WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

УДК 681.516.73 Козаченко Елена Михайловна РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВАРИЙНЫМИ ВЫБРОСАМИ В СТОЧНЫХ ВОДАХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 05.13.01 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в машиностроении и приборостроении)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск, 2012

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова» (Иж ГТУ)

Научный консультант: заслуженный деятель науки УР, доктор технических наук, профессор Алексеев Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Заболотских Владимир Иванович Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова доктор технических наук, профессор Шелковников Юрий Константинович ИМ УрО РАН, г. Ижевск

Ведущая организация: Государственная корпорация «Ростехнологии» ОАО «НЕФТЕГАЗАВТОМАТИКА» г. Москва

Защита диссертации состоится 17 мая 2012 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.06 при ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. 30 лет Победы, 2, корп. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, Ученому секретарю совета Сяктереву В.Н. Тел./факс:(3412)59-05-49; E-mail: dissovet@istu.ru Автореферат разослан 16 апреля 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д212.065.Кандидат технических наук, доцент Сяктерев В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одна из важнейших проблем современности – снабжение человека чистой питьевой водой. Проблема порождена повсеместным ухудшением качества воды в природных водоемах.

На территории России практически все водоемы подвержены антропогенному влиянию. Качество воды в них не отвечает нормативным требованиям.

Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных источников выявили тенденцию к росту их загрязнения. Ежегодно увеличивается число створов с высоким уровнем загрязнения воды (более10 ПДК) и количество случаев экстремально высокого загрязнения водных объектов (свыше 1ПДК).

Проблема качества воды связана в основном с массированным техногенным загрязнением поверхностных и отчасти подземных вод. Главными его источниками служат:

– сточные воды промышленных предприятий;

– сточные воды коммунального хозяйства городов и других населенных пунктов;

– стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов;

– атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоемов и водосборных бассейнов. Кроме этого, неорганизованный сток воды осадков («ливневые стоки», талые воды) загрязняет водоемы существенной частью техногенных терраполютантов.

Особую опасность для экологии представляют многочисленные аварии «залповые загрязнения», которые вызывают локальные, но очень сильные загрязнения. При проектировании современных потенциально опасных объектов, например объекты уничтожения химического оружия, систем обеспечивающих обеззараживание воды в комплексах нефтедобычи существует риск залпового выброса вредных веществ. В ряде работ известных ученых (Холстов В. И., Котляревский В. А., Капашин В. П., Толстых А. В. и др.) подчеркивается необходимость создания систем устранения залповых выбросов вредных веществ при аварийных ситуациях.

Результаты исследований последствий аварийных ситуаций показал, что они происходят из-за несовершенства действующей сегодня системы контроля.

Отсутствуют автоматические устройства и системы, позволяющие контролировать аварийные выбросы в реальном масштабе времени. Для реализации эффективной системы контроля качества воды и работы сооружений систем очистки воды необходимо использование средств автоматического контроля.

Таким образом, разработка метода непрерывного контроля качества воды и управления аварийными выбросами представляет актуальную научнотехническую задачу и имеет теоретическое и прикладное значение.

Связь работы с крупными научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Физика и оптотехника» Ижевского государственного технического университета в составе научно-исследовательских тем:

1. «Разработка системы экологического мониторинга на объекте уничтожения химического оружия в г.Щучье Курганской области» по договору между ИжГТУ и Ассоциацией «РОСТ» г.Москва срок выполнения 2008-2009гг.

2. «Оценка сточных вод объекта уничтожения химического оружия г. Камбарка УР» по договору между ИжГТУ и ГОС НИОХТ г. Москва срок выполнения 2007–2008гг.

Указанные темы выполнялись в рамках Федеральной целевой программы «Уничтожение запасов химического оружия в РФ» 3. «Принципы контроля оптических сред в биологии и экологии с использованием методов обработки результатов измерений на основе квантификационных моделей» по Государственному контракту Федеральная целевая прграмма «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг., в рамках реализации мероприятий № 1.2.1 Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук.

Отдельные научные результаты диссертационной работы использовались при выполнении научно-исследовательской работы в рамках тематического плана ИжГТУ по заданию Министерства Образования и науки РФ «Разработка принципов построения системы экологического мониторинга потенциально опасных химических объектов» срок выполнения 2009–2010 гг.

Объектом исследования в работе являются промышленные системы водоподготовки, системы сточных вод потенциально-опасных промышленных предприятий.

Предметом исследования являются методы контроля за состоянием водного потока, методы построения автоматизированных систем, предназначенных для устранения влияния аварийных выбросов в сточных водах промышленного предприятия на водоподготовку.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка методики автоматического обнаружения и контроля аварийных выбросов в сточных водах промышленных предприятий и разработка автоматизированных методов, предотвращающих загрязнение водных потоков систем водозабора в процессе деятельности промышленных предприятий.

