CC BY
35
Розглянуте питання системного аналi-зу i математичного моделювання складних тженерних систем на прикладi комплексу подачi i розподлу води в житлово-кому-нальному господарствi
Ключовi слова: системний аналiз водопо-
стачання, насосне обладнання
□-□
Рассмотрен вопрос системного анализа и математического моделирования сложных инженерных систем на примере комплекса подачи и распределения воды в жилищно-коммунальном хозяйстве
Ключевые слова: системный анализ,
водоснабжение, насосное оборудование □-□
The problem of system analysis and mathematical modeling of complex engineering systems by the example of the complex water supply and distribution of housing and communal services Key words: systematic analysis, water supply, pumping equipment
■о о
УДК 621.65
СИСТЕМН1Й АНАЛ1З КОМПЛЕКСУ ПОДАЧ1 I РОЗПОД1ЛУ ВОДИ В ЖИТЛОВО-КОМУНАЛЬНОМУ ГОСПОДАРСТВ1
С.О. Хованський
Астрант
Кафедра прикладноТ гщроаеромехашки* Контактний тел.: 099-495-97-45 E-mail: [email protected]
В.Г. Н е н я
Кандидат техычних наук, доцент Кафедри шформатики* Контактний тел.: 066-454-19-29 E-mail: [email protected] *Сумський державний уыверситет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, УкраТна, 40007
1. Вступ та актуальшсть роботи
Системи водопостачання вщноситься до об'екпв життезабезпечення i тдтримання саштарно-етдемю-логiчноi безпеки населення, тобто е соцiальною складо-вою нацiональноi безпеки краiни. Разом з цим системи водозабезпечення належать до числа найб^ьш ресурсо-та енергоемних технолопчних об'ектiв у комунальному господарствi [1]. Пошук шляхiв зниження енергоемно-стi водопостачання е актуальною проблемою сьогоден-ня, оскiльки мае як сощальш так i економiчнi аспекти, а саме полiпшення умов життя людей, тдвищення еконо-мiчного потенцiалу держави, зменшення екологiчного навантаження на навколишне середовище тощо.
Система подачi i розподiлу води (СПРВ) на су-часному етапi е складним комплексом шженерних споруд, машин i апаратiв. Кожен елемент СПРВ вико-нуе специфiчнi функцii та характеризуеться певними параметрами. СПРВ в житлово-комунальному госпо-дарствi характеризуються безлiччю робочих станiв, при цьому елементи системи не завжди працюють у власних робочих дiапазонах з максимальною ефектив-нiстю, що може призводити до виходу з ладу елемента та зниження ефективносп системи в щлому [1]. Шд-вищення ж ефективностi роботи окремого елемента системи не завжди гарантуе тдвищення ефективносп функщонування системи в щлому [2, 3].
Техшчш системи, що характеризуються складни-ми взаемозв'язками мiж елементами, перетворенням енергп з одного виду в шший, невизначешстю тех-нiчних характеристик елементiв, безлiччю робочих станiв, як кожного елементу, так i системи в щлому, потребують цiлiсного системного аналiзу.
2. Аналiз попереднiх дослщжень
1нженерам та науковцям у галузi технiчних наук притаманний комплексний тдхщ до розгляду дослвд-жуваних об'ектiв та процеав, при якому розглядають-ся уа складовi та взаемодiя мiж ними. Разом з тим, ця вдеолопя сформувалась у окремий науковий напрямок - системний аналiз та його складову стосовно тех-шчних систем - системотехшку [2 - 5]. Дана наукова дисциплша е досить затребуваною серед науковцiв але широко декларуеться лише серед методiв дослщжен-ня та аргументування окремих положень. У наявнш науково-методичнiй лiтературi з водопостачання, п-дравлiчних мереж, динамiчних насосiв та прикладiв конкретного застосування системного аналiзу як методики дослвдження технiчних систем, вкрай обмаль, а в галузi динамiчних насоав зазначенi методи майже не використаються. У поодиноких прикладах системний аналiз застосовуються до окремих аспектiв функщону-
вання дослщжуваних об'екпв, а не до систем в щлому, де об'ект е однieю з складових системи.
3. Мета та задачi роботи
Метою дано! роботи е тдвищення ефективностi функцiонування систем подачi та розподшу води. При цьому, виршуеться задача проведення системного аналiзу для виявлення найважливших та першочер-гових заходiв удосконалення СПРВ.
