Розглянуто реалізація способу активного управління водорозподілу на математичній моделі Приміською зрошувальної системи міста Краснодара. Отримані результати дозволяють підвищити ефективність управління водорозподілу при роботі насосних станцій зрошувальної системи.

Анотація наукової статті з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Ткачов Олександр Олександрович


Realization of ways to actively manage water distribution in the mathematical model of a Suburban irrigation system of Krasnodar. The obtained results allow us to improve the management of water distribution in the work of pumping irrigation system.


Область наук:

  • Будівництво та архітектура

  • Рік видавництва: 2011


    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Північно-Кавказький регіон. Технічні науки


    Наукова стаття на тему 'Аналіз результатів розрахунку перехідних гідравлічних процесів для способу активного управління водорозподілу на прикладі магістрального каналу Приміською зрошувальної системи міста Краснодара'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз результатів розрахунку перехідних гідравлічних процесів для способу активного управління водорозподілу на прикладі магістрального каналу Приміською зрошувальної системи міста Краснодара»

    ?УДК 626.824-52

    АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ РОЗРАХУНКУ ПЕРЕХІДНИХ гідравлічних ПРОЦЕСІВ ДЛЯ СПОСОБУ АКТИВНОГО КЕРУВАННЯ водорозподілення НА ПРИКЛАДІ МАГІСТРАЛЬНОГО КАНАЛУ приміських зрошувальної системи міста Краснодара

    © 2011 А.А. Ткачов

    Новочеркаська державна Novocherkassk State

    меліоративна академія Reclamation Academy

    Розглянуто реалізація способу активного управління водорозподілу на математичній моделі Приміською зрошувальної системи міста Краснодара. Отримані результати дозволяють підвищити ефективність управління водорозподілу при роботі насосних станцій зрошувальної системи.

    Ключові слова: управління водорозподілу; несталий протягом води; математичні моделі руху рідини.

    Realization of ways to actively manage water distribution in the mathematical model of a Suburban irrigation system of Krasnodar. The obtained results allow us to improve the management of water distribution in the work of pumping irrigation system.

    Keywords: management of water distribution; the unsteady flow of water; the mathematical model of fluid motion.

    Приміська зрошувальна система (ПОС) міста Краснодара була введена в експлуатацію в 1981 р Будівництво системи велося за проектом інституту «Кубаньгіпроводхоз» міста Краснодара в три черги з 1977 по 1981 р.

    Система розташована на території двох адміністративних районів Краснодарського краю: міста Краснодара і Дінського. Вона обслуговує 18 водокористувачів різної організаційної області: ЗАТ, ТОВ, СПК, а також 5 фермерських ділянок. Зрошуваний масив в зоні міста Краснодара охоплює площі СПК «Краснодарський» і агрофірми АТЗТ «Сонячна».

    Водозабір в систему здійснюється з Краснодарського водосховища, вода якого має підвищену мінералізацією і надалі частково опріснюється водою р. Кубань.

    Сумарна продуктивність головної насосної станції НС-1 23,4 м3 / с, споживана потужність всіх агрегатів становить 4535 кВт-год. Вона оснащена 7 насосними агрегатами продуктивністю 3,2 м3 / с, потужністю ел / двигуна 630 кВт-год. Також є резервний агрегат марки ОВ6-55 продуктивністю 1 м3 / с, потужністю ел / двигуна 125 кВт-год. Питома витрата електроенергії, що визначається за підсумками останніх трьох років експлуатації за період 2008 - 2010 р становить 50,14 кВт на 1000 м3 води.

    Насосна станція НС-1 без заміни обладнання експлуатується з 1978 року, в результаті реальне енергоспоживання перевищує проектне. Вона обладнана РЗУ - рибозахисним пристроєм типу плоскою сітки К-образного розташування з нержавіючої сталі з осередками 2 * 2 мм з гідрозмиву і рибоотво-дящім трубопроводом.

