автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Обеспечение безопасности жизнедеятельности населения в странах Большого Магриба с помощью автоматизированной системы коагуляционной обработки воды

11а правах рукописи

о-;

«О

со

Уаслати Хишем

Обеспечение безопасности жизнедеятельности населения в странах Большого Магриба с помощью автоматизированной системы коагуляционной обработки воды

Специально, и:

05.26.01 - Охрана труда 05.14.14 - тепловые электрические станции (тепловая масть).

Автореферат /

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1997

Работа выполнена в Московском энергетическом инстт, (техническом университете) на кафедре инженерной экологии и охра! труда-

Научный руководитель — кандидат технических наук,

чл.-корр. МАНЭБ, доцент, Макаров А.1

Научный консультант — кандидат технических наук,

доцент, Назаров Б.Г.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

проф. Стрижко Л.С. — кандидат технических наук, доц, Кузнецов Ю.П.

Ведущее предприятие — АО "МОСКАБЕЛЬМЕТ"

Защита диссертации состоится " /У- /¿¿-¿//¿¿¿1997 г. в Ж. &0 ми в аудитории М-611 на заседании диссертационного Совета К 053.16.04 по присуждению ученой степени кандидата технических на) Московского энергетического института (технического университ та).

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим н; правлятъ по адресу: 111250, Москва Е-250, ул. Красноказа! менная, д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан О 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета К-053.16.04

кандидат технических наук,

доцент ¡ЬЛгъ'^ Морозов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Безопасность и комфортность жизнедеятельности человека в современном мире во многом зависит от условий взаимодействий в системе человек - окружающая среда - человек. Во всем мире вопросы экологии стали приоритетными, т.к. они предопределяют дальнейший пучь развития общества, здоровье будущих поколений, безопасный труд и комфортность среды обитания человека.

Вода как основа гидросферы является важнейшей составляющей живого вещества, без которой невозможна жизнь на нашей планете. Вода наполняет растения и животных. Она является одним из факторов формирования физической и химической среды, климата на земле, является непосредственным участником фотосинтеза, обязательным компонентом практически всех технологических процессов сельскохозяйственного и промышленного производства.

Для предупреждения опасности прямого или косвенного отрицательного влияния воды на здоровье и санитарные условия жизни населения большое значение имеет соответствие качества воды гигиеническим нормативам предельно допустимого содержания в воде различных веществ. Потребление воды населением должно быть безопасным в эпидемиологическом отношении; вода не должна содержать болезнетворных бактерий и вирусов. Её эпидемиологическая безопасность обеспечивается очисткой и обеззараживанием сточных и водопроводной вод, мерами санитарной охраны водоёмов.

В настоящее время в мире большое количество воды не соответствует нормам потребления и спросов. В 1995 г. в целом по Российской Федерации 22% проб воды коммунальных и 23% ведомственных водопроводов не соответствовали нормативам по санитарио-химическим показателям, а 8,7% и 13.6% проб - по микробиологическим показателям. Состояние водных объектов в местах водопользования населения в 29,8% по санитарно-химическим и 26,6% по микробиологическим показателям не отвечало установленным санитарно - эпидемиологическим нормам. В 3,4% проб воды выявлены возбудители инфекционных заболеваний.

Постоянное использование питьевой воды с высоким уровнем загрязнения химическими веществами природного и антропогенного характера является одной из причин развития соматических заболеваний у населения. Одной из причин ухудшения качества воды являются антропогенные загрязнения.

Обострению проблемы водоснабжения населения способствует и переживаемый в странах Большого Магриба здесь энергетический кризис и, связанное с этим, удорожание энергии. Несмотря на этот ограничительный фактор, потребление воды продолжает возрастать при намечающемся ее дефиците в связи с развитием индустриальной и туристической промышленности при намечающемся ее дефиците.

В последнее время для промышленных предприятий и теплоэнергетических объектов стало необходимо повторное использование воды. Сброс же сточных вод разрешен только после предварительной очистки до соответствующей нормы воды.

