ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
ПЕТРОСОВ ВАЛЕРІЙ АЛЬБЕРТОВИЧ
УДК 628.1
ТЕОРЕТИЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ
І РОЗРОБКА МЕТОДІВ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ
РОБОТИ СИСТЕМ ВОДОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
05.23.04 – водопостачання, каналізація
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
ХАРКІВ – 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.
Офіційні опоненти:
Доктор технічних наук, професор Душкін Станіслав Станіславович, завідувач кафедри “Водопостачання, водовідведення та очистки вод” Харківської державної академії міського господарства Міністерства освіти і науки України.
Доктор технічних наук, професор Орлов Влерій Олегович, завідувач кафедри “Водопостачання та бурової справи” Рівненського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.
Доктор технічних наук, професор Прокопчук Іван Тимофійович, професор кафедри “Водопостачання” Київського національного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.
Провідна установа:
Інститут гідротехніки та меліорації Ураїнської академії аграрних наук, відділ “Водопостачання та водовідведення”.
Захист відбудеться 10 жовтня 2001 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради
Д 64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.
Автореферат розісланий 7 вересня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
професор М.І.Колотило
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Інтенсифікація роботи систем водозабезпечення міст є однією з найважливіших проблем, що стоять перед Україною у XXI столітті. Від їх вирішення залежить забезпечення суспільства і народного господарства водними ресурсами в умовах початку глобального змінення клімату на Землі, обмежених запасів водних прісних ресурсів у країні, негативного змінення гідробіологічного і сольового складу вод, що використовуються для водопостачання.
В Україні відсутні економічно прийнятні технології кондиціонування підземних і поверхневих вод. Споруди кондиціонування води, що проектувалися і будувалися у відповідності з чинними до того нормативами, вже не в змозі перешкоджати надходженню в питну воду хімічних сполук, що становлять реальну загрозу для здоров’я людини. У містах старішає інфраструктура водоводів і водомереж, зменшується їх пропускна спроможність, зростає кількість відмов елементів системи подачі і розподілу води (ПРВ), що знижує надійність і безпеку водозабезпечення населення. Металеві водоводи і водогінні мережі уражені внутрішньою корозією та заростанням, що збільшуються у процесі експлуатації. Це загальна проблема міст не лише України, але й держав ближнього і далекого зарубіжжя (рис. 1).
Рис. 1. Третій Краснопресненський водовід Москви діаметром 1200 мм (сталь),
час експлуатації понад 30 років (за даними С.В. Храменкова, “Мосводоканал”)
Із загальної протяжності водогінних мереж України в аварійному стані пе-ребуває 29,3 тис. км, або 30% їхньої загальної довжини. Четверта частина водогінних споруд і мереж фактично відпра-цювала термін амортизації, закінчився термін аморти-зації кожної п'ятої насосної станції. В Україні, в тому числі в Харкові, низка споруд працює вже понад 100 років. Технічний стан водогінних мереж у містах стає причиною значних втрат питної води, що складає близько 30% загального обсягу її подачі. Усе це призводить до вторинного забруднення води і підняття рівня ґрунтових вод у містах, підтоплення, руйнування підземних споруд і підвалів будинків. Щороку разом із втратами води марно втрачається понад 1,1 млрд кВт·год електроенергії, 7000 тонн рідкого хлору, понад 20тис. тонн коагулянту та інших ресурсів.
Сьогодні існує чимало проблем, що зводять нанівець зусилля розраховувачів і проектантів, завдають значних труднощів у водопостачанні міст. Наприклад, у Харкові відразу ж після будівництва магістральних водоводів діаметром 1200–1600 мм стало очевидним, що їхня пропускна спроможність не відповідає розрахунковим параметрам. Унаслідок цього Харків одержував води на 28–32% менше, ніж було передбачено, а через 5–7 років цей показник зріс до 45–52%. Слід зазначити, що проектанти використовували останні на той час дані про гідравлічні опори трубопроводів. Певно, основною причиною підвищення гідравлічних опорів на початку експлуатації водоводів щодо розрахункових були місцеві опори. Згодом почав проявлятися значний вплив макрошорсткостей внутрішніх поверхонь труб. Зазна-чені недоліки усувалися введенням нових додаткових водоводів і перекачувальних насосних станцій. Досі у процесі проектування водопостачання міст зростання гідравлічних опорів у трубопроводах з часом їх експлуатації не враховується.
Ці обставини викликали необхідність проведення довголітніх експериментальних досліджень гідравлічних опорів тих самих водоводів різних діаметрів у натурних умовах. Вони проводилися автором протягом майже сорока років. Результати цих робіт дали можливість запропонувати методи, які забезпечують велику точність розрахування магістральних водоводів і дозволяють визначати змінення їх стану з часом.
Одним із найважливіших і маловивчених питань у даний час залишається розрахунок водоспоживання міст, розташованих у різних природно-кліматичних умовах. Зазвичай передбачалось, що водоспоживання залежить лише від чисельності населення міста і потреби у воді підприємств. Насправді ж зазначені чинники є лише частиною значної кількості незалежних параметрів, що мають вирішальний вплив на водоспоживання міста. Серед них – температурний режим повітря в місті, радіаційний баланс і альбедо земної поверхні, вологість повітря, пружність водяної пари, середньорічна кількість опадів, ореол забруднення міста, площа забудови, висота розташування міста над рівнем моря та інше. Дослідження цих параметрів дає можливість оцінити їхній вплив на існуючий стан і розвиток водопостачання міст і країни в цілому, її економіки, прийняти рішення щодо планування запасів водних ресурсів та їх раціонального використання. Усе це набуває особливого значення в умовах початку глобального змінення клімату на Землі.
