Экспериментальное и численное моделирование переходных процессов в кольцевых водопроводных сетях

Рис 4. Поверхность изменения скоростей по методу аппроксимации производных

Рис.5. Поверхность напоров по методу разделения переменных

Рис. 6. Поверхность h(x,t) с учетом трения0 при расчёте методом характеристик.

Рис.7. Поверхность изменения напоров с учетом трения. Метод Маккормака

Рис. 8. Лепестковая диаграмма релевантностей

При этом рассматривались метод характеристик и метод Маккормака, так как они оба учитывают гидравлическое сопротивление и являются абсолютно сопоставимыми. Все остальные числовые параметры варьировались в пределах ±10% от наиболее ожидаемых значений (максимальные и минимальные значения в формуле (1)).

Из рис.8 видно, что величины начальной скорости vo, скорости звука с и метод расчета оказались значимыми, а диапазон их возможных значений необходимо учитывать при расчетах.

В третьей главе рассматриваются особенности расчета переходных процессов в системе водоснабжения.

Даётся обоснование расчетной схемы, наиболее адекватно учитывающей особенности переходных процессов в кольцевых сетях систем водоснабжения. Учет кольцевой структуры расчетной схемы производится путём задания граничных условий в узлах-ветвлениях. Даётся обоснование возможности задания сосредоточенного и распределенного отборов воды из сети.

Дифференциальные уравнения неустановившегося движения воды в трубопроводах задаются двумя уравнениями в частных производных:

• уравнения неразрывности

(14)

• уравнения движения

(15)

Переходные процессы в системах водоснабжения имеют специфические черты, связанные с:

• наличием кольцевых структур в топологии сети;

• распределением водопотребителей и стохастическим характером разбора воды;
• возможностью включения высоконапорных пожарных насосов;
• недопустимостью длительного перерыва в подаче воды и попадания загрязнений в сеть через неплотности трубопроводов;
• наличием напорно-регулирующих сооружений, являющихся источниками отраженных волн;

• возможностью подсоса воздуха через водоразборную арматуру при понижении давления в сети ниже атмосферного.

Отмеченные особенности учитывались путём задания соответствующих граничных условий.

Четвёртая глава посвящена моделированию переходных процессов в системах подачи и распределения воды.

Принимая во внимание реальную обстановку на сетях, делается вывод, что провести полномасштабный эксперимент на системах водоснабжения не представляется возможным ввиду наличия экономических и организационных трудностей. Особо отмечается невозможность учета влияния ряда факторов на протекание переходных процессов и невозможность изменения отдельных параметров в широких пределах при проведении натурных экспериментальных исследований, что в свою очередь не даёт полной картины происходящих в сетях переходных процессов. Указанные обстоятельства диктуют необходимость проведения моделирования переходных процессов в СПРВ на ЭВМ.

Стационарное потокораспределение может быть получено из моделирования переходных процессов методом установления.

Метод установления имеет ряд преимуществ:

• не требуется начального приближения расходов, удовлетворяющих первому закону Кирхгофа;
• не используется информация о кольцевой структуре сети;
• возможно построение более адекватных моделей СПРВ, например, учитывающих специфику распределенного и сосредоточенного водопотребления; отпадает необходимость в специальной процедуре определения напоров в узлах, так как в расчете переходных процессов расходы и напоры получаются одновременно. Существенным недостатком этого метода является относительно большое время расчета.

Моделирование проводилось для существующей сети водоснабжения города Кингисеппа, план которой приведён на рис.9.

Рис. 9. План сети.

Блок-схема расчета переходных процессов приведена на рис.10.

Результаты применения метода установления приведены на рис.11.

Рис. 10 Блок-схема расчёта переходных процессов

Видно, что полученные результаты соответствуют общепринятым представлениям о процессах, протекающих в СПРВ.

Рис. 11. Процесс установления

Производилось моделирование аварийных ситуаций в СПРВ. Математическая модель аварийного режима получается из модели исправной СПРВ путем имитации аварии на одном из участков. При этом утечка рассматривается как истечение воды через отверстие с тонкой стенкой. Процесс образования разрыва представлен на рис.12.

В предыдущих главах отмечалось, что многие величины, участвующие в реализации методов расчёта, заданы приближенно. Это относится к значениям узловых расходов и скоростей звука в участках сети, характеристикам запорно-регулирующей и предохранительной арматуры, уровням воды в баках и резервуарах, утечкам из сети, диаграммам Сьютера и т.д.

Рис.12. Моделирование разрыва участка 3-4 за 1,5 сек.

