Univerzitet u Beogradu - Građevinski fakultet Aleksandar Đukić HIDRAULIČKI PRORAČUNII DIMENZIONISANJE VODOVODNIH DISTRIBUTIVNIH SISTEMA Pristupno predavane Beograd, 21. februar 2017.
OBJEKTI VODOVODNOG SISTEMA Obekti u vodovodnim sistemima mogu biti: Izvorišta sa vodozahvatnim obektima Postroena za pripremu vode za piće (PPV) Dovodni cevovodi i crpne stanice Rezervoari Distributivna mreža Izvorište PPV Distributivni sistem 2 Potrošna vode PPV Gubici vode Potrošna vode potrošača Gubici + Potrošna = POTREBA ZA VODOM
DISTRIBUTIVNI VODOVODNI SISTEM Voda se doprema sistemom ukopanih cevi nakoe se priklučuu vodovodne instalacie potrošača 3
ZADATAK VODOSNABDEVANJA OSNOVNI ZADATAK VODOVODNOG SISTEMA: DOPREMITI KVALITETNU VODU SVAKOM KORISNIKU ONDA KADA MU TREBA Bitni aspekti su: 4 - Prostorni(položa obekata sistema i potrošača) - Kvalitet vode(zahtevi očuvana zdravla propisi) -Vremenski(variacie potrošne vode povremenu) Zadatak vodovodnog sistema e da do svakog potrošača dopremi vodu propisanog kvaliteta, u svakom trenutku u skladu sa očekivanim potrebama potrošača i sa potrebnim minimalnim pritiskom
DISTRIBUTIVNI VODOVODNI SISTEM Tipovi distributivnih vodovodni mreža: Granata Prstenasta 5
DISTRIBUTIVNI VODOVODNI SISTEM Pored cevi u distributivnom sistemu postoe i: Rezervoari(za održavane pritiska u mreži, za izravnane neravnomernosti između dotoka i potrošne, za gašene požara) Pumpne stanice Zatvarači (za zatvarane,za regulaciupritiska/protoka) Osnovne karakteristike tečena u vodovodnim distributivmin sistemima: - Tečene pod pritiskom u cevima - Dinamičan sistem: protoci, prisitsci i nivoi vode u rezervoraima se menau kroz vreme u zavisnosti od dotoka i potrošne. 6
POTROŠNJA VODE Kategorie potrošne (potrošača): 7 Stanovništvo domaćinstva za piće, pipremu hrane, održavane higiene i druge potrebe u domaćinstvu Komercialni korisnici ustanove, privreda Javnapotrošna -za ispirane kanalizacie, za prane ulica, sopstvene potrebe vodovoda Gašene požara u skladu sa propisima Veličina i vremenska dinamika potrošne zavise od niza faktora (klimatski faktori, bro potrošača, navike potrošača, komunalna opremlenost potrošača, karakteristike proizvodnog procesa u industriama i dr.)
DIMENZIONISANJE Dimenzionisanedistributivnogvodovodnog sistema e određivane karakteristika poedinih elementa sistema tako da budu zadovoleni zahtevi u pogledu pravilnog funkcionisana sistema: Pritisci kod potrošača su veći od minimalnih, Pritisci kod potrošača su mani od maksimalnodozvolenih, Rezervoari rade bez prelivanai pražnena, Crpne stanice rade u optimalnom opsegu, i dr. U opštem slučau, postoi više rešena karakteristika elementa sistema koe dovode do ispunena navedenih zahteva. Zato se za izbor karakteristika uvode dodatni kriteriumi, npr. : - Minimizacia investicia - Minimizacia troškova (potrošne el. energie) - Drugi tehnički ili ekonomski kriteriumi 8
DIMENZIONISANJE Primeri kriteriuma koi se koriste kod dimenzionisana: 9 Minimalni pritisci kod potrošača:25 mvs (za potrebe gašena požara) ili minimalni potreban pritisak za vodosnabdevane obekta zadate spratnosti (posebno se određue), Maksimalni pritisci kod potrošača:optimalnodo6bar, izuzetno može se dopustiti do 7-7,5 bar, Maksimalni pritsci u cevovodima van zone potrošnevode: mani od nazivnog pritsiska cevovoda i uređaa na nemu Maksimalni bro uklučena pumpnog agregatau toku ednog časa (dana) DIMENZIONISANJE PODRAZUMEVA KORIŠĆENJE HIDRAULIČKIH PRORAČUNA I MODELA
HIDRAULIČKI MODELI Model e aproksimacia realnosti koi u sebi uklučue uzročnoposledične relacie preko skupa matematičkih formulacia koima se opisuu procesi u razmatranom sistemu. 1. Hidraulički modeli za proračune stacionarnih (ustalenih) režima: 10 proračuni ednog stanasistema metode za simulaciu rada sistema kroz vreme niz stacionarnih stana sistema (kvazidinamička simulacia) 2. Hidraulički modeli za proračune nestacionarnih (prelaznih) režima: proračun oscilacia vodenih masa («kruti udar»), hidraulički udar («elastični udar»)i hidrauličke vibracie.