Большая тревога вызывает судьба Средниземного моря площадью 250 тыс. км2, куда ежегодно выбрасывается 0,5 млн тонн нефти, 920 тонн меди и 2400 тонн серной кислоты. При современных темпах загрязнения Средноземноморье станет мертвым морем спустя всего лишь 30 - 40 лет.

Автоматизация контроля и управление водоподготовки системы отделяют человека от прямых контактов с химикатами, увеличивают эффективность очистки и уменьшают расходы. Решению задач автоматизации контроля и управления способствует и достаточно развитые микропроцессорные и компьютерные технологии, идущие на смену ручным аналитическим методам. Тем самым снижается степень риска заболевании человека.

Задача водоподготовки является многомерной, из-за чего возникают трудности ее анали м. В диссертационной работе акцент сделан на анализе доминирующих техноло-I ий, определяющих качество и стоимость всего процесса в целом. Одной из них является тмгкисльмая стадия коагуляциошюй обработки. От эффективности ее проведения зависит эффективность водоподготовки в целом. В диссертации проведен анализ физико-химических ннлепий п процессе кошулиции. и» осмопапин которого ршрабощпл система автоматического регулирования этого процесса, позволяющая ограничивать перерасход коагулянта и одновременно экономить потребляемую на водоподготовку электроэнергию, что для стран Большого Магриба является важным аспектом.

Цель И задачи работы. Из анализа современного состояния окружающей Среды, и перспектив использования водных ресурсов для обеспечения безопасности и комфортности жизнедеятельности населения Туниса, целью диссертационной работы является разработка и исследование системы автоматического регулирования коагуля-ционной обработки воды. Это позволит создать необходимые и безопасные условия

жизнедеятельности населения путем автомаппации ряда процессов нодоподготовки и контроля ее качества, таких как:

- автоматизация процесса дозирования коагулянта;

- оптиматизация процесса перемешивания;

- определение покя'шелси качества йоды, преде глпляшщих наиболее полную информацию о качестве процесса;

- анализ современных систем водоподгошнки, исследование этапов очистки, контроля и регулирования;

- анализ физико-химических основ коагуляционного процесса, учитывающие побочные мешающие факторы в процессе очистки воды;

- разработка датчика контроля решим иной обработки и математическое описание процесса контроля;

- разраГкикн схемы кощроля и системы рс1улирошшня кошуляцноннон овриСники процесса водоподготовки;

- разработка математической модели и анали I динамических нроцессон в снс1смах регулирования;

-разработка методики анализа и исследование системы по критериям минимума энергозатрат и расхода коагулянта;

- экспериментальная проверка математических моделей разработанных узлов, системы и методик.

Методы исследования, использованные в диссертационной работе. При выполнении работы использовались математические методы теории колебаний, метод графов для нахождения коэффициентов передачи, методы математического программирования и законы теории автоматического регулирования. Нелинейные системы высокого порядка анализировались методом численного интегрирования методом Рунге-Кута.

Научная НОВИШа. Впервые рассмотрены проблемы водоснабжения, современное, состояние и перспективы использования водных ресурсов в странах Магриба на примере Туниса с целью обеспечения безопасности жизнедеятельности населения. Из анализа данных о водном балансе этой страны сделан вывод о тенденциях роста дефицита потребляемой населением и промышленностью воды, рост ее стоимости при уже высоких ценах. Решением этих проблем является увеличение ресурсов чистой воды для

различных потребностей страны при ее удешевлении путем использования прогрессивных методов очистки.

Проведен анализ современных систем водоподготовки, структур с наиболее значимыми стадиями водоподготовки, направленный на решение проблемы водоснабжения стран Магриба. На основе исследований предложен автоматизированный измерительный комплекс контроля качества воды, который может быть использован на любой стадии очистки и позволяет автоматически управлять системой очистки. Произведенный в диссертации анализ аппаратов процесса коагуляционной обработки водоподготовки позволил выбрать оптимальные варианты систем водоподготовки для различных районов в странах Большого Магриба

На основе анализа физико-химических основ коагуляционкого пронесся, при учете мешающих факторов в процессе очистки воды, предложено вести контроль коагуляционной обработки не по конечному результату в конце цикла системы водоподготовки, а после стадии смешения, находящейся в начале структуры системы, что дает лучший >ффск1 на последующих сиднях очистки. Для >ффсктниного и оОьскгиьного кошроля процесса коагуляции при водоподготовке теоретически обоснован и разработан оптико-импульсный датчик контроля этого физико-химического процесса. Предложено вести регулирование оптимальной дозы коагулянта по коагуляционной кривой на участке эффективного процесса, что обеспечивает стабильность процесса и минимум затрат на его осуществление.

