Комплексное моделирование случайных процессов водопотребления и возникновения аварийных ситуаций в водопроводных сетях Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Выводы

В результате сравнения сметной стоимости двух систем отопления наиболее целесообразной признана система воздушного отопления, так как сметная стоимость устройства такой системы при прочих равных условиях ниже, чем сметная стоимость устройства системы водяного отопления.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Отопление / В. Н. Богословский, Б. А. Крупнов, А. Н. Сканави [и др.]; под ред. И. Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Стройиздат, 1990. 344 с.: ил. (Справочник проектировщика).

2. Рекомендации по применению отопительных конвекторов «ИзотермТД-В» / В.И. Сасин, Г. А. Бершидский, Т.Н. Прокопенко, В.Д. Кушнир и Ю.Б. Смирнов. М. : ООО «Вита-терм», НИИсантехники, 2005.

3. Каталог отопительно-вентиляционных аппаратов VolcanoVR. 2009-2012 © VolcanoVR.ru.

4. Строительные нормы и правила Российской Федерации. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование Приняты постановлением Госстроя России от 26 июня 2003 г. № 115. М., 2004.

Информация об авторах

Абраменко Дмитрий Николаевич, магистрант, тел.: 89501379105, e-mail: [email protected]; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Корзун Никита Леонидович, кандидат медицинских наук, доцент кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: 89149100532, e-mail: [email protected]; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Information about the authors

Abramenko D.N., Undergraduate, tel.: 89501379105, e-mail: [email protected]; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Korzun N.L., Candidate of medical science, associate professor, department of engineering services and life-support systems, tel.: 89149100532, e-mail:[email protected]; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

УДК 628.8 : 696.4 :644.62 : 683.97

КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ И ВОЗНИКНОВЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ

В ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЯХ

А.С. Душин, Р.В. Чупин, И.В. Майзель

Предлагается методика оценки надежности систем подачи и распределения воды с учетом вероятностного характера водопотребления и аварийных ситуаций на сети. Сущность методики заключается в построении графиков потребления воды каждого потребителя в условиях работы СПРВ в аварийных и безаварийных ситуациях. При этом для каждой ава-

рийной ситуации производится расчет потокораспределения в сети с нефиксированными отборами воды. Такие расчеты проводятся для каждого исследуемого интервала времени и затем формируются по каждому потребителю графики его водообеспечения и недоподачи воды. По этим графикам оценивается надежность работы СПРВ в целом.

Ключевые слова: вероятностный характер водопотребления и возникновения аварийных ситуаций в сети, расчет потокораспределения в сети с нефиксированными отборами воды.

COMPLEX MODELING OF RANDOM WATER USE PROCESSES AND ACCIDENTAL

SITUATIONS IN WATER-SUPPLY SYSTEMS

A.S. Dushin, R.V. Chupin, I.V. Maizel

The article suggests the method of reliability evaluation of water supply and distribution system taking into consideration random water use processes and accidental situations in the systems. The main point of the method lies in graphing of water use for all the consumers under the System of personal radio call in accidental and accident-free situations. The author suggests estimating of load flow in the systems with unfixed water take for every accidental situation. The method implies estimations for an examined period of time and graphing on of water supply and inefficient water supply for all the consumers. Such graphics aim to evaluate the total reliability of the System of personal radio call.

Key words: random water use processes and accidental situations in the systems, estimation of load flow in the systems with unfixed water take.

Механизм формирования и регулирования водопотребления населением на сегодняшний день до конца не раскрыт. Ни водопроводно-канализационные предприятия, ни органы местной власти не могут указать населению (а главное - не могут практически реализовать подобное указание), сколько воды следует ему использовать для своих домашних нужд (водопо-требление является неуправляемым процессом). Соответственно, чтобы каждый потребитель получил требуемый объем воды, СПРВ должны быть готовы к выполнению этих требований. СПРВ должны быть устроены таким образом, чтобы любые случайные события (в том числе аварии или завышенный отбор) не влекли нарушения в обеспечении каждого потребителя.

Это подтверждает, что требования к надежности системы водоснабжения должны устанавливаться исходя из интересов потребителей.

Естественно, что в ходе эксплуатации из-за возможного появления новых потребителей, износа оборудования и массы других факторов меняются во времени технологические параметры, что приводит к увеличению частоты возникновения нарушений и большим размерам ущерба.

