CC BY
17
УДК 543.31:54.08
Программно-измерительный комплекс мониторинга загрязнения водных сред промышленного и бытового назначения
В. А. Рыженков,
Национальный исследовательский университет «МЭИ», доктор технических наук, профессор
Н. А. Нарядкина,
Национальный исследовательский университет «МЭИ», инженер 1 категории Д. С. Самолин,
Национальный исследовательский университет «МЭИ», магистр
Описаны структурная схема программно-измерительного комплекса, состав и функции программного обеспечения, а также методика применения комплекса и его адаптации в условиях конкретного объекта мониторинга загрязнения водных сред промышленного и бытового назначения. Применение комплекса возможно в автономном режиме, а также в составе «штатных» систем мониторинга и химического контроля состояния водных сред различного назначения.
Ключевые слова: водные среды, поверхностно-активные вещества, мониторинг, концентрация, программно-измерительный комплекс.
Одним из основных технологических компонентов, используемых в современных производственных процессах, являются различные водные среды (природные или технические воды с применением предварительной очистки или без неё). К их химическому составу и другим качественным характеристикам предъявляются определённые, в ряде случаев достаточно жёсткие, требования. Характерным примером производственных процессов, требующих применения водных сред высокого качества, являются процессы выработки электроэнергии и теплоты на электрических станциях, а также транспортировка и распределение тепловой энергии в тепловых сетях и её использование в конечном оборудовании потребителей.
В зависимости от назначения энергооборудования требования к качеству используемых водных сред различны. Основные нормируемые показатели качества для рассматриваемых производственных процессов определены в Правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей и ряде отраслевых руководящих документов [1]. Довольно высокий уровень требований к качеству водных сред обусловлен, в первую очередь, двумя проблемами, возникающими в процессе эксплуатации энергетического оборудования: интенсивное протекание коррозионных процессов и образование на функциональных поверхностях оборудования продуктов коррозии и отложений различного состава, вызванное наличием агрессивных газов и химических соединений. Ухудшение качества используемых водных сред приводит к повышенному износу и выходу из строя оборудования, снижает надёжность эксплуатации энергетических комплексов и является
потенциальной причиной серьёзных техногенных аварий [2-4].
Поддержание требуемого уровня качества среды в процессе эксплуатации промышленного оборудования осуществляется реализацией комплекса мероприятий по поддержанию соответствующего водно-химического режима (ВХР), состояние которого определяется по результатам постоянного химического контроля (ХК). При этом возможности применяемых методов и технических средств реализации ХК напрямую определяют качество используемых водных сред, а следовательно, надёжность и эффективность эксплуатации энергетических комплексов.
Проведенный анализ методов и средств построения современных систем ХК ВХР позволил выявить следующие основные недостатки [5]:
- применяемые технические средства и методы измерений в ряде случаев характеризуются неоперативным и несвоевременным обнаружением нарушений ВХР, что приводит к длительной работе оборудования в режимах с интенсивным коррозионным износом и высокой скоростью образования отложений;
- в действующих нормативных документах отсутствуют требования по контролю состава и концентраций некоторых опасных веществ и соединений, оказывающих существенное негативное влияние на надёжность работы промышленного оборудования.
Опасными классами загрязнений, присутствие которых в водных средах энергетического оборудования в последнее десятилетие имеет устойчивую тенденцию к росту, являются вещества и соедине-
ния, обладающие поверхностно-активными свойствами (турбинное масло, природная и техногенная органика, содержащаяся в возвратном конденсате и питательной воде, консерванты, моющие композиции). При этом, несмотря на негативное влияние рассматриваемых веществ и соединений на ресурс и надёжность работы энергооборудования, нормы по контролю их концентраций, установленные в нормативных документах, являются недостаточно жёсткими. Кроме того, важнейшей особенностью поддержки принятия управленческих решений по коррекции ВХР в случае присутствия в рабочем теле таких веществ и соединений является необходимость решения не только задачи определения уровня их концентрации, но и задачи оперативной идентификации.
