Россия
сотрудник
Россия
Система водоснабжения с устройством частотного преобразователя, применяемая в сельских населённых пунктах, расположенных на территории Чувашской Республики и Нижегородской области, не всегда обнаруживает факт утечки жидкости, что влечёт за собой неминуемые потери электрической энергии. При этом значительно возрастают потери сырья и вероятность осушения скважины. Определить утечку в таких системах водоснабжения возможно путём оцифровки параметров работы скважинного насоса и передачи этой информации с помощью облачного сервиса «OwenCloud», разработанного компанией ОВЕН. Цель исследований – определение утечки жидкости в системе водоснабжения сельских населённых пунктов на основе опосредованного наблюдения и сравнительного анализа суммарного времени работы насоса за сутки. Исследования проводили в рабочие дни с 3 по 9 февраля и в течение 1 ноября 2022 г. Для оцифровки использовали сетевой шлюз ПМ210, который передавал параметры работы частотного преобразователя (существующей станции управления) по интерфейсу RS-485, а далее в облачную среду с помощью SIM карты. Оцифрованные данные из облачной среды обрабатывали в прикладной программе по заданному алгоритму с простой логикой и определяли общее время работы насоса за сутки. На основании этих расчётов устанавливали факт наличия утечки жидкости в системе водоснабжения. Определение суммарного времени работы насоса в сутки путём оцифровки и анализа показателей потребления тока, позволит существенно ускорить время реагирования на нештатную ситуацию в системе водоснабжения.
системы водоснабжения, погружной агрегат, сельские населённые пункты, обнаружение утечки жидкости, обратный клапан, потребление воды, график потребления тока.
Введение. Одна из важнейших задач, стоящих перед водоснабжающими организациями, предотвращение утечки воды от точки отбора до пункта потребления [1, 2, 3]. Утечка жидкости из системы водоснабжения неуклонно влияет на расход электроэнергии [4, 5, 6].
Малые сельские населённые пункты снабжаются питьевой водой различными способами (см. табл.). Используют водонапорные башни, скважинные насосы, привод которых имеет устройство частотного регулирования, а также сочетание этих способов. В последнем случае летом используют водонапорную башню, зимой – погружной агрегат [7, 8, 9].
Таблица – Виды систем водоснабжения, применяемые в малыми сельскими населёнными пунктами (Республика Чувашия)
|
Система водоснабжения |
Наименование населённого пункта |
|
Традиционная (башенная) |
д. Уразкасы, д. Беляево 1, д. Беляево 2, с. Ишлеи 1, д. Вторые Ялдры |
|
Скважинный насос |
с. Туваны, с. Новые Айбеси, с. Нижняя Кумашка, д. Айбечи, с. Батырево, с. Ахматово с. Ишлеи 2, п. Первомайский, с. Сурский Майдан, с. Атнары |
|
Комбинированная |
д. Хыркасы 1, д. Хыркасы 2, с. Восход, с. Русские Алгаши, с. Юманай, с. Ходары, д. Шинерпоси, с. Нижняя Кумашка, с. Явлеи, п. Калинино, п. Калинино ИК8, с. Ахматово, д. Курочкино, д. Тюрлема |
Традиционная система водоснабжения с использованием водонапорных башен уходит в прошлое, что связано с ее не достаточной устойчивостью к метеоусловиям Поволжья. Зимой возможно их падение в результате образования льда, летом – окисление питьевой воды и коррозия металла, а также выход из строя станций управления в результате грозовых перенапряжений [9, 10].
В последние годы в малых населённых пунктах всё чаще стали использовать скважинные насосы, снабжённые устройствами частотного регулирования. Это решение имеет ряд положительных факторов, в частности, уменьшаются затраты на строительство, а благодаря автоматическому регулированию производительности электронасоса по мере изменения текущего расхода жидкости обеспечивается стабильное давление в системе [11, 12, 13]. Вследствие плавного пуска и остановки агрегата пусковые токи скважинных электродвигателей в среднем в 7 раз ниже, чем в башенных системах, что способствует уменьшению их износа. Кроме того, улучшается качество питьевой воды благодаря значительному уменьшению её окисления, вследствие исключения влияния солнечной радиации, частого изменения температуры контактной поверхности воды с металлом водонапорной башни и воздухом в её полости [14, 15].