Для достижения поставленной цели в работе рассматриваются и решаются следующие задачи:

1. Анализ состояния водоподготовки в условиях влияния аварийных выбросов сточных вод промышленных предприятий.

2. Разработка метода управления аварийным выбросом с целью снижения его влияния на процесс водоочистки.

3. Разработка алгоритма автоматизации, фиксации и диагностики аварийного выброса.

4. Разработка и исследование автоматизированной системы контроля оптической плотности сточных вод предприятий.

5. Разработка экспериментальной лабораторной установки и проведение на ней исследований с целью возможности ее реализации на практике.

В работе использованы методы теории систем, систем сбора и обработки информации, автоматизированных систем управления, теории графов и квантификационных отношений, теории инженерного эксперимента, методы фотометрии, обработки сигналов, экспериментальные исследования на разработанной установке.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика автоматизированного контроля кратковременных аварийных выбросов в системах водозабора и системах сточных вод промышленных предприятий.

2. Алгоритм системы автоматического переключения направления потоков для устранения аварийных выбросов.

3. Система автоматизированного устранения аварийных выбросов.

4. Экспериментальные результаты апробации системы автоматизированного управления аварийными выбросами.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается практической апробацией созданных установок, методик и алгоритмов, хорошей согласованностью экспериментальных результатов с теоретически предсказанными характеристиками, а также выбором надежных критериев при построении алгоритмов обработки информации. Разработанные стенды для исследований метрологически оценивались на известных приборах.

Личный вклад соискателя состоит: в разработке принципов автоматизации контроля неоднородных сред, организации и проведении экспериментальных исследований; обобщении и анализе полученных результатов, подготовке научно-технических рекомендаций по использованию полученных результатов для разработки систем автоматического устранения влияния аварийных выбросов промышленных сточных вод на системы водоподготовки.

В диссертации лично автором решена задача создания алгоритма системы автоматического переключения направления потоков для устранения аварийных выбросов на основании установленных закономерностей изменения оптической плотности исследуемой среды при кратковременных аварийных выбросах.

Апробация результатов диссертации. Основные положения, защищаемые идеи, теоретические положения, научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции с международным участием «Приборостроение в ХХI веке. Интеграция науки, образования и производства», Ижевск 2007, 2008, 2011 гг.; на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» г. Киров 2007 г.; на III Всероссийской конференции с международным участием «Химическое разоружение-2009: итоги и аспекты технологических решений, экоаналитического контроля и медицинского мониторинга «CHEMDET-2009»» Ижевск 2009 г.; на 4-й Международной научно-практической конференции «Наука и практика: Проблемы, Идеи, Инновации; Чистополь 2008 г.; на XIV Всероссийском Конгрессе «Экология и здоровье человека» г. Самара 2009 г.; на Всероссийская специализированная выставка. «Комплексная безопасность-2009» Ижевск 2009 г.; на Международной конференции «Приборостроение-2009»; на Межрегиональном конгрессе «Комфортный город» г. Пермь 2010 г., на VII Международной НТК «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» г. Москва 2010 г, на XI Международной МПК «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» г. Углич 2010 г, на 3-й Международной НТК «Приборостроение-2010» г. Минск 2010 г, на Третьей Международной НПК «Измерения в современном мире-2011» г. С-Петербург, а также на семинарах кафедры «Лазерные системы» ИжГТУ.

Опубликованность результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах из них 3 статья в ведущих научных журналах рекомендованных ВАК, 2 патента на полезную модель, 3 статьи в центральных научных журналах и 9 в материалах конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложения. В конце каждого раздела сформулированы выводы. Общий объем рукописи составляет 173 страницы, в том числе 4 таблицы, 63 рисунка и список используемых источников из 126 наименований.

Научная новизна. В ходе исследований получены следующие результаты:

1. На основании системного анализа метода контроля водных сред, показано, что измерение оптической плотности водной среды позволяет обнаружить аварийный выброс («сгусток») при априорных сведениях о характере выброса.

2. Впервые предложено использовать турбидиметрический метод анализа оптической плотности среды для обнаружения аварийного выброса в водозаборной системе и системе сточных вод промышленного предприятия.

3. Разработан алгоритм автоматического переключения направления потока для устранения влияния кратковременного аварийного выброса на систему водоподготовки питьевой воды.

4. С использованием лабораторных экспериментальных исследований найдены диапазоны чувствительности турбодиметрического метода для фиксации «сгустка» аварийного выброса.

5. Разработан алгоритм фиксации аварийного выброса в системе сточных вод промышленного предприятия.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в исследовании системы автоматического устранения влияния аварийных выбросов на систему водоподготовки, что повышает надежность применения фильтров очистки воды и исключает возможность поступления в систему водоснабжения питьевой воды кратковременных вредных выбросов от промышленных сточных вод. Создан действующий образец лабораторного стенда для отработки характеристик водной среды с примесями для программирования системы автоматического устранения аварийных выбросов в системе водоподготовки. Предложенные методики и решения предназначены для использования на промышленных предприятиях и системах водоснабжения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, обоснованы актуальность и важность исследуемой темы, кратко описано содержание работы. Представлены полученные в диссертационном исследовании результаты, выносимые на защиту, результаты апробации работы.