Водные среды бытового назначения, качество которых регламентируется в частности [6-7], поверхностные и подземные водоисточники также подвергаются значительному антропогенному загрязнению, интенсивность которого существенно возрастает в последние десятилетия. Ухудшение качества воды водоисточников приводит к тому, что часть населения вынуждена использовать воду, не отвечающую нормативным требованиям как по сани-тарно-химическим, так и по санитарно-биологиче-ским показателям. Наиболее опасными в данном случае являются поверхностно-активные вещества и соединения (ПАВС), что объясняется не только их ярко выраженным негативным влиянием на здоровье человека, но и чрезвычайно широким распространением (ежегодный объём производства ПАВС в настоящее время превысил 20 млн т в год).
Методы измерения и мониторинга, применяемые для контроля концентраций ПАВС (флуориметриче-ский метод, спектрография и хроматография), обладают рядом недостатков технического и (или) экономического характера, которые сдерживают их широкое распространение: недостаточная оперативность и сложность проведения измерений, высокая стоимость используемого оборудования, сложность решения задач идентификации присутствующих поверхностно-активных веществ и соединений.
Все вышесказанное делает актуальной разработку программно-измерительного комплекса (ПИК), ориентированного на мониторинг загрязнения водных сред промышленного и бытового назначения опасными ПАВС, позволяющего:
- выполнять автоматизированные оперативные измерения и контроль текущих концентраций опасных ПАВС на несложном измерительном оборудовании;
- формировать аварийные сигналы оповещения при выходе концентраций ПАВС за допустимые пределы, установленные оператором;
- решать задачи точного определения концентраций и идентификации состава присутствующих ПАВС в аварийных случаях;
- обеспечивать возможность работы в составе различных систем ХК ВХР и мониторинга окружающей среды путём организации передачи данных измерений по цифровым каналам связи с использо-
ванием стандартных протоколов передачи информации;
- обеспечивать возможность работы ПИК в автономном режиме.
Структурная схема программно-измерительного комплекса мониторинга уровня загрязнения водных сред промышленного и бытового назначения опасными ПАВС (рис. 1) включает следующие основные функциональные модули и устройства:
1. Специализированный измерительный комплекс (ИК) для автоматизированных измерений концентрации и идентификации ПАВС, состоящий из модулей:
- модуль контроля текущей концентрации, обеспечивающий проведение оперативных измерений текущих концентраций ПАВС, присутствующих в анализируемой водной среде, а также мониторинг превышения заданной оператором допустимой предельной концентрации;
- модуль определения концентрации и идентификации, обеспечивающий (в аварийных случаях, выявленных модулем контроля текущей концентрации) выполнение алгоритмов идентификации присутствующих веществ и соединений, а также определение концентрации компонентов.
2. Персональный компьютер, включающий следующие специализированные модули и программное обеспечение:
- модуль ввода результатов измерений, обеспечивающий информационное взаимодействие с измерительными модулями и ввод в базу данных измеренных значений текущей концентрации, фактов превышения допустимых предельных значений концентрации, а также результатов идентификации;
- модуль экспорта данных, обеспечивающий взаимодействие с информационной системой верхнего иерархического уровня (системой мониторинга окружающей среды или комплексом технических средств химического контроля ВХР в промышленности);
- базу данных и программный комплекс, обеспечивающие автоматизацию и информационную поддержку решения задач идентификации и определения концентрации ПАВС, присутствующих в анализируемой водной среде.
3. Автоматизированные рабочие места (АРМ) персонала системы мониторинга, включая:
- АРМ оператора, обеспечивающее управление режимами работы измерительных модулей, а также протоколами информационного взаимодействия при приёме/передаче информации, автоматизацию ведения протоколов мониторинга и фиксацию аварийных случаев, информационную поддержку решения задач идентификации и определения концентраций присутствующих ПАВС;
- АРМ эксперта, обеспечивающее автоматизацию и информационную поддержку проведения работ по созданию базы данных эталонных кинетических зависимостей и калибровочных кривых (работы выполняются при адаптации системы мониторинга к использованию на конкретном объекте), а
также решение задач идентификации и определения концентрации в отдельных сложных случаях;
- АРМ администратора, обеспечивающее управление правами пользователей по доступу к информации и настройкам программных средств системы мониторинга, а также системного программного обеспечения.
