Комплексная оптимизация источников и трубопроводных систем группового водоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.04, кандидат технических наук Мелехов, Евгений Сергеевич

• Мелехов, Евгений Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мелехов, Евгений Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Анализ состояния систем группового водоснабжения (СГВ), задачи и методы их проектирования, развития и реконструкции.

§1.1 Характеристика СГВ и тенденции их развития.

§ 1.2 Существующие подходы, методы и модели проектирования СГВ.

§1.3 Задачи дальнейших исследований и возможные методы их 41 решения.

ГЛАВА II. Математические модели и методы обоснования структуры и параметров СГВ.

§2.1 Содержательная постановка задачи оптимизации СГВ.

§2.2 Математическое описание потокораспределения в СГВ.

§2.3 Математическая постановка, методика и методы оптимизации СГВ.

ГЛАВА III. Совершенствование методики оптимизации СГВ, ^ ее алгоритмизация и программная реализация.

§3.1 Совершенствование метода схемно-структурной оптимизации СГВ.

§3.2 Совершенствование метода схемно-параметрической оптимизации и общая схема оптимизации.

§3.3 Программная реализация.

ГЛАВА IV Практическое применение методики комплексной оптимизации СГВ

§4.1 Перечень решаемых задач при обосновании структуры и параметров СГВ.

§4.2 Исследования влияния различных параметров на выбор оптимальной структуры и параметров СГВ на примере Заларинского группового водопровода.

§4.3 Выбор оптимальной структуры и параметров Куйтунского и Че-ремховского групповых водопроводов. Выводы по результатам расчетов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексная оптимизация источников и трубопроводных систем группового водоснабжения»

Актуальность проблемы.

Системы группового водоснабжения (СГВ) являются одними из крупнейших потребителей металла, электроэнергии и энергосилового оборудования. При всем разнообразии состава сооружений СГВ, основные из них, участвующие в снабжении водой потребителей и наиболее капиталоемкие - это водозаборные и очистные сооружения, водопроводная сеть, насосные станции и регулирующие резервуары. Стоимость данных сооружений оказывает существенное влияние на выбор структуры, топологии и параметров СГВ, и поэтому эти сооружения являются объектами повышенного внимания при их проектировании и эксплуатации. Следует отметить, что в гидрогеологических условиях РФ каждый укрупненный потребитель может иметь собственный локальный подземный или поверхностный источник воды. Вопрос лишь в том, куда вложить деньги: в строительство централизованной системы, либо в ряд локальных водозаборов. Связано это с тем, что у централизованной системы, как правило, основные затраты идут в сетевую часть, а у децентрализованной - в локальные водозаборные и очистные сооружения. При этом, величина капиталовложений будет существенно зависеть от местных условий, численности источников, удаленности от потребителей, качества воды в местах водозабора.

В настоящее время имеется богатый опыт решения задач оптимизации структуры и параметров трубопроводных систем различного технологического назначения. Вместе с тем, как показал проведенный анализ, существующие подходы в основном сводятся к поиску наилучшего решения по конфигурации трассы и параметрам транспортирующих сооружений. Кроме того, в этих подходах не учитывается влияние качества воды на структуру и параметры СГВ, и, должным образом, не рассматриваются эксплуатационные затраты в сетевые сооружения, хотя очевидно, что от качества исходной воды в источниках зависит состав сооружений водоподготовки, а, следовательно, и стоимость варианта проекта системы водоснабжения в целом.

Цель работы.

Требуется разработать такую методику комплексной оптимизации СГВ, которая бы с одной стороны - позволила учитывать качество воды в источниках, с другой - обеспечила выбор оптимальных водозаборов, структуры и параметров транспортирующих сооружений.

