Совершенствование технологии кондиционирования воды в условиях автономных объектов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность 05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Совершенствование технологии кондиционирования воды в условиях автономных объектов

Малыгин Кирилл Александрович

Санкт-Петербург 2008

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре “Водоснабжения”.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Феофанов Юрий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Черников Николай Андреевич

кандидат технических наук,

Евельсон Евгений Абрамович

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский

институт судового машиностроения

Защита состоится «____» декабря 2008 г. в _____ часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.06 при Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д.4, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «____» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук В. В. Дерюгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие автономных объектов постоянно характеризуется возрастанием длительности плавания практически всех классов и назначений кораблей. Это обстоятельство диктует необходимость улучшения на них условий обитаемости. Обеспечение личного состава пресной водой является одним из определяющих показателей обитаемости.

Пополнение запасов пресной воды осуществляется от опреснительных установок, устанавливаемых на автономных объектах для обеспечения работы энергетических установок. Деминерализованная вода, полученная от опреснительных установок, из-за низкого содержания ионов кальция, магния, натрия и других элементов непригодна для питьевых целей.

Применяемые в настоящее время оборудование и методы приготовления питьевой воды из дистиллята в условиях автономных объектов имеют ряд существенных недостатков. Эти недостатки обусловлены применением устаревшего оборудования и технологической схемы, основанной на возимых запасах реагентов (хлорсодержащих препаратах и солей минерализации), широким использованием ручного труда и невозможностью автоматизации операций кондиционирования воды, сложностью конструкции и значительными эксплуатационными расходами.

Поэтому разработка оптимальной технологической схемы для кондиционирования воды (в условиях автономных объектов), устраняющей отмеченные недостатки и эффективного малогабаритного автоматизированного моноблока является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в совершенствовании технологических схем кондиционирования опресненной воды автономных объектов, разработке установки (моноблока), обеспечивающей автоматизацию процессов получения питьевой воды из дистиллята в условиях автономных объектов и отвечающей требованиям компактности, надежности, энергоемкости, экологичности и безопасности обслуживания.

Основные задачи научной работы:

- провести анализ литературных данных о современном состоянии вопроса процессов кондиционирования обессоленной воды в условиях автономных объектов;

- выбрать методы и материалы минерализации, дезодорации и обеззараживания обессоленной воды;

- установить факторы, оказывающие влияние на эффективность процессов кондиционирования обессоленной воды;

- определить оптимальные условия протекания процесса кондиционирования обессоленной воды;

- разработать методику расчета параметров работы оборудования для кондиционирования обессоленной воды;

- разработать систему автоматического регулирования и контроля;

- рассчитать надежность создаваемого оборудования;

- произвести проверку результатов работы в производственных условиях. кондиционирование вода обессоленный

Методы исследования: достижение основной цели исследования обеспечивалось теоретико-экспериментальным решением поставленных исследовательских задач. Экспериментальные исследования процесса кондиционирования воды проводились на стендах центрального научно-исследовательского института судового машиностроения, ФГУП ЦКБ “МТ “Рубин”, в Центре Государственного санитарно-эпидемиологического надзора (ЦГСН), научно-производственной фирме “Винко”, в воинских частях с применением физико-химических и ряда других методов анализа. Теоретические расчеты были выполнены с помощью ЭВМ. Результаты экспериментов, проведенных в лабораториях, обрабатывались с применением теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем.

Разработана технология кондиционирования обессоленной воды путем обогащения дистиллята солями при фильтровании через природные материалы с последующей тонкой очисткой от механических частиц, дезодорацией и обеззараживанием, обеспечивающая непрерывный автоматизированный технологический процесс получения из дистиллята доброкачественной питьевой воды в соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 “Вода питьевая …” в одном компактном устройстве.

Проведенные экспериментально-теоретические и санитарно-гигиенические исследования позволили определить оптимальные режимы кондиционирования воды в установке.

Установлена полная безвредность применяемых технологических схем обработки обессоленной воды комплексной санитарно-гигиенической оценкой получаемой питьевой воды и опытами на теплокровных животных.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанная технология кондиционирования воды позволяет проектировать малогабаритные устройства (установки водоподготовки) для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения различной производительности, которые могут быть использованы на любых автономных объектах, например, на судах и морских буровых нефтегазодобывающих платформах.

Аналитические исследования, проведенные на опытной модели установки, позволили составить рекомендации по выбору оптимальных параметров работы этих устройств.

Важное практическое значение имеет разработанная система автоматизированного управления оборудованием кондиционирования воды, допускающая его автономную эксплуатацию.

