автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии кондиционирования воды в условиях автономных объектов

На правах рукописи

ии^457404

Малыгин Кирилл Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНДИЦИОНИРОВНИЯ ВОДЫ В УСЛОВИЯХ АВТОНОМНЫХ

ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.23.04 - «Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2008

003457484

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре "Водоснабжения".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Феофанов Юрий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Черников Николай Андреевич

кандидат технических наук, Евельсон Евгений Абрамович

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский

институт судового машиностроения

Защита состоится « 2У » декабря 2008 г. в /У часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.06 при Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д.4, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « .» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук '" в. В. Дерюгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие автономных объектов постоянно характеризуется возрастанием длительности плавания практически всех классов и назначений кораблей. Это обстоятельство диктует необходимость улучшения на них условий обитаемости. Обеспечение личного состава пресной водой является одним из определяющих показателей обитаемости.

Пополнение запасов пресной воды осуществляется от опреснительных установок, устанавливаемых на автономных объектах для обеспечения работы энергетических установок. Деминерализованная вода, полученная от опреснительных установок, из-за низкого содержания ионов кальция, магния, натрия и других элементов непригодна для питьевых целей.

Применяемые в настоящее время оборудование и методы приготовления питьевой воды из дистиллята в условиях автономных объектов имеют ряд существенных недостатков. Эти недостатки обусловлены применением устаревшего оборудования и технологической схемы, основанной на возимых-запасах реагентов (хлорсодержащих препаратах и солей минерализации), широким использованием ручного труда и невозможностью автоматизации операций кондиционирования воды, сложностью конструкции и значительными эксплуатационными расходами.

Поэтому разработка оптимальной технологической схемы для кондиционирования воды (в условиях автономных объектов), устраняющей отмеченные недостатки и эффективного малогабаритного автоматизированного моноблока является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в совершенствовании технологических схем кондиционирования опресненной воды автономных объектов, разработке установки (моноблока), обеспечивающей автоматизацию процессов получения питьевой воды из дистиллята в условиях автономных объектов и отвечающей требованиям компактности, надежности, энергоемкости, экологичности и безопасности обслуживания.

Основные задачи научной работы:

провести анализ литературных данных о современном состоянии вопроса процессов кондиционирования обессоленной воды в условиях автономных объектов;

выбрать методы и материалы минерализации, дезодорации и обеззараживания обессоленной воды;

установить факторы, оказывающие влияние на эффективность процессов кондиционирования обессоленной воды;

определить оптимальные условия протекания процесса кондиционирования обессоленной воды;

- разработать методику расчета параметров работы оборудования для кондиционирования обессоленной воды;

- разработать систему автоматического регулирования и контроля;

рассчитать надежность создаваемого оборудования;

- произвести проверку результатов работы в производственных условиях.

Методы исследования: достижение основной цели исследования обеспечивалось теоретико-экспериментальным решением поставленных исследовательских задач. Экспериментальные исследования процесса кондиционирования воды проводились на стендах центрального научно-исследовательского института судового машиностроения, ФГУП ЦКБ "МТ "Рубин", в Центре Государственного санитарно-эпидемиологического надзора (ЦГСН), научно-производственной фирме "Винко", в воинских частях с применением физико-химических и рйда других методов анализа. Теоретические расчеты были выполнены с помощью ЭВМ. Результаты экспериментов, проведенных в лабораториях, обрабатывались с применением теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем.

Разработана технология кондиционирования обессоленной воды путем обогащения дистиллята солями при фильтровании через природные материалы с последующей тонкой очисткой от механических частиц, дезодорацией и обеззараживанием, обеспечивающая непрерывный автоматизированный технологический процесс получения из дистиллята доброкачественной питьевой воды в соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 "Вода питьевая ..." в одном компактном устройстве.

Проведенные экспериментально-теоретические и санитарно-гигиенические исследования позволили определить оптимальные режимы кондиционирования воды в установке.

Установлена полная безвредность применяемых технологических схем обработки обессоленной воды комплексной санитарно-гигиенической оценкой получаембй йитьевой воды и опытами на теплокровных животных.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанная технология кондиционирования воды позволяет проектировать малогабаритные устройства (установки водоподготовки) для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения различной производительности, которые могут быть использованы на любых автономных объектах, например, на судах и морских буровых нефтегазодобывающих платформах.

Аналитические исследования, проведенные на опытной модели установки, позволили составить рекомендации по выбору оптимальных параметров работы этих устройств.

Важное практическое значение имеет разработанная система автоматизированного управления оборудованием кондиционирования воды, допускающая его'автономную эксплуатацию.

Кроме того, использование таких моноблоков позволит в значительной степени упростить инфраструктуру системы хозяйственно-питьевого водоснабжения автономных объектов и повысить ее надежность.

• Эффективность разработок доказана результатами проведенных испытаний.