принципах тензиометрии, рассмотрены в [8]. Измерение текущей концентрации ПАВС проводится методом «по отрыву» с помощью датчика поверхностного натяжения, выполненного в виде пластинки Вильгельми, дальнейшего преобразования измеренного усилия отрыва в электрический сигнал, его обработки и передачи на компьютер.
Рис. 1. Структурная схема программно-измерительного комплекса мониторинга загрязнения водных сред опасными поверхностно-активными веществами и соединениями
На рис. 1: 1 - накопительная ёмкость; 2 - измерительная ёмкость; 3 - датчик поверхностного натяжения с преобразователем; 4 - система датчиков уровня жидкости; 5 - система впуска/выпуска (забора) пробы; 6 - система промывки; 7 - система перетоков; 8 - блок управления измерениями текущих концентраций; 9 - рабочая ёмкость с подвижным барьером; 10 - подвижный барьер с системой управления и датчиками положения; 11 - датчик текущей площади рабочего отсека; 12 - блок управления измерением концентрации и идентификации.
Построение измерительных модулей с учётом основной характеристической особенности анализируемого класса веществ и соединений - свойства поверхностной активности - позволило существенно упростить конструкцию, автоматизировать процесс измерений, снизить сложность и финансовые затраты на эксплуатацию модулей. Особенности конструктивного исполнения модулей, базирующихся на
Идентификация и определение концентрации ПАВС в аварийных случаях проводятся с использованием нескольких кинетических зависимостей мгновенных значений силы поверхностного натяжения исследуемой водной среды, полученных в условиях динамической площади поверхности раздела фаз «исследуемая водная среда - воздух». Идентификация проводится путём сравнения параметров экспериментальных зависимостей, полученных для исследуемой пробы водной среды, с аналогичными параметрами эталонных зависимостей, полученными для модельных сред, содержащих известные ПАВС в заданных концентрациях. Концентрация ПАВС определяется по калибровочной кривой, выбор которой осуществляется индивидуально по результатам идентификации [9]. Хранение параметров экспериментальных и эталонных зависимостей, а также эталонных кривых осуществляется в предварительно созданной базе дан-
ных, а алгоритмы идентификации реализуются программным комплексом.
База данных для идентификации и определения концентрации поверхностно-активных веществ и соединений, присутствующих в водных средах промышленного и бытового назначения, включает три предметных раздела, схема которых приведена на рис. 2.
Рис. 2. Схема предметных разделов базы данных для идентификации и определения концентрации поверхностно-активных веществ и соединений, присутствующих в водных средах
Раздел «Вещества, соединения, смеси» содержит наименование, основную и дополнительную информацию о веществах, соединениях и их смесях, по которым в базе данных присутствуют сведения об экспериментальных и эталонных кинетических зависимостях и кинетических кривых.
Раздел «База данных эталонных зависимостей и калибровочных кривых» содержит детальные данные по эталонным зависимостям и калибровочным кривым, полученным для водных сред в присутствии заведомо известных ПАВС в заданных концентрациях. Номенклатура ПАВС, присутствующих в разделе «Базы данных», зависит от индивидуальных особенностей конкретного объекта мониторинга и определяется по результатам экспертного опроса и (в необходимых случаях) предварительно проведённых на объекте дополнительных хро-матографических или спектрографических обследований, позволяющих отобрать вещества и соединения, присутствие которых в исследуемых водных средах наиболее вероятно. Кроме того, в разделе хранятся интегральные характеристики названных эталонных зависимостей, использование которых позволяет существенно сократить время обработки и анализа данных при проведении процедур идентификации.
Раздел «Мониторинг качества водных сред» предназначен для хранения календарных и общих данных о проведении анализа пробы водной среды, детальных данных и интегральных характеристик по экспериментальным кинетическим зависимостям, полученным в ходе анализа, исторических данных о результатах проведённых анализов проб водной среды.
