CC BY
52
УДК 626.824-52
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ СПОСОБА АКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ НА ПРИМЕРЕ МАГИСТРАЛЬНОГО КАНАЛА ПРИГОРОДНОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ г. КРАСНОДАРА
© 2011 г. А.А. Ткачев
Новочеркасская государственная Novocherkassk State
мелиоративная академия Reclamation Academy
Рассмотрена реализация способа активного управления водораспределением на математической модели Пригородной оросительной системы г. Краснодара. Полученные результаты позволяют повысить эффективность управления водораспределением при работе насосных станций оросительной системы.
Ключевые слова: управление водораспределением; неустановившееся течение воды; математические модели движения жидкости.
Realization of ways to actively manage water distribution in the mathematical model of a Suburban irrigation system of Krasnodar. The obtained results allow us to improve the management of water distribution in the work of pumping irrigation system.
Keywords: management of water distribution; the unsteady flow of water; the mathematical model of fluid motion.
Пригородная оросительная система (ПОС) г. Краснодара была введена в эксплуатацию в 1981 г. Строительство системы велось по проекту института «Кубаньгипроводхоз» г. Краснодара в три очереди с 1977 по 1981 г.
Система расположена на территории двух административных районов Краснодарского края: г. Краснодара и Динского. Она обслуживает 18 водопользователей различной организационной области: ЗАО, ООО, СПК, а также 5 фермерских участков. Орошаемый массив в зоне г. Краснодара охватывает площади СПК «Краснодарский» и агрофирмы АОЗТ «Солнечная».
Водозабор в систему осуществляется из Краснодарского водохранилища, вода которого обладает повышенной минерализацией и в дальнейшем частично опресняется водой р. Кубань.
Суммарная производительность головной насосной станции НС-1 23,4 м3/с, потребляемая мощность всех агрегатов составляет 4535 кВт-ч. Она оснащена 7 насосными агрегатами производительностью 3,2 м3/с, мощностью эл/двигателя 630 кВт-час. Также имеется резервный агрегат марки ОВ6-55 производительностью 1 м3/с, мощностью эл/двигателя 125 кВт-час. Удельный расход электроэнергии, определяемый по итогам последних трех лет эксплуатации за период 2008 - 2010 г., составляет 50,14 кВт на 1000 м3 воды.
Насосная станция НС-1 без замены оборудования эксплуатируется с 1978 г., в результате реальное энергопотребление превышает проектное. Она оборудована РЗУ - рыбозащитным устройством типа плоской сетки К-образного расположения из нержавеющей стали с ячейками 2*2 мм с гидросмывом и рыбоотво-дящим трубопроводом.
Общая площадь орошения оросительной системы по проектным данным составляет 23 940 га, полив в 2010 г. произведен только на площади 5 888 га.
Для выявления и изучения особенностей, соответствующих разным режимам и условиям эксплуатации магистрального канала ПОС, а также изучения характера взаимосвязей между параметрами неустановившегося течения воды в процессе активного управления водораспределением, на имитационной математической модели выполнялись исследования переходных гидравлических процессов.
Целью расчета переходных гидравлических процессов является выбор и обоснование схем регулирования для способа активного управления водораспре-делением в магистральном канале ПОС г. Краснодара [1].
Для реализации цели необходимо решение следующих задач:
- согласование режимов работы агрегатов головной насосной станции с режимами работы перегораживающих и водораспределительных сооружений в условиях опорожнения и заполнения бьефов магистрального канала водой;
- обоснование настроечных параметров регуляторов для реализации способа активного управления водораспределением;
- обоснование точности контролируемых параметров, обеспечивающих устойчивое состояние процесса водораспределения в бьефах магистрального канала;
- обоснование необходимого количества локальных авторегуляторов уровней воды по верхнему и нижнему бьефу сооружений и выбор их места расположения.