На основе проведенных исследований созданы, испытаны и отправлены для монтажа на автономных объектах малогабаритные автоматизированные

устройства для получения доброкачественной питьевой воды из дистиллята: установка водоподготовки для современной подводной лодки и установка во-доподготовки для морской нефтегазодобывающей платформы. Личный вклад автора заключается:

- в обосновании и разработке технологии кондиционирования воды установок водоподготовки для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения автономных объектов различной производительности;

- разработке и экспериментальных исследованиях макетного образца установки водоподготовки;

- экспериментально-теоретических исследованиях фильтрующих, дезодорирующих материалов и средств обеззараживания;

- разработке системы автоматического регулирования и контроля;

- определении режимов эксплуатации и испытаниях опытных образцов установок водоподготовки для подводной лодки и морской нефтегазодобывающей платформы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались:

- на VI И VIJ международных конгрессах "Вода: экология и технология". М., 2004 - 2006;

- III конференции-семинаре НТО судостроителей им. Акад. H.A. Крылова, СПб., 2003;

- II научно-технической конференции "Взгляд в будущее", ФГУП ЦКБ МТ "Рубин", СПб., 2003;

- всероссийской научно-практической конференции "Гигиенические проблемы водоснабжения населения и войск", Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова, СПб., 2003;

' - международной научно-технической конференции молодых ученых "Актуальные проблемы современного строительства", СПб., 2003;

- научно-технических конференциях, СПбГАСУ, СПб., 2003 - 2008 гг.;

- научно-технической конференции в центральном научном исследовательском институте судового машиностроения, СПб., 2003;

- ежегодных профессорско-преподавательских конференциях СПбГАСУ в 2003

- 2008 годах.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 11 научных статей, в том числе в специализированных научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы использованы Центральным научно-исследовательским институтом судового машиностроения и научно-производственной фирмой "Винко" при изготовлении опытно-промышленных образцов установок водоподготовки для современной подводной лодки и морской нефтедобывающей платформы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из основной части (оглавление, введение, 6 глав, выводы, список литературы и приложения), которая содержит 42 рисунка, 43 таблицы и изложена на 153 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, важность проблемы создания малогабаритных автоматизированных установок для получения питьевой воды из обессоленной воды на автономных объектах, надежных, безопасных и простых в эксплуатации, малоэнергоемких.

Сформулированы цель и задачи исследования, выбраны объект и предмет исследования, показана научная новизна и практическое внедрение результатов работы.

В первой главе диссертации описаны существующие технологические схемы кондиционирования воды современных автономных объектов. Подробно рассмотрены методы и технические средства реализации процессов дезодорации, минерализации и обеззараживания воды. Применяемые в настоящее время на автономных объектах методы и технические средства кондиционирования воды имеют ряд недостатков, связанных с технологией процессов кондиционирования обессоленной воды, основанной на использовании возимых запасов реагентов и широким применением ручного труда.

Рассмотрены конструкционные особенности минерализаторов, применяемых на автономных объектах. Например, для минерализации обессоленной воды реагентным методом требуется набор солей, содержащих много компонентов. Компоненты вводятся с определенной очередностью, с промежутками до полного растворения предыдущего компонента. Засыпка солей в баки для минерализации производится вручную. Этот процесс занимает продолжительное время и требует постоянного контроля. Аналогичные трудности возникают при проведении процесса обеззараживания.

Анализ методов кондиционирования воды показал, что наиболее перспективным методом минерализации в условиях автономных объектов, является метод обогащения солями жесткости дистиллята, проходящего через слой зернистого материала-наполнителя. Наиболее перспективными методами обеззараживания являются физические (безреагентные) методы.

Необходимо совершенствовать технологические схемы кондиционирования опресненной воды автономных объектов и разработать компактную установку (моноблок), обеспечивающую автоматизацию процессов получения питьевой воды из обессоленной воды в условиях автономных объектов. В настоящее время такие технические средства отсутствуют.

При этом появилась сопутствующая проблема - необходимость создания возможных вариантов системы управления и контроля на базе распространенных схемных элементов при их минимальной разновидности (максимальной однотипности).

- Вторая глава работы посвящена разработке технологической схемы кондиционирования обессоленной воды.

Были обоснована и выбрана оптимальная для моноблока структура технологической схемы кондиционирования обессоленной воды (см. рис. 1).

Рис. 1. Технологическая схема кондиционирования обессоленной воды

1-емкостъ с дистиллятом; 2-ротаметр; 3-фильтр-минерализатор; 4-фильтр с активированным углем; 5-картридж фильтровальный; 6-ячейка для обработки воды УФ-лучами; 7-УФ-аппарат «Фотон»; 8-пробоотборники

По разработанной схеме дистиллят, полученный в лабораторном аквади-стилляторе и собранный в емкость, направлялся в фильтр с загрузкой из труднорастворимых соединений кальция и магния. Затем обрабатываемая вода поступала в фильтр с активированным углем. Далее установлен фильтрующий патрон, изготовленный из полипропиленового волокна для тонкой очистки от механических частиц. Для окончательной обработки воды - обеззараживания — вода поступала в специально сконструированную ячейку 6, в которой она подвергалась УФ-облучению.

