374 CHƯƠNG 9 Các hệ Thống phân phối nớc 9.1. Cấu trúc và mục đích của Các hệ thống phân phối nớc Tổ hợp xử lí và phân phối nớc đợc thực hiện để xây dựng, vận hành, và duy trì các hệ thống cung cấp nớc. Chức năng cơ bản của các tổ hợp này là thu nớc từ một nguồn nớc, xử lí nớc để có một chất lợng có thể chấp nhận đợc, và phân phối lợng nớc mong muốn tới các địa điểm thích hợp tại thời điểm yêu cầu. Phân tích một tổ hợp thờng là để đánh giá một hoặc nhiều chức năng thành phần của nó: sự phát triển nguồn nớc; sự vận chuyển nớc cha qua xử lí; sự tích trữ nớc cha qua xử lí, xử lí, tích trữ nớc đã xử lí; và sự phân phối nớc đã xử lí cũng nh các thành phần con khác. Do các tác động qua lại của chúng, tích trữ nớc đã qua xử lí thờng đợc đánh giá chung với sự phân phối nớc đã qua xử lí và sự tích trữ nớc cha xử lí thờng đợc đánh giá chung với nguồn nớc. Hình 9.1.1 minh họa các chức năng thành phần của một tổ hợp nói trên. Mục đích của một mạng lới phân phối nớc là cung cấp tới các ngời sử dụng của hệ thống lợng nớc yêu cầu và cung cấp lợng nớc này với một áp suất thích hợp dới nhiều điều kiện sức tải khác nhau. Điều kiện sức tải đợc định nghĩa nh là một kiểu các nhu cầu nút. Một hệ thống có thể tùy thuộc vào một số điều kiện sức tải khác nhau: các nhu cầu tại các nút khác nhau; các nhu cầu cao điểm hàng ngày; một chuỗi các kiểu biến đổi trong một ngày; hoặc một sức tải tới hạn khi một hoặc nhiều đờng ống bị vỡ. Để bảo đảm một thiết kế là thích hợp, một số các điều kiện sức tải bao gồm cả các điều kiện tới hạn cần đợc xem xét. Khả năng vận hành với các kiểu sức tải khác nhau yêu cầu có một mạng lới đáng tin cậy. 375 Các hệ thống phân phối nớc bao gồm ba thành phần chính: các trạm bơm; kho phân phối; và hệ thống ống dẫn nớc phân phối. Các thành phần này có thể đợc chia nhỏ hơn nữa thành các thành phần con. Các thành phần con này lại có thể đợc chia thành các thành phần con nhỏ hơn nữa. Ví dụ, thành phần trạm bơm bao gồm các thành phần con thuộc: cấu trúc, điện, hệ thống ống dẫn, đơn vị bơm. Đơn vị bơm có thể đợc chia nhỏ hơn thành các thành phần con nhỏ hơn: bơm, bộ phận điều kiển, kiểm soát, sự truyền điện, hệ thống ống dẫn và các van. Định nghĩa chính xác của các thành phần, các thành phần con, và các thành phần con nhỏ hơn phụ thuộc vào mức độ chi tiết yêu cầu của phân tích và phụ thuộc tới một mức độ nhất định của mức độ chi tiết của số liệu sẵn có. Trong thực tế, khái niệm thành phần thành phần con thành phần con nhỏ hơn chỉ đợc định nghĩa đơn thuần là một hệ thống cấp bậc của các khối làm sẵn đã đợc sử dụng để xây dựng hệ thống phân phối nớc. Mục tiêu của chơng này là giới thiệu các phơng pháp toán cần thiết để hiểu đợc các mô hình mô phỏng và các mô hình tối u thiết kế và phân tích các mạng lới phân phối nớc. Thêm vào đó, phơng pháp phân tích độ tin cậy cũng đợc trình bày. 9.2. Các thành phần của hệ thống phân phối nớc Các thành phần khác nhau của các thệ thống phân