Система для определения показателей надежности и бесперебойности сетей водоснабжения и водоотведения

Система для определения показателей надежности и бесперебойности сетей водоснабжения и водоотведения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области городского водопровода и канализации и предназначено для определения показателей надежности и бесперебойности сетей водоснабжения и водоотведения в соответствии с требованиями №416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении».

Известен метод декомпозиции и эквивалентирования канализационной сети, разработанный для определения относительного объема неочищенной сточной воды, сбрасываемой на поверхность вследствие случайных выходов из строя отдельных участков. Методика сводится к формальной замене сети одним фиктивным эквивалентным каналом, параметры надежности которого рассчитываются по известным интенсивностям отказов и восстановлений участков (см. Ермолин Ю.А., Алексеев М.И. Метод декомпозиции и эквивалентирования канализационной сети // Водоснабжение и сан. техника. 2012. №11).

Метод декомпозиции и эквивалентирования имеет следующие недостатки:

1. Ограниченная область применения, т.к. он:

- позволяет рассчитать только один показатель - обеспеченность расхода, отводимого сетью. При этом не позволяет определять вероятностные показатели надежности, такие как бесперебойность, которые в соответствии с Федеральным законом от 07.12.2011 № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении» относятся к целевым показателям деятельности организаций;

- не позволяет провести оценку эффективности устройства перемычек между отдельными участками, т.к. разработан для расчета обеспеченности сети только «древовидной» конфигурации. Вместе с тем, этот метод повышения надежности известен и широко применяется на практике, например, закольцовка тоннельного коллектора вдоль реки Фонтанки в Санкт-Петербурге;

- не позволяет рассчитать обеспеченность расхода, отводимого сетью в частично-работоспособных состояниях, т.е. при отказе отдельных участков сети.

2. Высокая погрешность, т.к. в нем, с целью упрощения введен ряд допущений, существенно занижающих точность расчетов.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является «Устройство для анализа надежности трубопроводов городской водоотводящей сети», взятое в качестве прототипа, снабженное блок первичной обработки информации, блоком сбора и обработки информации о структурных повреждениях и блоком сбора и обработки информации о функциональных изменениях трубопроводов, входами подключенных к выходам блока фильтрации параметров для выбора потенциальных объектов санации, а выходами - ко входам блока ранжирования потенциальных объектов санации, блоки фильтрации параметров надежности, фильтрации параметров для выбора потенциальных объектов санации, ранжирования потенциальных объектов санации последовательно соединены между собой, а блоки ранжирования по критериям аварийности, анализа и фильтрации первичной информации и запросов по эксплуатации, выбора потенциальных объектов санации входами подключены параллельно к выходам блока первичной обработки информации, а выходами к входам блока фильтрации параметров надежности, к входу которого также подключены выходы блока сбора и накопления информации об аварийности трубопроводов и блока сбора информации по инвентаризации. При этом блок сбора и обработки информации о структурных повреждениях трубопроводов выполнен в виде параллельно подключенных к входу блока ячеек сбора и обработки информации по трещинам, по типам разрушений, по наличию коррозийных отложений и абразивного износа, выходы которых подсоединены к выходу блока. Также блок функциональных изменений трубопроводов выполнен в виде параллельно подключенных ко входу блока ячеек сбора и обработки информации о наличии смещения труб, о просадках лотка, о нарушениях первоначальной формы труб, о наличии наносов и биообразований, выходами подсоединенных к выходу блока (см. патент РФ №2237784 (приоритет от 25.03.2003) «Устройство для анализа надежности трубопроводов городской водоотводящей сети»).

Устройство для анализа надежности трубопроводов городской водоотводящей сети обладает ограниченной областью применения, поскольку предназначена только для сбора и анализа показателей надежности трубопроводов и не может быть применена для оценки надежности всей сети, т.к.:

- не позволяет определять вероятностные показатели надежности всей сети в виде вероятности нахождения сети во время t в работоспособном состоянии при отсутствии отказов ее участков, вероятности нахождения сети в частично-работоспособных состояниях (не являющихся отказом сети) при нахождении j-го участка во время t в состоянии отказа, и др.;

- не позволяет определять технологический показатель надежности всей сети в виде объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в работоспособном состоянии и др.;

- не позволяет определять технологический показатель надежности всей сети водоотведения в виде объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка и др.;

- не позволяет определять технологические показатели надежности всей сети водоотведения в виде аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка, объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в частично-работоспособном состоянии в условиях, когда конфигурация сети позволяет изменять потокораспределение из-за аварий и засорений j-го участка.

