Использование компьютерных комплексов моделирования работы сетей и сооружений

Эксплуатация современных систем водоснабжения крупных городов, а также управление потокораспределением в их протяженных и разветвленных сетях являются весьма трудоемкими и неоднозначными задачами, требующими специфического подхода. 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. Подобные комплексы в наше время стали неотъемлемым инструментом для управления и моделирования режимов работы водопроводных сетей крупных городов-мегаполисов.

Необходимо отметить, что существенный скачок в области использования систем автоматизированного проектирования произошел в середине 80-х — 90-х гг. XX в., когда закончились этапы их эволюционного развития в виде применения аналоговых вычислительных машин, а затем электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ).

Современные компьютерные комплексы, предметной областью моделирования которых являются водопроводные сети и сооружения, претерпели ряд революционных изменений, в числе которых доминирующим звеном становится расчетная схема, изображаемая с помощью компьютера. Эта схема является как основным источником исходных данных, так и средством анализа результатов расчета. Кроме того, исходные данные и расчетные значения стали храниться в стандартных реляционных базах данных.

Преимуществом таких систем проектирования является то, что они позволяют работать с пространственно-распределенной информацией путем несложных операций на компьютере. Таким образом, получаемая схема объединяет в себе свойства источника данных, графического представления и средство анализа.

Современное поле автоматизированных компьютерных комплексов весьма многообразно. Различные компании, предприятия и организации предлагают программные продукты с уникальным набором возможностей накопления, анализа и исследования информации о водопроводной сети города и сооружений на сети.

На сегодняшний день среди автоматизированных компьютерных комплексов по проектированию, исследованию и анализу водопроводных сетей города можно выделить следующие программные продукты:

• Autocad Civil 3D, американской компании Autodesk;
• комплекс продуктов американской компании Bentley Systems, таких как WaterCAD, WaterGEMS HAMMER;
• автоматизированный компьютерный комплекс для работы с системами водоснабжения и канализации города MIKE URBAN, разработанный датской компанией DHI Water & Environment;
• комплекс Zulu Hydro российской компании «Политерм», занимающейся разработкой программного обеспечения в области компьютерного моделирования инженерных систем с 1990 г.;
• комплекс ИГС «CityCom-ГидроГраф», «HydroCalc» и др. Основными функциями современных автоматизированных программных комплексов применительно к системам водоснабжения являются:

1. автоматизация процессов сбора, учета, систематизации и хранения количественных и качественных характеристик при инвентаризации существующих водопроводных сетей и сооружений;
2. непрерывный мониторинг состояния и использования существующих водопроводных сетей и сооружений в процессе эксплуатации с обновлением информационной базы системы актуальными сведениями;
3. обеспечение оперативного доступа к информации и ее автоматизированный анализ, который вырабатывает оптимальные решения в сфере управления, планирования и эксплуатации водопроводных сетей и сооружений;
4. моделирование распределительной системы для поддержания ее гидравлической целостности.

В отношение мониторинга и моделирования распределительной системы необходимо отметить, что в число требующих контроля гидравлических параметров должны входить приток и отток воды из резервуаров, уровни воды во всех накопительных и распределительных резервуарах, расходы и давления подачи всех насосов, расходы и (или) давления для установленной регулирующей арматуры и т.д. Анализ этих данных позволяет определить, что может угрожать гидравлической целостности системы, работает ли она в соответствии с проектными показателями или же имеются какие-то нежелательные отклонения эксплуатационных параметров. Калиброванные модели распределительной системы позволяют рассчитать пространственные и временные изменения расхода, давления, уровня воды в резервуаре, время пребывания в трубопроводной системе, другие гидравлические параметры и параметры качества воды во всей распределительной сети. Такие результаты могут, например, помочь идентифицировать участки с низкими давлениями или разрежениями, оценить циклы заполнения и опорожнения накопительных резервуаров и определить адекватность системы для обеспечения требуемых расходов воды для пожаротушения при различных нагрузках водопотребления и рабочих условиях.

Теперь более подробно Остановимся на преимуществах, которые предоставляют подобные автоматизированные системы. Во-первых, подобные программы совместимы с большинством программ такого же либо смежного направления. Это необходимо в первую очередь для того, чтобы, скажем, инженерно-технические службы и консультанты могли совместно работать с одним и тем же набором данных, пользуясь различными интерфейсами, а группы моделирования — привлекать к работе инженеров из других отделов.

Таким образом, данные, представленные одной группой инженеров в некотором автоматизированном компьютерном комплексе, могут быть визуализированы и использованы другой группой инженеров на иной расчетно-графической компьютерной платформе.

Во-вторых, компьютерные комплексы по водоснабжению имеют в своем составе специальные модули, задачами которых являются процедуры оптимизации водопроводной сети по различным параметрам ее при проектировании и реконструкции. Такие модули, как правило, могут производить оценку миллионов возможных решений и калибровать модель так, чтобы она соответствовала всем значениям расходов и давлений, измеренных на местах.

Модули автоматически находят стратегии проектирования и реконструкции, которые соответствуют максимуму выгоды и минимуму затрат. Расчет производится исходя из размеров капитальных вложений в объект, стоимости перемещений, а также ограничений по давлению и скорости. Также есть возможность анализировать энергозатраты и назначать такие режимы работы насосов, при которых энергопотребление будет минимальным, при этом не нарушая необходимых параметров работы сети.

Одним из мировых лидеров по созданию и использованию автоматизированных программных комплексов для управления и эксплуатации водопроводных сетей является компания Bentley Systems. Разработанный ей автоматизированный программный комплекс Bentley WaterGEMS выступает как головной проект в области управления и анализа работы водопроводных сетей городов. Рассмотрим более подробно функциональные возможности данного продукта.

