К Ю Баранов, В П Тарасюк - Электронная система контроля за состоянием сетейводоотведения - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 681.518.54

Баранов К.Ю., Тарасюк В.П. ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ СЕТЕЙ

ВОДООТВЕДЕНИЯ

Донецкий национальный технический университет

 

В данном докладе рассматриваются основные принципы построения электронной системы контроля сетей водоотведения. Эта система предназначена для обследования сетей коллекторов диаметром от 0,2 до 2 м.

Ключевые слова: электронная система контроля, концентрация сероводорода, коллектор, газово - биогенная коррозия.

This report examines the main principles of electronic system of the sewerage control. This system is designed to examine the sewerage with a diameter from 0,2 up to 2 m.

Key words: electronic control system, the concentration of hydrogen sulfide, collector, gas - biogenic corrosion.

Изношенность сетей водоотведения в Донецкой области составляет 60-70%. В настоящее время не разработаны точные критерии, позволяющие оценить состояние канализационных сетей и потенциальных опасностей, связанных с разрушением их конструкций, в зависимости от характера и объема повреждений. В результате чего на сегодняшний момент являются актуальными задачи составления описания процессов, происходящих в коллекторах, как основы разработки систем, которые будут направлены на контроль разрушений сетей водоотведения.

На данный момент разрабатываются 2 методики осуществления контроля за состоянием сетей водоотведения: определение состояния коллектора по непосредственному измерению коррозии бетона [3], определение состояния коллектора по непосредственному измерению концентрации сероводорода.

Проанализируем эффективность указанных методик на основе математической модели процессов, происходящих в коллекторе.

Концентрация сероводорода в общем случае в коллекторе поперечного произвольного сечения описывается уравнением диффузии [1].

= D * V2 * u - v *

dt                               dt (1)

где u(x,y,z,t) - концентрация молекул газа; D - коэффициент диффузии примесного газа в воздухе.

Одним из методов решения этого уравнения является разделение переменных

X-+£+*- - v * * = 0

X    Y    Z    D   Z (2) Граничные условия решения данного уравнения являются:

X            2   Y        п 2   Z      V      Z      2      2     2       п 2

= -a ;— = -В ;------------ *= g ;g = a + В

X       Y       Z  D Z (3)

Общее решение первого уравнения с учетом граничных условий:X(0) = A = 0; X(a) = B * sin(a * a) = 0;a * a = n * p;a

n * p * x

a

X(x) = B *sin(n p )


n * p

a


(4) (5)Аналогично для Y получаемY(y) = С * sin(

b    ' (6) Решение уравнения для Z

Z(z) = A * axp(k * z) (7)

В силу линейности уравнения диффузии линейная комбинация частных решений так же является решением уравнения. Тогда общий вид решения будет00 00      n * p * x        m * p * y

a

U(x, y, Z) = ZZ An,m * exp(^z) * sin(------------ ) * sin(----- T-^1)

n=1 m=1

b (8)

Коэффициента A подбираются таким образом, чтобы выполнялось начальное условиеU(x, y,0) = ZZ An,m * exp(^z) * sin(

n=1 m=1


n*p*x

a


)*sin(m * p * y) = 1

b


(9)Итак, получаем решение исходной задачи

00 00                                   n * p * x        m * p * y

U(x, y, Z) = ZZ An,m * exp(kz) * sin(------------ ) * sin(----- 7-^1)

.......  a                                                            b (10)

Приведем результаты на рис.1 анализа полученного решения -распределение относительной концентрации сероводорода по длине коллектора.
Рис 1 - Распределение относительной концентрации примесного газа (сероводорода) по длине коллектора (l/D - отношение длины коллектора к

его гидравлическому диаметру)

Из графика видно, что концентрация сероводорода существенно изменяется по длине коллектора. Поэтому для определения концентрации сероводорода в каждой точке коллектора необходимо измерение концентрации сероводорода как минимум в 6 точках. Измерение концентрации сероводорода в подсводном пространстве производиться при наличии в коллекторе сточных вод. Учитывая, что длина участка коллектора от колодца до колодца составляет 120 м, а скорость движения сточных вод 2-3 м/с определяем время отклика датчика

Т   =       = 10сек

сероводорода       2* 6

Учитывая скорость движения сточных вод, получим, что для определения концентрации необходимо измерение концентрации сероводорода в 6 точках, значит время отклика датчика электронной системы должно быть 7-10 сек.

