Способ и устройство регулирования давления в сети водоснабжения

Изобретение относится к области водоснабжения и может применяться для управления работой насосных станций. Способ предусматривает предварительное определение и введение в устройство регулирования статистически обработанных данных зависимости эквивалентного гидравлического сопротивления сети водоснабжения от подачи насосной станции. Введенные данные используются при регулировании для поддержания постоянного давления в удаленной точке сети водоснабжения. Устройство содержит насосный агрегат с его электродвигателем, регулируемый электропривод, датчик давления, сигнал с которого подается на один вход блока вычитания, блок определения потерь давления в сети водоснабжения, с выхода которого сигнал подается на другой вход блока вычитания. Выход блока вычитания подается на второй вход регулируемого электропривода, на вход блока определения потерь давления в сети водоснабжения подается сигнал с датчика расхода, а также с блока определения эквивалентного гидравлического сопротивления сети водоснабжения, при этом на вход отмеченного блока подается сигнал с датчика расхода, а на второй его вход введена зависимость гидравлического сопротивления сети водоснабжения от подачи насосной станции. Техническим результатом является возможность регулирования давления без организации канала связи между удаленной точкой и насосной станцией, а также упрощение аппаратуры и экономия расходуемой насосным оборудованием электроэнергии. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области водоснабжения и может найти применение для управления работой насосных станций, подающих воду в сеть водоснабжения, с целью снижения затрат электроэнергии на перекачивание единицы объема жидкости.

Известен способ [1] управления насосными станциями водоснабжения, обеспечивающий поддержание заданного давления в удаленной от насосной станции диктующей точке сети водоснабжения. Способ предполагает наличие датчика давления, расположенного в удаленной диктующей точке сети водоснабжения и канала связи, по которому информация с этого датчика постоянно передается в насосную станцию.

В насосной станции располагается регулируемый электропривод насосов, содержащий регулятор, на один из входов которого подается сигнал, полученный по каналу связи от датчика давления в удаленной диктующей точке, а на другой - сигнал, пропорциональный величине поддерживаемого в диктующей точке давления. Регулятор постоянно вычисляет разность сигналов на двух его входах и поддерживает режим работы насоса таким, чтобы давление в диктующей точке равнялось заданной величине.

Недостатком этого способа является необходимость существования кроме собственно оборудования, регулирующего давление, еще и оборудования, обеспечивающего постоянно действующий канал связи между диктующей точкой сети водоснабжения и насосной станцией. Часто в диктующих точках по разным причинам затруднительно располагать оборудование связи. Кроме того, его введение в структуру регулирования давления удорожает оборудование и снижает надежность его функционирования. Известны и более сложные решения [2], в которых для управления насосным оборудованием используется программное обеспечение, в которое постоянно вводится информация от датчиков, в том числе от датчика в удаленной диктующей точке сети водоснабжения. Понятно, что и для работы подобных систем требуются каналы связи с датчиками.

Известен способ и реализующее его устройство [3] для автоматического регулирования давления в удаленной точке протяженного трубопровода, обеспечивающие поддержание постоянного давления. Способ предполагает вычисление потерь давления в трубопроводе по известному его гидравлическому сопротивлению. Способ предполагает наличие блока, рассчитывающего давление в удаленной точке Б трубопровода по формуле

В формуле (1) Р_А - давление на выходе насосной станции.

P_Б - давление в удаленной точке трубопровода;

ΔH_ТР - потери давления в трубопроводе.

Сигнал с этого блока подается на вход регулятора давления, который, сравнивая величину Р_Б с сигналом задатчика давления, воздействует на насосный агрегат таким образом, что в точке Б трубопровода поддерживается постоянное давление.

Потери давления в трубопроводе в каждый момент времени t рассчитываются по формуле

Здесь S - гидравлическое сопротивление трубопровода,

Q(t) - мгновенный расход воды в трубопроводе.

Для вычисления выражения (2) в насосной станции устанавливается датчик расхода.

Недостатком способа регулирования, предложенного в [3], является неспособность поддерживать давление в удаленной точке не протяженного трубопровода, а распределенной и протяженной сети водоснабжения с множеством точек, в которых осуществляется отбор воды. Это связано с тем, что коэффициент S, участвующий в расчете потерь давления между точками А и Б трубопровода, является постоянной величиной.

Задача стабилизировать давление не в удаленной точке единственного трубопровода, подсоединенного к насосной станции, а стабилизировать давление в удаленной диктующей (диктующей точкой сети водоснабжения называют такую точку, в которой достаточное для нормального водоснабжения давление h_Д означает достаточное для нормального водоснабжения давление во всех остальных точках H_k сети водоснабжения.) точке разветвленной сети водоснабжения часто требует решения, потому что режим поддержания минимально возможного давления в диктующей точке сети соответствует минимальным затратам электроэнергии на насосной станции.