Кроме того, использование таких моноблоков позволит в значительной степени упростить инфраструктуру системы хозяйственно-питьевого водоснабжения автономных объектов и повысить ее надежность.

Эффективность разработок доказана результатами проведенных испытаний.

На основе проведенных исследований созданы, испытаны и отправлены для монтажа на автономных объектах малогабаритные автоматизированные устройства для получения доброкачественной питьевой воды из дистиллята: установка водоподготовки для современной подводной лодки и установка водоподготовки для морской нефтегазодобывающей платформы.

Личный вклад автора заключается:

- в обосновании и разработке технологии кондиционирования воды установок водоподготовки для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения автономных объектов различной производительности;

- разработке и экспериментальных исследованиях макетного образца установки водоподготовки;

- экспериментально-теоретических исследованиях фильтрующих, дезодорирующих материалов и средств обеззараживания;

- разработке системы автоматического регулирования и контроля;

- определении режимов эксплуатации и испытаниях опытных образцов установок водоподготовки для подводной лодки и морской нефтегазодобывающей платформы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались:

- на VI и VII международных конгрессах “Вода: экология и технология”. М., 2004 - 2006;

- III конференции-семинаре НТО судостроителей им. Акад. Н.А. Крылова, СПб., 2003;

- II научно-технической конференции “Взгляд в будущее”, ФГУП ЦКБ МТ "Рубин", СПб., 2003;

- всероссийской научно-практической конференции “Гигиенические проблемы водоснабжения населения и войск”, Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова, СПб., 2003;

- международной научно-технической конференции молодых ученых ”Актуальные проблемы современного строительства”, СПб., 2003;

- научно-технических конференциях, СПбГАСУ, СПб., 2003 - 2008 гг.;

- научно-технической конференции в центральном научном исследовательском институте судового машиностроения, СПб., 2003;

- ежегодных профессорско-преподавательских конференциях СПбГАСУ в 2003 - 2008 годах.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 11 научных статей, в том числе в специализированных научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы использованы Центральным научно-исследовательским институтом судового машиностроения и научно-производственной фирмой “Винко” при изготовлении опытно-промышленных образцов установок водоподготовки для современной подводной лодки и морской нефтедобывающей платформы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из основной части (оглавление, введение, 6 глав, выводы, список литературы и приложения), которая содержит 42 рисунка, 43 таблицы и изложена на 153 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, важность проблемы создания малогабаритных автоматизированных установок для получения питьевой воды из обессоленной воды на автономных объектах, надежных, безопасных и простых в эксплуатации, малоэнергоемких.

Сформулированы цель и задачи исследования, выбраны объект и предмет исследования, показана научная новизна и практическое внедрение результатов работы.

В первой главе диссертации описаны существующие технологические схемы кондиционирования воды современных автономных объектов. Подробно рассмотрены методы и технические средства реализации процессов дезодорации, минерализации и обеззараживания воды. Применяемые в настоящее время на автономных объектах методы и технические средства кондиционирования воды имеют ряд недостатков, связанных с технологией процессов кондиционирования обессоленной воды, основанной на использовании возимых запасов реагентов и широким применением ручного труда.

Рассмотрены конструкционные особенности минерализаторов, применяемых на автономных объектах. Например, для минерализации обессоленной воды реагентным методом требуется набор солей, содержащих много компонентов. Компоненты вводятся с определенной очередностью, с промежутками до полного растворения предыдущего компонента. Засыпка солей в баки для минерализации производится вручную. Этот процесс занимает продолжительное время и требует постоянного контроля. Аналогичные трудности возникают при проведении процесса обеззараживания.

Анализ методов кондиционирования воды показал, что наиболее перспективным методом минерализации в условиях автономных объектов, является метод обогащения солями жесткости дистиллята, проходящего через слой зернистого материала-наполнителя. Наиболее перспективными методами обеззараживания являются физические (безреагентные) методы.

Необходимо совершенствовать технологические схемы кондиционирования опресненной воды автономных объектов и разработать компактную установку (моноблок), обеспечивающую автоматизацию процессов получения питьевой воды из обессоленной воды в условиях автономных объектов. В настоящее время такие технические средства отсутствуют.

При этом появилась сопутствующая проблема - необходимость создания возможных вариантов системы управления и контроля на базе распространенных схемных элементов при их минимальной разновидности (максимальной однотипности).

Вторая глава работы посвящена разработке технологической схемы кондиционирования обессоленной воды.

