автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация процесса фильтрования на станциях очистки природных вод с использованием информации о гидравлической проводимости фильтров

РГ6 Ой

ТВЕРСКОЙ ОВДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

,, 7 ^[0(1 ОДЗ ПООТЕНИНЕЕЕИЙ ИНСТИТУТ.

На правах рукописи

Каввас Хала

/

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ НА СТАНЦИЯХ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШИОВЩИИ О ГВДРАВШВСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЗЙЛЬТРОВ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств (промшленнооть)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических ндук

Тверь 1993

■ Работа выполнена на кафедре "Автоматизация технологических процессов и производств" Тверского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

-29-

доктор технических.наук, профессор Илясов Л .В,

доктор-технических наук, доцент Палюх Б.В.;

доктор технических наук, профессор Косов В.И.

НПО "Нефтехимавтоматика", г.Москва

1993г. в Ю~

ссюНЯ

Защита состоится часов на заседании специализированного совета К 063.22.03 в Тверском политехническом инотитуте по адресу: 170026, г.Тверь*, наб;1 Афанасия Никитина, 22

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан

и^С^Я 1993г.

Ученый секретарь специализированного сочета

Жгутов А.В,

_ I _

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность то™. Рост народонаселения и развитие промышленности требуот постоянного увеличения производства питьевой воды.

Современная технология получения питьевой воды состоит в очистке природных вод на крупнотоннагашх установках - станциях очистки природных вод. Наиболее важный технологическим процессом на отих станциях является процесс фильтрования, который реализуется, как правило, в скорых фильтрах. Производительность скорого фильтра в ходе технологического процесса су-щестгенно и быстро уменьшается, т.к. в его фильтрующем слое накапливается загрязнения, поступающие из очищаемой воды. Это требует периодической очистки фильтрующего слоя.

Эффективность работы станций очистки природных вод, включающих десятки и дане сотни фильтров, определяется их состоянием.

Известные в настоящее время решения по автоматизации процесса филирования сводятся к стабилизации отдельных реяимных параметров и управлению работой фильтров по некоторым косвенным показателям, характеризующим их состояние. Это на обеспечивает оптимизации процесса фильтрования и снижает технико- •> экономические показатели работы станций очистки природных вод.

В связи с этим актуальными являются исследования и разработки, направленные на созданиа автоматизированных систем управления процессом фильтрования, использующих оперативную измерительную информацию о состоянии скорых фильтров.

Цель работы. Создание способов автоматизации процесоа фильтрования на станциях очистки природных вод, базирующихся на использовании оперативной информации о состоянии фильтров, . разработка на их основе систем автоматического контроля и управления фильтрами и блоками фильтров, а также решецие актуальной задачи повышения эффективности работы станций очистки природных вод.

Научная новйзнз. Обоснована теоретически и проверена экспериментально возможность управления процессом фильтрования на станциях очистки природных вод с использованием измеритель-

ной информации о гидравличоской проводимости фильтров.

Созданы математические модели статической и динамической характеристик скорого фильтра, основанные на совместном решении уравнения Дарси для фильтрующего слон постоянной толщины и уравнения сплошности потока с учетом аккумулирующей способности фильтра и реьистивних свойств отводящего канала.

Разработаны принцип и системы автоматического контроля текущего состояния скорых фильтров по измерительной информации о гидравлической проводимости фильтрующего слоя последних.

Получена экспериментально математическая модель динамики гидравлической проводимости скорых фильтров и разработана процедура прогнозирования состояния скорого фильтра и блока фильтров по втой модели. .

Доказана возможность и эффективность управления работой скорого фильтра по минимально допустимому значению его гидравлической проводимости.

Решена задача оптимального управлония блоком параллельно работающих скорых фильтров как для агрегатов, обладающих линейными статическими характеристиками существенно изменяющими-оя во времени при наличии непрерывной измерительной информации о гидравлической проводимости отдельных фильтров для режимов работы с постоянной и падающей скоростью фильтрования.

Практическая ценность работы. Разработанный принцип контроля гидравлической проводимости фильтрующего слоя позьолпет полностью автоматизировать контроль-состояния скорых фильтров станций очистки природных вод.

Предложенные модели, системы и алгоритмы позволяют выявить возможность уменьшения энергетических затрат на очистку воды, увеличить длительность фильтроцикла и надежность очистки питьевой воды.