Предлагаемый способ поддержания давления в удаленной диктующей точке и устройство для осуществления этого способа не требуют организации канала связи между удаленной точкой сети водоснабжения и насосной станцией.

Давление в любой точке сети водоснабжения, содержащей насосную станцию, в том числе в диктующей точке, выражается для любого момента времени t формулой:

В этой формуле: Р_А - давление на выходе насосной станции;

Р_Д - давление в удаленной точке сети водоснабжения;

S_k - гидравлическое сопротивление k-того участка сети;

Q_k - расход воды на k-том участке;

H_Г - высота геодезического подъема воды между выходом насоса и диктующей точкой.

Суммирование в (3) ведется по всем N участкам сети водоснабжения, входящим в цепочку, соединяющую насосную станцию и диктующую точку. Для сети водоснабжения, приведенной в качестве примера на фиг.1, эта сумма должна быть взята для следующих N участков сети: А-1, 1-2, 2-3, 3-5, 5-7, 7-8, 8-10.

Обычно входящие в выражение (3) величины гидравлических сопротивлений и расходов для каждого участка сети водоснабжения не известны. Более того, часто не известно даже и количество N участков, так как отдельно в сети должны быть выделены участки, отличающиеся диаметрами труб и даже материалами труб. Однако если гидравлическое сопротивление участка трубы - детерминированная функция диаметра трубы, длины участка, числа Рейнольдса, шероховатости стенок, то расход Q_k(t) на каждом участке k сети является случайной функцией времени, зависящей от режима водопользования множества независимых потребителей, включенных в сеть.

При поддержании постоянного давления h_Д в диктующей точке выражение (3) может быть записано в виде

В правую часть этого выражения входит член, содержащий сумму заведомо случайных функций времени.

Поведение случайных функций времени может быть описано после накопления информации об их статистических характеристиках.

Введем равенство

Здесь Q_А(t) - расход воды, обеспечиваемый в момент t в точке А насосной станции.

S_ЭКВ[Q_А(t)] - некоторая новая случайная функция, имеющая размерность гидравлического сопротивления.

Выражением вида ΔН=SQ² описываются потери давления в трубопроводе [4], причем коэффициент S является его гидравлическим сопротивлением. Этот коэффициент не изменяется или изменяется во времени очень медленно и незначительно.

Поэтому можно сказать, что S_ЭКВ[Q_А(t)] - это гидравлическое сопротивление некоторого эквивалентного сети водоснабжения трубопровода, который бы в каждый момент времени имел такие же потери давления, какие обеспечивает между точками А и Д сеть водоснабжения.

Так как в правой части выражения (5) находится случайная функция времени, зависящая от поведения множества случайных функций Q_k, то можно сказать, что и S_ЭКВ[Q_А(t)] является случайной функцией времени.

Более того, так как все поданное насосной станцией количество воды равно сумме отборов всех потребителей из сети водоснабжения, то можно считать S_ЭКВ случайной функцией от подачи насосной станции S_ЭКВ(Q). Тогда можно изучать поведение S_ЭКВ(Q), измеряя для разных моментов времени значения множества троек величин

Для каждой тройки измеренных в момент t_j значений Q_А, Р_А, Р_Д может быть рассчитана величина

Поведение случайной функции, которой является S_ЭКВ[Q_А(t)], описывается вероятностью того, что она принимает некоторое значение при пребывании ее аргумента Q в заданной области. В этом свете, проведя множество измерений вида (6) и рассчитав множество значений S_ЭКВ по этим измерениям по формуле (7), можно построить в пространстве, поверхность описывающую вероятность нахождения S_ЭКВ и Q_А в заданной области значений.

Понятно, что можно также говорить о вероятности нахождения S_ЭКВ внутри какого-то диапазона значений при некотором фиксированном значении Q_А=Q₀.

Вид распределения вероятности пребывания S_ЭКВ в некоторой области значений при фиксированном и равном Q₀ значении Q_А приведен на фиг.2.

Из вида зависимости распределения вероятности значений S_ЭКВ можно сделать вывод, что при значении подачи насосной станции, равном Q₀, целесообразно принять S_ЭКВ равным ее наиболее вероятному значению.

Меняя Q₀, можем получить зависимость от Q наиболее вероятных значений Вид зависимости приведен на графике фиг.3.