Возникает необходимость в оценке надежности систем с определением в любой произвольный момент времени не только величин отборов воды, как результата, желаемого потребителями, и возможностей систем, но и того, насколько часто потребители будут находиться в положении с пониженным водообеспечением, т. е. необходим вероятностный подход в распределении величин отборов воды с учетом интенсивности отказов элементов систем и интенсивности их восстановления. Подобный метод оценки надежности - комплексный и может стать основой при создании новых и реконструкции эксплуатируемых СПРВ.

Реализация предлагаемого подхода осуществляется с использованием суточных графиков требуемых отборов воды потребителями. На основе созданных графиков, предполагая возможные появления аварий на любом из участков, производится моделирование.

Как правило, проектирование осуществляется на один, так называемый, расчетный режим максимального водопотребления. Такая концепция имеет ряд недостатков: вероятность возникновения максимальных нагрузок мала, также как и продолжительность их действия, что

влечет за собой избыточные давления в системе при других (меньших) нагрузках с неизбежным увеличением утечек.

Проектирование на максимальный режим приводит к избыточности структурных параметров системы (завышению диаметров линий, увеличению мощности насосных агрегатов), соответственно, омертвлению капиталовложений. В то же время необходимо гарантировать обеспечение потребителей водой при возможных пиковых нагрузках и при любых отказах элементов системы, а также обеспечить экономически целесообразную работу системы в периоды малых нагрузок. На сегодняшний день все расчеты аварийных режимов проводятся, как правило, на режим максимальной нагрузки, что также является одним из факторов неэффективной работы СПРВ в других режимах. При таких расчетах не учитываются вероятностные факторы, как возникновения самих аварий, так и изменения при этом нагрузок у потребителей. Соответственно, не в полной мере учитываются их последствия.

Задание «расчетных» графиков отбора воды из сети в течение суток, наиболее близких к действительным, позволяет более точно и экономично запроектировать СПРВ. Единственная возможность получения таких графиков - изучение и анализ действительных графиков водопо-требления населенных пунктов, наиболее близких по климатическим и демографическим условиям, по численности населения и по степени санитарно-технического благоустройства жилищ к тому населенному пункту, для которого разрабатывается проект.

Если проект составляется для расширения сети водоснабжения, уже существующей в данном городе, следует использовать данные о его фактическом режиме водопотребления. Одной из задач проектировщика является изучение и анализ возможно большего числа графиков водопотребления аналогичных объектов за возможно более длительные сроки и выбор из них наиболее близких для проектируемого объекта. Это гарантирует обеспечение потребителей водой при возможных пиковых нагрузках и при любых отказах элементов системы, а также обеспечение экономически целесообразной работы системы в периоды малых нагрузок. Для иллюстрации предлагаемой методики рассмотрена система подачи и распределения воды,

Предположим, что в дни безаварийной эксплуатации гистограмма распределения расходов воды рассматриваемой СПРВ имеет вид, представленный на рис. 2.

Часы / <3час 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

1 588 1 1

1 560 1 1 1 3 2 1 1 1

1 531 2 2 2 12 11 2 2 2

1 503 1 1 7 7 7 1 22 23 7 7 7 1 1

1 475 2 2 2 3 2 2 3 15 15 15 3 31 31 15 15 15 3 3

1 446 5 3 5 5 9 5 5 3 9 31 31 31 9 39 39 31 31 31 9 9

1 418 11 7 1 11 11 19 11 11 7 19 39 39 39 19 43 42 39 39 39 19 19

1 390 29 11 1 2 29 29 39 29 29 11 38 45 44 46 38 4г ЁШ::: 44 46 45 38 39

1 361 43 22 2 9 43 43 48 43 44 22 48 4К шт 4" 49 42 41 ЁШ::: 4" шт 48 48

1 333 49 45 3 7 29 50 50 -1 49 49 45 46 46 46 -1 39 38 46 46 46 -1

1 304 -( 51 9 2 23 51 " 49 -4 50 49 42 42 42 49 35 35 42 42 42 49 49

1 276 52 23 7 51 57 52 52 46 52 52 46 35 35 35 46 21 23 35 35 35 46 46

1 248 49 53 51 21 61 01 49 49 39 49 49 53 39 21 21 21 39 15 17 21 21 21 39 39

1 219 34 48 61 48 ЁШ; 58 34 34 27 34 35 48 27 15 15 15 27 9 11 15 15 15 27 27

1 191 19 35 0" 64 61 49 19 19 17 19 19 35 17 9 9 9 17 5 5 9 9 9 17 17

1 163 8 18 61 шт 49 29 8 8 8 8 8 18 8 5 5 5 8 3 2 5 5 5 8 8

1 134 5 8 49 ее 27 12 5 5 5 5 5 8 5 3 3 3 5 1 1 3 3 3 5 5

1 106 2 4 25 49 12 5 2 2 3 2 2 4 3 1 1 1 3 1 1 1 3 3

1 078 1 2 12 27 5 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1

1 049 1 4 9 2 1

1 021 3

993

% 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365 365

Рис. 2. Гистограмма распределения расходов воды СПРВ в дни безаварийной эксплуатации