4. Матерiали та результати дослiдження
На першому етапi системного аналiзу дослщжува-ний об'ект розглядаеться як "чорна скриня", визнача-еться мета функцiонування дослщжуваного об'екту, головна функцiя, вхiднi та вихщш елементи, ресурси та результат, критерп та мiри ефективностi функщо-нування [2 - 5].
Призначення системи водопостачання, як функцп, для виконання яко! система створена, полягае у за-безпеченнi споживачiв водою за нормованого тиску у всьому дiапазонi змши витрат. При цьому, необхвдно вирiшити задачу забезпечення економiчного функщо-нування системи подачi та розпод^у води. Структурна схема СПРВ представлена на рис. 1.
У СПРВ проходить процес перетворення електрично! енергп в гiдравлiчну енергiю рiдини. Вхщ-ним елементом е вода (об'ем VН, м3) з певним значен-ням початково! гiдравлiчноi енергii. До ресурсiв у основному вщноситься електрична енергiя (потуж-нiсть N, кВтгод), що витрачаеться на привщ насосiв, та початкове значення гiдравлiчноi енергii рiдини (натр НН, м). Вихiдним елементом е об'ект системи подачi та розпод^у, доставлений до мiсця призна-чення, зазначеного споживачем, а саме вода (об'ем VК, м3). До результату вiдноситься вода з певним значенням гiдравлiчноi енергп (НК, м).
Для технiчних систем вид^яють рiвнi роботи, пов'язанi з рiзноманiтними режимами функщонуван-ня систем [3]. Так, для СПРВ можна вид^ити на-ступнi види роби: режим безперервноi дii з постшним графiком водоспоживання у часi; режим безперервноi ди зi змiнним графжом водоспоживання у часi; режим перервноi ди з постiйним графiком водоспоживання у часц режим перервно! ди зi змiнним графiком водоспоживання у часi.
Вхщш елементи Вихщш елементи
Вода Уп, м3 Ресурси Система подач1 та Вода ¥к, м3 Результат (
1. Електрична енерпя N кВттод 2.Пдравл1чна енерпя води на вход1 Нп, м розподшу води Пдравл1чна енерпя води на виход1 Нк, м
вихiдних елементiв, ресурсу та результату [4]. Таким чином, техшчний рiвень функцiонування СПРВ може характеризуватися наступними критерiями та мiрами ефективностi (див. рис. 1):
1. Стутнь втрат води в системi - вiдношення юль-костi води, яку отримав споживач, до води перекачано! насосними станщями: К1 = VК / Vп;
2. Гранична енерговитратшсть системи - iдеальний випадок функщонування системи, якщо в нш вiдсутнi втрати енергii: К2 = НК - НП;
3. Енергетична ефектившсть функцiонування системи - ввдношення приросту гiдравлiчноi енергп до затрачено! електроенергп: К3 = (НК - НП) / N;
4. Початкова питома вага гiдравлiчноi енергп: К4 = Нп / Vп;
5. Питома вага гiдравлiчноi енергп, отримано! спо-живачем: К5 = НК / VК;
6. Енергоефектившсть системи - вiдношення затрачено! електрично! енергп на привiд електродвигу-нiв N до отримано! води споживачем: К6 = N / Vп.
На другому етапi системного аналiзу будують структурно-функцiональну схему, визначають призначення i характеристики кожно! пiдсистеми комплексу та встановлеш взаемозв'язки мiж ними [2 - 5].
Розглянемо систему водопостачання, основш елементи яко! зображенi на рис. 2. У цш система 1 - дже-рело гiдравлiчноi енергii, мiсце забору води (резервуар, водоводи низького тиску тощо); 2 - водоводи системи подачi та розподшу води на насосну станщю з запiр-но-регулюючою арматурою; 3 - мережа електрожив-лення; 4 - електричний привщ насосiв (синхроннi чи асинхронш електричнi двигуни); 5 - насоси насосно! станцп; 6 - водоводи системи подачi та розпод^у води до споживача з затрно-регулюючою арматурою; 7 - споживач води. Незаперечно основними елементами системи е насоси насосно! станцп. Вiдносно них третш (мережа електроживлення) та четвертий (електрич-ний привiд) елементи у сукупност складають вхiдну електричну пiдсистему. Перший та другий елементи у сукупност складають гiдравлiчну вхiдну пiдсистему. Шостий (мережа водопадiв з запiрно-регулюючою арматурою) та сьомий (споживач) елементи входять до складу гiдравлiчноi вихщно! тдсистеми.
