bbk 000000

УДК 621.65.62-531.3:628.1/.2

Сиволов Г. Е., Кармалов А. И., Ивансон П. Б., Исхаков Ю. Б.

Многоуровневая автоматизированная система управления технологическими процессами водоснабжения и водоотведения

Аннотация

Рассмотрены этапы создания многоуровневой автоматизированной системы управления технологическими процессами водоснабжения и водоотведения с использованием регулируемого электропривода в насосных установках, микропроцессорной и компьютерной техники. Проведен краткий обзор принципов работы составных частей системы. C целью обеспечения бесперебойного водоснабжения и водоотведения ОАО «Северский водоканал» реализует проект по созданию многоуровневой автоматизированной системы управления технологическими процессами подъема, очистки, транспортировки воды потребителям с последующим отведением стоков на городские очистные сооружения. Реализация проекта проводится поэтапно.

Ключевые слова

регулируемый электропривод , канализационная насосная станция , автоматизированная система управления , экономия электроэнергии

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Этап 1. Создание объединенной системы автоматизированного управления (ОСАУ) режимом работы насосных станций второго подъема. Система создана на основе схемы управления двумя насосами, подающими воду в общую сеть, разработанной в лаборатории автоматизации НИИ ВОДГЕО и ООО «Ягорба» [1].

Система (рис. 1) состоит из регулируемых насосных агрегатов 1 и 2, а также общей водопроводной сети 3. В диктующей точке А установлен датчик давления 4. Аналогичные датчики размещены на входе и выходе обоих насосов. Электрический сигнал от датчика давления 4, пропорциональный напору в точке А, поступает на вход ПИ-регулятора 5 насосного агрегата 1. При изменении водопотребления в точке А меняется напор. С помощью частотного преобразователя 6 изменяется частота вращения ротора электродвигателя 7 насосного агрегата 1. При этом меняется напор на его входе и выходе. Сигналы, пропорциональные этим напорам, поступают в ПИ-регулятор 5 насосного агрегата 2. В этот же регулятор поступают сигналы от датчиков давления, установленных на входе и выходе агрегата 2, а также сигнал, пропорциональный разности геодезических отметок насосов 1 и 2 от задатчика 8.

В ПИ-регуляторе поступившие сигналы обрабатываются, и выдается сигнал на изменение частоты вращения ротора электродвигателя 7 агрегата 2. Частота вращения рабочего колеса насосного агрегата 2 подстраивается с помощью частотного преобразователя 6 к частоте вращения рабочего колеса насоса 1 в соответствии с алгоритмом оптимального распределения подачи воды. Аналогичная схема управления может быть получена и для большего количества насосных агрегатов.

Создание ОСАУ системой подачи и распределения воды г. Северска осуществлялось поэтапно. Сначала была разработана локальная схема автоматического управления насосной станцией второго подъема на водозаборе № 2, обеспечивавшая стабилизацию давления на ее напорном коллекторе. В качестве регулируемого электропривода в системе был использован преобразователь Эратон 4-М – первый мощный отечественный преобразователь на IGBT-транзисторах. Он был изготовлен в 1995–1996 годах ОАО «Эрасиб» (Новосибирск) с использованием комплектующих изделий ведущих зарубежных фирм. Технические характеристики преобразователяпредставлены в табл. 1.

Результаты испытаний локальной САУ станции второго подъема водозабора № 2 (далее станция № 2) и эксплуатационных наблюдений [2] показали, что насосный агрегат № 3, оснащенный регулируемым электроприводом, может обеспечить водоснабжение района питания в широком диапазоне изменения подачи (300–1300 м³/ч) и напоров воды (20–60 м вод. ст.). Благодаря этому большую часть времени подача воды в сеть осуществлялась только одним регулируемым насосным агрегатом. Лишь при увеличении водопотребления до 1350–1500 м³/ч требовалось дополнительное включение еще одного насоса, что существенно влияло на энергопотребление объекта.

В табл. 2 представлены сравнительные результаты работы насосной станции при включении САУ в исходном режиме и без САУ.

По данным табл. 2 определена экономия энергии ∆W_эк, полученная в результате применения САУ и замены насоса 8НДВ насосом Д1250-63:

Анализ режимов работы станции до и после внедрения САУ показал, что 20–25% экономии электроэнергии обеспечивается за счет использования регулируемого электропривода, а 30–35% – за счет замены насоса и приведения его рабочих характеристик в соответствие с режимом работы водопроводной сети.

