CC BY
31
УДК 629.7.017.3
МЕТОДИКА АНАЛИЗА ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
В.Ф. Воскобоев
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры устойчивости экономики и систем жизнеобеспечения,
Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: v.voskoboevQamchs.ru
А.Ю. Лебедев
кандидат технических наук,
профессор кафедры устойчивости экономики и
систем жизнеобеспечения,
Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: а.lebedevQamchs.ru
В.П. Смирнов
доктор технических наук,
генеральный директор закрытого акционерного общества «Научно-производственный центр информационных региональных систем» Адрес: 140030, Московская обл., Люберецкий р-н, п. Малаховка, ул. Шоссейная д. 1а E-mail: gline-npcirsQmail.ru
Аннотация. В статье предложена методика оценки устойчивого функционирования системы водоснабжения муниципального образования в чрезвычайных ситуациях. Представлены типовые схемы систем водоснабжения. Вводится показатель устойчивого функционирования, зависящий от эксплуатационных характеристик систем водоснабжения. В качестве эксплуатационных факторов рассматриваются вероятность безотказной работы элементов, достоверность и вероятность восстановления за заданное время.
Ключевые слова: устойчивость функционирования; оценка устойчивости, система водоснабжения.
Цитирование: Воскобоев В.Ф., Лебедев А.Ю., Смирнов В.П. Методика анализа влияния эксплуатационных характеристик системы водоснабжения муниципального образования на устойчивость функционирования в чрезвычайных ситуациях / / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2019. № 3 (42). С. 30-37.
Введение
Система водоснабжения играет важную роль в системе жизнеобеспечения населения. Города характеризуются значительной численностью населения, наличием в них промышленных и других объектов и требуют, как правило, большого количества воды. Сбой работы системы водоснабжения заметно ухудшает городское санитарно-эпидемиологическое положение [1, 2].
Крупнейшими потребителями водных ресурсов выступают предприятия нефтеперерабатывающей, химической, металлургической промышленности и ТЭС. Для их водоснабжения применяются поверхностные природные источники (озера, подземные грунтовые воды, реки, водохранилища,
артезианские воды, родники).
Под водоснабжением понимается во-доподготовка, транспортировка и подача питьевой или технической воды абонентам с использованием централизованных или нецентрализованных систем холодного водоснабжения (холодное водоснабжение) или приготовление, транспортировка и подача горячей воды абонентам с использованием централизованных или нецентрализованных систем горячего водоснабжения (горячее водоснабжение) [3].
Система водоснабжения города — это комплекс инженерных сооружений, предназначенных для забора воды из источника водоснабжения, ее очистки, хранения и подачи потребителям [4].
Устойчивость функционирования системы водоснабжения муниципального образования существенно зависит от эксплуатационных факторов, к которым относятся: собственная безотказность системы R(t), достоверность установления текущего состояния D и вероятность восстановления работоспособности за время, меньшее установленного соответствующими нормативами.
Обозначим вероятность устойчивого функционирования в произвольный момент времени Р (t).
Очевидно, что эта вероятность определяется двумя составляющими. Если система является работоспособной и этот факт устанавливается с вероятностью D, то эта составляющая равна R(t) х D.
В случае отказа с вероятностью 1 — R(t) устойчивое функционирование будет обеспечено, если факт отказа установлен с вероятностью D и работоспособное состояние будет восстановлено за время tB < tB.треб. с вероятНОСТЬЮ (tfô < t^.Треб. ) •
Окончательно результирующая вероятность устойчивого функционирования равна
Р(t) = R(t) x D + [1 - R(t)] x D x P(tB < tB.треб.).
(1)
Это выражение будет справедливо при наличии такой системы контроля, в которой имеется мгновенная индикация отказа.
Если такой индикации нет, то необходимо выбрать такой момент контроля Т7, при котором вероятность возникновения отказа не
будет больше требуемого (достаточно малого) значения 7.
В этом случае результирующая вероятность устойчивого функционирования системы водоснабжения муниципального образования примет вид
Pi (t) = [1 - 4][R(t) x D + [1 - R(t)] x D x F (tB .треб.)].