phối nớc và các mục đích của chúng đợc mô tả trong mục này. Các yếu tố chính của hệ thống là bộ phận ống dẫn hoặc các kết nối có đờng kính không đổi và có thể bao gồm các khớp nối ví dụ nh các đoạn cong và các van. Các ống dẫn đợc sản xuất bằng các chất liệu khác nhau, ví dụ nh, bằng gang, thép, bê tông, gỗ ép. Đặc trng cho các hệ thống cấp nớc là mối quan hệ giữa lu lợng hoặc vận tốc với ống dẫn, phơng trình Hazen-Williams: 0,63 0,54 1,318 HW f V C R S (9.2.1) trong đó V là vận tốc dòng chảy trung bình (fit/s), C HW là hệ số nhám Hazen- Williams nh đã liệt kê trong bảng 9.2.1 cho các ống dẫn bằng các vật liệu khác nhau và tuổi sử dụng khác nhau, R là bán kính thủy lực (ft) và S f là độ dốc ma sát. Phơng trình này có thể đợc biểu diễn dới dạng tổn thất cột nớc (fit) nh sau 1,852 1,167 3,02 L HW V h LD C (9.2.2) trong đó L là độ dài đờng ống theo đơn vị fit và D là đờng kính của đờng ống theo đơn vị ft. Phơng trình dòng chảy trong ống dẫn khác cho tổn thất cột nớc là phơng trình Darcy-Weisbach 376 2 2 L L V h f D g (9.2.3) trong đó f là yếu tố ma sát. Yếu tố ma sát là một hàm của số Reynold và độ nhám tơng đối. Độ nhám tơng đối bằng độ nhám tuyệt đối của bề mặt bên trong ống dẫn chia cho đờng kính của ống. Yếu tố ma sát có thể đợc xác định từ sơ đồ Moody. Bên cạnh tổn thất cột nớc do ma sát là tổn thất năng lợng ở các điểm nối. Tổn thất năng lợng này tăng lên bởi một số các thành phần đợc gọi là các thành phần tổn thất cục bộ ví dụ nh các đoạn cong và các van. Các thành phần tổn thất cục bộ có thể sinh ra tổn thất cột nớc đáng kể trong một đoạn ống. Các tổn thất cục bộ tỉ lệ với cột nớc lu tốc và là một hàm của kiểu khớp nối, và trong trờng hợp của các van là độ mở của nó, 377 Hình 9.1.1 Các chức năng thành phần của một tổ hợp xử lí và phân phối nớc (Cullinane, 1989). Bảng 9.2.1 Hệ số nhám Hazen-Williams cho các loại ống bằng vật liệu và tuổi sử dụng khác nhau (Wood, 1980) 378 Kiểu ống dẫn Điều kiện Hệ số Hazen-William. C HW Mới Tất cả các kích cỡ 130 12 và lớn hơn 120 8 119 5 năm tuổi 4 118 24 và lớn hơn 113 12 111 10 năm tuổi 4 107 24 và lớn hơn 100 12 96 20 năm tuổi 4 89 30 và lớn hơn 90 16 87 30 năm tuổi 4 75 40 và lớn hơn 77 24 74 Bằng gang 50 năm tuổi 4 55 Thép có thể hàn đợc Giá trị của C HW bằng với các giá trị của C HW trong trờng hợp ống bằng gang, 5 năm tuổi. Thép tán Giá trị của C HW bằng với các giá trị của C HW trong trờng hợp ống bằng gang, 10 năm tuổi. Gỗ ép Giá trị trung bình, không tính tuổi 120 Kích thớc lớn, chất lợng tốt, khung sắt. 140 Kích thớc lớn, chất lợng tốt, khung gỗ. 120 Bê tông hoặc khung bê tông Quay ly tâm 135 ống Plastic 150 2 2 Lm V h M g (9.2.4) trong đó h Lm là tổn thất cục bộ, V là vận tốc dòng chảy, và g là gia tốc trọng trờng. Bảng 9.2.2 liệt kê các giá trị của M cho các kiểu khớp nối thông dụng nhất. Các nút đợc phân thành hai loại, nút liên kết (junction nodes) và nút ấn định (fixed-grade node - FGN). Nút liên kết là các vật