CC BY
164
УЕБТЫНС
мвви
УДК 628.14 + 004.4
В.А. Орлов, И.А. Аверкеев
ФГБОУВПО «МГСУ»
АНАЛИЗ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРОГРАММ РАСЧЕТА ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ В ЦЕЛЯХ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РЕНОВАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ
Проведен анализ систем автоматизированного проектирования водопроводной сети крупного города, способных решать сложные задачи гидравлического расчета водопроводных сетей и управления их работой в целях обеспечения надежности системы городского водоснабжения. Выявлены оптимальные автоматизированные системы, которые могут быть использованы в дальнейшем для решения задач обеспечения гидравлической совместимости старых и новых после бестраншейной реновации участков кольцевой водопроводной сети, уменьшения диаметров распределительной сети в условиях снижения водопотребления в городах.
Ключевые слова: автоматизированное проектирование, трубопровод, водопроводная сеть, бестраншейная реновация, водопотребление, гидравлическая модель.
Эксплуатация современных систем водоснабжения крупных городов, а также управление потокораспределением в разветвленных и протяженных трубопроводных сетях являются весьма трудоемкими и неоднозначными задачами, требующими специфического подхода [1—3].
Водоканалы российских городов, решающие данные проблемы, в большинстве своем должны оперировать огромным количеством информации об объектах водопроводной инфраструктуры, большая часть которой спрятана под землей. В такой ситуации на помощь эксплуатирующим организациям приходят профильные современные автоматизированные компьютерные комплексы с различными подсистемами, которые позволяют решать обширный спектр задач, связанных с систематизацией, общей оценкой, анализом и оптимизацией наиболее важных параметров водопроводной сети города [4—6]. Подобные автоматические программные комплексы в наше время становятся неотъемлемым инструментом управления водопроводными сетями крупных городов-мегаполисов. Их возможности позволяют современной эксплуатирующей организации не только собрать воедино всю информацию о водопроводных сетях города, но и проводить определенные исследования с данной водопроводной сетью с целью улучшения различных параметров системы, в т.ч. оптимизации гидравлических характеристик трубопроводов сети, от которых напрямую зависят качественные показатели воды.
По результатам проведенных аналитических исследований выявлено, что на сегодняшний день среди автоматизированных компьютерных комплексов по проектированию, исследованию и анализу водопроводных и водоотводя-щих сетей города можно выделить следующие программные продукты [7, 8]:
Autocad Civil 3D, американской компании Autodesk;
комплекс продуктов американской компании Bentley Systems, таких как WaterCAD, WaterGEMS, HAMMER, SewerGEMS;
автоматизированный компьютерный комплекс для работы с системами водоснабжения и канализации города MIKE URBAN, разработанный датской компанией DHI Water & Environment;
комплекс ZuluHydro российской компании «Политерм»;
комплекс ИГС «CityCom-ГидроГраф», HydroCalc и др.
Подходы к проектированию, исследованию и анализу систем водопроводных сетей городов в каждой из этих программ специфичны. Наибольшее распространение в зарубежной и отечественной практике получили продукты американской компании Bentley Systems и датской компанией DHI Water & Environment.
Программный комплекс Bentley WaterGEMS способен работать как автономно, так и в тандеме с ГИС комплексом ArcGis, совместно с Autocad, а так же в комплексе с самой старейшей и самой главной разработкой компании Bentley Systems — Microstation.
Программный комплекс позволяет рассматривать не только вопросы гидравлического расчета водопроводной сети города, но и проблемы качества воды, а также производить технико-экономический расчет и подсчет энергетических затрат.
Автоматизированный комплекс Bentley WaterGEMS предоставляет возможность построения расчетной схемы водопроводной сети города, а также ввода информации по каждому ее элементу в ручном режиме. Помимо построения привычной проектировщику кольцевой схемы водоснабжения, возможны установка различной запорной или регулировочной арматуры на участках сети, расстановка накопительных или регулирующих резервуаров, а также установка насосов с различными характеристиками и режимами работы. При этом базовый метод расчета может быть установлен предварительно на основе одной из трех классических формул: Дарси — Вейсбаха, Хазена — Вильямса, Маннинга в зависимости от исходных условий проектирования и характера исследования конкретной сети.
Автоматизированный комплекс WaterGEMS позволяет производить увязку сети на различные часы суток с динамически изменяемым расходом по каждому часу суток. При этом не исключается назначение различных потребителей в разных узлах водопроводной сети, где каждый из данных потребителей может потреблять воду по своему собственному режиму. Программный комплекс предусматривает также наличие системы с множеством водопитателей (насосных станций).