(2)
При заданных характеристиках безотказности элементов системы водоснабжения Ri(t),i = 1,п величину Т7 определим следующим образом. По известным Ri(t) и схеме соединения их по надежности определяется результирующее значение R(t), а затем плотность вероятности времени безотказной работы системы водоснабжения [5]
f(t) = -
dR(t) dt '
(3)
Момент времени Т7 определяется на основе соотношения
гТ^
f (t)d t = r
(4)
Задача обеспечения требуемого значения устойчивости функционирования системы водоснабжения сводится к следующему:
при заданной структуре системы водоснабжения и известных значениях D и Ri(t) необходимо выбрать такие значения R* (t) и F* (tB.треб.), при которых
0
P (t) = R*(t) x D + [1 - R*(t)] x D x F *(tB .треб.) > P треб
при условии
Еп
,(сг + Асг) <С0, (6)
г
где Сг — затраты, связанные с обеспечением значений Р*(Ь), достаточных для получения Р* (Ь)',
(5)
△с. _ затраты на восстановление работоспособного состояния отказавших элементов ц
Со — финансовые ресурсы, выделенные на обеспечение эксплуатационных показателей системы водоснабжения.
Для случая системы с отсутствием мгновенной индикации отказа целевая функция примет вид(2)при сохранении ограничений (6).
Сформулированная задача обеспечения устой чивох'о функционирования системы водоснабжения муниципальншх) образования сводится к двум последовательным задачам:
1) оценка значения вероятности Р(¿);
2) разработка мероприятий но обеспечению Р (¿)треб) если Р (¿) < Р (¿)Треб-
Методика решения второй задачи представлена в [6]. Поэтому ниже будет описан подход к решению задачи оценки вероятности Р (¿) и влияния та нее значений К*(Ь) и
р (г в.тре б) •
Решение
Типовые схемы систем водоснабжения на поверхностном и подземном водоисточниках представлены на рисунках 1, 2. В основном их структура одинакова. Основное отличие заключается в источнике воды. Для схемы, показанной на рисунке 1, источником воды могут быть реки, озера, водохранилища и т.д. В схеме, представленной на рисунке 2, источником воды выступают подземные артезианские скважины.
Рисунок 1 Схема водоснабжения города от наземншх) источника воды
где 1 наземный источник воды (рока, водохранилище и т.д): 2 насосная станция первого подъема: 3 станция водоподготовки (очистные сооружения): 4 резервуары чистой воды: 5 насосная станция второго подъема: 6 магистральный трубопровод: 7 потребители (город): 8 насосные станции третьего подъема (в многоэтажных домах).
Рисунок 2 Схема водоснабжения города от нодземншх) источника воды
где 1 подземный источник воды (водозаборные скважины): 2 насосная станция первого подъема: 3 станция водоподготовки (очистные сооружения): 4 резервуары чистой воды: 5 насосная станция второго подъема: 6 магистральный трубопровод: 7 потребители (город): 8 насосные станции третьего подъема (в многоэтажных домах).
Представим схему (рис. 3) соединения элементов но надежности для схемы, представленной на рисунке 1.
Рисунок 3 Схема соединения элементов но надежности для системы водоснабжения города
подземших) источника воды
где 1 водозаборные сооружения: 2 насосная станция первого подъема: 3 станция водоподготов-ки (очистные сооружения): 4 резервуары чистой воды: 5 насосная станция второго подъема: 6 магистральный трубопровод: 7 квартальный трубопровод: 8 насосная станция третьего подъема (в многоэтажном доме).
Введем показатели безотказности элемен- схемы (рис 1.) тов схемы, представленной на рисунке 3 в ви- Соответственно, значение вероятности
де R* (t), где I соответствует номеру элемента R* (t) равно
к**(г) = щ^щ^щЩ! - к*М)я*5(№(;)я07(ад8(;) (7)
Плотность распределения времени безотказной работы определяется из выражения
сШ^) ¿[Щ^во^Щз®^ - кш)Я*5да*6(£)Я07(№(£) т = =--Ж- (8)
Для варианта, ноказанншх) на рисунке 2, примет вид (рис. 4). схема соединения элементов но надежности
Рисунок 4 Схема соединения элементов но надежности для системы водоснабжения города от
наземншх) источника воды
где 1 подземные водозаборные скважины: 2 станция водоподготовки (очистные сооружения): 3 резервуары чистой воды: 4 насосная станция второго подъема: 5 магистральный трубопровод: 6 квартальный трубопровод: 7 насосная станция третьего подъема (в многоэтажном доме).