Основными предметными функциями программного комплекса, реализованного в виде описанного набора АРМ, являются нижеследующие:
1. Функции, обеспечивающие работу в разделе «База данных эталонных зависимостей и калибровочных кривых», включая:
- ввод необходимой для идентификации информации о ПАВС (наименование, диапазон концентраций, детальные данные и интегральные характеристики эталонных кинетических зависимостей и т. д.). Ввод названой информации может осуществляться как в «ручном» режиме (в специально создаваемые табличные формы), так и в полуавтоматическом режиме путём организации информационного обмена с измерительным комплексом;
- просмотр информации о веществах и соединениях, хранящейся в базе. Просмотр возможен в табличном и графическом видах. Для удобства использования базы реализован режим поиска вещества (соединения) по различным параметрам (фрагмент полного названия, краткое название и т. д.).
2. Функции, обеспечивающие работу в разделе «Мониторинг качества водных сред», включая:
- ввод календарных и общих данных о проведении пробы водной среды (текущий плановый анализ в рамках мониторинга или внеплановый внеочередной анализ по случаю нарушения показателей качества среды);
- ввод детальных данных и формирование интегральных характеристик экспериментальных кинетических зависимостей анализируемой пробы водной среды. Может осуществляться как в «ручном» режиме (в специально создаваемые табличные формы), так и в полуавтоматическом режиме путём организации информационного обмена с измерительным комплексом;
- проведение идентификации и определение концентрации ПАВС, присутствующих в анализируемой пробе. Процедура идентификации и определения концентрации может выполняться как в автоматическом, так и в пошаговом режиме.
3. Формирование и хранение протокола анализа пробы водной среды. В этом режиме формируется протокол заданной формы, отражающий результаты анализа.
4. Работа с историческим архивом анализов проб водной среды. В этом режиме возможен как просмотр данных, полученных в ходе проведения анализа (детальных данных и интегральных характеристик экспериментальных и эталонных кинетических зависимостей), так и протоколов анализа. Возможен поиск необходимой информации по основным реквизитам (дата проведения анализа, номер протокола и т. д.).
Общая методика применения и работы с ПИК на конкретном объекте мониторинга включает следующие основные этапы:
- создание (адаптация под индивидуальные особенности объекта мониторинга) раздела «База данных эталонных зависимостей и калибровочных кривых»;
- мониторинг текущей концентрации ПАВС и выявление аварийных случаев превышения заданной оператором допустимой предельной концентрации;
База данных для идентификации и определения концентрации поверхностно-активных веществ и соединений, присутствующих в водных средах
Раздел «Вещества, соединения, смеси»
Раздел «База данных эталонных зависимостей и калибровочных кривых» Раздел «Мониторинг качества водных сред»
- обработка аварийных случаев - оперативная идентификация и определение концентрации присутствующих ПАВС, выработка водокоррекционных мероприятий;
- аналитическая работа с историческими данными проведенных анализов проб водной среды, формирование обоснованных водокоррекционных мероприятий, прогнозирование остаточного ресурса оборудования (в необходимых случаях).
Наиболее сложным является первый этап методики, реализация которого предполагает выполнение работ по следующему алгоритму.
1. Определение номенклатуры веществ и соединений, присутствие которых в исследуемой водной среде конкретного объекта мониторинга наиболее вероятно. Работа выполняется экспертными методами с привлечением специалистов, имеющих опыт организации мониторинга подобных объектов. В необходимых случаях на объекте могут быть предварительно проведены дополнительные хроматогра-фические или спектрографические исследования. Сформированный перечень предположительно присутствующих ПАВС заносится в базу данных средствами АРМ эксперта.
2. Определение диапазонов наиболее вероятных концентраций ПАВС, входящих в перечень, сформированный по п. 1. Работа выполняется экспертными методами аналогично п. 1. Информация по диапазонам концентраций ПАВС также заносится в базу данных средствами АРМ эксперта.
3. Определение значений концентраций веществ и соединений, в которых будет производиться построение эталонных кинетических характеристик.
4. Формирование эталонных кинетических зависимостей и калибровочных кривых с использованием измерительного комплекса согласно методике, изложенной в [9]. Ввод в базу детальных данных и формирование интегральных характеристик эталонных кинетических зависимостей производится с использованием АРМ оператора в «ручном» режиме или в полуавтоматическом режиме.