В соответствии с принятым подходом, перечисленные факторы неопределенности можно рассматривать как величины и функции, принимающие значения из некоторых интервалов возможных изменений. Практический интерес представляет рассмотрение верхних и нижних границ изменения контролируемых величин во времени, образующих интервалы возможных решений. Примеры для различных величин приводятся на рис13 и 14.

Рис. 13. Отключение отбора в узле 10 при скоростях волн, граница изменения величин 330-870м/c

В данной главе рассматривается вопрос моделирования переходных процессов, связанных с отключением электроэнергии. Известно, что кратковременное отключение электричества может стать причиной возникновения аварий на объектах водоснабжения, подобных рассматриваемым в рамках диссертации. Рельеф города Кингисепп характеризуется относительно малыми перепадами высот, что исключает опасность значительного повышения давления при нештатной работе на насосной станции. Результаты расчёта для случая отключения электроэнергии на 2 секунды приведены на рис.15-18.

Рис. 14. Разрыв участка 7 при одновременном изменении параметров (скоростей звука, узловых расходов и гидравлических сопротивлений)

Рис. 15. Отключение насоса на 2 сек, параметры у насосной станции

Анализ, полученных при моделировании данных, показал, что наибольшее повышение напора происходит в центре сети, а не у насосной станции, но из-за потерь по длине, оно меньше предельно допустимого.

Пятая глава диссертации посвящена описанию натурного эксперимента, проведённого на водопроводных сетях города Кингисепп.

Проведению исследований переходных процессов предшествовало обследование насосных станций II и III подъемов и трубопроводов водопроводной сети г. Кингисеппа Ленинградской области.

Рис. 16. Отключение насоса на 2 сек, параметры в центре сети (без выделения разрывов сплошности)

Рис. 17. Отключение насоса на 2 сек, параметры в центре сети (с выделением разрывов сплошности)

Рис. 18. Отключение насоса на 2 сек, параметры в центре сети (с выделением разрывов сплошности и с учетом зависимости отборов от напоров)

Учитывая специфику объекта, эксперименты проводились в ночное время. При пространственном разнесении насосной станции и места регистрации давления, временная синхронизация осуществлялась по сигналам точного времени радио-эфира.

В главе приводится описание измерительного оборудования с его характеристиками. Проводится оценка ошибок измерения, таких как: давления, времени, скорости распространения ударной волны.

Эксперименты проводились для следующих случаев: отключение одного из двух параллельно работающих насосных агрегатов, одновременное отключение двух параллельно работающих насосных агрегатов, отключение одного работающего насоса.

В первом случае имитировалось плановое отключение насосного агрегата.

Во втором случае имитировалось аварийное отключение насосной станции. Воспроизводилось условие протекания переходных процессов при аварийном отключении электроэнергии.

В третьем случае имитировалась аварийная остановка насосного агрегата.

В первом случае при работе двух насосных агрегатов №2 и №3 расход воды насосной станции составлял 1420 м3/ч. Во втором случае при работе тех же насосных агрегатов расход равнялся 1275 м3/ч. В третьем случае при подаче воды одним насосным агрегатом № 3 расход станции был равен 1060 м3/ч.

Порядок проведения исследований:

включение аппаратуры, проверка исправности;

установка нулевых значений на шкале приборов;

проверка прохождения импульсов;

установление выбранного режима работы системы;

фиксировались начальные показания;

производилось отключение насосных агрегатов;

запись продолжалась в течение 45...300 секунд;

производилась предварительная оценка полученных записей, на основании которых принималось решение о повторении режима или о переходе к следующему режиму.

Обработка сводилась к определению значений давлений в различных точках системы и времени добегания волн гидроудара от одного датчика до другого.

При проведении экспериментов давление измерялось в трех точках: на напорной линии насоса №3 перед обратным клапаном -датчик давления №1, на напорной линии насоса №3 после обратного клапана - датчик давления №2, на левом напорном водоводе -датчик давления №3.

План насосной станции приведён на рис.19, результаты натурного эксперимента приводятся на рис20-23.

Рис.19. План насосной станции II подъёма

Рис. 20. Насосная станция II подъёма. Отключение насосных агрегатов №2 и №3: 1 – давление в напорной линии перед клапаном (атм), 2 – давление в напорной линий после клапана, 3 – давление в левом напорном водоводе.

Рис.21. Отключение насосных агрегатов №2 и №3.

1– давление в напорной линии перед клапаном (атм), 2 – давление в напорной линий после клапана, 3 – давление в левом напорном водоводе

При анализе получившихся данных видно, что они в целом соответствуют нашей модели в первые секунды гидравлического удара, дальнейший процесс зависит от слишком многих факторов, основные из которых планируется учесть в дальнейшем.