Затем была введена в эксплуатацию аналогичная САУ на насосной станции второго подъема водозабора № 1. На основе двух локальных САУ по заказу Водоканала г. Северска специалистами ООО «Ягорба» (Москва) была разработана ОСАУ режимом работы насосных станций второго подъема. Система была запущена в промышленную эксплуатацию 30 апреля 2005 г. после приемосдаточных испытаний [3], которые проводились в различных режимах.

Режим 1. Ведущая станция № 1, ведомая – № 2, диктующая точка «АДС», заданное давление в диктующей точке 30 м вод. ст.

Режим 2. Ведущая станция № 1, ведомая – № 2, диктующая точка «КНС-4», заданное давление в диктующей точке 28 м вод. ст.

Режим 3. Ведущая станция № 2, ведомая – № 1, диктующая точка «ПНС-3», заданное давление в диктующей точке 21 м вод. ст.

Режим 4. Ведущая станция № 2, ведомая – № 1, диктующая точка «ПНС-6», заданное давление в диктующей точке 24 м вод. ст.

В каждом режиме заданное значение разницы давлений ∆H на напорных коллекторах обеих насосных станций изменялось в диапазоне от 4 до 6 м вод. ст. (с интервалом в 0,5 м). При проведении испытаний подача насосной станции № 1 менялась в пределах 400–1480 м³/ч, станции № 2 – 690–1274 м³/ч, суммарная подача обеих станций – 1150–2840 м³/ч. Соотношение подачи воды обеих станций менялось в диапазоне Q₁/Q₂ = 1,27–0,55. В этих условиях осуществлялось перераспределение подачи воды обеих станций путем изменения ∆H от 4 до 6 м вод. ст.

По результатам испытаний был выявлен основной рекомендуемый режим работы ОСАУ на период ее опытно-промышленной эксплуатации: ведущая станция № 1, ведомая – № 2, диктующая точка «АДС», заданное давление в диктующей точке 30 м вод. ст. (в дневное время), разница значений давления ∆H на напорных коллекторах насосных станций 4 м вод. ст.

В ночное время из-за снижения водопотребления в городе количество работающих агрегатов на насосной станции № 1 уменьшалось с 2–3 до 1, на станции № 2 с 1–2 до 1. Кроме того, в ночное время по команде с центрального диспетчерского пункта осуществлялось снижение заданного давления в диктующей точке «АДС»
с 30 до 27 м вод. ст. Контроль фактического давления показал, что при возможных изменениях водопотребления давление в диктующих точках сети поддерживалось с точностью ± (0,10,3) м вод. ст.

Cтабильное давление 30 ± (0,10,3) м вод. ст. в диктующей точке «АДС» обеспечивало поддержание приемлемого напора в других контрольных точках водопроводной сети с незначительными отклонениями (не более 1 м) от заданного значения: в контрольной точке «КНС-4» напор изменялся в пределах 28,1–29 м вод. ст.;
в «ПНС-3» – 20–21,2 м вод. ст.; в «ПНС-6» – 23–24,3 м вод. ст.

В ходе проведения испытаний периодически контролировалось наличие воды у жильцов верхних этажей зданий, находящихся в зонах проблемного обеспечения водой. Проверка показала, что в период действия ОСАУ сбоев в водоснабжении потребителей не было.

Возможность плавно изменять соотношение подачи воды обеих станций позволила операторам центрального диспетчерского пункта контролировать уровни воды в резервуарах чистой воды и задавать режимы, которые обеспечивают надежную (без срыва вакуума) работу насосов обеих станций, что особенно важно для незаглубленной станции № 1.

В результате проведения испытаний была подтверждена работоспособность системы, устранены отдельные неисправности и внесены изменения, улучшающие условия ее эксплуатации. После этого ОСАУ была принята в промышленную эксплуатацию.

Объединенная система автоматизированного управления обеспечивает: оптимальное взаимодействие двух насосных станций второго подъема, исключающее неконтролируемое перераспределение подачи воды между ними; энергетически выгодный режим работы обеих насосных станций второго подъема и системы водоподачи в целом; экономию чистой воды на 4–5% за счет сокращения непроизводительных расходов воды, обусловленного стабилизацией напоров в сети. Эти цели достигнуты путем автоматического поддержания требуемого давления в одной из нескольких контрольных точек водопроводной сети, а также соблюдением определенного соотношения между давлениями на напорных коллекторах обеих насосных станций. Это соотношение устанавливается в соответствии с алгоритмом оптимального распределения подачи воды между несколькими насосными станциями, подающими воду в общую сеть.

