Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и проблемы проектирования судовых систем приготовления питьевой воды 9
1.1. Обзор существующих систем приготовления питьевой воды на судах 9
1.2. Контроль качества воды 17
1.3. Автоматическое регулирование процессов приготовления питьевой воды 22
1.4. Постановка задачи исследований 32
Глава 2. Разработка математического описания судовой системы ппв с учетом управления качеством водоочистки 36
2.1. Описание работы системы с управляемым технологическим процессом очистки воды 36
2.2. Предпосылки для создания математического описания работы судовой СППВ 40
2.3. Уравнение материального баланса в реакторе судовой системы ППВ с рециркуляцией, учитывающее динамику процесса 43
2.4. Уравнение энергетического баланса системы ППВ с рециркуляцией 51
2.5. Математическое описание блока контроля ка чества воды 58
Глава 3. Теоретическое и экспериментальное исследование переходных процессов в управляемой системе ППВ 65
3.1. Определение допустимых интервалов изменения управляющих факторов 65
3.2. Экспериментальное исследование переходных процессов
3.2.1. Задачи и методика проведения экспериментов 75
3.2.2. Описание экспериментальной установки
3.2.2.1. Пневмогидравлическая схема 78
3.2.2.2. Схема регулирования мощности озонатора
3.2.3. Порядок проведения экспериментов 82
3.2.4. Результаты экспериментов. Оценка адекватности модели 86
Глава 4. Разработка методика проектирования судовых систем ппв с управляемым по качеству воды технологическим процессом 98
4.1. Область применения модели 98
4.2. Исходные данные для проектирования 100
4.3. Проектирование системы ППВ с использованием математической модели 102
Заключение 108
Литература
- Контроль качества воды
- Предпосылки для создания математического описания работы судовой СППВ
- Экспериментальное исследование переходных процессов
- Исходные данные для проектирования
Введение к работе
Актуальность темы. Использование забортной воды для водо
снабжения крупных речных судов, составляющих основу транспортного
флота, является традиционным. Однако интенсивное загрязнение судо
ходных водоемов делает весьма сложной реализацию задачи водоснаб
жения в технологическом плане. Для получения питьевой воды из
речной необходим целый комплекс мер по ее обработке, включающий
осветление, обеззараживание и дезодорацию. .
Реализовать комплекс подобных технологических мероприятий в
условиях речного судна достаточно сложно из-за жестких массогабарит-
ных ограничений. Так, например, при обеспечении уровня водопотреб-
ления, сопоставимого с береговыми условиями или условиями морского
судна, масса системы водоснабжения речного судна может составлять
более 20% его водоизмещения. Поэтому применение на речном судне
обычной для береговых станций схемы обработки воды оказывается не
возможным. ,
Усилиями таких ученых и инженеров как Баранов АЛ., Бграц В. А., Васильев К. А., Николаев М.В., Сев&ЇГЬянов А.Г, Этан В Л. были созданы и внедрены в npajmiK^ водоснабжения судов,внутреннего и смешанного плавания системы приготовления 'питьевой воды (ГОТВ), использующие в качестве реагента озон. Применение подобных установок в судовых системах водоснабжения позволило сущесткеино v:.-t-шить условия труда и отдыха людей на борту судна. В то же гремя органами Государственного ганитарно-эпидимиолргического надзора (ГСЭН) по-прежнему отмечается большое количество неудовлетворительных анализов проб воды из водопроводной сети на судах..
Результаты исследований качества питьевой воды на различных
судах, выполненные по данным ГСЭН за 1993-98 гг., показали, что га-раїгафованное качество питьевой воды, приготовленное судовыми системами озонирования, может быть обеспечено в 5% случаеа і;з пассажирском флоте и лишь в 65-75% случаев па грузовом.
Низкая санитарная надежность судовых систем ППВ связана гліз-«ым образом с отсутствием в настоящее время комплексного подхода к пх проектированию. Такой подход должен предусматривать создание гибких автоматнзировашых комплексов па основе средств непрерывного контроля качества очищенной воды н учитывать условия эксплуатации судовых систем ППВ. Таким образом, совершенствование судовых систем ППВ продол>::ает быть актуальным и в настоящее время.
Цаль работы. Целью диссертацнкшой работы является создание методики праекгеровашм судозой системы приготовления питьевой воды с потсициометрическнм способом контроля качества, предусматривающей управление процессом озонирования с помощью частоты то:ш озонаторов н прошводігтельностн системы.
Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
в Создано математическое описание судовой системы ППВ с учетом
управления процессом водоочистки. » Теоретически и экспериментально исследованы переходные процессы в управляемой системе ППВ. о Обоснованы допустимые интервалы изменения факторов, управляющих технологическим процессом. Метод исследования - теоретический и экспериментальный. Научная новизна. Впервые создано математическое описание судовой системы ППВ с учетом управления процессом водоочистки и ис-
следозаны переходные процессы, возникающие- при изменении внешних п управляющих факторов.
Практическая ценность состоит в разработке методики проектировать судовой с«стеми приготовления питьевой воды с потенциометри-ческим способом кон тратя качества, предусматривающей управление процессом озонирования с помощью частоты тока озонаторов н проігз-ЕОдителыюстн системы. Применение данной методики обеспечивает дальнейшее соверпіеіїствозаішс данных систем в направлении повышения їіх санитарной надежности.
Методика расчетов была внедрена при проектировании опытного
образца судового комплекса водоочистки (АКВО). В даль-
нейшем указанные комплексы составили основу более десяти реализованных проектов систем снабжения питьевой водой больниц, школ п детских садов.
Результаты исследований использованы в учебном процессе.
Апробяттня работы, Основные положення диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедри «Теории корабля я экологии судоходства» Волжской государственной академия водного транспорта, ХХХШ научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТа и конференции, посвященной 70-летию академии.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы и получен патент на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Ее объем составляет 126 страниц, в том числе 21 рисунок, 13 таблиц. Список литературы содержит 105 наименований.
Контроль качества воды
Для получения питьевой воды из речной необходим целый комплекс мер по её обработке, включающий осветление, обеззараживание и дезодорацию.
Реализовать комплекс подобных технологических мероприятий в условиях речного судна достаточно сложно из-за жестких массогабаритных ограничений. Так, например, при обеспечении уровня водопотребления, сопоставимого с береговыми условиями или условиями морского судна, масса системы водоснабжения речного судна может составлять более 20% его водоизмещения. Поэтому применить на речном судне обычную для береговых станций схему обработки, включающую в себя отстаивание, реагентную коагуляцию, фильтрацию и обеззараживание оказывается невозможным.
Усилиями таких ученых и инженеров как Васильев К.А., Баранов А.Л., Барац В.А., Николаев М.В., Этин В.Л., Севастьянов А.Г. были созданы и внедрены в практику водоснабжения судов внутреннего и смешанного плавания озонаторные системы ППВ. В результате окончательно сформировалась принципиальная технологическая схема судовой системы ППВ: фильтрация + озонирование.
Применение указанных систем для водоснабжения судов позволило существенно улучшить условия труда и отдыха людей на борту судна. В то же время органами Государственного санитарно-эпидимиологического надзора (ГСЭН) по-прежнему отмечается большое количество неудовлетворительных анализов проб воды из водопроводной сети на судах.
Результаты исследований качества питьевой воды на различных судах, выполненные по данным ГСЭН за 1993-98 гг., позволяют оценить надёжность работы систем водоснабжения, в составе которых имеются озонаторные системы ППВ. В табл. 1.1 приведено количество выполненных анализов и процент стандартных проб воды, т.е. проб, удовлетворяющих санитарным нормам, (ПСП) для разных проектов судов АО «Волга-флот», оснащённых различными типами станций ПИВ.
Из таблицы видно, что гарантированное качество питьевой воды, приготовленное судовыми системами озонирования, может быть обеспечено в 85% случаев на пассажирском флоте и лишь в 65-75% случаев на грузовом.
При анализе работы систем водоснабжения различных типов судов можно видеть, что только системы ПИВ, оснащённые станциями «Озон-4В» (суда проектов 302 и 305), приближаются по санитарной надёжности к требованиям, которые предъявляются к ним органами ГСЭН и заложены в технической документации при проектировании. Остальные системы работают недостаточно эффективно.
Наличие анализов воды, не удовлетворяющих требованиям санитарных норм, обусловлено двумя группами причин. Первая включает в себя проблемы обработки забортной воды до требуемого уровня, вторая связана с проблемой сохранения приготовленной воды на судне ввиду возможного вторичного загрязнения.
