Система управління насосною станцією міської системи водопостачання

Винахід відноситься до систем міського водопостачання, зокрема - до систем управління насосними станціями, що працюють на водорозподільну мережу. Відомий пристрій для автоматичного регулювання роботи насосної станції, що містить датчик тиску в напірному трубопроводі, задатчик тиску, обидва зв'язані з блоком порівняння, а також блок регулювання продуктивності насосної станції. Пристрій також містить таймер, блок комутації і блок примусового зменшення продуктивності насосної станції [1]. Описаний пристрій передбачає примусове зменшення продуктивності насосної станції шляхом закриття засувок на одному із групи паралельно працюючих насосів з наступним відключенням цього насоса за умови, що закриття засувок не призвело до зниження тиску в напірному тр убопроводі нижче припустимого рівня. Недолік відомого пристрою полягає в тому, що він працює по жорсткому часовому графіку, що задається таймером, ігноруючи при цьому реальні коливання споживчого попиту на воду в різні години доби. В ти х випадках, коли примусове зниження продуктивності відбувається на фоні зниження потреби у воді, наприклад, ввечері, робота системи призводить до мінімізації числа включених насосів. Якщо ж пристрій ініціює спробу зниження продуктивності насосної станції в період інтенсивного розбору води споживачами, пристрій збуджує коливання тиску в зовнішній мережі, холосту роботу засувок і підвищений їхній знос. Мінливість добової динаміки змінювання попиту на воду в комунально-побутовому секторі (КПС), схильність її впливу сезонних факторів (факторів погоди) ускладнює налаштовування пристрою і знижує ефективність його роботи. Найбільш близьким по технічній суті запропонованому рішенню (прототипом) є система управління продуктивністю насосної станції, що здійснює спосіб регулювання напору у водогінній мережі по сигналах вимірювальної інформації, яка опосередковано характеризує інтенсивність споживання води окремими споживачами. Система включає два контури управління - внутрішній і зовнішній. Внутрішній контур локального регулювання тиску на виході насосної станції містить манометр, елемент порівняння, регулятор і електропривод. Зовнішній контур регулювання продуктивності насосної станції має розподілену систему датчиків стану вторинної автоматики, призначеної для регулювання витрати води у споживачів, суматор сигналів від датчиків і інтегратор [2]. Перевагою відомої системи є те, що в ній передбачені збір і обробка інформації про стан не тільки самої станції, але й району водопостачання, завдяки чому здійснюється координація подачі води відповідно до реальної, а не очікуваної потреби. Система забезпечує підтримку рівнів напору в споживчих установках, заданих самими споживачами, використовуючи як джерела вимірювальної інформації датчики кута повороту виконавчих органів вторинних контурів регулювання напору у споживачів. Недоліком відомої системи є її вузька вибірковість щодо типу споживачів. А саме - вона виправдовує себе, якщо справа стосується промислових споживачів, що використовують воду в те хнологічних потребах. Система може бути запроваджена тільки у споживачів, чиє технологічне устаткування обладнано локальною автоматикою регулювання водоспоживання, причому, певного конструктивного типу. Ця вимога обмежує коло можливого застосування системи, зокрема, вона не може використовуватися ефективно на насосних станціях міської системи водопостачання, що обслуговують переважно побутових споживачів. Управління водокористуванням цією категорією споживачів являє собою найбільші труднощі для диспетчерів водяних мереж. До неї фактично не застосовуються міри обмежувального характеру, і традиційно побутовим споживачам дозволяють споживати воду за вільним добовим графіком відповідно до їх потреб, що змінюються згідно з природним добовим циклом коливань побутової активності людей. Задачею винаходу є створення системи управління, придатної для координації продуктивності насосної станції з добовою динамікою змінювання побутової активності мешканців житлових масивів. Поставлена задача досягається тим, що в системі управління насосною станцією міської системи водопостачання, що включає два контури управління: внутрішній контур локального регулювання тиску води в напірній магістралі, що містить манометр, елемент порівняння і регулятор, і зовнішній контур регулювання продуктивності насосної станції, що, в свою чергу, містить розподілену систему датчиків вимірювальної інформації, яка опосередковано характеризує стан попиту на воду в окремих територіальних сегментах району водопостачання, відповідно до винаходу, в зовнішній контур введений блок ідентифікації побутової активності мешканців житлових масивів, до входу котрого підключені датчики вимірювальної інформації, а до виходів - елемент порівняння і регулятор внутрішнього контуру регулювання, причому, як датчики вимірювальної інформації в зовнішньому контурі використовуються вузли групового обліку споживання електричної енергії в побутовому секторі, встановлені на трансформаторних підстанціях і/або понижуючих підстанціях міської електричної мережі, через які здійснюється електропостачання району водопостачання. Функціональне призначення сукупності відзірняючих ознак полягає