Методика исследований уточнялась в процессе имитационного изучения гидравлических переходных процессов, соответствующих различным режимам эксплуатации открытых каналов. На основе таких исследований разработаны рекомендации по выбору и назначению оптимальных параметров каналов и сооружений на них, длин бьефов, уклонов дна распределительных каналов, напоров и величин открытий затворов на сооружениях, выбору створов сечений каналов для установки средств водоизмерения при неустановившемся режиме движения воды [2, 3].
Для разработанной математической модели и предложенного пакета прикладных программ могут быть использованы следующие исходные данные, полученные в результате натурных исследований:
- гидравлические параметры участков канала: форма поперечного сечения, уклоны, длина участков канала и ширина по дну, заложения откосов, коэффициенты шероховатости (табл. 1);
- гидравлические параметры гидротехнических сооружений: количество и производительность агрегатов головной насосной станции, количество и характеристики регулирующих затворов на перегораживающих сооружениях (табл. 2);
- величины забираемых расходов воды в створах водоотбора (табл. 1) и др.
Гидравлические эл
Для расчета переходных режимов течения воды в каналах разработан программный комплекс, основанный на методе характеристик [4]. Метод характеристик, в отличие от других методов, применяемых для решения аналогичных задач, дает возможность определять время и местоположение (створ) возникновения прерывных волн. Он наиболее точный, максимально приближен к физическим процессам, протекающим в натурных условиях, позволяет достаточно просто вводить краевые условия.
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.
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.
Таблица 1
енты в бьефах МК
Номер бьефа Шероховатость Уклон Длина бьефа, м Заложение откоса Ширина по дну, м Отбор воды, м3/с, 95 % Нормальная глубина, м
1 0,017 0,0003 4500 2 2 1,2 2,197
2 0,017 0,0003 3500 2 2 1,2 2,119
3 0,017 0,0003 4500 2 2 1,2 2,041
4 0,017 0,0004 3500 2 1 1,2 2,041
5 0,017 0,0004 2250 2 1 1,2 1,953
6 0,02 0,00045 3500 2 1,5 1,2 1,836
7 0,02 0,0006 4000 2 1,5 1,2 1,641
8 0,025 0,0004 5000 2 1,5 0,9 1,855
9 0,025 0,0004 4750 2 1,5 0,9 1,758
10 0,025 0,0004 9500 2 1,5 0,8 1,641
11 0,02 0,00005 500 2 1,5 0 2,188
Таблица 2
Данные по перегораживающим сооружениям МК
№ бьефа Тип сопряжения Коэффициент расхода Коэффициент горизонтального сжатия потока Коэффициент вертикального сжатия потока Ширина затвора, м Количество затворов Открытие затвора, м Наличие регулятора
2 ПС 0,66 0,97 0,95 1,5 2 2,3 нет
3 ПС 0,64 0,96 0,95 1,5 2 2,5 »
4 ПС 0,63 0,96 0,94 1,5 2 3,0 »
5 ПС 0,65 0,97 0,95 1,5 2 2,5 »
6 ПС 0,64 0,96 0,94 1,5 2 2,3 »
7 ПС 0,63 0,97 0,95 1,5 2 2,1 »
8 ПС 0,66 0,96 0,95 1,5 2 2.0 »
9 ПС 0,64 0,96 0,95 1,5 2 1,7 »
10 ПС 0,65 0,96 0,94 1,5 2 1,4 да
11 ПС 0,63 0,95 0,95 1,5 2 0,8 »
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 расчетные операции управляющих воздействий и уставок.
В качестве математических зависимостей для расчета управляющих воздействий затворами перегораживающих сооружений рассматриваются законы регулирования дискретного действия. Эти соотношения позволяют в автоматизированном режиме контролировать уровни и расходы воды в верхнем и нижнем бьефах перегораживающих сооружений.
Данный метод использован при проведении имитационных исследований переходных гидравлических процессов с целью реализации способа активного управления водораспределением на магистральном канале ПОС.
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 за период 6 ч от начала включения агрегатов насосной станции.