В качестве расчетного для рассматриваемой СПРВ принят наиболее вероятный график водопотребления, отмеченный на рис. 2 закрашенными ячейками. Определено уравнение (полиномиальное), наиболее близко описывающее этот график:

у = 0,0002х6 - 0,0202х5 + 0,6438х4 - 10,052х3 + 79,108х2 - 273,4х + 1528,3

Из гистограммы видно, что величины расходов, условно принятые за расчетные значения, имеют различные вероятности в различные часы суток. Функция распределения расхода воды в пределах каждого часа имеет различные значения среднего и дисперсии, обуславливающие колебательный характер водопользования.

Таким образом, для каждой СПРВ можно определить соответствующие, наиболее вероятные графики водопотребления и описывающие их уравнения.

Моделирование режимов работы СПРВ при возникновении аварийных ситуаций на участках трубопровода осуществляется путем их наложения на определенный, наиболее вероятный график водопотребления в безаварийном режиме, при этом определяются не только отборы воды, но и вероятность их появления.

Согласно [2, 3, 4] вероятность появления в интервале времени двух и более отказов очень мала, соответственно:

/спрв + 1 ^ * 1

г=1

где /спрв - вероятность безотказной работы всей сети;

й\ - вероятность работы всей сети при ординарном потоке отказов на 1 участке. В соответствии [4, 5, 6] (для кольцевых сетей):

П (г1- ) + П (т^- ) х I ^ = П (г+- ) х (1 + I ^) * 1,

(= 1 1 + У г г = 1 1 + У г 1=1 (= 1 1 + У г 1=1

1

+ У

1

+ У

V -

где V, - -;

Мг

- интенсивность отказа на участке г, 1/(км*год), МI - интенсивность восстановления участка г, 1/год.

Отбор воды потребителя ] при безаварийном и аварийных режимах на участке 1 с учетом вероятности их появления по часу 1:

п п 1

£ фаКт - (й тР;б+^ £ авар х г) х п (1—),

,-' 1 + Уг

где £ фа"" - фактический отбор воды потребителем ] по часу 1; £треб - требуемый отбор воды потребителем ] по часу 1;

- отбор воды потребителем ] по часу 1 при аварии на участке 1;

Сумма часовых отборов воды любым потребителем складывается в суточный отбор воды:

24

еспре _ X 1 спрв

сут ~ ¿.и £ г .

г -1

Таким образом, суточный отбор воды потребителями ] с учетом вероятностного подхода

24 п 1 24 п

-Е -п (т—) хЕ 1+Е 1 ху).

г-1 г-1 1 + уI г-1 г-1

Соответственно, суточный объем недоподачи воды потребителям ] с учетом вероятностного подхода

24 п 1 24 п

0недоподачи \ 1 /-^недоподачи Л Г / \ ,, \ 1 \ 1 //~лаеар /~лтреб \ ,, „,

},сут --П(77У )хЕЕ@а,ар -£тр )хУ .

г-1 г-1 1 "Т /г- г-1 г-1

Обеспеченность водой каждого из потребителей ] определяется по формуле

0тРеб X + ^ £ аеаР 11 £ 1 ¿спре ] г п £ аеаР п £ аеаР

п

Е

г-1

^ - ~1 -_г-1_- X + ЕЕ 1_х с11 - (1 + ^^ 1 х У ) X -

1 гл треб п спРе ¿^ ^ треб л г V ¿^ треб ' г' л .

й,тРб х (/„ --'О, х1 --'О, 1+у

где £факт}- - фактический отбор потребителем ] за рассматриваемый промежуток времени; £тРеб1 - требуемый отбор потребителем ] за рассматриваемый промежуток времени. Поскольку обеспеченность потребителей по каждому часу может быть разной (особенно в ночные и дневные часы) за счет разных отборов, тем самым разных потерь напора при транспортировании воды, целесообразно определить требуемые и фактические суточные отборы воды и по ним определять обеспеченность потребителей за рассматриваемый период.

