Энергосбережение путем применения рационального выбора моделирования состояния для гидравлических систем жизнеобеспечения

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 627.1.03

Энергосбережение путем применения рационального выбора моделирования состояния для гидравлических систем жизнеобеспечения

Музалевская Г.Н.,

Музалевский А.А

Россия, г. Орел,

ФБГОУ ВО «Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева»

На основе совмещения модели возмущённого состояния и теории вероятности, разработаны основы модели оперативного управления функционированием городских систем водоснабжения.

Эффективность данного подхода обусловлена возможностью приоритетного учета на муниципальном уровне интересов групп потребителей. Особенности использования программного обеспечения и его адаптации к современным стандартам проектирования систем водоснабжения. водоснабжение гидравлический жизнеобеспечение

Ключевые слова: математическое моделирование, гидравлические системы, оперативное управление, режим потребления, систем водоснабжения, управляемые дроссели.

Улучшение обеспечения населения питьевой водой высокого качества и рациональное использование водных ресурсов - приоритетные задачи жилищно-коммунальной реформы. Для решения этих задач необходима разработка и реализация мер, обеспечивающих повышение эффективности и надежности работы систем водоснабжения, совершенствование систем подачи и распределения воды, развитие нормативно-правовой базы и хозяйственного механизма водопользования, стимулирующего экономию питьевой воды. Рациональное моделирование относится к энергоэффективным мероприятиям распределения воды с учетом энергетических, экономических и экологических аспектов.

Для контроля за водопотреблением большое значение имеет правильный учет воды, выполняемый с помощью средств измерений, которые должны применяться на всех стадиях подачи и реализации воды. Для сокращения и устранения непроизводительных затрат и потерь воды необходимо произвести анализ структуры, определить величины потерь воды в системах коммунального водоснабжения, отдельно оценить объемы полезного водопотребления, допустимую и неустранимую величину потерь воды.

Рассматривая гидравлические процессы движения жидкости в напорных трубопроводах, течение принимается изотермическим, жидкость несжимаемой, что необходимо при решении задач потокораспределения, охватывающих множество потребителей в хозяйственно-питьевом водоснабжении для жилых, общественных, производственных и сельскохозяйственных предприятий, а также на нужды промышленных предприятий и нужды пожаротушения. Уравнение Бернулли: сумма удельной энергии положения, удельной энергии давления и кинетической удельной энергии есть величина постоянная во всех сечениях потока жидкости. Уравнение Бернулли представляет собой закон сохранения механической энергии при движении идеальной жидкости. Полная удельная энергия, т.е энергия, равная сумме энергий положения, давления и кинетической, отнесенной к массе, есть величина постоянная в любой точке сечения трубопровода.

Если вместо идеальной жидкости рассматривать жидкость реальную, то при перемещении жидкости по трубопроводу ее удельная энергия будет убывать, так как часть ее затрачивается на преодоление сопротивления движению, обусловленного внутренним трением и вязкостью жидкости. Повышение качества строительства в современных социально экономических условиях связано с поиском принципиально новых подходов при осуществлении проектно-строительной деятельности, внедрением новых экономических и ресурсосберегающих инженерных систем, новых технологий производства строительных материалов.

Структурная перестройка производственной базы жилищного строительства ориентирована на внедрение новых эффективных технологий в системах жизнеобеспечения городов, как в процессе производства, так и в период эксплуатации этих систем. Совершенно ясно и понятно, что повысить привлекательность территорий для реализации инвестиционных проектов жилищно-гражданского строительства поможет заблаговременно опережающая инженерная подготовка сетей водоснабжения, канализации, теплоснабжения, газоснабжения, электроснабжения, связи, освещения, санитарной очистки.

Под системой водоснабжения подразумевают комплекс инженерных сооружений и установок, необходимых по техническим условиям, взаимосвязанных и предназначенных для забора воды, подъема и создания требуемого напора, очистки и подготовки, хранения и транспортировки к месту потребления. Система водоснабжения состоит из следующих основных элементов: водозаборных сооружений, насосных станций первого, второго, третьего подъема, станций подкачки, водонапорных башен или гидропневматических устройств, резервуаров чистой воды, водоводов, магистральных и разводящих сетей, охлаждающих устройств, трубопроводов с арматурой и КиП.

Выбор схемы и системы водоснабжения следует производить на основании сопоставления возможных вариантов ее осуществления с учетом особенностей объекта или группы объектов, требуемых расходов воды на различных этапах их развития, источников водоснабжения, требований к напорам, качеству воды и обеспеченности ее подачи.

