Гидравлические расчеты - основа моделирования сети

А.Р. Ексаев 
ИВЦ "Поток"

сентябрь 2000 г.

Как минимум дважды в год на всех теплоснабжающих предприятиях случается запланированный "аврал", связанный с началом и завершением отопительного сезона и переводом теплоснабжения с летнего графика на зимний и наоборот. Среди массы проблем, которые следует при этом решать, на первый план выступают вопросы, касающиеся планирования режимов и проведения наладочных мероприятий. Это означает, в первую очередь, необходимость проведения гидравлических расчетов. Следовательно, именно в периоды подготовки к началу/концу отопительного сезона потребность в средствах и инструментах для ведения гидравлических расчетов становится особенно актуальной для предприятий теплоснабжения. Впрочем, утверждать, что все остальное время такая потребность отсутствует, было бы абсолютно ошибочно.

В предыдущих публикациях мы уже касались различных вопросов создания компьютерных информационных систем для предприятий инженерных коммуникаций. На этот раз остановимся на роли и месте гидравлических расчетов в таких системах, в особенности - с позиции тепловых сетей.

Строгая математическая постановка задачи гидравлического расчета изложена в десятках монографий, ставших классикой данной предметной области. Здесь же для нас важно следующее: результатом любого гидравлического расчета всегда является потокораспределение - по каждому участку сети находится расход, а по каждому узлу сети - давление; при этом способы задания исходных данных могут довольно сильно различаться.

Методов решения задач гидравлического расчета вполне счетное количество, и они также хорошо известны; таким образом, велосипед изобретен, а проблема состоит в его более или менее приличном изготовлении. Поэтому на первый план выступает качество и алгоритмов и программной реализации гидравлического расчета. Именно на этом поле и "сражаются" конкуренты уже третий десяток лет. (К искреннему сожалению, конкурирующих в данной области серьезных компаний и разработок каждый год становится все меньше и меньше, и в настоящее время их можно пересчитать по пальцам одной руки).

Первые программы гидравлического расчета появились еще 30 лет назад, задолго до появления и массового распространения персональных компьютеров и графических дисплеев. Как только были созданы надежные и эффективные процедуры гидравлического расчета, на первый план стали выходить проблемы создания удобных пользовательских оболочек. Эти оболочки должны были "уметь" выполнять простые, но необходимые функции (первоначальный ввод исходных данных, контроль корректности данных, визуализация и анализ результатов, корректировка исходных данных).

Для получения требуемых результатов пользователь должен был начертить (на бумаге) расчетную схему, составить (на бумаге же) таблицы участков, потребителей, насосных станций и регуляторов, ввести эти таблицы в компьютер, получить расчетные таблицы, перенести результаты на расчетную схему (опять на бумаге). На каждом этапе пользователь допускал разнообразные ошибки, устранение которых занимало массу времени и сил.

С появлением персональных компьютеров системы гидравлического расчета претерпели революционные изменения по двум направлениям. Во-первых, исходные и расчетные данные стали храниться в стандартных реляционных базах данных, а не в разнообразных двоичных файлах. Во-вторых, расчетная схема, изображаемая теперь на графическом мониторе компьютера, стала как основным источником исходных данных, так и средством анализа результатов расчета.

Почти одновременно с внедрением компьютерного графического представления "гидравлических" расчетных схем появились возможности создания и использования систем паспортизации инженерных коммуникаций на основе электронных планов. Поскольку как первые, так и вторые системы связаны с большими трудозатратами на создание и актуализацию баз данных, сразу же возникли проблемы их взаимодействия. Очевидно, что система паспортизации сети и система расчета гидравлических режимов должны представлять собой на самом деле единое информационно-графическое "строение", в фундаменте которого лежит база данных с тщательно продуманной структурой таблиц. Планы инженерных коммуникаций, выполненные на основе стандартных городских планшетов, могут быть использованы либо непосредственно как расчетные схемы, либо с помощью автоматизированных процедур преобразовываться в расчетные схемы. Очевидно, что для того, чтобы это было возможно, должны быть продуманы методы идентификации и систематизации узлов и участков сети на плане. Особенно важным вопросом является четкое определение и способ описания потребителей сети.

Опыт нашей компании показал, что реальные тепловые сети городов, как правило, не порождают "изолированных" подсетей (для которых необходим гидравлический расчет), содержащих более чем 10 тысяч участков. Расчет таких сетей на современных компьютерах производится за считанные секунды, хотя процессы чтения исходной информации и записи результатов в базу данных могут занимать до несколько минут. Это еще один довод в пользу непосредственного использования эксплуатационных планов в качестве расчетных схем. В отдельных крупных мегаполисах многокольцевые тепловые сети, с учетом их двухлинейности (подающий и обратный трубопроводы), могут порождать графы, содержащие уже десятки тысяч участков. В таких случаях принято применять полуэвристические методы составления упрощенных (эквивалентированных) расчетных схем - это проблема, хоть и непростая, но решаемая. Гораздо хуже другое - при огромной размерности сетей практически невозможно корректно ввести исходную информацию, а потом проанализировать результаты расчета, если не применять специально разработанные автоматизированные процедуры "жесткого" контроля связности и достоверности данных. В том числе, информационно-графические системы паспортизации инженерных сетей, интегрируемые с подсистемой гидравлических расчетов, должны содержать в себе специальные процедуры формирования исходной графической и текстовой информации для построения расчетных схем.

Описанный подход к информационному наполнению технологических и графических компьютерных систем вкупе с эффективными современными методами и алгоритмами прикладной математики данной предметной области позволяет говорить о цифровой модели инженерных коммуникаций, в частности, тепловой сети.

Такая математическая модель сети, интегрированная с ее представлением как объекта геоинформатики, позволяет оперативно решать массу вопросов и помимо проблемы "отопительного сезона". Это расчеты и оптимизация режимов, диспетчерское управление, моделирование переключений и аварийных ситуаций, планирование наладочных мероприятий, разработка технических условий на подключения, поверочные расчеты проектируемых сетей и множество других ежедневных и рутинных задач эксплуатации. Нужны ли еще какие-либо доводы, дабы убедиться о том, что инвестиции в такого рода информационные системы безусловно оправданы?

Как поется в славной песенке из любимого всеми фильма: "Думайте сами, решайте сами - иметь или не иметь?"