електрична ехидна тдсистема
г!драел1чна
ех1дна тдсистема
Рис. 1. Структурна схема СПРВ
При визначенш техшчних критерпв функщонуван-ня системи використовують рiзнi комбiнацii вхiдних,
Рис. 2. Структурна схема комплексу подачi та розподту води
Зупинимося детально на призначенш i характеристиках тдсистеми:
1. Електрична вхщна пiдсистема призначена для доставки електрично! енергГ! i перетворення !! у меха-шчну та складаеться з наступних елеменпв:
- мережа електроживлення - здшснюе електро-забезпечення СРПВ та характеризуеться опором
1
електрично1 мереж1 та втратами на подолання цього опору;
- електричний привщ насос1в (синхронш чи асин-хронш електричш двигуни) - здшснюе перетворення електрично'1 енергп в мехашчну. Даний елемент систе-ми характеризуеться залежшстю обертового моменту в1д частоти обертання ротора електродвигуна, геоме-трична штерпретащя яко1 для асинхронних двигушв представлена на рис. 3.
2. Пдравл1чна вхщна тдсистема призначена для доставки води з певним запасом гвдравл1чно'1 енергп та складаеться з наступних елемент1в:
- джерела гщравл1чно'1 енергп, м1сце забору води (резервуар, водоводи низького тиску тощо), характеристика яких представлена на рис. 3;
- водоводи системи подач1 та розпод1лу води на насосну станщю з затрно-регулюючою арматурою - забезпечують транспортування та розпод1л води в1д джерела до насосу та мають характеристику, представ-лену на рис. 3.
3. Насос - призначений для перетворення меха-шчно'1 енергп приводу (електродвигуна) у г1дравл1чну енерпю рщини та мае характеристики, представлен на рис. 3.
4. Пдравл1чна вихщна тдсистема призначена для доставки води з певним запасом пдравл1чно'1 енергп, 11 розпод1лу у споживача та складаеться з наступних елемент1в:
- водоводи системи подач1 та розпод1лу води на насосну станщю з затрно-регулюючою арматурою - забезпечують транспортування та розпод1л матер1аль-них ресурав до споживача та мають характеристику, представлену на рис. 3;
- споживач - елемент, для забезпечення потреб котрого призначена вся система.
В реальних умовах споживачами води можуть бути, як окрем1 (приватний будинок, квартира), так 1 групов1 (багатоповерховий будинок, група будинюв) об'екти, як1 можуть знаходитися на значнш вщсташ один вщ одного. У даному випадку ми замшюемо групу реальних споживач1в умовним спо-живачем, котрому притаманш наступш умови та обмеження:
- споживача необхвдно без-перебшно забезпечувати водою у всьому д1апазош в1д Цтах до Цтт, при чому кожне значення витрати у цьому д1апазош мае певне значення ймов1рност1;
- в1льний натр у госпо-дарсько-питному водопро-вод1 у споживача не повинен перевищувати 60 м (вщповщно СНШ 2.04.02 - 84).
- м1шмальне значення не-обхвдного в1льного напору в системах комунального водопо-стачання ввдповщно до СНШ 2.04.02 - 84 у точщ приеднання споживача до зовшшньо'1 водо-провщно'! мереж1 визначаеться як:
де п - к1льк1сть поверх1в будинку.
Враховуючи вищезазначене можна стверджувати, що споживач у данш систем1 мае власну г1дравл1чну характеристику для забезпечення сво1х потреб, пред-ставлену на рис. 3. Необхщно також зазначити, що передумовою такого твердження в системах госпо-дарсько-питного водоспоживання е СНШ 2.04.02 -84, у виробничих процесах - нормативш вимоги до здшс-нення техшчного процесу.
У дослщжуванш систем1 не вс1 елементи мають характеристики тако'1 просто'1 прямолшшно'1 форми. Для трубопровод1в це будуть квадратичш параболи, моментна характеристика електричного асинхронного двигуна апроксимуеться залежшстю Клосса, натрна характеристика насоса - дов1льна крива. Якщо характеристики елемент1в СПРВ розташувати у порядку знаходження вид1лених тдсистем, то отримаемо роз-рахункову схему функщонування системи (рис. 3).
