автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Автоматизация расчета инженерных сетей при их проектировании

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Обзор состояния проблемы и постановка задачи исследования.

1.1. Инженерная сеть как объект проектирования.,.,/

1.2. Обзор литературы.

2.2. Математическая модель установившегося потокораспределения в инженерной сети.32

2.3. Прямая задача анализа и гидравлический расчет.38

2.4. Многоуровневость инженерной сети.41

2.5. Заключение. 48

ГЛАВА 3. Параметрическая оптимизация магистральных водопроводных сетей при их проектировании. 50

3.1. Введение. 50

3.2. Математическая формулировка задачи. 50

3.3. Алгоритмы решения задачи параметрической оптимизации кольцевых водопроводных сетей при их проектировании. 54

3.3.1. Использование гидравлического расчета сетей при решении задачи параметрической оптимизации. 54

3.3.2. Комбинированный двухуровневый алгоритм задачи параметрической оптимизации. 88

3.4. Заключение. 101

ГЛАВА 4. Гидравлические расчеты городских водоводов и инженерных сетей нижнего уровня. 104

4.1. Введение.104

4.2. Городские водоводы (11-й уровень системы водоснабжения).104

4.3. Гидравлический расчет сетей нижнего уровня (на примере городских газовых и водопроводных сетей).107

4.4. Заключение.121

ВЫВОДЫ.125

ЛИТЕРАТУРА.127

ПРИЛОЖЕНИЕ.135

ВВЕДЕНИЕ

Как отмечалось на ХХУ1 съезде КПСС, ускорение научно-технического прогресса является могучим рычагом и главным резервом повышения эффективности общественного производства, а значит и дальнейшего роста благосостояния советских людей. В качестве одного из главных направлений работы по ускорению научно-технического прогресса ЦК КПСС и Совет Министров СССР определили широкую автоматизацию технологических процессов. В этих целях Госплацу СССР, ГКНТ, Академии наук СССР поручено разработать общесоюзные программы работ в области создания гибких автоматизированных производств и систем автоматизированного проектирования и их использования в народном хозяйстве [ Ц ]. Достижение этой цели требует динамичного, планомерного и пропорционального развития всех отраслей народного хозяйства, в том числе и таких систем энергетики, как системы газо- и водоснабжения. В материалах ХХУ1 съезда КПСС подчеркнута важность дальнейшего развития топливно-энергетических отраслей - базы тяжелой индустрии, необходимость улучшения структуры топливно-энергетического баланса. Была поставлена задача довести добычу газа в

3 3

Х1-й пятилетке до 600-640 млрд.м в год (против 400-435 млрд.м в Х-й пятилетке). Однако, природный газ относится к невосста-навливаемым видам энергии; спрос на газ всегда опережает предложение, что приводит к его хроническому дефициту; возможности государства в покрытии дефицита за счет ввода новых источников газа ограничены. Все это требует экономного расходования газа, вскрытия внутренних ресурсов, реализация которых не связана с вводом новых источников, требующих дополнительных капитальных затрат.

Среди многих отраслей современной техники, направленных на повышение уровня жизни людей, благоустройства населенных пунктов и развитие промышленности, водоснабжение занимает большое и почетное место. Подача достаточного количества воды в населенный пункт позволяет поднять общий уровень его благоустройства. Для удовлетворения потребностей современных крупных городов в воде требуются громадные ее количества, измеряемые в миллионах кубических метров в сутки. Однако, запасы водных ресурсов, так же, как и запасы газа, ограничены. Так, общий объем водных ресурсов в нашей республике составляет менее 100 млрд.м3, т.е. значительно меньше, чем в озере Байкал и из этого количества, в силу объективных причин, можно вовлечь в сферу водопользования лишь половину. Уже сегодня, сбрасываемые городами воды, даже прошедшие очистку по современной технологии, требуют для повторного использования по крайней мере десятикратного, а для некоторых сбросов очищенных стоков химических производств даже 100-200-кратного разбавления свежей водой, что в свою очередь вызывает необходимость изыскания дополнительных ее источников.

Поэтому, перед специалистами, проектирующими и эксплуатирующими эти системы, стоят большие задачи по отысканию резервов, дающих возможность интенсифицировать работу газовых и водопроводных сетей.