Основными факторами, влияющими на санитарную надёжность работы станций ППВ, являются качество исходной (забортной) воды, техническое состояние оборудования и используемая технология водоочистки. Известно, что качество речной воды различно для разных бассейнов, имеет сильные колебания по длине одной и той же реки, а также сильно отличается в зависимости от сезона [11 - 13]. Сохранение гарантированного состава воды в «условно чистых» плесах с учетом изменения гидрометеорологической обстановки на реках и деятельностью промышленных предприятий также весьма проблематично. Исследования, проведенные сотрудниками Волжской Таблица 1.1
Санитарная надежность работы систем ППВ, установленных на судах АО "Волга-флот" государственной академии водного транспорта в 1990 г. [14] выявили наличие некоторых соединений (фенолов, нефтепродуктов, нитритов, алюминия) в концентрациях, превышающих предельно допустимые от 2 до 45 раз во всех «условно чистых» плесах р. Волга. По сведениям республиканского СЭН в 1990 г. несоответствие требованиям ГОСТа исследованных проб воды в «условно чистых» плесах по химическим показателям составило: в Амурском бассейне -100%, в Камском и Северном - 20%, качество воды по бактериологическим показателям было ниже нормативного в Иртышском и Камском бассейнах - в 20 % случаев, в Московском - в 7% . в Северном - в 17%. Кроме того, на практике суда часто забирают воду в совершенно произвольных местах по ходу движения, где качество воды может быть еще более низким. Здесь необходимо либо решать задачу охраны водного бассейна в целом, требующую усилий в государственном масштабе, либо обеспечить достаточную надежность приготовления питьевой воды в судовых условиях, учитывая переменный по качеству состав поступающей на обработку воды.
Техническое состояние станции озонирования в целом зависит от нормального функционирования отдельных её частей. Как показано в ряде работ [15, 16], неудовлетворительная работа отдельных узлов и агрегатов станций определяется как наличием конструктивных недостатков, так и отсутствием необходимого и своевременного обслуживания (ограниченность и недостаточная квалификация штата, отсутствие материалов и запасных частей и пр.).
Предпосылки для создания математического описания работы судовой СППВ
Применительно к использованию вышеуказанных систем на речных судах можно заметить, что недостатком системы [54] помимо чисто конструктивно-технологических особенностей, связанных с очисткой сточных вод, является снижение производительности при ухудшении качества обработанной воды. Способ и устройство [55] пока не нашли применения в связи с отсутствием какого-либо экспериментального подтверждения, а внедрение их на судах потребует значительных организационно-технических и финансовых затрат.
В зарубежных источниках также найдены примеры автоматизации систем озонирования воды на береговых станциях водоочистки. Пропускная способность установки, находящейся в г. Дордрехт (Нидерланды), регулируется поэтапно [56]. Сочетание водяных насосов различной производительности дает в общей сумме 11 вариантов включенных положений. Необходимое положение вместе с дозировкой озона выбирается исходя из потребления воды, что составляет основу для автоматизации работы озонаторной установки. Система автоматики выбирает количество и скорость вращения ротационных вентиляторов, которые необходимо включить, мощность, которую необходимо подать на вход озонаторного генератора, а также количество устройств контактирования воды с озоном, которые будут работать.
После контактирования озона его концентрация в воде замеряется и поддерживается постоянной посредством обратной связи за счет варьирования мощности, подаваемой на генератор озона. Недостатком данной системы следует признать то, что регулировка дозы озона производится только в зависимости от объема водопотребления без учета качества воды. Это, как уже отмечалось, обусловлено достаточно интенсивной очисткой воды, предшествующей озонированию, на береговых станциях.
Регулировка дозы озона на водопроводной станции в г. Лос-Анджелес (США) осуществляется путем автоматического подключения дополнительных генераторов озона при снижении его концентрации в воде ниже установленного уровня [57]. Очевидно, что недостатком данной системы является повышенная материалоемкость и недостаточно эффективное использование оборудования. Перспективным, на наш взгляд, является использование комбинированного способа управления процессом озонирования, включающего как изменение дозы озона, так и времени контакта его с водой. Как уже отмечалось выше, в конструкцию судовых станций "Озон-2ПУ0,75" и "Озон-6" уже заложено увеличенное за счет применения рециркуляции время контакта озона с водой (предозонирование), которое можно сделать управляемым. Изменение дозы озона достаточно легко достигается путем варьирования его концентрации в озоно-воздушной смеси, вырабатываемой озонатором. Здесь наиболее перспективным, экономичным и имеющим широкие возможности способом является управление концентрацией озона при помощи изменения частоты тока питания озонатора [58].
Принципиальная схема судовой системы ППВ, предполагающей использование обоих способов управления процессом обработки воды озоном, представлена на рис. 1.7.
В состав системы должны входить датчик измерения окислительно-восстановительного потенциала Д, задатчик нормативного значения ОВП 3, блок сравнения нормативного и фактического потенциала БС и регуляторы Р1 и Р2, которые управляют производительностью генератора озона и величиной кратности циркуляции при помощи специального регулирующего клапана.