nối giữa hai hoặc nhiều ống dẫn hoặc là nơi dòng chảy ra khỏi (hoặc vào) hệ thống. Các thay đổi về đờng kính ống dẫn thờng đợc mô hình hóa nh là một nút liên kết. Nút ấn định (FGN) là một nút có áp suất và độ cao cố định. Các bể chứa, các thùng nớc, và các đờng ống lớn có áp suất không đổi là các ví dụ về nút ấn định. Các van nớc có thể đợc điều chỉnh để thay đổi tổn thất cột nớc ở hai bên van và thậm chí có thể đóng hoàn toàn để chặn dòng chảy. Tính mềm dẻo này có thể hữu ích khi vận hành một hệ thống sao cho dòng chảy chảy theo các hớng nào đó, hoặc để đóng các phần của một hệ thống để có thể bảo trì hoặc sửa chữa đờng ống dẫn nớc của các phần đó. Các van một chiều chỉ cho dòng chảy chảy theo một hớng và nếu có đủ điều kiện để dòng chảy chảy ngợc lại thì van một chiều này sẽ đóng lại để chặn không cho dòng chảy chảy qua van. Các van một chiều có thể đợc lắp đặt ở cuối đoạn ống xả nớc của một máy bơm để chặn dòng chảy ngợc. Một kiểu van khác là van điều hòa áp suất, còn đợc gọi là van giảm áp (PRV), chúng đợc sử dụng để duy trì cố định một áp suất cho trớc tại phía hạ lu của van cho tất cả các dòng chảy thấp hơn chiều cao cột nớc thợng lu. Khi kết nối hệ thống nớc áp suất cao với hệ thống nớc áp suất thấp, 379 PRV cho phép dòng chảy từ hệ thống nớc áp suất cao nếu áp suất trong hệ thống nớc áp suất thấp không vợt quá. Tổn thất cột nớc qua van thay đổi phụ thuộc vào áp suất hạ lu, chứ không phụ thuộc vào dòng chảy trong ống. Bảng 9.2.2 Hệ số tổn thất của các khớp nối thông thờng (Wood, 1980) Loại khớp nối M Van Glove, mở hoàn toàn 10,0 Van Angle, mở hoàn toàn 5,0 Van một chiều lá, mở hoàn toàn 2,5 Van cánh, mở hoàn toàn 0,2 Van cánh, mở 3/4 1,0 Van cánh, mở 1/2 5,6 Van cánh mở 1/4 24,0 Khuỷu đờng kính ngắn 0,9 Khuỷu đờng kính trung bình 0,8 Khuỷu đờng kính lớn 0,6 Khuỷu 45 0,4 Khuỷu uốn kín 2,2 Mấu nối, nối cạnh 1,8 Mấu nối, nối thẳng 0,3 Kết hợp 0,3 45 Trạc ba, nối cạnh 0,8 45 Trạc ba, nối thẳng 0,3 Hình dạng đầu vào vuông 0,5 miệng chuông 0,1 hai nấc 0,9 ra 1,0 Các bể chứa đợc sử dụng để trữ nớc trong một ngày để các bơm có thể vận hành gần nh với hiệu suất cực đại và giảm thiểu nhỏ nhất yêu cầu năng lợng. Trong một hệ thống đơn giản với một bơm, trên phơng diện giá thành bơm, thì kinh tế nhất khi vận hành bơm này ở hiệu suất cực đại của nó, nhng các nhu cầu thì thay đổi theo thời gian nên điều này là không thể. Thêm vào hệ thống một thùng chứa nớc, đóng vai trò nh một bộ đệm trữ nớc khi lợng nớc đến ít và xả nớc vào hệ thống khi nhu cầu nớc cao, sẽ cho phép bơm nớc vận hành sát với yêu cầu trung bình. Giả sử rằng yêu cầu trung bình là công suất của bơm, điều này sẽ làm cho hiệu suất của hệ thống lớn nhất đối với giá thành bơm. Tuy nhiên, giá của việc xây dựng một thùng chứa và phần còn lại của hệ thống cần đợc thêm vào giá thành năng lợng để xác định giá thành trung bình của mẫu thiết kế. 380 9.3. bơm nớc và thủy lực bơm Mục đích của các van là để giảm chiều