Упродовж багатьох років у містах країн СНД і України питанням АСУ технологічних процесів водопостачання не приділялося належної уваги. У містах, де діяла автоматизована система управління подачею і розподілом води, як правило, застосовувалося так зване одноконтурне автоматизоване управління насосними станціями. Проте, як показала практика, таке управління, поряд з іншими недоліками, призводить до зростання втрат води за позаштатних ситуацій. Тому пошук і дослідження альтернативних методів управління системою ПРВ є важливим завданням. Дослідження, розробка та впровадження моделі автоматичного двоконтурного управління дає можливість усунути недоліки одноконтурного управління.
Відсутність методик визначення причин ушкоджень у системах ПРВ знижує ефективність оперативного управління. Тому проведення експериментальних та статистичних досліджень дозволяє інтенсифікувати роботу систем ПРВ і внутрішньобудинкових мереж житлового фонду. Усе це підтверджує актуальність даної дисертаційної роботи.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає напряму роботи Науково-координаційної та експертної ради з питань ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій споруд і машин при Президії Національної Академії наук України. Її автор – член секції ради “Житлові комплекси та об'єкти комунального господарства”, а окремі частини дисертації, виконані відповідно до програми ради, увійшли в інформаційно-аналітичний огляд секції “Реальний технічний стан, залишковий ресурс і проблеми експлуатації існуючого фонду житлових комплексів і об'єктів комунального господарства України” за 2001 р.
Матеріали досліджень використовувалися при підготовці Постанови Кабінету Міністрів України №1844 від 20.12.2000 р., де ТВО “Харківкомун-промвод” визначено базовим підприємством для відпрацювання методів структурної перебудови і впровадження новітніх досягнень.
Окремі розділи дисертаційної роботи пов'язані з виконанням програми II.03.23.86 Міністерства житлово-комунального господарства УРСР “Розробити і створити систему автоматизації насосної станції, що працює на мережу зі змінним режимом водоспоживання, на базі мікропроцесорної техніки і регульованого електропривода”, а також з розробкою ТЕО розвитку водопостачання Харкова до 2015 р. і програмою підвищення надійності, ефективності і безпеки водопостачання населення Харкова, затвердженої рішенням ІХ сесії XXIII скликання Харківської міської Ради від 29.06.1999 р.
Дисертаційна робота відповідає напрямам основних наукових досліджень кафедри “Водопостачання, каналізація і гідравліка” Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури з проблеми “Інтенсифікація методів водопідготовки підприємств”, номер державної реєстрації 0101U001208.
Мета досліджень. Метою досліджень є розробка теоретично та експериментально обґрунтованих методів інтенсифікації роботи систем подачі і розподілу води, спрямованих на вирішення важливого народногосподарського завдання – підвищення ефективності водозабезпечення міст.
Відповідно до мети дисертації сформульовано такі задачі та напрями дослідження:
провести комплексне дослідження сталевих магістральних водоводів діаметром 1200–1600 мм, що не мають внутрішнього захисного покриття, з метою визначення зростання макрошорсткості і причин її утворення; на підставі натур-них досліджень здобути емпіричні залежності, що пов'язують коефіцієнт опору тертя з числом Рейнольдса і відносною шорсткістю, що змінюється в процесі експлуатації;
розробити методику розрахунку коефіцієнта гідравлічного опору, яка відображає реальну картину корозійних процесів з утворенням макрошорсткостей;
виконати аналіз вітчизняних і зарубіжних даних щодо водоспоживання міст, розташованих у різних природно-кліматичних умовах, систематизувати та оцінити стан водоспоживання в населених пунктах України та СНД, визначити чинники, від яких він залежить; побудувати функціональні залежності між питомим середньодобовим водоспоживанням і кожним із цих чинників;
розробити методику розрахунку питомого середньодобового водоспоживання, яка дозволяє оцінювати характер його змінення та активно впливати на прийняття раціональних управлінських рішень з урахуванням стратегічної вагомості населених пунктів;
з метою інтенсифікації роботи діючих систем ПРВ провести дослідження, розробити і впровадити метод двоконтурного автоматичного управ-ління насосними станціями, який відзначається простотою, забезпечує стабілізацію напорів у диктуючій точці і дає змогу виявляти аварії та інші позаштатні ситуації;
розробити методику визначення інтенсивності відмов у водомережі, яка дозволяє адресно виявляти ділянки мережі, де необхідна заміна труб або їх санація;
створити нормативно-технологічну базу для реалізації задач інтенсифікації роботи систем подачі і розподілу води. Для цього передбачити розробку і випуск нормативно-довідкової документації, апробувавши її на певних об'єктах міст України, підготувати посібники і впровадити їх у проектних організаціях і в навчальний процес вищих навчальних закладів.
Об'єкт дослідження – системи водозабезпечення міст.