Получена математическая модель системы автоматизированного процесса коагуляционной обработки и проведен математический анализ динамики малоинерционных и инерционных моделей таких систем. С помощью методов теории колебаний проанализированы динамические характеристики системы и показаны алгоритмы регулирования оптимальной дозы на различных участках коагуляционной кривой.

Проведен математический анализ критерия минимума энергозатрат и расхода коагулянта. Полученные расчетные зависимости дают возможность определить оптимальные значения концентрации коагулянта и оптимальные скорости в зависимости от соотношения стоимости электроэнергии и коагулянта.

Па модельной установке по разработанной методике проверена адекватность получения коагуляционной кривой для воды Рублевской и Восточной водопроводных станций г.Москвы и реки Яузы. Полученные на автоматической системе оптимальные

дозы ксшулянта практически совпадали с дозами. определяемыми общепринятыми методами.

На основании проведенной работы разработана схема контроля и регулирования коагуляционной обработки процесса водоподготовки с регулированием оптимальной дозы коагулянта с оптимальными условиями перемешивания.

Практическая значимость результатов работы. Произведен анализ существующих систем водоснабжения для стран Большого Магриба, из которого делаются практические выводы о зависимости эффективности работы систем водоподготовки от качества работы предварительной стадии очистки, в основе которой лежит коагу-ляционная обработка воды.

Для практической реализации эффективного контроля и управления процессом коагуляции разработан датчик процесса хлопьеобразования, характеризующий физико-химические процессы. При наличии датчиков процесса коагуляции с использованием современных подходов к созданию комплексной системы контроля и регулирования предложена система автоматизированного контроля и управления коагуляционной обработки.

Полученная математическая модель системы коагуляционной обработки воды позволяет строить надежно работающие системы водоподготовки по критериям необходимого качества получаемой воды.

Для стран Большого Магриба, экономика которых зависит от стоимости энергоресурсов и материала коагулянта, получены инженерные рекомендации по поддержанию оптимального режима работы системы при минимизации затрат.

Созданная экспериментальная установка подтвердила теоретические результаты и является основой для создания учебной лабораторной работы по исследованию динамики процесса коагуляции.

Реализация результатов работы. Разработанные методики расчета автоматизированных систем, регулирования и контроля процессов водоподготовки в основном будут использованы в практической работе в Тунисе. В настоящее время есть практический интерес по внедрению контроля качества коагуляционного процесса у некоторых фирм, занимающихся проблемами водоподготовки. Основное практическое

внедрение в данный момент можно видеть на результатах работ, осуществляемых в учебном процессе как лабораторные работы по курсу "Охрана окружающей Среды".

Публикации и апробация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 3 печатанных работ [ 1 - 3 ]: О одна статья;

О тезисы одной международной конференции; О одна публикация доклада на студенческой конференции в МЭИ.

Структура И объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложении и списка литературы из 123 наименовании; содержит 118 стр, 61 рис, 8 табл. Всего в диссертационной работе 155 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дан анализ проблем водоснабжения стран Большого Магриба и обоснование актуальности темы исследования.

Глава 1. Современное состояние проблемы водоподготовки В первой главе рассмотрено основное состояние проблемы водоподготовки, свя-

Добавления занное с основными показате-

и»градиентов лями качества природных вод.