Процесс неустановившегося течения воды начинается с момента отключения одного агрегата головной насосной станции (с изменением расхода с 16 до 12 м3/с). Этот процесс сопровождается понижением уровня воды в бьефах канала. Через двенадцать часов отключенный агрегат вновь включается (с изменением расхода с 12 до 16 м3/с), при этом отборы воды сохраняются на прежнем уровне. Этот процесс сопровождается подъёмом уровней воды в бьефах канала. Таким образом, за 30 ч осуществляется весь цикл процесса управления водораспределением, включающий в себя управление водоподачей на головной насосной станции и управление водоотбором в точках водовыдела.
Выборочные результаты расчётов неустановившегося течения воды в бьефах магистрального канала ПОС при отключении и включении одного из агрегатов головной насосной станции в продолжение одного полного периода активного управления водораспреде-лением приведены в табл. 3.
На рис. 1 представлена зависимость изменения глубин от удаленности головного створа магистрального канала для отбора расходов воды 95 %-й обеспеченности без использования регуляторов.
Таблица 3
Данные расчёта неустановившегося течения воды для отбора 95 %-й обеспеченности
Гидравлические характеристики по длине канала Без регуляторов Регуляторы в 7-м и 10-м бьефах Регуляторы в 9-м и 10-м бьефах
6 ч 18 ч 30 ч 6 ч 18 ч 30 ч 6 ч 18 ч 30 ч
5 бьеф
Расход, м3/с 15,303 11,659 15,868 15,304 11,658 15,869 15,303 11,658 15,868
Глубина, м 2,820 2,242 2,922 2,820 2,242 2,921 2,820 2,242 2,922
Скорость, м/с 0,817 0,948 0,793 0,818 0,948 0,794 0,817 0,948 0,793
6 бьеф
Расход, м3/с 15,274 11,777 16,129 15,276 11,776 16,125 15,274 11,777 16,129
Глубина, м 2,774 2,204 2,929 2,767 2,202 2,918 2,774 2,204 2,929
Скорость, м/с 0,781 0,905 0,748 0,785 0,906 0,753 0,781 0,905 0,748
7 бьеф
Расход, м3/с 12,916 10,031 13,811 13,265 10,129 14,117 12,917 10,032 13,813
Глубина, м 2,763 2,287 2,944 2,499 2,130 2,627 2,763 2,287 2,942
Скорость, м/с 0,665 0,722 0,635 0,817 0,926 0,796 0,665 0,722 0,636
8 бьеф
Расход, м3/с 11,162 9,429 12,462 11,449 9,537 12,733 11,189 9,439 12,487
Глубина, м 2,709 2,373 3,016 2,771 2,393 3,077 2,696 2,370 2,986
Скорость, м/с 0,595 0,636 0,549 0,587 0,634 0,541 0,602 0,638 0,560
9 бьеф
Расход, м3/с 11,162 9,151 11,269 9,895 9,214 11,493 10,162 9,227 11,751
Глубина, м 2,709 2,490 3,006 2,645 2,509 3,064 2,142 2,052 2,351
Скорость, м/с 0,595 0,567 0,499 0,551 0,564 0,492 0,821 0,803 0,806
10 бьеф
Расход, м3/с 6,33 6,931 7,454 6,874 7,128 8,965 7,230 7,261 9,006
Глубина, м 2,418 2,669 2,846 2,643 2,395 2,442 2,669 2,377 2,445
Скорость, м/с 0,413 0,927 0,364 0,383 0,473 0,575 0,396 0,488 0,576
Для рассмотренного процесса активного управления водораспределением характерно понижение уровней воды в голове магистрального канала, при этом уровни в конечных бьефах превышают заданную глубину, соответствующую установившемуся режиму движения воды в канале. Таким образом, без использования авторегуляторов уровней в процессе управления водораспределением глубины увеличиваются в конце магистрального канала, что не позволяет эффективно использовать имеющиеся емкости отдельных бьефов и оптимально управлять подачей воды потребителям. Имеющиеся емкости канала необходимо рационально использовать с тем, чтобы аккумулировать дополнительные объемы по всей длине канала и использовать их на дальнейших этапах активного управления водораспределением. Для этой цели необходимо применять авторегуляторы уровней по верхнему и нижнему бьефу сооружений. На рис. 2 представлена зависимость изменения глубин от удаленности бьефов от головного створа магистрального канала для отбора расходов воды 95 %-й обеспеченности при наличии двух регуляторов уровней по верхнему бьефу сооружений в конце 7-го и 10-го бьефов.