Существующие методы расчета воздухообмена в сетях канализации весьма приближенные и не учитывают изменение концентрации сероводорода в воздухе и жидкости по длине трубы. В связи с этим возникает необходимость построения модели десорбции газа в подсводовое пространство канализационного коллектора, как составной части модели объекта [2].

CL (x)

Ql

Модель разработана для стационарных условий, т.е. величины CL (x), CV(x), W(x) не зависят от времени; предполагается также, что Н не зависит от х (т.е. диаметр наполнения коллектора не изменяется по его длине). Тогда концентрация газа в жидкости и воздухе будет соответственно:

H * w(x)

(11)

Cv (x) = - H*Qw(x)

qv (12) где х - расстояние вдоль коллектор, м; Н - хорда свободной поверхности жидкости, м; QL - расход жидкости м /с; CL (x), CV (x) - концентрация газа соответственно в жидкости и воздухе, кг/м ; W(x) - удельный поток десорбции,

кг / (м2 / С)

w = к *(Cl - CL) (13)

К - коэффициент массопередачи; CL* - равновесная концентрация газа в жидкости, соответствующая концентрации CV газа в воздухе.

Связь между CV и CL* дается соотношением

С

С * = v

L~ a (14) где a   - константа фазового равновесия.

Подставляя выражения (13), (14) в (11) и (12), получаем окончательно следующую систему уравнений для CL (x) и CV (x)

 

ql       a       a (15)C'v( x) - - ^ * (CL - ^) = - Ay * (CL - Cy-)
QL               a a

 

 

Ql Qy

где ;

Наиболее интересным является случай, когда заданы начальные значения CL и Cyl CL° - начальная концентрация газа в воздухе.

Решая систему с этими начальными условиями стандартными методами, получаем:(17)

C (x) = Al * СУ + Ay * CL + (a * CL - C0)* Al * e<A +a ^
L                                         a * AL + Ay

 

C (x) = a *(Al * Cy + Ay * C0L) - (a * C°L - Cy)* AL *e (A+~aГх
y                                              a * AL + Ay

(18)

Уравнения (17) и (18) показывают, как изменяется концентрация газа в воздухе и жидкости по длине трубы.

Основным фактором (внутренним возбуждением), который влияет на разрушение сетей водоотведения является газово - биогенная коррозия. Стенки трубы обычно влажные и сероводород, приходя в соприкосновение с этими сырыми поверхностями, немедленно поднимается вверх. Затем под действием аэробной бактерии рода Thiobacillus сероводород превращается в серную кислоту, которая разрушает железобетонные конструкции:

H2S+2O2 (бактерии)^H2SO4.

Параметр, который характеризует степень воздействия коррозии на коллектор является скорость коррозии бетона.

Скорость коррозии можно описать в следующем виде [1]:

y - 0,073* Н2S + 0,136 (19)

По скорости коррозии была разработана методика прогнозирования срока службы сетей водоотведения.

Т  - — сл y

L

, (20) где L - толщина стен коллектора, V - скорость коррозии бетона. Модель не учитывает разрушение сетей водоотведения вследствие механических повреждений: прорастание корней деревьев, ненадлежащая укладка уплотнительных колец, механическое истирание. Данные разрушения носят эпизодический характер и предсказать их на практике или описать чрезвычайно сложно. Контроль механических повреждений коллекторов в системе будет производиться визуальным способом - путем визуализации обследования при помощи введения в систему видеокамеры.

На основании приведенных результатов приведем обобщенную структуру системы управления, которая представлена на рис 2.Электронная система контроля сетей водоотведения


 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тсл =f( H2S)H2S=f(x)


V=f(H2S)Сеть водоотведения H2S=f(x,y,z) Cv =f(x,L, Av,Al)

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

К Ю Баранов, В П Тарасюк - Электронная система контроля за состоянием сетейводоотведения