Для достижения указанной цели потребовалось следующее:

- систематизировать сооружения СГВ и определить их стоимостные характеристики;

- усовершенствовать методы оптимизации СГВ и разработать соответствующий программный комплекс;

- провести содержательные исследования по оценке влияния на структуру СГВ: качества воды в источниках, роста тарифа на электроэнергию, показателей надежности и сейсмостойкости, величины и характеристик эксплуатационных затрат;

- показать эффективность предлагаемой методики для решения указанных задач на реальных объектах СГВ;

Настоящая диссертационная работа выполнялась на кафедре «Городское строительство и хозяйство» в рамках научного направления: «Развитие теории гидравлических цепей» и госбюджетной темы: «Развитие методических основ для комплексного решения задач управления функционированием коммунальных систем тепло- водоснабжения и водоотведения»

Научная новизна

Впервые поставлена и решена задача копмлексной оптимизации структуры и параметров СГВ с учетом качества исходной воды в альтернативных источниках. При этом:

- усовершенствованы и адаптированы к решению поставленной задачи методы схемно-структурной и схемно-параметрической оптимизации;

- проведен анализ структуры и сопоставление единовременных и эксплуатационных затрат в сооружения подачи, регулирования и очистки природной воды и показана неэффективность использования сооружений малой производительности;

- показано, что качество исходной воды, учет показателей надежности и сейсмостойкости, рост тарифов на электроэнергию оказывают значительное влияние на выбор рациональной структуры и степени централизации СГВ.

Практическая ценность.

На основе разработанной в ней методики и программного комплекса, были проведены исследования реальных СГВ и даны рекомендации проектировщикам по учету качества воды в источниках, показателей надежности и сейсмостойкости, капитальных и эксплуатационных затрат при обосновании структуры и параметров как новых, так и развивающихся СГВ.

В частности, предлагаемая методика и программный комплекс TRACEsgv, разработанный автором данной работы, использованы при проектировании, реконструкции и развитии ряда систем группового водоснабжения в Иркутской области (Заларинский, Черемховский, Куйтунский групповые водопроводы). Эффект от внедрения составляет 510% от стоимости проектного варианта.

Также данная методика и программный комплекс TRACEsgv были использованы при разработке мероприятий по улучшению питьевого водоснабжения в ряде городов Иркутской области (Братск, Усть-Илимск, Ангарск, Шелехов).

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции «Иркутск на пороге третьего тысячелетия» в 2000 г.; на международной конференции «Энергосберегающие технологии, методы повышения эффективности работы систем и сооружений водоснабжения и водоотведения» в 2003 г; на научно-практических конференциях факультета Строительства и городского хозяйства Иркутского государственного технического университета в 20002003; на конференциях Российской академии водохозяйственных наук 2001, 2003гг.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (99 наименований), общим объемом 206 страниц, из них: 132 страницы основного текста, 56 рисунков, 49 таблиц, приложения, включающие акты о внедрении.

Заключение диссертации по теме «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов», Мелехов, Евгений Сергеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Повышающиеся с каждым годом цены на электроэнергию, сооружения для подачи, подготовки и распределения исходной воды от источника к потребителям, высокая стоимость сетевой части СГВ в связи с их большой протяженностью, вынуждают искать и совершенствовать методы оптимизации СГВ. В диссертации рассмотрены и решены следующие связанные с этими проблемами вопросы:

1. Проанализированы существующие методы оптимизации систем подачи и распределения воды, а также существующий критерий приведенных затрат.

2. Проведена оценка стоимостных показателей трубопроводов, сооружений для подачи и очистки исходной воды, на основе которой был расширен критерий оптимизации.

3. Усовершенствована методика схемно-структурной оптимизации и адаптирована для определения оптимальной структуры объекта СГВ с учетом множества альтернативных источников водоснабжения.

4. Усовершенствована методика схемно-параметрической оптимизации для определения оптимальных параметров СГВ с учетом качества исходной воды в альтернативных источниках и объединения условно-оптимальных решений по всем источникам в едином вычислительном процессе.

5. На основе разработанной методики комплексной оптимизации СГВ реализован программный комплекс, который позволяет быстро и эффективно решать поставленную задачу.