Суточная обеспеченность водой каждого из потребителей ]

24 п 24 24 п

Гффат Е(Q■,ÍтРеб/СПв +Е °;,íаеаР¿1) ЕтРебХппв +ЕЕаеа¿1)

^ - ^ 1 ,сут - _г=1_г-1_- _г=1_г-1 г-1_- г +

1 £ тРеб 24 п 24 спРе

^ Е ^гтРеб х (/спрв +Е ¿1) Е тРеб х 1

,г

г-1 г -1 г-1

24

аеаР

п Е °},г п 24 £ аеаР 1

+ Е "27-х - (1 + ЕЕ^1,г б ху.) х—!—

^ 24 г v ^ ^ тРеб ' г ' л ,

г-1 Е £ . тРеб г-1 г-1 °;■,г 1 + / г г-1

Сопоставление обеспеченности потребителей с нормативными значениями [1]:

Rj - K Г ( к ) .

На основании полученных расчетных данных строится гистограмма потребления воды у каждого потребителя. При этом считаем, что СПРВ находится в нормальном периоде эксплуатации (трубы не старые). Следовательно, зависимость интенсивности отказов трубопроводов от диаметра труб в нормальных условиях эксплуатации Я = const.

часы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

1 418

1 390 99,93 99,93

1 361 99,9 99,98 99,99 0,06 0,06 99,99 99,88 99,9

1 333 99,98 99,83 0,09 0,01 99,98 0,11 0,09 99,98 99,98

1 304 99,99 99,99 99,99 0,01 99,99 99,97 0,16 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

1 276 99,98 0,01 0,02 99,98 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

1 248 0,01 0,01 99,93 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

1 219 0,01 99,99 0,06

1 191 99,99 0,01 0,01 0,01

1 163 99,99

1 134 0,01 0,01

1 106

<Уо 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

Рис. 3. Вероятность распределения расходов воды в СПРВ по часам суток, %

Такие гистограммы можно построить для любого потребителя (узла). Общая суточная обеспеченность водой всех потребителей сети:

Rj =

б

б

факт n 24 б

j,cym = (i ^ ^ ^ j ,t

треб ^ ¿щ^ ¿щ^ ^ треб

авар

^ ] ,сут г-1 ?-1 j,?

Следовательно, обеспеченность водой каждого из потребителей показана в табл. 1.

б,

хуг) X

1

30479,67

1 + уг 30480,00

= 0,999986 .

Таблица 1

Суточная обеспеченность водой потребителей СПРВ

узел f л треб ¿¿j ,сут г\факт факт / треб j ,сут узел /^л треб j ,сут г\факт ¿¿j ,сут факт / треб ¿£]',сут j ,сут

1 1200 1 200,00 1,000000 11 2400 2 400,00 1,000000

2 1200 1 200,00 1,000000 12 1200 1 200,00 1,000000

3 1200 1 200,00 1,000000 13 1200 1 199,95 0,999958

4 2400 2 400,00 1,000000 14 1200 1 200,00 1,000000

5 2400 2 400,00 1,000000 15 2400 2 400,00 1,000000

6 1200 1 200,00 1,000000 16 1200 1 200,00 1,000000

7 1680 1 680,00 1,000000 17 1200 1 200,00 1,000000

8 1200 1 200,00 1,000000 18 1920 1 919,61 0,999798

9 1680 1 680,00 1,000000 19 1200 1 200,00 1,000000

10 1200 1 200,00 1,000000 20 1200 1 200,00 1,000000

Сопоставление обеспеченности потребителей с их нормируемыми значениями:

^ ^ К Г (К),

где КГ(К)- нормируемый коэффициент готовности, допускающий длительность периода

со сниженной до 30 % подачей воды, составляет 0,99178 (1 категория систем водоснабжения) [1].

В данном случае снижение отборов воды, связанное с возникновением аварийных ситуаций, незначительно. Это объясняется тем, что в нормальном периоде эксплуатации интенсивность отказов труб мала. Соответственно гистограмма, указанная на рис. 2, изменения не претерпит. В реальных условиях, когда срок службы участков составляет десят-

ки и более лет, снижение фактических отборов может быть значительным, распределение вероятности имеет больший разброс, наиболее вероятный график водопотребления может существенно измениться.

Таким образом, на основании представленной гистограммы определяется наиболее вероятный график водопотребления, вычисляется дисперсия и другие вероятностные показатели. На основании анализа структуры возможных аварийных ситуаций и прогноза водопотребления, можно планировать работу системы водоснабжения, ее ремонты и т. д.

