Научная статья на тему 'СИСТЕМНіЙ АНАЛіЗ КОМПЛЕКСУ ПОДАЧі і РОЗПОДіЛУ ВОДИ В ЖИТЛОВО-КОМУНАЛЬНОМУ ГОСПОДАРСТВі'

СИСТЕМНіЙ АНАЛіЗ КОМПЛЕКСУ ПОДАЧі і РОЗПОДіЛУ ВОДИ В ЖИТЛОВО-КОМУНАЛЬНОМУ ГОСПОДАРСТВі Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
68
34
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ / ВОДОСНАБЖЕНИЕ / НАСОСНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ / SYSTEMATIC ANALYSIS / WATER SUPPLY / PUMPING EQUIPMENT

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Хованський С. О., Неня В. Г.

Рассмотрен вопрос системного анализа и математического моделирования сложных инженерных систем на примере комплекса подачи и распределения воды в жилищнокоммунальном хозяйстве

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The problem of system analysis and mathematical modeling of complex engineering systems by the example of the complex water supply and distribution of housing and communal services

Текст научной работы на тему «СИСТЕМНіЙ АНАЛіЗ КОМПЛЕКСУ ПОДАЧі і РОЗПОДіЛУ ВОДИ В ЖИТЛОВО-КОМУНАЛЬНОМУ ГОСПОДАРСТВі»

Розглянуте питання системного аналi-зу i математичного моделювання складних тженерних систем на прикладi комплексу подачi i розподлу води в житлово-кому-нальному господарствi

Ключовi слова: системний аналiз водопо-

стачання, насосне обладнання

□-□

Рассмотрен вопрос системного анализа и математического моделирования сложных инженерных систем на примере комплекса подачи и распределения воды в жилищно-коммунальном хозяйстве

Ключевые слова: системный анализ,

водоснабжение, насосное оборудование □-□

The problem of system analysis and mathematical modeling of complex engineering systems by the example of the complex water supply and distribution of housing and communal services Key words: systematic analysis, water supply, pumping equipment

■о о

УДК 621.65

СИСТЕМН1Й АНАЛ1З КОМПЛЕКСУ ПОДАЧ1 I РОЗПОД1ЛУ ВОДИ В ЖИТЛОВО-КОМУНАЛЬНОМУ ГОСПОДАРСТВ1

С.О. Хованський

Астрант

Кафедра прикладноТ гщроаеромехашки* Контактний тел.: 099-495-97-45 E-mail: Serg_83@ukr.net

В.Г. Н е н я

Кандидат техычних наук, доцент Кафедри шформатики* Контактний тел.: 066-454-19-29 E-mail: nenja_vg@mail.ru *Сумський державний уыверситет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, УкраТна, 40007

1. Вступ та актуальшсть роботи

Системи водопостачання вщноситься до об'екпв життезабезпечення i тдтримання саштарно-етдемю-логiчноi безпеки населення, тобто е соцiальною складо-вою нацiональноi безпеки краiни. Разом з цим системи водозабезпечення належать до числа найб^ьш ресурсо-та енергоемних технолопчних об'ектiв у комунальному господарствi [1]. Пошук шляхiв зниження енергоемно-стi водопостачання е актуальною проблемою сьогоден-ня, оскiльки мае як сощальш так i економiчнi аспекти, а саме полiпшення умов життя людей, тдвищення еконо-мiчного потенцiалу держави, зменшення екологiчного навантаження на навколишне середовище тощо.

Система подачi i розподiлу води (СПРВ) на су-часному етапi е складним комплексом шженерних споруд, машин i апаратiв. Кожен елемент СПРВ вико-нуе специфiчнi функцii та характеризуеться певними параметрами. СПРВ в житлово-комунальному госпо-дарствi характеризуються безлiччю робочих станiв, при цьому елементи системи не завжди працюють у власних робочих дiапазонах з максимальною ефектив-нiстю, що може призводити до виходу з ладу елемента та зниження ефективносп системи в щлому [1]. Шд-вищення ж ефективностi роботи окремого елемента системи не завжди гарантуе тдвищення ефективносп функщонування системи в щлому [2, 3].

Техшчш системи, що характеризуються складни-ми взаемозв'язками мiж елементами, перетворенням енергп з одного виду в шший, невизначешстю тех-нiчних характеристик елементiв, безлiччю робочих станiв, як кожного елементу, так i системи в щлому, потребують цiлiсного системного аналiзу.