На фиг.3 Q_MIN Q_MAX - минимальное и максимальное значение расходов, обеспечиваемых насосной станцией, которое было в процессе проводившихся измерений, а S_MIN, и S_MAX наибольшее и наименьшее значения эквивалентных гидравлических сопротивлений, полученные в результате статистической обработки результатов вычислений по формуле (7).

Проделав таким образом работу по выявлению вида зависимости мы в результате получили детерминированную функцию, которую используем вместо случайной функции S_ЭКВ[Q_А(t)] для вычисления выражения (5). Тогда выражение (5) запишется в виде:

Подставляя (8) в (4), получим выражение, связывающее давление в диктующей точке сети водоснабжения, давление на выходе насосной станции и потери давления в сети водоснабжения:

Выражение (9), при выполнении подготовительных процедур, описанных выше и связанных с определением эквивалентного гидравлического сопротивления сети водоснабжения позволяет реализовать устройство, обеспечивающее поддержание постоянного давления h_Д в диктующей точке сети водоснабжения.

Устройство, реализующее описанный выше способ поддержания давления в диктующей точке сети водоснабжения, имеет принципиальную схему, представленную на фиг.1 и состоит из следующих частей: насосного агрегата 1, электродвигателя 2, управляемого регулируемым электроприводом 5, датчика давления 3 и датчика расхода 4, блока определения потерь давления в сети водоснабжения 6, блока вычисления эквивалентного гидравлического сопротивления сети водоснабжения 8 и вычитающего устройства 7. Устройство, схема которого приведена на фиг.1, работает таким образом, что выполняются математические операции, соответствующие выражению (9).

Величина необходимого поддерживаемого давления h_Д на вводе потребителя в диктующей точке задается, а геодезический подъем воды Н_Г между насосным агрегатом и диктующей точкой известен из строительной документации. Поэтому эти величины могут быть введены на вход задатчика регулируемого электропривода 5.

Очевидно, что h_Д энергетически целесообразно принять равным минимальному давлению, при котором в точке Д осуществляется нормальное водоснабжение.

Способ определения зависимости был описан выше. Повторим, что зависимость должна быть определена по статистически достоверным измерениям, проведенным при настройке системы регулирования.

Блок определения эквивалентного гидравлического сопротивления 8 по введенной в него характеристике и по значению величины Q_А(t), измеренной датчиком расхода 3, в каждый момент времени определяет значение эквивалентного гидравлического сопротивления сети водоснабжения между диктующей точкой Д и точкой А насосной станции.

Сигнал с выхода блока определения эквивалентного гидравлического сопротивления сети водоснабжения 8 подается в блок определения потерь давления в сети водоснабжения 6, который формирует сигнал согласно вычисляемому им выражению Этот сигнал подается на вход блока вычитания, на другой вход которого подается сигнал с датчика давления на выходе насосной станции 2.

Блок вычитания формирует сигнал, являющийся в каждый момент времени правой частью выражения (9).

Замкнутая система авторегулирования, которой является предложенное устройство, в соответствии с теорией работы систем с обратной связью, в каждый момент времени с пренебрежимо малой ошибкой поддерживает равенство сигналов на двух входах регулирующего устройства - входе задатчика и входе датчика. Регулируемый электропривод 4 воздействует на электродвигатель 2 насосного агрегата 1 таким образом, что в каждый момент времени поддерживается равенство (9) сигнала на входе задатчика и сигнала с выхода блока вычитания.

Выполнение с помощью устройства, приведенного на фиг.1, равенства (9) означает поддержание постоянного заданного давления h_Д в удаленной от насосной станции диктующей точке сети водоснабжения.

Иногда в сети водоснабжения появляются изменения, нарушающие введенную при настройке устройства зависимость Причиной такого нарушения настройки может стать, например, выведение в ремонт какого-то участка сети водоснабжения или потребление каким-то пользователем аномальных количеств воды. В этом случае потребуется провести повторно настройку системы, выражающуюся в том, что следует вновь собрать статистически достоверную информацию о разности давлений в каждый момент времени между точками А и Д и о подаче насосной станции в те же моменты времени. Далее по этим данным следует вновь вычислить для каждого момента времени значение эквивалентного гидравлического сопротивления сети, статистически обработать множество значений S_ЭКВ[Q_А(t)] и получить новую зависимость

Для автоматического проведения повторных настроек системы при изменении характеристик сети водоснабжения предлагается вариант устройства, приведенный на фиг.4, содержащий дополнительно введенные в систему регулирования давления блок адаптивного управления 9, устройство накопления 10 и датчик давления в диктующей точке 11.

