RU2802728C1

RU2802728C1 - Device for protection of pipeline in the ground from freezing

Info

Publication number: RU2802728C1
Application number: RU2023103792A
Authority: RU
Inventors: Шончалай Борисовна Майны; Лев Дмитриевич Терехов
Filing date: 2022-06-14
Publication date: 2023-08-31

Abstract

FIELD: water supply.

SUBSTANCE: construction, design and operation of water supply and sanitation systems. A device for protecting a pipeline in the ground from freezing is proposed, which contains a pipeline 1, around which there is an area of thawed soil 2, an inspection well 3, a water supply system and a pump performance is adjacent to the pipeline 1. Temperature sensors 6 are mounted along the pipeline 1, immersed in the soil surrounding the pipeline to a depth permissible for freezing, temperature sensors 6 are connected to the controller 7, which is connected to the controller 8 controlling the water supply system, configured to change the water pressure in the pipeline or its temperature upon reaching critical soil temperature values around the pipeline 1, contributing to its freezing.

EFFECT: providing the possibility of creating a simple and reliable installation for determining the size of the thawed zone around the pipeline with the possibility of taking timely measures to prevent the pipeline from freezing.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области строительства, проектирования и эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения [F17D 5/00, F17D 5/06, E03F 7/00, G01B 21/00, G01B 21/18].The invention relates to the field of construction, design and operation of water supply and sanitation systems [F17D 5/00, F17D 5/06, E03F 7/00, G01B 21/00, G01B 21/18].

В районах с глубоким сезонным промерзанием грунтов почти все подземные коммуникации значительную часть года находятся в мерзлых грунтах. Актуальной задачей является предохранение жидкости от замерзания и сохранение целостности трубопровода. Как правило, канализационные сети прокладываются самотечными, то есть по ходу движения их глубина все время возрастает, поэтому для снижения стоимости работ чрезвычайно важно уменьшить до предела начальную глубину заложения. Таким образом, основная задача проектирования канализационной сети заключается в назначении минимальной глубины заложения ее начального участка с учетом надежного предохранения от замерзания в зимний период. Следовательно, для предварительного исследования прокладки трубопровода в мерзлом грунте нужны экспериментальные установки для определения размеров талой зоны вокруг трубопровода, уложенного в мерзлом грунте. In areas with deep seasonal soil freezing, almost all underground communications are located in frozen soils for a significant part of the year. The urgent task is to protect the liquid from freezing and maintain the integrity of the pipeline. As a rule, sewer networks are laid by gravity, that is, as they move, their depth increases all the time, therefore, in order to reduce the cost of work, it is extremely important to reduce the initial depth to the limit. Thus, the main task of designing a sewer network is to determine the minimum depth of its initial section, taking into account reliable protection from freezing in winter. Therefore, for a preliminary study of laying a pipeline in frozen soil, experimental installations are needed to determine the size of the thawed zone around the pipeline laid in frozen soil.

Из уровня техники известен МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ТРУБЧАТЫЙ ДАТЧИК МЕРЗЛОГО ГРУНТА И СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ МЕРЗЛОГО ГРУНТА [CN 103901182 А, опубл.: 29.04.2014 г.], который содержит несколько односекционных трубчатых датчиков мерзлого грунта, а также содержит крышку датчика, интерфейс, соединительные элементы и штекер, при этом каждый односекционный трубчатый датчик мерзлого грунта содержит плату управления схемой. Система обнаружения мерзлого грунта состоит из многосекционного трубчатого датчика мерзлого грунта, контроллера, фонового персонального компьютера (ПК) и базы данных. Согласно многосекционному трубчатому датчику мерзлого грунта и системе обнаружения мерзлого грунта, температура, влажность и другие данные мерзлого грунта эффективно обнаруживаются.Known from the prior art is a MULTI-SECTION TUBULAR SENSOR OF FROST GROUND AND A SYSTEM FOR DETECTION OF FROST GROUND [CN 103901182 A, publ.: 04/29/2014], which contains several single-section tubular sensors of frozen soil, and also contains a sensor cover, an interface, connecting elements and a plug , and each single-section tubular frozen soil sensor contains a circuit control board. The frozen ground detection system consists of a multi-section tubular frozen ground sensor, a controller, a background personal computer (PC) and a database. According to the multi-section tubular frozen ground sensor and frozen ground detection system, the temperature, humidity and other data of frozen ground are effectively detected.