В главе 1 на основании анализа литературных источников рассмотрены проблемы водоподготовки и пути их решения. Приведены основные загрязнители, факторы загрязнения их влияние на систему водоснабжения. В качестве главной задачи выделена барьерная роль водопроводных станций в условиях повышенного загрязнения водоисточников. Подробно описана существующая система контроля качества воды на водопроводных станциях и ее недостатки.

Аварийное загрязнения водных объектов возникает при залповом сбросе вредных веществ в поверхностные воды объекты, который причиняет вред или наносит грозу причинения вреда здоровью населения, нормальному осуществлению хозяйственной и иной деятельности, состоянию окружающей среды, а также биологическому разнообразию.

В связи с этим возникает научно техническая проблема:

– уменьшение или исключение влияния кратковременного залпового выброса загрязняющих веществ в водоисточники через сточные системы предприятий.

Технического решения данной проблемы в литературе не было найдено.

Для решения данной научно-технической проблемы необходимо выполнить задачи:

– обнаружения, фиксации выброса и отвода от системы сточных вод и водоподготовки;

– обнаружения, фиксации выброса и отвода в отдельную фильтрационную систему, предназначенную только для очистки аварийных выбросов;

– создания многоступенчатой системы с усилением фильтрующих элементов, позволяющей эффективно очищать любые возможные загрязнения различной концентрации.

В первом и втором варианте предусматривается автоматическое обнаружение и фиксация выброса. Современные системы контроля не позволяют отследить кратковременный выброс, так как производят контроль по графику в определенные промежутки времени.

В данной главе сформулированы основные теоретические и экспериментальные задачи исследования, необходимые для достижения поставленной цели работы.

Во второй главе представлены методы контроля качества воды при ее внезапном загрязнении. Приведено описание методов анализа применяемых для контроля качества воды. Дается описание существующих систем автоматического контроля качества воды.

Выявлено, что рассмотренные методы имеют общий недостаток - требуют долговременной предварительной подготовки проб.

В настоящее время на рынке представлено множество моделей по контролю качества воды. Для решения поставленной задачи вышеописанные методики и приборы не подходят. Показано, что в целом они могут удовлетворить необходимость в обнаружении загрязнения, но их высокая стоимость и сложность уменьшает общую эффективность установки, хотя и высокая точность, набор различных параметров позволяют более конкретно выявить признаки загрязнения и его составляющие.

Проведенный анализ возникновения подобных аварийных ситуаций по материалам публикаций показал, что в отдельных случаях аварийные выбросы, протекающие в течение определенного интервала времени, представляют собой «сгусток» неоднородной жидкости в основной трубе. При подобной аварии изменяется плотность воды в определенном интервале времени. Этот «сгусток» жидкости можно зафиксировать в течение этого временного интервала косвенными измерениями оптической плотности.

Одним из методов косвенного измерения является турбидиметрический метод анализа мутных сред, основанный на измерении изменения интенсивности потока световой энергии, прошедшего через дисперсную систему. Причинами изменения потока являются как его поглощение, так и рассеяние. Своевременное обнаружение «сгустка» неоднородной жидкости позволит обеспечить контроль движения его по основной трубе и при соответствующей автоматике отвести его в специальный отстойник и, таким образом, прекратить временно поступление некачественной воды на фильтры.

На рисунке 1 показана предлагаемая нами схема автоматизации устранения аварийного выброса. Анализатор жидкости 1 производит непрерывный контроль параметров воды, характеризующих ее загрязненность (пропускание плотность и т. д.) Пока концентрация растворенных веществ находиться в допустимом интервале, вода поступает для дальнейшей очистки в фильтры 3.

В случае выброса на предприятии анализатор жидкости 1 подает сигнал на управляющий компьютер 5, который посредством клапана отвода 2 направляет загрязненную воду в отстойник 4.

На рисунке 2 приведена структурная схема установки для устранения аварийного выброса(получен патент на полезную модель). Контролируемая жидкость 1 перемещается по трубопроводу 2, в котором установлены оптоэлектронные датчики 3 и 11. Для контроля изменений оптической плотности водной среды используется турбидиметрический метод анализа мутных сред [3].

В трубопроводе выполнен отвод (ответвление) 5, а также установлены задвижки 6, 7 для блокировки движения контролируемой жидкости, фильтр очистки 8, третий оптоэлектронный датчик 9 и резервуар (отстойник) 10 утилизации загрязненной жидкости. Управляет работой установки блок обработки и управления 4, выполненный на базе микроконтроллера. В нем установлены значения эталонной оптической плотности контролируемой жидкости и допустимые отклонения от нее. Кроме этого, в блок 4 внесена информация о расстоянии Lмежду датчиками 3 и 11. По времени прохождения tc контролируемой жидкости между датчиками 3 и 11, расположенными на фиксированном и заданном расстоянии L0 друг от друга, в блоке 4 вычисляется скорость Vс = L0 / tc движения жидкости.