Были обоснована и выбрана оптимальная для моноблока структура технологической схемы кондиционирования обессоленной воды (см. рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 1. Технологическая схема кондиционирования обессоленной воды

1-емкость с дистиллятом; 2-ротаметр; 3-фильтр-минерализатор; 4-фильтр с активированным углем; 5-картридж фильтровальный; 6-ячейка для обработки воды УФ-лучами; 7-УФ-аппарат «Фотон»; 8-пробоотборники

По разработанной схеме дистиллят, полученный в лабораторном аквадистилляторе и собранный в емкость, направлялся в фильтр с загрузкой из труднорастворимых соединений кальция и магния. Затем обрабатываемая вода поступала в фильтр с активированным углем. Далее установлен фильтрующий патрон, изготовленный из полипропиленового волокна для тонкой очистки от механических частиц. Для окончательной обработки воды - обеззараживания - вода поступала в специально сконструированную ячейку 6, в которой она подвергалась УФ-облучению.

Пробы для физико-химических анализов отбирались после каждого элемента обработки воды. Контролировалось содержание ионов Са2+, Мg2+, HCО3, SO4, pH, органолептика, бактерицидный эффект.

Третья глава работы посвящена планированию экспериментов и экспериментальным исследованиям разработанной технологической схемы кондиционирования обессоленной воды.

Из наиболее доступных природных минералов исследовались: мрамор, доломит, магнезит, гипс, смесь доломита с гипсом.

Для более эффективного растворения минералов и насыщения дистиллята солями жесткости проводились сравнительные испытания на дистилляте с различной температурой и содержанием углекислоты (СО2) по реакциям:

СаСО3(тв.) - СаСО3(р-р)

CaCO3(р-р) + СО2 > Ca(НCO3)2 > Са2+ + 2HCО3

MgCO3(р-р) + СО2 > Mg (НCO3)2 > Mg2+ + 2HCО3

Следует обратить внимание на то, что дистиллят обычно содержит растворенную СО2 и имеет слабокислую реакцию (рН=5,0).

На основании экспериментальных данных по исследованию динамики растворения гипса можно рекомендовать его для минерализации дистиллята в смеси с другими минералами, например, доломитом.

Преимущество такой смеси заключается в том, что доломит отлично корректирует рН дистиллята, величина которого часто составляет 5,0…5,5. Недостающее количество солей жесткости, а также и ион SO4 могут быть добавлены с помощью растворения гипса.

Так как гипс обладает относительно большей по сравнению с другими минералами растворимостью, то он загружается в фильтр не в виде мелких зерен, как мрамор или доломит, а крупными кусками.

При изучении растворимости смешанной загрузки (доломит и гипс) обработанная в фильтре-минерализаторе вода приобретает необходимую жесткость. Обработка дистиллята в таком фильтре способствует и повышению водородного показателя фильтра до рН = 7,1…7,6.

Установлено, что минерализация (обогащение) дистиллята ионами кальция, магния и сульфатами обеспечивается на 90 % за счет растворения гипса и на 10 % за счет растворения доломита. Следовательно, загрузку и догрузку фильтрующих материалов в процессе эксплуатации необходимо производить в таком же соотношении, а именно на девять частей гипса - одна часть доломита.

Для оптимизации процессов растворения минералов были проведены исследования с использованием методов многофакторного планирования эксперимента. В качестве факторов, значимо влияющих на процесс были приняты:

1. V - скорость фильтрации, м/с (х1);

2. T - температура воды, оС (х2);

3. C - содержание СО2 в воде, мг/л (х3).

За основной параметр оптимизации Y было принято оптимальное содержание ионов Са2+ и Мg2+ в воде.

Y = ?( Ca+Mg)

Варьируя факторами, была найдена математическая зависимость, связывающая параметры оптимизации и факторы, так называемая функция отклика:

Y1 = f1(х1, х2, х3….. хi)

Был проведен статистический анализ. Определялись ошибки воспроизводимости экспериментов и устанавливалась значимость полученных уравнений регрессии.

Уравнение регрессии в натуральных значениях:

Yр(нат.) = 20,6 - 6,3V + 0,52Т + 0,84С

Корреляционный анализ был проведен для каждого варианта исследования динамики растворения минералосодержащей загрузки (мрамор, доломит, гипс, смесь доломита с гипсом) при различных факторах оптимизации.

Погрешность экспериментальных данных и расчетных результатов составляла 5 - 7 % следовательно, полученные уравнения регрессии адекватно описывали экспериментальные данные.

Так же были проведены экспериментальные исследования средств дезодорации и обеззараживания.

После фильтра с активированным углем отбирались пробы воды для анализов по органолептическим показателям. Данные представлены в табл. 1.