Видно, что с отключением одного агрегата наблюдается значительное снижение уровней в головной части канала. На авторегуляторе уровня, установленном в конце 7-го бьефа удерживается практически первоначальная глубина, что позволяет уменьшить накапливаемый объем воды в указанном бьефе. Однако это влечет за собой увеличение накопленного объема в бьефах 8 - 10. В хвостовой части в конце цикла регулирования наблюдается превышение глубин над начальными, что не позволяет выбрать данный вариант в качестве рекомендованного к использованию при управлении водораспределением на магистральном канале ПОС.
На рис. 3 представлена зависимость изменения глубин от удаленности бьефов от головного створа магистрального канала для отбора расходов воды 95 %-й обеспеченности при наличии двух регуляторов уровней по верхнему бьефу сооружений в конце 9-го и 10-го бьефов. Зависимости уровня воды на авторегуляторах в конце указанных бьефов соответствуют принятому дискретному закону изменения уставки (уровня воды) в заданных диапазонах.
H = AL)
H
3,5
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 L, м 6 часов 18 часов "*"30 часов
Рис. 1. Зависимость изменения глубин по длине магистрального канала для отбора расходов воды 95 %-й обеспеченности без использования регуляторов
H = AL)
3
3,0 2,5 2
1,5
0,5
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 I, м ~°~6 часов д 18 часов х 30 часов .......створ установки РУВ
Рис. 2. Зависимость изменения глубин по длине магистрального канала при наличии двух регуляторов уровней по верхнему бьефу сооружений в конце 7-го и 10-го бьефов
0
1
H
H = f[L)
3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 Ь, м "^б часов 18 часов —30 часов ------- створ установки РУВ
Рис. 3. Зависимость изменения глубин по длине магистрального канала при наличии двух регуляторов уровней по верхнему бьефу сооружений в конце 9-го и 10-го бьефов
Максимальное отклонение от начального уровня, соответствующего установившемуся движению воды в магистральном канале, не превышает 0,25 м, что позволяет говорить о высоком уровне управления водораспределением в соответствии с принятой схемой.
На основании данных имитационного моделирования возможно принятие соответствующего управляющего решения для оросительной системы. Применение авторегуляторов уровней в конце 9-го и 10-го бьефов позволяет перераспределить резервные объемы по длине, снизить максимальные уровни воды в конце магистрального канала, тем самым позволит повысить эффективность управления водораспределе-нием при работе насосных станций на Пригородной оросительной системе г. Краснодара.
Поступила в редакцию
Литература
1. Иваненко Ю.Г., Ткачев А.А. Теоретические принципы и решения специальных задач гидравлики открытых русел. Новочеркасск, 2001. 203 с.
2. Иваненко Ю.Г., Лобанов Г.Л., Ткачев А.А. Математическое моделирование активных средств управления водораспределением в открытых руслах // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. №1. 2000. 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 Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. №1. 2000. С. 56 - 60.
4. Ткачев А.А. Расчет переходных процессов в бьефах магистрального канала при различных схемах регулирования для способа активного управления водораспределением // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 3. С. 86 - 90.
15 марта 2011 г.
Ткачев Александр Александрович - канд. техн. наук, профессор, кафедра гидротехнических сооружений, Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. (8635) 25-31-02. E-mail: lxtkachev@gmail.com
Tkachev Alexander Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, professor, department «Hydraulic Engineering Econstructions», Novocherkassk State Reclamation Academy. Ph. (8635) 25-31-02. E-mail: lxtkachev@gmail.com