Недостатком аналога является обеспечение только мониторинга температуры мерзлого грунта.The disadvantage of the analogue is that it only provides monitoring of the temperature of frozen soil.

Известна СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СБРОСА СТОЧНЫХ ВОД [CN 203759504 U, опубл.: 03.01.2014 г.], состоящая из насоса-дозатора, пробоотборника, датчика температуры, датчика уровня жидкости, контроллера, датчика расхода, оптического преобразователя и приемник, камеры, беспроводной излучающей антенны, всенаправленной антенны и платформы автоматизированного мониторинга. Сброс сточных вод предприятия можно контролировать в режиме реального времени.Known WASTEWATER DISCHARGE CONTROL SYSTEM [CN 203759504 U, publ.: 01/03/2014], consisting of a metering pump, sampler, temperature sensor, liquid level sensor, controller, flow sensor, optical converter and receiver, camera, wireless emitting antennas, omnidirectional antennas and automated monitoring platforms. The plant's wastewater discharge can be monitored in real time.

Недостатком аналога является неприменимость системы для мониторинга температуры вокруг канализационного трубопровода в мерзлом грунте.The disadvantage of the analogue is the inapplicability of the system for monitoring the temperature around a sewer pipeline in frozen soil.

Наиболее близким по технической сущности является «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТТАИВАНИЯ ГРУНТА ВОКРУГ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ» [Терехов Л.Д., Майны Ш.Б., Черников Н.А. Экспериментальное исследование оттаивания грунта вокруг канализационных трубопроводов мелкого заложения в зимнее время // Вода и экология: проблемы и решения. - 2019. - №. 4 (80). - С. 71-78.], имеющий схему экспериментальной установки: блок мерзлого грунта, трубопровод, бак, насос, подающий шланг, отводящий шланг.The closest in technical essence is “EXPERIMENTAL STUDY OF SOIL THAWING AROUND SHALLOW SEWER PIPELINES IN WINTER” [Terekhov L.D., Mainy Sh.B., Chernikov N.A. Experimental study of soil thawing around shallow sewer pipelines in winter // Water and ecology: problems and solutions. - 2019. - No. 4 (80). - P. 71-78.], having a diagram of an experimental installation: a block of frozen soil, a pipeline, a tank, a pump, a supply hose, an outlet hose.

Основными техническими проблемами прототипа является сложность в реальных условиях фиксирования изменений температуры мерзлого грунта.The main technical problems of the prototype are the difficulty in recording changes in the temperature of frozen soil in real conditions.

Задача изобретения является устранение недостатком прототипа.The objective of the invention is to eliminate the disadvantage of the prototype.

Технический результат заключается в обеспечении возможности создания надежного устройства для определения температуры грунта вокруг трубопровода с возможностью автоматического управления системой водоснабжения.The technical result consists in providing the ability to create a reliable device for determining the temperature of the soil around the pipeline with the ability to automatically control the water supply system.

Устройство защиты трубопровода в грунте от промерзания, содержащее трубопровод, вокруг которого находится область талого грунта, к трубопроводу прилегает смотровой колодец, системы водоснабжения и производительности насоса, отличающаяся тем, что вдоль трубопровода смонтированы температурные датчики, погруженные в окружающий трубопровод грунт, на глубину, допустимую промерзанию, температурные датчики соединены с контроллером, который соединен с управляющим системой водоснабжения контроллером, выполненным с возможностью изменения давления воды в трубопроводе или ее температуры при достижении критических значений температуры грунта вокруг трубопровода, способствующей его промерзанию.A device for protecting a pipeline in the ground from freezing, containing a pipeline around which there is an area of thawed soil, an inspection well adjacent to the pipeline, water supply and pump performance systems, characterized in that temperature sensors are mounted along the pipeline, immersed in the soil surrounding the pipeline to a depth permissible freezing, temperature sensors are connected to a controller, which is connected to a controller that controls the water supply system, configured to change the water pressure in the pipeline or its temperature when critical values of the soil temperature around the pipeline are reached, which contributes to its freezing.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

На фиг. 1 показан общий вид отрезка проложенного трубопровода в мерзлом грунте с область талого грунта.In fig. Figure 1 shows a general view of a section of a laid pipeline in frozen soil with an area of thawed soil.