Рис. 22. Отключение насосного агрегата №3. 1– давление в напорной линии перед клапаном (атм), 2 – давление в напорной линий после клапана, 3 – давление в левом напорном водоводе

Из рис. 21 – 22 следует, что после отключения насосных агрегатов давление за ними сначала резко падает, а затем медленно повышается. Эти явления отражают тот факт, что после отключения насосов, вода относительно медленно сливается из стояков зданий, компенсируя изменения давления в сети, волны которого распространяются и достигают насосной станции. Изучение этого эффекта требует дальнейших дополнительных исследований.

Рис. 23. Водопроводная сеть. Остановка насосных агрегатов №2 и №3.

1 – датчик давления №1(мастерские); 2 – датчик давления №2 (колодец)

Из рисунка 23 видно, что давление в центре сети изменяется не почти мгновенно, а медленно, приближенно по линейному закону.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Повышение давления в напорных системах водоподачи с насосными станциями, как правило, происходит при переходных процессах, возникающих при плановых и аварийных остановках насосных агрегатов.
2. Опыт их проектирования и эксплуатации показал, что при аварийных остановках насосных агрегатов в трубопроводах могут возникнуть разрывы сплошности потока, и, как следствие этих разрывов, значительное повышение давления.
3. В настоящее время разработано достаточное количество методов интегрирования уравнений в частных производных гиперболического типа, и их систем, к которым сводится задача расчёта переходных процессов в инженерных сетях. Наибольшие погрешности моделирования переходных процессов могут быть связаны с постановкой задачи и неточностью её параметров.
4. При расчетах переходных процессов в условиях неопределенности особое внимание следует уделять вариациям расходов и скоростей распространения волн. Начальные напоры и коэффициенты гидравлических потерь на трение в первом приближении можно принимать постоянными. Влияние на результаты может оказывать метод расчета.
5. Учет кольцевой структуры расчетной схемы рекомендуется производить путем задания граничных условий в узлах-ветвлениях.
6. Проведено теоретическое обоснование проведения расчетов, описывающих протекание переходных процессов в кольцевых водопроводных сетях для различных расчетных случаев в широком диапазоне вариации параметров.
7. Основной неопределенностью при интегрировании дифференциальных уравнений переходных процессов в кольцевых сетях является задание граничных условий в узлах сети.
8. Не исключены случаи, когда наибольшее повышение давления при временном отключении электроснабжения на насосной станции возникает в центре сети, их необходимо включить в ряд расчетных.
9. Описана методика натурных исследований и экспериментальная техника, которая использовалась для решения задач в рамках классической гидравлики.
10. Эксперименты показали, что при относительно длительных отключениях насосных агрегатов резкое изменение давления в кольцевых сетях сглаживается подпиткой воды из стояков внутренней сети.
11. Выполненная оценка точности измерения и определение предельных ошибок по всем параметрам при эксплуатации систем водоснабжения г. Кингисеппа показала, что их величины находятся в приемлемом диапазоне, что позволяет не сомневаться в достоверности результатов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Работы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ:

1. Лиханов, Д.М. О значимости факторов, влияющих на переходный процесс в простом трубопроводе [Текст] / Карамбиров С.Н., Бегляров Д.С., Лиханов Д.М // Природообустройство, Научно – практический журнал № 2, 2010. – С 40 – 48.
2. Лиханов, Д.М. Численное моделирование переходных процессов в кольцевых водопроводных сетях [Текст] / Карамбиров С.Н., Лиханов Д.М // Природообустройство. Научно – практический журнал № 3– 2010. – С 58 – 63.
3. Лиханов, Д.М. Проблемы моделирования переходных процессов в кольцевых сетях систем водоснабжения [Текст] / Карамбиров С.Н., Лиханов Д.М // Вестник гражданских инженеров. № 2 (23). — 2010.— С. 150–155.

Другие работы:

4. Лиханов, Д.М. Сравнительный анализ методов интегрирования уравнений переходных процессов в напорных трубопроводах [Текст] / Карамбиров С.Н., Лиханов Д.М // Доклады 66-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета / Санкт-Петербургский госуд. архит.-стоит.ун-т.Ч.II/ СПб., 2009. С 60 – 65.
5. Лиханов, Д.М. Экспериментальные исследования переходных процессов, возникающих при отключении основных агрегатов на насосной станции второго подъема в водопроводной системе города Кингисеппа. [Текст] / С.Н.Карамбиров, Д.С. Бегляров, Д.Ш. Апресян, Д.М. Лиханов // Природообустройство, Научно – практический журнал № 4, 2008 – С. 37 – 40.

Московский государственный университет

Природообустройства (МГУП)

® Зак. № Тираж 100