Второй этап методики автоматизирован и реализуется средствами модуля контроля текущей концентрации и АРМ оператора системы. Результаты измерений отображаются в АРМ, фиксируются в базе данных и передаются на систему мониторинга верхнего иерархического уровня. При обнаружении аварийной ситуации (третий этап методики) процедуры идентификации и определения концентраций присутствующих
ПАВС выполняются в автоматизированном режиме средствами одноименного модуля, входящего в состав ПИК и АРМ оператора системы. Информация по нарушению также отображается в АРМ, фиксируется в базе данных и передается на систему мониторинга верхнего иерархического уровня.
Четвертый этап методики предполагает статистическую и аналитическую обработку результатов проведенных анализов (с использованием АРМ эксперта) с целью формирования плановых обоснованных водокоррекционных мероприятий. Кроме того, полученные данные в ряде случаев позволяют оценить негативное влияние нарушений норм качества водной среды на надёжность и повреждаемость используемого оборудования и прогнозировать сроки проведения ремонтных работ и его остаточный ресурс.
Таким образом, практическое внедрение описанного программно-измерительного комплекса мониторинга загрязнения водных сред опасными ПАВС в практику эксплуатации различного промышленного оборудования и объектов ЖКХ позволит обеспечить автоматизированный оперативный мониторинг концентраций присутствующих ПАВС с выработкой аварийных сигналов оповещения, реализуемый на несложном измерительном оборудовании, способном работать как в автономном режиме, так и в составе сложных систем мониторинга; расширение номенклатуры промышленных и бытовых объектов, на которых мониторинг технически и экономически целесообразен, за счёт снижения стоимости создания и эксплуатации ПИК по сравнению с применяемыми в настоящее время системами хроматографического и спектрографического анализа; адаптацию ПИК под особенности конкретного объекта мониторинга, что позволяет повысить точность и снизить затраты как на проведение отдельных измерений, так и на реализацию мониторинга в целом; обоснованный рациональный выбор и своевременное принятие соответствующих корректирующих и предотвращающих воздействий на качество водной среды за счёт использования результатов процедур идентификации присутствующих ПАВС.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» (соглашение № 14.132.21.1802) при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.
Литература
1. РД 34.01.203. Перечень нормативных документов по водоподготовке, очистным сооружениям, конденса-тоочистке, по эксплуатации энергетических масел и электролизных установок, обязательных для исполнения технологическими подразделениями энергопредприятий.
2. Китушкин В. Г. Надёжность энергетических систем. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 256 с.
3. Рыженков В. А., Куршаков А. В., Анахов И. П., Свиридова Е. В. О повышении эффективности эксплуатации и надёжности конденсаторов паровых турбин // Энергосбережение и водоподготовка. - 2008. -№ 2 (52). - С. 29-34.
4. Соколов Б. А. Котельные установки и их эксплуатация. - М.: ИЦ «Академия», 2007. - 432 с.
5. Нарядкина Н. А. Повышение надёжности теплотехнического оборудования энергетических комплексов на основе оперативного мониторинга качества рабочих и технологических сред: Автореф. дисс. канд. техн. наук. - М.: МЭИ. - 2013. - 20 с.
6. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.
7. ГН 2.1.5.2307-07. Ориентировочные допустимые уровни (ОДУ) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.
8. Рыженков В. А., Нарядкина Н. А., Самолин Д. С. О возможностях оперативного мониторинга уровня загрязнения водных сред промышленного и бытового назначения опасными поверхностно-активными веществами и соединениями // Естественные и технические науки, 2012. - № 6. - С. 530-533.
9. Патент на изобретение № 2469291 «Способ определения концентрации и идентификации поверхностно-активных веществ в водных растворах». Рыженков В. А., Погорелов С. И., Нарядкина Н. А., опубл. в БИ № 34, 2012.
Measuring software complex for industrial and household aqueous medium pollution monitoring
V. A. Ryzhenkov,
National research university MPEI, D. T. S, Professor
N. A. Naryadkina,
National research university MPEI, engineer
D. S. Samolin,
National research university MPEI, master
We suggest the scheme of the measuring software complex for aqueous medium, its composition, functions, and application methodology to specific conditions of real monitoring objects. The complex can be applied in an off-line mode as well as a part of regular systems of water monitoring and chemical inspection.
Keywords: aqueous medium, surfactants, monitoring, concentration, measuring software complex.