Пробы для физико-химических анализов отбирались после каждого элемента обработки воды. Контролировалось содержание ионов Са2+, НС03, 504, рН, органолептика, бактерицидный эффект.

Третья глава работы посвящена планированию экспериментов и экспериментальным исследованиям разработанной технологической схемы кондиционирования обессоленной воды.

Из наиболее доступных природных минералов исследовались: мрамор, доломит, магнезит, гипс, смесь доломита с гипсом.

Для более эффективного растворения минералов и насыщения дистиллята солями жесткости проводились сравнительные испытания на дистилляте с различной температурой и содержанием углекислоты (С02) по реакциям:

СаС03(тв.) <-<• СаСОз(р-р)

СаСОз(р-р) + С02 — Са(НС03)2 Са2+ + 2НС03 MgCOз(p-p) + С02 — М§ (НС03)2 -» Мё2+ + 2НСОэ

Следует обратить внимание на то, что дистиллят обычно содержит растворенную С02 и имеет слабокислую реакцию (рН=5,0).

На основании экспериментальных данных по исследованию динамики растворения гипса можно рекомендовать его для минерализации дистиллята в смеси с другими минералами, например, доломитом.

Преимущество такой смеси заключается в том, что доломит отлично корректирует рН дистиллята, величина которого часто составляет 5,0...5,5. Недостающее количество солей жесткости, а также и ион Б04 могут быть добавлены с помощью растворения гипса.

Так как гипс обладает относительно большей по сравнению с другими минералами растворимостью, то он загружается в фильтр не в виде мелких зерен, как мрамор или доломит, а крупными кусками.

При изучении растворимости смешанной загрузки (доломит и гипс) обработанная в фильтре-минерализаторе вода приобретает необходимую жесткость. Обработка дистиллята в таком фильтре способствует и повышению водородного показателя фильтра до рН = 7,1.. .7,6.

Установлено, что минерализация (обогащение) дистиллята ионами кальция, магния и сульфатами обеспечивается на 90 % за счет растворения гипса и на 10 % за счет растворения доломита. Следовательно, загрузку и догрузку фильтрующих материалов в процессе эксплуатации необходимо производить в таком же соотношении, а именно на девять частей гипса - одна часть доломита.

Для оптимизации процессов растворения минералов были проведены исследования с использованием методов многофакторного планирования эксперимента. В качестве факторов, значимо влияющих на процесс были приняты:

1. V - скорость фильтрации, м/с (Х1);

■ 2. Т - температура воды, °С (х2); , . 3. С - содержание С02 в воде, мг/л (х3).

За основной параметр оптимизации У было принято оптимальное содержание ионов Са2+ и М§2+ в воде.

У = 1(Са+М8)

Варьируя факторами, была найдена математическая зависимость, связывающая параметры оптимизации и факторы, так называемая функция отклика: У] = х2, х3.....X;)

Был проведен статистический анализ. Определялись ошибки воспроизводимости экспериментов и устанавливалась значимость полученных уравнений регрессии.

Уравнение регрессии в натуральных значениях:

Уро^гО.б-б.ЗУ + О.згТ + О^С

Корреляционный анализ был проведен для каждого варианта исследования динамики растворения минералосодержащей загрузки (мрамор, доломит, гипс, смесь доломита с гипсом) при различных факторах оптимизации.

Погрешность экспериментальных данных и расчетных результатов составляла 5 - 7 % следовательно, полученные уравнения регрессии адекватно описывали экспериментальные данные.

Так же были проведены экспериментальные исследования средств дезодорации и обеззараживания.

После фильтра с активированным углем отбирались пробы воды для анализов по органолептическим показателям. Данные представлены в табл. 1.

Таблица 1

Показатель До фильтра- После фильтра- СанПиН 2.1.4-

дезодоратора дезодоратора 1074-01

Запах при 20 °С 1 0 0

Вкус при 20 "С 3 0 <2

Цветность,

градусы 30 10 <20

Мутность, мг/л 2,0 0,5 <1,5

Здесь же необходимо отметить, что вода после фильтра-дезодоратора обладает необходимой чистотой (прозрачностью) для обработки ее УФ-облучением.

В целях обеспечения компактности установки и минимальных запасов свободного пространства для ее обслуживания предусмотрено использование малогабаритной лампы УФ-излучения типа ДБ18-МФ.

Благодаря специальной направляющей вставке, движение потока воды вокруг кварцевого чехла происходит по спиральной траектории, что интенсифицирует процесс обеззараживания.

Были выполнены расчеты обеззараживающей способности Уф-лампы и дозы Уф-облучения, а также лабораторные испытания образцов ламп ДБ-18-МФ. Обеспечивалось гарантированное обеззараживание воды.