В настоящее время создано большое число разнообразных инженерных систем, основным назначением которых является подача из месторождений и распределение между потребителями жидкого или газообразного продукта /целевого продукта/. Такие системы включают в себя гидравлические /в том числе водопроводные/, газовые /городские и магистральные/ сети и т.д. Каждую из этих систем можно представить в виде трех типов независимых по характеру и критерию функционирования подсистем: месторождений целевого продукта, сооружений по предварительной его обработке, транспортных и распределительных сетей.

Назначение первых двух подсистем - подготовить заданное количество и определенное качество целевого продукта, назначение третьей подсистемы - обеспечить потребителей целевым продуктом в виде потоков, формируемых под воздействием разности давлений, создаваемых ее активными элементами (насосными или компрессорными станциями). Эту наиболее разветвленную и сложную подсистему назовем инженерной сетью.

Каждая подсистема инженерной сети характеризуется двумя переменными величинами (расходом и перепадом давления) и рядом параметров. При этом состояние всей сети (потокораспределение) в любой момент времени определяется этими переменными и является следствием текущей структуры инженерной сети и значений параметров ее элементов.

Задача проектирования инженерной сети при рассмотрении ее как задачи управления в широком смысле заключается в создании такой сети, которая способна выполнить свое основное функциональное назначение, а именно: обеспечить всех потребителей сети целевым продуктом в требуемых количествах и под заданными давлениями. Задача оперативного управления - обеспечить выполнение инженерной сетью ее функционального назначения. Поэтому, проблемы проектирования инженерных сетей и оперативного управления потокораспределением в них тесно переплетаются между собой и должны решаться во взаимосвязи.

Современные инженерные сети отличаются большой топологической сложностью, т.е. содержат большое количество взаимосвязанных участков. Проектирование таких сетей, наиболее полно отражающих потребности будущего и позволяющих легко перестраивать их структуру и параметры при оперативном управлении и аварийных ситуациях и при ошибках прогноза в требуемых количествах целевого продукта на планируемые периоды, должно быть многоуровневым. Причем, отдельные уровни сетей должны быть развязаны между собой. Эти требования реализованы в настоящее время для энергосистем и газовых сетей, причем, элементами развязки для первых являются трансформаторы, а для других регулирующие устройства (ГРС, ГРП и т.п.). Энергосистема разделена на уровни в зависимости от напряжения в сети, а система газоснабжения - от давления. При проектировании системы водоснабжения, последняя также разбивается на уровни, которые представляют собой систему каналов и различных водоводов (I уровень), городскую магистральную сеть, расчлененную на зоны (П уровень), квартальные сети (Ш уровень), домовые сети (1У уровень). Однако, как правило, эти уровни связываются между собой жесткими связями: очень редко в современных системах водоснабжения производится развязка уровней.

Отсутствие развязки между уровнями приводит к сильной зависимости между ними, большим погрешностям между расчетами отдельных уровней, если они проводились в предположении их независимости, и что, самое главное, приводит к резкому усложнению проблемы оперативного управления этими сетями. Кроме того, система каналов и водоводов (I уровень в существующей ныне системе водоснабжения) представляет собой автономные участки, питающие водой отдельные крупные массивы города. Иными словами, сети отдельных районов города обеспечиваются водой, подаваемой водоводом из какого-то определенного источника целевого продукта.

В настоящей работе на примере городских водопроводных и газовых сетей сделана попытка учесть на этапе проектирования декомпозицию сетей по уровням и автоматизировать расчеты при проектировании отдельных уровней.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения.

•5. Выводы и предложения о дальнейшем использовании законченной НИР или ОКР

Председатель комиссии Члены комиссии

Петросов В.А, Бессер Л,А,

Максимов iti.il.

Нанасенко А.А,

Конотоп тип. 17.11.1983 г. Зпк. № 411—] 500

УТВЕРВДАЮ" научной работе ЩС ч а 1 Ч

Пустовойтов €У <1 1984 г«

УТВЕРВДАЮ"

ТПО

Генерадьщйдирект ор промвод' рос ОБ

984 г.

РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

От внедрения результатов научно-исследовательской работы "Автоматизация расчета инженерных сетей при их проектировании"

Заказчик: ТПО "Харьковкоммунпромвод"

Исполнитель: Харьковский институт инженеров коммунального строительства

Организация, внедряющая НИР:

ТПО "Харьковкоммунпромвод"

Харьков - 1984

I. Цель работы.

I/. Автоматизация расчета диаметров трубопроводных линий. 2/. Разработка методов оптимизации параметров трубопроводных линий с целью снижения суммарных капитальных и эксплуатационных затрат.