Проведен анализ показателей качества воды, которые имеют значительное влияние на здоровье человека

W/P)

Природные воды и ии параметры Ni KI(P)

Потребляемая вода с параметром Ci

1'нс. I. Б:юк схема первичной обработки воды в частности, и на окружаю-

щую среду в целом. Показана важность исследования каждого компонента воды. Для доведения качества воды до допустимой нормы она должна подвергаться очистке от этих примесей до норм, установленных для данных категорий потребляемой воды. В общем виде блок схема системы очистки воды приведена на рис. I. Система водоподготовки должна решать следующую задачу:

С, = К,(р).К, + У^р) I, < Сдоп.

где К{(р), \У,(р) - коэффициент передачи системы водоподготовки для ¡-ого компонента загрязнителя воды с концентрацией N. и ¡-го ингридиента.с концентрацией !,; используемого в процессе очистки воды, С| - концентрация веществ в очищенной воде, р = оператор дифференцирования.

Показано, что качество воды в мире в последние годы не позволяет не думать о эффективных и экономичных методах очистки и системах управления водоподготов-кой, так как почти 20% воды как природных, так и сточных вод превышают нормы ПДК, и это стало причиной многих заболеваний в мире.

Выявляются две задачи для здорового образа жизни человека в аспекте связи вода - человек:

а) использовать для хозяйственно-питьевых нужд "чистую" воду;

б) производить сброс воды с предпрятий в окружающую среду с концентрациями загрязняющих веществ меньше допустимых уровней.

Показано, что необходимо проводить очистку воды с наименьшими затратами. Это требует применения современных технологий очистки воды и объективного контроля самого процесса очистки. Диссертационная работа нацелена на технические и аппаратные решения поставленных задач, что в конечном итоге проявляется в охране здо-роня населения.

Проведен анализ современных технологических схем водопод!отовки и сосгояиия контроля и регулирования основных параметров показаний качества очищаемой воды, из которого следует :

1. Несмотря на множество систем водоподготовки с самой разнообразной аппаратурной реализацией, неотъемлемым элементом любой системы является предварительная обработка, эффективность которой определяет в конечном итоге эффективность работы всей системы в целом.

2. В настоящее время отсутствует эффективная система контроля и управления коагу-ляцмонной обработки, лежащей в основе предварительной очисжи

3. При наличии датчиков процесса коагуляции с использованием современного подхода к созданию комплексной системы контроля и регулирования, может быть осуществлена система автоматизированного контроля и управления коагуляционной обработки.

Глава 2. Основные понятия процесса коагуляции

Во второй главе проведен анализ физико-химических основ коагуляционного процесса, учитывающий мешающие факторы в процессе очистки воды.

Для управления процессом реагентной обработки и его исследования по экономическим критериям в диссертации рассмотрены все аппараты и выбраны самые подходящие в зависимости от региона Большого Магриба и по критериям охраны безопасности человека и экономии энергии.

Анализ современного состояния проблемы водоподготовки по вопросам как технологических процессов, так и по вопросам контроля и регулирования позволяет сделать следующие выводы:

- Несмотря на многочисленность технологических решений по отдельным блокам комплексной водоподготовки, обязательным является блок коагуляционной обработки.

- Блок коагуляционной подготовки состоит из трех стадий - смешение, хлопьеобразова-ние и удаление продуктов взаимодействия из жидкой фазы; контроль процесса коагуляционной обработки на последней стадии блока реагентной обработки, учитывая большое время запаздывания (более 60 мин.), следует считать неоперативным и неодекватно отражающим процесс самой коагуляции.

- В настоящее время отсутствует эффективная система оперативного контроля и регулирования коагуляционной обработки из-за отсутствия датчиков процесса коагуляции, адекватно и оперативно отражающих динамику процессов коагуляции-флокуации.

- Несмотря на важность влияния гидродинамических режимов на эффективность процесса коагуляции и флокуляции, в настоящее время не существует надежных методов регулирования процессов смешения, которые совместно с гидродинамическими условиями учитывали бы оптимальную дозу коагулянта.

Для создания эффективных методов контроля и регулирования коагуляционой обработки, учитывая выводы из анализа современного состояния проблемы для исследования предлагается следующее:

- Контроль процесса коагуляции вести на стадии смешения, что позволяет значительно сократить »ремя заматдмвания (до 5 минут) и оперативно вмешиваться в процесс, создавая в смесителе оптимальную дозу коагулянта.

