|
|
Широкое применение ЭВМ в области
гидравлических и технико-экономических расчетов систем подачи и распределения
воды (СПРВ) является одной из составных частей научно-технической революции в
данной области. Использование ЭВМ для решения задач расчета СПРВ практически
совпало с первыми шагами применения ЭВМ в народном хозяйстве несколько
десятилетий назад. В своем развитии ЭВМ прошли ряд этапов, каждый из которых
создавал новые возможности для их пользователей. Поэтому одновременно с
вычислительной техникой развивались и продолжают развиваться методы создания
программ для их эксплуатации. Программы последующих поколений, как правило,
не повторяют автоматически старые программы. При их разработке учитываются и
используются возможности, представляемые новыми машинами. Эти программы более
удобны в эксплуатации, позволяют учесть при расчете большее число факторов,
решать задачи большей размерности, требуют меньше машинного времени по сравнению
с программами предыдущего поколения.
Применение ЭВМ позволяет не только ускорить решение задач
по расчету СПРВ, отличавшееся при ручном счете чрезвычайной трудоемкостью, но
и решать принципиально новые задачи, сама постановка которых была невозможна
до их появления. Так, если гидравлическая увязка несложных сетей еще возможна
с помощью ручного счета, то проведение многовариантных расчетов при различных
режимах водопотребления, учитывающих совместную работу различных
водопитателей и сетей, сравнение различных вариантов СПРВ по
технико-экономическим данным и т. п., как правило, в реальной практике
невозможно без привлечения ЭВМ.
Реализация решения задач расчета СПРВ на ЭВМ
осуществляется на нескольких этапах: инженерная постановка задач, создание
математической модели, выбор численных методов, программирование задачи,
отладка программ, проведение расчетов и анализ результатов.
Исходя из рассмотренных задач гидравлического и
технико-экономического расчета водопроводных сетей, можно выделить две
принципиальные группы:
1) гидравлические расчеты, предусматривающие
отыскание истинных расходов воды по линиям сети, потерь напора в них, напоров
в узлах и условий работы водопитателей;
2) технико-экономические расчеты по отысканию
диаметров линий сети, отвечающих минимуму приведенных затрат.
Для возможности решения различных задач первой группы
необходимо знать топологию сеги, узловые отборы, характеристики водопитателей
и нефиксированных отборов, диаметры труб линий сети, гидравлические
зависимости потерь напора в них, требуемые пьезометрические отметки в узлах и
т. д.
При решении задач второй группы дополнительно требуется
ряд экономических параметров, характеризующих условия строительства и
эксплуатации системы.
Математическая модель задач первой группы базируется на системе
линейных и нелинейных уравнений, отражающих I и II законы Кирхгофа для узлов
и контуров сети.
Для задач второй группы математическая модель основывается
на функции приведенных затрат, в которой переменные расходы, а следовательно,
и зависящие от них потери напора удовлетворяют I и II законам Кирхгофа.
Для перехода от аналитического выражения решения к
конкретным числовым результатам необходимы численные методы решения задач.
Расчеты на ЭВМ, как правило, производятся достаточно простыми методами, легко
поддающимися программированию. Следует отметить, что универсальных методов,
позволяющих решать любые задачи, не существует. Поэтому для каждой конкретной
задачи выбирают тот, который в данном случае дает лучшую сходимость и
достаточно прост в реализации. В большинстве программ расчета СПРВ, находящих
применение в практике проектирования, используют метод Лобачева — Кросса и
его модификации. Подробно о численных методах решения задач СПРВ можно
познакомиться в литературе, посвященной их расчету.
Алгоритмы решения рассмотренных выше задач для современных
машин составляются на алгоритмических языках ФОРТРАН, ПЛ-1, Бейсик, наиболее
распространенных при решении инженерных задач. Наличие трансляторов позволяет
переводить программу, составленную на одном из этих языков, на язык машины. В
связи с этим по программе, составленной на алгоритмическом языке, можно
решать задачи на любой машине, имеющей транслятор с этого языка.
Важным вопросом, возникающим при решении задач расчета
СПРВ, является вопрос о наиболее удобном способе задания информации о
конфигурации сети. Одним из универсальных способов заданий такой информации
является матрица соединений и ее модификации.