Преимуществом данной схемы является то, что в ней заложена возможность обеспечения максимальной производительности системы по воде в широких пределах регулирования. Кроме того, регулирование путем изменения величины кратности циркуляции может быть использовано без каких-либо серьезных конструктивных доработок на существующих судовых озо-наторных станциях ППВ.
Экспериментальное исследование переходных процессов
Вопросу теоретического рассмотрения того, что поддержание некоторого значения концентрации озона является гарантией чистоты воды при ее дезинфекции, посвящена работа [27]. В ней подтверждается, что контроль качества очистки воды озоном может осуществляться путем контроля избыточной концентрации реагента, которая зависит от величины начальных концентраций загрязняющих веществ, константы скорости протекающих реакций, нормированных остаточных концентраций загрязнения и времени пребывания воды в реакторе. Здесь же показано, что вопрос контроля в практических условиях можно значительно упростить, если вместо концентрации озона использовать величину окислительно-восстановительного потенциала Е (мВ), который функционально связан с ней. Данная теоретическая предпосылка была подтверждена экспериментально [27, 77]. При этом, с учетом случайного характера всех процессов, была получена зависимость вероятности появления стандартного анализа от величины окислительно-восстановительного потенциала по различным показателям качества (табл. 2.1).
В аспекте рассмотрения настоящей работы более ценной является за висимость ОВП от определенного показателя качества воды E=f(n). Част ная реализация f(n) - функция, определяемая экспериментально. Для описа ния градуировки прибора измерения ОВП пригодны методы аппроксимации. Условием приемлемости такой аппроксимации является достижение минимума ошибки в каждой точке функции [18, 33]. Зависимость ОВП от показателей качества воды не является строго определенной [27]. На величину потенциала влияют различные факторы: температура воды, ее кислотность, солевой состав и т.д. Однако, о функции E=f(n) можно с уверенностью сказать следующее: 1. Это убывающая функция, т.е. при прочих равных условиях более загрязненной озонированной воде соответствует более низкий потенциал;
При значении потенциала Е 700 мВ вода с вероятностью более 0.95 является чистой (т.е. концентрация загрязняющих веществ в питьевой воде п меньше нормативной [п]) по всем показателям качества [77].
Это означает, что конкретная реализация функций E=f(n) может быть различной, но ни одна из них не должна попадать в область п [п] при Е 700 мВ, так как при данном потенциале наблюдались лишь положительные анализы.
Для получения ориентировочной зависимости Е(п) были использованы данные упоминавшихся ранее экспериментов. Результаты этих исследований не дают точного определения величины ОВП при конкретном значении показателя качества, а лишь указывают вероятность получения нормативной величины этого показателя в различных интервалах изменения ОВП. Однако указанная функция в этом случае все же может быть формально получена, если принять предположение о нормальном характере распределения результатов анализов качества воды на каждом интервале изменения потенциала. Такое допущение правомерно, поскольку характер исследований качества воды [27, 77] не противоречит центральной предельной теореме о нормальном законе распределения случайной величины [78]. В связи с этим, на основании интегральной предельной теоремы, вероятность получения питьевой воды с показателем качества не ниже нормативного на каждом интервале изменения ОВП можно представить следующим образом: п J -О0-/2 ґ[п]_її\ ( „ \ Ф Р(Л [И]) = ФІ V ап J (2.24) где [п] - нормативное значение показателя качества; n - среднее значение этого показателя на данном интервале ОВП; ап - стандартное отклонение показателя качества в стационарном режиме; Ф - функция Лапласа. С учетом (2.1), выражение (2.24) можно записать в следующем виде: ґ[п]-у-п f- - - А 00 У по Ф (2.25) J„ и J V п J Р{п [п]) = Ф где по - значение показателя качества исходной воды; ап - стандартное отклонение данного показателя; У - средняя степень загрязнения воды в реакторе по данному показателю качества на определенном интервале ОВП в стационарном режиме. Учитывая, что Ф{(-оо- /?())/ т„}=-0.5 [78], а также зная величину вероятности получения качественной воды по каждому показателю на каждом интервале изменения потенциала, можно определить функцию Лапласа, степень загрязнения и среднее значение показателя качества очищенной воды на любом интервале. Для практического определения зависимости Е(п) по показателям качества цветности и коли-индексу на основании статистических данных были подсчитаны математическое ожидание и стандартное отклонение этих показателей для волжской воды в районе Н.Новгорода. По показателю цветности математическое ожидание и стандартное отклонение составили соответственно 54,6 и 16,83. По показателю десятичного логарифма коли-индекса, с учетом работы [77], эти характеристики составили 6,723 и 0,577. В табл. 2.1 представлена связь величины ОВП с численным значением показателей качества питьевой воды. На основании приведенных в табл.2.1 данных можно установить связь величины окислительно-восстановительного потенциала с показателем качества воды. Такая связь была получена путем аппроксимации данных по методу наименьших квадратов [79]. В результате получены следующие зависимости значения ОВП от показателя качества питьевой воды: по цветности: (w,) = 3810.1-289.91-wI + 8.222-я2 -0.0765-п\ (2.27) по десятичному логарифму коли-индекса: Е(пх) = 1289.0-2306.75-«J +2242.82-л,2 -708.85-л? (2.28)
Исходные данные для проектирования
Установленные при расчете на модели технические параметры системы могут служить основанием для разработки конструкции основных ее узлов: реактора, системы приготовления озона. Кроме того, расчеты могут служить основанием для изменения принципиальной схемы станции ППВ: использование или отказ от трубопровода циркуляции, уточнение гидравлических характеристик основных технологических трубопроводов системы.