Кроме этого, предлагаемая методика позволяет произвести оценку надежности во-дообеспечения каждого потребителя в отдельности и системы в целом. В условиях автоматизированного диспетчерского управления подобные гидравлические и вероятностные расчеты систем водоснабжения будут иметь особую важность и служить для формирования советов и рекомендаций по локализации аварий, уменьшению последствий от аварийных ситуаций и выработке мероприятий по восстановлению нормального режима эксплуатации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения»

2. Ильин Ю.А. Расчет надежности подачи воды. М. : Стройиздат, 1987.

3. Абрамов Н.Н. Надежность систем водоснабжения. М. : Стройиздат, 1979.

4. Алексеев М.И., Ермолин Ю.А. Надежность систем водоотведения / Гос. архит. строит. ун-т. СПб, 2010. 166 с.

5. Гальперин Е.М. Надежность систем водоснабжения и водоотведения : учеб. пособие / Самарский гос. арх.-строит. ун-т, 2005. 140 с.

6. Игнатчик С.Ю. Расчет надежности, безопасности и инвестиционной эффективности сети водоотведения // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 12.

7. Чупин Р.В., Мелехов Е.С. Развитие теории и практики моделирования и оптимизации систем водоснабжения и водоотведения. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2011. 323 с.

Информация об авторах

Душин Алексей Сергеевич, аспирант кафедры «Городское строительство и хозяйство», тел.: (3952) 780-543, с.т. 8-950-127-44-08, e-mail: [email protected]; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Чупин Роман Викторович, кандидат технических наук, научный сотрудник кафедры «Городское строительство и хозяйство», тел.: (3952) 40-51-45, e-mail: [email protected]; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Майзель Ирина Витальевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Городское строительство и хозяйство», тел.: (3952) 405-145, e-mail: [email protected]; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Information about the authors

Dushin A.S., Post-graduate of department «Urban development and economy», tel.: (3952) 780-543, 8-950-127-44-08, e-mail: [email protected]; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Chupin R.V., Candidate of Technical Sciences, Scientist of department «Urban development and economy», tel.: (3952) 405-145, e-mail: [email protected]; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Maizel I.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Department «Urban development and economy», tel.: (3952) 405-145, e-mail: [email protected]; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

УДК 541.64

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОЛИМЕРБИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ, ПОЛУЧЕННЫХ ПОЛИМЕРИЗАЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Р.Г. Житов, К.Ю. Лебедева, Ю.В. Салтанова, В.В. Алексеенко

Изучены физико-механические характеристики полимербитумных вяжущих, полученных полимеризационным методом на основе битума нефтяного дорожного полистирола, полиметилметакрилата и полибутилметакрилата. Установлены корреляционные зависимости температуры хрупкости и температуры размягчения от вида и содержания полимера. Исследована зависимость показателя пенетрации от температуры. Показано, что переход вяжущего в пластичное состояние происходит при более низких температурах, чем температура, определяемая по методу "кольцо и шар".

Ключевые слова: полимербитумные вяжущие, полимеризационный подход, температура хрупкости и размягчения, пенетрация.

QUALITY ASSESSMENT OF POLYMERIC BITUMEN CEMENTING MATERIALS PRODUCED BY POLYMERIZATION METHOD

R.G. Zhitov, K.IU. Lebedeva, IU.V. Saltanova, V.V. Alekseenko

The article studies physical and mechanical features of polymeric bitumen cementing materials produced by polymerization method on basis of bitumen of oil road polystyrene, polymethylmethacrylate and polybutylmethacrylate. The article describes brittleness and softening temperatures according to correlation dependences on polymer type and content. The authors examine relation between penetration index and temperature; moreover the article demonstrates that transition of cementing materials into plastic ones happens at lower temperatures than a temperature determined by the «Ring and sphere» method.

Key words: polymeric bitumen cementing materials, polymerization approach, brittleness and softening temperature, penetration.

Введение

Магистральный путь улучшения качества органических вяжущих - это модифицирование нефтяного битума полимерами [1]. Используемые повсеместно в практике при производстве кровельных, гидроизоляционных и дорожно-строительных материалов вяжущие на основе окисленных нефтяных битумов не всегда обеспечивают нужные эксплуатационные характеристики и долговечность. Это обусловлено теми физико-химическими характеристиками, которые заложены в самой химической природе битумного материала. Существенно повысить качество органических вяжущих удается при использовании композиционных материалов на основе битума, например, полимербитумных вяжущих [2]. Совмещение свойств битума и полимерного вещества способствует резкому улучшению физико-механических характеристик вяжущего материала: повышается теплостойкость и морозостойкость вяжущего, улучшаются его адгезионные свойства. Наиболее распространенным подходом получения полимербитумных вяжущих является совмещение (растворение) уже готового полимера с битумом [2]. Однако подобный подход нельзя назвать