Рисунок 1 – Система автоматизации устранения аварийного выброса Рисунок 2 – Схема установки устранения аварийного выброса В процессе мониторинга в блоке 4 производится непрерывное сравнение текущей оптической плотности среды, полученной в результате обработки сигналов, поступающих от оптоэлектронных датчиков 3 и 11, и эталонной оптической плотности контролируемой жидкости. В нормальном состоянии, когда оптическая плотность среды не превышает допустимого порогового значения, задвижка 6 открыта, а задвижка 7 закрыта. При этом вода, проходя через фильтр очистки 8, поступает в окружающую среду (водоем).

В случае выхода величины текущей оптической плотности за допустимый порог, что может произойти при аварийном выбросе на объекте контроля (предприятии), с блока обработки и управления 4 через рассчитанное с его помощью время подаются управляющие сигналы на закрытие задвижки 6 (первый выход блока 4) и открытие задвижки 7 (второй выход блока 4). Своевременная подача управляющих сигналов при различных напорах в канале перемещения контролируемой среды обеспечивается введением датчика 11.

Рассмотрим, как это происходит.

Начало переключения заслонок 6 и 7 определяется следующим образом. Известно время прохождения аварийным выбросом расстояния L1 от датчика 11 до заслонки 6. Оно определяется как L1/Vc. Это время должно быть уменьшено на время переключения заслонки tперекл и время задержки tз, обеспечивающее надежность окончания (завершения) переходных процессов при переключении, то есть начало переключения заслонок наступает после фиксации начала аварийного выброса (сгустка) датчиком 11 через время t0= L1 / Vc – tперекл – tз.

Поскольку известны скорость Vс движения жидкости и интервалы времени ее перемещения от датчика 11 до заслонок 6 и 7, на элементы 6 и 7 с блока своевременно, учитывая инерционность их работы (время переключения tперекл и tз), подаются управляющие сигналы. В результате загрязняющее вещество вместе с контролируемой средой поступает через отвод в отстойник 10 для дальнейшей утилизации и не проходит в систему очистки (фильтр очистки 8) и далее в окружающую среду. Открытие заслонки 7 по времени, рассчитанном в блоке 4, позволяет снизить количество «лишней» незагрязненной жидкости, попадающей в отстойник 10.

Расстояние L1 от места установки оптоэлектронного датчика 11 до элементов блокировки движения контролируемой среды 6 и 7 должно быть не менее, чем (tз + tперекл)Vmax, где Vmax – максимально возможная скорость движения контролируемой среды.

При восстановлении через определенный интервал времени эталонного значения текущей оптической плотности контролируемой среды (окончание аварийного выброса) задвижки возвращаются в нормальное положение (задвижка открыта, задвижка 7 закрыта). Для повышения достоверности определения момента окончания поступления загрязняющих веществ от аварийного выброса в отстойник 10 и недопустимости их проникновения в окружающую среду используется оптоэлектронный датчик 9, аналогичный датчикам 3 и 11. Сигнал с датчика 9, пропорциональный оптической плотности контролируемой среды в отводе 5 после места расположения заслонки 7, поступает на второй вход блока обработки и управления 4, который выдает управляющий сигнал на открытие заслонки 6 только в том случае, если оптическая плотность контролируемой среды после прохождения заслонки 7 восстановит свое эталонной значение.

Ранее была предложена установка для устранения влияния загрязняющих веществ от аварийного выброса, в которой не учитывалась скорость движения жидкости в трубопроводе. Это снижало надежность устранения последствий аварийного выброса, так как при большой скорости потока жидкости заслонки (задвижки) 6 и 7 могли не успеть переключиться, и тем самым предотвратить поступление загрязняющих веществ в систему фильтрации и далее в окружающую среду.

В третьей главе приведено описание разработанного лабораторного стенда для экспериментального исследования установки устранения аварийного выброса.

В конструкции стенда предусмотрено подключение двух датчиков к системе измерения. Один из датчиков является измерительным, назовем его датчик 1, а другой опорным, назовем его датчик 2. Датчик 1 устанавливается на основной гидроканал установки, и с него снимается сигнал, уровень которого зависит от оптических свойств смеси вода-примесь протекающих в данный момент по трубам. Датчик 2 по конструкции точно такой же, как и датчик 1, но он устанавливается отдельно от основной гидроситемы. Между излучателем и фотоприемником датчика 2 находится замкнутый объем, заполненный водой.