Найденные решения получили применение при автоматизации контроля состояния скорых фильтров и управления филмроцшгаок -на Северной-московской-станциилшстки^природных вод.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-проподавате-льокого состава, аспирантов и сотрудников Тверского политехнического института 1992г.

Публикация, Основные результат исследований и разработок изложены в четырех статьях, список которых приведен ь заключительной части автореферата. . . ••

Структура и обт.ем работы. Диссертация состоит ira введения, пяти глав, списка использованных источников и четырех приложения , Работа содержит 181 страниц,включая '45 рисунков и 9 таблиц. Список попользованных источников включает 81 наг основание. Приложения занимают 25етраниц .

ОСНОВНОЕ СОДЕРШШЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследований, приведены основные результаты к положения, которые представлены автором к защите.

В первой главе "Анализ технологического процесса фильтрования современных станций очистки природных вод, систем ого автоматизации и постановка задачи исследования" приведено краткое описание технологической схемы очистки природных вод, применяемой на современных водоочистных сооружениях.

Путем анализа комплекса технологических процессов на станции очистки природных вод установлено, что основные процессом, определяющим производительность и эффективность раоотн этих станций, является процесс фильтрования, который реализуется в скорых фильтрах, объединенных коллекторами по очищаемой воде, фильтрату (очищенная вода), промывной воде и воздуху, по-даваемочу в процессе проиывкл. Один ц'лкл работы каждого фильтра включает две стадии: фильтрование, при котором загрязнения, содеркацизся в очищаемо.! воде, задерживаются фильтрующим слоем фильтра при истечении воды через названный слой под действием силы гравитации и проминка, при которой фильтрующий слой очищается от накапливающихся в ней при фильтровании'Загрязнений.

Выполншшуй з данной главе анализ существующих схом автоматизации процесса фильтрования позволил установить, что требуется дальнейшее совершенствование автоматизации непосредственно самого процесса фильтрования, в то время как имегаоя

вполне удовлетворительные решения по автоматизации процесса

- к- -

промывки фильтров.

При этом центральной задачей автоматизации процесса фильтрования является контроль состояния ckoj.ii.ix фильтров, который осуществляется в настоящее время по косвенном показателям. Это является существенным недостатком известии:;: схем автоматизации, т.к. снижает эффективность управления и уменьшает,тех-нико-экономичоские показатели работы водоочистных станции. В связи с этим в последнем параграфа первой главы сформулирована задача проведения комплекса исследовании и разработок, направленного на повшениэ эффективности работ станций о щетки природных вод за счет совершенствования автоматизации контроля и управления процессом фильтрования и вгашчавдего математическое моделирование статики и динамики скорых фильтров для ' целой автоматического контроля и управления, автоматизацию работ отдельных фильтров и управление блоком фильтров в различных решмах процасоа фильтрования с учетом оперативной информации о состоянии фильтров.

Во второй главе "Математические модели статической и динамической характеристик скорых фильтров" первоначально сформулирована концепция математического описания скорого фильтра, учитывающая специфику станций очистки природных вод, включающих десятки и сотни фильтров, и тот факт, ото результаты работы предполагается в полном объеме использовать при автоматизации водоочистной станции г.Дера Аль-Зора (Сирия).

В соответствии с принятой концепцией математические модели статической и динамической характеристик скорого фильтра должны быть получены аналитически с последующей их проверкой на одной из типовых и аналогичных сирийской станций очистки природных вод в России, т.е. путем применения комбинированного метода математического описания.

Выполненный анализ скорого фильтра как объекта автоматизации позволил выделить регулируемые параметры, основные возмущающие и управляющие воздействия, а также установить тот факт, что скорый~филмр~яБляегся~обьектом,—парамотры-которого_ существенно изменяется во времени.

Изучение известных математических моделей статического ре-Еима работы скорых фильтров позволило сделать заключение о том, что указанные модели )• получаемые на их основе решения

)ш представляется возмогшим использовать для целой автоматизации процесса фильтровании, так как они ориснтнровани только ' на проектирование скорых фильтров;

С учетом принятой концепции математического описания била принята структурная схема скорого фильтра, которая имеет такой уровень детализации технологического процесса, обеспочи-ваюцей возможность определения статической п динамической характеристик фильтра с учетом основных конструктивных и регулируемых параметров, а также управляющих воздействий и подключаемых к фильтру гидравлических сопротивлений (регулирующих органов исполнительных механизмов или зздвияек).