Предмет дослідження – системи подачі та розподілу води, водоспоживання міст.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводили з використанням математичного апарата вищої алгебри, математичного програмування, теорії ймовірностей і математичної статистики, теорії графів, методів кореляційного і регресійного аналізу, включаючи нелінійне багатофакторне моделювання. Експериментальні дослідження виконували в натурних умовах з використанням мікропроцесорних пристроїв збирання, накопичення і передачі інформації, з'єднаних з контролером КОМКОН-мікро за допомогою інтерфейсу, ультразвукових накладних витратомірів UFM р, тензорезисторних датчиків тиску ДТ, зразкових і самописних манометрів МТС-712 Ч, тахометрів, товщиномірів УТ-93П, контактних вимірників товщини макрошорсткості ІТМ-1, фотопрофілографів, радіостанції АКВА-Р (з частотою в діапазоні УКХ) та ін.
Наукова новизна здобутих результатів полягає в наступному.
Розроблено методику розрахунку коефіцієнта гідравлічного опору трубопроводів, яка враховує змінювання макрошорсткості у процесі тривалої експлуатації.
Визначено та досліджено чинники, що впливають на питоме середньодобове водоспоживання – температурний режим повітря в містах, радіаційний баланс, альбедо земної поверхні, вологість повітря, пружність водяної пари, ореол забруднення міста, чисельність населення, площу забудови міста та ін.
Розроблено методику розрахунку питомого середньодобового водоспоживання міст з урахуванням їх розташування в різних природно-кліма-тич-них умовах та забруднення від промислових викидів в атмосферу.
Науково обґрунтовано й розроблено метод двоконтурного автоматичного управління насосною станцією в системі подачі і розподілу води. Розроблено і реалізовано алгоритм, використання якого дає можливість проводити розрахунок потокорозподілу, що ґрунтується на вимірюваннях п'єзометричних напорів діючої системи ПРВ, і в автоматичному режимі виявляти аварію та її місце.
Запропоновано метод визначення диктуючої точки в діючій системі ПРВ. Сформульовано критерій якості та ефективності функціонування системи ПРВ у позаштатних ситуаціях.
Розроблено метод оцінки відмови елементів водомережі, який враховує зниження міцності труб за тривалої експлуатації, сезонні коливання температури води в трубах і зовнішнього повітря. Розроблено алгоритм вибору технічно зношених ділянок мереж для їх реновації.
Запропоновано метод експертної оцінки стану санітарно-технічного обладнання житлового фонду і витоків води у містах.
Здобуто та теоретично узагальнено результати експериментальних досліджень, що проводились в натурних умовах на діючих спорудах водопостачання за їх тривалої експлуатації.
Зазначені результати покладено в основу розробки і впровадження в практику нових методів інтенсифікації роботи систем водозабезпечення.
Практична значущість здобутих результатів. Методика розрахунку коефіцієнта гідравлічного опору впроваджена в процесі розрахунку і розробки гідравлічної схеми транспортування води по водоводах Кочеток–Харків у зоні Роганської насосної станції перекачування.
Методика розрахунку питомого середньодобового водоспоживання використовується у проектуванні систем водозабезпечення в проектних інститутах міст України. Вона була використана також при затвердженні цільової комплексної програми “Економія і раціональне використання водних ресурсів у Москві і підвищення надійності її водозабезпечення на період до 2000 року” згідно із розпорядженням Ради Міністрів СРСР № 1405-р від 19.06.1987 р.
При розробці схеми управління режимами роботи насосної станції № А (Харків) було використано метод управління процесом подачі і розподілу води на основі одно- і двоконтурних систем управління.
Практичне застосування розробленої методики прогнозування відмов водомережі дало значний економічний ефект та суттєво підвищило надійність водопостачання.
Впровадження АСУ ТП водопостачання міст дозволило скоротити витрати електроенергії на 7–10%; зменшити витоки і непродуктивні втрати води на 10–12% завдяки зниженню надлишкових напорів; знизити кількість ушкоджень на водомережі на 5–7%; унаслідок цього здобуто економію реагентів, паливно-мастильних матеріалів, скорочено витрати на усунення ушкоджень водомережі.
Розроблені автором моделі управління насосними станціями використано при складанні програм, що застосовуються СПКБ АСУ водопостачанням міст України.
Результати дисертації впроваджено в навчальний процес Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури і Харківської державної академії міського господарства, у тому числі в навчальному курсі “Організація, управління міським господарством, включаючи АСУ”, використано у розробці “Методичних рекомендацій з визначення економічної ефективності автоматизованих систем управління технологічними процесами водопостачання міст”, затверджених Міністерством житлово-комунального господарства УРСР, 1982 р.; включено в “Тимчасову методику розрахунку питомих норм витрати електроенергії на підйом і подачу води, очищення і перекачування стічних вод для водопровідних і каналізаційних господарств УРСР”, затверджену Міністерством житлово-комунального господарства УРСР у 1983 р., а також у “Правила користування системами комунального водопостачання і водовідведення в містах і селищах України”, затверджені Держжитлокомунгоспом України, 1994 р.
Особистий внесок автора. Проведено багаторічні теоретичні та експериментальні дослідження на магістральних водоводах і водорозподільчих мережах, результати яких лягли в основу запропонованої автором методики, що дозволяє прогнозувати змінення опорів у трубопроводах під час їх тривалої експлуатації.
Встановлено та досліджено чинники, що впливають на величину середньодобового питомого водоспоживання. Розроблено метод визначення водоспоживання міст.
