Download
1 / 57
590 likes | 814 Views
Vízellátó rendszerek hidraulikai modellezése. Hálózathidraulika. Darabos Péter BME VKKT. Elméleti alapismeretek. Hidraulikai alapok Hálózat matematikai modellezése Topológiai modell Fizikai modell Terhelési modell. Hidraulikai alapfogalmak. Folytonosság - Q = A i * v i
E N D
Vízellátó rendszerek hidraulikai modellezése Hálózathidraulika Darabos Péter BME VKKT
Elméleti alapismeretek • Hidraulikai alapok • Hálózat matematikai modellezése • Topológiai modell • Fizikai modell • Terhelési modell
Hidraulikai alapfogalmak • Folytonosság - Q = Ai * vi • a vizsgált szakaszon folyadék nem keletkezik, vagy vész el, oldalról sem hozzáfolyás, sem elfolyás, valamint a szakaszon tározódás vagy ürülés nincsen. Az a folyadékmennyiség, azaz Q hozam, amely a szakaszra belép, azon végig is halad és onnan ki is lép. • Bernoulli-egyenlet: • A geodéziai és nyomásmagasság a mozgó folyadék helyzeti energiáját adja meg, míg a sebességmagasság a mozgási energiára utal. • A geodéziai és sebességmagasság a mozgó folyadék saját energiája, míg a nyomásmagasság a környezetből származó külső, "kölcsönzött" energia. • Ha a vizsgált szakasz mentén a meghatározzuk az összes energiatartalmat (Z+p/+v2/2g) összekötő vonalat, az energiavonalat kapjuk. • Amennyiben ezen összegzésből a sebességmagasságot kihagyjuk, és csak a helyzeti energiára utaló Z+p/ tagokat vesszük figyelembe, a nyomásvonalat kapjuk
Hidraulikai alapfogalmak • Energiaveszteségek • Surlódási veszteség • Részben a mozgó folyadék és a csőfal közötti, részben a folyadék belső súrlódásából ered. • Az áramlás teljes hossza mentén hat, nagysága a mozgás irányában fokozatosan nő. • Helyi energia veszteség • Az okozza, hogy valamely csőszerelvény lokálisan megváltoztatja az áramlás sebességének nagyságát vagy irányát, esetleg mindkettőt.
Hidraulikai alapfogalmak • Cső-surlódási tényező • Lamináris áramlás esetén - =64/Re • Turbulens áramlás esetén - Colebrook-White képlet Moody diagramm
Hidraulikailag hosszú és rövid csővezeték • Hidraulikailag rövid csővezeték Ha a kétféle veszteség nagyságrendje közel azonos, hL,s hL,h , a helyi veszteségek nem hagyhatók figyelmen kívül. • Hidraulikailag hosszú csővezeték Ha egy csővezetéket jelentős hossz és viszonylag kevés szerelvény jellemez, a csőfal menti súrlódási veszteség nagyságrendekkel nagyobb lehet, mint a helyi veszteségek összege, hL,s >> hL,h Ekkor a hL,hhelyi veszteségek elhanyagolhatók, a cső hidraulikailag hosszúnak tekinthető. Ez esetben legtöbbször a sebességmagasság figyelembevételétől is el lehet tekinteni.
Körvezeték • A vezeték hidraulikailag hosszú, a helyi veszteség és sebességmagasság elhanyagolható. KIRCHOFF I. törvény: (Csomópont mennyiségi folytonosság) KIRCHOFF II. törvénye: (A hálózat független hurkaira felírható nyomásfolytonosság)
Hálózatok • Elágazó • Összekapcsolt • Körvezetékes
Topológiai modell • A hálózat topológiája a hálózat geometriája anélkül, hogy a hálózat fizikai jellegével foglalkoznánk. • GRÁFELMÉLET • a GRÁF csomópontokból és azokat összekötő élekből álló struktúra. • A csőhálózatok hidraulikai számításaiban a topológiai modell egy összefüggő, irányított gráffal írható le. • Az irányított gráf kapcsolatainak leírására használatos az ún. KAPCSOLÁSI MÁTRIX.
Topológiai modell A kapcsolási mátrix a gráf ágai és csomópontjai közötti összefüggést írja le. A csomópontoknak a mátrix sorai, míg az ágaknak az egyes oszlopok felelnek meg. A kapcsolási mátrix egyes elemei a 0, +1, vagy a -1 értékeket vehetik fel :
Topológiai modell Hurok mátrix: • A mátrix sorainak a hurkok (gyűrűk), oszlopainak az ágak felelnek meg. • A mátrix egyes elemei - a kapcsolási mátrixhoz hasonlóan - a 0, +1, -1 értékeket vehetik fel.
