4770

Рис 7. График изменения водопотребления городской водопроводной сети (рис. 6) от времени эксплуатации, по результатам факторного анализа

1 - расчетный режим водопотребления; 2 - период коррозионного зарастания внутреннего сечения водопроводных труб; 3 — операция прочистки внутреннего сечения; 4 - операция нанесения цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность

труб; 5 - дальнейшая эксплуатация системы после реновации; 6 - то же без реновации

рован повышением качества заглаживания внутренней поверхности покрытия, являющейся заключительной операцией технологического цикла реновации. Этот результат согласуется с многочисленными обследованиями водопроводов, подтверждающими возможность компенсации «потери диаметра» трубы качеством реновации.

Результат факторного анализа наглядно демонстрирует работоспособность метода и целесообразность не только оперативной реновации изношенных водопроводных труб, но и несомненную экономическую эффективность применения новых труб с покрытием.

Практически важным случаем повышения надежности функционирования СПРВ и стабилизации режима водопотребления в условиях интенсивной коррозии является формирование на стадии проектирования ненагруженного резерва (ГОСТ 27.002 - 89), то есть дополнительных резервных элементов (например, байпасных линий), не нагруженных в номинальном режиме. Ненагру-

30

женное резервирование, в отличие от нагруженного, формирует одновременно структурный и транспортный резервы системы. Однако возникают вопросы о количестве резервных элементов, их гидравлических характеристиках, узлах подключения к системе и т.д., ответ на которые может дать формализация этой задачи.

Модель резервированной РЗ (трансформированной в бинарную), содержащей 13 резервных (байпасных) линий и работающей в режиме интенсивного коррозионного зарастания, формализуется путем линеаризации цепных, контурных и узловых уравнений в составе модели возмущенного состояния

(2)-(4):

где нижние индексы «z»,«Э», «В» относятся к элементам РЗ, эквивалентным участкам и байпасным линиям соответственно; элементы диагональных матриц

множество ЭУ расчетной зоны и кон-

тролируемых ЭУ.

Контролируемыми считаются ЭУ, в которых снижение потенциала регламентировано условиями безотказного функционирования СПРВ.

Неизвестными в структуре БРЗ являются расчетные расходы всех функционирующих в аварийном режиме участков, фиктивных и резервных линий, а также диаметры байпасов.

Замыкание системы (12) — (14) достигается при выполнении условия

Условие (15) может иметь важное прикладное значение, так как открывает возможность формализации не только транспортного, но и структурного резервирования, поскольку устанавливает количество дополнительных контуров (байпасов) и их гидравлические характеристики, полностью исчерпывая задачу резервирования.

Модель нагруженного резервирования в условиях интенсивной коррозии водопроводов представлена в работе системой линейных уравнений в матричном виде:

элементы диагональных матриц; ε - предельное число независимых цепей; [δD], [δH] - матрицы-столбцы поправок к диаметрам и потенциалам в ЭУ соответственно.

Таким образом, по отношению к исходному (нерезервированному) варианту системы процесс формирования нагруженного резерва рассматривается как последовательная корректировка диаметров линий. За счет последовательного решения системы уравнений (16) - (18) удается восстановить «провалы» давлений в энергоузлах, образовавшиеся в результате коррозионного зарастания участков, путем увеличения пропускной способности участков за счет заложенного в систему резерва. В то же время подсистема экономических уравнений (18) в составе модели позволяет из множества возможных путей перехода системы из состояния отказа в работоспособное состояние выбрать такую «траекторию», которая отслеживая экстремумы функции стоимости СПРВ, обеспечивает движение системы к оптимальному состоянию.

Возмущающее воздействие (задаваемое), то есть δHJ , может быть получено на основе (6) - (7). Решением системы уравнений (12) - (14) и (16) - (17) являются значения δD байпасных линий в первом и δD участков - во втором случае. Изменение диаметров соответствующих линий осуществляется в итерационном процессе, то есть Di(k+1) = Di(k) +δDi(k) .

В условиях интенсивной коррозии, при отсутствии дорогостоящего технологического оборудования для реновации, альтернативой может служить резервирование.