2. Аналiз попереднiх дослщжень

1нженерам та науковцям у галузi технiчних наук притаманний комплексний тдхщ до розгляду дослвд-жуваних об'ектiв та процеав, при якому розглядають-ся уа складовi та взаемодiя мiж ними. Разом з тим, ця вдеолопя сформувалась у окремий науковий напрямок - системний аналiз та його складову стосовно тех-шчних систем - системотехшку [2 - 5]. Дана наукова дисциплша е досить затребуваною серед науковцiв але широко декларуеться лише серед методiв дослщжен-ня та аргументування окремих положень. У наявнш науково-методичнiй лiтературi з водопостачання, п-дравлiчних мереж, динамiчних насосiв та прикладiв конкретного застосування системного аналiзу як методики дослвдження технiчних систем, вкрай обмаль, а в галузi динамiчних насоав зазначенi методи майже не використаються. У поодиноких прикладах системний аналiз застосовуються до окремих аспектiв функщону-

вання дослщжуваних об'екпв, а не до систем в щлому, де об'ект е однieю з складових системи.

3. Мета та задачi роботи

Метою дано! роботи е тдвищення ефективностi функцiонування систем подачi та розподшу води. При цьому, виршуеться задача проведення системного аналiзу для виявлення найважливших та першочер-гових заходiв удосконалення СПРВ.

4. Матерiали та результати дослiдження

На першому етапi системного аналiзу дослщжува-ний об'ект розглядаеться як "чорна скриня", визнача-еться мета функцiонування дослщжуваного об'екту, головна функцiя, вхiднi та вихщш елементи, ресурси та результат, критерп та мiри ефективностi функщо-нування [2 - 5].

Призначення системи водопостачання, як функцп, для виконання яко! система створена, полягае у за-безпеченнi споживачiв водою за нормованого тиску у всьому дiапазонi змши витрат. При цьому, необхвдно вирiшити задачу забезпечення економiчного функщо-нування системи подачi та розпод^у води. Структурна схема СПРВ представлена на рис. 1.

У СПРВ проходить процес перетворення електрично! енергп в гiдравлiчну енергiю рiдини. Вхщ-ним елементом е вода (об'ем VН, м3) з певним значен-ням початково! гiдравлiчноi енергii. До ресурсiв у основному вщноситься електрична енергiя (потуж-нiсть N, кВтгод), що витрачаеться на привщ насосiв, та початкове значення гiдравлiчноi енергii рiдини (натр НН, м). Вихiдним елементом е об'ект системи подачi та розпод^у, доставлений до мiсця призна-чення, зазначеного споживачем, а саме вода (об'ем VК, м3). До результату вiдноситься вода з певним значенням гiдравлiчноi енергп (НК, м).

Для технiчних систем вид^яють рiвнi роботи, пов'язанi з рiзноманiтними режимами функщонуван-ня систем [3]. Так, для СПРВ можна вид^ити на-ступнi види роби: режим безперервноi дii з постшним графiком водоспоживання у часi; режим безперервноi ди зi змiнним графжом водоспоживання у часi; режим перервноi ди з постiйним графiком водоспоживання у часц режим перервно! ди зi змiнним графiком водоспоживання у часi.

Вхщш елементи Вихщш елементи

Вода Уп, м3 Ресурси Система подач1 та Вода ¥к, м3 Результат (

1. Електрична енерпя N кВттод 2.Пдравл1чна енерпя води на вход1 Нп, м розподшу води Пдравл1чна енерпя води на виход1 Нк, м

вихiдних елементiв, ресурсу та результату [4]. Таким чином, техшчний рiвень функцiонування СПРВ може характеризуватися наступними критерiями та мiрами ефективностi (див. рис. 1):

1. Стутнь втрат води в системi - вiдношення юль-костi води, яку отримав споживач, до води перекачано! насосними станщями: К1 = VК / Vп;

2. Гранична енерговитратшсть системи - iдеальний випадок функщонування системи, якщо в нш вiдсутнi втрати енергii: К2 = НК - НП;

3. Енергетична ефектившсть функцiонування системи - ввдношення приросту гiдравлiчноi енергп до затрачено! електроенергп: К3 = (НК - НП) / N;

4. Початкова питома вага гiдравлiчноi енергп: К4 = Нп / Vп;

5. Питома вага гiдравлiчноi енергп, отримано! спо-живачем: К5 = НК / VК;

6. Енергоефектившсть системи - вiдношення затрачено! електрично! енергп на привiд електродвигу-нiв N до отримано! води споживачем: К6 = N / Vп.

На другому етапi системного аналiзу будують структурно-функцiональну схему, визначають призначення i характеристики кожно! пiдсистеми комплексу та встановлеш взаемозв'язки мiж ними [2 - 5].