Анал1з рис. 3 показуе, що робоча точка функщо-нування системи визначаеться шляхом узгодження ус1х характеристик 1 е задачею нелшшною та достат-ньо складною. Змши у одному окремо вибраному елемент1 неминуче вплинуть на параметри функщонування ус1е'1 системи. Тому, вир1шення кожно'1 1з поставлених задач необхщно виконувати з урахуван-ням даного положення. Такий шдхщ опрацьовано в робот1 [6]. Встановлено, що характеристики в1дцен-трових насос1в змшюються залежно в1д наванта-ження на насос, за рахунок змши частоти обертання ротора, що також ускладнюе процес моделювання СПРВ в щлому.
Практика виршення задач нелшшно'! динамжи вказуе на те, що отримати на виход1 1з системи не-обхщш параметри практично неможливо. Кр1м того, СПРВ працюе щлодобово у р1зних умовах. Це вказуе на те, що у данш систем! необхщно запровадити регу-лювання. Причому, об'ектом регулювання е параметри води на виход1 1з системи, а виб1р регулятора е окре-мою оптим1зацшною задачею, осюльки ус тдсистеми СПРВ можуть виконувати дану функщю.
електричнии двигун
г1дравл1чна входна подсистема
електрична входна подсистема
г1дравл1чна виходна подсистема
джерело водоводи з
годравл1чно1 затрно-регулюючою енерги арматурою
водоводи з зап!рно-регулюючою арматурою
споживач
Н = 10 + 4 (п-1),
Рис. 3. Структурна схема функцюнальноТ взаемоди тдсистем СПРВ
Одним iз шляхiв покращання умов експлуатацп енергоперетворюючого обладнання у СПРВ та проце-су регулювання е використання насосного обладнан-ня iз формами характеристик, що найкращим чином задовольняють конкретним умовам. Так у робой [7] встановлеш вимоги до форми характеристики насоав для умов використання одного та декшькох насоив, що працюють паралельно на мережу, а також до насо-сiв, якi працюють у режимi регулювання частоти обе-ртання !х ротора.
Враховуючи вищесказане, система подачi та роз-подшу води - це технiчна закрита, динамiчна система, яка е iерархiчно впорядкованою, складаеться з тдсистем, централiзованою, оскiльки центральним i основним елементом е насос, мае властивост шерцш-ностi, тому вимагае певного часу для переходу з одного режиму роботи на шший, та властивост адаптивности через що зберпае сво! функцп при збурених дiях на-вколишнього середовища та налаштовуеться пiд новi умови.
5. Висновки
Проведено аналiз функцiонування СПРВ та си-стемний аналiз !! функцiонування i вперше визначенi наступнi положення:
1. Споживач мае власну характеристику в координатах Н = ^Ц);
2. Функщонування СПРВ нацiлене на забезпечен-ня вказано! характеристики, отже параметри потоку на виходi iз СПРВ е об'ектом регулювання в даних системах i можливiсть забезпечення дано! характеристики е умовою придатност (вщбору) рiзних способiв регулювання;
3. Визначеш показники ефективностi функцюну-вання системи подачi та розподiлу води;
4. Для аналiзу впливу окремих змш однieï шд-системи необхщно виконувати моделювання роботи усieï СПРВ.
Лиература
1. Евтушенко А.О. Визначення оптимального складу насосно!' станцп' / А.О. Евтушенко, В.Г. Неня, 1.М. Сотник, С.О.Хованський // Вюник Кременчуцького державного ушверситету. - 2008. - Вип. 4/2008 (51). - С. 168 - 171.
2. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа: Учеб. пособие / В. Н. Спицнадель. - СПб.: «Изд. дом «Бизнесс-пресса», 2000. - 326 с.
3. Тарасенко Ф.П. Прикладной системный анализ (наука и искусство решения проблем): Учебник / Ф.П Тарасенко.
- Томск: Из-во Том. у-та, 2004. - 186 с.
4. Романов В.Н. Системный анализ для инженеров / В.Н. Романов. - СПб.: СЗГЗТУ, 2006. - 186 с.
5. Згуровський М.З. Основи системного анашзу / М.З. Згуровський, Н.Д. Панкратова. - К.: Видавнича група BYV, 2007. - 554 с.
6. Неня В.Г. Зовншне проектування вщцентрових насоав / В.Г. Неня, В.П. Захарченко // Промислова пдравлша та пневматика. - 2008. - №1 (19). - С. 71 - 74.
7. Хованський С.О. Вимоги до форми енергетичних характеристик вщцентрових насоав гщракшчних мереж комунального водопостачання / С.О. Хованський // Промислова пдравлша та пневматика. - 2010. - №1(27).
- С. 56 - 61.