Устройство, приведенное на фиг.4, работает следующим образом. Блок адаптивного управления 9 устанавливается в насосной станции, устройство накопления 10 и датчик давления 11 - в диктующей точке сети водоснабжения.

Данные о значениях давления и расхода на насосной станции в зависимости от времени в блоке адаптивного управления постоянно накапливаются, для чего в этот блок подаются сигналы с датчика давления 4 и датчика расхода 5.

Устройство накопления 10, установленное в диктующей точке, аналогично блоку адаптивного управления 9, накапливает данные о значении в каждый момент времени давления в диктующей точке, получаемые им с датчика давления 11. С помощью любого устройства, например флэш-памяти, накопленные данные из устройства накопления 10, расположенного в диктующей точке, переносятся в блок адаптивного управления 9, расположенный в насосной станции. Блок адаптивного управления проводит обработку имеющихся в нем данных и вычисляет новую, откорректированную по множеству последних измерений зависимость Эта новая зависимость подается на вход блока определения эквивалентного гидравлического сопротивления сети. В остальном устройство с блоком адаптивного управления и устройством накопления на фиг.4 работает аналогично тому, как работает устройство, приведенное на фиг.1.

Так как обслуживающий персонал знает об изменениях в сети водоснабжения, то в случае проведения ремонтных работ либо появления аварий, имеется возможность провести цикл адаптации устройства под новую характеристику сети Время на проведение такого цикла в предложенном устройстве минимально.

Имеется также возможность периодически контролировать соответствие текущих параметров сети водоснабжения ранее полученным, тем самым контролируя состояние сети и действия потребителей воды.

Литература

1. М.Б.Бадалов, К.А.Пцарев, М.Ю.Юдин, М.М.Хямяляйнен, М.А.Огибин, Совершенствование эксплуатации системы подачи и транспортирования воды Санкт-Петербурга, журнал «Водоснабжение и санитарная техника», №11, 2001 г., стр.10-12.

2. Описание изобретения «Способ автоматического управления водоснабжением» к патенту RU 2264652, кл. G06A 17/60, G05В 19/18, Глуховский И.И., Каменецкий А.Б.

3. Б.Н.Иваненко, Н.Г.Тарасов, авторское свидетельство СССР №623993, кл. F04D 15/00, G05D 27/00.

4. Л.А.Цыбин, И.Ф.Шанаев, Гидравлика и насосы. М.: Высшая школа, 1976 г., стр.116-119.

1. Способ регулирования давления в сети водоснабжения, отличающийся тем, что по статистически достоверным измерениям определяют зависимость от подачи насосной станции эквивалентного гидравлического сопротивления, соответствующего потере давления между выходом насосной станции и диктующей точкой сети водоснабжения, причем по зависимости эквивалентного гидравлического сопротивления от подачи насосной станции обеспечивают поддержание постоянного давления в диктующей точке сети водоснабжения.

2. Устройство регулирования давления в сети водоснабжения, содержащее насосный агрегат с его электродвигателем, регулируемый электропривод, управляющий давлением на выходе насосной станции, датчик давления на выходе насосной станции, сигнал с которого подается на один вход блока вычитания, блок определения потерь давления в сети водоснабжения, с выхода которого сигнал подается на другой вход блока вычитания, выход блока вычитания подается на второй вход регулируемого электропривода, а на вход блока определения потерь давления в сети водоснабжения подается сигнал с датчика расхода, установленного на выходе насосной станции, отличающееся тем, что на вход блока определения потерь давления в сети водоснабжения подается сигнал с блока определения эквивалентного гидравлического сопротивления сети водоснабжения, причем на вход блока определения эквивалентного гидравлического сопротивления сети водоснабжения подается сигнал с датчика расхода на выходе насосной станции, а на второй его вход введена зависимость гидравлического сопротивления сети водоснабжения от подачи насосной станции.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в систему регулирования устройства дополнительно введены устройство накопления, второй датчик давления и блок адаптивного управления, причем устройство накопления и второй датчик давления установлены в диктующей точке, устройство накопления запоминает данные о зависимости от времени давления, измеряемого датчиком давления в диктующей точке, блок адаптивного управления расположен в насосной станции, данные с устройства накопления периодически вводятся на первый вход блока адаптивного управления, на второй вход блока адаптивного управления вводится сигнал с датчика давления на выходе насосной станции, а на третий вход - сигнал с датчика расхода, причем блок адаптивного управления после введения в него информации с устройства накопления периодически вычисляет уточненную зависимость эквивалентного гидравлического сопротивления сети водоснабжения от расхода и подает ее на вход блока определения эквивалентного гидравлического сопротивления сети водоснабжения.