CC BY
64Современные средства расчета и контроля сетей водоснабжения
Барбул Михаил Леонидович
аспирант кафедры водопользования и экологии, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, barbul@bk.ru
В данной статье рассматриваются современные автоматизированные средства расчета и контроля сетей водоснабжения. Моделирование гидравлических режимов в современных программных пакетах осуществляется на основании данных о параметрах и структуре водопроводной сети. При этом гидравлические расчеты проводятся для конкретного сценария работы водопроводной сети. Для городов мегаполисов, в которых система водоснабжения состоит из огромного числа сооружений и водопроводов, соединяющих эти сооружения, имеющиеся программные комплексы российского производства не удовлетворяют современным требованиям операторов водоканалов. Средства контроля и управления сетями водоснабжения должны объединять в себе не только элементы мониторинга и управления, но и элементы математического моделирования гидравлических режимов работы водопроводной сети для «помощи» принятия операторам правильного решения во время аварийных ситуаций. Рассмотрена одна из таких зарубежных систем. Указаны минимальные требования, которым должен удовлетворять современный программный пакет контроля сетей водоснабжения, работающий в режиме реального времени, для объектов городских водоканалов.
Ключевые слова: водоснабжение, гидравлические сети, гидравлический расчет, потокораспределение, программный комплекс.
Одной из целей государственной политики РФ в сфере водоснабжения и водоотведения является улучшение качества жизни населения путем обеспечения бесперебойного и качественного водоснабжения и водоотведения (ФЗ №416 ФЗ "О водоснабжении и водоотведении").
Системы водоснабжения - это достаточно сложный комплекс взаимосвязанных по параметрам и режимам работы специальных сооружений, обеспечивающих бесперебойную подачу воды в город. Городская водопроводная сеть состоит из водозаборных узлов, насосных станций и самой сети водопроводов, соединяющих данные элементы. Сеть расположена на реальном ландшафте, поэтому точки разбора воды расположены на разных уровнях и, следовательно, давление воды в точках сети зависит не только от давления в насосных станциях, но и от местоположения точки на некотором уровне. В рабочем режиме разбор воды (нефиксированный сток) может осуществляться в любой точке сети, что приводит к некоторому локальному падению давления в окрестности этой точки [1, 3, 8].
Современное состояние и быстрый рост систем городских водопроводов, увеличение числа используемых одновременно источников водоснабжения, насосных станций и регулирующих емкостей требуют совершенствования методов расчета и управления системами передачи и распределения воды. Существующие методы расчета и проектирования водоразборных сетей позволяют рассчитывать параметры сети в некотором статическом режиме, т.е. при заданной топологии сети и постоянных расходах в узлах сети можно определить необходимые давления и расходы на насосных станциях. Но для оперативного управления сетью (управления в реальном времени насосами, задвижками и регуляторами расхода) эти методы неприемлемы, поскольку нет достоверной информации о расходах воды в узлах. Кроме того, сама сеть, состоящая из элементов с различными технико-эксплуатационными характеристиками (труб различного диаметра, задвижек, вентилей, тройников, заглушек, переходов и т.д.) со временем меняет свои параметры в результате старения, изменения пропускной способности вследствие внутренних отложений, утечек и т.д.
В настоящее время известны следующие программные средства расчета сетей водоснабжения [5-7]:
- ИГС "CityCom-ГидроГраф";
- SibStream 2012;
- Visual_Vector_NetGuide;
- ZuluHydro;
- Гидросистема;
- Bentley WaterGEMS
- и др.
ИГС "CityCom-ГидроГоаф" - паспортизация, расчеты режимов и диспетчеризация водопроводных и канализационных сетей. Моделирование переключений позволяет после любого предполагаемого переключения на схеме водопровода автоматическое выполнить гидрав-
X X
о
го А с.