Четвертая глава диссертации посвящена внедрению, принципам работы и комплексу исследований опытных образцов установок водоподготовки для подводной лодки и морской нефтегазодобывающей платформы.

В процессе создания опытно-промышленных образцов установок водоподготовки был выполнен комплекс исследований для подтверждения правильности решения поставленной задачи. В объем испытаний входили:

- экспериментальные исследования с применением метода планирования;

- исследование качества воды, получаемой в станции водоподготовки, по физико-химическим, органолептическим и микробиологическим показателям;

- токсикологические исследования на животных.

В ходе исследований суммарная наработка установки составила около 850 часов. За этот период было исследовано более 60 проб воды по 15 показателям качества. Была определена динамика изменения общего солесодержания

питьевой воды от расхода обессоленной воды, температуры и времени с момента включения установки (см. рис. 2).

8 600-• Я

¿ 5001" 40»-

а

в

М зоо- -

1 — расход 240 л/ч темперотура 55 вС

2 - расход 420 л/ч, темперотура 55 "С

3 — расход 420 л/ч, темперотура 11 "С

4 — росход 1000 л/ч, температура 50 вС

5 — расход 1000 л/ч температура 18 вС

.....А:....

.......,

30

40 50 60

Продолжительность фильтрования, мин

Рис. 2 Динамика изменения общего солесодержания питьевой воды от расхода воды, температуры и времени с момента включения установки

Проведенные экспериментально-теоретические исследования позволили определить оптимальные режимы работы установки. В результате исследований было установлено:

1. Качество питьевой воды, получаемой в установке водоподготовки по физико-химическим, органолептическим и микробиологическим показателям на всех режимах работы соответствует требованиям СанПиН 2.1.4-1074-01 и ГОСТ Р.5032-98.

2. Токсикологические исследования на животных подтвердили безвредность получаемой питьевой воды для живого организма.

3. Конструкционные материалы и фильтрующие загрузки (доломит, гипс и активированный уголь) разрешены санитарными органами для питьевого водоснабжения и не вызывают токсикологического и канцерогенного воздействия на обрабатываемую воду.

С учетом результатов, полученных в ходе исследований, было получено гигиеническое заключение о возможности практического применения установки водоподготовки на подводных лодках для приготовления питьевой воды из обессоленной воды.

Пятая глава диссертации посвящена вопросам надежности установки водоподготовки.

Был выполнен комплексный расчет показателей надежности установки. Составлена структурно-логическая схема соединения элементов установки во-

доподготовки. Проведен расчет интенсивности отказов элементов установки. Выполнен расчет показателей безотказности установки.

Выполненные расчеты показали высокую надежность и высокую вероятность безотказной работы создаваемого малогабаритного оборудования.

Шестая глава работы посвящена автоматизации процессов кондиционирования воды на автономных объектах.

Спроектированная, исследованная и реализованная установка водоподго-товки, ориентированная на применение в корабельных условиях (и в частности - подводных лодках), а также на отдаленных нефтебуровых комплексах, оснащена системами автоматического регулирования и контроля.

Показано, что контрольно-измерительная система, реализованная на логических элементах, может быть спроектирована на элементах различного базиса для любых автономных объектов.

Разработанная математическая модель системы автоматического регулирования использует стандартные элементы автоматизации, и предполагается, что конкретный анализ частотных и временных характеристик может быть выполнен с использованием известных программ МаШсасЗ, МаИаЬ, Мюгосар-8, МаЛетаИс-4 и др.

В работе использованы принципы, теоремы и аксиомы двухзначной (булевой) логики. На основании положений данной теории получены конкретные технические решения для контактных (релейных) схем, что позволило создать общую блок-схему системы автоматического регулирования системы хозяйственно-питьевого водоснабжения автономного объекта.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенного анализа современных методов и технических средств реализации процессов кондиционирования воды были обоснованы и выбраны методы минерализации, дезодорации и обеззараживания, на основании которых разработана усовершенствованная технологическая схема кондиционирования воды в условиях автономного объекта.

2. Обоснован и разработан макетный образец установки водоподготовки с подробным описанием методик проведения и результатов исследований фильтрующих, дезодорирующих материалов и средств обеззараживания.

3. Опытно-расчетным путем определен оптимальный состав минералсо-держащей загрузки для установки водоподготовки.

4. С помощью проведенных экспериментально-теоретических исследований с применением методов многофакторного планирования эксперимента и санитарно-гигиенических исследований определены оптимальные режимы кондиционирования воды в установке водоподготовки.

5. Определены показатели надежности установки и составлена структурно-логическая схема соединения элементов установки. Разработанная конструкция оборудования обеспечивает полную взрывобезопасность проведения операций кондиционирования воды в условиях автономных объектов.