Kirchoff törvényekA gráfelmélet alkalmazásával II. I. Annyi egyenlet, ahány csomópont Annyi egyenlet, ahány független hurok Ahol A – kapcsolási mátrix q – vezetékek vízszállítás vektora (ismeretlen) qf – csomóponti terhelés, betáplálás vektor B – hurokmátrix h – vezetékek nyomásveszteség vektora
Fizikai-hidraulikai modell Vezeték A derivált: Colebrook-White összefüggés
Fizikai-hidraulikai modell • Tározók, kötött nyomású pontok • Új modell elemek: • fiktív ág: • melynek mentén a nyomásveszteség nem függ a szállított vízhozamtól, fiktív csomópont: a hálózat azon kitüntetett pontja, mely a hasonlító síkban fekszik. A tározók modellezése: • A tározót egy olyan fiktív ággal modellezzük, melynek kezdő csomópontja a fiktív csomópont és rajta a nyomásveszteség a vízforgalomtól függetlenül éppen annyi, mint az aktuális vízállás hasonlító sík feletti magassága. • A fiktív csomópontot kiiktatva a hálózatból, a fiktív ágak a tározókat kötik össze, és rajtuk a nyomásveszteség a vízforgalomtól függetlenül a tározók aktuális vízszint-különbsége.
Fizikai-hidraulikai modell Szivattyú (centrifugál) A derivált:
Fizikai-hidraulikai modell Kút Hidráns (tűzcsap) Hálózati szerelvények (TZ) Visszacsapó szelep algoritmikus Szűrő
A modellezés szintjei • Részletes • Akár a házibekötésekig, főmérőkig lebontva, digitális hálózatnyilvántartásból • Egyszerűsített • Cél: A számítás gyorsítása és egyszerűsítése. • Követelmény: Az egyszerűsített hálózat hasonlóan viselkedjen, mint a részletes. • A hálózat gerincvezetékeit tartalmazza • Alapelv, átmérőtől függetlenül: • A szállító funkciójú vezetékek nem hanyagolhatók el. • Az elosztó funkciójú vezetékek elhanyagolhatók. • Kialakításhoz ökölszabályok (Pl. Dmax/3) • Helyettesítő • Cél: A számítás gyorsítása és egyszerűsítése. • Követelmény: A helyettesítő modell a betáplálási pontokon hasonlóan viselkedjen, mint a részletes, vagy a valóság.
Terhelési modell – Hol ? • Lakossági (kommunális) fogyasztás • A terhelés a valóságban a bekötések végén folyamatosan és véletlenszerűen jelentkezik • A szükséges pontosság a modellezés céljától függ • Tervezési célú modellek esetében lehet elnagyoltabb • Területre megadott fogyasztás szétosztása a hálózat csomópontjaira • Üzemeltetési célú modellek esetében jobban kell törekedni a pontosságra • Vízdíj számlázási adatokból fogyasztási súlyszámok generálása • Súlyszámok segítségével az aktuális zónafogyasztás csomópontokra terhelése • Nagyfogyasztók kezelése
Terhelési modell – Mennyi ? • Tervezési célú modellek esetében vízigény • Vízigények meghatározása, becslése • Lakossági vízigények • Lakosszám, fajlagos vízigény, veszteség • Nagyfogyasztók • Szociális-, technológiai vízigény • Üzemeltetési célú modellek esetében vízfogyasztás • Zónafogyasztás mérési adatokból
Vízellátás Rendszerelemek Rendszerkialakítás
Rendszer típusokElemi 1-1.ábra 1.nyomásövezet, ellennyomó tárolóval 1-2.ábra 1.nyomásövezet, átfolyásos tárolóval
Rendszer típusokÖsszetett 2-1.ábra - 2 nyomásövezet sorba kapcsolt kialakítása
Rendszer típusokÖsszetett 2-2.ábra - 2 nyomásövezet párhuzamos kialakítása
Rendszer kialakítás 3-5.ábra - Az általános eset - Több betáplálás - Több zóna
Néhány valós példa … • Zalaegerszeg • 8 település • 15 nyomásövezet (zóna) • 2+1 vízbázis • Győr-Nyúl-Pannonhalma-Fenyőfő • 50 település • 11 vízbázis (5 tartalék) • ~30 nyomászóna • ÉTV • 8 település • 2 vízátvétel és 2 vízátadás • 3 saját vízbázis • ~15 nyomászóna
Vízellátás Tározás (Tárolás)
A tározás célja • Fogyasztás és betáplálás közti különbség kiegyenlítése • Térfogat méretezés • Nyomásszint meghatározás • Minimálisan szükséges vízszint magasságának meghatározása • Ellátási biztonság, tartalék • Üzemzavar • Tűzoltás (speciális tűzivíz tározók!)
