Использование ЭВМ для расчета водопроводных сетей

Создание более надежных и экономичных систем водоснабжения способствует успешному выполнению планов экономического и социального развития страны. Быстрый рост систем городских водопроводов, увеличение числа используемых одновременно источников водоснабжения требуют совершенствования методов расчета систем подачи и распределения воды.

Перед проектировщиками ставится задача создания надежных и экономичных инженерных систем водоснабжения (новых или реконструируемых), работающих в условиях непрерывного возрастания во-допотребления, сопровождающегося циклическими изменениями. Необходимо гарантировать обеспечение потребителей водой при возможных пиковых нагрузках и при любых отказах элементов системы, а также обеспечение экономически целесообразной работы системы в периоды малых нагрузок.

Успешное решение сложных задач расчета систем подачи и распределения воды практически неосуществимо без использования вычислительной техники.

Использование вычислительных машин позволяет не только ускорить решение многих задач, занимавших ранее при ручных вычислениях большое количество времени, но и решать принципиально новые проблемы, сама постановка которых была невозможна до появления ЭВМ. Например, если проведение гидравлической увязки достаточно простых сетей еще возможно с помощью ручных расчетов, то проведение расчетов при многих режимах, учитывающих совместную работу водопитателей и сетей, сравнение различных вариантов сетей по технико-экономическим данным и выбор оптимальных из них, исследование надежности работы систем водоснабжения, как правило, в реально встречающихся на практике случаях невозможно без применения ЭВМ.

Существует два принципиально различных типа вычислительных устройств:

аналоговые вычислительные машины (АВМ);

электронные вычислительные машины дискретного действия (ЭВМ).

В устройствах АВМ числовые значения параметров интересующего нас физического явления (значения расходов, напоров и т. д.) представляются непрерывными физическими величинами моделирующего устройства (например, электрической схемы), процессы в котором описываются одинаковыми с физическим явлением математическими соотношениями. Такие устройства называют моделирующими или аналоговыми.

Для расчета водопроводных систем обычно применяют электрические аналоговые устройства, в которых сила тока и падение потенциала моделируют расход воды и потери напора в сети.

Трудность моделирования гидравлических систем заключается в том, что линейные соотношения, связывающие падение потенциала и силу тока на любом участке электрической цепи, не эквивалентны нелинейным соотношениям, связывающим потери напора и расходы в линиях водопроводной сети. Сконструированы элементы, имеющие указанные нелинейные характеристики. Добавляя к ним специальные элементы, моделирующие работу водопитателей различных типов, и связывая их в единое моделирующее устройство, получим такое аналоговое устройство, в котором распределение токов и напряжений будет соответствовать распределению расходов и напоров в моделируемой водопроводной системе. В нашей стране аналоговые машины для водопроводных расчетов (МАВР) разработаны в Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова. Эти машины находят практическое применение. Однако аналоговые устройства предназначены обычно для решения сравнительно узкого класса задач.

Характерными особенностями АВМ являются:

высокое быстродействие (следует указать, что оно ограничено временем снятия показаний приборов, измеряющих значения физических величин);

ограниченная точность измерения значений параметров;

узкая специализация;

большие затраты ручного труда.

Другим типом вычислительных устройств являются ЭВМ, позволяющие по программе выполнять любую совокупность арифметических и логических операций.

В настоящее время созданы программы, позволяющие решать комплекс вопросов, возникающих при расчете как проектируемых, так и действующих систем водоснабжения, а также при их оперативном управлении. Ряд программ по расчетам систем водоснабжения для различных ЭВМ был разработан во ВНИИ ВОДГЕО.

Принцип составления алгоритмов и программ заключается в том, чтобы дать возможность проектировщикам провести на ЭВМ целый ряд расчетных исследований влияния различных элементов системы насосов, регулирующих емкостей, отдельных участков сети и т. п. — на работу системы в целом. На основе только многовариантного анализа можно затем осуществить выбор оптимальных проектных решений для разработки новых или расширения и реконструкции существующих систем водоснабжения, а та^же исследования режимов работы последних, Исходя из этого, система программ была реализована так, чтобы позволить пользователям программ оперативно влиять на изменение характеристик элементов и выбор режимов работы подпрограммы. Существует две группы программ:

¾ программы гидравлического расчета совместной работы водопроводной сети, насосов, регулирующих емкостей и водоводов при различных режимах и заданных диаметрах сети;

¾ программы технико-экономического расчета сетей по методу фиктивных расходов.

Основная цель расчета водопроводных сетей — выбрать среди всех возможных те, которые удовлетворяют поставленным техническим условиям и являются оптимальными по затратам как на строительство, так и на эксплуатацию.

Расчеты позволяют в конечном итоге проектировщику выбрать из рассмотренных вариантов оптимальные. Кроме того, программы дают возможность оценить надежность рассматриваемых водопроводных сетей путем проведения расчетов с отключением отдельных участков.

Исходными данными для гидравлического расчета служат конфигурация сети, диаметры всех участков, число насосных станций и регулирующих емкостей и их характеристики. Программы позволяют проводить расчеты совместной работы сети и водопитателей различных типов (насосов, напорно-регулирующих емкостей и станций подкачки).

Ряд программ был создан в Сибирском энергетическом институте. Хотя эти работы были посвящены в основном рассмотрению систем тепло- и газоснабжения, в них были рассмотрены важные методические вопросы, общие для всей теории гидравлических сетей, в том числе и для водопроводных сетей.

Сравнение проводилось как путем теоретических оценок, так и путем проведения численных экспериментов на ЭВМ по программам, реализующим различные методы. Все эти работы имели большое значение как для создания эффективных методов расчета гидравлических сетей, так и для решения ряда важных технических задач.

