Автоматизация и диспетчеризация систем водоснабжения

А. Т. Шагапов, генеральный директор ООО «ЭКОГИДРОПРОЕКТ»

Процессы автоматизации и диспетчеризации инженерных сетей и сооружений не только обеспечивают контроль над работой систем водоснабжения, но также являются основой для формирования единой информационно-управляющей системы, которая позволяет значительно снизить энергопотребление систем водоснабжения, а также повысить надежность их работы. В данной статье рассматриваются основные понятия, используемые при автоматизации и диспетчеризации инженерных систем.

Автоматизация – применение специальных технических средств, приспособлений, устройств и систем, осуществляющих контроль и управление технологическими процессами на различных объектах систем водоснабжения.

Средствами автоматики решаются различные задачи, возникающие в процессе эксплуатации объектов систем водоснабжения.

1. Обеспечивается поддержание на заданном уровне различных технологических параметров: количественных (давление, расход, уровень, температура и др.) и качественных (рН, концентрация остаточного хлора, щелочность, мутность, цветность и др.).
2. Включаются и отключаются насосные агрегаты при достижении заданных технологических параметров (уровней воды в резервуарах, давления и расхода в трубопроводе и др.).
3. Соблюдается заданная последовательность операций (включение и отключение пускателей и выключателей, открытие и закрытие задвижек и затворов, подача охлаждающей воды на подшипники и т. д.) при пуске и останове насосных агрегатов, промывке фильтров или вращающихся сеток и прочих устройств и механизмов.
4. Отключаются поврежденные агрегаты и включаются резервные в случае возникновения аварийной ситуации или неисправности оборудования.
5. Изменяется количество работающих насосов и регулируется их подача при изменении водопотребления или уровня воды в резер-вуарах.
6. Поддерживаются необходимое давление в системе трубопроводов и уровень воды в резервуарах.
7. Включаются или отключаются вспомогательные устройства, механизмы и системы (насосы технической воды, дренажные насосы, системы отопления и вентиляции, освещения и др.).
8. Осуществляется дозирование реагентов (коагулянта, хлора и т. д.).

Диспетчеризация – централизованный контроль и управление территориально разобщенными объектами водоснабжения, связанными общим технологическим процессом. Система диспетчеризации должна предусматриваться для систем водозабора, водоочистки, водоподачи и распределения воды между потребителями.

Диспетчеризация неавтоматизированных объектов (небольших насосных станций и очистных сооружений с дежурным персоналом) может осуществляться с помощью телефонной связи.

Диспетчеризация более крупных и автоматизированных объектов осуществляется, как правило, средствами телемеханики. Системы телемеханики (ТМ) по характеру выполняемых функций делятся на телесигнализацию (ТС), телеизмерение (ТИ) и телеуправление (ТУ).

Системы телесигнализации (ТС) передают на диспетчерский пункт (ДП) сигналы о положении и состоянии оборудования и систем: работает агрегат или не работает, закрыта задвижка или открыта, находится фильтр в работе или на промывке, или он пребывает в нерабочем состоянии (в ремонте).

Системы телеизмерения передают на ДП информацию об измеряемых параметрах: о давлении на коллекторе насосных станций, расходе воды в водоводах и магистралях, об уровне воды в резервуарах, мутности или цветности воды, дозы коагулянта и хлора и т. д.

Системы телеуправления передают с диспетчерского пункта на объекты (насосные станции, очистные сооружения) команды: остановить или пустить в работу насосный агрегат, открыть или закрыть задвижку, включить фильтр на промывку и т. д.

Для сбора информации на объектах водоснабжения и передачи ее на ДП, а также для передачи на объект команды с ДП оборудуются контрольные пункты (КП). Передача информации осуществляется по каналам связи. Каналами связи могут быть специальные контрольные кабели, телефонные пары проводов, а также радиоканалы.

Многопроводный канал связи соединяет каждый объект управления (насосный агрегат, задвижку) с органом управления (кнопкой, ключом) или устройством, воспринимающим информацию (табло, сигнальная лампа, измерительный прибор). Многопроводная система связи неэкономична, используется при небольшом количестве объектов управления, находящихся на небольшом расстоянии от диспетчерского пункта.

При большом количестве объектов управления, находящихся на значительном расстоянии от диспетчерского пункта, предпочтительней использование малопроводной системы передачи информации, осуществляемой или по проводам, или по телефонным парам. В этом случае система телемеханики оснащается устройствами для разделения сигналов (шифраторами и дешифраторами кода, фильтрами, распределителями сигналов). Аналогичные устройства необходимы при использовании радиоканалов.

