4770

На правах рукописи

Щербаков Владимир Иванович

АНАЛИЗ, ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И РЕНОВАЦИЯ СИСТЕМ ПОДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации насоисканиеученой степени

доктора технических наук

Нижний Новгород - 2002

Работа выполнена в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете

Ведущая организация:

ГУП «Союзводоканалпроект»

Защита состоится « 2002 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.162.02. в Нижегородском государственном ар- хитектурно-строительном университете по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Городские системы водоснабжения относятся к классу транспортных восстанавливаемых систем жизнеобеспечения городов длительного действия и представляют собой сложные разветвленные трубопроводные системы с глубокими внутренними связями, функционирующими под воздействием многих случайных факторов. Опыт эксплуатации городских и промышленных систем подачи и распределения воды (СПРВ) показывает, что они функционируют в условиях топологических, структурных и режимных возмущений, обусловленных аварийным отключением элементов, присоединением новых участков, сетевых фрагментов, районов с собственной сетевой инфраструктурой, источников, потребителей, резервных линий и т.п. Переменность структуры СПРВ усугубляется их чрезвычайной разветвленностью, что влечет за собой необходимость решения систем уравнений больших размерностей, обработкой и хранением гигантских информационных массивов, не согласующихся с ограниченными ресурсами вычислительной техники.

Опыт эксплуатации систем водоснабжения свидетельствует о значительном возрастании с течением времени гидравлического сопротивления металлических труб при соответствующем уменьшении их пропускной способности. Это обусловлено интенсивной коррозией внутренней поверхности труб с отложением на ней продуктов коррозии и в ряде случаев появлением сквозных проржавлений, влекущих за собой утечки воды. «Жесткое» выполнение нормативных требований, регламентирующих режим подачи воды различным потребителям, приводит к значительному перерасходу электроэнергии. В итоге использование стальных и чугунных труб без внутренних покрытий влечет за собой потерю пропускной способности системы в среднем на 20 - 40% в год, в зависимости от коррозионной активности воды.

В промышленно развитых странах (США, Великобритании, Франции, Германии, Японии и др.) металлические трубы для водоснабжения выпускаются с внутренними противокоррозионными покрытиями, вместе с тем в эксплуа-

тации находится большое количество старых стальных и чугунных трубопроводов (Великобритания, Финляндия, Швеция, Норвегия, Япония и особенно Россия), нуждающихся в реновации. Таким образом, проблема реновации изношенных и ветхих подземных водопроводов достаточно актуальна, тем более их замена методом «сталь - на - сталь» или «чугун - на - чугун» экономически менее эффективна, чем реновация.

Наиболее важной современной гидравлической задачей в области анализа и синтеза СПРВ является разработка и развитие модели возмущенного состояния, являющейся основой решения целого ряда прикладных задач: прогноза возмущенного состояния, диагностики несанкционированных отборов, факторного анализа, коррозионного зарастания внутреннего сечения водопроводов, оптимального синтеза и т.д. Поскольку СПРВ являются большими гидравлическими системами, отображаемыми бесконечными (полубесконечными) структурными графами, для возможностей моделирования возмущенного состояния необходимы структурные и масштабные преобразования на графах, в рамках декомпозиционно-топологических решений, с привлечением идеи энергетического эквивалентирования.

Традиционные методы моделирования в основном охватывают область невозмущенного состояния функционирующих систем или расчетных режимов потребления проектируемых систем. Появившиеся в последнее время декомпо- зиционно-топологические методы моделирования возмущенного состояния систем водо-и газоснабжения не нашли пока должного признания, вместе с тем актуальным является их дальнейшее совершенствование и развитие.

На защиту выносятся:

-методология формирования теоретически обоснованной структуры модели потокораспределения в системах подачи и распределения воды на основе вариационных принципов аналитической механики;

-метод моделирования возмущенного состояния системы водоснабжения на основе условий энергетического эквивалентирования в сочетании с определенными и устойчивыми формами граничной информации;

-принцип формирования фундаментальных и частных условий энергетического эквивалентирования;

-моделирование, на основе опыта эксплуатации, механизма коррозионного зарастания внутреннего сечения металлических водопроводных труб;

-факторный анализ влияния на водораспределение и водопотребление интенсивной коррозии и реновации водопроводных труб;

-опытно-промышленный комплекс по бестраншейной реновации водопроводных труб;

-технико-экономическое обоснование выбранного способа бестраншейной реновации.

