Совершенствование методов гидравлического и технико-экономического расчета системы подачи и распределения воды

Актуальность проблемы.

В решениях ХХУ1 съезда 1ШСС и последующих пленумов Центрального Комитета большое внимание уделено задачам ускорения научно-технического прогресса, повышения эффективности работы и рационального использования материальных и энергетических ресурсов. Эти задачи находятся также в центре внимания Центрального Комитета Коммунистической партии и Правительства Кубы.

Применительно к системам водного хозяйства проблема повышения эффективности работы и рационального использования ресурсов в первую очередь должна решаться при проектировании, строительстве и эксплуатации систем подачи и распределения воды.

Строительство этих систем требует больших капитальных вложений и сопряжено со значительными затратами материальных ресурсов, в первую очередь труб. Затраты на строительство водоводов и водопроводных сетей, а также насосных станций и регулирующих емкостей составляют основную часть затрат на строительство систем водоснабжения в целом.

При эксплуатации систем водоснабжения основную часть затрат составляют, в большинстве случаев, затраты по оплате электроэнергии, расходуемой на подачу воды. Поэтому при проектировании систем водоснаб? кения необходимо не только свести к возможному минимуму затраты на строительство водоводов и магистралей, но и обеспечить их последующую эффективную эксплуатацию при возможно меньших затратах электроэнергии.

Для выбора оптимальных вариантов строительства новых и реконструкции существующих систем подачи и распределения воды, при которых обеспечивается их надежная работа при минимальных приведенных затратах, необходимо проведение сложных и весьма трудоемких гидравлических расчетов. Выполнение этих расчетов в том объеме, который необходим для объективной оценки сопоставляемых вариантов и выбора на этой основе оптимального решения, без применения современной вычислительной техники практически невозможно. Однако успехи в развитии современной вычислительной техники не могут сами по себе решить задачи, связанные с выбором оптимальных проектных решений в любой отрасли строительства, в частности, и при строительстве систем подачи и распределения воды. Необходимо совершенствование и самих методов гидравлического и технико-экономического расчета с тем, чтобы оказалось возможным эффективно использовать современную вычислительную технику. Поэтому дальнейшее совершенствование методов гидравлического и технико-экономического расчета систем подачи и распределения воды является необходимым условием снижения стоимости их строительства, экономии металла, расходуемого на прокладку водоводов и водопроводных сетей, и снижения затрат электроэнергии на подачу воды.

Целью настоящей работы является совершенствоание методов гидравлического и технико-экономического расчета систем подачи и распределения воды, основанных на увязке сетей по узлам.

В настоящее время как в СССР и на Кубе, так и в других странах нет метода гидравлического расчета систем подачи и распределения воды увязкой сети по узлам, позволяющего эффективно учитывать действие станций регулирования.

— б.

Метод фиктивных расходов, обеспечивающий возможность выбора оптимальных диаметров водоводов и линий водопроводных сетей, применительно к увязке сети по узлам, не разрабатывался, хотя при выполнении расчетов по этому методу увязка сети имеет ряд преимуществ по сравнению с увязкой по контурам.

При разработке метода фиктивных расходов увязкой сети по узлам была поставлена задача отработки методики «округления» оптимальных диаметров до стандартных и учета при проектировании существующих водоводов и магистралей.

Научная новизна диссертационной работы определяется тем, что впервые разработан метод гидравлического расчета систем подачи и распределения воды увязкой сети по узлам решением системы уравнений, включающих уравнения, учитывающие действие станций регулирования, используемых для обеспечения заданных условий работы систем подачи п распределения воды.

Этот метод развит и распространен на решение системы уравнений, определяющих оптимальные диаметры водоводов и линий водопроводных сетей. Показано, что при расчете сетей на пропуск фиктивных расходов метод увязки сети по узлам имеет существенные преимущества по сравнению с методом увязки по контурам.

Метод гидравлического и технико-экономического расчета с увязкой сети по узлам использован для «округления» оптимальных диаметров труб до стандартных и для обеспечения рационального использования существующих линий реконструируемых систем подачи и распределения воды.