    Загальна площа зрошення зрошувальної системи за проектними даними становить 23 940 га, полив в 2010 р проведений тільки на площі 5 888 га.

    Для виявлення і вивчення особливостей, які відповідають різним режимам та умовам експлуатації магістрального каналу ПОС, а також вивчення характеру взаємозв'язків між параметрами несталого течії води в процесі активного управління водорозподілу, на імітаційної математичної моделі виконувалися дослідження перехідних гідравлічних процесів.

    Метою розрахунку перехідних гідравлічних процесів є вибір і обгрунтування схем регулювання для способу активного управління водораспре-розподілом в магістральному каналі ПОС міста Краснодара [1].

    Для реалізації мети необхідно вирішення наступних завдань:

    - узгодження режимів роботи агрегатів головної насосної станції з режимами роботи перегороджують і водорозподільних споруд в умовах спорожнення і заповнення бьефов магістрального каналу водою;

    - обгрунтування настроювальних параметрів регуляторів для реалізації способу активного управління водорозподілу;

    - обгрунтування точності контрольованих параметрів, що забезпечують стійкий стан процесу водорозподілення в б'єфах магістрального каналу;

    - обгрунтування необхідної кількості локальних авторегуляторів рівнів води по верхньому і нижньому б'єфу споруд і вибір їх місця розташування.

    Методика досліджень уточнювалася в процесі імітаційного вивчення гідравлічних перехідних процесів, що відповідають різним режимам експлуатації відкритих каналів. На основі таких досліджень розроблені рекомендації по вибору і призначенням оптимальних параметрів каналів і споруд на них, довжин бьефов, ухилів дна розподільних каналів, напорів і величин відкриттів затворів на спорудах, вибору створів перетинів каналів для установки засобів водоізмеренія при несталому режимі руху води [2, 3].

    Для розробленої математичної моделі і запропонованого пакету прикладних програм можуть бути використані наступні вихідні дані, отримані в результаті натурних досліджень:

    - гідравлічні параметри ділянок каналу: форма поперечного перерізу, ухили, довжина ділянок каналу і ширина по дну, закладення укосів, коефіцієнти шорсткості (табл. 1);

    - гідравлічні параметри гідротехнічних споруд: кількість і продуктивність агрегатів головної насосної станції, кількість і характеристики регулюючих затворів на перегороджують спорудах (табл. 2);

    - величини забираються витрат води в створах водоотбора (табл. 1) і ін.

    гідравлічні ел

    Для розрахунку перехідних режимів течії води в каналах розроблений програмний комплекс, заснований на методі характеристик [4]. Метод характеристик, на відміну від інших методів, що застосовуються для вирішення аналогічних завдань, дає можливість визначати час і місце розташування (створ) виникнення перериваних хвиль. Він найбільш точний, максимально наближений до фізичних процесів, що протікають в натурних умовах, дозволяє досить просто вводити крайові умови.

    У методі характеристик система одновимірних квазілінійних диференціальних рівнянь в приватних похідних гіперболічного типу Сен-Венана з двома невідомими функціями і двома незалежними змінними в області гладких рішень наводиться до еквівалентної системи звичайних диференціальних рівнянь характеристик.

    Крайові умови задаються в конструктивних вузлах магістрального каналу з головної насосної станцією. Характерними конструктивними вузлами є: створи хвильових збурень, створи сполучення хвильових збурень і створи відображення хвильових збурень, розташовані на початку, в проміжних перетинах і наприкінці магістрального каналу.