В настоящее время в системах автоматизации и диспетчеризации широкое применение находит микропроцессорная и компьютерная техника, что позволяет значительно сократить количество аппаратуры диспетчеризации (передающих, преобразующих и сигнальных устройств, в том числе громоздких мнемосхем, табло и т. д.), что сокращает площади диспетчерских пунктов.

Применение микропроцессоров и компьютеров обеспечивает высокую гибкость систем управления при изменении режимов работы отдельных объектов и вводе в эксплуатацию новых объектов путем перепрограммирования структуры систем управления, повышает надежность систем управления и оперативность управления, обеспечивает более четкую визуализацию схем объектов и параметров технологических процессов.

При создании систем автоматизации и диспетчеризации соблюдается ступенчатая иерархия:

• системы автоматизации, имеющие местное значение и схемы автоматизации отдельных механизмов и устройств (дренажные насосы, вращающиеся сетки, вентиляция, отопления и т. п.), строятся как локальные, независимые друг от друга и от систем, имеющих более общее значение. В отдельных случаях из локальных систем подаются информационные сигналы в системы автоматизации более высокого уровня;
• системы автоматизации основных насосных агрегатов, очистных сооружений и других объектов, влияющих на процесс водоснабжения в целом, строятся как локальные системы, функционирующие самостоятельно, но в то же время они входят в автоматизированную систему технологического процесса (АСУ ТП) предприятия, напри-мер водопроводной станции.

АСУ ТП представляет высший этап автоматизации, обеспечивающий оптимальный режим работы предприятия. Локальные системы автоматизации, входящие в состав АСУ ТП, выдают необходимые информационные сигналы в АСУ ТП и получают соответствующие команды из АСУ ТП.

Команды могут выдаваться в виде задания определенных технических параметров (дозы реагента, давления, уровня и т. д.) или команд на включение/отключение различных агрегатов или механизмов (основных насосов, затворов и задвижек и др.), а также на включение определенных программ действия (промывка фильтров, вращающихся сеток и др.).

В крупных системах водоснабжения, состоящих из нескольких водопроводных станций, регулирующих узлов, станций подкачки, сложной системы водоводов, магистралей и водопроводных сетей, создаются АСУ ТП города (промышленного предприятия), в состав которых входят АСУ ТП водопроводных станций и других предприятий водоканалов. АСУ ТП водоснабжения представляет собой систему, в которой диспетчер с помощью специальных технических средств осуществляет управление процессом водоснабжения.

В условиях функционирования АСУ ТП создается диспетчерская служба, имеющая, в зависимости от специфики конкретной системы водоснабжения, одно-, двух- или трехступенчатую систему управления.

Верхней иерархической ступенью оперативного управления является центральный диспетчерский пункт (ЦДП) Управления водоканала города (промышленного объекта). ЦДП этого уровня предназначается для контроля и оперативного управления ходом технологического процесса всей системы водоснабжения, включая водозаборы, насосные станции, очистные сооружения, водоводы, резервуары, регулирующие узлы, магистрали и распределительные сети.

Следующая ступень управления – ЦДП предприятия водопроводно-канализационного хозяйства (водопроводной станции, куста артезианских скважин, каскада насосных станций территориального водопровода и др.). ЦДП предприятия предназначается для контроля и управления технологическим процессом сооружений водопроводной станции (водозабора, насосных станций, водоводов, очистных и других сооружений данного предприятия).

Более низкая ступень управления – МДП цехов и отдельных производств, предназначается для контроля и оперативного управления технологическими процессами конкретных объектов: насосных станций первого подъема, второго подъема, очистных сооружений, здания фильтров и других.

Нижней ступенью управления является оперативный пункт (ОП), предназначенный для управления отдельными сооружениями и процессами. ОП оснащается приборами контроля, аппаратурой дистанционного управления и сигнализации, средствами связи. Информация на ОП поступает от технологических датчиков, блок-контактов пусковой аппаратуры и воспроизводится на щитах контроля или экранах компьютеров. Информация от ОП по каналам связи передается на МДП и ЦДЛ, где она обрабатывается соответ-ствующим образом и служит основой для принятия вышестоящим диспетчером решений по управлению технологическим процессом водоснабжения.

Выводы

Автоматизация и диспетчеризация систем водоснабжения:

• повышают надежность систем управления и оперативность управления;
• обеспечивают более четкую визуализацию схем объектов и параметров технологических процессов.