Таблица 1

Показатель	До фильтра-дезодоратора	После фильтра-дезодоратора	СанПиН 2.1.4-1074-01
Запах при 20 оС Вкус при 20 оС Цветность, градусы Мутность, мг/л	1 3 30 2,0	0 0 10 0,5	0 ? 2 ? 20 ? 1,5

Здесь же необходимо отметить, что вода после фильтра-дезодоратора обладает необходимой чистотой (прозрачностью) для обработки ее УФ-облучением.

В целях обеспечения компактности установки и минимальных запасов свободного пространства для ее обслуживания предусмотрено использование малогабаритной лампы УФ-излучения типа ДБ18-МФ.

Благодаря специальной направляющей вставке, движение потока воды вокруг кварцевого чехла происходит по спиральной траектории, что интенсифицирует процесс обеззараживания.

Были выполнены расчеты обеззараживающей способности Уф-лампы и дозы Уф-облучения, а также лабораторные испытания образцов ламп ДБ-18-МФ. Обеспечивалось гарантированное обеззараживание воды.

Четвертая глава диссертации посвящена внедрению, принципам работы и комплексу исследований опытных образцов установок водоподготовки для подводной лодки и морской нефтегазодобывающей платформы.

В процессе создания опытно-промышленных образцов установок водоподготовки был выполнен комплекс исследований для подтверждения правильности решения поставленной задачи. В объем испытаний входили:

- экспериментальные исследования с применением метода планирования;

- исследование качества воды, получаемой в станции водоподготовки, по физико-химическим, органолептическим и микробиологическим показателям;

- токсикологические исследования на животных.

В ходе исследований суммарная наработка установки составила около 850 часов. За этот период было исследовано более 60 проб воды по 15 показателям качества. Была определена динамика изменения общего солесодержания питьевой воды от расхода обессоленной воды, температуры и времени с момента включения установки (см. рис. 2).

Рис. 2 Динамика изменения общего солесодержания питьевой воды

от расхода воды, температуры и времени с момента включения установки

Проведенные экспериментально-теоретические исследования позволили определить оптимальные режимы работы установки.

В результате исследований было установлено:

1. Качество питьевой воды, получаемой в установке водоподготовки по физико-химическим, органолептическим и микробиологическим показателям на всех режимах работы соответствует требованиям СанПиН 2.1.4-1074-01 и ГОСТ Р.5032-98.

2. Токсикологические исследования на животных подтвердили безвредность получаемой питьевой воды для живого организма.

3. Конструкционные материалы и фильтрующие загрузки (доломит, гипс и активированный уголь) разрешены санитарными органами для питьевого водоснабжения и не вызывают токсикологического и канцерогенного воздействия на обрабатываемую воду.

С учетом результатов, полученных в ходе исследований, было получено гигиеническое заключение о возможности практического применения установки водоподготовки на подводных лодках для приготовления питьевой воды из обессоленной воды.

Пятая глава диссертации посвящена вопросам надежности установки водоподготовки.

Был выполнен комплексный расчет показателей надежности установки. Составлена структурно-логическая схема соединения элементов установки водоподготовки. Проведен расчет интенсивности отказов элементов установки. Выполнен расчет показателей безотказности установки.

Выполненные расчеты показали высокую надежность и высокую вероятность безотказной работы создаваемого малогабаритного оборудования.

Шестая глава работы посвящена автоматизации процессов кондиционирования воды на автономных объектах.

Спроектированная, исследованная и реализованная установка водоподготовки, ориентированная на применение в корабельных условиях (и в частности - подводных лодках), а также на отдаленных нефтебуровых комплексах, оснащена системами автоматического регулирования и контроля.

Показано, что контрольно-измерительная система, реализованная на логических элементах, может быть спроектирована на элементах различного базиса для любых автономных объектов.

Разработанная математическая модель системы автоматического регулирования использует стандартные элементы автоматизации, и предполагается, что конкретный анализ частотных и временных характеристик может быть выполнен с использованием известных программ Mathcad, Matlab, Microcap-8, Mathematic-4 и др.

В работе использованы принципы, теоремы и аксиомы двухзначной (булевой) логики. На основании положений данной теории получены конкретные технические решения для контактных (релейных) схем, что позволило создать общую блок-схему системы автоматического регулирования системы хозяйственно-питьевого водоснабжения автономного объекта.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенного анализа современных методов и технических средств реализации процессов кондиционирования воды были обоснованы и выбраны методы минерализации, дезодорации и обеззараживания, на основании которых разработана усовершенствованная технологическая схема кондиционирования воды в условиях автономного объекта.