X
го m
о
м о
M
сч о сч
о ш m
X
<
m О X X
лический расчет, и, таким образом, в любой момент времени видеть тот гидравлический режим, который соответствует текущему состоянию всей совокупности за-порно-регулирующей арматуры и насосных агрегатов на схеме водопроводной сети [7].
SibStream 2012 - Данный вариант программы предназначен расчетов водопроводных сетей городов с населением 70-100 тыс. человек. Малый размер сетей таких городов также позволит быстро выполнять все типы гидравлических расчетов, включая полную оптимизацию, моделирование во времени с учетом массовых утечек и т.д.
Visual_Vector_NetGuide - гидравлические расчеты, технико-экономический расчет наружных сетей (диаметры участков сети, минимизирующие приведенную стоимость строительства и эксплуатации сети), диагностические задачи на наружных сетях (определяется степень проявления технологических осложнений на участках сети: утечек, несанкционированных отборов (утечек на внутридомовых сетях) и коррозионного зарастания) [7].
ZuluHydro - расчеты режимов, переходных процессов, коммутационные задачи [14].
Гидросистема - программа широкого применения, которая может использоваться при проектировании и реконструкции объектов в энергетике, нефтеперерабатывающей и нефтехимической, газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности, для расчёта технологических, магистральных трубопроводов, тепловых, газораспределительных и других инженерных сетей. Программа позволяет рассчитывать надземные, подземные и комбинированные трубопроводные системы произвольной сложности (в том числе с кольцевыми участками).
Bentley WaterGEMS - продукт американской компании Bentley Systems и датской компанией DHI Water & Environment, которые получили наибольшее распространение в зарубежной практике. Данное программный комплекс предоставляет возможность построения расчетной схемы водопроводной сети города, а также ввода информации по каждому ее элементу в ручном режиме. Помимо построения привычной проектировщику кольцевой схемы водоснабжения, возможны установка различной запорной или регулировочной арматуры на участках сети, расстановка накопительных или регулирующих резервуаров, а также установка насосов с различными характеристиками и режимами работы [2, 4].
Подходы к проектированию, исследованию и анализу систем водопроводных сетей в каждой из этих программ специфичны. Но большинство из них в своих методах расчета применяют глобальный градиентный алгоритм (Global Gradient Algorithm - GGA), предложенный Эзио Тодини [13], сочетающий в себе быструю сходимость и высокою точностью решения [11]. Данный метод расчета позволяет производить гидравлический расчет трубопроводов любой геометрии и сложности, в том числе с кольцами и рециклами.
В алгоритме GGA рассматривается изотермическая разветвленная система, заданная в соответствии с ее топологией. Рабочие параметры связей определяются с помощью закона потери давления движущейся среды fi(Qi) для каждого канала, а для узлов заданы расходы qj и давления (напоры) Hok. В процессе решения необхо-
димо определить расходы во всех каналах Qi и неизвестные давления Н в узлах в предположении о стационарности решения задачи.
В матричной форме поставленная задача потокорас-пределения формулируется следующим образом [13]:
Ли • H + F(Q) = -Лю • H Л • Q = q
(1)
где А12 = А°21 - матрица неизвестных узловых давлений (пр, пп); А10 = Ао1 - матрица фиксированных уз-
Л12 fa j ) =
ловых давлений (пр, п0); 0° = \@1,Q2,...,0пр] - расход
в каждом канале (1, пр); Я = я2, ... ,япп] - узловые расходы (1, пп); Н° = [Н1,Н2,...,Нт] - неизвестные узловые напоры (1, пп); Н° = [НН02,...,Н0п0]
- фиксированные узловые напоры (1, п0);
(0) = //2,...,/пр] - законы потери давления в связях (/ = / 0 )) (1, пр); пп - количество узлов с неизвестными давлениями; по - количество узлов с фиксированными давлениями; пр - количество каналов с неизвестными расходами;
1, если поток в связи I входит в узел ] 0, если связьI и узел ] не пересекаются -1, если поток в связи I выходит из узла ]
при этом А10 задаётся аналогично А12.
