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) РА - давление на выходе насосной станции.

PБ - давление в удаленной точке трубопровода;

ΔHТР - потери давления в трубопроводе.

Сигнал с этого блока подается на вход регулятора давления, который, сравнивая величину РБ 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 hД означает достаточное для нормального водоснабжения давление во всех остальных точках Hk 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: РА - давление на выходе насосной станции;

РД - давление в удаленной точке сети водоснабжения;

Sk - гидравлическое сопротивление k-того участка сети;

Qk - расход воды на k-том участке;

HГ - 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 Qk(t) на каждом участке k сети является случайной функцией времени, зависящей от режима водопользования множества независимых потребителей, включенных в сеть.

При поддержании постоянного давления hД 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 QА(t) - расход воды, обеспечиваемый в момент t в точке А насосной станции.

SЭКВ[QА(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 SЭКВ[QА(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 Qk, то можно сказать, что и SЭКВ[QА(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 SЭКВ случайной функцией от подачи насосной станции SЭКВ(Q). Тогда можно изучать поведение SЭКВ(Q), измеряя для разных моментов времени значения множества троек величин

Для каждой тройки измеренных в момент tj значений QА, РА, РД может быть рассчитана величина

Поведение случайной функции, которой является SЭКВ[QА(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 SЭКВ по этим измерениям по формуле (7), можно построить в пространстве, поверхность описывающую вероятность нахождения SЭКВ и QА в заданной области значений.

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

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

Из вида зависимости распределения вероятности значений SЭКВ можно сделать вывод, что при значении подачи насосной станции, равном Q0, целесообразно принять SЭКВ 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 QMIN QMAX - минимальное и максимальное значение расходов, обеспечиваемых насосной станцией, которое было в процессе проводившихся измерений, а SMIN, и SMAX 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 SЭКВ[QА(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 hД 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 hД на вводе потребителя в диктующей точке задается, а геодезический подъем воды НГ между насосным агрегатом и диктующей точкой известен из строительной документации. Поэтому эти величины могут быть введены на вход задатчика регулируемого электропривода 5.

Очевидно, что hД 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 QА(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 hД 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 SЭКВ[QА(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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству, содержащему реактор высокого давления, снабженный разгрузочным клапаном с гидроуправлением. .

Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования и может быть использовано в системе кондиционирования воздуха летательного аппарата. .

Изобретение относится к подземному модулю регулирования давления текучей среды и содержит захлопывающийся клапан и клапан регулирования давления. .

Изобретение относится к системе регулирования давления и содержит подземный модуль регулирования давления внутри патрона, который принимает поток газа высокого давления и производит на выпуске низкое давление при регулируемом давлении.

Изобретение относится к устройствам для чистки или подметания поверхности на желаемое расстояние или на регулируемое переменное расстояние. .

Изобретение относится к области гидравлических систем управления рабочими органами мобильной техники. .

Изобретение относится к области автоматического регулирования, предназначено для регулирования давления жидкости или газа и может быть использовано в системах гидропневмоавтоматики как звено, преобразующее входной электрический сигнал в давление жидкости или газа на выходе системы, управляющей гидравлическими и пневматическими исполнительными механизмами.

Изобретение относится к системам автоматического регулирования давления и предназначено для использования в различных отраслях промышленности, где необходимо снабжать потребителя жидким продуктом постоянного давления, подаваемым в них из емкости.

Изобретение относится к строительству, в частности к системам водоснабжения населенных пунктов. .

Изобретение относится к технике отопления, вентиляции, горячего и холодного водоснабжения и теплоснабжения зданий. .

Изобретение относится к теплоэнергетическим устройствам для спиртопроизводящих заводов, использующих в своей работе вторичное тепло, и может найти широкое применение в пищевой промышленности.

Изобретение относится к устройствам оборотного водоснабжения, использующим тепловую энергию дефлегматорной воды для нужд производства и быта спиртопроизводящего предприятия.

Изобретение относится к системам оборотного водоснабжения теплоэлектростанций и может быть применено на предприятиях, вырабатывающих тепловую и электрическую энергию, использующих твердые виды топлива, а также там, где требуется предохранение природных водотоков от загрязнения взвешенными частицами и вредными химическими соединениями.

Изобретение относится к конструкциям резервуаров запаса чистой воды, сжиженных газов, жидкого топлива и других жидкостей. .

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях. .

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в оборотных системах водоснабжения тепловых и атомных электростанций с прудом-охладителем. .

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в оборонных системах водоснабжения тепловых и атомных электростанций с прудом-охладителем. .

Группа изобретений относится к системе питьевой или технической воды с системой трубопроводов, а также к клапанам, используемым в этой системе. Система имеет подключение к коммунальной сети водоснабжения, по меньшей мере один подающий стояк или подъемный стояк по меньшей мере с одним ответвляющимся от него этажным трубопроводом и/или по меньшей мере одним ответвляющимся в направлении протекания воды от стояка и/или этажного трубопровода кольцевым трубопроводом. Система также снабжена возвратным стояком, в котором оканчиваются подающий стояк, и/или подъемный стояк, и/или этажный трубопровод, и/или кольцевой трубопровод. К подъемному стояку, и/или этажному трубопроводу, и/или кольцевому трубопроводу подключен по меньшей мере один потребитель. Система трубопроводов образует из подающего стояка или подъемного стояка и возвратного стояка замкнутый циркуляционный трубопровод. В этот трубопровод интегрировано устройство для охлаждения протекающей воды, с помощью которого обеспечивается возможность охлаждения или охлаждается питьевая или техническая вода до заданной температуры. Подключение к сети водоснабжения включено в направлении потока перед входом охлаждающего устройства в кольцевой трубопровод. Управляемый клапан в зависимости от устанавливаемой температуры при лежащей выше заданного значения температуре протекающей через трубопровод воды открывает поток до максимального значения, а при лежащей ниже температуре ограничивает поток до минимального значения. Обеспечивается соответствие находящейся в системе воды гигиеническим требованиям. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области водоснабжения и может применяться для управления работой насосных станций

Наверх