6. С помощью математического моделирования процессов кондиционирования воды в условиях автономных объектов разработана общая схема автома-

тического регулирования системы хозяйственно-питьевого водоснабжения, позволяющая полностью автоматизировать процесс кондиционирования воды в условиях автономного объекта.

7. Полученные методики расчета оборудования для кондиционирования воды позволяют с необходимой точностью определять их важнейшие проектные характеристики.

8. Простота предложенной конструкции и ее малые массо-габаритные характеристики позволили обеспечить непрерывный технологический процесс получения питьевой воды из обессоленной воды.

9. Разработанная технология кондиционирования воды позволяет проектировать установки для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения различной- производительности, которые могут быть использованы на автономных объектах.

-*«■ 10. Разработаны и внедрены две установки водоподготовки - для современной подводной лодки и для морской ледостойкой нефтегазодобывающей платформы.

Основное содержание работы опубликовано в работах:

1. Малыгин, К. А. Кондиционирование воды в условиях автономных объектов / К. А. Малыгин // Промышленное и гражданское строительство. - 2007. - № 4. -С. 68 (по списку ВАК).

2. Малыгин, К. А. Автоматизация процессов кондиционирования воды на автономных объектах / К. А. Малыгин // Морская радиоэлектроника. - 2008. - № 3. - С. 16 - 17 (по списку ВАК).

3. Бондаренко, А. В. Многомерный оператор О. Хевисайда и синтез электрических цепей / А. В. Бондаренко, В. В. Резниченко, К. А. Малыгин, В. В. Бондаренко, В. И. Можар // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. - 2008. - № 3. - С. 5-13 (по списку ВАК).

4. Малыгин, К. А. Перспективы применения станции водоподготовки СВ-10 на заказах 21 / К. А. Малыгин, Г. Г. Макаров, А. С. Медведев, В. Д. Завирухо // Судостроительная промышленность. Сер. Технология и организация производства. Судовое машиностроение. Опыт проектирования и создания судовых механизмов: науч.-техн. сб. - СПб.: ЦНИИСМ, 2003. - С. 156.

5. Малыгин, К. А. Анализ методов минерализации воды / К. А. Малыгин, Н. И. Рукобратский // Молодые ученые промышленности Северо-Западного региона: науч.-техн. сб. - СПб.: СПбГПУ, 2003. - С. 32.

6. Малыгин, К. А. Разработка малогабаритного моноблока для минерализации, дезодорации и обеззараживания питьевой воды / К. А. Малыгин // Взгляд в будущее: 2-я молодежная науч. технич. Конференция: тез. докл. Проектирование и строительство подводных лодок. СПб.: ФГУП ЦКБ МТ "Рубин", 2003. - С. 14 -15.

7. Малыгин, К. А., Автоматизация процессов кондиционирования воды / К. А. Малыгин, Н. И. Рукобратский // Сб. докл. 60-й науч. конф. профессоров, препо-

давателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. - СПб.: СПбГАСУ, 2003. - С. 137 -139.

8. Малыгин, К. А. Обеззараживание воды бактерицидными лучами в составе станции водоподготовки / К. А. Малыгин, Н. И. Рукобратский // Сб. докл. 61-й науч. конф. профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. - СПб.: СПбГАСУ, 2004. - С. 137 - 139.

9. Малыгин К. А. Автоматизированный моноблок для кондиционирования и обеззараживания опресненной воды / К. А. Малыгин, Н. И. Рукобратский И Материалы 6-го международный конгресса "Вода: экология и технология". "Эква-тэк-2004". Ч. 1. М., 2004. - С. 449.

10. Малыгин К. А. Блок водоподготовки для кондиционирования питьевой воды / К. А. Малыгин, Н. И. Рукобратский // Материалы 7-го международный конгресса "Вода: экология и технология". "Экватэк-2006". Ч. 1. М., 2006. - С. 488-489.

Подписано к печати 17.11,08. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная Усл. печ. л. 0,81. Тираж 100 экз. Заказ 108.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.

Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

Введение.5 с

Глава I. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования.12 с

1.1. Анализ существующих технологических схем кондиционирования воды автономных объектов.12 с

1.2. Анализ существующих методов и технических средств кондиционирования воды.23 с

1.2.1. Анализ методов минерализации воды и технических средств их реализации.23 с

1.2.2. Анализ методов обеззараживания воды и технических средств их реализации.25 с

Выводы.31 с

Глава II. Разработка технологической схемы кондиционирования обессоленной воды.32 с

2.1 Обоснование структуры технологической схемы кондиционирования обессоленной воды.32 с

2.2 Обоснование выбора метода минерализации обессоленной воды.33 с

2.3. Обоснование выбора метода обеззараживания обессоленной воды.33с

Глава III. Планирование и экспериментальные исследования технологической схемы кондиционирования воды.36 с

3.1 Описание макетного образца установки водоподготовки для экспериментальных исследований разработанной технологической схемы.36 с