6. С помощью реализованного программного комплекса TRACEsgv проведено более 30-ти расчетов реальных объектов СГВ Иркутской области. В результате расчетов выявлено влияние качества исходной воды, удаленности источников водоснабжения от потребителей, повышения надежности и сейсмостойкости системы, стоимости электроэнергии, глубины и дебета скважин подземных водозаборов на степень централизации СГВ.

Представляется, что предлагаемая методика и комплекс программ будут способствовать повышению эффективности проектирования систем группового водоснабжения и уменьшению затрат на их строительство и эксплуатацию.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мелехов, Евгений Сергеевич, 2003 год

1. Абрамов Н.Н. Надежность систем водоснабжения. М.: Стройиздат, 1979. -232 с.

2. Антикоррозионная защита санитарно-технического оборудования/ К.Мербе, В.Моренц, Г.В.Польманн, Г.Вернер; пер. с нем. к.т.н. Е.Ш. Фельдмана, под ред. к.т.н. Л.К.Доронина. М.: Стройиздат, 1990. - 264 с.

3. Балабан-Ирменин Ю.В., Липовских В.М., Рубашов A.M. Защита от внутренней коррозии трубопроводов водяных тепловых сетей. М.: Энерго-атомиздат, 1999.

4. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности. М.: 1969.

5. Бер A.M., Белов Е.Н., Поляк Б.Т. О некоторых задачах оптимизации В кн.: Вычислительные методы и программирование. М.: МГУ, 1966, т.5, с.115-123.

6. Бочаров П.П. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Гар-дарика.- 1998, 326 е.: ил.

7. Виноградов С.В. Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки. -М.: Стройиздат, 1980.- 135 с.

8. Водозаборные сооружения из подземных источников (теория, расчет и оптимизация)/ Б.Ф. Турутин, А.И. Матюшенко Красноярск: Редакционно-издательский отдел КГТУ, 1996. - 184 с. - (Монография).

9. Водоснабжение: Технико-экономические расчеты. Под ред. к.т.н. Г.М. Басса. Киев: головное издательство издательского объединения «Вища школа», 1977.

10. Ю.Гехман А.С., Зайнетдинов Х.Х. Расчет, конструирование и эксплуатация трубопроводов в сейсмических районах. М.: Стройиздат, 1988.- 184 е.: ил (Надежность и качество).

11. П.Гехман А.С., Грохотова Т.В. Вопросы проектирования и строительства трубопроводов в сейсмических районах за рубежом. М.: Информнефте-газстрой, 1982. - 50 с.

12. Дерюшев Л.Г., Минаев А.В. О вопросах оценки надежности трубопроводных систем водоснабжения. Надежность водопроводных систем: Тез. докл.- М.: МДНТП, 1988.

13. Дерюшев Л.Г. Надежность систем водоснабжения и водоотведения //Водоснабжение и санитарная техника. 2000, №12, С.6-9.

14. Джонс Дж.К. Методы проектирования. М.: Мир. - 1986. - 326 С.

15. Долан Э.Дж., Кэмпбелл К.Д. Деньги, банковское дело и денежно-кредитная политика/Пер. с англ. В.Лукашевича и др.; Под общей ред.В Лукашевича. -Л.: изд-во ПФК «Профико», 1991. 448 с.

16. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Якушев Н.М. Групповые водопроводы в России журнал Водоснабжение и санитарная техника №5, 1999

17. Единые нормы и расценки на строительные, монтажные и ремонтно-строительные работы сборник Е2.

18. Единые нормы и расценки на строительные, монтажные и ремонтно-строительные работы сборник Е9-2.

19. Ильин Ю.А. Расчет надежности подачи воды. -М.: Стройиздат, 1987. -318с.

20. Ильин Ю.А. Надежность водопроводного оборудования и сооружения. -М.: Стройиздат, 1985. -240с

21. Индексы цен в строительстве. Информационный бюллетень. Иркутск, 2000.