Из-за нестационарности и случайного изменения характера во времени свойств фильтрующего слоя скорого фильтра било признано целесообразным получение математических моделей статической и динамической характеристик в наиболее простой форме, что определяет возможность их коррекции в ходе работы на основе измерительной информации путом изменения ограниченного число коэффициентов.

При математическом описании статической характеристики скорого фильтра бил принят ряд ограничений, которые позволяют использовать для описания процесса фильтрования воды, содержащей загрязнения уравнение Дарси и уравнение сплошности в вида

0„ - - О , (2)

где АР - перепад давлений на фильтрующем слое скорого фильтра, Д /> = Р, - Рг ; I - толщина фильтрующего слоя; ¡> - динамическая вязкость води; К, - коэффициент ламинарной проницаемости; V/ - скорость фильтрования; (?„ - массовый расход очищаемого потока (расход на притоке); - массовый расход очищенной воды (расход на стоке).

С учетом принятой схемы скорого фильтра статическая характеристика скорого фильтра с подключаемыми к нему на выходе гидравлическими сопротивлениями получена в общем виде

II — _. О- , (з)

где Н. - уровень воды в скором фильтре; р - плотность воды; р - ускорение силы тяжести; и - общие гидравли-

ческие сопротивления и гидравлическая проводимость скорого фильтра.

При этом гидравлическое сопротивление описано вира-

же ни ей

^ со

где R<p , Pd , rfj - гидравлические сопротивления фильтрующего слоя; дренажа и выходной задьи.«ки.

При детализации ылракенил ('0 было принято:

- для описания гидравлического сопротивления использовать совместно с уравнение:.! Дарен формулу Хизена, полученную для описания процессов фильтрации в подземной гидравлике

у/ = £¿¿-2- ■ (5)

где У - коэффициент фильтрации; С - безразмерный эмпирический коэффициент, зависящий от пористости фильтрующей среды; dj - эффективный диаметр частиц пористой среды; V - кинетическая вязкость воды;

- для описания гидравлического сопротивления использовать формулу, описывающую течение.несжимаемой среды чорез турбулентное сопротивление;

- гидравлическое сопротивление определять экспериментально по причина постоянства его значения для конкретного фильтра и различия в конструкциях дренажей.

В результате модель статичоской характеристики скорого фильтра была получена в виде

(6)

"где Г - площадь" попере чного сечения скорого фильтра; /5 -давление перед выходной задвижкой (или регулирующим органом); оС - коэффициент расхода; - площадь проходного сечения аадвижки; К - коэффициент передачи скорого фильтра.

Математическая модель динамической характеристики окоро-го фильтра была получена с учетом всех упрощающих предполоко-ний, использованных при описании статической характеристики фильтра.

Кроме того, ввиду большой инерционности скорых фильтров было принято, что подключенная к фильтру задвижка (или регулирующий орган) способна перемещаться с одного крайнего положения в другоо практически мгновенно, т.е. представляет собой безынерционное звено.

Математическая модель динамической характеристики скорого фильтра получена в виде

T^j±L + АН -KAG, (7)

где Т - постоянная времени скорого фильтра, описываемая выражением

К - коэффициент передачи скорого фильтра, который равен

То есть скорый фильтр может быть идентифицирован как инерционное звено первого порядка.

Экспериментальная проверка полученных моделей статической и динамической характеристик скорого фильтра проводилась в период с февраля по сентябрь 1992г. на Северной станции московского водопровода.

Опыты проводились на семи фильтрах, оснащенных средствами контроля расхода воды, перепада давлений на,фильтрующем слое и уровня воды в фильтре.

Первоначально была проверена корректность испоАзованной Формулы Хазена для случая фильтрования воды в скорых фильтрах. Принтом было установлено, что расхождение меяду расчетными и эксиери-'онгалыЫми значениями коэффициента фильтрования не превосходит 17".

Опыты по определению адекватности модели статической ха-рактористики скорого фильтра осуществлялись непосредственно

после промывки фшира, когда &илыгрувций слои практически не содернпт загрязнений и его гидравлическое сопротивление могло рассчитывать по формуле Хазена. В этах опшах экспери^енччзль-ным путем определялось гидравлическое сопротивлений дрс11а;.са и задв'лкки, а затем с учетом расчетного значения гиддрамичес-. кого сопротивления фильтрующего слоя рассчитывалось обчоо сопротиынзиие фильтра. Затем по модели статической хиракторис-тики рассчитывалось значение массового расхода ведь; через фильтр. Последнее для всех исслеровашшх фильтров сравнивалось с экспериментальным значением при соотвотстьувдих значениях уровня воды в фильтре. Расхождение мекду экспериментальными и расчетными значениями не превышало 3)5, что свидетельствует об адекватности разработанной модели статическое характеристики скорого фильтра.