Система уравнений, представленная выражением (1), может иметь более одного решения в зависимости
от вида зависимости /(Qi) . Однако, если все /(Qi)
- монотонно возрастающие функции, то можно доказать, что решение системы уравнений (1) существует и оно единственно. Наиболее общее доказательство существования единственного решения представлено в [12]. В общем случае данная система уравнений сводится к решению системы уравнений с помощью рекурсивного алгоритма Ньютона-Рафсона:
Нк+1 = -(А^Д-ХГ'КN-,(0к + 4-ХН0) + (я - АО)}
(2)
0к+1 = (1 - N "1)0к - N "А/А Нк+1 + Аю Н 0). (3)
Моделирование гидравлических режимов в данных программный средствах осуществляется на основании данных о параметрах и структуре водопроводной сети и насосных станций, состоянии задвижек, а также реальных нагрузочных характеристик насосных агрегатов. Результаты моделирования отображаются в виде схемы сети и схем насосных станций, на которых показаны состояния агрегатов и задвижек, цвет каждого участка сети зависит от скорости воды, а значения параметров (напоры, расходы и т.д.), на основании решения уравнений (2 и 3) выводятся в указанных точках для конкретного сценария работы водопроводной сети. Однако водоканалы российских городов, решающие вопросы управления потокораспределением в разветвленных и протяженных трубопроводных сетях, в большинстве своем должны оперировать огромным количеством информации об объектах водопроводной инфраструктуры в режиме реального времени.
Все приведенные выше программные пакеты не дают возможности в режиме реального времени, как оперативного предупреждения (прогнозирования) поведения инженерных сетей в той или иной ситуации, так и «подсказок» операторам в принятии правильного решение при аварийных ситуациях в работе сети и т.д. Поэтому возникает потребность в создании так называемого «интеллектуального» программного продукта, объединяющего средства мониторинга, управления оборудованием и математического моделирования гидравлических режимов водопроводной сети.
Применение «интеллектуальной» системы диспетчерского мониторинга и управления позволит решить следующие задачи в реальном времени:
> Рассчитывать величину потока воды на каждом участке водопроводной сети;
> Определять напор в указанных узлах сети;
> Определять режимные параметры насосных агрегатов;
> Определять места утечек и несанкционированных отборов (подключений);
> Рассчитывать реакцию сети на включение, отключение агрегатов насосных станций;
> Рассчитывать реакцию сети на включение, отключение участков сети;
> Моделировать в целом потокораспределение водопроводной сети и выдавать сообщения-«подсказки» диспетчеру о тех параметрах работы системы, которые не соответствуют требуемым (нормативным) значениям.
В значительной мере таким требованиям может удовлетворять продукт компании Schneider Electric (Франция) - «Aquis Software».
Структурная схема Aquis показана на рисунке 1.
Просмотр _ Проектирование Управление Оптимизация
Построение — модели Создание модели Измерение
Визуализация ■
Скада система
Рисунок 1. Структурная схема «(Aquis Software»
Aquis - программный продукт, который имитирует (моделирует) потоки и давления в инженерных сетях. В отличие от других программных продуктов, Aquis использует данные в реальном времени, анализирует и отслеживает текущую ситуацию, помогает принимать операторам быстрые и правильные решения в нештатных ситуациях [10].
Из структурной схемы (рисунок 1) видно, что «Aquis Software» состоит из 3-х главных модулей:
1. Модуль построения (создания) модели;
2. Модуль вывода результатов моделирования;
3. Модуль визуализации потокораспределения.
Результаты расчетов (расход, напор) смоделированной системы водоснабжения постоянно сравниваются с этими же данными, получаемые удаленно с помощью средств автоматизированного контроля. В случае отклонения данных величин на величину, свидетельствующих о аварийной ситуации (например, порыв трубопровода), система «Aquis Software» предупреждает об этом
оператора, а также выдает рекомендации по устранению данной аварии.