3.2. Планирование эксперимента. Методика проведения и результаты исследований фильтрующих материалов.39 с

3.3. Методика проведения и результаты экспериментальных исследований средств дезодорации. .60 с

3.4. Методика проведения и результаты экспериментальных исследований средств обеззараживания.62 с

Глава IV. Внедрение. Устройство, принцип работы и комплекс исследований опытного образца установки водоподготовки.64 с

4.1 Установка водоподготовки для подводной лодки.64 с

4.2 Устройство установки водоподготовки.66 с

4.3. Разработка принципиальной электрической схемы установки водоподготовки.67 с

4.4. Устройство щита управления.67 с

4.5. Обоснование выбранной конструкции установки.68 с

4.6. Режимы работы установки.70 с

4.6.1. Режим приготовления питьевой воды из обессоленной воды.70 с

4.6.2. Режим дополнительного обеззараживания питьевой воды.71 с

4.6.3 Проверка производительности и гидравлического сопротивления установки водоподготовки.71 с

4.6.4 Санитарно-гигиенические, экспериментальные исследования с применением методов планирования эксперимента при испытаниях опытного образца установки водоподготовки.72 с

4.7. Установка водоподготовки для морской нефтегазодобывающей платформы.78 с

4.7.1. Принцип действия установки водоподготовки.80 с

4.7.2. Описание работы установки водоподготовки.81 с

Глава V. Надежность установки водоподготовки.83 с

5.1 Методика расчета показателей надежности.83 с

5.1.1 Формулировка отказа и составление структурно-логической схемы соединения элементов установки.84 с

5.1.2 Расчет интенсивности отказов элементов установки.84 с

5.1.3 Расчет показателей безотказности установки.86 с

5.1.4 Расчет количественных значений показателей безотказности установки.87 с

5.1.5 Расчет комплексных показателей надежности установки.89 с

Глава VI. Автоматизация процессов кондиционирования воды на автономных объектах.91 с

6.1. Вступление.91 с

6.2. Реализация системы управления и контроля.93 с

6.3. Базис элементов "И - НЕ".100 с

6.4. Базис элементов "ИЛИ - НЕ".101 с

6.5. Система контроля при кондиционировании воды.103 с

6.6. Оптимизация логических схем.107 с

6.7. Общая схема автоматического регулирования.111 с

Выводы.117 с

Актуальность темы.

Развитие автономных объектов постоянно характеризуется возрастанием длительности плавания практически всех классов и назначений кораблей. Это обстоятельство диктует необходимость улучшения на них условий обитаемости. Обеспечение личного состава пресной водой является одним из определяющих показателей обитаемости. Как показывает опыт проектирования, снабжение личного состава доброкачественной водой представляет собой сложную технико-гигиеническую задачу. Следует отметить, что удовлетворение потребностей водопотребления с качеством, соответствующим СанПиНу 2.1.4.1074-01 "Вода питьевая.", в соответствии с требованиями ВМФ, в течение всей автономности за счет размещения на подводных кораблях возимых запасов пресной воды является технически нецелесообразным. Возникает необходимость формирования сложной инфраструктуры в целях обеспечения гарантированного качества воды в период хранения. Кроме того, создание на подводных лодках условий для хранения и расходования запасов питьевой воды, принятых на полную автономность, приводит к существенному увеличению водоизмещения, а значит, удорожает постройку и содержание корабля и ухудшает характеристики большинства контролируемых физических параметров. В связи с этим появляется необходимость пополнения минимально необходимых возимых запасов за счет приготовления питьевой воды из морской в корабельных условиях.

Пополнение запасов пресной воды осуществляется от опреснительных установок, устанавливаемых на автономных объектах для обеспечения работы энергетических установок.

Система хозяйственно-питьевого водоснабжения предназначена для приготовления, хранения и подачи питьевой воды к различным потребителям. Процесс приготовления питьевой воды (кондиционирование питьевой воды) в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения включает выполнение следующих операций: минерализацию обессоленной воды, дезодорацию и обеззараживание.

Применяемые в настоящее время методы приготовления питьевой воды имеют ряд недостатков, особенно при проведении наиболее трудоемких процессов минерализации и обеззараживания. Эти недостатки обусловлены применяемой технологической схемой, основанной на возимых запасах реагентов (хлорсодержащих препаратах и солей минерализации), а также широким использованием ручного труда при подготовке и проведении этих операций. Поэтому совершенствование (оптимизация) технологической схемы кондиционирования воды, устраняющей указанные недостатки, является актуальной научной задачей.

Необходимо создать моноблок (установку водоподготовки), обеспечивающий автоматизацию процессов получения питьевой воды из дистиллята в условиях автономных объектов и отвечающего требованиям надежности, компактности, минимальному расходованию всех видов энергии при эксплуатации, экологичности и безопасности обслуживания, с габаритами 1 х 2 м по ширине и высоте.