Розглянемо систему водопостачання, основш елементи яко! зображенi на рис. 2. У цш система 1 - дже-рело гiдравлiчноi енергii, мiсце забору води (резервуар, водоводи низького тиску тощо); 2 - водоводи системи подачi та розподшу води на насосну станщю з запiр-но-регулюючою арматурою; 3 - мережа електрожив-лення; 4 - електричний привщ насосiв (синхроннi чи асинхронш електричнi двигуни); 5 - насоси насосно! станцп; 6 - водоводи системи подачi та розпод^у води до споживача з затрно-регулюючою арматурою; 7 - споживач води. Незаперечно основними елементами системи е насоси насосно! станцп. Вiдносно них третш (мережа електроживлення) та четвертий (електрич-ний привiд) елементи у сукупност складають вхiдну електричну пiдсистему. Перший та другий елементи у сукупност складають гiдравлiчну вхiдну пiдсистему. Шостий (мережа водопадiв з запiрно-регулюючою арматурою) та сьомий (споживач) елементи входять до складу гiдравлiчноi вихщно! тдсистеми.

електрична ехидна тдсистема

г!драел1чна

ех1дна тдсистема

Рис. 1. Структурна схема СПРВ

При визначенш техшчних критерпв функщонуван-ня системи використовують рiзнi комбiнацii вхiдних,

Рис. 2. Структурна схема комплексу подачi та розподту води

Зупинимося детально на призначенш i характеристиках тдсистеми:

1. Електрична вхщна пiдсистема призначена для доставки електрично! енергГ! i перетворення !! у меха-шчну та складаеться з наступних елеменпв:

- мережа електроживлення - здшснюе електро-забезпечення СРПВ та характеризуеться опором

1

електрично1 мереж1 та втратами на подолання цього опору;

- електричний привщ насос1в (синхронш чи асин-хронш електричш двигуни) - здшснюе перетворення електрично'1 енергп в мехашчну. Даний елемент систе-ми характеризуеться залежшстю обертового моменту в1д частоти обертання ротора електродвигуна, геоме-трична штерпретащя яко1 для асинхронних двигушв представлена на рис. 3.

2. Пдравл1чна вхщна тдсистема призначена для доставки води з певним запасом гвдравл1чно'1 енергп та складаеться з наступних елемент1в:

- джерела гщравл1чно'1 енергп, м1сце забору води (резервуар, водоводи низького тиску тощо), характеристика яких представлена на рис. 3;

- водоводи системи подач1 та розпод1лу води на насосну станщю з затрно-регулюючою арматурою - забезпечують транспортування та розпод1л води в1д джерела до насосу та мають характеристику, представ-лену на рис. 3.

3. Насос - призначений для перетворення меха-шчно'1 енергп приводу (електродвигуна) у г1дравл1чну енерпю рщини та мае характеристики, представлен на рис. 3.

4. Пдравл1чна вихщна тдсистема призначена для доставки води з певним запасом пдравл1чно'1 енергп, 11 розпод1лу у споживача та складаеться з наступних елемент1в:

- водоводи системи подач1 та розпод1лу води на насосну станщю з затрно-регулюючою арматурою - забезпечують транспортування та розпод1л матер1аль-них ресурав до споживача та мають характеристику, представлену на рис. 3;

- споживач - елемент, для забезпечення потреб котрого призначена вся система.

В реальних умовах споживачами води можуть бути, як окрем1 (приватний будинок, квартира), так 1 групов1 (багатоповерховий будинок, група будинюв) об'екти, як1 можуть знаходитися на значнш вщсташ один вщ одного. У даному випадку ми замшюемо групу реальних споживач1в умовним спо-живачем, котрому притаманш наступш умови та обмеження:

- споживача необхвдно без-перебшно забезпечувати водою у всьому д1апазош в1д Цтах до Цтт, при чому кожне значення витрати у цьому д1апазош мае певне значення ймов1рност1;

- в1льний натр у госпо-дарсько-питному водопро-вод1 у споживача не повинен перевищувати 60 м (вщповщно СНШ 2.04.02 - 84).

- м1шмальне значення не-обхвдного в1льного напору в системах комунального водопо-стачання ввдповщно до СНШ 2.04.02 - 84 у точщ приеднання споживача до зовшшньо'1 водо-провщно'! мереж1 визначаеться як:

де п - к1льк1сть поверх1в будинку.

Враховуючи вищезазначене можна стверджувати, що споживач у данш систем1 мае власну г1дравл1чну характеристику для забезпечення сво1х потреб, пред-ставлену на рис. 3. Необхщно також зазначити, що передумовою такого твердження в системах госпо-дарсько-питного водоспоживання е СНШ 2.04.02 -84, у виробничих процесах - нормативш вимоги до здшс-нення техшчного процесу.

У дослщжуванш систем1 не вс1 елементи мають характеристики тако'1 просто'1 прямолшшно'1 форми. Для трубопровод1в це будуть квадратичш параболи, моментна характеристика електричного асинхронного двигуна апроксимуеться залежшстю Клосса, натрна характеристика насоса - дов1льна крива. Якщо характеристики елемент1в СПРВ розташувати у порядку знаходження вид1лених тдсистем, то отримаемо роз-рахункову схему функщонування системи (рис. 3).