Розроблено і впроваджено цикл нових науково-технічних рішень, що дозволили інтенсифікувати водопостачання міст і здійснити комплексну економію водних, енергетичних і матеріальних ресурсів (автор був науковим керівником робіт зі створення у Харкові першої в колишньому СРСР АСУ ТП водопостачання). Ці рішення дістали розповсюдження в інших містах, за їх розробку і впровадження авторів відзначено Державною премією України в галузі науки і техніки за 1979 р.
Автором розроблено і досліджено метод двоконтурного автоматичного управління системою ПРВ.
Розроблено і впроваджено в практику методику виявлення аварій, засновану на використанні принципу двоконтурного автоматичного управління. Запропоновано метод визначення диктуючої точки.
Сформульовано критерій якості та ефективності функціонування системи ПРВ у позаштатних ситуаціях. Запропоновано метод оцінки відмов елементів водомережі.
Запропоновано метод оцінки стану санітарно-технічного обладнання житлового фонду і витоків води в містах.
Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 9 республіканських науково-виробничих конференціях і нарадах, на 17 міжнародних семінарах і нарадах і науково-технічних конференціях, у тому числі на науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури, що відбулися у 1983, 1985, 1986, 1990, 1991, 2001 роках, на республіканській нараді “Про підвищення ефективності роботи водопровідно-каналіза-ційних господарств міст республіки за рахунок впровадження систем автоматизації та телемеханізації і поліпшення побутових умов” (Дніпропетровськ, червень 1985); республіканській науково-технічній конференції “Шляхи підвищення ефективності використання основних фондів у житлово-комунальному господарстві республіки” (Донецьк, 1985); на Всесоюзному науково-технічному семінарі “Раціональне використання води і паливно-енергетичних ресурсів у комунальному водному господарстві” (Алма-Ата, 1985); науково-технічному семінарі “Перспективи розвитку водопостачання і каналізації” (Тбілісі, 1985); всесоюзній науково-технічній конференції “Автоматизовані системи управління водопостачанням” (Харків, 1986); науково-технічному семінарі “Досвід застосування засобів автоматичного контролю і управління на підприємствах водного господарства” (Москва, 1986); науково-технічному союзі Болгарії (Софія, 1987); республіканській нараді начальників і головних інженерів ПУВКГ міст України “Підвищення ефективності роботи водопровідно-каналізаційних господарств міст республіки за рахунок впровадження систем автоматизації і телемеханізації” (Дніпропетровськ, 1987); XXIX Всесоюзній гідрохімічній нараді (Ростов-на-Дону, жовтень 1987); науково-технічній нараді “Проблеми нормування водокористування в житлово-комунальному господарстві країн” (Каунас, червень 1987); Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми і перспективи ресурсозбереження в житлово-комунальному господарстві” (Харків, 1995); ІІІ Міжнародній виставці-семінарі “Чиста вода Уралу-96” (Єкатеринбург, 1996); 12-му Міжнародному колоквіумі (Ільменау, Німеччина, 1997); Міжнародній науково-практичній конференції “Актуальні проблеми водопостачання і водовідведення” (Одеса, 1999); науково-практичній конференції “Сучасні технології та устаткування для інтенсифікації роботи систем водопостачання і водовідведення України” (Київ, 1999); науково-практичній конференції “Проблеми і шляхи енергозбереження в будівельній індустрії і житлово-комунальному господарстві” (Київ, 2000); ІІІ і IV Міжнародних конгресах “Вода, екологія і технологія” (Москва, 1998, 2000); Університетських читаннях, присвячених 70-річчю Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури, “Будівництво та архітектура – погляд у XXI сторіччя” (Харків, 2000); Міжнародних конгресах “Екологія, технологія, економіка водопроводу і каналізації” (Ялта, 1997, 1999, 2001).
З участю автора розроблено навчальний посібник “Інформаційно-аналітичні системи управління інженерними мережами життєзабезпечення населення” [5], концепцію застосування геоінформаційних систем для управління роботою підприємств ВКГ, пов’язаною з подачею та розподілом води [7], методику розрахунку водоспоживання міст на основі багатофакторної моделі, що залежить від природно-кліматичних, містобудівних та інших умов.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 74 праці, з них: 7 монографій, у тому числі 4 без співавторів; 5 авторських свідоцтв СРСР на винаходи, з них 1 – без співавторів; 14 патентів України на винаходи; 1 патент України на корисну модель; 32 статті, з них 19 – без співавторів; 15 тез доповідей на міжнародних конгресах, конференціях, семінарах, колоквіумах і нарадах, з них 9 – без співавторів.
Обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел і 3 додатків. Вона викладена на 473 сторінках і містить 320 сторінок основного тексту, 180 рисунків, 64 таблиці, додатки на 53 сторінках і список використаних джерел із 360 найменувань.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовуються актуальність теми, її наукова новизна і практична значущість здобутих результатів, сформульовано мету та основні завдання досліджень, показано зв'язок з науковими програмами і планами.
У першому розділі дисертації наведено аналіз стану проблеми водопостачання міст.
Показано, що існуюча практика розвитку водопостачання населених міст, пов'язана з покриттям дефіциту води, як правило, ґрунтується на освоєнні і введенні в експлуатацію нових потужностей. Це вимагає додаткових фінансових, матеріальних та інших витрат, матеріалізації праці багатьох галузей, що беруть участь у розвитку водопостачання міст.
