Мы поможем вам стать лучшими в отрасли Тел./факс +7(495)737-60-28, +7(499)151-06-54     e‑mail: info@citycom.ru

Гидравлическое моделирование водопроводной сети

А.Р. Ексаев
М.Г.Шумяцкий
ИВЦ "Поток"
г. Москва

сентябрь 2005 г.

Целью настоящей статьи является ознакомление читателей с практическими аспектами создания «с нуля» расчетной гидравлической модели водопроводной сети на примере одного из подмосковных городов. Работа по созданию модели и анализу гидравлических режимов выполнялась компанией ИВЦ «Поток» на условиях субподряда в рамках более крупного проекта реконструкции системы водоснабжения города в связи с предполагаемым строительством и вводом в эксплуатацию новых жилых массивов. В описываемой работе в качестве инструментальных средств реализации использовались исключительно программные средства ИГС «CityCom-ГидроГраф» собственного производства.

Общая характеристика объекта, постановка задачи

В настоящее время водоснабжение жилищно-коммунальных и промышленных объектов города осуществляется от насосных станций 2-го подъема нескольких водозаборных узлов (ВЗУ), работающих на общую водопроводную сеть. Систематические измерения расхода воды и давлений эксплуатационными службами ведутся только на выходных коллекторах ВЗУ; изредка, по мере необходимости, производятся замеры давления в отдельных колодцах, но расходы воды не измеряются ни на водоводах, ни у отдельных потребителей. Естественно, что служба эксплуатации не имеет информации о фактическом распределении воды в сети.

Строительство и ввод двух новых жилых массивов в городе однозначно увеличит потребность в воде. В рамках данной работы следовало дать рекомендации о необходимости реконструкции имеющихся насосных станций и водопроводных сетей в связи с ростом нагрузок из-за застройки новых жилых массивов. Для решения этой задачи необходимо было провести ряд расчетов на компьютерной гидравлической модели, а саму такую модель предварительно создать и откалибровать.

Создание предварительной модели

В службах предприятия оказалась доступна условно-масштабная графическая информация о схеме водопроводной сети на бумажных носителях. Дополнительно удалось получить бумажные же копии устаревших планшетов 1:2000, на которых сохранилось значительное количество «крестов» промежуточной привязочной сетки. За неимением более или менее достоверной информации о длинах участков трубопроводов (а эта информация необходима для гидравлического моделирования в части расчета сопротивлений), было принято и реализовано следующее решение. Бумажные планшеты были отсканированы, полученные растровые фрагменты нормализованы по «следам» регулярной сетки и сшиты в единое поле покрытия территории, по этой «подложке» средствами ИГС "CityCom-ГидроГраф" векторизован план города в части границ кварталов и зданий, после чего на полученный таким образом масштабный цифровой план перенесено изображение схемы сетей с условно-масштабных схем, привязываемых по неизменным объектам местности. Полученное в результате этих манипуляций позиционирование сетей имеет абсолютную погрешность в пределах 3-4 метров, а длины участков трубопроводов с поправкой на рельеф определены с точностью до 5-7 метров, что вполне достаточно для адекватного моделирования.

По данным абонентской службы водоснабжающего предприятия были получены сведения о договорных (проектных) значениях среднесуточного водопотребления объектов жилого фонда, предприятий и организаций. Кроме того, были предоставлены суточные протоколы почасовых значений подач и давлений по станциям 2-го подъема. Совокупный анализ этих данных позволил вычислить поправочные коэффициенты суточной неравномерности, определить часы «пиковых» режимов и получить значения максимальных расчетных нагрузок абонентов.

Кварталы перспективной застройки были включены в модель в виде обобщенных потребителей с суммированием на них совокупной проектной нагрузки водопотребления.

Таким образом, были получены и занесены в модель все исходные данные, необходимые для проведения гидравлических расчетов, за исключением параметров внутреннего сопротивления трубопроводов (шероховатость, зарастание, местные сопротивления), которые невозможно определить достоверно, и оценка которых производится в процессе калибровки модели по данным натурных испытаний.

