Энергосбережение как критерий разработки проекта АСУ ТП сооружений биочистки

Технологическое проектирование

Современные очистные сооружения с активным илом потребляют 65–80 % электроэнергии на процессы аэрации и 6–8 % на рециркуляционные процессы, поддерживающие биологические процессы очистки.

Эксплуатация сооружений, работающих в условиях колебаний нагрузок (гидравлических и массовых), по законам энергосбережения требует грамотного проектирования технологической части проекта и АСУ ТП. Представленная на рис. 1 схема, была выбрана в качестве базовой для рассмотрения основных законов оптимального проектирования. Схема отражает наиболее полный вариант совместного удаления биогенных элементов N и P в соответствии с процессом MUCT1.

Сразу оговоримся, представленный вариант – не единственный, он схематичный и наглядный. Пропорции зон и плотность аэраторов не выдержаны в соответствии с конкретными расчетами. Кроме того, каждый из воздухоподводящих стояков может быть снабжен управляемыми задвижками и расходомерами воздуха.

Проектирование раскладки аэрационных систем на базе мелкопузырчатых диффузоров целесообразно выполнять по направлениям:

• полное покрытие ширины дна аэрационного коридора (плотность раскладки аэрационной плети соответствующую расстоянию между диффузорами не более 1,2 м в любом направлении),

• распределение воздуха (или количества диффузоров) по принципу «убывающей аэрации» от начала к концу сооружения,

• поддержание предела перемешивания для плетей аэрации с полным покрытием дна с интенсивностью не менее 2,2 м3/(ч.м2).

Необходимость проектирования разделительных перегородок целесообразно оставить на рассмотрение технологам, поскольку связана с гидродинамическими характеристиками аэротенков. При этом перечислим факторы негативного воздействия соседних зон в случаях бесконтрольного поступления, например:

• растворенного кислорода (КРК) в аноксидную зону (денитрификатор),

• нитритов и нитратов (NO2, NO3) в анаэробную зону (дефосфотации),

• разбавленных доз ила в регенератор с повышенной концентрацией активного ила,

• обратных перемешивающих потоков в селектора- вытеснители.

Между разделительными перегородками и для поддержания активного ила во взвешенном состоянии устанавливаются электромеханические мешалки и рециркуляционные насосы. Их двигатели могут быть исполнены в соответствии с защитой: IP54 (не погружной, но противостоит пыли и дождю), IP68 (погружной).

Последнее – наиболее популярно в России, поэтому приведем полный перечень встроенных датчиков, которые по жилам контрольного кабеля могут быть связаны со шкафами управления и, соответственно выдавать сведения о работоспособности оборудования для формирования информационных протоколов:

• О состоянии статора: термопары обмоток, Pt-100 – текущая температура, датчики течи воды (как в статор, так и в клеммную коробку),

• О состоянии масляной камеры: предельное содержание воды в масле,

• О состоянии подшипников: Pt-100 – текущая температура

Для силового оборудования сохраняется возможность использования традиционной для баз АСУ ТП информации: наработка моточасов, текущие токовые нагрузки и напряжение, перекос фаз.

Распределение технологических датчиков

Полная автоматизация процессов (АСУ ТП) требует расстановки датчиков в каждом аэротенке. В некоторых случаях можно достичь солидного энергосберегающего эффекта без длительной проработки проекта автоматизации, размещая датчики в некотором «среднестатистическом» контрольном аэротенке станции аэрации. В любом случае требуется грамотная расстановка датчиков по длине аэротенка, что позволит реализовать:

• Измерения в диапазоне минимальных погрешностей,

• Обработку результирующих сигналов вовремя, например, установка датчика КРК на выходе из аэротенка вызовет запоздалую реакцию управляющего воздействия, а на входе- нежелательную и нестабильную реакцию на изменение подачи воздуха в систему

• Оперативное и надежное автоматизированное управление системой SCADA, которая непрерывно обеспечивает: прием сигналов от датчиков для считывания и обработки, а также математические расчеты результирующих величин параметров, включая ПИД регулирование3. Управление SCADA позволяет вырабатывать управляющие воздействия, которые корректируют технологические режимы работы систем биологической очистки.