- Необходимо создать датчик контроля коа1-уляции, который бы ф;юкупировал мельчайшие коллоидные частицы, образующиеся в смсситсле, до размеров, позволяющих их регистрировать оптическим методом.

- Контроль и поддержание оптимальной дозы коа|-улянта производить в диапазоне до! перехода от медленной стадии коагуляции к быстрой вблизи -экстремума функции этого процесса.

- Предлагаемая комплексная система дозирования раствора коагулята в смесителе должна поддерживать в объеме смесители ошммальпую до (у и ошнмальпмй гидродинамический режим.

Глава 3. Разработка и исследование автоматизированной системы коагуляцнонной обработки воды

В третьей главе обоснован принцип работы датчика коагуляционного процесса на основе оптико-импульсного метода для фиксации флокулирующей частицы.

Впервые предложен датчик, позволяющий регистрировать число частиц хло-бьеобразавания, основанный на фотометрическом способе излучения, структурная схема которого представлена на рис. 2. Датчик состоит из светоизлучающего диода 01 и фотоприемника в виде фотодиода 02.

Первый каскад электронной схемы состоит из операционного усилителя 1)Л I

ас 1 «. комп

^ ИНТ

Л-

Рис.. 2 Структурная схема датчика процесса коа.уинции <ю<)ы охваченного отрицательной обратной связью с помощью генератора 0А2. Коэффици-

ент передачи по напряжению каскада равен:

К. ^

рТ Р'Г

+ 1

Логарифмическая амплитудная характеристика коэффициента передачи приведена на рнс.З. Медленные процессы ( изменения мутности воды ), спектр которых лежит ниже частоты о),р, подавляются. Значение постоянной времени интегратора Т выбирается таким, чтобы устранить влияние изменения мутности на результаты измерения качества процесса коагуляции. Быстрые процессы, к которым относятся появление импульсов от скоагулированных частиц, усиливаются.

|дк..

Рис. 3. Логарифмическая амплитудная характеристика коэффициента нереОачи

С1 сг

Рис. 4. Характеристика датчика коагуляции. - - - - реальная 1 аппроксимированная

Импульсы поступают на один из входов компаратора. Амплитуда импульса зависит о г степени перекрытия потока частицей, то есть от размера частицы. На второй вход компаратора поступает регулируемое опорное напряжение, которое определяет минимальный размер частицы, на который реагирует датчик. С выхода компаратора импульсы поступают на счетчик, В качестве которого выступает микропроцессор. Информацией является количество импульсов (частиц) 6 минуту.

Реальная и аппроксимированная характеристики датчика приведены на рис. 4. Для получения аналитических зависимостей характеристика аппроксимирована полигонами и гиперболой:

ГО, при С £ С1 ; п(С)Ч к I *(С - СI), при С1 < С £ С2 ;

I к2/С, при С > С2

Здесь: к1=п2/(С2-С1), к2=п2*С2.

Система производит регулировку таким образом, чтобы показания датчика поддерживались на уровне п = п° < п2. (рис. 5). Значение п° выбрано из условий оптимальной работы системы коагуляционной обработки воды и соответствует стационарному значению коагулянта в воде с концентрацией С°. Структурная схема системы регулирования приведена на рис. 6.

Получена математическая модель автоматизированной системы коагуляционной обработки воды в виде нелинейного дифференциального уравнения.

а р2о С + а роС + п(С) = п° (1)

где р0 = с! / <1т, здесь нормированное время 1 = 1/Т. Объектом регулирования является концентрация коагулянта в воде С = Мь/М„ где: Мк и М„ - массы коагулянта и воды, кг, а = М». / Б Т - безразмерный показатель системы.

Рис. 5. Стационарные точки системы регулирования

fue. 6. Структурная схема автоматической системы регулирования реагентной обработки. во()ы.

Рассмотрена динамика системы коагуляционной обработки воды, что предполаг а-ет исследование регулируемых параметров во времени при заданных начальных условиях, нахождение стационарных точек и условия их устойчивости.