    Таблиця 1

    енти в б'єфах МК

    Номер б'єфу Шорсткість Ухил Довжина б'єфу, м Закладення укосу Ширина по дну, м Відбір води, м3 / с, 95% Нормальна глибина, м

    1 0,017 0,0003 4500 2 2 1,2 2,197

    2 0,017 0,0003 3500 2 2 1,2 2,119

    3 0,017 0,0003 4500 2 2 1,2 2,041

    4 0,017 0,0004 3500 2 1 1,2 2,041

    5 0,017 0,0004 2250 2 1 1,2 1,953

    6 0,02 0,00045 3500 2 1,5 1,2 1,836

    7 0,02 0,0006 4000 2 1,5 1,2 1,641

    8 0,025 0,0004 5000 2 1,5 0,9 1,855

    9 0,025 0,0004 4750 2 1,5 0,9 1,758

    10 0,025 0,0004 9500 2 1,5 0,8 1,641

    11 0,02 0,00005 500 2 1,5 0 2,188

    Таблиця 2

    Дані по перегороджує спорудам МК

    № б'єфу Тип сполучення Коефіцієнт витрати Коефіцієнт горизонтального стиснення потоку Коефіцієнт вертикального стиснення потоку Ширина затвора, м Кількість затворів Відкриття затвора, м Наявність регулятора

    2 ПС 0,66 0,97 0,95 1,5 2 2,3 немає

    3 ПС 0,64 0,96 0,95 1,5 2 2,5 »

    4 ПС 0,63 0,96 0,94 1,5 2 3,0 »

    5 ПС 0,65 0,97 0,95 1,5 2 2,5 »

    6 ПС 0,64 0,96 0,94 1,5 2 2,3 »

    7 ПС 0,63 0,97 0,95 1,5 2 2,1 »

    8 ПС 0,66 0,96 0,95 1,5 2 2.0 »

    9 ПС 0,64 0,96 0,95 1,5 2 1,7 »

    10 ПС 0,65 0,96 0,94 1,5 2 1,4 та

    11 ПС 0,63 0,95 0,95 1,5 2 0,8 »

    Контроль за режимом роботи і управлінням затворами перегороджують споруд здійснюється в дискретні моменти часу відповідно до математичними залежностями, що описують процес контролю і управління. Йому відповідають розрахункові операції керуючих впливів і уставок.

    В якості математичних залежностей для розрахунку керуючих впливів затворами перегороджують споруд розглядаються закони регулювання дискретного дії. Ці співвідношення дозволяють в автоматизованому режимі контролювати рівні і витрати води у верхньому і нижньому б'єфах перегороджують споруд.

    Даний метод використаний при проведенні імітаційних досліджень перехідних гідравлічних процесів з метою реалізації способу активного управління водорозподілу на магістральному каналі ПОС.

    Розрахунки несталого течії води виконані з реалізацією програмного комплексу «Динаміка». За початкові умови розрахунку несталого течії води прийняті дані по розрахунку усталеного нерівномірного плину води за період 6 годин від початку включення агрегатів насосної станції.

    Процес несталого течії води починається з моменту відключення одного агрегату головної насосної станції (зі зміною витрати з 16 до 12 м3 / с). Цей процес супроводжується зниженням рівня води в б'єфах каналу. Через дванадцята година відключений агрегат знову включається (зі зміною витрати з 12 до 16 м3 / с), при цьому відбори води зберігаються на колишньому рівні. Цей процес супроводжується підйомом рівнів води в б'єфах каналу. Таким чином, за 30 год здійснюється весь цикл процесу управління водорозподілу, що включає в себе управління водоподачи на головної насосної станції та управління водоотбором в точках водовиділу.

    Вибіркові результати розрахунків несталого течії води в б'єфах магістрального каналу ПОС при відключенні і включенні одного з агрегатів головної насосної станції в продовження одного повного періоду активного управління водораспреде-ленням наведені в табл. 3.

    На рис. 1 представлена ​​залежність зміни глибин від віддаленості головного створу магістрального каналу для відбору витрат води 95% -й забезпеченості без використання регуляторів.