Какие параметры целесообразно измерять на станции аэрации (СА)? И с какой целью? Это, пожалуй, главные вопросы.

На каждой СА существует лаборатория, которая имеет перечень требуемых для измерения показателей величин загрязняющих воду веществ и технологических показателей, от которых зависит работа СА. Это истина и нет необходимости приводить пример такового перечня. Все показатели «расписаны» по точкам отбора проб относительно действующих сооружений, а также по времени/периодичности их отбора. Суть в том, что данные показатели имеют две цели для определений. Цель № 1 – сбор и обработка данных для штатных отчетов перед различными контролирующими инстанциями. Цель № 2 – сбор и обработка данных для управления процессами очистки, т.е. для передачи данных технологам.

Теперь об измерительных приборах и датчиках… Они существуют для тех же двух целей. Настоящая публикация не предполагает рассматривать цель № 1. Многие согласятся с тем, что существующие (в основном импортные и дорогие) приборы on-line контроля способны повторить в автоматическом режиме действия штатного лаборанта, разумеется, при своевременном обеспечении свежими растворами, фильтрами, шлангами перистальтических насосов и т.д. Не всегда, но достаточно часто, эти приборы (в крупноразмерных шкафах или отдельно выделенных помещениях) не выполняют функции, направленной на управление СА в соответствие с целью № 2. Тем не менее, средства инвестируются в эту область закупки оборудования. В этом нет ничего плохого, информацию для контролирующих инстанций собирать необходимо, лишь бы масса этой информации не превысила разумные пределы, конфликтуя с целесообразностью.

Цель № 2 обеспечивает стабильность и качество процессов очистки, также энергетического оборудования, оптимизацию инвестиционных затрат при обслуживании и эксплуатации оборудования. Указанная цель, обычно реализуется технологическими датчиками, значительно более дешевыми, со своими достоинствами и недостатками, как и любое оборудование. Эта гамма оборудования производится как в России, так и за рубежом. В основном замеры реализуются физическими принципами, а не химическими. Рекомендовать определенный способ замеров или производителя для повсеместного использования – дело не благодарное и бессмысленное. Все производимые датчики потребляются заказчиками для конкретных условий использования. Не отвечающие времени технологии производства датчиков «отмирают», а потом снова возрождаются на другом уровне, соответствуя времени. А любопытные инженеры стараются посещать выставки и конференции, подобные ЭКВАТЕК, открывая для себя новое и современное.

Расположение технологических датчиков, их назначение и описание контрольных функций представлены в таблице 1. 

Стратегия управления и автоматики 

Пожалуй, самое важное в этом разделе то, что разработка возможностей технологического управления систем биологической очистки первична по отношению к средствам автоматизации. И это и в коей мере не умаляет достоинств специалистов по автоматизации процессов. Причины для разработки стратегии управления достаточно серьезные:

• Нагрузка на очистные сооружения нестационарная, т.е. зависит от уровня и режимов жизни населения. В течение суток и посезонно изменяются исходные параметры по расходам и концентрациям. Эти параметры трудно поддаются математическому описанию, поскольку многофакторны. На них влияют и праздники, и сезонность, и общая протяженность сетей канализации,

• Ресурсы (электроэнергию, реагенты, капитальные затраты и т.д.) традиционно и логически принято экономить повсеместно. Математическое описание экономии ресурсов (как и расчеты инвестиций) зависят от разработки технологической стратегии управления.