в тому, щоб об'єктивізувати, класифікувати і подати на вхід елемента порівняння і на вхід регулятора вн утрішнього контуру регулювання інформацію про поточний рівень побутової активності населення, що проживає в районі, який забезпечується водою від тієї самої, а не, наприклад, суміжної, насосної станції. Процедура об'єктивізації базується на визнанні того факту, що в будь-якому житловому масиві носієм попиту на електрику є той самий колектив побутових споживачів, який є носієм попиту на воду. Більше того - інтенсивність споживання електричної енергії та інтенсивність споживання води в КПС визначаються спільним фактором - рівнем побутової активності населення. Це означає, що, ідентифікуючи поточний рівень побутової активності по інтенсивності споживання населенням електричної енергії, можна судити про динаміку змінювання потреби населення у воді, а на основі цих висновків - поліпшити якість управління продуктивністю насосної станції. Дійсно, попит на електричну енергію і попит на воду в КПС розвиваються протягом доби синхронно. Вночі люди сплять і не мають потреби ні у воді, ні в електричній енергії. Тому споживання електроенергії і води одночасно мінімізується в нічні години. Вдень населення одночасно споживає і електрику, і воду. Зрозуміло, що одна окрема людина вкрай рідко виступає споживачем електрики і одночасно споживачем води (якщо тільки вона не приймає ванни). Але коли мова йде про великий колектив споживачів, наприклад, мешканців кількох багатоповерхових будинків або навіть житлового масиву, в споживанні цим колективом електричної енергії і води існує певна синхронність. На фіг.1 показана схема системи, що заявляється. Фіг.2 на прикладі реальних даних демонструє принцип її роботи. Система управління насосною станцією містить два контури управління - внутрішній І і зовнішній II (див. фіг.1). Внутрішній контур І локального регулювання тиску води в напірній магістралі містить електропривод 1, насосну установку 2, манометр 3, елемент порівняння 4 і регулятор 5. Зовнішній контур II крім зазначеного вище електроприводу 1 та насосної установки 2 охоплює також побутових споживачів 7, 8 та 9, вузли 10, 11 та 12 групового обліку споживання електричної енергії в КПС, встановлені на понижуючих підстанціях 13 і 14 міської електричної мережі, а також блок 6 ідентифікації побутової активності мешканців житлових масивів, один з виходів якого підключений до елементу порівняння 4, а другий - до регулятор у 5. Вузли 10, 11 та 12 гр упового обліку підключені до входу блока 6. Суттєво, що до складу системи входять тільки ті вузли обліку споживання електричної енергії, які встановлені на понижуючих підстанціях міської електричної мережі, задіяних в електропостачанні обслуговуваного насосною станцією району (району водопостачання). Тобто вузлами обліку 10, 11 та 12 обладнані ті фідери електричного живлення, до яких приєднані споживачі 7, 8 та 9. При цьому під побутовими споживачами 7, 8, 9 матимуться на увазі не окремі квартири або індивідуальні будинки, а, щонайменше, великі багатоповерхівки, або навіть цілі житлові масиви, в яких мешкають сотні або тисячі жителів. Система управління працює наступним чином. Блок 6 з деякою дискретністю в часі, наприклад, кожні 3 хвилини, опитує свої входи. В міру того, як змінюється інтенсивність електроспоживання в побуті, змінюється і величина сигналів, що надходять на вхід блоку 6 з вузлів обліку 10, 11, 12. Блок 6 по визначеному алгоритму обробляє ці сигнали і перетворює їх у сигнал уставки по тиску на виході насосної станції, що подається на елемент порівняння 4, а також у сигнал завдання по продуктивності станції, що подається на регулятор 5. Внутрішній контур регулювання відпрацьовує ці сигнали і змінює частоту обертання насосів (або кількість працюючих насосів), а також тиск у напірній магістралі відповідно до потреби побутових споживачів у воді. Фіг.2 ілюструє характер роботи насосної станції в різні години доби. На цій фігурі крива 1, позначена трикутними маркерами, репрезентує добовий профіль споживання електричної енергії одним із сегментів району водопостачання, а крива 2, позначена квадратними маркерами, репрезентує добовий профіль подачі (витрати) води через насосну станцію. Вночі, з 1:00 до 3:30, електроспоживання у всіх секторах району водопостачання є гранично низьким. Низький рівень вхідних сигналів, що надходять від вузлів обліку споживання 10, 11, 12 на входи блока 6, обумовлює низьке значення уставки по тиску, що подається на елемент порівняння 4, і низьке значення завдання по продуктивності, що поступає на регулятор 5. Насосна станція працює на покриття витоків води в найбільш економічному режимі. Вранці люди пробуджуються - і це обумовлює ріст побутової активності в житлових масивах. У підсобних приміщеннях (туалет, ванна кімната, кухня) вмикається штучне електроосвітлення, розпочинається споживання води на санітарні потреби, а також з метою приготування їжі. Важливо, що між моментами ранкового збільшення споживання електричної енергії і води існує невелика фазова розбіжність. Споживання електричної енергії має випереджальний характер, і ця обставина може використовува тися з метою удосконалення водопостачання шляхом запровадження превентивного управління продуктивністю насосної станції. Збільшення