Наиболее удобным и компактным способом задания информации
о рассчитываемой системе, нашедшим широкое применение, является метод
построения «дерева» сети. При этом способе в кольцевой сети, оставляя все ее
узлы, исключают некоторые участки таким образом, чтобы превратить сеть в
разветвленную. Построение дерева позволяет задавать в компактном виде
информацию для ЭВМ о конфигурации сети и определять значения начальных
расходов в ней, удовлетворяющие I закону Кирхгофа, по известным узловым
отборам и подаче воды водопитателями. В современных программах подготовка
исходных данных не требует от их пользователей знаний принципов работы ЭВМ и
особенностей машинного счета. Это исключает необходимость владеть правилами
построения дерева сети и задания информации о нем.
Длительное использование ЭВМ для расчета систем подачи и
распределения воды привело к созданию большого числа программ, различных по
совершенству и области применения.
Если первые программы ставили своей целью механизировать
увязку колец, то современные комплексные программы позволяют проводить
.предварительное распределение расходов воды по участкам, назначать диаметры
линий сети по экономическому принципу, определять пьезометрические отметки в
узлах сети и выявлять диктующие точки; выбирать параметры питающих и
регулирующих насосных станций; определять режим дросселирования при перепуске
воды из верхней зоны в нижнюю; определять значения отборов, зависящие от
давления, режим сработки пополнения регулирующих емкостей; изменять схемы и
диаметры тех или иных участков; проводить серии расчетов по заданному графику
водопотребления и т. п. Разработанные программы позволяют вести счет как в
автоматическом, так и диалоговом режиме. Они используются для целей
проектирования новых и реконструируемых сетей. Кроме того, их применение
позволяет принимать решения в процессе эксплуатации СПРВ для выбора режима
работы системы при оперативном управлении.'Широкому использованию ЭВМ в
практике решения всевозможных задач СПРВ способствует тот факт, что
современные комплексные программы ориентированы на специалистов, достаточно
опытных в области проектирования и эксплуатации, но не знакомых с теми
дисциплинами, которые необходимы разработчикам программ. К указанному типу,
например, относятся программы, в основу которых положен метод расчета СПРВ,
разработанный ВНИИ ВОДГЕО.
Возможности программ для расчета СПРВ. На основе анализа
встречающихся на практике гидравлических задач по проектированию и
эксплуатации систем водоснабжения в этих программах предусмотрено множество
схем, использование которых позволяет проводить исследования влияния
различных частей системы водоснабжения на работу системы в целом. Основными
данными, которые получаются в результате расчета, являются расходы и потери
напора во всех линиях сети, расходы воды, поступающей от водопитателей,
характеристика нефиксированных отборов воды из сети, пьезометрические отметки
во всех узлах сети. Ниже рассмотрены основные расчетные схемы систем
водоснабжения.
Схема I. По заданным условиям работы водопитателей,
которые характеризуются напором или Q—Н характеристикой, определяют основные
данные. Кроме того, определяют узлы, в которых найденные расчетом
пьезометрические отметки меньше требуемых, и значение недостающего напора.
Допускается проводить серию расчетов по этой схеме, изменяя от одного расчета
к другому пьезометрическую отметку одного из водопитателей на заданную величину
ДН. Проведение расчетов по этой схеме позволяет определить требуемый напор в
заданном водопитателе с учетом ограничений в диктующей точке.
Схемы II и III предназначены для определения напоров на
некоторых из насосных станций и отметок уровня воды в резервуарах, при
которых фактические пьезометрические отметки в диктующих точках сети
оказываются равными заданным. Диктующие точки сети определяются
автоматически. Имеется возможность проводить серии расчетов по этим схемам,
изменяя от одного расчета к другому отбор воды в одной из точек сети на
заданную величину Д<7. В результате расчета определяются основные данные,
диктующие узлы и требуемые напоры у водопитателей.
Схема IV предусматривает проведение серии расчетов, на
основе которых выбираются параметры водопитателей (характеристики насосов и
отметки уровней воды в резервуарах и башнях).
Программы технико-экономического расчета позволяют при
заданном режиме водопотребления определять экономически выгодные диаметры
участков сети, отвечающие минимуму приведенных затрат, и соответствующие им
требуемые напоры водопитателей. Они также позволяют находить оптимальные
диаметры линий сети, если напоры водопитателей заданы.
|