Учитывая, что водопотребление в городе изменяется не только во времени, но и по территории, на городской водопроводной сети организовано несколько контрольных (диктующих) точек. Величина измеряемого в контрольных точках давления по выделенным линиям связи подается в подсистему ОСАУ, размещаемую на центральном диспетчерском пункте Водоканала города (рис. 2). На основе обработанных данных устанавливается оптимальное соотношение значений давления на напорных коллекторах обеих станций для данного момента времени (рис. 3).

При несоответствии фактического давления заданным значениям подсистема ОСАУ центрального диспетчерского пункта автоматически выдает управляющие сигналы на программные подсистемы насосных станций (рис. 4). Подсистемы насосных станций, в свою очередь, дают команду на изменение частоты вращения рабочих колес насосных агрегатов, оснащенных регулируемыми электроприводами. При этом обеспечивается минимальное суммарное энергопотребление обеих станций и поддерживается заданное давление в диктующей точке водопроводной сети города.

При необходимости, когда количество работающих насосных агрегатов не соответствует фактическому водопотреблению, через аппаратную подсистему селективного управления регулируемыми электроприводами насосных агрегатов формируется команда на изменение общего количества работающих насосов. При максимальном водопотреблении количество работающих агрегатов увеличивается, а при минимальном – уменьшается. Та же подсистема селективного управления обеспечивает бесперебойную работу насосной станции второго подъема в нештатных ситуациях (при отключении электроэнергии на фидере работающего насосного агрегата, неисправности частотного преобразователя или самого насоса).

Кроме текущих значений давления в контрольных точках сети и напорных коллекторах насосных станций на центральном диспетчерском пункте регистрируются также текущие значения токов нагрузки насосных агрегатов, уровень воды в резервуарах чистой воды и прочие параметры (рис. 5). Таким образом, диспетчер имеет возможность своевременно вносить необходимые коррективы в работу системы водоподачи с учетом реальных условий эксплуатации. Например, при низком уровне воды в резервуарах одного из водозаборов можно устанавливать соотношение давлений на напорных коллекторах насосных станций, отличающееся от оптимального значения. Но при этом оно обеспечивает город водой и позволяет аккумулировать воду в резервуарах очистных сооружениях водопроводной станции, на которой обнаружен дефицит подготовленной воды.

Возможность просмотра регистрируемых параметров, долговременно хранящихся в трендах системы, позволяет восстановить картину событий, произошедших некоторое время назад, для последующего анализа и соответствующих выводов для принятия решений.

При нештатных ситуациях, например, при аварийном снижении уровня воды в резервуарах чистой воды или ремонте оборудования предусматривается возможность автономной работы каждой из насосных станций второго подъема в местном автоматическом (по заданному давлению на напорном коллекторе) или ручном (по заданной частоте регулируемого электропривода) режиме.

Для эффективной и надежной работы системы автоматизированного управления режимом работы насосных станций второго подъема необходимы каналы передачи данных между диспетчерскими пунктами водопроводных станций и центральным диспетчерским постом аварийно-диспетчерской службы. К этим каналам предъявляются особые требования по производительности, критичности передаваемой информации, защите от несанкционированного доступа. Учитывая эти высокие требования, руководством Водоканала г. Северска было принято и реализовано решение о прокладке собственных оптоволоконных линий связи от водопроводных станций до магистральных узлов городской сети передачи данных и последующем прямом подключении оптических волокон на транзитных участках городской сети.

Этап 2. Оснащение насосных агрегатов регулируемым электроприводом на насосных станциях первого подъема.На втором этапе реализации проекта по созданию многоуровневой автоматизированной системы управления принято и реализовано решение о планомерном оснащении погружных насосных агрегатов насосных станций первого подъема высокодебитных скважин частотно-регулируемым электроприводом и устройствами плавного (мягкого) пуска.

Автоматизированная система управления (АСУ) работой насосных станций первого подъема предназначена для оптимизации процессов подачи артезианской воды из скважин на очистные сооружения, аккумулирования очищенной воды и транспортировки ее потребителям. АСУ исключает избыточную подачу добытой воды и обеспечивает энергетически выгодный режим работы насосных агрегатов.