Необходимо вычислить абсолютное значение вклада примеси находящегося в смеси в поглощение, для чего необходимо знать уровень сигнала, получаемый при прохождении излучения через чистую воду на датчик 2. Далее необходимо знать уровень сигнала, получаемого при прохождении излучения через смесь вода-примесь на датчик 1. Пусть с датчика 2 поступает сигнал, уровень которого U2, а уровень сигнала поступающего с датчика 1 – U1. Получаем абсолютное значение понижения уровня сигнала за счет поглощения излучения в примеси Uб из выражения:

Uб = U2 -U1 (1) Оптическая плотность примеси определится исходя из соотношения:

Uб D = lg (2) U Установка опорного датчика система позволяет исключить при измерениях ошибки связанные с неравномерностью характеристик фотоприемника и излучателя в зависимости от температуры окружающей среды, нестабильности питания излучателей, деградации излучающей области и т. п.

На рисунке 3 изображен алгоритм работы системы автоматизации переключения направления потока жидкости.

Рисунок 3 – Алгоритм работы системы автоматизации переключения направления потока Перед началом измерений производится стендовая проверка сигналов с датчиков. Проверка производится при наличии между излучателями и фотоприемниками жидкости. При исправности и всех узлов системы и надлежащем состоянии оптических элементов эти сигналы должны быть равны. Это позволит исключить из результатов измерений постоянную ошибку.

Если сигналы равны то, можно начинать процесс измерения. В поток воды добавляется некоторое количество примеси, и система измерения сразу начинает отслеживание уровня сигналов с датчиков и сравнение его с заданным уровнем. Уровень задается в процессе калибровки установки. Если сигнал измерительного датчика не падает ниже порогового уровня, то система автоматизации не выдает управляющего сигнала на исполнительное устройство и процесс измерения продолжается в нормальном режиме.

Далее количество примеси поступающего в поток воды постепенно увеличивают. Когда концентрация примеси превысит ПДК, то есть сигнал измерительного датчика упадет ниже порогового уровня, программа отслеживает время, в течение которого поддерживается данное значение. Значение времени также устанавливается программно. При истечении заданного времени формируется сигнал на исполнительное устройство, которое в свою очередь перекрывает основной канал стока воды и открывает резервный.

Выдержка времени предусматривается для того, чтобы исполнительное устройство не срабатывало на случайные всплески оптической плотности, которые могут быть обусловлены неравномерным введением примеси в воду.

После того, как сработало исполнительное устройство, процесс измерения продолжается далее. Если концентрация примеси упадет ниже ПДК и продержится в течение заданного времени, то на исполнительное устройство подается сигнал об открывании основного канала.

В течение всего процесса измерения значения сигналов отображаются на мониторе компьютера в виде графика отображающего изменение оптической плотности смеси во время проведения эксперимента. Также строится таблица, состоящая из значений оптической плотности записанных через заданные промежутки времени.

В диссертации рассматриваются аварийные выбросы, относящиеся к залповым, на определенном интервале времени.

Параметры таких выбросов определяются расчетно на стадии формирования санитарного паспорта промышленного предприятия. Выбросы образуются в результате аварии оборудования в цехах предприятия или в складах хранения вредных химических веществ.

При рассмотрении этого выброса в сточной трубе необходимо учитывать параметры основного потока жидкости, образуемого в течение рабочего времени предприятия за сутки. Этот поток может изменять параметры в определенные периоды рабочего времени (запуск оборудования, рабочий режим, обеденный и технологические перерывы, окончание работы).

Однако, аварийный выброс, по ряду параметров будет отличаться от основного потока жидкости, поскольку представляют сгусток неоднородной жидкости на определенном интервале времени.

Поскольку за основной параметр переложено использовать оптическую плотность потока жидкости, которая связана с плотностью вещества (жидкости), то возможно рассматривать три основных возможных характера изменения оптической плотности в сгустке сточной жидкости (рис. 4):

– сплошной сгусток в определенном интервале времени;

– сгусток, содержащий множество отдельных элементов на определенном интервале времени;

– группа сплошных сгустков на интервале времени.

Рисунок 4 – Эталоны аварийных выбросов Интервал времени, на котором рассматривается сгусток, определяется в первую очередь количество веществ выброшенных в трубу в результате аварии, а так же размером трубы и скоростью движения основного потока жидкости в трубе.

В основном потоке жидкости величина параметра плотности изменяется на длительном интервале времени.

На рисунке 5 представлены параметры режима работы системы. Значения плотности при каждом из них заметно отличаются. Поэтому каждый раз при смене параметров режима сбрасываются все настройки, и происходит инициализация всех переменных как на первоначальном этапе работы системы.

а б в Рисунок 5 – Параметры режима работы системы:

а – начало смены; б – перерыв на обед; в – окончание смены В связи с этим возникает задача обнаружения и фиксации параметров сгустка.

Для этого должны быть заданы критерии, по которым можно обнаружить выбросы.

На рисунке 6 представлены критерии начала аварии. Как только значение оптической плотности выходит за пределы амплитуды естественных колебаний, процесс включает проверку по трем критериям: критерий площади, критерий времени и критерий максимума. При истинности хотя бы одного из этих критериев, поступает информация о начале аварии.