При эксплуатации комплекса возможна проработка нескольких сценариев работы водопроводной сети. При использовании различных параметров трубопроводов на отдельных участках водопроводной системы определяется оптимальный вариант проектирования или реконструкции. Таким образом, программный комплекс Bentley WaterGEMS может накапливать в себе, представлять пользователю и анализировать большой объем информации о водопроводных сетях крупных городов. По итогам расчета и анализа конкретной
водопроводной сети программный комплекс предоставляет большое количество различной выходной информации о системе водоснабжения города. Определяются скорости движения воды в трубопроводах, потери на трубопроводах, свободные и пьезометрические напоры в узлах сети. Определяются направления и величины расходов в трубопроводах городской сети. Возможно построение пьезометрических профилей по различным направлениям водопроводной сети, а также построение графиков зависимостей различных величин, изменяющихся по часам суток в узлах водопроводной сети. Кроме того, отметим возможность построения двухмерной диаграммы распределения напоров непосредственно на плане водопроводной сети города. Могут быть графически представлены и разделены величины напоров на различных участках водопроводной сети города. Могут быть выделены критические точки давлений на водопроводной системе города.
Помимо Bentley WaterGEMS другим программным комплексом, основанном на стандарте EPANET, разработанном специально для расчета систем подачи и распределения воды, является автоматизированный компьютерный комплекс MIKE URBAN датской компании DHI Water & Environment [9]. Данный программный продукт является одним из самых многофункциональных и известных в мире комплексов по исследованию как водопроводных, так и водо-отводящих сетей крупных мегаполисов наряду с продуктами компании Bentley Systems. В данный программный пакет заложены основы экономики, благодаря которым, зная тарифы цен на электроэнергию, можно добиться максимальной экономии работы насосов при требуемых параметрах сети. Программный пакет имеет также модуль расчета гидравлического удара, который учитывает запуск и отключение насосов, отключение подачи электроэнергии, риски возникновения кавитации. Кроме того, MIKE URBAN может быть интегрирован с другими программными средствами, что позволит реализовать в перспективе систему оперативного управления в режиме он-лайн или систему принятия решений (советчик диспетчеру).
Высокая степень детализации каждого элемента водопроводной системы в программе MIKE URBAN позволяется заносить в базу данных этого автоматизированного комплекса такие параметры, как название магистрали трубопровода, ее инвентарный номер, диаметр и длину, номера узловых колодцев, материал и год строительства.
В данном автоматизированном программном компьютерном комплексе с помощью модели выполняется динамический анализ режимов работы сетей, выявляются участки трубопроводов с малыми скоростями движения воды, которые включаются в планы промывок, организуется эффективный контроль качества воды, особенно в летний период минимального водопотребления. Наряду с этим выполняются расчеты по моделированию потокораспределения при отключениях каких-либо участков трубопроводов.
Можно выделить основные задачи, которые позволяет решить программный комплекс MIKE URBAN, путем построения в нем гидравлической модели водопроводной сети города.
1. Уменьшение диаметров. Принципиальный подход к решению вопроса об изменении диаметров трубопроводов их консервации или ликвидации
остро встал перед водоканалами РФ в последнее время из-за реализации политики снижения водопотребления в городах. В этих условиях для сохранения и повышения санитарно-технической надежности распределительной сети города необходимы решения по изменению диаметров действующих трубопроводов, ликвидации отдельных водоводов, магистралей и дублирующих участков распределительной сети. Основываясь на анализе диаметров труб, объемов и средних скоростей движения воды, а также опираясь в расчетах на коэффициент шероховатостей для различных материалов труб, можно с помощью программных комплексов принять соответствующие решения об уменьшении диаметра труб, проведения реконструкции отдельных трасс трубопроводов, либо же полной их замены на трубы из других материалов с иными гидравлическими характеристиками.
2. Зонирование. Разделение системы водоснабжения на зоны определяется тремя основными факторами: разностью отметок в пределах территории, снабжаемой водой; требуемыми свободными напорами; максимальными потерями напора в сети. Управление давлением в зонах осуществляется путем единовременной настройки установленных сетевых регуляторов давления. При этом контроль давления в зоне регулирования осуществляется в режиме реального времени. Система мониторинга давления позволяет решать такие задачи, как контроль давления воды на водопроводных сооружениях и распределительной сети города, минимизация потерь воды при отказах на трубопроводах, предупреждать образование избыточных напоров в распределительной сети. Благодаря системе мониторинга давления специалисты предприятия могут иметь точную информацию о состоянии системы водоснабжения города.