OSNOVNE FAZE MODELIRANJA VALIDACIJA MODELA Proces u kome se obezbeđue da su u model uklučene logične, proverene i dovolne informacie, koe koe odgovarau konkretnom slučau i za koe model može dati valane rezultate. KALIBRACIJA MODELA Podešavane parametara modela dok se ne postigne određeni (optimalni) nivo saglasnosti rezultata modela i empiriskih podataka. VERIFIKACIJA MODELA Model sa kalibrisanim parametrima se testira na delu skupa podataka koi nie prethodno korišćen za kalibraciu modela - procenu tačnosti modela 11
TIPOVI HIDRAULIČKIH PRORAČUNA Tipovi proračuna prema predmetu analize ANALIZA POSTOJEĆEG STANJA Uklučue sve faze modelirana(validacia, kalibracia i verifikacia). Treba uklučiti rezultate merena. ANALIZA BUDUĆIH STANJA Analiza budućih potreba za vodom Analiza budućeg razvoa sistema, u skladu sa opaženim trendovima i planskim dokumentima Nabole e koristiti kalibrisani i verifikovani model postoećeg stana koga treba nadograđivatielementima budućeg sistema i budućom potrošnom 12
TIPOVI HIDRAULIČKIH PRORAČUNA Tipovi proračuna prema stanu sistema 13 REDOVNA STANJA rada vodovodnog sistema NEREDOVNA STANJA rada vodovodnog sistema U redovnom stanuprozvodna i potrošna vode su u očekivanim granicama, svi obekti sistema ispravnorade i svi korisnici se uredno snabdevau vodom. Značana su sledeća karakteristična stana potrošne vode: Čas maksimalne potrebe za vodom Čas minimalne potrebe za vodom Prosečna potreba za vodom u danu maksimalne potrošne Dan sa maksimalnom potrošnom vodeu sistemu (za kvazidinamičku simulaciu rada vodovodnog sistema).
TIPOVI HIDRAULIČKIH PRORAČUNA Modelirane potrošne vode i gubitaka (potrebe za vodom) Za proračune ednog stana treba defnisati maksimalnu (ponekad i minimalnu) potrošnu vode, po kategoriama. Gubici se ukulučuu kao % od potrošne. Za kvazidinamičku simulaciu rada sistema treba definisati prosečnu dnevnu potrošnuvode i koeficiente -diagrame neravonomernostipotrošne (po sezonama, danima i časovima unutar dana), po kategoriama. Gubici vode se mogu definisati kao nepromenivi ili zavisni od pritiska u sistemu. 14
TIPOVI HIDRAULIČKIH PRORAČUNA Neredovna stanasu ona u koima se dogodilo nešto van uobičaenog: 15 poava požara, ekstremna potrošna znatno veća od planirane, ispad iz pogona klučnog obekta vodsnabdevana, prekid napaana električnom energiom, drugi događai u sistemu koi mogu otežati vodosnabdevane. Hidraulički proračuni treba da dau odgovor na niz pitana: - Koliki su pritisci u sistemu? - Koi potrošači imau nedovolni pritisak i pri koim okolnositma? - Da li rezervoari rade bez prelivana i pražnena? - Da li crpne stanice rade u optimalnom opsegurada?,itd.
POSTUPAK MODELIRANJA FIZIČKI ELEMENTI SISTEMA Modelirau se kao vezeili kao čvorovi. Svaki od nih ima sopstvene karakteristike (cevi: prečnik, dužina hrapavost; čvorovi: lokacia, potrošna; rezervoari: lokacia, zapremina, kota dna, kota preliva, kriva zapremine; itd.) POTROŠNJA VODE Potrošna vode se grupiše isklučivo u čvorovima UPRAVLJANJE Defnišu se upravlačke odluke, npr: uklučene/isklučene pumpi pri zadatim nivoima u rezerovaru ili pritisku u neko tački mreže, i dr. 16
POSTUPAK MODELIRANJA Svaki element vodovodnog sistema se modelira ili kao VEZA ili kao ČVOR VEZE (dve Πkote) -cevi -pumpe -zatvarači ČVOROVI (edna Π kota) - spoevi više e cevi - promena prečnika cevi - veći i potrošači 17 - rezervoari
POSTUPAK MODELIRANJA OSNOVNE JEDNAČINE Jednačina kontinuiteta -održane mase (postavla se za čvorove) Energetska ednačina (postavla se za veze) 18
POSTUPAK MODELIRANJA Jednačina kontinuiteta Q i za čvor i: Q ip i Q + Q i ip = 0 19
POSTUPAK MODELIRANJA Energetska ednačina Q i za cev i : i Π i Π = r i Q i Q i 20
POSTUPAK MODELIRANJA Π i Π = r i Q i Q i Načešćekorišćene: o Darcy-Weisbach o Hazen-Williams o Manning 21