Применение микропроцессоров и компьютеров обеспечивает высокую гибкость систем управления при изменении режимов работы отдельных объектов и вводе в эксплуатацию новых объектов.

Тема: КОНТРОЛЬ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

План:

1.КОНТРОЛЬ ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

2.КОНТРОЛЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ОДОСНАБЖЕНИЯ

1. Подземные воды, используемые для целей водоснабжения, подразделяют на грунтовые, межпластовые безнапорные и меж* пластовые напорные (или артезианские).

Формирование состава грунтовых вод происходит под влия­нием различных факторов, в том числе климата, обусловлива­ющего возможность питания грунтовых вод атмосферными осад­ками. Неменьшее значение имеет характер и строение покровных образований водоносного пласта, от которых зависит воз­можность поглощения атмосферных осадков. На качество грун­товых вод значительное влияние оказывает санитарное состояние вышележащего горизонта. Определяющим фактором формирова­ния состава артезианских вод являются глубинные геологичес­кие структуры. Защищенность водоносных пластов обеспечивает постоянство состава и почти полное отсутствие бактерий в арте­зианских водах.

В целом для подземных вод характерно большое разнообра­зие ионного состава. Степень минерализации и соотношение ме­жду основными ионами для различных источников изменяются в широких пределах.

Для централизованных систем водоснабжения чаще всего используются маломинерализованные, бактериально чистые ар­тезианские воды, подаваемые потребителю без очистки. Однако часто подземные воды содержат повышенные концентрации же­леза, обладают высокой жесткостью. В этих случаях предусмат­ривается соответствующая обработка воды.

Порядок осуществления контроля за качеством воды подзем­ных водоисточников определяется в основном особенностями его гидрологического и гидрохимического режима и включает над­зор за состоянием зоны санитарной охраны, постоянное наблюдение за техническим состоянием скважины, оборудования и тру­бопроводов, оценку качества воды по данным санитарно-химического анализа.

Надзор за состоянием зоны санитарной охраны включает ком­плекс мероприятий по контролю за соблюдением санитарного режима в зоне, в том числе предотвращение загрязнения ее тер­ритории, наблюдение за исправностью канализационной сети в зоне, контроль за состоянием здоровья обслуживающего персо­нала и т.д. Цель этих мероприятий — предотвратить загрязнение источника водоснабжения.

Грунтовые воды могут загрязняться из-за неисправности ка­нализации, наличия свалок и др. Загрязнение артезианских йод происходит вследствие возникновения гидравлической связи ме­жду эксплуатируемым горизонтом и вышележащими загрязнен­ными водоносными слоями. Как правило, появление такой связи обусловлено размывами в водоупорной кровле и дефектами в са­мой скважине. Постоянное наблюдение за техническим состоя­нием скважин и быстрая ликвидация неполадок в оборудовании позволяют прекратить загрязнение водоносного горизонта. Гене­ральная проверка состояния скважины, оборудования и трубо­проводов производится 2 раза в год — перед весенним паводком и перед наступлением зимы. Результаты проверки заносятся в паспорт скважины.

Существенное изменение качества воды возможно в резуль­тате нерациональной эксплуатации подземных источников, по­этому в процессе эксплуатации скважины ведется постоянное наблюдение за статическим и динамическим уровнями воды в скважине, а также за ее производительностью.

Для скважин на грунтовых водах при усиленной откачке возможно изменение органолептических показателей качества воды вследствие подсоса воды из близлежащих карьеров и тор­фяных болот, расположенных в сфере питания водозабора.

Превышение водоотвода над дебитом может привести к на­рушению гидравлического равновесия между пресными и мине­рализованными водами и вызвать приток последних в артезиан­ский водоносный горизонт, если он имеет гидравлическую связь с соседними минерализованными водными слоями.

Качество воды подземных водоисточников оценивается по данным санитарно-химического анализа. Для отбора проб уста­навливается специальный кран, располагаемый как можно бли­же к выходу воды из скважины. Для артезианских скважин ана­лизируют две пробы, взятые не ранее 24 ч одна после другой.

Для эксплуатируемых скважин в число обязательных входит выполнение следующих анализов: определение плотного остат­ка, жесткости, сульфатов, хлоридов, соединений железа, марган­ца, меди, цинка, величины рН. Этот анализ выполняют не реже 2 раз в год (в весенний и осенний периоды) в первый год эксплу­атации скважины; в дальнейшем анализ выполняют 1 раз в год, если качество воды стабильно. При значительных колебаниях состава воды анализируют не менее девяти проб в год — по три в осенний, весенний и летний периоды.