Однако при использовании скважинных насосов возрастает вероятность осушения скважины из-за утечки воды в случаях образования прорывов в системе трубопроводов [16, 17, 18]. Следует также отметить, что без водонапорной башни обнаружение утечки жидкости становится затруднительным из-за малого объема воды в системе, которая находится только в трубопроводах. При утечке жидкости давление в трубопроводе падает. В то же время система управления насосом настроена на поддержание требуемого уровня давления. По этой причине возрастает количество циклов работы насоса, что приводит к потерям электрической энергии и самой питьевой воды. Проблема может быть решена путем установки системы слежения за параметрами работы электронасоса.
Цель исследований – изучение возможности определения утечки жидкости в системе водоснабжения сельских населённых пунктов на основе опосредованного наблюдения и сравнительного анализа суммарного времени работы насоса за сутки.
Условия, материалы и методы. Для достижения поставленной цели были проанализированы графики потребления тока электронасосами в системе водоснабжения в селе «Новые Айбеси» Алатырского района Республики Чувашия и в селе «Русское Маклаково» Спасского района Нижегородской области. Исследования проводили с 3 по 9 февраля и в течение 1 ноября 2022 г. Графики сформированы на основе данных информационной облачной среды «OwenCloud», разработанной компанией ОВЕН. Этот облачный сервис применяют при удалённой работе с разным оборудованием, имеющим интерфейсный выход (преобразователь частоты, устройство плавного пуска и блоков защиты, контроллеров и др.). Он решает задачи сбора, хранения и консолидации протокольных данных как для устройств с жесткой логикой, так и для программируемых контроллеров. Этот сервис позволяет решать задачи контроля, мониторинга и удалённой настройки оборудования, получать достоверную информацию об авариях (с расшифровкой значений их кодов), передавать данные через OPC-сервер. Одновременно он предоставляет множество вариантов отображения данных и устройств, расположенных на объекте с выдачей сведений о его месторасположении (https://owen.ru/owencloud).
В работе применяли методы опосредованного наблюдения и сравнительного анализа. Факт утечки жидкости фиксировали путём оцифровки потребления тока через сетевой шлюз ПМ210, который передавал параметры работы частотного преобразователя по интерфейсу RS-485, а далее в облачную среду с помощью SIM карты. Данные, полученные из облачной среды, обрабатывали в прикладной программе по заданному алгоритму и получали общее время работы насоса в сутки. На основании этих расчётов устанавливали факт утечки жидкости в системе водоснабжения. Его подтверждение (физический износ стального водопровода) получали после обследования системы водоснабжения.
Результаты и обсуждение. На практике утечка жидкости возможна из-за неполадок не только в системе трубопроводов, но и в водозаборном узле, например, в обратном клапане (рис. 1). В этом случае нагнетённая вода стекает обратно в скважину, так как обратный клапан не может закрыть ее поток, имеющий высокое давление. В связи с этой утечкой падает давление в системе. На это изменение станция управления реагирует увеличением потребления воды и повторным включением погружного насоса, что влечёт за собой излишний расход электрической энергии.
Рис. 1 – Схема водоснабжения: 1 – станция управления; 2 – обратный клапан; 3 – скважинный насос; 4 – скважина; 5 – водонапорная башня.
Еще одной причиной утечки жидкости может быть «усталость» элементов насосной части погружного агрегата, наблюдаемая со временем. Например, конструктивный элемент погружного скважинного насоса (отвод лопаточный), выполненный из пластика может сорваться с рабочего колеса и попасть в систему трубопровода (с большей долей вероятности в обратный клапан), что также приведет к утечке жидкости (рис. 2).
Рис. 2 – Конструкция погружного насоса ЭЦВ (https://www.livnasos.ru/dokumentaciya): 1 – электродвигатель, 2 – насос, 3 – водоподъёмная труба, 4 – секция насоса, 5 – рабочее колесо, 6 – отвод лопаточный.