Из проведенного анализа следует, что программный комплекс MIKE URBAN позволяет решать очень широкий спектр задач по исследованию, анализу и управлению водопроводными сетями крупных городов. Набор функций и возможностей данного продукта весьма актуален и в полной мере соотносится с проблемами и требованиями к управлению и анализу крупных водопроводных сетей Российских городов-мегаполисов. Данный автоматизированный компьютерный комплекс позволяет всесторонне рассмотреть различные варианты реконструкции и проектирования, а также принять верные решения при модернизации крупных городских водопроводных сетей.
Выбор оптимального программного комплекса для управления и исследования водопроводной сети города в первую очередь должен производиться на основе оценки тех потребностей и задач, которые стоят перед управляющей или инженерно технической компанией [10]. Современные системы автоматизированного проектирования имеют в своем составе разнообразный набор базовых функций и модулей для исследования различных водопроводных систем городов-мегаполисов. На сегодняшний день данное направление компьютерного моделирования достигло существенного развития и количество различных программных расчетных продуктов для водопроводных систем значительно возросло по сравнению с 70—90 гг. XX в.
Выводы. 1. Автоматизированные программные комплексы Bentley WaterGEMS и MIKE URBAN считаются одними из лучших программных продуктов в мире в области работы с водопроводными сетями города. Оба ком-
плекса построены на основе промышленного стандарта EPANET, разработанного специально для расчета и исследования гидравлической модели систем подачи и распределения воды. Оба комплекса обладают широкими возможностями по моделированию, представлению и паспортизации элементов водопроводной сети. Они способны проводить многовариантный анализ на основе различных сценариев работы кольцевой водопроводной сети, в т.ч. ее бестраншейной реновации и модернизации с использованием современных эффективных внутренних защитных покрытий с широкой гаммой шероховатости стенок, обеспечивая условия совместимости старых и новых (восстановленных) участков водопроводной сети.
2. Роль использования описанных программных комплексов резко возрастает при решении вопросов управления трубопроводными системами подачи и распределения воды, обеспечения оптимальных режимов работы сетей в условиях сокращения водопотребления, сравнительной оценки реновации трубопроводов различными бестраншейными методами и анализа работы восстанавливаемой трубопроводной системы на отсутствие гидравлического дисбаланса при использовании альтернативных ремонтных материалов, а также ресурсо- и энергосбережения при принятии соответствующих решений в отношении использования различных внутренних защитных покрытий трубопроводов, выбранных из числа альтернативных.
Библиографический список
1. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. М. : Стройиздат, 1982. 382 с.
2. Сомов М.А., Журба М.Г. Водоснабжение. Т. 1. Системы забора, подачи и распределения воды. М. : Изд-во АСВ, 2008. 262 с.
3. Гальперин Е.М. Определение надежности функционирования кольцевой водопроводной сети // Водоснабжение и санитарная техника. 1999. № 6. С. 13—16.
4. Продукты для анализа и проектирования инфраструктуры водоснабжения и канализации. Режим доступа: www.bentley.com. Дата обращения: 05.12.12.
5. MIKE URBAN — Программа гидравлического расчета систем водоснабжения // НКФ «Волга». Режим доступа: www.volgaltd.ru. Дата обращения: 05.12.12.
6. ZuluHydro — гидравлические расчеты водопроводных сетей. Компания «Политерм». Режим доступа: www.politerm.com. Дата обращения: 05.12.12.
7. Говиндан Ш., Вальски Т., Кук Д. Решения Bentley Systems: гидравлические модели. Помогая принимать лучшие решения // САПР и графика. 2009. № 4. С. 36—38.
8. Борисов Д.А. Bentley Systems — моделирование и эксплуатация наружных сетей водоснабжения и канализации // САПР и графика. 2009. № 5. С. 64—68.
9. Продукты серии MIKE компании DHI Water & Environment. Режим доступа: www.mikebydhi.com. Дата обращения: 05.12.12.
10. Храменков С.В. Стратегия модернизации водопроводной сети. М. : Стройиздат, 2005. 398 с.
Поступила в редакцию в январе 2013 г.
Об авторах: Орлов Владимир Александрович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-36-29, [email protected];
Аверкеев Илья Алексеевич — аспирант кафедры водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-36-29, ilji4.msk@ gmail.com.
Для цитирования: Орлов В.А., Аверкеев И.А. Анализ автоматизированных программ расчета водопроводных сетей в целях гидравлического моделирования при реновации трубопроводов // Вестник МГСУ. 2013. № 3. С. 237—243.