На фиг. 2 показана последовательность управления устройством защиты трубопровода в грунте от промерзания.In fig. Figure 2 shows the sequence of control of the device for protecting a pipeline in the ground from freezing.

На фиг. 3 показан программируемый алгоритм в управляющем контроллере.In fig. Figure 3 shows the programmable algorithm in the control controller.

На фигурах обозначено: 1 - трубопровод, 2 - область талого грунта, 3 - смотровой колодец, 4 - система водоснабжения, 5 - насос, 6 - стержневые температурные датчики, 7 - контроллер, 8 - управляющий контроллер, 9 - терминал.The figures indicate: 1 - pipeline, 2 - area of thawed soil, 3 - inspection well, 4 - water supply system, 5 - pump, 6 - rod temperature sensors, 7 - controller, 8 - control controller, 9 - terminal.

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

Сущность технического решения состоит в обеспечении защиты от промерзания трубопровода 1 с проходящей по нему жидкости, например, трубопровода 1 систем горячего и холодного водоснабжения в холодное время года и предотвращений аварийных ситуаций.The essence of the technical solution is to provide protection against freezing of pipeline 1 with liquid passing through it, for example, pipeline 1 of hot and cold water supply systems in the cold season and to prevent emergency situations.

Устройство защиты трубопровода в грунте от промерзания содержит ортогонально смонтированные на поверхности трубопровода 1, проложенного в области талого грунте 2, подверженному промерзанию, стержневые температурные датчики 6, при этом размер упомянутых стержневых температурных датчиков 6, преимущественно их длина и монтаж их осуществлен таким образом, что упомянутые стержневые датчики 6 обеспечивают измерение температуры области талого грунта 2 вблизи трубопровода 1 на расстоянии, минимально допустимом для промерзания области талого грунта 2 вокруг трубопровода 1, исключающим промерзание трубопровода 1 с протекающей по нему жидкостью.The device for protecting a pipeline in the ground from freezing contains rod temperature sensors 6 orthogonally mounted on the surface of the pipeline 1 laid in the area of thawed soil 2 subject to freezing, and the size of the said rod temperature sensors 6, mainly their length, and their installation is carried out in such a way that the mentioned rod sensors 6 provide measurement of the temperature of the thawed soil area 2 near the pipeline 1 at a distance minimally permissible for freezing of the thawed soil area 2 around the pipeline 1, excluding freezing of the pipeline 1 with the liquid flowing through it.

Температурные датчики 6 подключены контроллеру 7, смонтированному в смотровом колодце 3. В одном из вариантов реализации стержневые температурные датчики 6 снабжены первичными аналого-цифровыми преобразователями. Контроллер 7 выполнен с возможностью адресации и идентификации каждого из упомянутых датчиков 6 и их месторасположения.Temperature sensors 6 are connected to a controller 7 mounted in the inspection well 3. In one embodiment, the rod temperature sensors 6 are equipped with primary analog-to-digital converters. The controller 7 is configured to address and identify each of the mentioned sensors 6 and their location.

Контроллер 7 с помощью модуля связи подключен к управляющему контроллеру 8. Управляющий контроллер 8 выполнен с возможностью сбора данных от стержневых температурных датчиков 6 и управления системами водоснабжения 4 с помощью изменения производительности насоса 5, обеспечивающего подачу воды в трубопровод 1 под давлением или подачи управляющего сигнала на контроллеры котлов нагрева воды системы горячего водоснабжения (на фигурах не показан).The controller 7 is connected to the control controller 8 using a communication module. The control controller 8 is configured to collect data from rod temperature sensors 6 and control water supply systems 4 by changing the performance of the pump 5, which supplies water to the pipeline 1 under pressure or by supplying a control signal to water heating boiler controllers for hot water supply systems (not shown in the figures).

