Хидравлично моделиране на водопроводни мрежи

В и КСп. Инженеринг ревю - брой 7/2017 • 03.11.2017

Хидравлично моделиране на водопроводни мрежи
Хидравлично моделиране на водопроводни мрежи

Основен стремеж на водоснабдителните дружества е да доставят на клиентите си вода с високо качество по безопасен и надежден начин и същевременно да редуцират разходите за извършването на услугата.

Водата се подава през сложни разпределителни системи, състоящи се от километри водопроводна мрежа, множество помпи, регулиращи вентили и резервоари за съхранение. Определянето на производителността на тези системи често е трудна задача не само поради големината и сложността им, но и заради необходимостта от огромен обем данни, нужни за цялостно разбиране на функционирането им.

Един от инструментите, които улесняват проектантите и операторите на водопроводни мрежи в сигурното доставяне на вода на ниска цена, е моделирането на разпределителните системи.

То включва използването на компютърен модел за предсказване на работните параметри на системата и разрешаване на различни проблеми, свързани с функционирането на съоръженията и качеството на водата. С помощта на такъв модел могат да бъдат предсказани например наляганията и дебитите в мрежата, което ще позволи сравняването им с проектните стойности.

С времето моделите стават по-мощни, по-лесни за употреба и много по-бързи. В началото моделите са използвани единствено за оценка на хидравличните нива (и получаващите се налягания) и дебитите. Въпреки че тази функция остава основна за моделирането на водоразпределителни мрежи, днес хидравличните модели се използват и за определяне на качеството на водата, енергийните разходи, както и за оптимизиране експлоатацията на мрежата.

Съвременните модели могат ефективно да споделят данни чрез използването на географски информационни системи (GIS), системи за компютърно проектиране (CADD), SCADA платформи, клиентски информационни системи (CIS), компютъризирани системи за управление на техническата поддръжка (CMMS) и софтуер за управление на активите (AMS), което намалява необходимите усилия за създаването, обновяването и поддръжката на модела.

Получената информация от моделното изследване може да бъде филтрирана, организирана и представена по различни графични и неграфични начини така, че резултатите да бъдат по-разбираеми.

Конвенционално моделиране
Конвенционалните модели за симулация на разпределителни системи включват информация за статичните активи – дължини и диаметри на тръбите, свързаност, мрежова топография и данни за динамичните параметри, например разпределение на потреблението и компоненти като помпи, резервоари и вентили.

Повечето съвременни софтуерни пакети за моделиране използват модели, които обхващат всички нива на мрежата, без обслужващите тръби на клиентите. Стандартните взаимовръзки по отношение на изменящото се с времето потребление за различните видове клиенти се определят и се присвояват на водопроводните свързвания (възли) спрямо разпределението на потребителите.

Обикновено моделите се използват за симулиране на дебити и налягания за фиксиран 24-часов период (с нормализирани данни от конкретна дата), което осигурява достатъчно информация за поставената цел. Сложните калибрирани модели намират приложение предимно за управление на течовете, по-специално за разделяне на разпределителните мрежи на дискретни подобласти, за изготвяне на схеми за понижаване на налягането, както и за локализирането на значителни по големина течове.

Онлайн моделиране
Моделите за онлайн симулиране изискват същата информация като конвенционалните, но използват актуални, получени почти в реално време данни за гранични условия.

Вместо за симулиране на фиксиран 24-часов период, онлайн моделите са най-полезни на операторите, когато се използват за оценка на последния експлоатационен цикъл или за предсказване на производителността през следващите няколко часа. Резултатите от стотици измервания могат да бъдат зададени в сложните модели като гранични условия на входа и изхода на подобластите, обслужващите резервоари, помпените станции и навсякъде, където се мерят дебит и налягане.

Приложение на моделирането
Софтуерът за моделиране на разпределителните системи намира приложение по време на етапите на планиране, проектиране и експлоатация, както и за изготвяне на мерки за подобряване на качеството на водата.

Моделите се прилагат широко при разработването на дългосрочни инвестиционни планове, които включват изготвяне на графици, оразмеряване и определяне на местоположението на бъдещи съоръжения. Използват се и при планирането на рехабилитация на водопроводи и реализиране на системни подобрения.

В етапа на проектиране моделите могат да намерят приложение за оразмеряване на различни типове съоръжения, включително водопроводи, помпени станции, вентили за регулиране на налягане и резервоари. Размерите на тези видове оборудване се определят на база получените стойности за дебит и налягане от извършените моделни изследвания.

В допълнение, с помощта на тези модели може да се анализира ефективността на системата в условия на пожар, да се определи дали има нужда от предприемане на корективни действия и да се провери съответствието със стандартите за пожарозащита.

Разпределителните системи в повечето случаи включват вентили за регулиране и поддържане на налягането, благодарение на които водният поток се насочва към различните хидравлични зони. Във водоразпределителните мрежи често се използват и дроселни клапани, които насочват потока в рамките на една зона към различни резервоари или станции за съхранение.