Останнім часом у нашій країні та за кордоном проводяться роботи, спрямовані на підвищення надійності та ефективності функціонування систем водопостачання. Цьому передували дослідження, проведені вітчизняними та зарубіжними вченими і фахівцями: М.М. Абрамовим, Л.Ф. Мошніним, Ф.О. Шевелєвим, І.С. Егільським, О.М. Грабовським, О.О. Бєланом, П.Д. Хоружим, В.О. Терновцевим, Б.С. Лєзновим, С.В. Храменковим, Сусімой Кавамурой, Г. Ханом, Робертом Дж. Хебергом, Ларрі В. Майсом та іншими. Низку досліджень було виконано також вченими НДІ ВОДГЕО (Москва), Академії комунального господарства ім. Памфілова (Москва) та інших науково-дослідних та навчальних інститутів.
Відзначено, що в процесі проектування систем водопостачання не враховувалося збільшення гідравлічного опору в магістральних водоводах з бігом часу експлуатації. Показано, що проектування ґрунтується на підборі економічного діаметра труб водоводу, питомої витрати електроенергії на 1 м3 поданої води тощо, виходячи з умов, заданих для пуску цих водоводів без обґрунтованого врахування їх змінення під час експлуатації. Після введення до ладу побудованих магістральних водоводів часто виявляється, що їхня справжня пропускна спроможність набагато менша за проектну.
Розглянуто роботи, у яких запропоновано різні формули визначення гідравлічних опорів у трубопроводах. Відзначено, що, незважаючи на їх розмаїтість, усі вони не враховують динаміку зростання гідравлічних опорів металевих трубопроводів із бігом часу експлуатації, пов'язаного з утворенням макрошорсткості на внутрішній поверхні , де Re – число Рейнольдса; – відносна шорсткість; ??– осереднена макрошорсткість; d – внутрішній діаметр труби; Т – час експлуатації.
Дається короткий опис методу розрахунку потокорозподілу, що розроблявся автором разом із професорами А.Г. Євдокимовим і А.Д. Тевяшевим, починаючи з 1972 р. Показано, що існуючі моделі управління системами ПРВ складні, виникає необхідність у постійній теоретичній оцінці адекватності параметрів режимів роботи діючої системи ПРВ, що на практиці за величезної кількості вимірів і обробки великого обсягу інформації здійснити неможливо. Більше того, це призводить до різкого ускладнення і подорожчання системи управління. Сильний взаємний вплив роботи діючих в містах насосних станцій на загальну систему ПРВ не дозволяє реально оцінити оптимізаційні умови її функціонування. Показано необхідність розробки та реалізації спрощеного та ефективнішого методу управління ПРВ.
Розглянуто проблеми водоспоживання в містах при глобальному зміненні клімату на Землі. Відзначено, що розрахунок водоспоживання, зважаючи на природно-кліматичні та інші умови міста, є надзвичайно актуальним. Необхідним є пошук шляхів розв’язання задач із розрахунку водоспоживання для оцінки існуючого стану і розвитку водопостачання міст у майбутньому, що дає можливість завчасно оцінити водоспоживання в умовах глобального змінення клімату на Землі в XXI столітті.
На підставі аналізу роботи систем ПРВ показано причини їх незадовільного управління, розглянуто низку робіт з управління та оптимізації систем ПРВ, зазначено їх переваги і вади. Відзначено, що нині для управління насосними агрегатами і процесами ПРВ використовується лише одноконтурна система. При цьому всі системи управління ґрунтуються на стабілізації одного параметра – тиску в диктуючій точці мережі. Такі системи задовільно працюють у нормальних умовах, але у разі виникнення екстремальних ситуацій у водогінній мережі вони неефективні, призводять до додаткових витрат водних, енергетичних та інших ресурсів.
Розглянуто застосування АСУ в системах водопостачання. Проаналізовано схеми АСУ водопостачання, що вже існують у містах України і країн СНД. Показано, що практично всі діючі АСУ ТП працюють в інформаційному режимі і лише деякі з них використовують режим телеуправління і регульовані приводи на насосних станціях системи ПРВ.
У цьому розділі сформульовано мету, завдання роботи і напрямки досліджень з інтенсифікації роботи систем водозабезпечення.
У другому розділі науково обґрунтовано техніку та методику експериментальних досліджень магістральних водоводів і міських мереж, статистичного аналізу здобутих експериментальних даних та адекватного опису емпіричними залежностями. Коротко описано методи вирішення поставлених завдань експериментальних та натурних досліджень і дано їх порівняльні оцінки.
У третьому розділі наводяться результати експериментального дослідження коефіцієнтів гідравлічного опору водоводів діаметрами 1200, 1400 і 1600 мм, що проводилися упродовж 37 років їх експлуатації. У роботі представлено фотопрофілограми та інші фотографії внутрішніх поверхонь труб. Вони свідчать про те, що характер макрошорсткості не має нічого спільного зі станом звичайних поверхонь тертя, обумовлених корозією і технологією виготовлення. На рис. , за даними натурних обстежень, показано кілька прикладів таких поверхонь, походження яких пояснюється біохімічною та хімічною корозією, гідробіологічним і сольовим складом води, багатьма іншими процесами.