Цель работы. Разработка методологического обеспечения технической диагностики и теоретическое обоснование реновации систем подачи и распределения воды сложной конфигурации на основе моделирования возмущенного состояния, энергетического эквивалентирования и теории чувствительности.

Достижение поставленной цели сводилось к решению следующих задач:

-обобщение вариационного принципа наименьшего действия на системы подачи и распределения воды и разработка условий формирования моделей потокораспределения возмущенного состояния системы;

-формулировка условий однозначности при моделировании возмущенного состояния систем подачи и распределения воды;

-разработка нетрадиционных подходов к «свертыванию» метасистемы и переход к практической реализации результатов анализа возмущенного состояния систем подачи и распределения воды;

-формализация фундаментальных условий, теоретических и прикладных аспектов энергетического эквивалентирования гидравлических сетевых систем сложной конфигурации;

-обобщение отечественного и зарубежного опыта эксплуатации водопроводных труб в условиях интенсивного коррозионного зарастания внутреннего сечения;

-разработка теоретических основ реновации изношенных водопроводных труб в части, касающейся снижения пропускной способности в результате нанесения противокоррозионного слоя на внутреннюю поверхность трубы;

-разработка программного вычислительного комплекса для решения задач анализа и синтеза систем подачи и распределения воды;

-практическая реализация бестраншейной реновации водопроводных труб

иразвитие технологических аспектов восстановления подземных водопроводов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

-предложена структура энергетического функционала для системы подачи

ираспределения воды, отражающего вариационный принцип наименьшего действия и выступающего в качестве первообразной функции в технологии формирования модели возмущенного состояния системы;

-предложена теоретически обоснованная модель возмущенного состояния систем подачи и распределения воды в форме универсальной модели потокораспределения;

-разработан программный вычислительный комплекс HYDROGRAPH на основе универсальной модели потокораспределения, используемый для решения задач анализа и оптимального синтеза систем подачи и распределения воды;

-на основе вариационного принципа наименьшего действия получены фундаментальные условия энергетического эквивалентирования, регламентирующие свертывание метасистемы и переход в состоянии возмущения к определенным и устойчивым формам граничной информации;

-частные условия энергетического эквивалентирования, вытекающие из фундаментальных условий, позволяют осуществлять эквивалентный переход от множества насосных станций к эквивалентному источнику, от множества разноэтажных потребителей к единому эквивалентному и т.д.;

-по результатам обобщения отечественного и зарубежного опыта эксплуатации систем водоснабжения получена многофакторная модель коррозионного зарастания внутреннего сечения водопроводных труб;

-на основе модели возмущенного состояния и теории чувствительности разработан метод факторного анализа применительно к системам водоснабжения в форме линейной модели, отражающий влияние эксплуатационных и технологических факторов на потокораспределение и водопотребление;

-создан опытно-промышленный комплекс по бестраншейной реновации систем водоснабжения путем набрызга раствора на внутреннюю поверхность водопроводных труб, включающий установку для прочистки трубопроводов и установку для нанесения цементно-песчаного покрытия

Данная работа выполнялась в рамках госбюджетной темы Министерства образования Российской Федерации по межвузовской научно-технической программе «Архитектура и строительство» «Разработка современных методов автоматизированного управления и гидравлического расчета, комплексного обследования и восстановления городских водопроводных сетей» (шифр темы 67.23.13) и гранту Министерства образования Российской Федерации в области архитектуры и строительных наук «Создание программно-вычислительного комплекса для прогноза аварийных режимов сложных систем водоснабжения с применением метода кибернетического моделирования» (№ гос. per. 01.9.20006575), в рамках областной программы «Обеспечение населения питьевой водой на 1999-2001 гг.» (Постановление администрации Воронежской области № 1188 от 21.12.1998).

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разрабо-

танный в диссертации программно-вычислительный комплекс анализа и синтеза систем подачи и распределения воды использован при расчете зонной системы водоснабжения г. Новороссийска, водопроводных сетей г. Губкин и г. Старый Оскол, при расчете магистральных водоводов левобережной части г. Воронежа и магистральных водопроводных сетей Советского и Северного районов г. Воронежа.

