во второй режим модуль перекачки воды попадает из первого режима, когда уровень воды в приёмном резервуаре продолжает подниматься до второго верхнего уровня. В результате включается в работу второй насос и уровень воды в приёмном резервуаре 7 начинает снижаться. При достижении второго минимального уровня один насос отключаются, а один продолжает работать. Объем воды V, находящийся в приёмном резервуаре 7 между первым минимальным и вторым верхним уровнем, вводится через блок 23 ввода объёмов приёмного резервуара.
3
Третий режим, когда расход воды, поступающей в приёмный резервуар 7, больше подачи двух параллельно работающих. 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, находящийся в приёмном резервуаре 7 между первым минимальным и третьим верхним уровнем, вводится через блок 23 ввода объёмов приёмного резервуара.
Информация о повышении уровня через выход датчика 16 уровня воды, установленного в приёмном резервуаре 7, при помощи канала связи 17 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;
- уровень воды в подводящим трубопроводом 8 начнёт повышаться, поскольку в нем начнёт аккумулироваться вода.
В течение всего третьего режима устройство управления 11 путем 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.
В целом, в третьем режиме суммарная откачка воды насосами будет меньше поступающего расхода. Поэтому ее оценить по суммарной производительности насосов и объёмным способом через объёмы откаченной воды невозможно. Для решения этой задачи включаются в работу модуль контрольно - измерительных приборов и анализа диагностируемых параметров.
2
1
Датчики 13, 14, 15, 16 и 29 синхронно (т.е. в одно и то же время) и через один и тот же интервал времени (например, 1 минуту) снимают показания. На фигуре 2 для примера показаны изменяющиеся во времени значения измеряемых параметров. Позициями 31 и 32 отражено изменение уровней H и H соответственно (показаний двух датчиков 29 и 15 уровней воды в подводящем трубопроводе 8). Позицией 33 - отражено изменение суммарной подачи двух насосов (показаний двух датчиков 13 и 14 подачи насосов).
Для определения графика притока к входу блока 22 анализа водопритока поступает следующая информация:
- от блока 20 анализа откачки воды из приёмного резервуара 7 при помощи канала связи 21. Информация представляется в виде графика изменения во времени расхода воды, откачиваемой из приёмного резервуара 7 (позиция 33 на фиг. 2);
- от датчика 16 уровня воды, установленного в приёмном резервуаре 7, при помощи канала связи 17.
- от выхода блока 18 ввода геометрических характеристик приёмного резервуара (например, в виде средней площади поперечного сечения) при помощи канала связи 19. Информация представляется в виде константы. Однако, произведение этой константы на значения из массива информации об уровне воды в приёмном резервуаре 7, поступающей от выхода датчика 16 уровня воды, позволяет в блоке 22 анализа водопритока получить информацию в виде графика изменения во времени объёма воды в приёмном резервуаре 7 (на фиг. 2 не показан);
1
2
1
2
3
- от выхода блока 27 формирования гидравлических характеристик сетей в виде зависимости объёма воды от уровней H и H воды в подводящем трубопроводе при помощи канала связи 28. Указанная зависимость может быть сформирована в блоке 27 различными методами, например, по результатам аппроксимации результатов математического моделирования системы на основании информации, полученной из блока 25 ввода геометрических характеристик подводящего трубопровода. На фиг. 2 для примера позиция 34 представлена в виде изменения во времени объёма воды V/1000 (м) в зависимости от уровней воды H и H (м) в подводящем трубопроводе 8.
пр
3
Этой информации достаточно, для того что бы в блоке 22 анализа водопритока на основании уравнений баланса воды определить график водопритока, поступающего в виде суммы транзитных и попутных притоков на участке длиной L подводящего трубопровода 8. На фиг. 2 для примера этот график обозначен позицией 35, отражающий изменение водопритока Q, тыс. м/ч. Кроме того, на фиг. 2 позицией 36 обозначен график инструментально замеренного фактического водопритока. Результаты сравнения графиков изменения притока, полученных с применением предлагаемой системы и путем фактического измерения (позиции 35 и 36), показывают высокую сходимость результатов.
Таким образом, предлагаемая система соответствует критерию «промышленная применимость».