Уравнение ( 1 ) представляет собой зависимость скорости изменения концентрации рС от величины концентрации С и эффективно анализируется на фазовой плоскости ( рС,С ). По этой причине на фазовой плоскости рис. 7 стрелками обозначены направления движения изображающей точки по фазовой плоскости для малоинерционной системы.

Показано, что имеются две стационарных точки установившейся концентрации, когда скорость ее изменения равна нулю: С°1 и С°г. Стационарная точка С°| является устойчивой, так как изображающая точка движется к ней и наоборот, точка С°2 - неустойчива, т.к. любые малые отклонения выводят систему из С1'}.

"w .

Mw

а)

- 1 \

CÍV С? с

'S с; V*.....................

f 1 Ц ^

Рис. 7. Фазовые портреты малоииерциотюи системы: а) Л>0, б) Л'<0.

На рис. 7(6) показаны случаи, когда начальные условия определяется точками 1 и I, не лежащих на интегральной кривой . Решению уравнения удовлетворяют только точки интегральной кривой, поэтому изображающая точка скачком по вертикальной траек- -тории переходит из состояния I или j на интегральную кривую с последующим движением по ней со скоростью, определяемой координатой М„рс/5.

В зависимости от знака крутизны регулирования Б характер устойчивости стационарных точек изменяется. На рис. 7.(6) представлен фазовый портрет системы при отрицательном знаке 8. Здесь точка С°| - неустойчивая, а точка С°2 - устойчивая. Выбор устойчивости точки системы регулирования представляет практический интерес. Так, точке С°2 соответствует наиболее эффективный процесс коагуляции с некоторым перерегулированием. Стационарной точке С°( соответствует недорегулированность процесса.

На фазовых портретах рис. 7 области начальных условий, при которых система приходит в устойчивую стационарную точку, затемнены. Эти области начальных условий названы "областями захвата системы". Малоинерционная система с устойчивой стационарной точкой С°| более технологична, так как при ее включении начальная концентрация либо равна 0, либо меньше С°2 и система придет в устойчивое состояние.

В траекториях фазовой плоскости время в явном виде не присутствует. На практике время отработки системы или время переходного процесса является важнейшей характеристикой системы. В случае рассматриваемой малоинерционной системы переходное время »„ер из состояния с концентрацией О в состояние с концентрацией С} будет равно:

С/

»„«Р = !5/М,, |¿С, /( п° - п(С)) (2)

су

Исследование устойчивости системы в стационарных точках проведено линеаризацией нелинейного дифференциального уравнеия относительно небольших вариаций концентрации коагулянта ДС = С - Сп в окрестности стационарных точек. Для этого нелинейная зависимость п(С) разложена в ряд Тейлора. Получено уравнение линеаризованной системы для малоинерционной системы:

(Тср+1)ДС = 0 (3)

Дифференциальное уранение системы ( 3 ) представляет собой уравнение инерционного звена с постоянной времени Тс = 8„).

Дано определение понятию мало инерционной системы, которое определяется выполнением условия ТС»Т.

Рассмотрена динамика инерционной системы коагулянтной обработки воды, (Т>ТС). Показано, что такая система имеет те же стационарные точки, с видом устойчивости, зависящим от крутизны Б, что и малоинерционная система. Определен характер их устойчивости. Получено дифференциальное уравнение линеризованной инерционной;

[а р0г + а р0+ Я„(п0)] ДС = 0 ( 4 )

Показано, что неустойчивая стационарная точка на фазовой плоскости (С,рС) имеет топологию седла. Устойчивая точка имеет топологию устойчивого фокуса при 5п(п°) > 0,25 а, либо устойчивого узла при 5„(п°) < 0,25 а. Принимая во внимание, что а = М^БТ и Тс = М„ДБ БДп0)) получена граница между устойчивостью типа узла и устойчивостью типа фокус: Т = 0,25ТС

•1т>о.гггс в|т>0.г5тс

а), 6) - устойчивый фокус; в), г) - устойчивая точка типа учел. На рис. 8 представлены фазовые портреты нелинейной инерционной системы в

целом, полученные припасовыванием фазовых портретов линеаризованных участков.