22. Каганович Б.М. Дискретная оптимизация тепловых сетей. Новосибирск: Наука, 1978.-86 с.

23. Кантор Л.И., Скочило Д.Б. Анализ состояния водопроводных сетей и мероприятия по улучшению их работы. //Водоснабжение и санитарная техника. 2001, № 5, ч.2, С.29-31.

24. Кемелев А.А. Групповые системы сельскохозяйственного водоснабжения. -М.: Колос. 1971.- 192с.

25. Кемелев А.А. Групповые системы сельскохозяйственного водоснабжения и повышения их эффективности. Автореф. диссер. на соиск. уч.степ, докт.техн.наук. Новосибирск: НИСИ. - 1973. - 47 С.

26. Кемелев А.А. Водопотребление и рационализация систем сельсководо-снабжения. Алма-Ата: Кайнар. - 1979. - 124 С.

27. Кирсанов М.В. Экономический расчет водопроводных сетей. М.; Л.:Минкомхоз РСФСР, 1949- 148с.

28. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир. -1978.-432С.

29. Курант Р., Робине Г. Что такое математика? М.; JI.: Госиздат, 1947. -664С.

30. Леонас B.JI., Моцкус И.Б. Метод последовательного поиска для оптимизации производственных систем и сетей. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1965, №1, с. 18-25.

31. Липович Р.Н. Микробиологическая коррозия и методы ее предотвращения. -В кн.: Тематич. научн. обзоры, М.: ВНИИОЭНГ, 1977, с.78.

32. Макогонов B.C. Надежность систем водоснабжения. //Водоснабже-ние и санитарная техника.- 1974, №11, С.37-39.

33. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем/ Е.В. Сеннова, В.Г. Сидлер; ответственный редактор д-р физ.-мат. наук А.П. Меренков. Новосибирск: «Наука» Сибирское отделение, 1987.

34. Мелентьев JI.A. О главных свойствах больших систем энергетики. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1977. - № 1. - С.3-13.

35. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985.

36. Меренков А.П. Применение ЭВМ для оптимизации разветвленных тепловых сетей. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1963. - №4. -С.531-538.

37. Меренков А.П. О теории гидравлических цепей как научно-технической дисциплине и некоторых проблемах математического моделирования трубопроводных систем //Математическое моделирование трубопроводных систем. Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1988. 236с.

38. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Расчет разветвленных тепловых сетей на основе их оптимизации с использованием ЭВМ. Изв. СО АН СССР. Сер.техн.наук. - 1963. -№10. -Вып.З. -С.42-48.

39. Меренкова Н.Н. Математические модели для оптимизации трассировки и структуры трубопроводных систем. В кн.: Вопросы прикладной математики. СЭИ СО АН СССР. Иркутск, 1978, с 145-158.

40. Методические основы и вычислительная база для автоматизации проектирования групповых водоводов и открытых каналов /Отв. исполнитель В.Р. Чупин. Научный отчет по теме 1.9.6.6.4. Иркутск. - Сиб.энерг.ин-т. — 1985.-465с.

41. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. 21.06.1999 N ВК 477.

42. Могильницкий Г.М. Микробиологическая коррозия магистральных трубопроводов и методы, предотвращающие ее развитие. /Биоповреждения встроительстве. Иванов Ф.М., Горшин С.Н., Дж.Уэйт и др. -М.: «Стройиз-дат», 1984.-С. 230-245.

43. Моцкус И.Б. Многоэкстремальные задачи в проектировании. М.: Наука, 1967-215с.

44. Мошнин Л.Ф. Выбор диаметров водопроводных линий. Водоснабжение и сан. техника, 1940, № 2/3, с.48-55.

45. Мошнин Л.Ф. Методы технико-экономического расчета водопроводных сетей. -М.: Стройиздат, 1950. -144 с.