Tározó térfogat meghatározása Ahol T A kiegyenlítési időszak hossza. Q(t) A tározó vízforgalma (töltődés vagy ürülés) a t időpillanatban.
Vizsgálati módszertan A vízellátó rendszer „rendszervizsgálata” (analízise) a különböző idősíkokban prognosztizált vízigényekre és hálózatkialakításokra végzett teljes körű elemzést jelent.
Célok • Műszaki célok • A vízbázisok mennyiségi és minőségi lehetőségeinek kiaknázása • A meglévő hálózat kapacitásának optimálisnak tekinthető felhasználása • A műszakilag optimális üzemrendek megválasztása • Műszaki - gazdasági célok • Fejlesztés és/vagy rekonstrukció gazdaságos megvalósítása • Optimális szivattyúk kiválasztás • Gazdaságossági szempontok figyelembe vétele az üzemrendek megválasztásánál
Módszer • Rendszeranalízis a meglévő állapotra • Távlati vízigények meghatározása • Távlati vízbázisok meghatározása • Vízmérlegek és hozzájuk kapcsolódva távlati vízkormányzási stratégiák készítése • Kiválasztott vízkormányzási stratégiákra hidraulikai vizsgálatok elvégzése és a konkrét fejlesztési, beruházási alternatívák meghatározása • A távlati fejlesztési igények ismeretében az ütemezés meghatározása
Hidraulikai vizsgálatok • Üzemállapotok vizsgálata • Csőhálózati jelleggörbék, és szivattyú választás • Szimulációs vizsgálatok • Vízkeveredés, vízkor számítás
Vízellátó hálózat méretezése és ellenőrzése Tekintettel arra, hogy a vízellátó hálózatok viselkedését leíró KIRCHOFF egyenletekben szereplő nyomásveszteség összefüggésekben a négyzetes tag szerepel az egyenletrendszer explicit megoldása jelenlegi ismereteink szerint nem lehetséges. Ezért a méretezés a következő lépésekből áll: • A fogyasztási modell alapján becsléssel meghatározzuk az egyes vezeték keresztmetszetekre mértékadó vízszállításokat. • A mértékadó vízszállítás alapján meghatározzuk a szükséges vezeték átmérőt. • Az abszolút nyomásigények alapján megbecsüljük a tározó(k) szükséges magasságát. • Iterációs hidraulikai számítással, az előbbiekben ismertetett matematikai modell segítségével, ellenőrizzük különböző jellemző üzemállapotokban a hálózatban kialakuló sebességeket és nyomásokat.
Vízellátó hálózat méretezése és ellenőrzése • Egy vízellátó hálózatban a kívánatos sebesség tartomány 0.4 - 1.2 m/s. • A vezeték mentén kialakuló fajlagos nyomásveszteség kívánatos értéke ~ 10 ‰ • A hálózati nyomás értéke egyetlen üzemállapotban sem lehet kisebb egyetlen csomóponton sem, mint az épületek szintszáma alapján előírt érték, illetve elosztó vezetékek esetében, nem lehet nagyobb mint 60 mvo. Amennyiben a hálózat valamely részén kedvezőtlenül nagy, vagy túl kis sebességek, és/vagy nyomáshiányok, esetleg túlnyomások alakulnának kiakkor módosítjuk a rendszerkialakítást (vezeték átmérők, tározó magassága, nyomáscsökkentés, nyomásfokozás,…)
A vízellátó hálózat üzemállapotai • Az üzemállapot kifejezés leszűkített értelemben az üzemi viszonyok különbözőségét jelenti. • Tágabb értelemben az egyes üzemállapotokat nemcsak a betáplálások különbözősége, hanem a fogyasztási állapot is jellemzi. • A hálózat hidraulikai vizsgálata során jellemzőnek tekintett üzemállapotok céljukat tekintve két csoportba sorolhatók: • Méretezési üzemállapotok, melyek a rendszert zavartalan üzem esetén jellemzik. • Ellenőrzési üzemállapotok, melyek valamilyen zavaró eseményt feltételeznek, pl. tűzoltás.