V.A. Orlov, I.A. Averkeev
ANALYSIS OF CAD SOFTWARE DESIGNATED FOR ANALYSIS OF WATER SUPPLY SYSTEMS FOR THE PURPOSE OF HYDRAULIC MODELING DESIGNATED FOR RENOVATION OF PIPELINES
Operation of present-day water supply networks and management of hydraulic models of pipeline networks are labour intensive and ambiguous tasks requiring a sophisticated approach. Operation of water supply networks servicing major Russian cities is accompanied by processing of extensive amounts of information; moreover, some elements of the water supply infrastructure are hidden under the ground. Nowadays operators of water supply networks take advantage of the advanced software used to solve a wide range of tasks associated with data filing, overall evaluation, analysis and optimization of the most important parameters of urban water supply networks. The above software is an essential tool in the management of water networks in major cities. Their ability to collect and process all data on water supply networks and to conduct some research aimed at the improvement of various parameters of the system, including optimization of hydraulic characteristics of the pipeline is employed by researchers and water pipeline operators.
The authors analyze and compare CAD software systems designated for water supply networks servicing big cities, capable of resolving multi-component problems and ensuring the reliability of water supply systems.
Key words: automated design, pipeline, water supply system, trenchless renovation, water consumption, hydraulic model.
References
1. Abramov N.N. Vodosnabzhenie [Water Supply]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1982, 382 p.
2. Somov M.A., Zhurba M.G. Vodosnabzhenie. T. 1. Sistemy zabora, podachi i raspre-deleniya vody [Water Supply. Vol. 1. Systems of Water Intake, Delivery and Distribution]. Moscow, ASV Publ., 2008, 262 p.
3. Gal'perin E.M. Opredelenie nadezhnosti funktsionirovaniya kol'tsevoy vodoprovodnoy seti [Identification of Reliability of Operation of the Water Supply Ring]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Engineering]. 1999, no. 6, pp. 13—16.
4. Produkty dlya analiza i proektirovaniya infrastruktury vodosnabzheniya i kanalizatsii [Software Products for Analysis and Design of the Water Supply and Sewage Infrastructure]. Available at: www.bentley.com. Date of access: 05.12.12.
5. MIKE URBAN — Programma gidravlicheskogo rascheta sistem vodosnabzheniya [MIKE URBAN - Hydraulic Design Software for Water Supply Networks]. NKF «Volga». Available at: www.volgaltd.ru. Date of access: 05.12.12.
6. ZuluHydro — gidravlicheskie raschety vodoprovodnykh setey. Kompaniya «Poli-term» [ZuluHydro - Hydraulic Design of Water Supply Networks. Poli-term Company]. Available at: www.politerm.com. Date of access: 05.12.12.
7. Govindan Sh., Val'ski T., Kuk D. Resheniya Bentley Systems: gidravlicheskie modeli. Pomogaya prinimat' luchshie resheniya [Bentley Systems Solutions: Hydraulic Models. Helping Make the Best Decisions]. SAPR i grafika [CAD and Graphics]. 2009, no. 4, pp. 36—38.
8. Borisov D.A. Bentley Systems — modelirovanie i ekspluatatsiya naruzhnykh setey vodosnabzheniya i kanalizatsii [Bentley Systems - Modeling and Operation of Exterior Water Supply and Sewage Networks]. SAPR i grafika [CAD and Graphics]. 2009, no. 5, pp. 64—68.
9. Produkty serii MIKE kompanii DHI Water & Environment [MIKE Series Software Developed by DHI Water & Environment]. Available at: www.mikebydhi.com. Date of access: 05.12.12.
10. Khramenkov S.V. Strategiya modernizatsii vodoprovodnoy seti [Water Supply Pipeline Upgrade Strategy]. Moscow, Stroyizdat Publ., 2005, 398 p.
About the authors: Orlov Vladimir Aleksandrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; orlov950@yandex. ru; +7 (499) 183-36-29;
Averkeev Il'ya Alekseevich — postgraduate student, Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7 (499) 183-36-29.
For citation: Orlov V.A., Averkeev I.A. Analiz avtomatizirovannykh programm rascheta vodoprovodnykh setey v tselyakh gidravlicheskogo modelirovaniya pri renovatsii trubopro-vodov [Analysis of CAD Software Designated for Analysis of Water Supply Systems for the Purpose of Hydraulic Modeling Designated for Renovation of Pipelines]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 3, pp. 237—243.