Получение экспериментальных данных

В качестве экспериментальных данных, требующихся для калибровки модели, необходимы замеры давлений и расходов воды в отдельных точках водопроводной сети. Выбор этих точек должен основываться на особенностях схемы сети и технических возможностях организации, проводящей измерения. К сожалению, ограниченные технические возможности эксплуатирующей организации не позволили произвести хотя бы приблизительные замеры расходов, и пришлось ограничиться манометрической съемкой. Список наиболее характерных колодцев, в которых желательно провести измерение давлений воды, был подготовлен разработчиками модели и передан службам эксплуатирующего предприятия для уточнения возможностей измерения давлений именно в этих точках. Измерения давлений должны были производиться по специальной методике, содержательный смысл которой состоит в обеспечении проведения измерений давлений воды в часы пикового водоразбора с одновременной фиксацией расходов и давлений воды на выходных коллекторах ВНС. Очевидно, что обеспечить «мгновенную» манометрическую съемку по множеству точек сети в отсутствии средств телеизмерений технически невозможно, поэтому измерения должны производиться в несколько серий для максимально близких условий (например, только в часы вечернего «пятничного» пика, либо только в часы утреннего пика рабочих дней середины недели, и т.п.)

Из полученного массива протоколов манометрической съемки была проведена выбраковка всех замеров, «сомнительных» с точки зрения идентичности условий проведения измерений, либо не укладывающихся в общую логику работы сети. Причиной этого может быть закрытая арматура, неисправные приборы, неверные сведения о геодезических отметках в точках измерений, ошибки в записях и др. Оставшиеся после выбраковки 20-25% наиболее достоверных значений служат опорным материалом для калибровки математической модели.

Калибровка модели

Первым шагом этого важнейшего этапа является определение баланса расхода воды по данным архива подач насосными станциями второго подъема, с одной стороны, и расчетными значениями водопотребления присоединенной нагрузки в режимах, близких к пиковым. Целью этого этапа является уточнение фактического усредненного коэффициента суточной неравномерности и приведение мгновенных нагрузок в расчетной модели к условиям фактических измерений. При этом в полученное значение небаланса будут составной частью входить и непроизводительные утечки, поскольку в условиях моделирования при отсутствии замеров расходов это единственный способ приблизительно оценить их величину.

Как показал численный эксперимент на предоставленных данных, значение небаланса не превысило 10%, что сравнимо со среднестатистическими по аналогичным объектам значениями фактических удельных потерь в системах водоснабжения. Это косвенно свидетельствует о том, что исходные данные по нагрузкам и суточной неравномерности были оценены адекватно.

Следующий шаг процесса калибровки модели - определение интегральной характеристики гидравлического сопротивления сетей. Оценка этой характеристики для целей укрупненного моделирования осуществляется в целом по системе водоснабжения, без детализации параметров сопротивления для каждого отдельного трубопровода. Практика показала, что наиболее адекватным способом оценочного описания интегральной характеристики гидравлического сопротивления для водопроводных сетей является так называемый «коэффициент зарастания», измеряемый в процентах эквивалентного уменьшения внутреннего диаметра по отношению к конструктивному. Такой коэффициент позволяет укрупнено учесть все линейные и местные гидравлические сопротивления, отнеся их за счет «условного» уменьшения проходного поперечного сечения трубопроводов.

Для определения эквивалентного коэффициента зарастания по сети в целом был проведен ряд гидравлических расчетов при различных значениях этого коэффициента для одного характеристического часа (из имеющихся архивов подач), с нагрузкой, близкой к пиковой. Результаты представлены в виде графика:

Здесь по оси абсцисс расположены значения эквивалентного коэффициента зарастания, а по оси ординат – значения отклонения расчетных значений подач по ВЗУ от фактических, полученных из архива. Из графика видно, что увеличение коэффициента зарастания приводит к существенному перераспределению подачи от ВЗУ-4 к ВЗУ-5, изменение на ВЗУ-2 – очень незначительно. Соотношение подач на всех трех источниках, адекватное данным архива измерений за данный час соответствует коэффициенту зарастания 19%.