В разное время был создан ряд программ, основанных на численном решении экстремальных задач, описывающих потокораспределение в гидравлических сетях. Разработаны методы применения экстремальных задач потокораспределения в гидравлических сетях.

В ряде программ реализованы вариационные методы для гидравлического расчета сетей: первый метод, при котором минимизируется некоторая функция, зависящая от напоров в узлах, и второй, при ко тором минимизируется некоторая функция расходов на участках в предположении, что балансы расходов в узлах выполняются.

Разработан также комплект учебных программ для ЭВМ.

Эти программы позволяют увязать гидравлическую сеть, рассчитать совместную работу насосов, скважин, свободных струй, резервуаров и сетей; выбрать трассу разветвленного трубопровода по заданной кольцевой сети с одной или несколькими точками питания; провести технико-экономический расчет сети при заданном распределении потока. Разработана программа расчета водопроводных сетей, позволяющая проводить увязку сети. Расчет водопроводной сети с подбором диаметров труб на всех или некоторых участках следует выполнять так, чтобы обеспечить минимальные значения пьезометрической отметки в узле.

В последние годы потребности практики и прежде всего необходимость автоматизации проектирования водопроводных сетей и оптимального управления их функционированием привели к необходимости дальнейшего уточнения как инженерных постановок задач, так и их математической и алгоритмической реализации. Создаются программы, которые позволяют решать задачи оптимизации режима работы насосных станций, станций подкачки и всей сети в целом, оптимального выбора насосного оборудования и других агрегатов, а также диаметров всей сети. Математической основой решения этих сложных вопросов оптимизации проектирования систем водоснабжения и определения оптимальных режимов работы существующих систем является аппарат математического и динамического программирования. Методы математического программирования разрабатываются для нахождения минимума (или максимума) функции многих переменных при условии, что на эти переменные накладываются линейные или нелинейные ограничения. Этот аппарат наряду с более простым подходом вариантного проектирования позволяет решать широкий комплекс задач оптимизации с учетом ограничений технического, инженерного и экономического характера.

Анализ этих вопросов, постановка задач проектирования и оперативного управления сетями водоснабжения, необходимый математический аппарат и алгоритмы расчета оформлены в виде пакета прикладных программ для ЭВМ.

Применение ЭВМ позволяет производить многовариантные расчеты и получать оптимальные решения при проектировании водопроводных сетей.

5.9.4. Канализация

Канализация предназначается для приема, отвода, очистки и сброса в водоемы сточных вод. Различают ливневые (атмосферные), хозяйственно-бытовые (от санитарных приборов) и производственные сточные воды.

Канализация бывает внутренняя и наружная. Внутреннюю составляют приборы и домовые сети, наружную-наружные сети, состоящие из дворовых (внутриквартальных) и городских сетей, очистные и водосбросные сооружения.

Система канализации проектируется общесплавной, раздельной или полураздельной. Общесплавная принимает все виды сточных вод в единую общую сеть и очистные сооружения. Раздельная канализация проектируется в виде двух сетей — ливневой и хозяйственно-бытовой. Ливневая принимает атмосферные и условно чистые производственные сточные воды, которые не требуют очистки перед сбросом в водоем. Хозяйственно-бытовая принимает не только бытовые, но и загрязненные производственные воды. Несмотря на необходимость дублирования сетей, раздельная система канализации в большинстве случаев оказывается экономичней общесплавной благодаря резкому уменьшению объема очистных сооружений. Это определило ее широкое распространение, особенно в промышленном строительстве. Полураздельная канализация подобно раздельной состоит из двух сетей. Ее отличие заключается в том, что в сеть, идущую на очистные сооружения, направляются также первые, наиболее загрязненные порции атмосферной воды в начале дождя и вся влага от кратковременных дождей.

В систему канализации включают также сооружения для улавливания примесей, пригодных для утилизации. Сплав нечистот и загрязнений по системе канализации осуществляют лишь при достаточном разбавлении их водой. Твердый мусор и сухие отходы сплавляют после соответствующего измельчения их на дробилках. Если дробилок нет, то твердый мусор и крупные отходы собирают в мусоросборники и вывозят транспортными средствами в установленные места.

При проектировании систем канализации необходимо предусматривать возможность использования практически не загрязненных, а также очищенных сточных вод в системах производственного водоснабжения или для орошения сельскохозяйственных культур.

Предприятия мясной, молочной и рыбной промышленности расходуют чистую воду, которая в процессе ее использования загрязняется различными примесями. Органические загрязнения быстро загнивают и являются благоприятной средой для интенсивного размножения различных микроорганизмов. Разлагаясь, органические загрязнения заражают почву, воздух и водоемы, способствуют возникновению эпидемий.

Степень загрязнения сточных вод определяется полной биохимической потребностью в кислороде БПК_полн, который необходим для окисления и минерализации не оседающих органических взвесей, содержащихся в сточной воде.

Для чистой природной воды БПК_полн примерно составляет 2 мг/л. В соответствии с действующими нормами после выпуска сточных вод в водоем величина БПК_полн смеси не должна превышать 3 мг/л, что обеспечивает биологическое равновесие и сохранность водоема.

Поэтому сточные воды предприятий мясной, молочной и рыбной промышленности перед сбросом в водоемы должны быть очищены до БПК_полн не менее 15...20 мг/л. Это может быть осуществлено на городских очистных сооружениях, если такая возможность имеется, или на специальных очистных сооружениях предприятия.

Система канализации обеспечивает: сбор и быстрое удаление сточных вод за пределы предприятия; санитарно-гигиенические условия труда; эффективную очистку и дезинфекцию сточных вод, что предотвращает заражение водоемов нечистотами; возможность утилизации некоторой части производственных отходов, попадающих в канализацию.