а б в
Рис. 2. Макрошорсткість внутрішньої поверхні сталевих водоводів
із різною тривалістю експлуатації:
а – 3 роки (d=1200 мм); б – 37 років (d=1200 мм); в – 34 роки (d=1400 мм)
Вивчення цих процесів та їхнього впливу на змінення макрогеометрії внутрішньої поверхні водоводів є надзвичайно складним і могло б дати лише якісні оцінки. Тому була збережена двофакторна модель опису коефіцієнта гідравлічного опору труб з введенням в неї часового зв'язку. Статистична обробка результатів численних дослідів, проведених на тих самих трубах, показала високі значення коефіцієнта множинної кореляції і низькі значення стандартних помилок, поза залежністю від походження макрошорсткості, різноманітності процесів, що їх обумовлюють, форм і складів. Здобуті при цьому емпіричні формули мали коефіцієнт множинної кореляції не нижчий від 0,906, а стандартну помилку – не вищу за 0,0019. У процесі побудови емпіричних формул, що зв'язують гідравлічний ухил із середньою швидкістю потоку, коефіцієнт кореляції складав 0,993?0,999, а стандартна помилка – 0,000053?0,000855.
Спочатку будувалися парні зв'язки між безрозмірною висотою макрошорсткостей і часом їх зростання у водоводах діаметрами 1200, 1400 і 1600 мм, а згодом було побудовано загальну регресійну модель = f(T) для водоводів зазначених діаметрів. На рис. 3 наведено приклад загальної залежності та довірчий інтервал, а в табл. 1 – види декількох апроксимуючих функцій, коефіцієнти регресії і статистичні оцінки. Для розрахункових формул вибирали залежності, що характеризуються мінімальними значеннями стандартних помилок та максимальними значеннями коефіцієнтів кореляції.
Рис. 3. Змінення величини відносної макрошорсткості
для водоводів діаметром 1200–1600 мм:
1 – d=1200 (експлуатація 37 років); 2 – d=1400 (експлуатація 35 років); 3 – d=1400 (експлуатація 16 років); 4 – d=1600 (експлуатація 33 роки); 1, 2, 4 – джерело води – Сіверський Донець;
3 – джерело води – Дніпро
Таблиця 1
Характеристики регресійної залежності ? = f(T)
Характе-ристика | Модель
1. ? =a+bT | 2. ? =aT/(T+b) | 3. ?=aТn | 4. ? =a+bТ+cТ2 | 5.? ? =a+blnT
Коефіцієнти регресії | a=0,006077
b=0,000027 | a=0,016147
b=42,51 | a=0,002346
n=0,3186 | a=0,003891
b=–0,000078
c=–1,310-7 | a=–0,000356
b=0,00224
Стандартна помилка, | 0,002942 | 0,001923 | 0,002136 | 0,002336 | 0,002492
Коефіцієнт кореляції, R | 0,762 | 0,906 | 0,882 | 0,858 | 0,837
Для побудови моделі на основі попереднього аналізу з багатьох розглянутих була обрана нелінійна функція (модель 2), що має вигляд
, (1)
де Т – термін експлуатації водоводу, міс.; a, b – коефіцієнти регресії.
Оптимальні значення статистичних оцінок (табл. ) відтворювала функція
. (2)
У роботі наведено інші парні зв'язки: між коефіцієнтом гідравлічного опору і числом Рейнольдса (у його традиційному визначенні для труб), між і безрозмірною висотою , а також таблиці змінення з часом хімічного складу інкрустацій і питної води.
Далі будували двофакторні емпіричні залежності для кожного магістрального водоводу діаметром 1200, 1400 і 1600 мм, оскільки такі водоводи широко застосовуються у водопостачанні. Тут наведено узагальнені емпіричні залежності, побудовані з використанням результатів досліджень цих водоводів.
Методом регресійного аналізу виконували пошук загальної регресійної моделі з нелінійністю по факторах Re і того ж вигляду, що й у регресійних моделях для кожного окремо взятого водовода. Здобуто емпіричний зв'язок вигляду
, (3)
де a1, b1, a2 і b2 – коефіцієнти регресії; a1= 0,055; b1 = 46500; a2 = –1,035; b2 = 71,99.
Точність обраної регресійної моделі характеризується коефіцієнтом кореляції R=0,983 і стандартною помилкою регресії = 0,015 (рис. 4).
Таким чином, досить точна оцінка гідравлічного опору для водоводів з різним діаметром труб і з різною якістю води, що транспортується, може бути виконана за єдиною узагальненою формулою
. (4)
Рис. 4. Двофакторна регресійна залежність
з довірчим інтервалом регресії P= 95% для водоводів діаметром 1200–1600 мм
Числа Рейнольдса змінювалися в діапазоні 40000Re3000000. На рис. 5, де відбито здобуті результати, для порівняння наведено криву = f(Re), побудовану з використанням емпіричної формули Ф.О. Шеве-лєва. Узагальнення результатів проведених досліджень дало змогу розробити методику розрахунку коефіцієнтів гідравлічного опору водоводів з бігом часу їх експлуатації.
Рис. 5. Порівняння фактичних значень залежності
для водоводів діаметром 1200–1600 мм:
1 – d=1200 (період експлуатації 37 років при 2 – d=1400 (експлуатація 16 років при 3 – d=1400 (експлуатація 35 років при 4 – d=1200 (початок експлуатації при 5 – d=1600 (експлуатація 33 роки при 6 – d=1400 (початок експлуатації при 7 – d=1400 (початок експлуатації при
8 – d=1600 (початок експлуатації при 9 – за Ф. О. Шевелєвим;
1, 3 – 6, 8 – джерело води – Сіверський Донець; 2, 7 – джерело води – Дніпро
У четвертому розділі розглянуто метод розрахунку водоспоживання міст. Звичайно проектні організації, виконуючи цю роботу, беруть за визначальну величину чисельність населення і потребу у воді підприємств. Такий підхід виявився зовсім недостатнім.