Химический анализ воды по всем показателям, приведенным в табл. 3 (кроме ПАА), проводят 2 раза в течение первого года эксплуатации скважины. В последующие годы в зависимости от результатов анализа с обязательным учетом местных гидрогеологических и санитарных условий устанавливаются частота отбора проб и перечень приведенных в табл. 3 показателей, по которым должен выполняться анализ. Объем намечаемого к выполнению анализа обязательно согласовывается с местными органами санитарно-эпидемиологической службы. Порядок проведения бактериологического анализа воды источника устанавливается в зависимости от производительности скважины и качества воды.

Если качество воды источника по бактериологическому показателю соответствует требованиям ГОСТ 2874—73 и вода подается потребителю без обработки, то бактериологический анализ выполняется для скважин, обслуживающих население: до 20 тыс. человек — 1 раз в месяц; до 50 тыс. человек — 2 раза в месяц, )и большей численности населения — 1 раз в неделю. Если подземные воды подвергаются обеззараживанию, анализ исходной обработанной воды по бактериологическим показателям про­чится соответственно приведенной выше численности населе­ния, обслуживаемого скважиной, 1 раз в неделю, 3 раза в неделю, ежесуточно. Во всех случаях в обеззараженной воде каждый час определяется концентрация остаточного хлора.

Независимо от того, подается вода потребителю без обработки или после предварительного обеззараживания, во всех пробах, отбираемых для бактериологического анализа, обязательно определяются запах, привкус, мутность и цветность.

При отклонениях качества воды от нормального назначают более частые контрольные анализы. Результаты всех анализов фиксируются в специальном журнале и заносятся в паспорт скважины.

2. Для большинства крупных городов источниками водоснабжения служат поверхностные водоемы — реки, водохранилища, озера.

Состав воды поверхностных источников определяется сово­купностью физико-географических условий (климат, рельеф ме­рности, почвенный покров, характер растительности) и деятельности человека (регулирование речного стока, строительство гидротехнических сооружений, сброс сточных вод и т.д.).

Для большей части поверхностных источников характерны малая минерализация, изменение состава воды под действием гидрометеорологических условий и биологических процессов.

Особенностью всех поверхностных водоемов являются сезон­ные колебания состава воды, особенно четко проявляющиеся в изменении таких показателей ее качества, как мутность, цвет­ность, щелочность, жесткость, температура.

Поступление в водоем талых и дождевых вод приводит к рез­кому увеличению количества взвешенных веществ, бактериаль­ной загрязненности и цветности воды. Одновременно уменьшают­ся щелочность и жесткость воды. Сезонные изменения темпера­туры оказывают существенное влияние на интенсивность биоло­гических процессов в водоеме, а следовательно, и на качество во­ды, поскольку в открытых источниках одним из важнейших факторов формирования состава и свойств воды является дея­тельность гидробионтов.

Выраженная зависимость состава и свойств воды от харак­тера хозяйственного использования водоема и значительные се­зонные колебания качества воды приводят к необходимости по­стоянного контроля за санитарным состоянием поверхностных источников водоснабжения и определяют порядок осуществле­ния контроля. Контроль за состоянием водоемов заключается в периодических обследованиях, проводимых с целью комплексной оценки качества воды в водоисточнике.

При обследовании прежде всего обращают внимание на со­стояние береговой полосы и внешний вид водоема. Затопление части прибрежной растительности в результате размыва берега, опадающая в осенний период листва и постепенное отмирание затопленных растений обогащают водоем органическими веще­ствами. Песчаная или залуженная береговая полоса препятству­ет этому и, кроме того, способствует снижению выноса взвеси из почвы в водоем. На поверхности воды не должно быть пятен нефти и масел, которые свидетельствуют о загрязнении водоема и, препятствуя атмосферной реаэрации, могут привести к нару­шению кислородного режима в водоеме, а следовательно, и к на­рушению процессов самоочищения.

Комплексная оценка качества воды в водоисточнике дается на основании санитарно-химического, микробиологического и гидробиологического анализов.

Пробы для анализов отбираются в нескольких местах водоема на разной глубине. Число проб и точки их отбора определя­ются в соответствии с гидрологическими и санитарными особен­ностями водоисточника и согласовываются с местными органа­ми санитарно-эпидемиологической службы. При этом обязатель­ным считается отбор проб непосредственно в месте водозабора и в 1 км выше по течению реки, а для озер и водохранилищ в 1 км в обе стороны от водозабора.