а б в Рисунок 6 – Критерии начала аварии:

а – критерий площади; б – критерий времени; в – критерий максимума Критерий времени: на каждом шаге вычисляется длительность прохождения «сгустка», и выполняется проверка на превышение заданного значения Tmax.

Критерий максимума: на каждом шаге выполняется проверка на превышение заданного значения pmax.

Критерий площади: на каждом шаге вычисляется площадь «сгустка», и выполняется проверка на превышение заданного значения Smax.

Первый критерий определяется количеством вещества, определяющего объем сгустка в трубе, что при измерении оптической плотности является интегралом на интервале времени, или площадью на графике оптической плотности. При этом должно быть задано максимально возможное значение этого критерия (Smax).

Второй критерий определяется временем аварийной ситуации, сгусток любого характера (формы) располагаются на интервале времени, при этом может быть рассчитана максимальная длительность сгустка (Tmax), исходя из параметров системы сточных вод и объема вещества в сгусте.

Третий критерий определяется через изменение оптической плотности P/t. Поскольку в основном потоке жидкости идет плавное изменение плотности, то необходимо задать диапазон изменения оптической плотности Pmin и Pmax. Эти параметры сложно рассчитать, поэтому необходимо получить их экспериментальным путем на специальном лабораторном стенде, который содержит основные элементы-датчики, блок обработки сигналов аналогичные основной установке автоматического устранения аварийных выбросов.

Основные значения критериев определяются априорно на специальном стенде до установки системы на объекте.

На рисунке 7 изображен общий алгоритм функционирования системы. Он состоит из 3 частей: процесса инициализации (рисунок 8), рабочего процесса (рисунок 9), процесса аварии (рисунок 10). Рассмотрим их подробнее.

начало Процесс инициализации Рабочий процесс Процесс аварии Рисунок 7 – Общий алгоритм функционирования На первом этапе пользователь вводит необходимые для функционирования данные: L0 – длина начального участка определенного периода времени (заведомо не может быть аварии), L – длина рабочего участка, Tmax – максимальное значение времени (для критерия времени), Smax – максимальное значение площади (для критерия площади), Pmax – максимальное значение плотности (для критерия плотности). Также необходим выбор одного из трех параметров режима: начало смены, перерыв на обед и окончание смены. После получения всех этих значений алгоритм предусматривает небольшую задержку для разогрева системы, и затем начинается слежение за сигналами наблюдаемой величины – оптической плотности. На начальном (тождественно безаварийном) промежутке L0 оцениваются первоначальные значения p0 – положение равновесия и p – амплитуда естественных колебаний.

На втором этапе алгоритма продолжается слежение за сигналами наблюдаемой величины, и параллельно идет сохранение этой информации – предыстории. На каждом шаге вычисляется прогнозное значение средней величины плотности p0 и ее допустимый разброс p. При превышении амплитуды колебаний p0j + pj начинается проверка трех критериев: критерий времени, критерий площади и критерий плотности. Если значения выходят за пределы максимальных данных, происходит переход на процесс аварии, иначе цикл продолжается.

начало Ввод L,L_0,T,T_max, S_max,P_max Выбор параметра режима Задержка i:=0; j:=нет i:=i+i=L_да j:=Вычисление P0[1],deltaP[1] конец Рисунок 8 – Процесс инициализации На третьем этапе алгоритма происходит наблюдение за прохождением грязевого пятна. На управляющее устройство поступает сообщение об открытии клапана отвода, и начинается слежение за аварийным «сгустком». Слежение за сигналами наблюдаемой величины по-прежнему продолжается, а сохранение этой информации приостановлено, так как в алгоритме предусмотрена история только безаварийных ситуаций. В дальнейшем, после достижения нормы, поступает сообщение о закрытии клапана отвода и система вновь начинает функционировать в рабочем режиме. Возвращение происходит на предаварийный период.

начало Переход на Параметр режима да процесс изменился? инициализации нет i:=i+1; j:=j+Вычисление P0[j],deltaP[j] Сглаживание y[i-2] Занесение в память j>=2 да |P0[j] - P0[j-2]|=P0[j]+deltaP[j] да нет flag=true flag:=true да Инициализация критериев аварии нет Расчет критериев аварии Результаты нет удовлетворяют критериям аварии? да Авария Рисунок 9 – Рабочий процесс начало Открытие клапана отвода да i:=i+P[i]>=P0[j]+deltaP[j] нет flag:=false Закрытие клапана отвода Выдать признак конец Рисунок 10 – Процесс аварии В четвертой главе описана методика проведения экспериментов для исследования алгоритма и работы программы, регистрирующей изменение концентрации воды при выбросе в воду известкового раствора и масла.