По этой причине применением устройства для определения одного из целевых показателей деятельности организаций, осуществляющих водоотведение (надежности и бесперебойности водоотведения, в соответствии с требованием статьи 39 № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении») не представляется возможным, поскольку она позволяет определять только единичные показатели надежности труб и участков, а не всей системы в целом.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения устройства.

Поставленная задача решена так, что в известном устройстве, включающем, блок первичной обработки информации, в соответствии с настоящим изобретением, блок первичной обработки информации выполнен в виде параллельно присоединенных к входу блока, по меньшей мере, ячеек ввода информации по количеству участков n, по длинам участков l_j, диаметрам участков D_j, расходам участков q_j сети, где 0<j≤n, продолжительности расчетного периода t, показателям надежности колодцев, показателям надежности труб или материалов труб, выходы которых соединены с выходом блока.

Кроме того, система дополнительно снабжена:

- блоком расчета показателей надежности элементов сети, выполненном в виде в виде параллельно присоединенных к входу блока ячеек расчета показателей надежности труб, расчета интенсивностей отключения участков, расчета интенсивностей ремонта участков, расчета комплексных показателей ремонтопригодности участков, выходы которых присоединены к выходу блока, при этом, выход ячейки расчета показателей надежности труб соединен с входом ячейки расчета интенсивностей отключения участков, а выходы ячейки расчета интенсивностей ремонта участков и ячейки расчета интенсивностей отключения участков соединены с входом ячейки расчета комплексных показателей ремонтопригодности участков;

- блоком определения вероятностных показателей надежности сети, выполненном в виде параллельно присоединенных к входу блока ячеек расчета вероятности нахождения j-го участка во время t в состоянии отказа, расчета вероятности нахождения сети во время t в работоспособном состоянии, расчета вероятности нахождения сети во время t в частично-работоспособном состоянии, выходы которых соединены с выходом блока.

При этом, выход блока первичной обработки информации соединен с входом блоков расчета показателей надежности элементов сети, выход блока расчета показателей надежности элементов сети присоединен к входу блока определения вероятностных показателей надежности сети.

Имеются варианты развития, когда:

1. Система дополнительно снабжена блоком определения технологических показателей надежности сети водоотведения, выполненном в виде параллельно присоединенных к входу блока ячеек расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка, расчета объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в работоспособном состоянии, расчета объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в частично-работоспособном состоянии, расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений за расчетный период эксплуатации t, выходы которых соединены с выходом блока, при этом, выход блока первичной обработки информации соединен с входом блока определения технологических показателей надежности сети водоотведения, выход блока определения вероятностных показателей надежности сети присоединен к входу блока определения технологических показателей надежности сети водоотведения.

2. Ячейка расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения интенсивности отказов асбестоцементных труб сетей водоотведения по формуле

λ о т к а з j = 0,048 D j − 0.8 ,

где λ_отказj - интенсивность отказов труб j-го участка, 1/(год·км); D_j - диаметр труб j-го участка, м;

3. Ячейка расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения интенсивности отказов чугунных труб сетей водоотведения по формуле

λ о т к а з j = 0,056 D j − 0.9 ;

4. Ячейка расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения интенсивности отказов керамических труб сетей водоотведения по формуле

λ о т к а з j = 0,04 D j − 0.8 ;

5. Ячейка расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения интенсивности отказов железобетонных сетей водоотведения труб по формуле

λ о т к а з j = 0,06 D j − 0.9 ;

6. Ячейка расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения интенсивности отказов пластмассовых труб сетей водоотведения по формуле

λ о т к а з j = 0,025 D j − 0.8 ;

7. Ячейка расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения интенсивности засорения асбестоцементных труб сетей водоотведения по формуле

λ з а с о р j = 0,16 D j − 1.2 ,

где λ_засорj - интенсивность засорения труб j-го участка, 1/(год·км);