Рис. 3 – Конструкция межфланцевого обратного клапана (https://vseotrube.ru/ventili-i-zadvizhki/klapan-obratnyj-mezhflantsevyj): 1 – корпус клапана, 2 – створки клапана в закрытом положении, 3 – створки клапана в открытом положении, 4 – механическая примесь, 5 – створка клапана в промежуточном состоянии.
Попадая в обратный клапан между створкой (5) и корпусом клапана (1) в виде механической примеси (рис. 3), конструктивный элемент погружного скважинного насоса (отвод лопаточный) приводит к заклиниванию створки обратного клапана в промежуточном состоянии между положениями «закрыто» и «открыто».
В основном, эти причины утечки жидкости связаны с исчерпанием ресурса работы систем водоснабжения, срок эксплуатации которых составляет 35 лет и более.
Насос в селе «Новые Айбеси» Алатырского района Республики Чувашия 3 февраля 2022 г. работал с определённой цикличностью. В утренние и дневные часы беспрерывно, с 18 до 24 ч в режиме ожидания, а с 0 до 7 ч находился практически не в рабочем состоянии. В рабочем режиме, насос поддерживал заданное давление в системе, с максимальной нагрузкой на валу 5,4 А. На графике (рис. 4 а) после 18.00 фиксировали несколько пиков увеличения силы тока, что свидетельствовало о расходе жидкости. Аналогичный режим работы насоса продолжался до 7 февраля. Средняя продолжительность функционирования погружного агрегата составила 11 ч в сутки.
Устойчивое повышение количества циклов работы электронасоса даже во время фактического отсутствия потребления жидкости было зафиксировано 7 февраля (рис. 4в). В этот день, начиная с 7:00, насос практически не останавливался до 15:00 ч 9 февраля 2022 г. (рис. 5 б). Средняя продолжительность работы насоса 8 февраля составила 24 ч в сутки (рис. 4г). После нахождения места прорыва водопроводной трубы и перекрытия линии с утечкой в 15:00 ч 9 февраля система начала работать в штатном режиме (рис. 5 б).
На основании представленного подхода была обнаружена утечка жидкости в селе «Русское Маклаково» (рис. 5). После исследования этого объекта предположения об утечке воды подтвердились. Из-за физического износа чугунного водопровода, эксплуатируемого с 1970 гг. был обнаружен несанкционированный расход воды. Однако, ввиду финансовых ограничений, утечка жидкости до сих пор не устранена.
а)
б)
в)
г)
Рис. 5 – Кривые потребления тока в течение суток: а) без утечки воды 03.02.2022; б) при утечке воды 07.02.2022; в) при утечке воды 08.02.2022; г) в день устранения утечки воды 09.02.2022.
Рис. 5 – График потребления тока электронасосом скважинного агрегата в течение суток в селе «Русское Маклаково» Спасского района Нижегородской области.
Выводы. Утечку воды в системе водоснабжения можно определить с использованием оцифровки параметров тока нагрузки двигателя в информационной облачной среде «OwenCloud», что существенно ускоряет время реагирования на нештатную ситуацию в системе водоснабжения.
1. Бегляров Д. С., Назаркин Э. Е., Бакштанин А.М. Анализ и учет особенностей структуры напорных систем водоснабжения при расчете переходных процессов // Природообустройство. 2019. № 4. С. 91-94. doihttps://doi.org/10.34677/1997-6011/2019-4-91-95.
2. Красавин Г. В., Матюшенко А. И. Реконструкция водоснабжения г. Игарки Красноярского края // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 14. № 2. С. 187-197. doihttps://doi.org/10.17516/1999-494X-0299.
3. Бадмаева Е. Н. Проблема водообеспечения в условиях кочевого способа хозяйствования (на примере Калмыцкой степи в конце XIX - начале XX в.) // Вестник Томского государственного университета. 2020. № 457. С. 85-93. doi:https://doi.org/10.17223/15617793/457/11.