Программный комплекс Bentley WaterGEMS способен работать как автономно, так и в тандеме с геоинформационной системой (ГИС) — комплексом ArcGis, совместно с Autocad, а также в комплексе с базовой разработкой компании Bentley Systems — Microstation. Модуль гидравлического анализа воды основан на промышленном стандарте EPANET, который предназначен специально для расчета систем подачи и распределения питьевой воды.

Возможности программы не ограничиваются рамками гидравлического расчета водопроводной сети города. Программа позволяет производить оценку трансформации качественных показателей воды при транспортировке водопроводной соды, а также технико-экономический расчет и подсчет энергетических затрат. Стоит отметить наличие специальных расчетных модулей-подпрограмм, которые имеют свои конкретные специфические задачи: модули в составе пакета LoadBuilder и Тгех позволяют уточнять значения водопотребления и высотных отметок узлов на основе геопространственных данных или данных из САПР.

Функции специального модуля Darwin Calibrator заключаются в оценке миллионов возможных решений и калибровке модели так, чтобы она соответствовала всем значениям расходов и давлений, измеренных на местах. Darwin Designer автоматически находит оптимальную стратегию проектирования и реконструкции с точки зрения максимальной выгоды или минимизации затрат. Расчет производится исходя из объемов капиталовложений, стоимости прокладки коммуникаций, а также ограничений по давлению и скорости. Функциями модуля являются также варьирование затрат и анализ расхода энергии для определения оптимального энергопотребления насосов.

Bentley WaterGEMS предоставляет возможность построения расчетной схемы водопроводной сети города, а также ввода информации по каждому элементу сети в ручном режиме. Помимо построения привычной проектировщику кольцевой схемы водоснабжения возможна установка различной запорной или регулировочной арматуры на участках сети, расстановка накопительных или регулирующих резервуаров, а также установка насосов с различными характеристиками и режимами работы.

Автоматизированный комплекс WaterGEMS позволяет производить увязку сети на различные часы суток с динамически изменяемым расходом по часам. Возможно назначение различных потребителей в различных узлах водопроводной сети, при этом каждый из данных потребителей может потреблять воду по своему собственному режиму, а также рассмотрение системы с множеством водопитателей. Кроме того, не стоит забывать об учете в данном программном продукте и о пожарных расходах в городе.

Каждый элемент водопроводной сети в данной программе имеет множество персональных настроек, при этом их количество не усложняет восприятие программы в целом и конкретное проектирование в частности. Назначение труб различных диаметров из различных материалов на разных участках сета также является достоинством данного программного комплекса. При эксплуатации комплекса возможно без особого труда проработать несколько сценариев работы водопроводной сети при использовании различных параметров трубопроводов отдельных участков водопроводной системы, для того чтобы найти оптимальный вариант проектирования или реконструкции.

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.

Также определяются направления и рассчитываются величины расходов в трубопроводах городской сети. Возможно построение пьезометрических профилей по различным направлениям водопроводной сети, а также графиков зависимостей различных величин, изменяющихся по часам суток в узлах водопроводной сети, построение двухмерной диаграммы распределения напоров непосредственно на плане водопроводной сети города. Могут быть графически представлены и разделены величины напоров на различных участках с выделением критических точек давлений.

Другим программным комплексом, помимо Bentley WaterGEMS, основанном на стандарте EPANET, разработанном специально для расчета систем подачи и распределения воды, является автоматизированный компьютерный комплекс MIKE URBAN датской компании DHI Water & Environment, который успешно применяется в ряде западноевропейских стран: Англии, Франции, Испании, Германии, Италии, а также Японии, Польше, Чехии, Болгарии.

Данный программный комплекс является одним из самых многофункциональных и известных в мире комплексов по исследованию водопроводных и водоотводящих сетей крупных мегаполисов наряду с продуктами компании Bentley Systems. В его 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 позволяет реализовать в перспективе систему оперативного управления в режиме онлайн 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.

Помимо перечисленных данных, возможно занесение всех технических параметров, касающихся конфигурации, деталировки и геодезии всех труб, колодцев, а также технологических характеристик резервуарного парка: длины, ширины, высоты, геодезической отметки днищ. Кроме тою, для каждого насосного агрегата может быть установлена техническая характеристика (производительность, напор), время его включения и выключения. Могут быть заданы графики наполнения для каждого резервуара питьевой воды.

Большое значение для результатов гидравлического моделирования имеет задание реальных фактических графиков водопотребления по всем категориям потребителей, а именно жилым строениям, промышленным и культурно-бытовым объектам, что также возможно реализовать в автоматизированном компьютерном комплекс MIKE URBAN,

Для упрощения вся схема водоснабжения города может быть разделена на несколько зон с учетом наличия в каждой зоне водопроводной станции или регулирующего узла, что позволяет выполнять самостоятельные гидравлические расчеты отдельно на каждую зону, задав ей необходимые рабочие условия.

Технические возможности программы MIKE URBAN позволяют моделировать изменение качества воды в распределительных сетях. Выбор оптимального программного комплекса для управления, исследования работы и моделирования режимов водопроводной сети города, в первую очередь, должен производиться на основе оценки тех потребностей и задач, которые стоят перед исследователем. Комплексы способны предоставлять пользователю различные типы отчетов и проектных решений по итогам исследования сети. С их помощью возможно сформировать полноценную расчетно-графическую базу элементов водопроводной сети мегаполиса, на которой можно отрабатывать варианты реконструкции и модернизации трубопроводных сетей.