Популярно АСУ ТП – это и «железо» и «софт», как выражаются программисты (по англ. hardware и software). «Железо» – это приборы, датчики, задвижки, электропривода различных устройств, частотные преобразователи, кабель, устройства передачи/ приема сигналов на расстояние, регуляторы, компьютеры, контроллеры и т.п., все, что можно потрогать руками. «Софт» – это программное обеспечение, что потрогать руками сложно, но несомненно имеет интеллектуальную ценность, в данном случае SCADA или прораммы контроллеров. ПИД регулирование позволяет соблюдать баланс между текущими величинами параметров (определяются, например датчиками) и уставками. Уставки, как правило, задаются технологами или программами оптимизации. Например, если технолог решит, что в зоне аэротенка требуется поддерживать концентрацию растворенного кислорода (КРК) на уровне 2 мг/л, значит он должен ввести в контроллер (с ПИД регулированием) уставку: SP (set point) = 2.00.

Главное назначение прибора с ПИД регулированием – вырабатывать такие управляющие воздействия на исполнительные устройства, чтобы результат компенсировал разницу между текущими величинами и уставками. Но поскольку эти величины практически никогда не бывают равными выполнять это требуется достаточно плавно и разумно, чтобы «попусту не беспокоить» зачастую мощное энергетическое оборудование.

Достаточно символически можно выделить три уровня технологического управления работой систем аэрации: простейший, средней сложности, сложный.

Простейший уровень предполагает адаптацию работы воздуходувного оборудования для поддержания желаемых концентраций во всех емкостях аэротенков одновременно.

Уровень средней сложности предполагает использование индивидуальных уставок концентраций, контроллеров, управляемых задвижек для каждого отдельного аэротенка. При этом каждый из аэротенков снабжается своим отдельным воздуховодом с управляемой задвижкой, иногда воздушным расходомером.

Сложный уровень предполагает регулирование многочисленных зон и аэрационных плетей, встроенных в каждый из аэротенков. Естественно, каждая выделенная зона или плеть/(их группа) снабжаются управляемой задвижкой и, как правило, воздушным расходомером.

Примеры простого и каскадного автоматизированного управления процессами аэрации на базе измерителя- регулятора (ИР), представлены на рис. 2, в зависимости от показаний датчика КРК. ИР – это приборы, со стандартной настройкой П, ПИ, ПИД регулятора. При проектировании автоматизированных систем управления (АСУ ТП) следует рассматривать оба подхода простой и каскадный.

Простое управление (рис. 2а) считается адекватным в условиях отсутствия внешних воздействий. Система будет работать безупречно в условиях отсутствия изменений подачи воздуха в соседние аэротенки.  

Рассматриваемая система реагирует только на показания датчика КРК. А что если расход воздуха в соседние аэротенки изменяется? – Система отреагирует запоздало после изменения КРК в указанном аэротенке.

Подобный недостаток устранен в случае использования каскадного регулирования (рис. 2б). Уставка sp O2 по поддержанию КРК в аэротенке сохраняется, но и текущая величина подаваемого в аэротенк воздуха принимается во внимание ИР. Преимущество каскадной системы проявилось в том, что изменение скорости воздуха, зарегистрированное F отразится изменением положения электропривода М воздушной задвижки. Система в целом старается приблизиться к величине уставки sp O2.

На базе ИР могут быть реализованы достаточно сложные схемы АСУ ТП.

Проектирование в современных условиях предполагает использование регулируемого или управляемого воздуходувного оборудования, чтобы создать прецедент экономии электроэнергии, например, в периоды подач пониженных расходов воздуха. На рис. 2, умышленно не обозначено воздуходувное оборудование. Дело в том, что щиты управления воздуходувным оборудованием, как правило, выполняются независимо от панелей управления работой аэрационных систем. Связующим звеном общей системы АСУ ТП является наличие датчиков давления Р, рис. 3. Регулирование управляющими задвижками аэрационных систем с помощью технологических датчиков концентраций (Таблица 1) приводит к изменению давления в технологической системе, которое регистрируется датчиками давления Р.

Зарегистрированные отклонения давления в системе – один из основных сигналов используемых воздуходувным оборудованием для компенсации характеристик их работы. Экономия энергии наиболее явно выражена, если воздуходувное оборудование способно: 1 – изменять подачу воздуха в широком диапазоне, 2 – сохранять повышенный КПД во всем диапазоне.

Системы требующие выполнения множества математических и последовательных операций проще реализовать при использовании програмируемых логических контроллеров (ПЛК), рис. 3. ПЛК обладают возможностью ввода управляющих зависимостей и необходимостью настройки ряда встроенных ПИД регуляторов

Из анализа рис. 3 видно, что все задействованные в системе управления ПЛК многофункциональны, поскольку содержат ряд уставок sp и/или логические связи, которые требуют математической обработки.

В целом, приборная база (ИР, ПЛК и др.) должна быть самодостаточной для поддержания процессов управления и не зависеть от работы компьютеров, вирусных атак и состояния средств связи. Приборы выполняют локальную задачу управления. Система управления должна решать задачи управления, сбора и передачи данных, расчетов и оптимизации. Программы оптимизации служат для получения «уставок», которые передаются для коррекции технологических параметров в приборы.

Для того, чтобы обеспечить срочный энергосберегающий эффект от управляемых воздухонагнетателей проект АСУ ТП может быть реализован достаточно быстро по упрощенной схеме. В этом случае следует выбрать контрольный аэротенк (или два аэротенка) с усредненным технологическим оснащением и средневзвешенными показателями параметров очистки. Разместить на нем контрольные датчики с первичными приборами. Далее все достаточно просто – регистрация расхода воздуха в главном воздуховоде служит сигналом для воздуходувной станции на изменение режима работы.

Управление воздуходувным оборудованием

Рассматривается вариант использования центробежных воздухонагнетателей как наиболее предпочтительный для средних и крупных очистных сооружений при устройстве пневматической системы аэрации. Рабочее давление воздухонагнетателей следует принимать в соответствии с величиной погружения аэраторов, потерями напора в коммуникациях и аэраторах (с учетом их сопротивления на конец расчетного срока службы), а также с учетом сезонных и климатических факторов, влияющих на физические свойства воздуха.

Оптимальное проектирование воздухонагнетателей предполагает получение серьезного экономического эффекта от их внедрения за счет управления. Выбранное оборудование должно удовлетворять трем условиям:

• Иметь высокий базовый КПД,

• Диапазон управления подачей воздуха должен быть широк, порядка 40–100 %,

• КПД в диапазоне подач воздуха должен сохранять высокие величины.

Приведем пример расчетов по энергосбережению, рис. 4. Предполагаем, что проектировщик правильно назначил потребляемую электроэнергию для воздуходувного оборудования – 100 %, на базе КПД реальных воздуходувок (черная пунктирная линия). При внедрении выбранного оборудования (нерегулируемые воздуходувки) в эксплуатацию характеристика потребляемой электроэнергии (синяя линия) в течение суток колеблется в зависимости от температуры (или плотности) исходного воздуха. Количество потребляемой электроэнергии в любые сутки года не должно превысить величину, определенную проектом (черную пунктирную линию).

При внедрении управляемых процессов в технологический проект проектировщи - ку целесообразно подобрать управляемые воздухонагнетатели (одноступенчатые или многоступенчатые, с или без повышающе - го редуктора и т . д.) в соответствии с прин - ципами воздействия: 1 – использование ПЧ в контуре регулирования, 2 – использование оборудования с механическим изменением поворота выходного и/или входного направляющего аппарата. Второй способ более эффективен в соответствие с глуби - ной регулирования и поддержания высо - кого КПД. В результате управления возду - хонагнетателями количество потребляемой электроэнергии описывается графиком, подобным красной «кривой». Ее характер неравномерности соответствует измене - ниям исходных суточных технологических нагрузок .

Количество сэкономленной электроэнер - гии – есть разница между двумя «кривыми» синей и красной, рис. 4. Этот график явля - ется реальным и типичным для суточной не - равномерности колебаний технологической нагрузки. Получить его достаточно просто при эксплуатации очистных сооружений, в условиях наличия на объекте: 1 – управляемых воздухонагнетателей, 2 – контрольных технологических датчиков, связанных с АСУ ТП. Обозначим главный вопрос – Как на ста - дии проекта предсказать величину энергос - бережения? Ведь она изменяется посуточно и посезонно.