ГОСТ 2761—57 устанавливает частоту отбора проб. Пробы отбираются не менее 3 раз в каждый сезон года. Для озер и водохранилищ назначаются, кроме того, дополнительные анализы проб, отобранных после длительного и сильного волнения воды.

При отборе проб отмечаются метеорологические условия: температура воздуха, осадки, сила и направление ветра и особые условия, которые могут оказать влияние на качество воды. Све­дения приводятся для дня отбора и для каждого из 10 дней, пред­шествовавших взятию пробы.

Взятые пробы анализируются по следующим показателям: температуре, запаху, прозрачности, содержанию взвешенных ве­ществ и их зольности, величине рН, щелочности, жесткости об­щей и карбонатной, плотному остатку, окисляемости, БПК₅, со­держанию общего железа, кальция, магния, солевого аммиака, нитритов, нитратов, сульфатов, хлоридов, растворенного кисло­рода, сероводорода. Кроме того, в соответствии с местными гид­рогеологическими и санитарными условиями водоема намечает­ся перечень обязательных анализов воды на содержание тяже­лых металлов, пестицидов и других соединений, токсичных для человека и животных.

Поскольку развитие тех или иных видов микроорганизмов обусловлено в первую очередь составом воды, микробиологиче­ский и гидробиологический анализы позволяют дать более пол­ную оценку качества воды в водоеме.

Микробиологический анализ включает определение бактери­ологических показателей, т. е. общего числа сапрофитных бакте­рий и бактерий группы кишечной палочки, и анализ микрофло­ры по физиологическим группам.

Одновременно выполняется гидробиологический анализ. Микроскопирование воды дает возможность подсчитать число клеток фито- и зоопланктона в единице объема воды и опреде­лить видовой состав планктона. При гидробиологическом ана­лизе определяют также число и видовой состав непланктонных организмов — червей, личинок насекомых и т. д., попадающих в воду из почвы и донных отложений.

Гидробиологический анализ воды имеет чрезвычайно важ­ное значение, так как фито- и зоопланктон существенным обра­зом влияют на работу водопроводных очистных сооружений. Следует отметить, что имеет значение не только число клеток планктона, но и их видовой состав, так как различные виды планктонных организмов обладают разной устойчивостью к дей­ствию окислителей и других реагентов, применяемых при обра­ботке воды. В совокупности с санитарно-химическим анализом гидробиологические тесты дают возможность оценить изменение степени загрязненности водоема, что очень важно для очистных сооружений, так как изменение качества воды требует коррек­тировки технологических параметров очистки.

Особое значение гидробиологический анализ приобретает во время цветения водоема. Длительные наблюдения за сезонными колебаниями в содержании фитопланктона позволяют сделать вывод о периодах интенсивного развития фитопланктона в об­следуемом водоисточнике.

А. Ф. Францевым разработан достаточно простой метод крат­косрочного прогноза цветения. Для составления такого прогноза из разных точек водохранилища перед наступлением предпола­гаемого периода цветения отбирают пробы воды и помещают в термолюминостат в условия постоянного освещения и темпера­туры. Температура поддерживается на несколько градусов вы­ше, чем в водохранилище. В этих условиях цветение в колбах начинается на 5—6 дней раньше, чем в водоеме. Микроскопирование проб позволяет предсказать характер цветения и его ин­тенсивность и принять соответствующие меры.

Иногда для транспортирования воды из водохранилища к очистной станции используют водопроводные каналы достаточно большой протяженности. Длительное время пребывания воды в канале может существенным образом влиять на ее качество. При использовании открытых каналов откосы его интенсивно зарастают водорослями и мхом, которые после отмирания по­падают в воду и, разлагаясь, придают ей неприятные запахи и привкусы. На дне канала осаждается большое число личинок насекомых, моллюска дрейссены, нематод и т. д. Вода в канале весной прогревается быстрее, чем в водохранилище, поэтому в нем раньше начинается цветение.

Все это говорит о необходимости постоянного контроля за состоянием канала и качеством воды в нем. Периодически канал опорожняют и чистят, дно и стенки канала обрабатывают де­зинфицирующими средствами. Порядок контроля за работой ка­нала устанавливается в каждом конкретном случае органами санитарно-эпидемиологической службы.