    Таблиця 3

    Дані розрахунку несталого течії води для відбору 95% -й забезпеченості

    Гідравлічні характеристики по довжині каналу Без регуляторів Регулятори в 7-м і 10-м б'єфах Регулятори в 9-м і 10-м б'єфах

    6 ч 18 год 30 год 6 год 18 год 30 год 6 год 18 год 30 год

    5 б'єф

    Витрата, м3 / с 15,303 11,659 15,868 15,304 11,658 15,869 15,303 11,658 15,868

    Глибина, м 2,820 2,242 2,922 2,820 2,242 2,921 2,820 2,242 2,922

    Швидкість, м / с 0,817 0,948 0,793 0,818 0,948 0,794 0,817 0,948 0,793

    6 б'єф

    Витрата, м3 / с 15,274 11,777 16,129 15,276 11,776 16,125 15,274 11,777 16,129

    Глибина, м 2,774 2,204 2,929 2,767 2,202 2,918 2,774 2,204 2,929

    Швидкість, м / с 0,781 0,905 0,748 0,785 0,906 0,753 0,781 0,905 0,748

    7 б'єф

    Витрата, м3 / с 12,916 10,031 13,811 13,265 10,129 14,117 12,917 10,032 13,813

    Глибина, м 2,763 2,287 2,944 2,499 2,130 2,627 2,763 2,287 2,942

    Швидкість, м / с 0,665 0,722 0,635 0,817 0,926 0,796 0,665 0,722 0,636

    8 б'єф

    Витрата, м3 / с 11,162 9,429 12,462 11,449 9,537 12,733 11,189 9,439 12,487

    Глибина, м 2,709 2,373 3,016 2,771 2,393 3,077 2,696 2,370 2,986

    Швидкість, м / с 0,595 0,636 0,549 0,587 0,634 0,541 0,602 0,638 0,560

    9 б'єф

    Витрата, м3 / с 11,162 9,151 11,269 9,895 9,214 11,493 10,162 9,227 11,751

    Глибина, м 2,709 2,490 3,006 2,645 2,509 3,064 2,142 2,052 2,351

    Швидкість, м / с 0,595 0,567 0,499 0,551 0,564 0,492 0,821 0,803 0,806

    10 б'єф

    Витрата, м3 / с 6,33 6,931 7,454 6,874 7,128 8,965 7,230 7,261 9,006

    Глибина, м 2,418 2,669 2,846 2,643 2,395 2,442 2,669 2,377 2,445

    Швидкість, м / с 0,413 0,927 0,364 0,383 0,473 0,575 0,396 0,488 0,576

    Для розглянутого процесу активного управління водорозподілу характерно зниження рівнів води в голові магістрального каналу, при цьому рівні в кінцевих б'єфах перевищують задану глибину, відповідну сталому режиму руху води в каналі. Таким чином, без використання авторегуляторів рівнів в процесі управління водорозподілу глибини збільшуються в кінці магістрального каналу, що не дозволяє ефективно використовувати наявні ємності окремих бьефов і оптимально управляти подачею води споживачам. Наявні ємності каналу необхідно раціонально використовувати з тим, щоб акумулювати додаткові обсяги по всій довжині каналу і використовувати їх на подальших етапах активного управління водорозподілу. Для цієї мети необхідно застосовувати авторегулятори рівнів по верхньому і нижньому б'єфу споруд. На рис. 2 представлена ​​залежність зміни глибин від віддаленості бьефов від головного створу магістрального каналу для відбору витрат води 95% -й забезпеченості при наявності двох регуляторів рівнів по верхньому б'єфу споруд в кінці 7-го і 10-го бьефов.

    Видно, що з відключенням одного агрегату спостерігається значне зниження рівнів в головній частині каналу. На авторегулятор рівня, встановленому в кінці 7-го б'єфу утримується практично первісна глибина, що дозволяє зменшити накопичується обсяг води в зазначеному б'єфі. Однак це тягне за собою збільшення накопиченого обсягу в б'єфах 8 - 10. У хвостовій частині в кінці циклу регулювання спостерігається перевищення глибин над початковими, що не дозволяє вибрати такий варіант як рекомендованого до використання при управлінні водорозподілення на магістральному каналі ПОС.