При работе в автоматическом режиме, в зависимости от показаний датчиков гидростатического давления в резервуарах чистой воды, посредством программируемого логического контроллера формируется управляющий сигнал на включение–отключение насосных агрегатов и изменение частоты вращения их рабочих колес. Таким образом, обеспечивается надлежащий технологический режим работы очистных сооружений, резервуаров и насосных установок первого подъема.

В качестве основных каналов связи для управления насосными агрегатами скважин и передачи телеметрической информации использованы действующие сигнальные кабельные линии. Для обеспечения надежной работы объекта устроены резервные каналы связи, для чего была создана радиосеть со «звездной» топологией, использующая радиочастоты LPD-диапазона.

Созданная автоматизированная система управления работой насосных установок первого подъема (20–30 скважин) не исключает возможности передачи дистанционного управления работой скважины оператору диспетчерского пункта водопроводной станции. Оператор получает возможность выбора режимов работы насосных агрегатов, установленных в скважинах, либо с помощью штатного пульта дистанционного управления, либо программного обеспечения своего рабочего места (рис. 6).

Этап 3. Автоматизация внутриквартальных подкачивающих насосных станций третьего подъема. На третьем этапе реализации проекта по созданию многоуровневой АСУ были автоматизированы внутриквартальные подкачивающие насосные станции, оснащенные к тому времени частотно-регулируемыми электроприводами. Станции могут работать как в ручном режиме (с частотой вращения, заданной специалистом водопроводного хозяйства Северского Водоканала), так и в автоматическом. В автоматическом режиме частотно-регулируемый электропривод насосных агрегатов обеспечивает заданное давление на напорном коллекторе насосной станции третьего подъема (рис. 7), оптимизируя тем самым расход воды и электроэнергии в зависимости от времени суток и нужд потребителей, расположенных в районе питания конкретной насосной станции.

Этап 4. Автоматизация канализационных насосных станций.Четвертый этап, к реализации которого приступил Северский Водоканал, предусматривает включение в многоуровневую АСУ всех канализационных насосных станций города.

В настоящее время частотно-регулируемым электроприводом и системой автоматизированного управления оснащена одна из наиболее проблемных и удаленных станций. Как и на предыдущих объектах, в системе автоматизированного управления работой этой станции предусмотрено резервирование насосных агрегатов. В штатном режиме управление работой трех агрегатов осуществляется частотно-регулируемым электроприводом в зависимости от количества сточных вод, поступающих в резервуар в конкретный момент времени (рис. 8). В нештатных ситуациях управление автоматически берет на себя резервная схема, основанная на прямых пусках электродвигателей по команде от программируемого логического контроллера с заранее заданными уставками по уровням в приемном резервуаре.

Таким образом, впервые в практике отечественного водоснабжения на основе использования регулируемого электропривода, микропроцессорной и компьютерной техники создана уникальная система управления режимами работы системы подачи и распределения воды и объектов водоотведения, обеспечивающая надежное и экономичное снабжение водой населения и предприятий города.

Выводы

В результате проведенных мероприятий по внедрению автоматизированной системы управления на предприятии «Северский водоканал» экономия электроэнергии составила примерно 25–35%, расход чистой воды сократился до 5%, сброс сточных вод в канализационную систему уменьшился до 4%.Снижена вероятность возникновения гидравлических ударов и повышена надежность систем водоснабжения и водоотведения. Сокращено количество ремонтов используемого оборудования, улучшены условия работы оперативного персонала.

Выражается особая благодарность сотрудникам лаборатории автоматизации НИИ ВОДГЕО и ООО «Ягорба» Б.С.Лезнову, Н.Б.Лезнову, С.В.Воробьеву, В.Б.Чебанову, Ю.Б.Исхакову, а также Н.Т.Агеевой (ТОО «Ресурс-7», г.Северск) за большой вклад в разработку и внедрение АСУ на предприятии.

Список цитируемой литературы

1. А. с. 1366704, выдано 15 сентября 1987 г. по заявке № 4019154. Система управления насосами / В. Б. Чебанов, Я. Н. Гинзбург, Б. С. Лезнов.
2. Лезнов Б. С., Чебанов В. Б., Агеева Н. Т. и др. Частотный преобразователь на IGBT-транзисторах в системе автоматизированного управления насосной установкой // Водоснабжение и сан. техника. 1998. № 3.
3. Лезнов Б. С., Гинзбург Я. Н., Чебанов В. Б. и др. Объединенная система управления режимом работы насосных станций, подающих воду в общую сеть // Водоснабжение и сан. техника. 2005. № 11.