8. Ячейка расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения интенсивности засорения чугунных труб сетей водоотведения по формуле

λ з а с о р j = 0,17 D j − 1.2 ;

9. Ячейка расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения интенсивности засорения керамических труб сетей водоотведения по формуле

λ з а с о р j = 0,14 D j − 1.2 ;

10. Ячейка расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения интенсивности засорения железобетонных труб сетей водоотведения по формуле

λ з а с о р j = 0,07 D j − 1.2 ;

11. Ячейка расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения интенсивности засорения пластмассовых труб сетей водоотведения по формуле

λ з а с о р j = 0,04 D j − 1.15 ;

12. Ячейка расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения продолжительность ремонта труб по формуле

t_ремj=(8760/(8760/(485·0,001·D_j-504·(0,001·D_j)²-27)),

где t_ремj - продолжительность ремонта труб j-го участка, час; D_j - диаметр труб j-го участка, мм;

13. Ячейка расчета интенсивностей отключения участков выполнена с возможностью определения интенсивности отключения участков по формуле

λ у ч j ( t ) = ( λ о т к а з j + k 1 ⋅ t a 1 ) ⋅ l j + λ к ,

где λ_учj - интенсивность отключения j-го участка сети, 1/год; λ_отказj - интенсивность отказов труб j-го участка, 1/(год·км); l_j - длина j-го участка, λ_к - интенсивность отказов колодцев, 1/год; k₁, ·a ₁ - калибровочные коэффициенты; t - время, час;

14. Ячейка расчета интенсивностей отключения участков выполнена с возможностью определения интенсивности отключения участков сетей водоотведения по формуле

,

где k₂, ·a ₂ - калибровочные коэффициенты; t - время, час;

15. Ячейка расчета интенсивностей отключения участков выполнена с возможностью определения интенсивности отключения участков сетей водоотведения по формуле

,

где k₃, ·a ₃ - калибровочные коэффициенты; t - время, час;

16. Ячейка расчета интенсивностей отключения участков выполнена с возможностью определения интенсивности отключения участков по формуле

λ у ч j = λ о т к а з j ⋅ l j + λ к ;

17. Ячейка расчета интенсивностей ремонта участков выполнена с возможностью определения интенсивности ремонта участков по формуле:

µ_уч.j=8760/(485·0,001·D_j-504·(0,001·D_j)²-27),

где µ_уч.j - интенсивность ремонта j-го участка сети, 1/год; D_j - диаметр труб j-го участка, мм;

18. Ячейка расчета комплексных показателей ремонтопригодности участков выполнена с возможностью определения комплексных показателей ремонтопригодности участков по формуле

γ_уч.j(t)=λ_уч.j(t)/µ_уч.j;

19. Ячейка расчета комплексных показателей ремонтопригодности участков выполнена с возможностью определения комплексных показателей ремонтопригодности участков по формуле

γ_уч.j=λ_уч.j/µ_уч.j;

20. Ячейка расчета вероятности нахождения j-го участка во время t в состоянии отказа выполнена с возможностью определения вероятности нахождения j-го участка во время t в состоянии отказа по формуле

,

где K_aвj(t) - вероятности нахождения j-го участка во время t в состоянии отказа; λ c = ∑ j = 1 n λ у ч j ( t ) ; μ c = 1 λ c [ ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) − 1 ] ;

21. Ячейка расчета вероятности нахождения сети во время t в работоспособном состоянии выполнена с возможностью определения вероятности нахождения сети во время t в работоспособном состоянии по формуле

K c j ( t ) = 1 / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) + [ 1 − 1 / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) ] e − ( λ c + μ c ) t ,

где K c j ( t ) - вероятности нахождения j-го участка во время t в работоспособном состоянии;

22. Ячейка расчета вероятности нахождения сети во время t в частично - работоспособном состоянии выполнена с возможностью определения вероятности нахождения сети во время t в частично-работоспособном состоянии по формуле

K ч н   с ( t ) = ∑ j = 1 n − 1 [ γ у ч j ( t ) / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) − γ у ч j ( t ) / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) e − ( λ c + μ c ) t ] ,

где K_{чн с}(t) - вероятности нахождения сети во время t в частично-работоспособном состоянии;