2. Обоснован и разработан макетный образец установки водоподготовки с подробным описанием методик проведения и результатов исследований фильтрующих, дезодорирующих материалов и средств обеззараживания.

3. Опытно-расчетным путем определен оптимальный состав минералсодержащей загрузки для установки водоподготовки.

4. С помощью проведенных экспериментально-теоретических исследований с применением методов многофакторного планирования эксперимента и санитарно-гигиенических исследований определены оптимальные режимы кондиционирования воды в установке водоподготовки.

5. Определены показатели надежности установки и составлена структурно-логическая схема соединения элементов установки. Разработанная конструкция оборудования обеспечивает полную взрывобезопасность проведения операций кондиционирования воды в условиях автономных объектов.

6. С помощью математического моделирования процессов кондиционирования воды в условиях автономных объектов разработана общая схема автоматического регулирования системы хозяйственно-питьевого водоснабжения, позволяющая полностью автоматизировать процесс кондиционирования воды в условиях автономного объекта.

7. Полученные методики расчета оборудования для кондиционирования воды позволяют с необходимой точностью определять их важнейшие проектные характеристики.

8. Простота предложенной конструкции и ее малые массо-габаритные характеристики позволили обеспечить непрерывный технологический процесс получения питьевой воды из обессоленной воды.

9. Разработанная технология кондиционирования воды позволяет проектировать установки для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения различной производительности, которые могут быть использованы на автономных объектах.

10. Разработаны и внедрены две установки водоподготовки - для современной подводной лодки и для морской ледостойкой нефтегазодобывающей платформы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

1. Малыгин, К. А. Кондиционирование воды в условиях автономных объектов / К. А. Малыгин // Промышленное и гражданское строительство. - 2007. - № 4. - С. 68 (по списку ВАК).

2. Малыгин, К. А. Автоматизация процессов кондиционирования воды на автономных объектах / К. А. Малыгин // Морская радиоэлектроника. - 2008. - № 3. - С. 16 - 17 (по списку ВАК).

3. Бондаренко, А. В. Многомерный оператор О. Хевисайда и синтез электрических цепей / А. В. Бондаренко, В. В. Резниченко, К. А. Малыгин, В. В. Бондаренко, В. И. Можар // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. - 2008. - № 3. - С. 5-13 (по списку ВАК).

4. Малыгин, К. А. Перспективы применения станции водоподготовки СВ-10 на заказах 21 / К. А. Малыгин, Г. Г. Макаров, А. С. Медведев, В. Д. Завирухо // Судостроительная промышленность. Сер. Технология и организация производства. Судовое машиностроение. Опыт проектирования и создания судовых механизмов: науч.-техн. сб. - СПб.: ЦНИИСМ, 2003. - С. 156.

5. Малыгин, К. А. Анализ методов минерализации воды / К. А. Малыгин, Н. И. Рукобратский // Молодые ученые промышленности Северо-Западного региона: науч.-техн. сб. - СПб.: СПбГПУ, 2003. - С. 32.

6. Малыгин, К. А. Разработка малогабаритного моноблока для минерализации, дезодорации и обеззараживания питьевой воды / К. А. Малыгин // Взгляд в будущее: 2-я молодежная науч. технич. Конференция: тез. докл. Проектирование и строительство подводных лодок. СПб.: ФГУП ЦКБ МТ "Рубин", 2003. - С. 14 - 15.

7. Малыгин, К. А., Автоматизация процессов кондиционирования воды / К. А. Малыгин, Н. И. Рукобратский // Сб. докл. 60-й науч. конф. профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. - СПб.: СПбГАСУ, 2003. - С. 137 - 139.

8. Малыгин, К. А. Обеззараживание воды бактерицидными лучами в составе станции водоподготовки / К. А. Малыгин, Н. И. Рукобратский // Сб. докл. 61-й науч. конф. профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. - СПб.: СПбГАСУ, 2004. - С. 137 - 139.

9. Малыгин К. А. Автоматизированный моноблок для кондиционирования и обеззараживания опресненной воды / К. А. Малыгин, Н. И. Рукобратский // Материалы 6-го международный конгресса “Вода: экология и технология”. “Экватэк-2004”. Ч. 1. М., 2004. - С. 449.

10. Малыгин К. А. Блок водоподготовки для кондиционирования питьевой воды / К. А. Малыгин, Н. И. Рукобратский // Материалы 7-го международный конгресса “Вода: экология и технология”. “Экватэк-2006”. Ч. 1. М., 2006. - С. 488-489.

Размещено на Allbest.ru