навантаження електричних підстанцій 13 і 14 в проміжок часу між 3:30 і 4:00 реєструється вузлами обліку 10, 11, 12. Для того, щоб ідентифікувати зміну в побутовій активності населення на фоні можливих флуктуацій електроспоживання, що мають випадковий характер, блок 6 зіставляє динаміку змінювання величини усіх вхідних сигналів, що надходять від вузлів обліку 10, 11, 12, і тільки в разі одночасного збільшення величини сигналів по декількох входах збільшує величину уставки по продуктивності насосів. Коли прирости електроспоживання по усіх входах блока 6 стають позитивними, блок 6 розпочинає примусове збільшення обох своїх ви хідних сигналів за заданий проміжок часу, наприклад, за 3 години. Регулятор 5 реагує на зміну уставок підвищенням тиску в напірній магістралі і збільшенням продуктивності насосної установки, наприклад, шляхом включення додаткових насосів у роботу або збільшення частоти обертання вже працюючих насосів. Поступове підвищення тиску в зовнішній мережі забезпечує повноцінне покриття потреби побутови х споживачів у воді в ранковий період їхньої активності. Важливо, що блок 6 розпочинає підйом тиску в напірній магістралі не раніш, ніж перші побутові споживачі прокинулися і почали користуватися водою. Цим запобігається можливість передчасного підвищення тиску в споживчій мережі, ризикованого поривами труб в ранкові години. Близько о 7-мій годині спостерігається пік ранкового споживання електричної енергії і води в побуті, який змінюється денним провалом на добових профілях - частина людей йде на роботу. Як тільки прирости сигналів електроспоживання більш ніж по половині входів блоку 6 стають негативними, він починає здійснювати плавне зниження уставки по продуктивності, не змінюючи уставки по тиску. Чим глибший денний провал спостерігається на добових профілях електроспоживання, тим нижчий рівень продуктивності насосної станції встановлюється блоком 6 в денні години. В пообідні години (13:00-15:00) та частина населення житлових масивів, що була відсутня в денний час, починає повертатися додому. Збільшення чисельності жителів супроводжується ростом навантаження електричних підстанцій, через які здійснюється живлення житлових масивів, а також збільшенням розбору води з мережі водопостачання. Як тільки більш половини вхідних си гналів, що надходять від вузлів обліку 10, 11 та 12 на вхід блоку 6, зазнають приріст після денного плато, блок 6 збільшує вихідний сигнал по продуктивності насосної станції та поступово відновлює його на рівні ранкового піку споживання. На інтервалі часу від 17-тої до 19-тої години станція працює з максимальною продуктивністю, забезпечуючи повноцінне задоволення потреби споживачів у воді. Нарешті, після 21-ої години вечірня активність населення йде на спад. Частина людей лягає спати раніше, частина - пізніше. Тому спад активності спостерігається протягом 3-4 годин. По тому, якими темпами знижується споживання електричної енергії, можна судити і про темпи зниження потреби у воді. Як тільки споживання електричної енергії починає спадати (після проходження вечірнього піку), тобто більш половини сигналів, що надходять на блок 6, мають негативні прирости, блок 6 починає планове зниження спочатку продуктивності насосної станції, а при зниженні рівня електроспоживання нижче рівня ранкового максимуму - і уставки по тиску. Це забезпечує скорочення витоків у зовнішній мережі в нічні години. Таким чином, завдяки тому, що в запропонованій системі самі споживачі є ланкою в контурі управління водопостачанням, зміна продуктивності насосної станції і тиску в зовнішній мережі водопостачання здійснюється в темпі змінювання побутової активності населення. Це забезпечує підвищення якості водопостачання споживачів, дозволяє знизити аварійність у зовнішній мережі в перехідні години доби, а також скоротити непродуктивні втрати води в нічні години. Додатковою перевагою запропонованої системи управління є стійкість у відношенні до таких зовнішніх збурень, як тип дня тижня (робочий чи вихідний), а також метеорологічні умови (хмарність, наявність опадів). Дійсно, хоча добова циклічність обертання Землі є визначальним чинником коливань побутової активності людей, кожний календарний день є унікальним в силу неповторності сполучень таких ознак, як номер цього дня в тижневому циклі, сезоні року, метеорологічної обстановки. У неробочі дні тижня люди звичайно довше сплять, тобто просипаються на 0,5-1 годину пізніше. Але який би проміжок часу ні складала ця затримка в підйомі людей, блок 6, діючи по описаному ви ще алгоритму, забезпечить своєчасну видачу сигналів управління на елементи внутрішнього контуру регулювання. Впровадження системи управління, що заявляється, буде також сприяти посиленню дисципліни споживання води в КПС. З одного боку, примусове зниження тиску в нічні години призведе до зниження напорів у споживачів і, можливо, створить їм певні незручності. З іншого боку, це спонукає їх змістити графік виконання домашніх робіт на ті години доби, коли напір води лишається досить високим. Це призведе до зниження витоків води і, в остаточному підсумку, підвищенню економічності роботи міської системи водопостачання. Джерела інформації: 1. А.с. СРСР №1028796А. М. Кл. Е03В11/16, 1983. 2. Патент РФ №2056480. М. Кл. Е03В11/16, 1996.