Для эксперимента с известковым раствором были приготовлены взвеси следующих концентраций: 0,01 %; 0,02 %; 0,03 %; 0,05 %; 0,10 %; 0,20 %;

0,30 % и 0,50 %. Взвеси должны быть достаточно однородными, для этого необходимо их тщательно перемешать.

Для эксперимента с масляным раствором были приготовлены смеси следующих концентраций: чистое масло; 90 %; 80 %; 75 %; 60 % 50 %; 41 %.

Взвеси должны быть достаточно однородными, для этого необходимо их тщательно перемешать.

Результаты измерений показали, что датчик чувствителен к многократным выбросам известкового раствора через малые промежутки времени.

Экспериментальные исследования программы, регистрирующей изменение концентрации вещества по изменению сигнала датчика, показали, что программа чувствительна на изменение концентрации вещества при режиме работы лазера с напряжением от 3.5 В, при этом обнаружена минимальная концентрация обнаруживаемой известковой взвеси 0,01 %. Опорный сигнал необходим для проверки стабильности работы лазерного диода, если изменение сигнала происходит на обоих датчиках, то это говорит о том, что произошли изменения исходного сигнала.

На рисунке 11 представлен результат работы стенда при введении в чистую воду небольшого количества загрязнителя, в качестве которого был использован слабый меловой раствор (0,1 %).

10800 129104610039600 0 50 100 1показания измерительного датчика время, сек показания опорного датчика результат сравнения показаний двух датчиков Рисунок 11 – График изменения оптической плотности воды при введении загрязнения (0,1% меловой раствор) В приложении к диссертации также приведена функциональная схема контроллера установкой устранения аварийных выбросов.

Достоинствами предложенного метода является его универсальность. Ведь перечень показателей предписанных для контроля достаточно велик, а анализ стоимости аналитической техники показал, что создание на каждой водопроводной станции современной аналитической лаборатории является экономически невыгодным.

Эксперименты с различными концентрациями примесей показали работоспособность установки и надежность срабатывания при малых концентрациях.

Результаты измерений показали, что датчик чувствителен к многократным выбросам известкового раствора через малые промежутки времени.

отн. ед.

показания системы контроля, в Экспериментальные исследования программы, регистрирующей изменение концентрации вещества по изменению сигнала датчика, показали, что программа чувствительна на изменение концентрации вещества при режиме работы лазера с напряжением от 3,5 В, при этом обнаружена минимальная концентрация обнаруживаемой известковой взвеси 0,01 %.

Проведенные эксперименты позволили разработать производственный вариант установки определения аварийных выбросов, функциональная схема которого приведена в этой главе.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Показано, что состояние водоподготовки питьевой воды в случае аварийных выбросов сточных вод промышленных предприятий требует контроля в реальном масштабе времени, как в системах сброса сточных вод, так и в системах водозабора.

2. Предложен метод автоматического управления аварийным выбросом, с целью снижения его влияния на водоснабжение, с использованием контроля в реальном масштабе времени оптической плотности протекающей жидкости в водоводах.

3. На основе анализа известных методов анализа состава и плотности жидких сред в качестве способа контроля оптической плотности жидкости в водоводах предложен турбидиметрический метод с применением лазерного излучения.

4. Разработана лабораторная установка по контролю изменений оптической плотности водных сред. Установка включает в себя гидросистему для создания смесей, измерительную систему, содержащую датчики, устройство сопряжения и передачи данных в цифровом виде в компьютер, а также электромагнитный клапан, обеспечивающий перекрытие основного потока жидкости с примесью. Для оценки погрешностей измерения установки были проведены эксперименты по определению коэффициента пропускания для разных модельных жидкостей, а также с использованием стекол и светофильтров с известными значениями коэффициентов пропускания в исследуемой области спектра.

5. Проведены экспериментальные исследования предлагаемого метода управления аварийным выбросом на лабораторной установке, которые показали возможность автоматического контроля оптической плотности жидкости в большом динамическом диапазоне.

6. Получены эталоны диагностики аварийного выброса для мелового раствора и суспензии воды и масла.

7. Предложен алгоритм автоматического управления аварийным выбросом и разработана программа обработки измерений на ЭВМ с автоматическим переключением заслонок в водоводах.

8. Разработано программное обеспечение для осуществления измерений оптической плотности водных сред, содержащее программируемые модули для ввода данных, их отображение на экране, регистрации и предварительной обработки для принятия решения о воздействии на электромагнитный клапан.

9. Предложенный метод управления аварийным выбросом сточных вод обеспечивает контроль оптической плотности при соотношении сигнал-шум около 100 единиц и с достоверностью обнаружения выброса более 90 % при погрешности измерения не более 0,5 %.

Рекомендации по практическому использованию результатов Предложенный алгоритм автоматического устранения аварийных выбросов путем переключения направления потоков может быть использован:

– при проектировании, строительстве и реконструкции очистных сооружений поверхностных сточных вод потенциально опасных промышленных предприятий;

– при реализации систем автоматического предупреждения выбросов в системы водоподготовки питьевой воды;

– при создании нефтедобывающих комплексов, в которых используется вода в технологическом процессе со сточными сбросами в водоемы.