cao cột nớc trong hệ thống trong khi đó các bơm đợc sử dụng để tăng năng lợng. Có rất nhiều kiểu bơm tồn tại nhng bơm ly tâm đợc sử dụng thờng xuyên nhất trong các hệ thống phân phối nớc. Các bơm ly tâm truyền năng lợng cho nớc thông qua một phần tử quay đợc gọi là bộ đẩy và bơm ly tâm có thể đợc phân làm hai loại, ly tâm và hớng tâm, tuỳ thuộc vào hớng nớc phải chảy. Số lợng và góc nghiêng của các cánh quạt trên bộ đẩy và tốc độ mô-tơ của bơm ảnh hởng đến các đặc điểm vận hành của các bơm ly tâm. Đờng cong đặc trng chiều cao cột nớc máy bơm là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa tổng chiều cao cột nớc động với lợng nớc mà bơm có thể cung cấp. Các đờng cong này thờng đợc xác định từ các đo lờng bơm thực hiện bởi nhà máy sản xuất bơm. Khi có một hoặc nhiều bơm đợc vận hành, các tổn thất của trạm bơm hay là các tổn thất cột nớc của ống dẫn nớc vào và ra khỏi bơm, cần đợc trừ khỏi đờng cong của máy bơm của nhà sản xuất để có đợc đờng cong đặc điểm chiều cao cột nớc hiệu đã hiệu chỉnh, nh trình bày trong hình 9.3.1. Hai điểm quan trọng của đờng cong máy bơm là cột nớc tắt và lợng nớc xả bình thờng hay công suất tỷ lệ. Cột nớc tắt là cột nớc đầu ra của máy bơm khi lu lợng bằng không, còn lu lợng tiêu chuẩn (hay cột nớc) hay công suất tỷ lệ là lu lợng (hay cột nớc) khi bơm vận hành tại mức độ có hiệu quả lớn nhất. Các mô-tơ có vận tốc biến đổi có thể điều chỉnh bơm ở một số các vận tốc quay, dẫn đến một máy bơm đơn lẻ có một bộ các đờng cong máy bơm. Đặc biệt, để cung cấp một dòng chảy và chiều cao cột nớc cho trớc, một nhóm máy bơm đợc cung cấp để vận hành nối tiếp hoặc song song và số máy bơm làm việc phụ thuộc vào các dòng chảy yêu cầu. Điều này khiến cho việc vận hành các máy bơm gần với hiệu suất cao nhất của nó là khả thi. 381 Hình 9.3.1 Đờng cong máy bơm đã hiệu chỉnh. Các nhà máy sản xuất bơm đồng thời cũng cung cấp các đặc điểm của bơm cho các vận tốc khác nhau và cho các kích thớc bộ đẩy khác nhau, nh đã trình bày trong hình 9.3.2. Sự vận hành nhiều máy bơm cho một hoặc nhiều máy bơm mắc song song hoặc mắc nối tiếp cần có thêm các đờng cong đặc điểm chiều cao cột nớc đã sửa đổi. Để vận hành các máy bơm mắc song song, các đờng cong đặc trng cột nớc đợc thêm vào theo chiều ngang với chiều cao cột nớc tơng ứng vẫn giữ nguyên (hình 9.3.3). Để vận hành các máy bơm mắc nối tiếp, các đờng cong đặc trng chiều cao cột nớc đợc thêm vào theo chiều dọc với các lợng nớc xả tơng ứng vẫn giữ nguyên. 382 Hình 9.3.2 Các đờng cong hiệu suất máy bơm của nhà máy sản xuất. Hình 9.3.3 Vận hành các máy bơm mắc nối tiếp và mắc song song. 383 Hình 9.3.4 Điểm vận hành cho máy bơm. Đờng cong cột nớc hệ thống là đồ thị biểu diễn tổng cột nớc động (total dynamic head - TDH), đợc tính bởi cột nớc cố định cộng với tổn thất cột nớc, nhân với lợng nớc xả. Các tổn thất cột nớc là một hàm của vận tốc dòng chảy, kích thớc và chiều dài của ống, và kích thớc, số lợng và kiểu của