4. Черемных О. А. Городское водоснабжение Западной Сибири в годы Великой Отечественной войны // Вестник Томского государственного университета. 2015. № 401. С. 190-195. doihttps://doi.org/10.17223/15617793/401/28.
5. Долгих П. П., Кулаков Н. В., Макулькина Ю. Л. Разработка системы управления установкой для подготовки питьевой воды в животноводстве // Вестник КрасГАУ. 2017. № 10(133). С. 47-53.
6. Кумицкий Б. М., Саврасова Н.А., Афоничев Д.Н. Использование принципов гидромеханики в решении проблем водоснабжения сельскохозяйственных потребителей // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2019. Т. 12. № 2(61). С. 84-91. doi:https://doi.org/10.17238/issn2071-2243.2019.2.84.
7. Прямицын В. Н. «Вода есть! Жизнь продолжается!». Водоснабжение Ограниченного контингента советских войск в Афганистане // Военно-исторический журнал. 2019. № 2. С. 4-13.
8. Якуцени С. П. Вода: ресурсы, запасы, рынки // Горная промышленность. 2022. № 4. С. 120-128. doihttps://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-4-120-128.
9. Свешников А. Г., Михеев Г. М. Эксплуатация и проектирование систем водоснабжения населенных пунктов с целью обеспечения их эффективности // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2022. № 2. С. 9-15.
10. Демин, А. П. Трансформация водо- и землепользования в орошаемом земледелии регионов Сибири (1990-2020 гг.) / А. П. Демин // Вестник НГАУ (Новосибирский государственный аграрный университет). - 2022. - № 3(64). - С. 26-35. - DOIhttps://doi.org/10.31677/2072-6724-2022-64-3-26-35.
11. Михеев Г. М., Свешников А. Г. Вопросы выявления утечки воды в разных системах водоснабжения // Проблемы и перспективы развития энергетики, электротехники и энергоэффективности: материалы V Междунар. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 2021. С. 351-354.
12. Приоритеты развития агропромышленного комплекса и задачи аграрной науки и образования / А. Р. Валиев, Р. М. Низамов, Р. И. Сафин [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2022. Т. 17, № 1(65). С. 97-107. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-97-107.
13. Свешников А. Г., Михеев Г. М. Возможность обнаружения утечки жидкости в системе водоснабжения с применением скважинного насоса с частотным регулированием // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2022. № 3. С. 36-39.
14. Использование цифровых технологий для эффективного управления электротехнологическими облучательными установками / Н. П. Кондратьева, Ю. Х. Шогенов, Б. Г. Зиганшин, Р. З. Ахатов // Техника и оборудование для села. 2022. № 4(298). С. 40-43. doi:https://doi.org/10.33267/2072-9642-2022-4-40-43.
15. Experimental studies of the efficiency of incorporating green manure crops with a combined unit / M. Kalimullin, R. Abdrakhmanov, R. Latypov [et al.] // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science : Mechanization, engineering, technology, innovation and digital technologies in agriculture Сер. 3, Smolensk, 25 января 2021 года. Vol. 723. - Smolensk: IOP PUBLISHING LTD, 2021. - P. 032011. doi:https://doi.org/10.1088/1755-1315/723/3/032011.
16. Свешников А. Г., Михеев Г. М. Определение утечки воды по графику нагрузки скважинного насоса // Вестник Чувашского государственного аграрного университета. 2022. № 2(21). С. 107-113.
17. Повышение точности регулирования производительности насосных секций топливного насоса распределительного типа / Ю. Н. Доброхотов, Ю. В. Иванщиков, А. Р. Валиев, А. О. Васильев // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2019. Т. 14, № 1(52). С. 77-82. doi:https://doi.org/10.12737/article_5cceddb81f93d4.90246705.
18. Механизмы реализации инновационной политики в сельском хозяйстве Кызылординской области Республики Казахстан / А. Ж. Бухарбаева, Г. С. Клычова, Б. Г. Зиганшин [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2022. - Т. 17, № 2(66). - С. 113-118. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-113-118.
