Активное управление водораспределением на магистральных каналах оросительных систем с головной насосной станцией

Размещено на http://www.allbest.ru/

АКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ КАНАЛАХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ГОЛОВНОЙ НАСОСНОЙ СТАНЦИЕЙ

А.А. Ткачев - канд. техн. наук, доцент

ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия», Новочеркасск, Россия

Рассмотрен способ активного управления водораспределением. Для расчёта параметров одномерного неустановившегося течения воды в открытых призматических руслах в работе применён метод характеристик. Полученные аналитические решения использованы в математических моделях, позволяющих реализовать способ активного управления водораспределением. На модели Пригородной оросительной системы г. Краснодара проведены имитационные исследования канала, использование результатов которых позволит повысить эффективность управления водораспределением.

водораспределение течение призматический русло

This article describes a way to actively manage water distribution. To calculate the parameters of one-dimensional unsteady water flow in open prismatic channels used in the method of characteristics. The analytic solutions are used in mathematical models that allow to implement a way to actively manage water distribution. On the model of suburban irrigation system Krasnodar conducted simulation studies the channel using the results of which will increase the efficiency of water allocation management.

Среди существующих способов автоматизированного управления технологическими процессами водораспределения, позволяющих минимизировать холостые и нетехнологические сбросы воды, наиболее простым и легко осуществимым является способ активного управления водораспределением [1].

Способ активного управления водораспределением, позволяет автоматически перераспределять резервные ёмкости каналов, используя излишки накопленных объёмов воды. Он называется активным потому, что основные элементы управления сосредоточены и осуществляются на головной насосной станции. При этом вся система бьефов магистрального канала на всём его протяжении автоматически перестраивается в соответствии с новым гидравлическим режимом канала. Манипуляции управления производятся путем отключения, а затем включения одного из агрегатов головной насосной станции на период активного управления.

В общем случае активное управление водораспределением предполагает использование в контуре управления локальных регуляторов по уровню или расходу верхнего или нижнего бьефов перегораживающих сооружений. Место установки локальных регуляторов в системе бьефов и перегораживающих сооружений магистрального канала находится в процессе проведения специальных имитационных исследований на математической модели[2].

Для расчёта параметров одномерного неустановившегося течения воды в открытых призматических руслах в работе применён метод характеристик [1]. Разностная схема, сконструированная для решения сформулированной задачи, основывается на характеристических направлениях. Особенностью схемы является возможность рельефного выделения деталей, относящихся к движению воды. При выборе конечно-разностной схемы учитывались такие факторы, как численная устойчивость, точность, время вычислений, а также простота программирования и включения граничных условий.

В методе характеристик система одномерных квазилинейных дифференциальных уравнений в частных производных гиперболического типа Сен-Венана с двумя неизвестными функциями и двумя независимыми переменными в области гладких решений приводится к эквивалентной системе обыкновенных дифференциальных уравнений характеристик:

Для получения аналитических решений дифференциальных уравнений характеристик их линеаризуют, заменяя значения сомножителей во вторых слагаемых левой части и на их среднеарифметическое значение на расчетном участке:

где , между створами k - f расчетного участка.

Проинтегрируем дифференциальные уравнения (1), (2) на участке k - f. Получим аналитические решения:

где постоянные интегрирования определены из заданных граничных условий [3].

Контроль за режимом работы и управлением затворами перегораживающих сооружений осуществляется в дискретные моменты времени в соответствии с математическими зависимостями, описывающими процесс контроля и управления. Ему соответствуют расчётные операции управляющих воздействий и установок.

В качестве математических зависимостей для расчёта управляющих воздействий затворами перегораживающих сооружений рассматриваются законы регулирования дискретного (импульсного) и пропорционального действия.

Управление изменением объема в канале дает возможность использовать имеющиеся резервные емкости с целью повышения эффективности работы насосной станции и системы водораспределения в целом. Такой результат можно получить путем точного контроля за изменением уровня в отдельных бьефах канала с тем, чтобы перераспределять резервные объемы в отдельных бьефах. Объем заполненной водой фигуры между последующим и предыдущим расчетными створами в бьефах магистрального канала представляет многогранник в виде обелиска или клина. В данном случае высотой обелиска является протяженность канала между соседними расчетными створами. Нижним и верхним основаниями обелиска являются трапеции, расположенные в параллельных плоскостях. Боковыми гранями обелиска являются также трапеции. Если одно из оснований обелиска сливается в прямую линию, такой обелиск называется клином.

При реализации способа активного управления водораспределением выполнялись имитационные исследования динамических гидравлических режимов на математической модели магистрального канала Пригородной оросительной системы г. Краснодара с головной насосной станцией, оборудованной 5 насосными агрегатами производительностью 3,2 м3/с.

Магистральный канал представляет собой русло трапецеидального сечения протяжённостью более 45 км. С целью получения более точных результатов расчётов канал был разбит на 11 бьефов.

Данные по бьефам с гидравлическими элементами и схематизированными значениями расходов водопотребления, уточнёнными в процессе проведения натурных исследований, приведены в таблице.

Гидравлические элементы в бьефах МК

Краевые условия задаются в конструктивных узлах магистрального канала с головной насосной станцией. Характерными конструктивными узлами являются: створы волновых возмущений, створы сопряжения волновых возмущений и створы отражения волновых возмущений, расположенные в начале, в промежуточных сечениях и конце магистрального канала.

Расчёты неустановившегося течения воды выполнены с реализацией программного комплекса «Динамика». За начальные условия расчёта неустановившегося течения воды приняты данные по расчёту установившегося неравномерного течения воды.

Зависимость изменения глубин по длине магистрального канала при наличии 2-х регуляторов уровней по верхнему бьефу сооружений в конце 9-го и 10-го бьефов

На рисунке представлена зависимость изменения глубин от удаленности бьефов от головного створа магистрального канала для отбора расходов воды 95%-й обеспеченности при наличии 2-х регуляторов уровней по верхнему бьефу сооружений в конце 9 и 10-го бьефов.

Максимальное отклонение от начального уровня соответствующего установившемуся движению воды в магистральном канале, не превышает 0,05 м, что позволяет говорить о высоком качестве управления водораспределением в соответствии с принятой схемой.

Использование авторегуляторов уровней в конце 9 и 10-го бьефов позволяет перераспределить резервные объемы по длине канала, снизить максимальные уровни воды в конце канала и повысить эффективность управления водораспределением.

Библиографический список

1. Иваненко Ю.Г., Ткачев А.А.Теоретические принципы и решения специальных задач гидравлики открытых русел. - Новочеркасск: Изд-во НГМА, 2001. 203 с.

2. Иваненко, Ю.Г., Лобанов Г.Л., Ткачев А.А. Математическое моделирование активных средств управления водораспределением в открытых руслах. //Изв. вузов Северо-Кавказских регионов. Технические науки, 2000. № 1. С. 53-55.

3. Иваненко Ю.Г. Лобанов Г.Л., Ткачев А.А.Численный метод решения дифференциальных уравнений характеристик неустановившегося течения воды в открытых руслах. //Изв. вузов Северо-Кавказских регионов. Технические науки. 2000. № 1. С. 56-60.

Размещено на Allbest.ru