Предлагаемое описание имеет немаловажное значение для разработки системы автоматического регулирования при установления основных функциональных и конструктивных параметров ее элементов. Исследование передаточных функций и амплитудно-частотных характеристик звеньев цепи регулирования позволяет установить характеристики регуляторов и определить область устойчивости управляемой системы [39, 42, 88 - 90].
Наличие математической модели и широкое распространение вычислительной техники обеспечивают автоматизацию проектирования подобных систем.
Необходимо отметить, что рассматриваемая модель применима при проектировании не только судовых, но и береговых систем, использующих озонирование воды как отдельный технологический этап ее обработки. В последнее время озон находит все более широкое применение в технологии приготовления питьевой воды [91 - 93]. В результате появляются и реализуются проекты по снабжению озонированной питьевой водой отдельных объектов [94, 95] и небольших населенных пунктов, а используемая при этом технологическая схема очистки воды аналогична или весьма близка к схеме, применяемой на судах. Озон находит применение и в технологии очистки бытовых сточных вод. И в этом случае предлагаемая методика может быть использована для оценки качества очистки по микробиологическим показателям.
Перечисленные вопросы составляют область применения математической модели. Основной задачей при проектировании системы ППВ с управляемым технологическим процессом является обеспечение необходимой санитарной надежности при заданной производительности. При этом предполагается, что технологическая схема очистки включает в себя фильтрацию исходной воды и ее последующее озонирование. Предполагается также, что обработка воды озоном производится в реакторах, имеющих структуру потока близкую к идеальному смешению.
Исходными данными для проектирования являются: - показатели качества исходной воды; - требуемая степень очистки воды по каждому показателю: - значения внешних факторов, влияющих на процесс озонирования и синтеза озона: - производительность системы по воде; - принципиальная схема трубопроводов с указанием длин трубопроводов и коэффициентов местных сопротивлений; - конструкция озонирующих элементов; - конструкция частотного преобразователя тока питания озонаторов. Первые четыре пункта должны определяться техническим заданием на проектирование. При задании качества исходной воды в случае его возможного изменения желательно указать статистические характеристики ее показателей (математическое ожидание, среднеквадратическое отклонение, функцию распределения) или, по крайней мере, установить диапазон их из менения. То же самое справедливо и при задании факторов, определяющих процессы озонирования и синтеза озона. Сложность заключается в том, что получение информации о колебаниях нагрузки (как состава обрабатываемой воды, так и внешних условий) является серьезной практической проблемой. Иногда утверждается, что совершенствование технологии водообработки на основе математического моделирования вообще бессмысленно, поскольку на этапе проектирования отсутствует достоверная информация о будущем режиме функционирования подобных систем.
Это не совсем так, поскольку в некоторых ситуациях условия эксплуатации могут быть аналитически спрогнозированы (например, при очистке сточных вод некоторых производств). Кроме того, всегда осуществлялся, а в последние годы значительно интенсифицировался мониторинг воды во всех крупных реках страны, что позволяет получить необходимую статистическую информацию о ее составе. Если же рассматривать задачи проектирования систем водоочистки для действующих объектов, а также вопросы расширения, реконструкции и автоматизации уже имеющихся средств, необходимые исходные данные могут быть получены по результатам опыта эксплуатации.
Различные конструкции озонаторов и озонирующих элементов детально рассмотрены в трудах [15, 96 - 100] и в настоящей работе не обсуждаются.
Максимальная скорость движения воды для большинства судовых систем, в том числе и системы водоснабжения, лежат в пределах до 2 м/с [101]. Для береговых установок эти скорости определяются на основании соответствующих строительных норм. В работе [102] приведена формула для расчета наиболее эффективного с экономической точки зрения диаметра трубопроводов в зависимости от расхода воды.