С целью учета степени влияния загрязнений, накаплкъакмих-ся в фильтрующем слое, на статическую характеристику скорого фильтра для начального, среднего и конечного периодов процесса фильтрования были экспериментальным путем полутени статические характеристики б виде уравнений регрессий.

Эти эксперименты позволили подтвердить предположение о том,.что линейная форма статической характеристики сохраняется на протяжении всего процесса фильтрования, в то эт время коэффициент передачи скорого фильтра способен измениться на 30% и более.

Полученные экспериментальным путем кривые разгона скорого фильтра подтвердили правильность идентификации скорого фильтра как инерционного эвена первого порядка. При этой определенное экспериментально значение постоянной времени отличалось от расчетного значении не более чем на V/».

Третья глава "Автоматизация контроля состояния скорых фильтров станций очистки природных вод" посвящена анализу современных методов определения содержания загрязнений в фильтрующей слое по косвенным параметрам и разработке систем автома-—тического-ковтроля-состояния-скорых-фальтров._

Основным технологическим процессом в скорых фильтрах является извлечение иа фильтруемой вода загрязняющих ое взвешенных частиц, сопровождаемое уменьшением гидравлической проводимости фильтра и, как следствие, необходимостью его перио-

дп ческой очистки.

В связи и зтпм чрезвычайно важным нвлястся определение продолжительности процесса фильтрования и установление пара-гтехров по значениям, по которым фильтр переводится в реки» промывки.

Анализ современной научно-технической литературы, посвя-l'icHHoi'i процессу фильтрования, позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время переключение фильтров в рег.им промывки осуцссхчлштм по одном:,' из четырех параметров, о именно, по гшаченпя мутности фильтрата (при наличии мутномера на выходной линии), ¡ю степени открмтия фплътратпой задЕП:;.ки, по пре-делкюму перепаду давления на фпльтрущем слое и по определенной зпепсряг'сагалыю или рассчитанной по известным моделям длительности {гльгрогоиги* Показано, что ни по одному из этих параметров не представляется возможным однозначно определить состояния скорого фильтра, так как они зависят как от содержания загрязнений в от.щаемой воде, так и от ренимних параметров процесса фильтрования.

lia основе выполненного анализа сделан вывод о том, что в настоящее впемя не имеется методов я средств, способных обес-по'гпть п аде гик!:'., оперативный и удобный для использования при автоматическом управлении контроль состояния скорых фильтров* станций очистки природных вод.

Пз математического описания статической характеристики, полученного в главе 2, следует, что при ламинарном режиме фи-льтролошм перепад давлений на фильтрует,ом слое зависит от расхода G воды и гидровлической проводимости фильтрующего слоя, iipn этом, если перепад давления ( Р, ~ А. ) увеличивается как из-за огло:::сннй загрязнений в порах фильтра, так и из-за изменений расхода воды через фильтр, то гидравлическая проводимость является величиной инвариантной к расходу воды и однозначно определяет содержание загрязнений()в порах .¡ильтругаего слоя. Это определяет возможность использования гидравлической проводимости Ар в качестве характеристики состоя гаш скоро'го фильтра

, __ G _ G

" "Р, - в- "

- 10 -

Из последнего выражения следует, что если измерить массовый раоход воды через фильтр и перепад давлений А Р^, на фильтрующем слое, то гидравлическую проводимость можно определить как результат косвенного измерения.

Для реализации измерения гидравлической проводимости били разработаны два автоматические системы, включающие дроссельный расходомер, устанавливаемый на линии фильтрата, и датчик разности давлений.

В первой из названных систем датчик разности давлений подключается к областям скорого фильтра, расположенным непосредственно над и под фильтрующим слоен. Модель сигнала такой измерительной системы, полученная с учетом диапазонов измерений используемых устройств, получена в видо

где Ое , й Р, , Ке - верхние пределы измероний дроссельного расходомера, датчика разности давлений и системы измерения гидравлической проводимости; ¿/, и Кг - текущие значения сигналов дроссельного расходомера и датчика разности давлений;

Ц0 - значение унифицированного сигнала напряжения; ист -оигнал напряявния, пропорциональный разности статических давлений на фильтрующем слое.