Анал1з рис. 3 показуе, що робоча точка функщо-нування системи визначаеться шляхом узгодження ус1х характеристик 1 е задачею нелшшною та достат-ньо складною. Змши у одному окремо вибраному елемент1 неминуче вплинуть на параметри функщонування ус1е'1 системи. Тому, вир1шення кожно'1 1з поставлених задач необхщно виконувати з урахуван-ням даного положення. Такий шдхщ опрацьовано в робот1 [6]. Встановлено, що характеристики в1дцен-трових насос1в змшюються залежно в1д наванта-ження на насос, за рахунок змши частоти обертання ротора, що також ускладнюе процес моделювання СПРВ в щлому.

Практика виршення задач нелшшно'! динамжи вказуе на те, що отримати на виход1 1з системи не-обхщш параметри практично неможливо. Кр1м того, СПРВ працюе щлодобово у р1зних умовах. Це вказуе на те, що у данш систем! необхщно запровадити регу-лювання. Причому, об'ектом регулювання е параметри води на виход1 1з системи, а виб1р регулятора е окре-мою оптим1зацшною задачею, осюльки ус тдсистеми СПРВ можуть виконувати дану функщю.

електричнии двигун

г1дравл1чна входна подсистема

електрична входна подсистема

г1дравл1чна виходна подсистема

джерело водоводи з

годравл1чно1 затрно-регулюючою енерги арматурою

водоводи з зап!рно-регулюючою арматурою

споживач

Н = 10 + 4 (п-1),

Рис. 3. Структурна схема функцюнальноТ взаемоди тдсистем СПРВ

Одним iз шляхiв покращання умов експлуатацп енергоперетворюючого обладнання у СПРВ та проце-су регулювання е використання насосного обладнан-ня iз формами характеристик, що найкращим чином задовольняють конкретним умовам. Так у робой [7] встановлеш вимоги до форми характеристики насоав для умов використання одного та декшькох насоив, що працюють паралельно на мережу, а також до насо-сiв, якi працюють у режимi регулювання частоти обе-ртання !х ротора.

Враховуючи вищесказане, система подачi та роз-подшу води - це технiчна закрита, динамiчна система, яка е iерархiчно впорядкованою, складаеться з тдсистем, централiзованою, оскiльки центральним i основним елементом е насос, мае властивост шерцш-ностi, тому вимагае певного часу для переходу з одного режиму роботи на шший, та властивост адаптивности через що зберпае сво! функцп при збурених дiях на-вколишнього середовища та налаштовуеться пiд новi умови.

5. Висновки

Проведено аналiз функцiонування СПРВ та си-стемний аналiз !! функцiонування i вперше визначенi наступнi положення:

1. Споживач мае власну характеристику в координатах Н = ^Ц);

2. Функщонування СПРВ нацiлене на забезпечен-ня вказано! характеристики, отже параметри потоку на виходi iз СПРВ е об'ектом регулювання в даних системах i можливiсть забезпечення дано! характеристики е умовою придатност (вщбору) рiзних способiв регулювання;

3. Визначеш показники ефективностi функцюну-вання системи подачi та розподiлу води;

4. Для аналiзу впливу окремих змш однieï шд-системи необхщно виконувати моделювання роботи усieï СПРВ.

Лиература

1. Евтушенко А.О. Визначення оптимального складу насосно!' станцп' / А.О. Евтушенко, В.Г. Неня, 1.М. Сотник, С.О.Хованський // Вюник Кременчуцького державного ушверситету. - 2008. - Вип. 4/2008 (51). - С. 168 - 171.

2. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа: Учеб. пособие / В. Н. Спицнадель. - СПб.: «Изд. дом «Бизнесс-пресса», 2000. - 326 с.

3. Тарасенко Ф.П. Прикладной системный анализ (наука и искусство решения проблем): Учебник / Ф.П Тарасенко.

- Томск: Из-во Том. у-та, 2004. - 186 с.

4. Романов В.Н. Системный анализ для инженеров / В.Н. Романов. - СПб.: СЗГЗТУ, 2006. - 186 с.

5. Згуровський М.З. Основи системного анашзу / М.З. Згуровський, Н.Д. Панкратова. - К.: Видавнича група BYV, 2007. - 554 с.

6. Неня В.Г. Зовншне проектування вщцентрових насоав / В.Г. Неня, В.П. Захарченко // Промислова пдравлша та пневматика. - 2008. - №1 (19). - С. 71 - 74.

7. Хованський С.О. Вимоги до форми енергетичних характеристик вщцентрових насоав гщракшчних мереж комунального водопостачання / С.О. Хованський // Промислова пдравлша та пневматика. - 2010. - №1(27).

- С. 56 - 61.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.