С помощта на моделиране може да се определи необходимият дебит на водата, която ще преминава през тези клапани, и съответно да се изчислят правилните размери на съоръженията.

Резервоарите често се оразмеряват на база общия денонощен дебит, дебита за пожарни нужди и изискванията за авариен запас в дадена зона. При изчисленията обаче следва да се вземе предвид и скоростта на доставяне на водата до местоположението на резервоара, както и големината на разпределителната зона. Моделирането е от полза за изчисляване на входящите и изходящите от резервоара потоци, което ще спомогне за определяне на оптималния размер на резервоара за дадена локация и/или за специфициране на други подобрения така, че резервоарът да се обслужва адекватно от преносните водопроводи и помпените станции.

Модели се използват и за получаване на системната крива на разпределителните мрежи (зависимостта между напора и дебита), с помощта на която се избират подходящите помпи. След избирането на помпите, показателите им се включват в модела при широк диапазон от настройки на системата, за да се определи как ще функционират при различни работни условия.

Водопроводните системи следва да осигуряват достатъчни количества вода при налягания в специфициран от дружествата диапазон. Една от основните функции на моделирането е изчисляването на хидравличните нива и на дебитите. Благодарение на това могат да бъдат предсказани наляганията при специфични условия на водопотребление и при различни сценарии, за да се идентифицират зоните с ниски налягания и да се избере инфраструктура, която ще подобри дебитите и разликите в наляганията.

Повечето водоразпределителни системи доставят вода до клиенти, разположени на различна височина. С цел да се поддържа налягането в разумни граници, разпределителните мрежи са разделени в зависимост от стойността му на зони, чиито граници могат да бъдат определени чрез моделиране. Това би спомогнало и за оценяване на адекватността на доставящата инфраструктура за всяка една от определените зони.

Моделите намират приложение и при обучаването на операторите за работа с разпределителната мрежа. Те могат да експериментират с модела и да разберат как реагира системата при изменение на работните параметри и условия.

Моделиране се използва и за откриване на потенциалните причини за възникнали проблеми, свързани с ниско налягане, затруднена циркулация и др. При спукването на главен водопровод например се използва модел за установяване на количеството водни загуби, което е необходимо при извършване на оценка на щетите.

Водоразпределителните системи често включват елементи с критично значение, при които, ако възникне неизправност, водоподаването прекъсва. В такива случаи моделите са полезни за оценяване на въздействието от повредата и за намиране на начини за ограничаването му.

Калибрирането обикновено се счита за един от етапите в разработването на ефективен модел. Процесът обаче е от полза и при откриването на аномалии в разпределителната система, например затворени вентили, запушени тръби, течове, погрешни или непълни данни за инфраструктурата. С помощта на получената при калибрирането информация могат да бъдат обяснени затрудненията във функционирането на системата и да бъдат идентифицирани проблемите, изискващи разработването на специфични решения.

Често се налага водоразпределителните дружества да изолират определена зона с цел извършване на поддръжка или други дейности. За целта за определяне на клиентите, чието водоподаване ще бъде прекъснато и за идентифициране на вентилите, които трябва да бъдат затворени, за да се сведе до минимум въздействието от прекъсването, може да се използва хидравличен модел.

Около 75 до 80% от енергопотреблението на водоснабдителните дружества се изразходват за изпомпване. Поради непрекъснато увеличаващите се разходи за енергия, водопроводните оператори са принудени да търсят начини за редуциране на консумацията на електроенергия. Много от предлаганите днес решения за моделиране имат функция и за количествено определяне на енергопотреблението и свързаните с него разходи, и за подпомагане на процеса на оптимизиране работата на помпите.

Ако даден замърсител навлезе в разпределителната система през пречиствателна станция, резервоар или друго съоръжение, той лесно може да се разпространи из цялата мрежа и да повлияе на качеството на водата за всички клиенти, получаващи вода от този източник. Замърсената вода може да се смеси и с вода от други източници. За предсказване на нивата на замърсяване и определяне на зоните на въздействие в рамките на разпределителната система може да се използва модел. По този начин може да се идентифицират и засегнатите потребители и да се дефинират частите от системите, от които водата трябва да бъде източена.

Видове анализ
Анализът на стационарно състояние осигурява “снимка” на условията във водопроводната система за всеки момент във времето. Този вид анализ обикновено се използва за оценяване на максималните дневни или пиковите почасови условия.

Симулирането на продължителен период от време включва серия от симулации на стационарни състояния през определен интервал за зададен период. По този начин може да се моделира например функционирането на системата за период от 24 часа с провеждане на анализ на всеки час. Такава симулация е полезна при моделиране на измененията в потреблението, качеството на водата и процеса на пренос по водопроводите.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top