Была разработана технологическая схема кондиционирования опресненной воды, основой которой является метод обогащения опресненной воды солями (минерализация) при фильтровании его через природные материалы с последующей дезодорацией и обеззараживанием.

Использование такого метода позволяет:

- автоматизировать процессы приготовления воды в корабельных условиях;

- одновременно производить минерализацию и обеззараживание дистиллята;

- в значительной степени упростить инфраструктуру системы хозяйственно-питьевого водоснабжения; уменьшить количество трубопроводов, арматуры и цистерн на автономном объекте; повысить надежность системы хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Другой областью применения исследований диссертационной работы является оптимизация (автоматизация, повышение надежности, минимизация удельных материальных и энергетических затрат) систем кондиционирования воды на удаленных автономных объектах (морские нефтегазодобывающие платформы), где также в значительной степени существуют перечисленные проблемы оптимизации технологии кондиционирования воды.

Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании технологических схем кондиционирования обессоленной воды автономных объектов, разработке эффективного оборудования и автоматизации процессов кондиционирования воды на автономных объектах, таких как, подводные лодки и морские нефтегазодобывающие платформы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: провести анализ литературных данных о современном состоянии вопроса процессов кондиционирования обессоленной воды в условиях автономных объектов; выбрать методы и материалы минерализации, дезодорации и обеззараживания обессоленной воды; установить факторы, оказывающие влияние на эффективность процессов кондиционирования обессоленной воды; определить оптимальные условия протекания процесса кондиционирования обессоленной воды; разработать методику расчета параметров работы оборудования для кондиционирования обессоленной воды;

- разработать систему автоматического регулирования и контроля;

- рассчитать надежность создаваемого оборудования;

- произвести проверку результатов работы в производственных условиях.

Научная новизна работы.

Разработана технология кондиционирования обессоленной воды (одновременно минерализация, дезодорация и обеззараживание в одном компактном устройстве) путем обогащения дистиллята солями при фильтровании через природные материалы с последующей тонкой очисткой от механических частиц и обеззараживанием, обеспечивающая непрерывный автоматизированный технологический процесс получения из обессоленной воды доброкачественной питьевой воды.

Практическая ценность и реализация результатов исследований.

Разработанная технология кондиционирования воды позволяет проектировать малогабаритные устройства (установки водоподготовки) для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения различной производительности, которые могут быть использованы на любых автономных объектах, например, на судах и морских буровых нефтегазодобывающих платформах.

Аналитические исследования, проведенные на опытной модели моноблока, позволили составить рекомендации по выбору оптимальных параметров работы этих устройств.

Проведенные санитарно-гигиенические и экспериментально-теоретические исследования с применением метода планирования, позволили определить оптимальный режим кондиционирования воды в моноблоке.

Полученные методики расчета оборудования для кондиционирования обессоленной воды позволяют с необходимой точностью определять их важнейшие проектные характеристики.

Разработанная конструкция оборудования позволяет совместить и автоматизировать наиболее важные и трудоемкие процессы кондиционирования воды - минерализацию и обеззараживание. Кроме того, использование таких моноблоков позволит в значительной степени упростить инфраструктуру системы хозяйственно-питьевого водоснабжения автономных объектов и повысить ее надежность.

Важное практическое значение имеет разработанная система автоматизированного управления оборудованием кондиционирования воды, допускающей его автономную эксплуатацию.

Установлена полная безвредность применяемых технологических схем обработки обессоленной воды комплексной санитарно-гигиенической оценкой получаемой питьевой воды.

Эффективность разработок доказана результатами проведенных испытаний.

На основе проведенных исследований созданы, испытаны и отправлены для монтажа на автономных объектах малогабаритные автоматизированные устройства для получения доброкачественной питьевой воды из обессоленной воды: установка водоподготовки для современной подводной лодки и установка водоподготовки для морской нефтегазодобывающей платформы.

Исследования проводились в ОАО "Пролетарский завод", в 1410 Центре Государственного санитарно-эпидемиологического надзора (ЦГСН), научно-производственной фирме "Винко", в воинских частях в/ч 27177-4 и в/ч 09964. По материалам работы выполнена НИР на кафедре автоматики и электротехники СПбГАСУ.

Апробация работы.

Основные научные положения и результаты работы публиковались и докладывались на шестом и седьмом Международных конгрессах "Вода: экология и технология", М., (2004-2006 гг); третьей конференции-семинаре

НТО судостроителей им. Акад. Н.А. Крылова, СПб., 2003; Второй научно-технической конференции "Взгляд в будущее", ФГУП ЦКБ МТ "Рубин", СПб., 2003; Всероссийской научно-практической конференции "Гигиенические проблемы водоснабжения населения и войск", Военно-медицинской академиии им. С.М. Кирова, 2003; Международной научно-технической конференции молодых ученых "Актуальные проблемы современного строительства", СПб., 2003; Научно-технических: конференциях, СПбГАСУ, СПб, 2003 - 2008 годах.; научно-технической конференции в ЗАО "ЦНИИ судового машиностроения", СПб., 2003; Ежегодных профессорско-преподавательских конференциях СПбГАСУ в 2003 — 2008 годах; Научно-техническом и производственном журнале "Промышленное и гражданское строительство", М., 4/2007 (по списку ВАК); Научно-техническом и производственном журнале "Морская радиоэлектроника", СПб., 3/2008 (по списку ВАК); Научно-техническом и производственном журнале "Энергетика", Минск, 3/2008 (по списку ВАК).