Визуализация потокораспределения (водопроводной сети) в режиме реального времени, с учетом, как расчетных значений напоров, расходов в конкретных узлах сети или диктующих точках, так и получаемых удаленно, осуществляется с помощью встроенного модуля визуализации или внешнего модуля визуализации -скада система.
Основные преимущества «Aquis Software»:
> Использование данных в реальном времени, анализ и отслеживание текущей ситуации;
> Подробное отображение давления, расхода и направления потока на всем участке;
> Контроль различных участков, секторов, зон и любых отдельных деталей существующей сети водоснабжения;
> Выявление утечек на трубопроводах;
> Предупреждения о нештатных ситуациях;
> Определение максимального количества насосных агрегатов, которые должны работать в данный момент времени, для поддержания требуемого расхода и давления воды с целью минимизации энергетических затрат;
> Интеграция в существующие системы.
Современные системы автоматизированного проектирования имеют в своем составе набор функций для исследования различных водопроводных систем городов-мегаполисов. Выбор оптимального программного комплекса для управления и исследования водопроводной сети города в первую очередь должен производиться на основе оценки тех потребностей и задач, которые стоят перед управляющей или инженерно-технической компанией [9].
На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Проведен анализ автоматизированных средств расчета и контроля состояния инженерных сетей отечественного и зарубежного производства. Установлено, что применение российских систем управления и мониторинга не дает полной информации о текущем состоянии процесса потокораспределения в режиме реального времени.
2. Потребность в создании российского «интеллектуального» программного продукта для водоканалов городов-мегаполисов, объединяющего в себе, не только средства моделирования гидравлических режимов водопроводной сети, но и мониторинга в режиме реального времени за состоянием сетей водоснабжения с последующим предупреждением (или указанием алгоритма действий) оператора в той или иной аварийной ситуации довольна высока.
Литература
1. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. — М. : Стройиз-дат, 1982. — 382 с.
2. Борисов Д.А. Bentley Systems — моделирование и эксплуатация наружных сетей водоснабжения и канализации // САПР и графика. — 2009. — № 5. — С. 64-68.
3. Гальперин Е.М. Определение надежности функционирования кольцевой водопроводной сети // Водоснабжение и санитарная техника. — 1999. — № 6. — С. 13-16.
4. Говиндан Ш., Вальски Т., Кук Д. Решения Bentley Systems: гидравлические модели. Помогая принимать
X X
о го А с.
X
го m
о
м о
M
es о es
о ш m
X
лучшие решения // САПР и графика. — 2009. — № 4. — С. 36-38.
5. Корельштейн Л. Гидравлические расчеты от прошлого к будущему // CADmaster. — 2005. — № 3. — С. 54-58.
6. Новицкий Н.Н., Сухарев М.Г., Тевяшев А.Д. др. Трубопроводные системы энергетики. Математическое моделирование и оптимизация. — Новосибирск: Наука, 2010. — 419 с.
7. Орлов В.А., Аверкеев И.А. Анализ автоматизированных программ расчета водопроводных сетей в целях гидравлического моделирования при реновации трубопроводов // Вестник МГСУ. — 2013. — №3. — С. 237-243.
8. Сомов М.А., Журба М.Г. Водоснабжение. Т. 1. Системы забора, подачи и распределения воды. — М.: Изд-во АСВ, 2008. — 262 с.
9. Храменков С.В. Стратегия модернизации водопроводной сети. — М.: Стройиздат, 2005. — 398 с.
10. Aquis Software - Software for profitable operation of your water distribution - Products overview - Schneider Electric. URL: https://www.se.com/ru/ru/product-range/61417-aquis-software/?subNodeId= 12368214446ru_RU#tabs-top/.
11. Creaco E., Franchini M. Comparison on Newton-Raphson global and loop algorithms for water distribution network resolution // Journal of hydraulic engineering. — 2013. — Pp. 313-320.
12. M.A. Collins, L. Cooper, R. Helgarson et al. Solving the pipe network analysis problem using optimization techniques // Management Scince. — 1978. — No. 24. — Pp. 747-760.
13. Todini E., Pilati S. A gradient algorithm for the analysis of pipe networks // Computer Applications in Water Supply. — Vol. 1. — London, UK: John Wiley & Sons, 1988. — Pp. 1-20.
14. ZuluHydro - Политерм. URL: http://www.politerm.com.ru/zuluhydro/index.htm.
Modern means of calculating and controlling water supply
networks Barbul M.L.
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
This article discusses modern automated means of calculating and controlling water supply networks. Modeling of hydraulic modes in modern software packages is carried out on the basis of data on the parameters and structure of the water supply network. In this case, hydraulic calculations are carried out for a specific scenario of the water supply network. For cities of megalopolises, whose water supply system consists of a huge number of structures and water pipelines connecting these structures, the existing Russian-made software systems do not meet the modern requirements of water utility operators. Means for monitoring and controlling water supply networks should combine not only monitoring and control elements, but also elements of mathematical modeling of hydraulic operating modes of a water supply network to help operators make the right decisions during emergencies. One of such foreign systems is considered. The minimum requirements to be met by a modern software package for monitoring water supply networks operating in real time for urban water supply facilities are indicated. Key words: water supply, hydraulic networks, hydraulic calculation, flow distribution, software package.
References
1. Abramov N.N. Water supply. — Moscow: Stroyizdat, 1982. — 382 p.
2. Borisov D.A. Bentley Systems - modeling and operation of external water supply and sewerage networks // Sistemy avtomatizirovannogo proyektirovaniya i grafika. — 2009. — No. 5. — Pp. 64-68.
3. Galperin E.M. Determination of the reliability of the functioning of the ring water supply network // Vodosnabzheniye i sanitarnaya tekhnika. — 1999. — No. 6. — Pp. 13-16.
4. Govindan S.H., Valski T., Kuk D. Bentley Systems solutions: hydraulic models. Helping make better decisions // Computer aided design and graphics. — 2009. — No. 4. — Pp. 36-38.
5. Korelshteyn L. Hydraulic calculations from the past to the future // CADmaster. — 2005. — No. 3. — Pp. 54-58.
6. Novitskiy N.N., Sukharev M.G., Tevyashev A.D. et al. Power engineering pipeline systems. Mathematical modeling and optimization. — Novosibirsk: Nauka, 2010. — 419 p.
7. Orlov V.A., Averkeev I.A. Analysis of CAD software designated for analysis of water supply systems for the purpose of hydraulic modeling designated for renovation of pipelines // Vestnik MGSU. — 2013. — No. 3. — Pp. 237-243.
8. Somov M.A., Zhurba M.G. Water supply. Tom 1. Water supply. Vol. 1. Systems of intake, supply and distribution of water. — Moscow: ACB, 2008. — 262 p.
9. Khramenkov S.V. Water supply network modernization strategy. — Moscow: Stroyizdat, 2005. — 398 p.
10. Aquis Software - Software for profitable operation of your water distribution - Products overview - Schneider Electric. URL: https://www.se.com/ru/ru/product-range/61417-aquis-software/?subNodeId=12368214446ru_RU#tabs-top.
11. Creaco E., Franchini M. Comparison on Newton-Raphson global and loop algorithms for water distribution network resolution // Journal of hydraulic engineering. — 2013. — Pp. 313-320.
12. Collins M.A., Cooper L., Helgarson R. et al. Solving the pipe network analysis problem using optimization techniques // Management Scince. — 1978. — No. 24. — Pp. 747-760.
13. Todini E., Pilati S. A gradient algorithm for the analysis of pipe networks // Computer Applications in Water Supply. — Vol. 1. — London, UK: John Wiley & Sons, 1988. — Pp. 1-20.
14. ZuluHydro - Politerm. URL: http://www.politerm.com.ru/ zuluhydro/ index.htm.
<
m о x
X