Такая схема технически проста в реализации, однако, как показал анализ, она требует предварительного введения в вычислительное устройство информации о значении разности статических давлений на фильтрующей слое, проведения дополнительной вычислительной операции и к концу режима фильтрования может вырабатываться (для некоторых фильтров) сигнал, связанный с вычисление« разнооти близких величин, что сопряжено с существенный увеличением погрешности измерения.

Вторая из разработанных систем свободна от этого недостатка, хотя и более сложна в технической реализации. В ней один ив входов датчика ревности давлений подключается нбпосредст-венно к ¿блести, расположенной над фильтрующим ~слоеи, "и "второй вход подключается на той же уровне, что и первый к дополнительной трубке, нижний конец которой соединен с областью, расположенной непосредственно под фильтрующим слоем, а варх-

ний - с атмосферой.

Модель сигнала такой измерительной системы получена в виде

Предложено называть разработанные системы гидрокондукто-метрическими системами автоматического контроля состояния скорых фильтров (по аналогии с злектрокондуктометрическими и терм окон дукт ома три чес ними средствами измерений).

Выполненный анализ погрешностей измерений гидравлической проводимости с учетом используемых средств'измерений позволил установить, что при применении аналоговых вычислительных устройств погревшость составляет 2,2-2,9$, а при использовании ЭВМ - 1,8-2,57». '

Вторая из разработанных систем автоматического контроля состояния фильтров была испытана на шести фильтрах Северной станции московского водопровода в различных сезонных условиях при расходах воды 215-470 кг/с и концентрациях загрязнений 1,8-6,5 мг/л.

Результаты измерений представляйся в виде графика на дисплее или бумажном носителе информации и показывают изменения гидравлической проводимости за время одного процесса фильтрования, что позволяет оператору в любой момент времени получить информацию о текущем состоянии фильтра.

Успешное испытание гидрокондуктометричоской системы определило направление дальнейших исследований и разработок, а именно их ориентацию на поиск таких решений по автоматизации процесса фильтрования, в реализации которых используется информация о состоянии скорых фильтров.

В четвертой главе "Управление работой скорого фильтра о использованием информации о его гидравлической проводимости" излагаются ооновные решения, связанные с автоматизацией работы скорого фильтра, базирующиеся на использовании информации о его текущем состоянии.

На основа анализа зависимостей гидравлической проводимости скорых фильтров от времени, полученных с помощью гидрокон-дуктометрической измерительной системы, выявлена возможность 'создания модели динамики гидравлической проводиуссти скорого

фильтра. Статистическая обработка полученной информации позволила описать во времени I тронд функции гидравлической проводимости зависимостью

ггакс

— Кф при О ^ í

(13)

Л^, =о - Ы при < ± < ¿п

где л^ - значение гидравлической проводимости скорого фильтра после проминки; £ - интервал времени, в течение которого гидравлическая проводимость фильтра практически не изменяется в начале процесса фильтрования; а и Ь - свободный член и коэффициент уравнения регрессии.

Исследована возмокпость использования измерительной информации, полученной от гидрокопдукгометрической системы автоматического контроля для прогнозирования длительности процесса фильтрования, т.е. продолжительности работы скорого фильтра до зздачлэгс значения гидравлической проводимости.

Анализ статистических донных, выполненный для десяти фильтров, позволил установить факт существенного недоиспользования ресурса скорого фильтра при работе"по применяемой жесакой схеме, при которой перевод фильтра на промывку осуществляется по определяемой заранее опытным путем для каждого сезона длительности процесса фильтрования.

Результаты этих исследований легли в основу разработанной системы управления работой скорого фильтра по минимально допустимому значению его гидравлической проводимости. Это значение определяется один раз для каждого фильтра и не зависит от рекимных параметров и времен года.

Разработанная система вкльчает в себя: зредстга автоматизации процесса фильтрования, средства автоматизации процесса промывки, средства автоматизации процесса перевода фильтра с процесса фильтрования на процесс промывки и обратно, гидро-^{ондуктокштрическую-систему-аБ?01татачсс1ШГД-КРнт.рдля состоя-нип скорого фильтра.