При создании математической модели гидравлических систем жизнеобеспечения городов возникает проблема учета действий большого количества факторов и необходимости получения надежного результата, при этом неизбежны структурные и качественные преобразования. Вода потребителям должна подаваться в требуемом количестве и под требуемым напором. Полный напор Н - это удельная механическая энергия, которой обладает жидкость в данном сечении потока относительно некоторой плоскости сравнения.

При движении реальной жидкости в трубопроводах имеют место потери ее механической энергии. Эти потери энергии связаны с наличием трения и местных сопротивлений по длине потока жидкости. К местным сопротивлениям относятся колена, тройники, задвижки, вентили и т. д.

В общем случае потерю напора на любом участке трубопровода можно представить следующим образом:

(1)

где h1 - потеря напора на трение, м;- сумма местных потерь напора на участке, м.

В инженерных расчетах , так как обычно h1>>.

Для облегчения и ускорения процесса расчета потерь напора в трубах используются табл. [3]. Для расчета потерь напора на участках кольцевой сети при ее внутренней гидравлической увязке пользуются формулой:

(2)

где - удельное сопротивление (гидравлическое) участка сети, с2/м6 (принимается по табл. [3]; - полное гидравлическое сопротивление участка сети, с2/м6;

(3)

у - поправочный коэффициент на поквадратичность зависимости потерь напора от скорости, принимается по табл. [3].

Как известно, при действительном распределении воды по участкам сети одновременно соблюдаются первый и второй законы Кирхгофа.

Первый - это уравнение баланса расходов воды в узлах сети.

Второй - это уравнение баланса потерь напора в элементарных кольцах сети:

(4)

где то же что в формуле (2).

При проведении начального потокораспределения первый закон Кирхгофа соблюдается, так как он лежит в основе первичного распределения воды по участкам магистральной сети. Но практически не возможно сразу назначить такие значения расходов воды по участкам сети, при которых бы соблюдалось уравнение (2).

По этому задачей внутренней увязки сети водоснабжения является такое перераспределение расходов воды по участкам сети, при котором расходы воды по участкам одновременно удовлетворялись оба уравнения Кирхгофа.

Характер структурных преобразований зависит от выбранного метода моделирования. Практически при производстве любого вида продукции расходуются энергоресурсы, и для каждого из видов продукции существует соответствующая энергоемкость технологических процессов их производства. Информационные технологии открывают новые возможности при решении вопросов энергосбережения, связанные, прежде всего с использованием современной компьютерной техники и средств сбора и передачи данных. Внедрение программ и программных комплексов для предприятий водоканала городов убедительно показывают, что энергосберегающим эффектом обладает компьютеризация расчетов с потребителями воды и электроэнергии. В значительной степени это связано с дисциплинирующим фактором, сопровождающим взаимоотношения поставщика и потребителя, возникающим в процессе компьютеризации учета.

В настоящее время известно много способов стабилизации режимов водопотребления в условиях интенсивной коррозии водопроводов, например управляемые дроссели или регулирование переключения насосов, то есть изменения при применении частотно регулируемого электропривода ( ЧРП) для более точного расчета регулирования режимов работы насосов, статических и динамических напоров сети, расходов воды в разрезе суток, сезонов и года. Одним общим недостатком этих способов является стабилизация режимов водопотребления за счет увеличения мощности насосных станций и перерасхода электроэнергии.

В сложном объекте надежность характеризует не его безотказность, а стабильность значений выходных параметров во времени, эффективность функционирования. В этом заключается принципиальная разница между сложным и простым объектом.

Известно, что под эффективностью понимается получение нужных результатов, действенность работы. Эффективность водоснабжения оценивается степенью обеспе-ченности потребителей водой в необходимом количестве и качестве под требуемым напором. Она тесно связана с надежностью и часто используется для оценки сложных систем. При понижении уровня качества функционирования снижается эффективность систем водоснабжения, при повышении - увеличивается.

Система водоснабжения обслуживает обширную территорию, содержит значительное количество взаимодействующих сооружений, обладает всеми свойствами сложной технической системы и их надежность должна характеризоваться и определяться показателями и методами, которые ей свойственны.

Различают системы нерезервированные и резервированные. Нерезервированная система может находиться в работоспособном состоянии только при одновременной исправности всех ее элементов и их совместной работе. Отказ любого из элементов вызывает отказ всей системы.

Вероятность безотказной работы нерезервированной системы определяется по формуле:

(5)

где - вероятность безотказной работы всей системы из п элементов; - вероятность безот-казной работы i-го элемента.

Для п однотипных элементов:

(6)

Вероятность отказа нерезервированной системы:

(7)

Различают элементы основные и резервные.