Управление насосным оборудованием

Высокопроизводительные рециркуля - ционные насосы устраиваются на станциях аэрации для обеспечения мощных техно - логических расходов между сооружениями биоочистки или внутренними зонами (анаэ - робной, аноксидной, аэробной).

Нитратный рецикл существенно стабилизирует и понижает концентрации нитратного азота на выходе из аноксидной зоны. Улучшение обоих показателей дости гается в пределе до 6 раз, рис. 5. Потребность в технологическом управлении носит оперативный (суточный, сезонный) характер при обеспечении глубокого регулирования. При устройстве ПЧ в цепи питания электропривода насоса экономия может составлять до 50 %.

Фосфатный рецикл защищает анаэробную зону от избыточного влияния нитратов. Предел регулирования не столь глубок, как в предыдущем случае при грамотном подборе базового насосного оборудования. Регулирование носит скорее настроечный или сезонный характер. При устройстве ПЧ в цепи питания электропривода насоса экономия может составлять до 10 %, если мощность оборудования выбрана проектировщиком правильно. В противном случае, во время наладки системы очистки обязательно потребуется оптимизация рецикла с понижением его мощности (проектировщики часто «перестраховываются» в сторону завышения). Величина проектного «запаса мощности» за период эксплуатации при учете общего КПД (насос + ПЧ) составляет дополнительную величину энергосбережения.

Рецикл возвратного активного ила регулируют редко, но с целью точной техно - логической настройки иногда снабжают ПЧ, порядок энергосбережения при этом не значительный 2–5 %, хотя зависит аналогичным образом от ошибки проектировщика .

Насосы избыточного активного ила, как правило, регулируются дискретно (вкл / выкл.), поддерживая заданный возраст ила. Параметр технологически важен, но обоснованных величин энергосбережения не наблюдается .

 

Примеры реализации АСУ ТП для управления межзонными технологическими перекачками представлены на рис. 6:

а) Существенно стабилизирует и понижает концентрации нитратного азота на выходе из аноксидной зоны. Улучшение обоих показателей достигается в пределе до 6 раз.

б) Защищает анаэробную зону от избыточного влияния нитратов. Предел регулирования не столь глубок, как в предыдущем случае при грамотном подборе базового насосного оборудования. Регулирование носит скорее настроечный характер.

в) Контур регулирования возвратного активного ила регулируют редко, но иногда встречается на практике для повышения дозы активного ила в пиковые нагрузки. Контур регулирования избыточного активного ила обязателен, поскольку поддерживает возраст активного ила в расчетных пределах, соответствующих глубине нитрификации. На рисунке для разнообразия указано дискретное регулирование D1 включением/выключением насосного оборудования, хотя на практике вполне применимо частотное регулирование.

Следует отметить, что управление насосным оборудованием кроме экологических преимуществ имеет существенные экономические выгоды – энергосбережение. По узлу (а), например, экономия может составлять до 50 %.

Блочно-модульная система АСУ ТП

В последние годы цена современных логических контроллеров, получающих небольшое количество сигналов (ИР/ ПЛК – 4/6 сигналов), значительно снизилась. Это позволяет разрабатывать локальные шкафы управления (ШУ), поставляемые совместно с насосами и аэрационными системами. При этом цена шкафов управляющих процессом составляет мене 20 % от общей стоимости системы включающей необходимые датчики. Каждый ШУ является самостоятельным устройством позволяющим управлять своим процессом без организации общей системы SCADA. Впоследствии ШУ могут подключаться к общей системе контроля станции.

Это позволяет внедрять процессы АСУ ТП поэтапно, в соответствии с планами реконструкции технологической части проекта.