Особенностью разработанной системы является то, что в ней перевод скорого фильтра с процесса фильтрования па процесс промывки овр.остглнотсн по сигналу гпдрокондуктометричссксй

системы при достижении последнего значения, соотготствукщэго значению минимально допустимой гидравлической проводимости. Как показала проверка такое упраылошп, вшоипетюе на Северной станции московского водопровода, при которой за минимально допустимые значения гидравлической проводоюотл были приняты реально наблюдаеиио значения, найденные после анализа множества реализаций процесса Фильтрования на четырех' фильтрах, ( использование представлении о минимально допустимой гидравлической проводимости)псзъолнет заметно угеличить продол/итель-ность процесса фильтрования. При постоянной длительности процесса промывки ото означает увеличение зффектшшости роботы скорого фильтра.

Для оценки эффективности управления скорми фильтром по ого минимальной гидраьличоской проводимости бнло предложено использовать (относительное уменьшение длительности вспомогательного для фильтроцикла процесса промывки)

—

т:

/о о У.

СО

где Ьп - длительность процесса промывки; ¿ц - длительность фильтроцикла при управлении с использованием суцееггукпей'си-стемы; I ц - длительность фильтроцикла при управлении по минимально допустимой гидравлической проводимости.

В табл. I приведены результаты определения Енач'иш для ряда фильтров.

Таблица I

Результаты относительного уменьшения длительности вспомогательного для фильтроцикла процесса прсныгзки

Номер фильтра

I

Номер реализации

2

3

/ : / : аС • / : п! час : час . % : чао : %

4 г

час

сС

3-2

'¡-2

'1-3

36,5 Зв,5

38,5 №,5

5,2

9,9

0,0

т Г

- т'

43,5

'40,5 39,5 Ч Г,

16,1 9,9 1-

'+5,5 19,8

'й,5 18,П '1-7,5 ¿3,1 Г",.'?

- 14 -

При этом следует отметить, что значение можно определять о высокой точностью, т.к. в выракение для с*' входят только значения времени 1п , ¿ч и £гч , которые измеряются с высокой точностью. Это определяет возможность получения, наряду с технической, корректной экономической оценкой эффективности разработанной системы управления.

В последнем параграфа данной главы приведены результаты разработанных исследований новых для скорых фильтров систем автоматизации процесса фильтрования, а именно автоматической системы регулирования уровня воды в фильтре путем воздействия на приток воды в него, разработанной для реализации оптимального управления (см. ниже) в режиме фильтрования с переменной скоростью и автоматической системы регулирования уровня воды в фильтре путем воздействия на сток воды при одновременной стабилизации расхода воды на притоке, разработанной для реализации оптимального управления (см. ниже) в режиме фильтрования с постоянной скоростью.

В пятой главе "Автоматизация управления блоком скорых фильтров с использованном информации об их гидравлических про-водимостях" концепция автоматизации процесса фильтрования с использованием информации о состоянии скорых фильтров распространена на систему однотипных параллельно работающих агрегатов (в данном случае скорых фильтров).

С учетом результатов, освещенных во второй главо, такая система фильтров (на станции о «метки природных вод она обычно выделяется в отдельный блок) может рассматриваться как коллекторная система с линейными статическими характеристиками входящих в ное агрегатов.

Оптимизация работы такой системы сводится к распределению нагрузки между скорыми фильтрами.

Показано, что при заданной входной нагрузке блока фильтров оптимальным будет такое распределение нагрузок между фильтрами, при которых достигается минимальные затраты энергии_на^ подачу очищаемой вода в блок скорых фильтров. Выбор такого критерия оптимизации оправдан практикой работы станций очистки природных вод, гдо показатель энергетических затрат является определяющим.

В коллекторных системах решению задачи оптимизации пред-

шествует определенно ститгческих характеристик когдого агрегата. Что касается скорых фильтров, к это язллз'.'.ся :.х специфическим свойством, то их статические характеристики ¡¡о гцюрывно изменяются в ходе процесса фильтрования. Другим спецкфическш фактором является то4 что в текущий момент врсгдаш спорые фильтры блока, как правило, находятся на различных стадиях 'фшгьтрощпсла.' Такио специфические свойства ¡сгрзглтов в общем с.учае услокнлот решешш задачи оптимального распределения ютрузки [/тагду шхш, т.к. требуется информация о статической характеристике качедбго агрегата в любой момент времени. Нршлогагтельио к блокам скорых фильтров задачу оптимального распределения нагрузки цглссообраз-но ставить и решить, т.к. разрайотшшая гагфокогдуктскстршеская система автоматического контроля позволяет получать непрерывно измерительную информацию об измешсзцекся соотавятацой ксоффицизи-та передачи скорых фильтров - гидравлической проводимости фильтрующего слоя, а это делает возмогли;.! непрерывное определение статической характеристики каждого скорого фильтра блока.