Основной элемент необходим для выполнения объектом требуемых функций при отсутствии отказов его элементов. Резервный элемент предназначен для выполнения функции основного элемента в случае отказа последнего. Примеры резервных элементов: установка резервных насосных агрегатов на насосных станциях, устройство резервных скважин на водозаборах подземных вод и т.д.

Для характеристики резервирования применяется такое понятие как кратность резервирования: отношение числа резервных агрегатов к числу резервируемых (основных).

Кратность резервирования может быть целой и дробной. При резервировании с целой кратностью т есть целое число, с дробной т есть дробное не сокращаемое число. Например, т = 4/2 означает наличие четырех резервных агрегатов и двух рабочих. При сокращении т=2 означает, что резервирование уже является целой кратностью, при которой число резервных элементов равно двум, а общее число элементов равно трем. Основные виды резервирования приведены в ГОСТ 27.002-83: структурное резервирование, временное резервирование, динамичное резервирование, скользящее резервирование и дублирование.

Мгновенные показатели, однако, не позволяют оценить время нахождения объекта в отдельных совокупностях (подмножествах) состояний и стабильность функционирования системы. Для этого необходимо воспользоваться интегральными показателями надежности. Поскольку формирование математических моделей потокораспределения в гидравлических системах связано с решением вариационной задачи, необходим рациональный выбор формы вариационного принципа, как известно, можно разделить на две группы: дифференциальные и интегральные.[1, 2, 3, 4]. При создание математической модели гидравлических систем жизнеобеспечения городов возникает проблема учета действий большого количества факторов, при этом неизбежны структурные и качественные преобразования. Характер структурных преобразований зависит от выбранного метода моделирования, но в целом сводится к переходу от бесконечных к конечным структурным графам, дающим возможность организовывать рациональную модель в условиях ограниченных ресурсов вычислительной техники.

К дифференциальным относятся принципы: виртуальных перемещений И. Бернулли, сил инерции Д,Аламбера, наименьшего принуждения К.Гаусса и др. Отличительная особенность дифференциальных принципов состоит в том, что в качестве характерного признака действительного движения вводится такое его свойство, которое имеет значение для одного единственного момента (промежутка) времени. Их недостатком является необходимость использования специальных координат точек рассматриваемой материальной системы, причем относительно сложной.

Интегральные принципы Ж.Лагранжа, У.Гамильтона, Г.Гельмгольца свободны от этого недостатка, так как могут быть, выражены безотносительно к каким-либо специальным координатам в их формулировке играют роль только энергия и время.

Оперативное управление гидравлическими системами, транспортирующими воду, осуществляется АСУ ТП в соответствии с общими положениями по проектированию и строительству систем водоснабжения. Проведение вычислительных экспериментов в области гидравлических систем основывается на применении математического моделирования, которое в настоящее время приобрело большое распространение благодаря бурному прогрессу вычислительной техники и программ. Таким образом, модель возмущенного стояния гидравлических систем охватывающая большинство важных случаев, может быть решена как в теоретических, так и в практических задачах. Одной из сравнительно новых задач анализа возмущенного состояния является потокораспределение в результате коррозионного зарастания поверхности металлических водопроводных труб. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации систем водоснабжения показывает о значительном возрастании гидравлического сопротивления с течением времени и снижение пропускной способности. Математическое моделирование включает ряд последовательно протекающих этапов, основными из которых являются:

1) инженерная постановка задачи с определением целей исследования;

2) формирование математической модели на основе известных фундаментальных законов сохранения физических величин;

3) разработка алгоритма и компьютерной программы его реализации;

4) проведение вычислительного эксперимента;

5) анализ результатов моделирования и проверка адекватности математической модели, и корректировка при необходимости.

Список литературы

1. Абрамов, Н.Н. Водоснабжение [Текст] / Н.Н. Абрамов; - М.: Стройиздат, 1982. - 440 с.

2. Богуславский, Л.Д. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирование воздуха [Текст] /Л. Д. Богуславский, В.И. Ливчак, В.П. Титов и др.; Под ред. Л.Д. Богуславского, В.И. Ливчака. - М.:Стройиздат, 1990. - 624 с.

3. Музалевская, Г.Н. Инженерные сети городов и населенных пунктов [Текст] / Г.Н. Музалевская -М.: АСВ, 2006. - 148 с.

4. Панов, М.Я. Моделирование, оптимизация и управление системами подачи и распределения воды [Текст]: Монография / М.Я. Панов, А.С. Левадный, В.И. Щербаков и др.; Под общ. Ред. М.Я. Панова; - Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2005.- 489 с.

Размещено на Allbest.ru