23. Ячейка расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка выполнена с возможностью определения объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка сетей водоотведения по формуле

V с б р j ( t ) = ∫ 0 t [ q j γ у ч j ( t ) / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) − q j γ у ч j ( t ) / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) e − ( λ c + μ c ) t ] d t ,

где V_сбрj(t) - аварийный сброс неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка, м³; q_j - расход j-го участка сети, м³/с;

24. Блок определения технологических показателей надежности сети водоотведения, дополнительно снабжен ячейкой моделирования сети, выполненной с возможностью определения расхода аварийного сброса q_jmod сетей водоотведения при отключении j-го участка сети, присоединенной к входу блока, выход которой соединен с входами ячейки расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка, расчета объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в частично-работоспособном состоянии.

25. Ячейка расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка выполнена с возможностью определения объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка сетей водоотведения по формуле

V с б р j ( t ) = ∫ 0 t [ q j mod γ у ч j ( t ) / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) − q j mod γ у ч j ( t ) / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) e − ( λ c + μ c ) t ] d t ,

где V_сбрj(t) - аварийный сброс неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка, м³; q_jmod - расход аварийного сброса при отключении j-го участка сети, определенный в ячейке моделирования сети, м³/с; γ_уч.j(t) - комплексный показатель ремонтопригодности j-го участка сети.

26. Ячейка расчета объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в работоспособном состоянии выполнена с возможностью определения объема воды, отводимого сетью водоотведения за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в работоспособном состоянии по формуле

V c ( t ) = ∫ 0 t [ q c / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) + [ 1 − q c / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) ] e − ( λ c + μ c ) t ] d t ,

где V_c(t) - объем, отводимый сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в работоспособном состоянии, м³; q_c - расход сети, м³/с; q_c=q_n;

27. Ячейка расчета объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в частично-работоспособном состоянии выполнена с возможностью определения объема воды, отводимого сетью водоотведения за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в частично-работоспособном состоянии по формуле

V ч н j ( t ) = ∫ 0 t [ q с j γ у ч j ( t ) / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) − q с j γ у ч j ( t ) / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) e − ( λ c + μ c ) t ] d t ,

где V_чнj(t) - объем, отводимый сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в частично-работоспособном состоянии, м³; q_cj - расход, отводимый сетью при отключении j-го участка сети, q_cj=q_c-q_jmod, м³/с;

28. Ячейка расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений за расчетный период эксплуатации t выполнена с возможностью определения объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений на сети водоотведения за расчетный период эксплуатации t по формуле

V с б р ( t ) = ∑ j = 1 n V с б р j ( t ) = ∑ j = 1 n ∫ 0 t [ q j γ у ч j ( t ) / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) − q j γ у ч j ( t ) / ∏ j = 1 n ( 1 + γ у ч j ( t ) ) e − ( λ c + μ c ) t ] d t ,

где V_сбр(t) - сброс неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений за расчетный период эксплуатации t, м³; q_j - расход j-го участка сети, м³/с;

Отличительными признаками заявляемой системы для определения показателей надежности и бесперебойности сети являются:

1. Выполнение блока первичной обработки информации в виде параллельно присоединенных к входу блока, по меньшей мере, ячеек ввода информации по количеству участков n, по длинам участков l_j, диаметрам участков D_j, расходам участков q_j сети, где 0<j≤n, продолжительности расчетного периода t, показателям надежности колодцев, показателям надежности труб и/или материалов труб;

2. Соединение выходов, по меньшей мере, ячеек ввода информации по количеству участков n, по длинам участков l_j, диаметрам участков D_j, расходам участков q_j сети, где 0<j≤n, продолжительности расчетного периода t, показателям надежности колодцев, показателям надежности труб или материалов труб с выходом блока первичной обработки информации;

3. Дополнительное снабжение системы блоком расчета показателей надежности элементов сети;

4. Дополнительное снабжение системы блоком определения вероятностных показателей надежности сети;

5. Дополнительное снабжение системы блоком определения технологических показателей надежности сети водоотведения;

6. Соединение выхода блока первичной обработки информации с входами блоков расчета показателей надежности элементов сети и определения технологических показателей надежности сети водоотведения;