Наконец, последний шаг калибровки, – сравнение результатов моделирования с данными замеров, – позволил уточнить топологию сети, выявив предполагаемые несоответствия модели, описанной по предоставленным графическим материалам, фактической структуре некоторых узлов сети. В частности, косвенным результатом калибровки модели явилось нахождение нескольких задвижек, когда-то закрытых и «забытых» в этом состоянии. Дополнительная сложность была привнесена тем обстоятельством, что замеры де-факто производились несколькими сериями в разные дни и часы, что не дало возможности точной настройки модели. Но, тем не менее, данные измерений в целом неплохо совпали с результатом расчета после калибровки и позволили сделать вывод об адекватности полученной модели.

Главный результат калибровки – вычисление приблизительной степени зарастания внутренней поверхности трубопроводов. В данном случае, после многочисленных расчётов, она определена как 19%. Эта степень зарастания введена в базу данных модели. В результате на всех участках сети трубопроводы стали «заросшими» на 19%. Это не следует понимать буквально: вскрыв трубопровод Ду100, мы, конечно же, не обнаружим на его стенках слоя известковых отложений толщиной в 1 см, скорее всего, этой слой окажется несколько меньше. На трубопроводах имеются многочисленные местные сопротивления, плюс шероховатость, которые исключительно в целях моделирования учитываются в этом коэффициенте.

После проведения калибровки модель по конфигурации сетей и их гидравлическому состоянию оказывается максимально приближенной к существующей в городе водопроводной сети.

Моделирование ожидаемых режимов работы сети

Гидравлическое моделирование позволило определить параметры работы сети как при отсутствии новых потребителей, так и после их подключения. Расчеты производились для режима пикового водопотребления.

Как показали расчеты на модели, подключение потребителей вводимых микрорайонов новостроек не оказывает заметного влияния на гидравлику сетей в целом в силу их очень существенного запаса пропускной способности. Что же касается расходов подач насосных станций в пиковом режиме, то стало очевидным, что 75% увеличения нагрузки возьмёт на себя ВЗУ-5, который расположен ближе остальных к точкам подключения новостроек к действующим сетям, оставшиеся 25% примерно поровну распределятся между ВЗУ-2 и ВЗУ-4.

При этом изменение пиковой нагрузки на ВЗУ-2 и ВЗУ-4 относительно их текущего режима работы составит 4% и 2% соответственно. Эти изменения можно вовсе не принимать во внимание в силу их малости.

В результате подключения новых потребителей нагрузка на насосные группы ВЗУ-5 возрастет в среднем на 65%. Установленное насосное оборудование предусматривает необходимый в этом случае резерв по производительности. Моделирование показало, что включение имеющегося в рабочей группе второго насосного агрегата обеспечивает такое увеличение пиковой нагрузки практически без снижения напора, один ныне работающий агрегат тоже справится, но с некоторым снижением рабочего давления, что ухудшает гидравлику сети из-за «передавливания» со стороны ВЗУ-4.

Помимо описанного результата, моделирование позволило оценить «негидравлические» параметры, которые следует учитывать при принятии технических и экономических решений. Это значения необходимых резервов: производительности собственно водозабора (скважины), питающего ВЗУ-5, производительности системы химводоочистки в технологическом контуре ВЗУ-5, а также емкости накопительных резервуаров чистой воды.

Описанная в данной статье работа была выполнена за 3 месяца силами 3 специалистов ИВЦ «Поток», за исключением ресурсов эксплуатирующего предприятия, привлеченных на этапах получения исходной информации и проведения манометрической съемки. Помимо ответа на поставленные вопросы, была создана рабочая компьютерная модель системы водоснабжения, пригодная для многократного последующего применения в процессе эксплуатации.