З'ясувалося, що не менш суттєвими чинниками, які суттєво впливають на водоспоживання, є, крім двох загальноприйнятих, температура повітря , річна сонячна радіація S, відносна вологість FI, геодезична висота розташування міст над рівнем моря H, середньорічна кількість опадів HM, загальна житлова площа на одного мешканця міста F1, середньорічне альбедо A, річна пружність водяної пари у місті E, ореол забруднення міста O, географічна широта розташування міста SH, географічна дов-гота розташування міста DO, сума середньодобових температур повітря в містах вище 0 °C – T, тривалість періоду зі середньодобовою температурою ? ° – DM, чисельність населення міста N та ін. (рис. 6).
Рис. 6. Модель обліку містобудівних і природно-кліматичних умов
для досліджень водоспоживання
Спочатку будувалися парні залежності. Деякі з них мали досить низькі коефіцієнти кореляції, проте це не свідчило про неточність вимірювань. Такі низькі коефіцієнти кореляції дозволяли при--пустити, що, крім розглядуваного параметра, на питоме середньодобове водоспоживання впливають також інші незалежні параметри. Коефіцієнт множинної кореляції для такого багатофакторного зв'язку, як виявилося, дорівнював 0,919.
На рис. 7 відображено залежність між середньорічною термодинамічною температурою повітря в місті та його питомим середньодобовим водоспоживанням. Цифрами позначено номери міст, наприклад: 2 – Ташкент, 36 – Харків, 72 – Якутськ.
Парна залежність q=f(), коефіцієнт кореляції якої складає 0,69, має вигляд
, м3/доб, (5)
де – температура за шкалою Кельвіна.
В (5) і далі числові коефіцієнти в залежностях для водоспоживання приведені відповідно до розмірностей аргументів.
Рис. 7. Кореляційна залежність між питомим середньодобовим водоспоживанням
та середньорічною температурою
Про тісний кореляційний зв'язок між питомим середньодобовим водоспоживанням і температурою свідчать здобуті залежності (6) і (7) для січня і липня
, (6)
, м3/доб. (7)
Залежність питомого середньодобового водоспоживання від другого чинника – величини річної сонячної радіації (рис. 8) має вигляд
, м3/доб, (8)
де S – річна сума сонячної радіації в містах, ккал/см2.
Рис. . Кореляційна залежність між питомим середньодобовим водоспоживанням
та річною сумою сонячної радіації
Залежності для січня і липня
, м3/доб, (9)
, м3/доб. (10)
Залежність питомого середньодобового водоспоживання від середньорічного альбедо (рис. 9) має вигляд
м3/доб, (11)
де А – величина середньорічного альбедо, %.
Рис. 9. Кореляційна залежність між питомим середньодобовим водоспоживанням
та середньорічним альбедо
Змінення пружності водяної пари, як і відносної вологості, суттєво залежить від змінення температури. Тому коефіцієнти кореляції парних залежностей зменшуються і складають 0,42 та 0,48 (рис. 10 та 11).
Рис. . Кореляційна залежність між питомим середньодобовим водоспоживанням
та середньорічною пружністю водяної пари
Рис. 11. Кореляційна залежність між питомим середньодобовим водоспоживанням
та середньорічною відносною вологістю
Одним із важливих параметрів, що впливають на водоспоживання, є атмосферні опади. На рис. 12 з коефіцієнтом кореляції, що дорівнює 0,31, показано залежність
, м3/доб, (12)
де НМ – середньорічна кількість опадів, мм.
Рис. 12. Кореляційна залежність між питомим середньодобовим водоспоживанням
та середньорічною кількістю опадів
Коефіцієнт кореляції зростає до 0,45, коли розглядається залежність водоспоживання від параметра, що характеризується відношенням середньорічної кількості опадів, які випали на всій площі забудови міста, до загальної житлової його площі (рис. 13).
Парний зв'язок між питомим середньодобовим водоспоживанням і параметром , де F2 – площа міста за ретроспективний 1984 рік, км2; F1 – забезпеченість загальною житловою площею на одного мешканця міста за той самий рік, м2; N – чисельність населення, має вигляд
м3/доб. (13)
У подальшому позначатимемо величину, що обчислюється за формулою (13), QW.
Рис. . Кореляційна залежність між питомим середньодобовим водоспоживанням
та відношенням обсягу середньорічного водозбору опадів, що випали на всій площі забудови міста, до загальної житлової площі міста
У роботі наводяться результати спостережень ореолів забруднення, зроблених зі штучного супутника Землі “Метеор”. Залежність між питомим середньодобовим водоспоживанням та розмірами міського ореола забруднення описується рівнянням
, м3/доб, (14)
де O – ореол забруднення міста, км2.
Ця залежність має коефіцієнт кореляції, що дорівнює 0,1. Як показали дослідження, на величину ореола забруднення впливають чисельність населення, щільність забудови міст та інші параметри. Усе це враховується багатокритеріальною залежністю, здобутою в даній роботі.
Залежність питомого середньодобового водоспоживання від висоти розташування міста над рівнем моря визначається формулою
(15)
де Н – висота розташування міста над рівнем моря, м, із коефіцієнтом кореляції R=0,41.