7. Соединение выхода блока расчета показателей надежности элементов сети с входом блока определения вероятностных показателей надежности сети;

8. Соединение выхода блока определения вероятностных показателей надежности сети с входом блока определения технологических показателей надежности сети водоотведения;

9. Выполнение блока расчета показателей надежности элементов сети в виде в виде параллельно присоединенных к входу блока ячеек расчета показателей надежности труб, расчета интенсивностей отключения участков, расчета интенсивностей ремонта участков, расчета комплексных показателей ремонтопригодности участков;

10. Соединение выходов ячеек расчета показателей надежности труб, расчета интенсивностей отключения участков, расчета интенсивностей ремонта участков, расчета комплексных показателей ремонтопригодности участков с выходом блока расчета показателей надежности элементов сети;

11. Соединение выхода ячейки расчета показателей надежности труб с входом ячейки расчета интенсивностей отключения участков;

12. Соединение выходов ячейки расчета интенсивностей ремонта участков и ячейки расчета интенсивностей отключения участков с входом ячейки расчета комплексных показателей ремонтопригодности участков;

13. Выполнение блока определения вероятностных показателей надежности сети в виде параллельно присоединенных к входу блока ячеек расчета вероятности нахождения j-го участка во время t в состоянии отказа, расчета вероятности нахождения сети во время t в работоспособном состоянии, расчета вероятности нахождения сети во время t в частично-работоспособном состоянии;

14. Соединение выходов ячеек расчета вероятности нахождения j-го участка во время t в состоянии отказа, расчета вероятности нахождения сети во время t в работоспособном состоянии, расчета вероятности нахождения сети во время t в частично-работоспособном состоянии с выходом блока определения вероятностных показателей надежности сети;

15. Выполнение блока определения технологических показателей надежности сети водоотведения в виде параллельно присоединенных к входу блока ячеек расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка, расчета объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в работоспособном состоянии, расчета объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в частично-работоспособном состоянии, расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений за расчетный период эксплуатации t;

16. Соединение выходов ячеек расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка, расчета объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в работоспособном состоянии, расчета объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в частично-работоспособном состоянии, расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений за расчетный период эксплуатации t с выходом блока определения технологических показателей надежности сети водоотведения;

17. Соединение выхода блока первичной обработки информации с входом блоков расчета показателей надежности элементов сети и определения технологических показателей надежности сети водоотведения;

18. Соединение выхода блока расчета показателей надежности элементов сети с входом блока определения вероятностных показателей надежности сети;

19. Соединение выхода блока определения вероятностных показателей надежности сети с входом блока определения технологических показателей надежности сети водоотведения;

20. Выполнение ячейки расчета показателей надежности труб с возможностью определения интенсивности отказов асбестоцементных труб сетей водоотведения по формуле

λ о т к а з j = 0,048 D j − 0.8 ,

где λ_отказj - интенсивность отказов труб j-го участка, 1/(год·км); D_j - диаметр труб j-го участка, м;

21. Выполнение ячейки расчета показателей надежности труб с возможностью определения интенсивности отказов чугунных труб сетей водоотведения по формуле

λ о т к а з j = 0,056 D j − 0.9 ;

22. Выполнение ячейки расчета показателей надежности труб с возможностью определения интенсивности отказов керамических труб сетей водоотведения по формуле

λ о т к а з j = 0,04 D j − 0.8 ;

23. Выполнение ячейки расчета показателей надежности труб с возможностью определения интенсивности отказов железобетонных труб сетей водоотведения по формуле

λ о т к а з j = 0,06 D j − 0.9 ;

24. Выполнение ячейки расчета показателей надежности труб с возможностью определения интенсивности отказов пластмассовых труб сетей водоотведения по формуле

λ о т к а з j = 0,025 D j − 0.8 ;

25. Выполнение ячейки расчета показателей надежности труб с возможностью определения интенсивности засорения асбестоцементных труб сетей водоотведения по формуле

λ з а с о р j = 0,16 D j − 1.2 ;

где λ_засорj - интенсивность засорения труб j-го участка, 1/(год·км);

26. Выполнение ячейки расчета показателей надежности труб выполнена с возможностью определения интенсивности засорения чугунных труб сетей водоотведения по формуле

λ з а с о р