Значение вероятности Щ(Ь) для элементов системы водоснабжения, приведенной на рисунке 4, будет отличаться но структуре величиной вероятности элемента 1 подземные
скважины. Так как для водоснабжения используется т скважин из п, то значение Щ\(Ь) примет следующий вид
щлъ = т) + к=тс% (1 - щ тк
(9)
где Щ(1) = (I) — вероятность без-
отказной работы основных скважин;
В,] (Ь) — вероятность безотказной работы одной скважины.
Тогда вероятность безотказной работы всей системы водоснабжения на подземных водоисточниках будет равна
Щ (г) = В*1(1)В02(1){1 - пщ3) Щ4(г)Щ5(г)Щ6(г)Щ7 (г)Щ8(г)
Плотность распределения времени безотказной работы определяется из выражения
¡2(1) = -
<и
Подстановка /\(Ь) и /2(Ь) в выражение (4) позволит оценить момент времени Т7 при условии заданного значения 7.
Результаты совместной оценки влияния
<И
(10)
(11)
значения К(Ъ) И (^.треб
.)
ных значениях И и мгновенной индикации отказов на вероятность устойчивого функционирования представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 Графическое отображение значений вероятности устойчивого функционирования
при фиксированном значении Б
При заданном значении Дзад максимальное значение вероятности устой чивого функционирования Р(¿) будет численно равно этому значению ^зад. При Р(Ь) < 1 и Р(Ьв) < 1 значение Р(¿) будет меньше Дэад. На рисунке 5 на плоскости [В,(Ь), Рв (£)] область возможных значений Р(Ь) ограничена снизу кривой, ко-
торая представляет из себя след пересечения поверхности Р (Ь) плоскостью И = Дэад. Каждая точка этой кривой соответствует определенной комбинации значений К(Ь) и Рв (¿), т. е. определенным затратам на обеспечение значений безотказности элементов системы водоснабжения и вероятности восстановления.
Выбор комбинаций значения R(t) и Рв (t) в каждом конкретном случае диктуется спецификой объекта водоснабжения и используемыми средствами восстановления.
Пример
В качестве примера рассмотрим систему водоснабжения г. Чержн'оловка Московской области. Система водоснабжения г. Чержн'оловка основывается на подземном водоисточнике. В целом структурная схема системы водоснабжения соответствует схеме, представленной на рисунке 2.
В качестве источника воды используется 7 артезианских водозаборных скважин. Постоянно эксплуатируется 4 скважины, оставшиеся 3 находятся в плавающем резерве. Производительность каждой из семи скважин составляет 160 м3/час, мощность 65 кВт. В системе
эксплуатируется 3 резервуара чистой воды но 3
Схема соединения элементов но надежности для системы водоснабжения г. Чержи'о-ловка будет иметь следующий вид (рис. 6).
Рисунок 6 Схема соединения элементов но надежности для системы водоснабжения города
Чержн'оловка
где 1 подземные водозаборные скважины (7 шт.); 2 станция водоподготовки (очистные сооружения): 3 резервуары чистой воды: 4 насосная станция второго подъема: 5 магистральный трубопровод: 6 квартальный трубопровод: 7 насосная станция третьего подъема (в многоэтажном доме).
Для проведения расчетов возьмем следующие показатели вероятности безотказной
работы элементов системы водоснабжения приведенной выше схемы (таблица 1):
Таблица 1 Исходные данные вероятности безотказной работы элементов систем водоснабжения
Вероятность безотказной работы Значение
R(t)oi 0,880
R(t)o2 0,900
R(t)03 0,990
R(t)o4 0,870
R(t)o5 0,990
R(t)oe 0,670
R(t)o? 0,780
Произведём расчет вариантов резервирования при п = 7,т = 4. Число сочетаний будет равно
35.