Управляющий контроллер 8 выполнен в виде программируемого контроллера, который имеет встроенный алгоритм, показанный на фиг. 3. В алгоритм (фиг. 3) прописываются исходные данные в виде предельных значений минимальной температуры области талого грунта 2 (t_i,_min) и максимального давления воды (P_max), подаваемой с помощью насоса 5 в трубопровод 1. Ограничения вводятся для того, чтобы предотвратить аварийные ситуации, в случае, если трубопровод 1 с большим сроком эксплуатации и увеличение давления воды в нем, равно как и температуры подачи воды может привести к нарушению целостности трубопровода 1. Управляющий контроллер 8 может иметь цифро-аналоговый преобразователь сигналов для управления системами водоснабжения 4 и производительности насоса 5. Данные из управляющего контроллера 8 по каналам связи поступают в терминал 9, который может быть выполнен в виде ПЭВМ, мобильного устройства и т.п., с возможностью формирования отчета.The control controller 8 is designed as a programmable controller, which has a built-in algorithm shown in FIG. 3. The algorithm (Fig. 3) contains the initial data in the form of limit values of the minimum temperature of the thawed soil area 2 ( _ti , _min ) and the maximum water pressure (P _max ) supplied by pump 5 to pipeline 1. Limitations are introduced in order to to prevent emergency situations in the event that pipeline 1 has a long service life and an increase in water pressure in it, as well as water supply temperature, can lead to a violation of the integrity of pipeline 1. The control controller 8 may have a digital-to-analog signal converter for controlling systems water supply 4 and pump performance 5. Data from the control controller 8 via communication channels enters the terminal 9, which can be made in the form of a PC, mobile device, etc., with the ability to generate a report.

Устройство защиты трубопровода в грунте от промерзания используют следующим образом.A device for protecting a pipeline in the ground from freezing is used as follows.

На фиг. 2 показана последовательность управления устройством защиты трубопровода 1 в грунте от промерзания.In fig. Figure 2 shows the sequence of control of the device for protecting the pipeline 1 in the ground from freezing.

Погруженные в грунт стержневые температурные датчики 4 регистрируют температуру на границе области талого грунта 2 и передают зарегистрированную информацию в контроллер 7.Rod temperature sensors 4 immersed in the ground record the temperature at the boundary of the thawed soil area 2 and transmit the recorded information to the controller 7.

От контроллера 7 информацию, полученную от стержневых температурных датчиков 6 передают в управляющий контроллер 8. Управляющий контроллер 8 с помощью алгоритма (см. фиг. 3) осуществляет сравнение полученных данных с установленными значениями минимальной температуры области грунта 2 (t_i,_min) и при снижении температуры грунта 2 ниже минимального значения (t_i._min) управляющий контроллер 9 передает сигнал для увеличения температуры подачи воды трубопровод 1 или увеличения давления воды с помощью насоса 5.From the controller 7, the information received from the rod temperature sensors 6 is transmitted to the control controller 8. The control controller 8, using an algorithm (see Fig. 3), compares the received data with the set values of the minimum temperature of the soil area 2 (t _i , _min ) and at When the soil temperature 2 decreases below the minimum value (t _i . _min ), the control controller 9 transmits a signal to increase the temperature of the water supply to pipeline 1 or increase the water pressure using pump 5.

Таким образом, осуществляется постоянный мониторинг состояния трубопровода 1 в части касающейся его промерзания и в случае угрозы уменьшения области талого грунта 2 вокруг трубопровода 1 осуществляется автоматическое изменение параметров жидкости, протекаемой в трубопроводе 1, и тем самым предотвращается промерзание трубопровода 1. Пользователь осуществляет проверку системы с помощью терминала 9. Отчет, предоставляемый пользователю, может содержать данные за запрашиваемый период времени эксплуатации.Thus, the condition of the pipeline 1 is constantly monitored in terms of its freezing, and in the event of a threat of a decrease in the area of thawed soil 2 around the pipeline 1, the parameters of the liquid flowing in the pipeline 1 are automatically changed, and thus freezing of the pipeline 1 is prevented. The user checks the system with using terminal 9. The report provided to the user may contain data for the requested period of operation.