46. Надежность систем энергетики и их оборудования: Справочное издание. В 4 т. Т. 4: Надежность систем теплоснабжения / Е.В.Сеннова, А.В.Смирнов, А.А.Ионин и др. Новосибирск: Наука, 2000. - 351 с.

47. Надежность систем энергетики и их оборудования. В 4т.Т.З. Надежность систем газо- и нефтеснабжения. Под ред. Сенновой Е.В., М.: Недра, 1994. Кн. 1.-414с.; Кн.2-297с

48. Напетваридзе Ш.Г. Сейсмостойкость транспортных и сетевых сооружений. -М.: Наука, 1986. -120 с.

49. Некрасова О.А. Оптимальная трассировка трубопроводных сетей: Авто-реф. дис. канд. экон. наук. М.: ЦЕМИ АН СССР, 1970, 16 с.

50. Некрасова О.А., Хасилев В.Я. Оптимальное дерево трубопроводной системы. Экономика и мат. методы, 1970, т. 4, № 3, с 427-432.

51. Некрасова О.А., Сумароков С.В. Хасилев В.Я. выбор наивыгоднейшей трассировки трубопроводных сетей. Алгоритмы и программы. СЭИ СО -ВИНИТИ АН СССР, 1969, №1488-70 Деп., 73с.

52. Никифоров В.В, Кузенков Е.В., Самойлов М. Напорные трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом //Водоснабжение и санитарная техника. 2000, 8, С.22-24.

53. Нутенко Л.Я. Использование проблемы Штейнера и ее обобщений для постановки и решения некоторых задач пространственной экономики. ЦЕМИ АН СССР, М., 1968.

54. Попов Ю.И. Определение расположения точек разветвления в сети трубопроводов — Строительство трубопроводов, 1974, №12, с.21-24.

55. Постановление Госкомстата России № 144 от 9.09.1992 (на 1 июля 1992 г).

56. Постановление Госкомстата России № 207 от 8.12.1993 (на 1 января 1994г).

57. Постановление Правительства России № 967 от 19.08.1994 (на 1 января1995 г).

58. Постановление Правительства России № 1148 от 25.11.1995 (на 1 января1996 г).

59. Постановление Правительства России № 1442 от 7 декабря 1996 г. (на 1 января 1997 г).

60. Постановление Госкомстата России № 6-1/248 от 19.12.1996 (на 1 января1997 г).

61. Постановление Правительства России № 1672 от 31.12.1997. (на 1 января1998 г).

62. Постановление Госкомстата России № ОР-1-24/Ю28 от 6.03.1998 (на 1 января 1998 г).

63. Постановление Госкомстата России № МС-1-23/761 от 22.02.99 (на 1 января 1999г).

64. Россия в цифрах. Краткий статистический сборник. Госкомстат РФ. М.: «Финансы и статистика», 1996. 400с.

65. Скотников Ю.А. Статистика повреждений водопроводных сетей и организация ремонтных работ. В сб.: Проблемы надежности систем водоснабжения. М.: МИСИ, 1973. - С.53-60.

66. Сомов М.А. Влияние материала труб на интенсивность отказов трубопроводов систем водоснабжения. //Водоснабжение и санитарная техника. -1999, №4, С.11-12.

67. Справочник строителя. Монтаж систем внешнего водоснабжения и канализации/ А.К. Перешивкин, А.А. Александров, Е.Д. Булынин и др.; подред. А.К. Перешивкина. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1988. - 653 е.: ил.

68. Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий. Под ред. И.А. Назарова. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1977, 288 с.

69. Старинский В.П., Михайлик Л.Г. Водозаборные и очистные сооружения коммунальных водопроводов. Минск: «Вышэйшая школа», 1989.

70. Ступина Л.А., Чупин В.Р. Проблема нормирования надежности водоснабжения потребителей в задачах проектирования систем транспорта воды. // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Киев УМК ВО. - 1989. - С. 171-174.

71. СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение наружные сети и сооружения/ Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1985. - 136 с.

72. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы. М.: Госстрой СССР. -№ 61 от 13.07.90, 70с.

73. СНиП 2.04.12-86 «Расчет на прочность стальных трубопроводов».

74. Сумароков С.В. Математическое моделирование систем водоснабжения. -Новосибирск: Наука, 1983. 167 с.

75. Фридман Д., Орудэй Н. Анализ приносящей доход недвижимости: Пер. с англ. / Под ред. Я.В.Соколова.- М.:Финансы и статистика, 1997.

76. Хасилев В.Я. Элементы теории гидравлических цепей. Автореф. дис. д-р. техн. наук. Новосибирск: Секция техн. наук. Объединенного ученого совета СО АН СССР, 1966. -98С.

77. Хасилев В.Я. Анализ конфигурации несимметричных тепловых сетей и его применение к выбору мощности систем централизованного теплоснабжения. Изв. АН СССР. Отделение техн. Наук, 1945, № 10/11, с. 11051114.

78. Хасилев В.Я. Вопросы математического моделирования в оптимизации гидравлических систем с применением ЭЦВМ //Методы математическогомоделирования в энергетике. Иркутск: Вост.-Сиб. кн. изд-во, 1966. -С343-348.

79. Храменков С.В., Примин С.Г. Статистический анализ надежности трубопроводов Московского водопровода. //Водоснабжение и санитарная техника.- 1999, № 4 , С.11-13.

80. Ху Т. Целочисленное программирование и потоки в сетях. М.: Мир. -1974.-620С.

81. Хургин Я.И. Как объять необъятное. М.: Знание, 1979- 192 е.: ил.- (Наука и прогресс).

82. Численные методы и программирование на фортране/ Д.Мак-Кракен, У.Дорн.; пер.с англ. Б.Н. Казака; под ред. Б.М. Наймарка М.:Мир, 1977.

83. Чупин В.Р., Малышевский К.А. Комплексный подход к проблеме обеспечения сейсмостойкости трубопроводных систем // Архитектура и строительство. 2001. - №2.

84. Чупин В.Р. Методы схемно-структурной оптимизации систем многопрофильных каналов // Численные методы оптимизации и их приложение. -Иркутск: СЭИСОРАН, 1981.-С. 160-174.

85. Чупин В.Р., Малышевский К.А. Комплексный подход к проблеме обеспечения сейсмостойкости трубопроводных систем // Материалы научно-практич. семинара: Новое в стройиндустрии.- Иркутск, 1998 С. 42-45.

86. Чупин В.Р., Мелехов Е.С., Колесников В.Н. Пути развития систем водоснабжения и совершенствование методологии их проектирования./ Пути решения водных проблем Прибайкалья и Забайкалья. Труды ВСО АВН. Выпуск 1.

87. Чупин В.Р. Оптимизация развивающихся систем подачи и распределения воды. Автореф. дис. д-р. техн. наук. Иркутск, 1991.-41 с.

88. Шифринсон Б.Л., Хасилев В.Я. Рациональная трассировка теплопроводов. Строительная промышленность, 1944, № 2/3, с. 21-24.

89. Шухов В.Г. Трубопроводы и их применение к нефтяной промышленности. М.: Типо-лит. «Рус. тв-ва печ. и изд. дела», 1895 38с.

90. Booth G.H. Sulphur bacteria in relation to corrosion. J Appl. Bacterid., 1964, 27, 147-181.

91. Dillingham. Computer Analysis of water Distribution systems.// Water Sawage works. 1967.-№5.

92. Harris J.O. A study of factors determinating microbiological corrosion of gas and oil underground pipelines. Kans. Agric. Exp. Sth. Techn. Bull., 1963, 135.

93. Kally E. Computerized planning of the least cost water distribution network-Water and Sewage Works. Reference Number, 1972, Aug. 31, p. 121-127.

94. Wakerley D. Microbial corrosion in U.K. industry: a preliminary survey of the problem. Chem. And Ind., 1979, 19, 656-658.