п
R0i(t) — Ro(t) + ^ 1 - Rj(t)^тRj(t)n-k — 0,599 + 0.019 = 0.618. (12)
Ю1 (Ч = ^O(^) + 1 - 11з (4 1 11з (
k=m
R**(t) — 0,25. (13)
В таблице 2 приведены результаты расчетов показателя устойчивости функционирования для различных вариантов
Таблица 2 - Результаты расчета Р ({)
функционирования системы водоснабжения (в нормальном режиме, при ухудшении достоверности и времени восстановления).
Для заданных R(t) и tB При увеличенном tB При уменьшенном D
F(t*B ) = 0,8 F(t*B) = 0,6 D = 0,6
0,607 0,540 0,405 0,405
Таким образом, для поддержания устойчивого функционирования систем водоснабжения необходимо обеспечить безаварийную работу основных критических элементов, обеспечить высокую достоверность обнаружения отказов, минимальное время восстановления отказавших элементов в условиях ЧС.
Заключение
Полученные результаты позволяют в интересах повышения устойчивости системы водоснабжения муниципального образования выполнить соответствующие мероприятия, учитывая структуру соответствующих объектов и характеристики их элементов.
Литература
1. СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения».
2. ГОСТ Р 51232-98 «Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества».
3. Федеральный закон «О водоснабжении и водоотведении» от 07.12.2011 № 416-ФЗ.
4. СП 31.13330.2012 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения».
5. Воскобоев В.Ф. Основы теории надежности и управления качеством Учебник. Химки, 2012 г., 336 с.
6. Воскобоев В.Ф., Рыбаков A.B., Иванов Е.В. О повышении устойчивости и безотказности опасных производственных объектов при ограниченных ресурсах. // Безопасность труда в промышленности. 2019, № 5. С. 7-51.
7. Ю. Каммерер, А. Харкевич. Аварийные работы в очагах поражения, М.: Энергоатомиздат,, 1990 г. 287 с.
METHODS OF ANALYSIS OF THE IMPACT OF OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF THE MUNICIPAL WATER SUPPLY SYSTEM ON THE STABILITY OF FUNCTIONING IN EMERGENCY SITUATIONS
Victor VOSKOBOEV
Doctor of Technical Sciences, Professor,
Professor of the Department of Economic Sustainability
and Life Support Systems,
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md.Novogorsk
E-mail: v.voskoboevQamchs.ru
Alexander LEBEDEV
Candidate of Technical Sciences,
Professor of the Department of Economic Sustainability
and Life Support Systems,
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow region, city Khimki,
md.Novogorsk
E-mail: a.lebedevQamchs.ru
Boris SMIRNOV
D.(Technical), General Director of Scientific-productional centre Information regional systems.
Address: 140030, Moscow Region, Luberetskiy District, Malakhovka village, Shosseynaya, la. E-mail: gline-npcirsQmail.ru
Abstract. The article develops a methodology for assessing the sustainable functioning of the water supply system of the municipality in emergency situations. Typical schemes of water supply systems are presented. An indicator of sustainable operation, depending on the performance of water supply systems, is introduced. As operational factors, the probability of failure-free operation of elements, reliability and probability of recovery for a given time are considered. An example is given. Keywords: assessment of stability, water supply system.
Citation: Voskoboev V.F., Lebedev A.Yu., Smirnov B.P. Methodology for the analysis of the impact of the operational characteristics of the municipal water supply system on the stability of its functioning in emergency situations // Scientific and educational problems of civil protection. 2019.No 3 (42). pp. 30-37.
References
1. SanPiN 2.1.4.1074-01 "Drinking water. Hygienic requirements for water quality of centralized drinking water supply systems. Quality control. Hygienic requirements for ensuring the safety of hot water systems".
2. GOST R 51232-98 "Drinking water. General requirements for organization and quality control methods".
3. The Federal Law "On Water Supply and Sanitation "dated December 12, 2011 No. 416-FZ.
4. SP 31.13330.2012 "Water supply. External networks and constructions".
5. Voskoboev V.F. Fundamentals of the theory of reliability and quality management. Textbook. Khimki, 2012, 336 p.
6. Voskoboev V.F., Rybakov A.V., Ivanov E.V. On increasing the stability and reliability of hazardous production facilities with limited resources. // Labor safety in industry. 2019, No. 5. P. 7-51.
7. Yu. Kammerer, A. Kharkevich. Emergency work in the lesions, M .: Energoatomizdat, 1990, 287 p.