Здесь затемненные области определяют "области захвата" При Т < 0,25 Тс характер

захвата в инерционной системе не сильно отличается от, рассмотренной выше. При Т >

0,25 Тс эти отличия более значительны. Особенно это заметно дня устойчивой точки С°| на рис. 8.(а). Здесь область захвата определяется "мешком", образованным смыканием сепаратрисы седла и одной из траекторий устойчивого фокуса. Фазовые портреты рис. 8. достаточно информативны для анализа динамики системы и ее проектирования.

Как правило, основную инерционность вносят кинетические процессы образования флокул в смесителе и процесс хлопьеобразования во флокуляторе. Системы более высокого порядка анализировались методом численного интегрирования Рунге-Кута с помощью ЭВМ. Кроме того, моделирование системы на ЭВМ позволило количественно просмотреть характеристики системы при реальных диапазонах изменений различных параметров. Основное внимание уделено качественному анализу динамики системы регулирования, произведенного аналитическим методом, что дает более широкую информацию о поведения системы регулирования коагуляционной обработки воды.

Изучены мещающие факторы, так как процесс коагуляции зависит от многих параметров (концентрация коагулянта, скорость перемешивания, щелочность воды, температура и.т.д), где доминирующими являются концентрация коагулянта и скорость перемешивания. Рассмотрена оптимизация технологического процесса водоподготовки по экономическим критериям, в основу которой положены энергозатраты при перемешивании и стоимость коагулянта. На рис. 9 показана

Рис. 9 рис. 10 Рис. 11

зависимость качества очистки воды от скорости перемешивания. На рис. 10 показана эффективность процесса коагуляции в зависимости от концентрации коагулянта и скорости перемешивания. На рис. 11. приведена зависимость затрат на электроэнергию для перемешивания и затрат на стоимость коагулянта.

Получены зависимости между оптимальным значением скорости вращения двигателя мешалки и оптимальной концентрацией коагулянта. Эти результаты могут быть

использованы при проектировании сискм нолоподготонкн и различных регионах (дешевая электроэнергия, дорогой коагулянт или наоборот).

Оптимальное значение скорости вращения двигателя мешалки равно:

(5)

■опт = у

е1В е2 .3 .к.

При этом оптимальная концентрация коагулянта имеет величину:

;т (<>)

где к,В - постоянний коэффициенты, е| - стоимости коагулянта, ег - стоимость энергии кВ.ч.

Глава 4. Экспериментальные результаты

Рис. 12. Структурная схема экспериментальной установки.

С помощью опытной установки на рис. 12 проведен ряд экспериментов, с различными источниками.

Флокулятор датчика представляет из себя трубку, длина и диаметр которой выбираются экспериментально для каждого типа анализируемой воды. В контролируемой системе очистки воды он подключается параллельно основному и должен иметь те же характеристики по хлопьеобразованию, что и основной. Время выработки сигнала вместе с временем образования флокул не больше 2 минут, что несоизмеримо меньше, чем у существующих в настоящее время систем контроля.

Опытным путем получены коагуляционные кривые для воды из различных источников. Характер коагуляционных кривых аналогичен теоретическим коагуляционным кривым. Оптимальная доза коагулянта для воды Рублевской водопроводной станции и восточной водопроводной станции, определенная сотрудниками этих станций, практи-

чески совпала с экспериментальными данными. Из анализа коагуляционных кривых следует,что для регулирования этого процесса в реальных условиях необходимо отслеживать то количество вводимого коагулянта, которое соответствует количеству импульсов на участке коагуляционной кривой, которая характеризует порог коагуляции.

На основании аналитических и экспериментальных исследований предложена система контроля и регулирования процесса коагуляционной обработки воды в технологии водоподготовки и очистки сточных вод, схема которой представлена на рис. 13.