Для условий строительства новых объектов, на наш взгляд, аналогичный подход также приемлем, поскольку службе эксплуатации легче разобраться с корректировкой уставок ИР или ПЛК, которые обслуживают 1–3 датчика (минимум – максимум). На крупных объектах технологи и операторы обычно структурно разделены по отношению к единичным узлам очистки сточных вод (механической, биологической, доочистки, дезинфекции, обработки осадка). Корректировка сотен уставок в единой развитой и интеллектуальной SCADA силами службы АСУ ТП без участия технологов – дело практически безнадежное

Так для исходного задания, рис. 1, с единой линией биологической очистки организуется четыре обслуживающих ШУ, рис. 7. 

Пример наиболее комплексного ШУ с внедрением ПЛК, пуско-регулирующей аппаратуры (ПРА), преобразователя частоты (ПЧ) представлен на рис. 8. Для наиболее сложных современных процессов биоочистки, связанных с аэротенками, характерно наличие четырех управляемых воздействий:

• расход воздуха с поддержанием концентрации кислорода,

• расход воздуха с поддержанием давления перед управляемым воздуходувным оборудованием,

• расход нитратного рецикла с поддержанием концентрации нитратов,

• расход фосфатного рецикла в анаэробную зону с поддержанием оптимального окислительно – восстановительного потенциала.

На примере одной из наиболее совершенных станции очистки стоков – ЮЗОС, созданной с применением полной автоматизации управления [2], можно заметить насколько меньше потребуется устройств управления теми же тремя аэротенками на начальном этапе, Таблица 2. Характеристика начального этапа – устройство блочно-модульных ШУ без передачи сигналов на SCADA. Т.е. система управления работоспособна в полной мере (процессы биоочистки управляемы), но к SCADA не подключена.

Следовательно заказчик может начинать управлять процессом биоочистки, стабилизировать ее эффект и создавать условия для получения энергосбережения при внедрении управляемых воздуходувок не затрачивая больших средств на создание общей системы управления станцией, а развивая ее параллельно с внедрением современных технологий

Таким образом, сооружения биоочистки (при комплектации блочно-модульной системой управления) начинают работать не только в режиме измерений, а также в управляемом режиме. Польза от такого подхода заключается в единообразии общего проекта АСУ ТП и его логики. Ведь заказчик получает любое современное оборудование (фильтр пресс, механизированную решетку, узел дозирования реагентов, насосную станцию и т.п.) совместно со своей системой автоматики, которая может работать независимо от наличия общей системы управления станцией.

Развитие SCADA

В любом случае общая система SCADA решается по заданию заказчика. Служба эксплуатации определяет объем передаваемой информации, количество обслуживаемых объектов (сооружений и оборудования), а также форму представления информации (внешний вид, количество экранов и т.п.).

Т . о. блочно -модульная система биоочистки, построенная в соответствии с техническим заданием, рис. 1, предоставляет возможность обмена следующей информацией с системой SCADA, рис. 9.

Основным (традиционным) путем является разработка сложных комплексов SCADA с единым управляющим центральным процессором и сервером, полностью охватывающих все оборудование очистных сооружений. Такой путь позволяет решать поставленную задачу, но является довольно затратным. Кроме того, при «сбоях» главного процессора станция аэрации теряет управляемость. И наоборот, блочно-модульная система управления совместно со SCADA, рис. 9, при «сбое» работы одного ПЛК, остается в целом вполне работоспособной (за исключением малого локального узла, например одного ре - циркуляционного насоса на аэротенке № Х). Как правило, любой узел очистки сточных вод и обработки осадка содержит локальные системы АСУ ТП при поставке технологического оборудования, кроме узла биоочистки .

Для развития управления узла биологи - ческой очистки с единой системой SCADA используются, подключаемы к ней, сигналы блочно -модульной системы. Сигналы, принимаемые единой системой SCADA от блочно -мо - дульной системы на примере 3- х аэротенков, аналогичных ЮЗОС, представлены в табл. 3. Данные сигналы соответствуют рис. 9.