Залежність питомого середньодобового водоспоживання від чисельності населення (єдиний, по суті, параметр, що звичайно враховується в розрахунках) має вигляд
(16)
де N – чисельність населення міста, млн людей.
Значення q відповідно залежності (16) позначимо як P1. Коефіцієнт кореляції цієї парної залежності становить –0,3. Як бачимо, він не вищий від інших, що свідчить про недостатність загальноприйнятих розрахунків.
У роботі наведено також парні залежності питомого середньодобового водоспоживання і від інших параметрів.
Багатокритеріальний зв'язок питомого середньодобового водоспоживання (за рік), м3/доб на людину в місті, з усіма параметрами має вигляд
(17)
де 7 – середньомісячна температура повітря в місті за липень (шкала Кельвіна);
(тут P1 виражається формулою (16),
(тут T – суми середньодобових температур повітря в містах вищі за 0 °С, °С; 3165 – те ж саме для базового міста);
H – геодезична висота розташування міста над рівнем моря, м;
(тут E1 – модуль пружності водяної пари за січень, E7 – те саме за липень);
QW – визначається виразом (13);
A – середнє за рік альбедо міста , %;
S7 – суми радіації в місті за липень, ккал/см2;
FI – відносна вологість повітря в місті, %;
(тут );
О – ореол антропогенного забруднення міста, км2;
(тут SH – широта, град);
g – прискорення вільного падіння, м/с2.
Здобутий багатокритеріальний зв'язок характеризується коефіцієнтом множинної кореляції, що дорівнює 0,919. Проведено зіставлення фактичних значень питомого середньодобового водоспоживання qф і розрахункових значень qр, здобутих згідно з рівнянням множинної регресії (17) з довірчим інтервалом 95% (рис. 14). Цифри при точках означають промислові центри країн СНД.
Рис. 14. Регресійна залежність фактичного і розрахункового
питомого середньодобового водоспоживання промислових центрів
Незначна ширина довірчого інтервалу свідчить про можливість практичного використання пропонованої моделі для прогнозу водоспоживання міст СНД з урахуванням природно-кліма-тичних умов. Приклад змінення питомого середньодобового водоспоживання населеного пункту у випадку змінення клімату дано в табл. .
Таблиця 2
Загальне питоме водоспоживання Харкова і смт. Кочетка
у кліматичних умовах Ташкента і Якутська, м3/доб/люд.
Населений пункт | Фактичне
водоспо-живання,
qф | Розрахункове водоспо-живання,
qр | В умовах
Ташкента | В умовах
Якутська
qр | Зростання водоспоживання,
q | qр | Зменшення водоспоживання,
q
Харків | 0,560 | 0,581 | 0,838 | +0,257 | 0,500– | 0,081
Кочеток | 0,341 | 0,334 | 0,572 | +0,238 | 0,207– | 0,127
З табл. 2 видно, що питоме водоспоживання Харкова в природно-кліматичних умовах Ташкента зростає на 44%, а в умовах клімату Якутська знижується на 14%.
Розроблений метод розрахунку водоспоживання набуває особливого значення в умовах початку глобального змінення клімату на Землі, оскільки на основі цього методу можна оцінити різні варіанти змінення загального питомого середньодобового водоспоживання в містах і виконати експертну оцінку раціонального використання водних ресурсів у місті з урахуванням будь-яких втрат і неврахованих витрат води, а також витрати води служб експлуатації на власні потреби.
П'ятий розділ присвячено дослідженню та розробці методу двоконтурного управління системою ПРВ із застосуванням частотного регулювання насосними станціями. Сутність методу:
шляхом експериментальних досліджень виявляються основні гідродинамічні параметри – потокорозподіл у діючій системі ПРВ і стан п'єзометрії, а за допомогою розрахунків визначається еквівалентний гідравлічний опір системи;
використовуючи здобуті значення параметрів, визначають місце диктуючої точки для оперативного управління;
шляхом систематичного вимірювання зазначених гідродинамічних параметрів за емпіричними формулами для визначення гідравлічних опорів знаходять опір окремих гілок та еквівалентний опір;
система оперативного управління забезпечує стабілізацію тиску в диктуючій точці з використанням здобутих чисельних результатів;
в умовах стабілізації тиску в диктуючій точці (одноконтурна система управління), з урахуванням змінення режиму роботи насосної станції, виявляють розподіл потоків у водомережі, а також ушкодження (другий контур управління системою) для оперативного прийняття рішення диспетчером.
Зазначені теоретичні положення були експериментально підтверджені на діючій насосній стан-ції № А Харкова і розгалуженій водосистемі Олексіївського масиву, Павлова поля і нагірної частини міста.
Рис. 15. Характеристики режимів спільної роботи системи ПРВ від насосної станції № А
за годинами доби і динаміка зміни ККД насосної станції. ККД= f(QH, HL, hL+M):
1 – тиск на насосній станції (шкала 0–80); 2 – ККД насосної станції (шкала 0–80);
3 – витрати води на насосній станції (шкала 0–8000); 4 – тиск у диктуючій точці КТ №1
(шкала 0–80); 5 – опір мережі (шкала 0–20); 6 – втрата напору (шкала 0–80)
Діаграма, зображена на рис. 15, є наочною ілюстрацією якості роботи двоконтурної автоматичної системи управління. Напір у диктуючій точці зберігається незмінним до моменту, коли було включено імітацію аварійного режиму (15 год. 30 хв.). З цього часу негайно почалося зростання витрат води. Система автоматики, що реагує на