Задача оптимачъного 'управления блоком скорых фильтров поставлена и решопа для режимов работы фильтров с постоянной и педшощей скоростью фильтрования.

Для режима фильтрования с постоянной скоростью задача минимизации затрат энергии на подъем воды сформплкзоши". э виде

£ =

^9

С,-С, = - ~0„ -о ;

(1Г0

где , Н; и /Г,,,- - соответственно массовый расход, уровень воды и гидравлическая проводимость с -ого фильтра; Н± и Н\ - минимальное и максимальное значения уровня в'\дн в I -м фильтре; 9К - зятратн энергии па подъем нпдк в блек фильтров за покотерчй отрезок времени А ¿к ; л - -пглп ти-

льтров в блоко; - плотность воды; - ускорение силы тяжести.

Поставленная задача роиается следующим образом. После получения измерительной информации о значениях гидравлических проводимостей скорых фильтров от систем автоматического контроля и ранжирования фильтров по значениям при постоянной значении /Р<? и ^ = О для каждого фильтра вычисляется значения И, для фильтров блока. После сравнения значения//,-

ПО» '

с минимально допустимым значением Н1 . для каядого фильтра все -фильтры разделяются на две группы. В .первую группу включают фильтры с 1-го по У -ый, у которых Н =/£ > н 8 во вторую группу - фильтры с / +1 по ^ -ый, у которых

Нс = Н""" . Неравенство > Н"'" означает, что

для фильтров с 1-го по у -ый уже не представляется возможным осуществлять автоматическое регулирование уровня води, т.к. на пинии фильтрата регулирующий орган полностью открыт. Поэтому в фильтрах с 1-го по J -ый за счет свойства самовыравнивания в статическом режиме будут устанавливаться значения уровней, описываемые выракением

На фильтрах с +1 по п -ый заданный расход на стоке можно обеспечить при значениях уровня Н; меньшим Н1 , однако это недопустимо из-за конструктивных ограничений, что определяет необходимость автоматического регулирования уров-

П II """

нп в этих фильтрах на значение Н^ = Hi .

Затраты энергии при таком управлении процсссо.ч фильтро-тзанйя определяются из выражения

(Сд ^'-л^ + НГ&Ь). (")

___Докпзано, что такоо управление обеспечивает минимальные затраты энергии на подачу воды в фильтры. : —

Для режима фильтрования с падающой скоростью задача минимизации затрат энергии но подъем воды оформализована в виде

нГ^ н< * НГС- к<р, « л««. .. < «г»

/ ' и + и"""

4 - £ {се9 А -----

О

Но• аналогии с предыдущим режимом работы для режима фильтрования с падающей скоростью при решении задачи минимизации затрат энергии на подачу воды в фильтры такие фильтры блока разделены на два группы.

Для первой группы, т.о. для фильтров с 1-го по / -нй ( Н1 = > /■//""' ), на основе метода мнокитэдай Лл-ранжа показано, что минимальные затраты энергия на подачу води в оту группу фильтров имеют место в том случае, если воо эти фильтры будут работать при одинаковом значении напора, т.о.

н, = нг = . .. = Н( = . .. . - //. -Н, . (19)

Значение этого напора определяется следующим выражением

Н. = , >. (20)

^(тЬТ+Ы

где "<Я ~С„ ; 0\, - оощил массовый рпсход 'а входе блока фильтров; С' - масоовш; расход на вход-; втором группы фильтров.

Затраты энергии для второй группы Хшдоро» соот.'шяяют

Эк=£1((?£2 н° 2 Ы.к ) . (21)

Для фильтров второй группы о / |1 по п -и!: ( Н1 - И< Н\ ) о учетом недопустимости гас расисты с поБшешшг.га расходами ( ) ьзпшмалтлшо затраты

энергии на подачу воды в фильтры достигаются .при рабе;о фильтров с максимально допустимым расходом, т.1С. при -зтеп т,вдерни-ваомий уровень воды для этой группы фильтроп рш-ен Н1

- X« -

В сзя?11 с этим затраты энергии на подачу воды во вторую группу фн.чьтров определяется так

Э«-ЦрГпднГяАи}. (22)

Обцие затраты энергии при опигмальном управлении блоком фильтров в реяпг.19 фильтрования с падающей скоростью определяются по Формуле

f ; . MUM

Доказано, что такое управление обеспечивает минимальные затраты энергии на подачу воды в фильтры.