С каждого аэротенка в аналоговой форме принимается : 

• 5 сигналов с датчиков, по которым осуществляется управление ;

• сигналы давления и температуры воздуха от ШУ воздуходувной ;

• сигналы положения 3- х задвижек управления воздухом ;

• сигналы потребляемой мощности и частоты тока, характеризующие работу насосов с 6 ШУ насосов рециклов ;

• 13 сигналов «уставок» по кислороду, аммонийному азоту, нитратов, окислительно -восстановительному потенциалу и давлению воздуха .

В дискретной форме для контроля работы 6 насосов используются :

• 24 дискретных сигнала (режим авто - мат /режим ручной, старт, стоп, работа /авария). Это предусмотрено для того, чтобы при выходе из строя датчика (появления неверных показаний) оператор мог перевести насос в ручной режим и оставить его либо во включенном, либо в выключенном состоянии

От 24 мешалок принимается :

• 24сигнала (работа /авария). Здесь считается, что у оператора нет никакой техно - логической необходимости с общего щита управления отключать работающие мешалки. Отключение мешалки для планового обслуживание и её включение после устранения аварии осуществляется с местного щита управления .

Для 3 воздуходувок предусмотрены :

• 3 сигнала (работа /авария). Включение /выключение машины, ввод резервной машины и оптимальный режим работы каждой воздуходувкой осуществляется «мастер» контроллером системы и вмешательство оператора в данный цикл не предусматривается .

Таким образом, оператор располагает всей необходимой и достаточной информацией для контроля работы и настройки сиcтемы управления биологической очистки. При последовательном внедрении блочно - модульной системы автоматики и ее подключении к SCADA последовательно решается задача управления сооружениями биоочистки и сбора необходимых для управления данных. Количество дополнительных сигналов о состоянии оборудования, не используемых для управления может увеличиваться по согласованию с заказчиком.

Виртуальный помощник SCADA

Нам потребуется инструмент, который бы обладал способностью предвидеть будущее, конечно же, не без помощи человека. Методика [3] предполагает использование стандартного математического комплекса GPS-X для технологических расчетов очистных сооружений водоотведения. Новый свод правил [4], рекомендует использовать метод математического моделирования при проектировании очистных сооружений.

Особенности условий каждого конкретного типа очистных сооружений могут быть учтены при разработке индивидуальной математической модели. Методика содержит сбор характерных данных, которые косвенным образом отражают особенности качества исходных сточных вод. Например, долю коммунальных, промышленных и ливневых загрязнений в составе общего стока, а также неравномерность их поступления по часам суток. Сбор статистических данных с объекта за характерный период времени и сведения о перспективах развития генплана города послужат отличной основой для обозначения расчетных технологических нагрузок (максимальных, минимальных и средних).

Особо чувствительный способ биологической очистки, функционирующий в рамках экстремального антропогенного воздействия, токсических элементов, ингибиторов и т.д. реализуется при математическом моделировании с учетом респирометрических экспериментальных данных. В короткий период обследования объекта порядка миллиона таковых данных, поступают в десятках целенаправленных экспериментов на компьютер и обрабатываются статистически. Таким образом, опыт действующих очистных сооружений переносится на перспективу внедрения современных процессов при предполагаемой реконструкции объекта или его нового строительства.

Наглядный пример, рис. 10, включает в рассмотрение современную схему очистных сооружений водоотведения с доочисткой и обработкой осадка сточных вод. Контроллеры межзонных потоков (или рециркуляций) могут быть настроены на оптимальное качество очистки. Результат виртуальных воздействий отображается достаточно оперативно. При этом математическая модель может содержать виртуальное внедрение в схему очистки сточных вод средств АСУ ТП (датчики и исполнительные устройства). Не следует забывать при этом, что модель работает в условиях динамически изменяющихся нагрузок (по расходам и концентрациям), что определяет качество очищенных вод как неравномерное на протяжении суток и сезонов. Совсем как в натуре!