3£

ХаНСО,

1'ис. 13. Схема автоматического контроля и управления процесса коагуляции

Заключение. По результатом исследований, произведенных в рамках поставленной задачи диссертационной работы:

1. Рассмотрено современное состояние и перспективы использования водных ресурсов в Тунисе. Из анализа данных о водном балансе этой страны сделан вывод о тенденциях роста дефицита потребляемой населением и промышленностью воды, о росте риска возникновения заболеваний, о росте ее стоимости при уже высоких ценах. В связи с появлением этих проблем актуальным является решение задач увеличения ресурсов чистой воды для различных потребностей страны при тенденции ее удешевления

использованием прогрессивных методов очистки. Целью является обеспечение безопасности жизнедеятельности населения как на бытовом, гак и на производственном уровне.

2. Проведен анализ современных систем водоподготовки, структур с наиболее значимыми стадиями водоподготовки и их взаимосвязь для получения очищенной воды. Показано, что эффективность систем водоподготовки и очистки может быть повышена за счет использования систем контроля, поставляющих объективную информацию и в нужном темпе. Предложен ряд математических моделей и методик, позволяющих проводить оперативный анализ динамики процессов в водоподготовке, контроля и управления этими процессами.

3. На основе анализа существующих систем водоподготовки и водоочистки показано что, несмотря на широкое разнообразие методов контроля и регулирования, в настоящее время отсутствуют качественные системы контроля и рс!улирования на коагу-ляционной стадии, являющейся основной стадией водоподготовки и очистки сточных вод.

4. Предложены методы и методики учета физико-химически процессов коагуля-ционной обработки, учитывающие побочные мешающие факторы в процессе очистки воды.

5. Впервые предложена методика контроля коагуляционной обработки не по конечному результату цикла системы водоподготовки, а после стадии смещения, находящейся на первых папах системы, что позволяет значительно повысить эффективность очистки.

6. На основе сравнительного анализа различных вариантов процесса аппаратной реализации коагуляционной обработки водоподготовки предложены оптимальные варианты аппаратов для определенных районов в странах Большого Магриба.

7. Предложено оригинальное техническое решение схемы датчика эффективного и объективного контроля процесса коагуляции.

8. Теоретически обоснован оптико-импульсный датчик контроля оптимальной дозы состоящий из флокулирующей части в виде трубчатого флокулятора, где происходит агломерирование частиц необходимого размера.

9. Предложена методика определения и поддержания оптимальной дозы коагу-тянта по коагуляционной кривой, на участке эффективного процесса, что обеспечивает ;табильность процесса и минимум затрат на его осуществление.

10. Получена математическая модель и проведен анализ динамики малоинерционных и инерционных систем с помощью данной методики. С помощью методов теории колебаний выработаны алгоритмы регулирования оптимальной дозы на различных участках коагуляционного процесса.

11. Предложена методика и проведен математический анализ критерия минимума энергозатрат и расхода коагулянта. Получены оптимизационные зависимости, позволяющие определить оптимальные значения концентрации коагулянта и оптимальные скорости в зависимости от соотношения стоимости электроэнергии и коагулянта.

12. Экспериментально проверена адекватность получения коагуляционной кривой для различных источников полученные на автоматической системе оптимальные дозы коагулянта соответствуют дозам, определяемым общепринятыми методами.

14. На основании проведенной работы была разработана схема контроля и регулирования коагуляционной обработки процесса водоподготовки, как для таких мощнейших водопользователей, которыми являются теплоэнергетические объекты, так и для локальных систем очистки воды, обеспечивающая регулирование оптимальной дозы коа|улянта при оптимальных условиях перемешивания.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Макаров А.К., Назаров Б.Г., Уаслати X. Система контроля и регулирования коагу-лянтной обработки воды.// - М -"Вестник МЭИ" - 1996г - N 5 -с. 13 -19.

2. Уаслати Хишем. Контроль и регулирование коагуляции в процессах реагентной обработки.// И- ая Международная конференция по электромеханике и электротехнологии - Тезисы докладов - Крым - 1996 г. - с. 137.

3. Уаслати Хишем, А.К.Макаров. Зависимость эффективности процесса коагуляции от скорости перемешивания и параметра рН используемой воды.// - Традиционная московская студенческая научно-техническая конференция. - Тезисы докладов. - М. -1997.-е. 65.

Иеч. л Тираж /ОО Зак¿$¡¿6(5

Типографии .МЭИ, Красноказарменная, 13.