Формализация задачи оценивания ГС привлекает к себе пристальное внимание исследователей, поскольку она является одним из атрибутов технической диагностики. Однако ее решение сдерживалось проблемой формирования «псевдоизмерений», для чего требовался «отклик» со стороны РЗ. В диссертационной работе предложено решение на основе ЭЭ, а именно поиск отклика не со стороны РЗ, а со стороны АП. Этим приемом удалось разблокировать означенную теоретическую проблему и сделать очередной шаг к ее разрешению.

33

В главе 6 излагаются технологические основы противокоррозионной защиты внутренней поверхности водопроводных труб, осуществляемой це- ментно-песчаным набрызгом раствора, который оказывает пассивный и активный эффекты. Пассивный эффект позволяет изолировать поверхность трубы от окружающей среды; активный - достигается при гидратации цемента с образованием в порах насыщенного раствора гидроокиси кальция.

Толщина слоя раствора зависит от скорости движения набрызгивающей головки и диаметра трубы, рис. 8. Весь технологический цикл разбивается на два последовательных этапа: прочистку, с соответствующим комплектом технологического оборудования (рис. 9), и нанесение цементно-песчаного раство-

Рис. 8. Номограмма для определения скорости движения набрызгивающей головки в зависимости от производительности растворосмесительной установки

Рис. 9. Схема размещения технологического оборудования для прочистки трубопровода

1 - тяговые лебедки; 2 - скребки для снятия продуктов коррозии и отложений; 3 - резиновые диски для прочистки трубы; 4 - автоцистерна для промывки трубопровода; 5 — трактор с помпой для откачки промывной воды

34

pa, схема размещения технологического оборудования которого приведена на

рис. 10.

Рис. 10. Схема размещения технологического оборудования для нанесения

цементно-песчаного раствора 1 - набрызгивающая головка; 2 - разглаживающий конус; 3 - разглаживающая капсула;

4 - связка тягового троса, растворного и воздушного шлангов; 5 - растворосмесительная установка, 6 - тяговые лебедки; 7 - компрессор; 8 - автомобиль с песком и цементом; 9 - автоцистерна с водой; 10 - помпа для откачки воды

Весь комплект оборудования первого и второго этапов бестраншейной

реноваций приобретен и укомплектован ВГ'АСУ совместно с МП ПУ Воронеж-

аодиканал. Отдельные узлы, детали и агрегаты имеют существенные отличия в

зависимости от величины диаметра, причем все множество диаметров труб

распределяется по двум группам: а) трубы малых диаметров, от 100 до 500 мм и

б) трубы больших диаметров, свыше 500 мм.

Рис. 11. Разглаживающая капсула (конструкция автора)

1 - стальная труба; 2 - цементно-песчаныи слой покрытия; 3 - капсула из прорезиненной ткани; 4 - резиновая камера, наполненная воздухом; 5 - межкамерное пространство, заполненное водой: 6 - кольцо из водопроницаемой ткани; 7 - трос для протяжки капсулы по трубе со свежим цементно-песчаным покрытием

35

В работе приведены новые конструкции разглаживающей капсулы (рис. 11), для труб малых диаметров и разглаживающего устройства для труб больших диаметров (рис. 13), с иллюстрацией качества разглаживания (рис. 13).

Рис. 12. Разглаживающее устройство для труб большого диаметра (конструкция автора)

1 - труба с нанесенным цементно-песчаным покрытием; 2 — полый кронштейн; 3 - пружина; 4 - разглаживающая лопатка; 5 - разбрызгивающее устройство для нанесения

цементно-песчаного раствора

Рис. 13. Трубопровод с цементно-песчаным покрытием

а - без разглаживания; б - разглаживание стандартным приспособлением; в, г - состояние поверхности при применении разглаживающего устройства ВГАСУ

36

Прочность цементно-песчаного покрытия повышается за счет нанесения на поверхность композитных материалов, например «Силор-2» и «Спрут 12М» (Украина), имеющих гигиенический сертификат. При этом прочность образцов увеличивается, по результатам испытаний, на 10-12%.

Во ВГАСУ разработано композитное покрытие на основе каучука и угольного шлака, с высокими адгезионными свойствами. Оно может наноситься как непосредственно на металл (снаружи и изнутри трубы), так и на поверхность цементно-песчаного покрытия. Проведенные испытания участка трубы с новым покрытием в составе действующего водопровода в течение 12 лет показали: видимые нарушения и отслоения покрытий отсутствуют.