POSTUPAK MODELIRANJA REZERVOAR Ustaleno stane fiksirana piezometarska kota Neustaleno stane piezometarska kota se mena sa t Π n+1 R =Π n R + A Q R R t 22
POSTUPAK MODELIRANJA USTALJENO STRUJANJE Metod čvorova Q metod Bro čvorova n c R 0 Bro rezervoara n R Bro veza (cevi, pumpe, zatvarači) -n v R 1 R 2 i Q pi Q i g i Q p 23
POSTUPAK MODELIRANJA METOD ČVOROVA nepoznate su piezometarske kote u čvorovima(π i ) bro nepoznatih n c metod čvorova koristi EPANET i = F ( Q) Q + Q = i pi 0 R 0 E i = K i Q i Q i n 1 R 2 R 1 Π Π i Q i = ( Πi Π ) 1/ n Ki 1/ n 1 i Q i Q pi g i Q p F = i i ( Π) ( Πi Π ) 1/ n Ki i= 1,..., n c Π Π 1/ n 1 + Q pi = 0 24
POSTUPAK MODELIRANJA METOD ČVOROVA Osnovni nedostatak metode e što ne vodi računa o topologii mreže primer granatih mreža (protiv požarna hidrantska mreža, mreže u manim naselima, mreže za navodnavane) hidraulički proračun se obavla bez postavlana sistema nelinearnih ednačina u dva prolaza: I. prolaz unazad suprotno od pravca tečena (računa se Q i ) II. prolaz unapred u pravcu tečena (računa se Π i ) Svostvo granatih mreža e da se povezanost obezbedue namanim broem veza: n v = n c I i Q i Q pi g i Q p II 25
Π R2 POSTUPAK MODELIRANJA R 2 Q metod početni raspored protoka se računa za osnovnugranatumrežu-q (0) sistem nelinearnih ednačina po Q bro nepoznatih: n R -1 ednačina se postavla izmedu čvorova sa fiksnim nivoom n p e bro prstenova (bro dodatnih veza preko osnovne granate mreže) sa nepoznatom korekciom protoka Q R 1 Q 2 Q 1 n p = n v ( n c + n R 1 ) R 0 Π R1 i= 1,..., nr 1 Q 3 i Q i Q pi g i F ( Q) = l i F ( Q) = l= 1,..., n Q p p NP NS NS (0) (0) K ( Q + Qs ) Q + = 1 s= 1 s= 1 NP NS NS (0) (0) K ( Q + Qs ) Q + = 1 s= 1 s= 1 Q s Q s n 1 n 1 Π = 0 Ri = 0 26
POSTUPAK MODELIRANJA Q metod na opisano metodi su zasnovani programi WESNET i KYPIPE(Wodds 1995) Prednost: vodi se računa o topologii mreže primenue se algoritam za predprocesirane u kome se definiše osnovna granata mreža, prstenovi i putane izmedu čvorova sa definisanim fiksnim nivoom (rezervoari) namani bro nepoznatih brži i stabilnii proračun KVAZI NESTACIONARNO STRUJANJE Svi programski paketi za simulaciu rada mreža pod pritiskom, su zasnovani na neko od opisanih metoda ustalenog tečena, a nestacionarnost (u smislu blage spore promenlivosti) se uvodi kroz korekciu stana u rezervoarima između dva vremenska preseka (proračunska šema e eksplicitna po vremenu) 27
POSTUPAK MODELIRANJA Radna tačka pumpe - karakteristika pumpe -karakteristika cevovoda 28 H C = Π+ r c Q 2
OGRANIČENJA PREČNICI CEVI Minimalni prečnici cevi: DN100 (150) zbog gašena požara Prečnici se rade po standardu i zavise od nazivnog pritiska Propsuna moć veza između izvorišta i rezervoara mora biti dovolna u času minimalne potrošne kada se rezervoari pune Apsolutnu hrapavost cevovoda treba usvaati tako da obuhvati i lokalne gubitke (uvek) i efekte starena cevi (u analizi budućih stana) KARAKTERISTIKE PUMPI Radne krive pumpi KARAKTERISTIKE ZATVARAČA Zavisnost gubitaka na zatvaraču od otvorenosti 29
REZULTATI MODELA ČVOROVI Ukupna potrošna u čvoru Pritisak / Piezometraska kota CEVI Protoci / sredna profilska brzina Hidraulički gubici REZERVOARI Nivo vode (kod kvazi dinamičke simulacie) Prelivena voda i deficit (ako se prazni) PUMPNE STANICE Vreme uklučna i isklučena, vreme rada Protoci i visine dizana pumpi OSTALI ELEMENTI MODELA... 30 REZULTATI MODELA: Mape kodirane boom Diagrami Tabele
Rezultati kalibracie matemati~kog modela 4.0 3.2 CE V : V- 38a -V- 38 m m4 - Log = 0.26 S tdev = 7.8 % Diff 2.4 Q (l/s) 1.6 0.8 31 0.0 11/11/96 0.00 4.00 8.00 12.00 16.00 20.00 Vreme (h) 12/11/96 0.00
POSTUPAK MODELIRANJA Model =Softver + Podaci GIGO Garbage In - Garbage Out Rešene ene obezbediti DOBRE podatke 32