II. База для сравнения.

Существующая методика технико-экономических расчетов.

III. Исходные данные для расчета экономического эффекта. ! п.п.

Наименование показателя

Единица измерения

Условное обозна чение

Величина показателя до Тпосле внед-!внедрения! рения

Обоснование

2.

3.

4.

5.

6.

Суммарные капитальные и эксплуатационные затраты /на строительство и эксплуатацию части магистральных водопроводных линий и насосных станций/.

Ежегодная прибыль от снижения суммарных капитальных и эксплуатационных затрат.

Рост производительности труда после внедрения 111111

Капитальные вложения на разработку и внедрение 111111.

Затраты, связанные с подготовкой и решением задачи на ЭШ тыс руб тыс. руб. тыс. руб. /¡4

- к п

7г

К.

З3

620,7

545,5 13,0

1,5

15,0 13,0

Годовой отчет "Харьков-водосети" за 1983 г.

Расчет

Апробация пакета прикладных программ. н

1У. Расчет экономического эффекта.

При расчете экономического эффекта использованы "Методические рекомендации по определению экономической эффективности автоматизированных систем управления технологическими процессами водоснабжения городов", г. Харьков, 1983 г.

Ежегодная прибыль от снижения суммарных капитальных и эксплуатационных расходов на строительство и эксплуатацию части магистральных водопроводных линий города и насосных станций, обслуживающих эти участки Í] , составит n-Ai'fo , 620,7• tí Qny s ^

Рост производительности труда после внедрения lililí составил

1,5% от 4, АгМ.Оя/ хЛ

Т z 9,8 (т/с. fijtS )

Вместе с тем: I/. Появились затраты, связанные с подготовкой исходной информации и решением задачи на ЭШ.

2/. Капитальные вложения на разработку и внедрение ППП составили 15,0 тыс.руб. Таким образом, где £ - нормативный коэффициент эффективности капитальных п вложений /принят 0,15/.

Аг -- 620,7+ О, tf-i&O 7* /4 - âû, 7 ~3,<$=SV5,S(b./> )

Следовательно, годовой экономический эффект Эр

9р ~/)г =620,7 ¥£,2 (мм./у*)

Доля ХИИКСа в полученном эффекте от внедрения пакета программ оптимизации параметров магистральных кольцевых водопроводных сетей составляет 75 %, т.е. 56,4 тыс.руб.

От ТПО "Харьковкоммунпромвод'

И.о. начальника ПЭО

Зам. начальника отдела АСУ, к.т.н.

Т.И.Маслакова

А.А.Панасенко

От Харьковского института инженеров коммунального строительства

Зав. кафедрой ПМ и ВТ д.т.н., профессор

Руководитель группы внедрения и ТЗО

Младший научный сотрудник НИС

А.Г.Евдокимов

Л.В.Кривцун

0.А.Ведерникова

4.4. Заключение.

Глава посвящена анализу процессов проектирования на втором и четвертом уровнях ('Рис.2.2.) и автоматизации отдельных этапов проектирования этих уровней.

В главе показано, что второй уровень (городской водовод) неявно присутствует в существующей структуре системы водоснабжения современных городов и обладает рядом существенных недостатков, которые предлагается устранить путем строительства водовода таким образом, чтобы группа насосных станций запитывалась через общий низконапорный водовод. Приведены некоторые примеры принципиальных структур таких водоводов, в основе расчета которых лежит прямая задача анализа (раздел 2.3), параметры математической модели которой более стабильны, т.к. выходные участки сети второго уровня являются реальными участками. Все это позволяет значительно упростить реализацию системы оперативного управления этим уровнем, решение задачи локализации аварии, управление в аварийных ситуациях и т.д.

Для гидравлического расчета сетей нижнего уровня использована математическая модель, описанная в разделе 2.3. Причем, в качестве нагрузок в квартальных водопроводных сетях принят расход каждого конкретного потребителя. Приведены результаты гидравлического расчета газовой сети низкого давления и квартальных водопроводных сетей. При этом, следует отметить, что гидравлическая увязка квартальных водопроводных сетей в настоящей практике проектирования не производится вообще. Основная причина этого - необходимость решения задачи большой размерности. Исполь зование эффективных способов машинного представления информации позволило автоматизировать один из трудоемких этапов проектирования сетей нижнего уровня - гидравлический расчет.