В диссертационной работе приведен технико-экономический расчет бестраншейной реновации труб методом цементно-песчаного набрызга для участка водопроводной сети диаметром 400 мм и длиной 1922 м, который показал, что по сравнению с «перекладкой» время производства работ сокращается в 6 раз, при экономии 3618035 р.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ состояния проблемы моделирования больших гидравлических систем сложной конфигурации дает все основания утверждать, что ее решение связано с определенностью и стабильностью краевых условий, а при моделировании практически важных режимов установившегося потокораспределения - с определенностью и стабильностью граничных условий. Традиционные методы моделирования охватывают узкую область задач невозмущенного состояния системы с устойчивой формой граничных условий и успешно используются при решении отдельных задач анализа и оптимального синтеза с установившимся режимом водопотребления. Для моделирования значительно более обширной области возмущенного состояния в диссертации получил развитие метод структурной и масштабной трансформации фи-

37

зической модели - структурного графа, на основе декомпозиционного подхода

иусловий энергетического эквивалентирования.

3.На основе обобщения вариационного принципа наименьшего действия на системы подачи и распределения воды формализован метод формирования нелинейных моделей потокораспределения возмущенного состояния, лежащий в основе широкого класса задач анализа и синтеза гидравлических систем. Концептуально состояние системы связывается с определенностью различных форм граничных условий, в рамках условий однозначности. Формализация модели возмущенного состояния зависит от возможности сохранения определенных форм граничной информации, исключающих реализацию вырожденных подсистем пуассоновского типа, в условиях структурных и параметрическихвозмущений.

4.Переход к определенным формам граничной информации в условиях возмущений неизбежно связан с необходимостью свертывания метасистемы. Теоретическое обоснование подобных преобразований дано в работе, в форме фундаментальных условий энергетического эквивалентирования. Идея энергетического эквивалентирования, декларируемая в диссертации, базируется на структуре энергетического функционала, отражающего вариационный принцип наименьшего действия, который используется в качестве первообразной функции при формировании модели потокораспределения. Подобная взаимосвязь через общий функционал процедуры моделирования и эквивалентирования вытекает из принципа инвариантности энергии (в стационарном случае - мощности) и позволяет получить фундаментальные условия энергетического эквивалентирования.

5.Итогом перехода к определенным формам граничной информации в условиях возмущений явился бинарный структурный граф как развитое представление о физической модели возмущенного состояния с адекватными преобразованиями математической модели потокораспределения.

6.Универсальная модель потокораспределения, содержащая модель возмущенного и невозмущенного состояния системы подачи и распределения

38

воды, представима в форме двухмерных матриц блочной структуры, причем каждый из блоков позволяет формализовать задачу в рамках расчетной зоны, абонентских подсистем и локальных подсистем (РЗ + АП + ЛП). Однако в дальнейших теоретических разработках используется только два блока (РЗ + АП), что обусловлено устоявшимися традициями в области анализа и синтеза гидравлических систем, а также желанием ограничить громоздкость математического аппарата при решении прикладных задач.

7.На основе универсальной модели потокораспределения разработан программный вычислительный комплекс HYDROGRAPH, позволяющий прогнозировать состояние системы в условиях аварийных отказов структурных элементов, плановых ремонтов и реконструкций, присоединение (отключение) новых потребителей и источников и т. п.

8.Рассмотрены теоретические и прикладные аспекты энергетического эквивалентирования (в рамках процедуры свертывания метасистемы) в области решения традиционных прикладных задач гидромеханики сетей:

а) переход от переменной путевой к постоянной эквивалентной нагрузке на участке;

б) эквивалентирование единым эквивалентным источником множества насосных станций, резервуарных узлов;

в) эквивалентирование множества разноэтажных потребителей единым эквивалентным и т. д.

Решение известных прикладных задач гидравлики на основе частных условий энергетического эквивалентирования подтверждает концептуальную правомерность этой идеи.

9.Факторный анализ, методология которого предложена в диссертации, является одним из возможных приложений модели возмущенного состояния. Он содержится в перечне гидравлических задач наряду с прогнозом возмущенного состояния, диагностикой несанкционированных отборов, оцениванием состояния СПРВ и т. п., формирующих комплексное понятие «техническая диагностика». Факторный анализ строится на основе линейной модели возмущен-