Практическая ценность. Метод гидравлического и технико-экономического расчета увязкой сети по узлам использован при разработке комплекса пробных программ. Опыт проведения расчетов по этим программам на ЭВМ серии ЕС показал эффективность разработанного метода.

Внедрение результатов диссертационных исследований. Комплекс пробных программ выполнения гидравлических и технико-экономических расчетов систем подачи и распределения воды принят в опытную эксплуатацию институтом ВНИПИ НЕФТЬ и с использованием этого комплекса ведется проектирование систем водоснабжения объектов нефтеперерабатывающей промышленности.

Основное содержание диссертации изложено в четырех опубликованных статьях и в одной статье, принятой для депонирования журналом «Водоснабжение и санитарная техника» .

На защиту выносится:

— новый метод гидравлического расчета систем подачи и распределения воды увязкой сети по узлам, предусматривающий решение системы уравнений, включающей уравнения, учитывающие действие станций регулирования, обеспечивающих заданный режим работы систем подачи и распределения воды;

— новый метод технико-экономического расчета разветвленных и кольцевых сетей, предусматривающий увязку по узлам распределения по линиям сети фиктивных расходов, учитывающих роль каждой линии в работе системы в целом.

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ВЕЛИЧИН.

— пьезометрический напор в узле 1 сети.

— отбор (подача) воды в узле 1 .

С^к — расход воды по линии IК сети.

— потеря напора на линии «(, к «.

2 ¿-к ~ гидравлическое сопротивление линии «¿-к «.

— напор, развиваемый или гасимый станцией регулирования. р*] - количество узлов сети. дН-1 — поправочный напор узла «I д5Н (к — поправочный напор станции регулирования.

СЦ^ - коэффициент матрицы линейной системы уравнений. дСк — невязка расходов в узле «{, Нт- - требуемый напор в диктующей точке. | - длительность работы системы при рассматриваемом режиме. р — площадь зеркала воды в резервуаре. 1 — количество станций регулирования. X — фиктивный расход.

3 -экономический фактор.

— длина линии «^ «.

Т€К — срок окупаемости, в годах. ?5 — сумма амортизационных отчислений и отчислений на текущий ремонт.

6″ - стоимость I кВт. ч электроэнергии. ^ - коэффициент неравномерности затрат энергии.

— коэффициент полезного действия насосного агрегата.

Цтт~ оптимальный диаметр труб.

Сп — стандартный (сортаментный) диаметр труб.

ВЫВОДЫ.

I"Включение уравнений, учитывающих действие станций регулированиям общую систему уравнений, определяющих условия совместной работы всех элементов систем подачи и распределения воды, исключает необходимость использования двух (внешнего и внутреннего) циклов итеративного процесса при расчете сети методом увязки по узлам. Это приводит к существенному снижению затрат машинного времени при проведении расчетов на ЭВМ.

2.Для обеспечения быстрой сходимости итерационного процесса обычную процедуру увязки сети по узлам необходимо дополнить процедурой, предусматривающей одновременную корректировку параметров станций регулирования и расходов воды в узлах, ограничивающих линии, на которых расположены станции регулирования.

3.Для решения системы линейных уравнений, определяющих в первом приближении условия совместной работы сети, насосных станций, регулирующих емкостей и станций регулирования, следует использовать новый алгоритм, предусматривающий выделение в отдельную группу уравнений, определяющих изменение напоров в узлах.

Использование этого алгоритма резко сокращает затраты машинного времени и создает практическую возможность выполнения гидравлических и технико-экономических расчетов систем подачи и распределения воды в объеме, требуемом при вариантном проектировании этих систем в соответствии с требованиями СНиП 2,04.02.84.

— ИЗ.

Применение этого алгоритма позволяет широко использовать замену фиксированных отборов нефиксированными для учета влияния изменений свободного напора в сети на возрастание или снижение расходов воды.

4. Распространение метода увязки сети по узлам на выполнение расчетов, определяющих величины фиктивных расходов, учитывающих взаимодействие отдельных элементов системы, обеспечивает практическую возможность проведения комплексного гидравлического и технико-экономического расчета систем подачи и распределения воды с автоматизированным округлением оптимальных диаметров до стандартных и обеспечением эффективного использования существующих линий при проектировании их развития и реконструкции.