В работе приводятся результаты решения задач оптимизации для режшов фильтрования с постоянной и пздэющей скоростью.

Последний параграф .пятой главы посвящен описанию автоматизированной системы управления процессом фильтрования станции очке.ткг природных вод. Найденные схемные решения учитывает структуры типовых станций очистки природных вод.

Ра?работанная система является иерархической и шеет два уровня. На первом уровне управления, который обеспечивается первыми измерительными преобразователями, локальными автоматическими системами регулироватщ и исполнительными механизма!.«!, решаются следующие задачи: автоматический контроль технологических параметров процесса фильтрования, автоматическая стабилизация значений технологических параметров процесса фильтрования. На втором уровне управления, который обеспечивается управляющим вычислительным комплексом, первым уровнем управления и автоматическими запорными устройствами, решаются следующие задачи: расчет гвдравлической проводимости отдельных фильтров и блока фильтров, прогнозирование состояния отдельных фильтров и блока фильтров, управление процессом фильтрования по Лишдичлыюй гидравлической проводимости, управление процессом промывки, оптимизация работы блока скоркх " филь тров. -

Техт?ческая база системы управления: нормальные сужающие устройства, перепадоморы типа "Сапфир", регулнрующио микро-» процессорные контролеры типа "Ремиконт-136" и персональный компьютер типа 1Ш PC/AT.

■ - 19 -ОСЮВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе анализа технологического процесса фильтрот-ш современных станций очистки природных вод и применяемых

в настоящей время систем автоматизации скорых фильтров поставлена задача создания способов автоматизации процессов фильтро-'.шш, базирующихся на использовании оперативной измерительной информации о состоянии фильтров.

2. Составлены математические модели статической и динамической характеристик скорого фильтра, учитывающие основные конструктивные параметры последнего, характеристики фильтрующего слоя и резистивные свойства отводящего канала.

3. Теоретически и экспериментально обоснована целесообразность использова1шя в качестве характеристик состояния скорого фильтра гидравлической проводимости его фильтрующего слоя.

4. Разработаны системы автоматического контроля гидравлической проводимости скорого фильтра и алгоритмы их функционирования, обеспечивающие непрерывное получение измерительной информации с точностью, достаточной для ее использования в промышленных системах автоматического регулирования и управления.

5. Разработаны модель динамики гидравлической проводимости скорого фильтра, процедура прогнозирования состояния этого фильтра и блока аналогичных фильтров при работе в режиме фильтрования.

6. Доказана возможность эффективного управления работой скорого фильтра по минимально допустимому значению его гидравлической проводимости.

7. Поставлена и решена задача оптимального управления блоком скорых фильтров с использованием непрерывной измерительной информации о состоянии псследних для режимов фильтрования с постоянной и падающей скоростью.

8. Разработана функциональная структурная схема автоматизированной системы управления процессом фильтрования как одна г? ссновннх систем АСУТП станции очистки природных вод.

9. Результаты работы использованы для автоматизации процесса фильтрования на Северной станции московского водопровода.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.0 концепциях управления работой скорых фильтров станций очистки природных вод/ Каввас X., Эль-Холиби М., Илясов Л.В.; Тверской политехи.ин-т.- Тверь, 1992.- 9с.- Доп. в ВИНИТИ 15.05.92, № 1602-В92// КС Химия, 1992, № 16 И 348.

2. Модели статического я динамического режимов работы скорых фильтров станций очистки природных вод/ Каввас X., Илясов Л.В.; Тверской политехи .ин-т.- Тверь, 1992,- 8с,- Деп. в ВИНИТИ 15.05.92, № 1604-В92// Ж. Химия, 1992, № 16 И 350.

3. Автоматический контроль состояния скорых фильтров станций очистки природных вод/ Каввас X., Эль-Холиби М,, Илясов Л.В.; Тверской политехи.ин-т.- Тверь, 1992,- 9с.- Деп. в ВИНИТИ 15,05.92, № 1603-В92// ЕЕ. Химия, 1992, № 16 И 349.

4. Оптимальное управление работой блока скорых фильтров станций очистки природных вод/ Каввас X.; Тверской политехи, ин—т.— Тверь, 1992.- 8с.- Деп. в ВИНИТИ 29.05.92, № 1799-В92// ■Ш. Химия, 1992, № 17 И 235.'