khớp nối. Hình 9.3.4 minh họa một đờng cong cột nớc hệ thống của một độ nâng tĩnh nhỏ nhất và lớn nhất với các đờng cong đặc trng cột bơm biến đổi. Chú ý rằng các điểm vận hành là ở nơi đờng cong cột nớc hệ thống và các đờng cong cột nớc bơm biến đổi cắt nhau. Các nhà máy sản xuất bơm đồng thời cung cấp các đờng cong về mã lực hãm (yêu cầu của bơm) cho lu lợng bơm (xem hình 9.3.2). Mã lực hãm, E p , đợc tính bằng công thức 550 p QH E e (9.3.1) trong đó Q là lợng xả máy bơm (cfs), H là tổng chiều cao cột nớc động (ft), là khối lợng riêng của nớc (lb/ft 3 ) và e là hệ số máy bơm. Hiệu suất máy bơm là năng lợng cung cấp cho nớc của máy bơm (mã lực nớc) chia cho năng lợng cung cấp cho máy bơm của mô-tơ (mã lực hãm). Các đờng cong hiệu suất máy bơm, nh trình bày trong hình 9.3.2 chỉ rõ máy bơm truyền năng lợng cho nớc tốt nh thế nào. 9.4. Mô phỏng mạng lới cấp nớc 9.4.1. Các định luật bảo toàn Sự phân phối dòng chảy thông qua một mạng lới cấp nớc dới hình thức tải trọng đã biết cần thỏa mãn định luật bảo toàn khối lợng và định luật bảo toàn năng lợng. Hình 9.4.1 mô tả một ví dụ đơn giản về mạng lới cấp nớc [...]... tiêu rút gọn như là một hàm của duy nhất D và hệ các phương trình (9 .6. 2) có thể được loại bỏ khỏi bộ ràng buộc để được giải hoàn toàn bởi mô phỏng mạng lưới cấp nước mỗi lần chúng được yêu cầu để được đánh giá trong phương pháp tối ưu Bài toán rút gọn mới là: Cực tiểu, chi phí f(D, H(D )) = F(D) (9 .7. 1) H H(D) H (9 .7. 2) u u(D) u (9 .7. 3) w w(H(D), D) w (9 .7. 4) với ràng buộc là Hệ phương trình G được... lưới cấp nước đã tính hàm ẩn H(D) khi phương trình này được yêu cầu bởi tiến trình tối ưu hóa Các chiều cao cột nước của nút đã biết H(D) được thay vào các phương trình (9 .7. 1), (9 .7. 2), (9 .7. 3) và (9 .7. 4) để tính các giá trị của hàm mục tiêu và các ràng buộc Hình 9. 7.1 trình bày sự liên hệ giữa mô hình tối ưu hóa và mô hình mô phỏng Để giải bài toán rút gọn, các phương trình (9 .7. 1) -( 9 .7. 4), các thuật. .. mô hình tối ưu biểu diễn bởi các phương trình (9 .6. 1) -( 9 .6. 5), trong số đó có các mô hình của Alperovits và Shamir (1 97 7), Shamir (1 97 9) , Quindry và những người khác (1 98 1), và Morgan và Goulter (1 98 5) Morgan và Goulter (1 98 5) đưa ra một mô hình kinh nghiệm dựa trên phương pháp quy hoạch tuyến tính cho các cấu trúc và thiết kế về các hệ thống phân phối nước có chi phí thấp nhất Mô hình này kết hợp... model), KYPIPE, của Wood (1 98 0) là một chương trình dựa trên phương pháp tuyến tính lý thuyết được chấp nhận và sử dụng rộng rãi Phương pháp gradient tuyến tính sử dụng các phương trình đường dẫn (năng lượng) giải cho lượng xả Q, 388 E hL hLM H mỏy bơm (9 .4.1 3) và sử dụng các phương trình (9 .4. 4) hoặc (9 .4. 5), (9 .4. 6) và (9 .4. 7) E K p Qn K mQ 2 AQ 2 BQ H c (9 .4.1 4) trong đó n = 1.852 với... dẫn giữa hai nút ấn định, E là một hằng số, vì thế từ phương trình (9 .4.1 8) GrQr 1 GrQr f Qr E (9 .4.2 0) Các phương trình (9 .4.1 9) và/ hoặc (9 .4.2 0) được sử dụng để thiết lập NL + (NF - 1) phương trình và được kết hợp với NJ phương trình liên tục (9 .4. 