Результаты диссертационной работы внедрены:

– в организации Ассоциации «РОСТ» при создании систем экологического мониторинга и предупреждения аварийных ситуаций на потенциально-опасных объектах.

– в ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» в учебном процессе кафедр «Физика и оптотехника» (лекции и практические занятия).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Стерхова М. А. Установка автоматического предупреждения аварийных выбросов в системах фильтрации сточных вод // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2009. –№ 1(6). – Т. 11. – С. 1329–1332.

2. Алексеев В. А., Ардашев С. А., Козаченко Е. М., Юран С. И. Система управления автоматической установкой контроля оптической плотности сточных вод // Вестник ИжГТУ – 2010. – № 4. – С. 101–105.

3. Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Юран С. И. Автоматическая установка для устранения аварийного выброса в системах фильтрации сточных вод // Интеллектуальные системы в производстве. – 2012.

4. Патент на полезную модель. № 105456 Устройство для устранения аварийного выброса / Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Юран С. И., Перминов А. С. Опубл. Бюл. №16. 10.06.2011.

5. Патент № 113845 на полезную модель, МПК7: G01N21/00. Устройство устранения аварийного выброса / Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Юран С. И., Перминов А. С. Опубл. 27.02.2012. (Заявка на полезную модель № 2011144701/28 (067035) от 03.11.2011).

6. Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Хедр А. Снижение влияния аварийных выбросов в системах фильтрации сточных вод // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития : сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции в 2 ч. (г. Киров, 27–29 ноября 2007 г.) – Ч. 1. – С. 346–349.

7. Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Хедр А. Мониторинг аварийных выбросов в системах фильтрации сточных вод на предприятиях переработки сельхоз продукции // Приборостроение в ХХI веке : Труды 4-й научной конференции с международным участием (Ижевск 17–19 мая 2007 г.). – С. 99–104.

8. Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Хедр А. Снижение влияния аварийных выбросов в системах фильтрации сточных вод // Интеллектуальные системы в производстве. – 2008. – № 2. – С. 137–144.

9. Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Хедр А. Снижение влияния аварийных сбросов в системах фильтрации сточных вод // Теоретическая и прикладная экология. – 2009. – № 1. – С. 48–53.

10. Алексеев В. А., Козаченко Е. М. Предотвращение аварийной ситуации в системе водоснабжения при залповых загрязнениях // Фундаментальные исследования. – 2009. – № 3. – С. 38–40.

11. Алексеев В.А., Козаченко Стенд обработки режимов для установки предупреждения аварийных выбросов в водоводах.// Наука и практика: Проблемы, Идеи, Инновации: Материалы 4 международной научно-практической конференции.-Чистополь, ИНЭКА. 2009 с. 40-41.

12. Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Перминов А. С. Снижение влияния на водные источники аварийных ситуаций на объектах уничтожения химического оружия // Химическое разоружение-2009: итоги и аспекты технологических решений, экоаналитического контроля и медицинского мониторинга «CHEMDET-2009»: III Всероссийская конференция с международным участием. Россия, Удмуртская Республика, Ижевск, 7–11 сентября 2009 г. : сборник трудов. – С. 19–24.

13. Алексеев В. А., Козаченко Е. М. Система обнаружения залпового выброса вредных веществ в водоемы // Приборостроение-2009 : Материалы 2-й Международной научно-технической конференции (г. Минск, Республика Беларусь 11–13 ноября 2009 г.). – С. 36–37.

14. Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Перминов А. С., Стерхова М. А., Юран С. И. Автоматизированная система экологического мониторинга загрязнения воды оптическими методами : VII международная НТК «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». 2010 г. – С. 350–353.

15. Алексеев В. А., Ардашев С. А., Козаченко Е. М., Юран С. И. Система регулирования установкой мониторинга загрязнения сточных вод // Приборостроение-2010 : Материалы 3-й Международной научно-технической конференции (г. Минск, Республика Беларусь 10–12 ноября 2010 г.). – С. 14–15.

16. Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Перминов А. С., Стерхова М. А., Перминов А. С., Зверев А. Н., Юран С. И. Установка для автоматического предупреждения аварийных выбросов в системах фильтрации сточных вод // Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве : сборник докладов XI международной НПК (14–15 сентября 2010 г., г. Углич). – Ч. 2. – С. 374–379.

17. Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Юран С. И. Установка мониторинга загрязнения сточных вод // Измерения в современном мире – 2011 : сборник научных трудов Третьей Междунар. науч.-практ. конф. (С.-Петербург, 17–20 мая 2011 г.). – С. 72–74.

18. Алексеев В. А., Козаченко Е. М., Юран С. И. Автоматическая установка для устранения аварийного выброса в системах фильтрации сточных вод // Интеллектуальные системы в производстве. – 2011. – № 2. – С. 239–243.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.