Автором заявки на изобретение в 2019 году был изготовлен образец экспериментальной установки (описанный как прототип [Терехов Л.Д., Майны Ш.Б., Черников Н.А. Экспериментальное исследование оттаивания грунта вокруг канализационных трубопроводов мелкого заложения в зимнее время // Вода и экология: проблемы и решения. - 2019. - №. 4 (80). - С. 71-78.]) для выполнения сравнительного анализа размеров области талого грунта 2 при разных температурах прогретой воды (+40, +20, +1°С) для определения уровня заложения трубопровода 1.The author of the application for an invention in 2019 produced a sample of an experimental installation (described as a prototype [Terehov L.D., Mainy Sh.B., Chernikov N.A. Experimental study of soil thawing around shallow sewer pipelines in winter // Water and ecology: problems and solutions. - 2019. - No. 4 (80). - P. 71-78.]) to perform a comparative analysis of the size of thawed soil area 2 at different temperatures of heated water (+40, +20, +1° C) to determine the level of pipeline 1.

В 2022 году автором изобретения проведены экспериментальные исследования в реальных условиях, в соответствии с приведенным описанием. Результаты замеров в районе г. Кызыл в зимний период температур сточных вод (СК) и подвале дома (ПД), приведены в таблице 1.In 2022, the author of the invention conducted experimental studies under real conditions, in accordance with the description given. The results of measurements in the area of Kyzyl in winter, the temperatures of wastewater (WW) and the basement of the house (PD), are shown in Table 1.

Проведенные исследования температурного режима канализационного выпуска, уложенного в слое мерзлого грунта, с глубиной заложения 1,9 м показали, что в точке исследуемого участка температура сточных вод в течение суток имеет положительную температуру в пределах от +8,1 - и -22,3°С, что говорит о достаточном тепловом запасе от перемерзания трубопровода 1.Conducted studies of the temperature regime of the sewer outlet, laid in a layer of frozen soil, with a depth of 1.9 m, showed that at the point of the study area, the temperature of the wastewater during the day has a positive temperature ranging from +8.1 - and -22.3° C, which indicates a sufficient thermal reserve against freezing of pipeline 1.

Таким образом, проведенные эксперименты доказали достижение заявленного технического результата - обеспечение возможности создания надежного устройства для определения температуры грунта вокруг трубопровода с возможностью автоматического управления системой водоснабжения.Thus, the experiments carried out proved the achievement of the stated technical result - providing the possibility of creating a reliable device for determining the temperature of the soil around the pipeline with the ability to automatically control the water supply system.

Claims

Устройство защиты трубопровода в грунте от промерзания, содержащее трубопровод, вокруг которого находится область талого грунта, к трубопроводу прилегает смотровой колодец, системы водоснабжения и производительности насоса, отличающееся тем, что вдоль трубопровода смонтированы температурные датчики, погруженные в окружающий трубопровод грунт на глубину, допустимую промерзанию, температурные датчики соединены с контроллером, который соединен с управляющим системой водоснабжения контроллером, выполненным с возможностью изменения давления воды в трубопроводе или ее температуры при достижении критических значений температуры грунта вокруг трубопровода, способствующей его промерзанию.A device for protecting a pipeline in the ground from freezing, containing a pipeline around which there is an area of thawed soil, an inspection well adjacent to the pipeline, a water supply system and pump capacity, characterized in that temperature sensors are mounted along the pipeline, immersed in the soil surrounding the pipeline to a depth permissible for freezing , temperature sensors are connected to a controller, which is connected to a controller that controls the water supply system, configured to change the water pressure in the pipeline or its temperature when critical values of the soil temperature around the pipeline are reached, which contributes to its freezing.