Разработанная, на основе предложенного метода технологическая схема кондиционирования обессоленной воды и конструкция установки защищена двумя авторскими свидетельствами.

На защиту выносятся:

- оптимизированная технология кондиционирования обессоленной воды, обеспечивающая непрерывный технологический процесс получения доброкачественной питьевой воды без дополнительной обработки в условиях автономных объектов.

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение предложенных параметров и режимов работы установки водоподготовки для обработки обессоленной воды.

Публикации.

По результатам проведенных исследований опубликовано 10 научных статей, в том числе в специализированных научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Содержит 153 страницы машинописного текста, в том числе 42 рисунка, 43 таблицы и 23 приложения. Список литературы включает 80 наименований.

выводы

1. На основании проведенного анализа современных методов и технических средств реализации процессов кондиционирования воды были обоснованы и выбраны методы минерализации, дезодорации и обеззараживания, на основании которых разработана усовершенствованная технологическая схема кондиционирования воды в условиях автономного объекта.

2. Обоснован и разработан макетный образец установки водоподготовки с подробным описанием методик проведения и результатов исследований фильтрующих, дезодорирующих материалов и средств обеззараживания.

3. Опытно-расчетным путем определен оптимальный состав минералосодержащей загрузки для установки водоподготовки.

4. С помощью проведенных экспериментально-теоретических исследований с применением методов многофакторного планирования эксперимента и санитарно-гигиенических исследований определены оптимальные режимы кондиционирования воды в установке водоподготовки.

5. Определены показатели надежности установки и составлена структурно-логическая схема соединения элементов установки. Разработанная конструкция оборудования обеспечивает полную безопасность проведения операций кондиционирования воды в условиях автономных объектов.

6. С помощью математического моделирования процессов кондиционирования воды в условиях автономных объектов разработана общая схема автоматического регулирования системы хозяйственно-питьевого водоснабжения, позволяющая полностью автоматизировать процесс кондиционирования воды в условиях автономного объекта.

7. Полученные методики расчета оборудования для кондиционирования воды позволяют с необходимой точностью определять их важнейшие проектные характеристики.

8. Простота предложенной конструкции и ее малые массо-габаритные характеристики позволили обеспечить непрерывный технологический процесс получения питьевой воды из обессоленной воды.

9. Разработанная технология кондиционирования воды позволяет проектировать установки для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения различной производительности, которые могут быть использованы на любых автономных объектах.

10. Получено гигиеническое заключение о возможности практического применения установки водоподготовки на подводных лодках для приготовления питьевой воды из обессоленной воды.

11. Разработаны и внедрены две установки водоподготовки - для современной подводной лодки и для морской ледостойкой нефтегазодобывающей платформы.

1. Эльпинер Л.И. Водоснабжение морских судов промыслового флота. М.: Пищевая промышленность, 1977.

2. Эльпинер Л.И. Водоснабжение морских судов. М.: Пищевая промышленность, 1975.

3. Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. Киев: Наукова думка, 1985.

4. Кульский Л.А. Изменение микробного состава воды в процессе опреснения. Химия и технология воды. Киев: Наукова думка. № 1. 1984.

5. Рахманин Ю.А., Мельникова А.И. Санитарно-микробиологическая оценка дистилляционного метода опреснения воды. М.: Гигиена и санитария, 1980.

6. Жолус Б.И. Физиолого-гигиенические обоснования рекомендаций по кондиционированию питьевой воды на кораблях ВМФ. Дис. канд. мед. наук. Л., 1989.

7. Васильев М.Н. Конспект по гигиене. ФБ ВМедА имени С.М. Кирова. Инв. №47701. СПб., 1911.

8. СаНПиН 2.1.4.1074-01. "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества". 2001.

9. Сверчков В.Т. Материалы по вопросу о гигиенических достоинствах воды для питья на судах русского флота. Дис. доктора медицинских наук. СПб., 1890.

10. Кондиционирование питьевой воды на судах. Отчет по НИР, предприятие пя А-1097, Л., 1973.

11. Исследование методов кондиционирования дистиллята корабельных и судовых водоопреснительных установок: Отчет по НИР, предприятие пя А-1097. Л., 1984.

12. Карагаров П. О способах очищения воды. ФБ ВМедА имени С.М. Кирова. Инв. №53895. СПб., 1953.13.14,15,1617,18,19,20,21