В случае привлечения средств математического моделирования систем биоочистки (GPS-X) возможно: выделить необходимые контуры управления и минимизировать их мощность, минимизировать количество управляемых задвижек и заранее разработать алгоритмы их управления.

Известны 2–3 примера совместной (online) работы SCADA и расчетного комплекса GPS-X. Несомненно, будущее за таковыми системами слияния. С технологической точки зрения – решение представляет интерес и избавляет от необходимости корректировки уставок специалистами. Но, с практической точки зрения, система необыкновенно сложна, поскольку она действует как «искусственный интеллект», явно опережая развитие технических средств уровня полевых устройств (приборы, исполнительные устройства, электроприводы, дозаторы, насосы, мешалки, клапаны, датчики, которые имеют интерфейсные каналы связи для подключения к сети АСУ ТП).

Сложность совместной системы и необходимость ее периодического контроля разработчиками стандартных математических комплексов не позволяют рекомендовать ее для широкомасштабных внедрений в практику.

При этом для наладки существующей или разработки новой системы SCADA рекомендуется способ математического моделирования объекта очистки сточных вод на базе стандартного расчетного комплекса GPS-X.

И, наконец, самое главное. В режиме виртуального управления станцией очистки сточных вод, «построенной» с учетом вышеобозначенных мероприятий, собираются достоверные технологические сведения о размере энергосберегающего эффекта. Конечно же, не модель, а человек «закладывает» в схему очистки энергосберегающий маневр. Он же получает технологический результат, который после обработки умножает на стоимость электроэнергии (или аналогового ресурса) в регионе.

Таким образом, создаются условия для виртуальной апробации существующей или вновь проектируемой системы SCADA с обозначением контрольных уставок в режиме оптимальных характеристик технологического оборудования. Методика опробована на десятках очистных сооружений, включая города-миллионники. На данный момент суммарная производительность апробаций составляет порядка 5,5 млн м3/сут.

Выводы

1) Для оптимизации энергопотребления необходимо рассматривать внедряемое оборудование (аэрационное, воздуходувное, автоматизации) как единый технологический комплекс, в котором требуется тесное сотрудничество между заказчиками, проектировщиками и поставщиками оборудования. Это обеспечит реализацию максимального эффекта энергосбережения .

2) Для условий реконструкции объектов очистки сточных вод целесообразно использовать блочно -модульную схему комплектации систем локального управления на уровне 0. Это позволит внедрять процессы АСУ ТП поэтапно, в соответствии с планами реконструкции технологической части проекта. Блочно -модульная комплектация предполагает размещение в локальном щите управления единичным оборудованием достаточно дешевого ПЛК, который начинает выполнять функцию управления технологическим оборудованием сразу же после ввода узла (сколь угодно малого) в эксплуатацию.

На завершающей части проекта автоматизации единичные узлы легко объединяются посредством интегрирован - ной SCADA.

3) Для условий строительства новых объектов, на наш взгляд, аналогичный подход также приемлем, поскольку службе эксплуатации легче разобраться с корректировкой уставок ПЛК. На крупных объектах технологи и операторы обычно структурно разделены по отношению к единичным узлам очистки сточных вод (механической, биологической, доочистки, дезинфекции, обработки осадка). Корректировка сотен уставок в единой развитой SCADA силами службы АСУ ТП без участия технологов – дело практически безнадежное .

4) При реконструкции узла биологической очистки с необходимостью обеспечения кратчайших сроков внедрения возможно использовать упрощенную схему АСУ ТП. Данный подход предполагает размещение технологических датчиков (с первичными приборами) только в специально выделенном контрольном аэротенке (или двух аэротенках). Шкаф управ - ления контрольного аэротенка вырабатывает результирующий сигнал на положение задвижки на основном воздуховоде. Далее все достаточно просто – регистрация расхода воздуха в главном воздуховоде служит сигналом для воздуходувной станции на изменение режима работы .

5) Для наладки существующей или разработки новой системы SCADA предлагается способ математического моделирования объекта очистки сточных вод на базе стандартного расчетного комплекса GPS-X.