1) để tạo nên hệ Np = NL + (NF - 1) + NJ phương trình tuyến tính (số ống dẫn) với các ẩn số là lưu lượng dòng chảy chưa biết Qr+1 trong mỗi ống... Bảo toàn dòng chảy và các ràng buộc về năng lượng G(H, D) = 0 b Các giới hạn về chiều cao cột nước: (9 .6. 3) c Các ràng buộc về thiết kế: u u(D) u d Các ràng buộc chung: (9 .6. 5) (9 .6. 2) HHH (9 .6. 4) w w(H, D) w trong đó các biến quyết định D xác định các kích thước cho mỗi thành phần trong hệ thống ví dụ như đường kính của các ống dẫn nước, kích thước bơm, sự bố trí van nước, và thể tích bể chứa... thuyết Phương pháp tuyến tính lý thuyết được giới thiệu bởi Wood và Charles (1 97 2) cho các mạng lưới cấp nước đơn giản và sau đó được mở rộng để bao gồm các máy bơm và các linh kiện khác (Wood, 198 0) Martin và Peters (1 96 3) đã công bố một thuật toán sử dụng phương pháp Newton-Raphson cho một hệ thống ống dẫn nước Shamir và Howard (1 96 8) cho thấy các máy bơm và các van nước có thể được kết hợp cũng... pháp cập nhật (Lansey và Mays, 198 9) Các ràng buộc chung, đó là, phương trình (9 .7. 4), còn gọi là các hàm ẩn, có thể được kết hợp theo một phương pháp đồng dạng hoặc xét trực tiếp như là các ràng buộc trong mô hình 399 Bài toán rút gọn, phương trình (9 .7. 7) với giả thiết là các phương trình (9 .7. 3) và (9 .7. 4) được giải bằng phương pháp GRG2, và QHPT tổng quát bởi Lasdon và Waren (1 98 2), dựa trên phương... ống nước có đường kính thứ m + 1 hoặc m - 1; In là tập hợp của các ống dẫn nối tới nút n b Các ràng buộc về độ dài để đảm bảo rằng độ dài của ống nối giữa (i,j) không bị thay thế thừa Xi,j,m+1 Li,j Xi,j,m-1 Li,j (9 .6. 8) (9 .6. 9) c Các ràng buộc không âm Xi,j,m+1 0 Xi,j,m-1 0 (9 .6.1 0) (9 .6.1 1) trong đó ci,j,m-1, ci,j,m, ci,j,m+1 là chi phí đơn vị của đường ống có bán kính thứ (m - 1), m, (m + 1) trong... kĩ thuật đã được phát triển cho việc đánh giá độ tin cậy của hệ thống; tuy nhiên, sự ứng dụng của chúng trong thực tế vào các hệ thống phân phối nước đã trở nên rất ít Một vài phát triển gần đây trong việc xác định độ tin cậy của các thành phần phân phối nước và độ tin cậy của hệ thống được mô tả bởi Mays (1 98 9) và Mays và những người khác (1 98 9) Một phương pháp hiệu quả để đánh giá độ tin cậy của hệ . phơng trình đờng dẫn (năng lợng) giải cho lợng xả Q, 3 89 ỏy L LM E h h H m bơm (9 .4.1 3) và sử dụng các phơng trình (9 .4. 4) hoặc (9 .4. 5), (9 .4. 6) và (9 .4. 7) 2 2n p m c E. thế từ phơng trình (9 .4.1 8) 1 r r r r r G Q G Q f Q E (9 .4.2 0) Các phơng trình (9 .4.1 9) và/ hoặc (9 .4.2 0) đợc sử dụng để thiết lập NL + (NF - 1) phơng trình và đợc kết hợp với. hỗn hợp (Liu, 196 9) . Thuật toán thứ ba, phơng pháp Hardy-Cross (Linsley và Franzini, 197 9) , đợc kết hợp với các phơng trình Q. Phơng pháp đợc phát triển vào năm 193 6 (bởi Hardy-Cross) rất hấp