    На рис. 3 представлена ​​залежність зміни глибин від віддаленості бьефов від головного створу магістрального каналу для відбору витрат води 95% -й забезпеченості при наявності двох регуляторів рівнів по верхньому б'єфу споруд в кінці 9-го і 10-го бьефов. Залежності рівня води на авторегулятор в кінці зазначених бьефов відповідають прийнятим дискретного закону зміни уставки (рівня води) в заданих діапазонах.

    H = AL)

    H

    3,5

    3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5

    5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 L, м 6 годин 18 годин "*" 30 годин

    Мал. 1. Залежність зміни глибин по довжині магістрального каналу для відбору витрат води 95% -й забезпеченості без використання регуляторів

    H = AL)

    3

    3,0 2,5 2

    1,5

    0,5

    5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 I, м ~ ° ~ 6 годин д 18 годин х 30 годин ....... створ установки РУВ

    Мал. 2. Залежність зміни глибин по довжині магістрального каналу при наявності двох регуляторів рівнів по верхньому б'єфу споруд в кінці 7-го і 10-го бьефов

    0

    1

    H

    H = f [L)

    3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

    5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 Ь, м "^ б годин 18 годин -30 годин ------- створ установки РУВ

    Мал. 3. Залежність зміни глибин по довжині магістрального каналу при наявності двох регуляторів рівнів по верхньому б'єфу споруд в кінці 9-го і 10-го бьефов

    Максимальне відхилення від початкового рівня, відповідного сталому руху води в магістральному каналі, не перевищує 0,25 м, що дозволяє говорити про високий рівень управління водорозподілу відповідно до прийнятої схеми.

    На підставі даних імітаційного моделювання можливе прийняття відповідного керуючого рішення для зрошувальної системи. Застосування авторегуляторів рівнів в кінці 9-го і 10-го бьефов дозволяє перерозподілити резервні обсяги по довжині, знизити максимальні рівні води в кінці магістрального каналу, тим самим дозволить підвищити ефективність управління водораспределе-ням при роботі насосних станцій на Приміською зрошувальній системі міста Краснодара.

    Надійшла до редакції

    література

    1. Іваненко Ю.Г., Ткачов А.А. Теоретичні засади і рішення спеціальних завдань гідравліки відкритих русел. Новочеркаськ, 2001. 203 с.

    2. Іваненко Ю.Г., Лобанов Г.Л., Ткачов А.А. Математичне моделювання активних засобів управління водорозподілу у відкритих руслах // Изв. вузів Сев.-Кавк. регіон. Техн. науки. №1. 2000. С. 53 - 55.

    3. Іваненко Ю.Г., Лобанов Г.Л., Ткачов А.А. Чисельний метод рішення диференціальних рівнянь характеристик несталого течії води у відкритих руслах // Изв. вузів Сев.-Кавк. регіон. Техн. науки. №1. 2000. С. 56 - 60.

    4. Ткачов А.А. Розрахунок перехідних процесів в б'єфах магістрального каналу при різних схемах регулювання для способу активного управління водорозподілу // Изв. вузів. Сев.-Кавк. регіон. Техн. науки. 2011. № 3. С. 86 - 90.

    15 березня 2011 р.

    Ткачов Олександр Олександрович - канд. техн. наук, професор, кафедра гідротехнічних споруд, Новочеркаська державна меліоративна академія. Тел. (8635) 25-31-02. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Tkachev Alexander Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, professor, department «Hydraulic Engineering Econstructions», Novocherkassk State Reclamation Academy. Ph. (8635) 25-31-02. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: управління водорозподілу /несталий протягом води /математичні моделі руху рідини /management of water distribution /the unsteady flow of water /the mathematical model of fluid motion

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити