Введение к работе
Актуальность работы. Оперативное управление режимами работы сооружений системы подачи и распределения воды является насущной задачей настоящего времени. Основными требованиями, предъявляемыми к действующим системам подачи и распределения воды, являются надежность и бесперебойность водоснабжения потребителей (обеспечение подачи требуемых количеств воды при гарантированных напорах) при минимальных эксплуатационных затратах.
Во многих городах и населенных пунктах России из-за дефицита мощности головных сооружений подача воды в отдельные районы или даже в целом по городу осуществляется по графикам.
В этих условиях большое практическое значение приобретают работы, направленные на интенсификацию водопроводных сооружений, выявление и использование имеющихся резервов, а также правильную техническую эксплуатацию водопроводов.
Значительный опыт обследования систем подачи и распределения
воды свидетельствует, что фактические условия их работы значительно
отличаются от расчетных, что приводит к нерациональному использованию имеющийся пропускной способности, необеспеченности ряда районов требуемыми напорами, перерасходу потребляемой насосами электроэнергии и потерям воды.
Решение задач автоматизированного управления
потокораспределением в водопроводных сетях немыслимо без применения ЭВМ. Поэтому разработка методов решения поставленной задачи, позволяющих эффективно использовать ЭВМ, приобретает особое значение.
Вследствие неравномерного и случайного характера процессов водопотребления в сети в неуправляемой системе могут возникать такие ситуации, при которых режимы работы активных элементов далеки от оптимальных.
Это приводит к тому, что часть потребителей вообще не получают воды. Поэтому, в процессе проектирования, реконструкции систем водоснабжения, а также оперативного управления потокораспределением в водопроводных сетях, актуальна задача выбора оптимального режима работы сети.
Совершенствование управления технологическими процессами подачи и распределения воды происходит также на базе применения совершенных математических методов. Вопросам автоматизации проектирования систем водоснабжения посвящены монографии Н.Н. Абрамова, М.В. Кирсанова, Л.Ф. Мошнина, В. П. Сироткина, Д.М. Минца и других авторов.
Вопросы проектирования и эксплуатации внутренних и
наружных систем водоснабжения в настоящее время практически
изолированы друг от друга. Нормы проектирования определяются двумя
различными главами СНиП, проектирование систем ведется различными
организациями, нет взаимодействия и между организациями,
эксплуатирующими наружные (водо-канализационные хозяйства городов) и внутренние (жилищно - эксплуатационные конторы и т. п.) системы. Отсутствует полный и объективный учет затрат электроэнергии на подачу воды потребителям, так как каждая организация отчитывается только о работе эксплуатируемых ею насосных станций. В результате для многих городов страны сегодня характерно положение, при котором для создания требуемых напоров воды в зданиях используются не только городские насосные станции, но и большое число мелких станций подкачки, причем число этих подкачек в отдельных городах доходит до (4-5 тыс. шт.) При этом условия работы станций подкачки (неравномерные режимы потребления воды, низкие КПД насосов) таковы, что величина затрат электроэнергии становится сопоставимой с затратами на городских насосных станциях. В связи с этими фактами, задача оптимального потокораспределения в водопроводной сети становится еще более важной.
Основная цель работы. Основная цель работы состоит в разработке алгоритмов, при которых функционирования системы учитываются три критерия: минимум суммы искомых напоров в узлах сети; минимум максимального отклонения напоров в узлах сети относительно их минимально допустимых значений и минимум суммы энергетических затрат на насосных станциях в оптимизационных задачах большой размерности. Целью задачи оптимизации работы насосных станций, питающих водопроводную сеть, является прогноз в момент времени / значений потерь напора и расхода по всем участкам сети на основании прогнозов в фиктивных участках, вычисляемых в этот же момент времени. Целью работы также является построение геометрических моделей инженерных сетей, которые позволяют наглядно представить проектируемую или реконструируемую сеть.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
разработкой методики электрического моделирования гидравлических
цепей, формулирования математических моделей насосных станций,
работающих на резервуары, технологических процессов
функционирования систем водоснабжения, разработкой алгоритмов оптимального управления режимами функционирования систем
водоснабжения, построением триметрических проекций различных участков водопроводных сетей.
Методы исследования. Использованы математический аппарат теории графов, методы математического программирования, матричная алгебра, начертательная геометрия.
Научная новизна работы. Научная новизна работы заключается в разработке:
-
методики электрического моделирования гидравлических цепей;
-
математической модели насосной станции, работающей на резервуары;
3) математического моделирования технологических процессов
функционирования систем водоснабжения;
-
алгоритмов моделирования и (или) управления потокораспределением в оптимизационных задачах большой размерности;
-
построения наглядных изображений сетей потокораспределения воды.
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается использованием в приведенных исследованиях аппарата теории графов, матричной алгебры, линейного и нелинейного программирования, начертательной геометрии, а также положительными результатами, полученными при разработке модели оптимизации, программой реализации предложенных средств моделирования и изображением участков сетей потокораспределения в триметрических проекциях.
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается:
-
в создании пакета программных средств для реализации предложенных алгоритмов;
-
во внедрении разработанных алгоритмических и программных средств в практику работы проектных и строительных организаций. Имеются соответствующие акты внедрения;
-
в построении наглядных изображений участков сетей водораспределения, которые можно использовать как в инженерно-конструкторской практике, так и в учебном процессе.
Реализация работы. Разработанные методики, алгоритмы, программы внедрены в акционерном обществе "Аландан" и на государственном предприятии "Севосетинводмелиорация", РСО -Алания.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно -технических конференциях в ГГАУ и СКГТУ (1997 г.), в акционерном обществе "Севосгорсельстройпроект", в проектном институте "Севосагропромпроект".
Публикации. Итоги проведенных исследований и результаты их практической реализации представлены в 5 публикациях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа объемом 179 листов машинописного текста состоит из введения, общей характеристики работы 6 глав и одного приложения. Содержит 4 таблицы, 19 рисунков, списка использованной литературы из 93 наименований.