-разработка теоретических основ реновации изношенных водопроводных труб в части, касающейся снижения пропускной способности в результате нанесения противокоррозионного слоя на внутреннюю поверхность трубы;

-разработка программного вычислительного комплекса для решения задач анализа и синтеза систем подачи и распределения воды;

-практическая реализация бестраншейной реновации водопроводных труб

иразвитие технологических аспектов восстановления подземных водопроводов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

-предложена структура энергетического функционала для системы подачи

ираспределения воды, отражающего вариационный принцип наименьшего действия и выступающего в качестве первообразной функции в технологии формирования модели возмущенного состояния системы;

-предложена теоретически обоснованная модель возмущенного состояния систем подачи и распределения воды в форме универсальной модели потокораспределения;

-разработан программный вычислительный комплекс HYDROGRAPH на основе универсальной модели потокораспределения, используемый для решения задач анализа и оптимального синтеза систем подачи и распределения воды;

-на основе вариационного принципа наименьшего действия получены фундаментальные условия энергетического эквивалентирования, регламентирующие свертывание метасистемы и переход в состоянии возмущения к определенным и устойчивым формам граничной информации;

-частные условия энергетического эквивалентирования, вытекающие из фундаментальных условий, позволяют осуществлять эквивалентный переход от множества насосных станций к эквивалентному источнику, от множества разноэтажных потребителей к единому эквивалентному и т.д.;

-по результатам обобщения отечественного и зарубежного опыта эксплуатации систем водоснабжения получена многофакторная модель коррозионного зарастания внутреннего сечения водопроводных труб;

-на основе модели возмущенного состояния и теории чувствительности разработан метод факторного анализа применительно к системам водоснабжения в форме линейной модели, отражающий влияние эксплуатационных и технологических факторов на потокораспределение и водопотребление;

-создан опытно-промышленный комплекс по бестраншейной реновации систем водоснабжения путем набрызга раствора на внутреннюю поверхность водопроводных труб, включающий установку для прочистки трубопроводов и установку для нанесения цементно-песчаного покрытия

Данная работа выполнялась в рамках госбюджетной темы Министерства образования Российской Федерации по межвузовской научно-технической программе «Архитектура и строительство» «Разработка современных методов автоматизированного управления и гидравлического расчета, комплексного обследования и восстановления городских водопроводных сетей» (шифр темы 67.23.13) и гранту Министерства образования Российской Федерации в области архитектуры и строительных наук «Создание программно-вычислительного комплекса для прогноза аварийных режимов сложных систем водоснабжения с применением метода кибернетического моделирования» (№ гос. per. 01.9.20006575), в рамках областной программы «Обеспечение населения питьевой водой на 1999-2001 гг.» (Постановление администрации Воронежской области № 1188 от 21.12.1998).

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанный в диссертации программно-вычислительный комплекс анализа и синтеза систем подачи и распределения воды использован при расчете зонной системы водоснабжения г. Новороссийска, водопроводных сетей г. Губкин и г. Ста-

рый Оскол, при расчете магистральных водоводов левобережной части

г. Воронежа и магистральных водопроводных сетей Советского и Северного

районов г. Воронежа.

Представленный в настоящей работе метод нанесения цементнопесчаных покрытий на внутреннюю поверхность трубопроводов применен при реновации водоводов диаметром 1200 мм на Московском водопроводе и трубопроводах малого диаметра на Воронежском водопроводе.

Программно-вычислительный комплекс для расчета многокольцевых водопроводных сетей внедрен в проектных институтах ОАО «Воронежпроект», АООТ ВПИ «Гипропром» (г. Воронеж), АО «Гипрогор» (г. Старый Оскол), МПКП «Граждансельпромпроект» (г. Губкин) и широко применятся в учебном процессе при выполнении курсового и дипломного проектирования в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях ВГАСА, ВГАСУ (Воронеж, 1984-2001 гг.), на Международной научно-практической конференции, шко- ле-семинаре «Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века» (Белгород, 1998); на Международном симпозиуме «Восстановление и ремонт трубопроводов водоснабжения и канализации безраскопочными методами» (Новороссийск, 1997); на международных научнотехнических конференциях «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 1998-2001); на 3-й международной конференции «Градостроительство и окружающая среда» (Вильнюс, 1996); на Международной конференции «Международное сотрудничество в области архитектуры, строительства и защиты окружающей среды» (Кемер, Турция, 1997); на Международном конгрессе «Экологическая инициатива» (Воронеж — Канзас, 1996); на Международном семинаре «Партнерство ради прогресса» (Ницца, Франция, 1997); на 7-ом заседании Всероссийского семинара по межотраслевым проблемам трубопроводных и гидравлических систем (Вышний Волочек, 2000); на 6-й международной конференции «Экология и здоровье человека, экологическое образование. Математические модели и информационные технологии» (Краснодар, 2001); на IV международной научно-практической конференции «Проблемы использования водных ресурсов и экология гидросферы» (Пенза, 2001); на IV