Hệ thống cấp nước (tái bản) phần 2

- Trong quá trình làm việc của mạng lưới, lưu lượng nước lấy ra từ các điểm dọc đường thay đổi theo cùng một tỉ lệ như biểu đồ dùng nước và sẽ khác nhau đối với từng thời điểm tính toán

Chương 5TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠNG LƯỚI CÂP NƯỚC

5.1 ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA MẠNG LƯỚI s ử DỤNG TRONG TÍNH TOÁN

Nghiên cứu đặc điểm hình học của mạng lưới cho phép ta thiết lập mối quan hệ cần thiết giữa các thành phần cơ bản để tính toán và đánh giá các chỉ tiêu quan trọng của mạng lưới Có thể nêu lên những đặc điểm sau:

- Mạng lưới là một mô hình liên tục hữu hạn, gồm các nút và các đoạn ống nối các nút với nhau Trong đó, mỗi một nút được nối với nút bất kỳ khác bằng nhiều đoạn ống khác nhau

- Có những đoạn ống nối các nút mà khi bỏ nó sẽ làm mất đi tính liên tục của mô hình gọi là những đoạn ống liên kết, ví dụ đoạn 7.13 trên hình 5.1

- Các nút khi bỏ đi sẽ dẫn đến sự phá huỷ tính chất liên tục của mô hình gọi là các khớp động (ví dụ nút 8 trên hình 5.1)

- Đa số mạng lưới cấp nước là mặt phẳng, tức là các đoạn ống chỉ gặp nhau tại các nút Mô hình này có thể là mạng lưới cụt hoặc mạng lưới vòng

Ở mạng lưới vòng, hai nút bất kỳ nối với nhau bằng hai hay nhiều đoạn ống khác nhau và tạo thành vòng kín (ví dụ nút 4 và 2 trên hình 5.1 có thể liên hệ với nhau bằng các đoạn ống 4 - 5 , 5 - 2 và 4 - 1, 1 -2) Một vòng không bị cắt bởi bất kỳ một cạnh nào thì gọi là vòng cơ bản (vòng đơn), ví dụ vòng 2-3-Ó-5 (hình 5.1).

Nếu gọi p là số đoạn ống, n là số nút, m là số vòng của mạng lưới, thì đối với mạng lưới phảng cụt và vòng đều thoả mãn phương trình:

-Trên thực tế người ta cũng còn gặp mạng lưới không gian, nghĩa là mạng lưới không

có vị trí trên cùng mặt phẳng Ví dụ, một số tuyến ống cấp nước được bố trí đi theo cầu vượt trên phố, phía dưới lại có các đường ống khác Đối với mạng lưới không gian mối quan hệ giữa số đoạn ống p và số nút m được biểu thị bởi phương trình:

Trong đó: V - số vòng của mạng lưới không gian (v < n)

5.2 XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG NƯỚC TÍNH TOÁN

Tính toán mạng lưới giới hạn ở việc xác định kích thước của các đoạn ống chính và các tuyến ống nối nhằm đảm bảo vận chuyển nước an toàn tới các khu vực của đô thị Tuy nhiên để triển khai tính toán thì đầu tiên phải biết được lưu lượng nước chảy trong các đoạn ống Lưu lượng đó phụ thuộc rất nhiều vào việc trích (lấy) nước vào các tuyến ống phân phối và dịch vụ

Trên thực tế việc lấy nước từ mạng lưới đường ống chính và ống nối vào các tuyến ống phân phối và dịch vụ rất phức tạp Trên từng đoạn ống số lượng điểm, vị trí và lưu lượng lấy nước rất khác nhau Xét trên một đoạn ống A và B trên hình 5.2, có rất nhiều

vị trí nối ống nhánh vào các ngôi nhà với những lưu lượng khác nhau (qlf q2, q3 ) Cảnh tượng lấy nước tương tự như thế này cũng xẩy ra đối với tất cả các đoạn ống khác của mạng lưới phân phối Ngoài việc cung cấp nước cho các ống nhánh vào nhà, còn có một số ống phân phối cũng đấu vào đoạn ống (đường nét đứt)

Như vậy, trên đoạn ống có hai lưu lượng tập trung: Lưu lượng của các đoạn ống dẫn nước vào nhà (qj, q2, q3 ) tại các điểm a và lưu lượng với số lượng nước lớn (Q) tại các điểm b nối vói các ống phân phối

Khi thiết kế mạng lưới cấp nước, ta không thể tính toán với sơ đồ cấp nước quá phức tạp như thế, mà có thể sử dụng sơ đồ tính toán gần đúng đơn giản hơn được xây dựng trên hai giả thiết sau:

- Các điểm lấy nước với lưu lượng tương đối lớn được coi là các điểm lấy nước tập trung với lưu lượng tập trung Các điểm lấy nước với lưu lượng nhỏ được coi là điểm lấy nước dọc đường phân bố đều với lưu lượng dọc đường bằng nhau trên đoạn ống

- Trong quá trình làm việc của mạng lưới, lưu lượng nước lấy ra từ các điểm dọc đường thay đổi theo cùng một tỉ lệ như biểu đồ dùng nước và sẽ khác nhau đối với từng thời điểm tính toán riêng biệt.

qđv- lưu lượng dọc đường đơn vị (//s.m);

(Ghi chú: qđv có thể tính chung cho cả đô thị hoặc tính riêng cho từng khu vực nếu

mật độ dân số và tiêu chuẩn dùng nước khác nhau)

£L - tổng chiều dài tính toán của các đoạn ống mạng lưới cấp nước (m) Các đoạn ống chỉ cấp nước cho một phía thì chiều dài tính toán lấy bằng một nửa chiều dài thực tế

(Ghi chú: trong tổng chiều dài này loại trừ những đoạn ống chỉ làm nhiệm vụ vận

chuyển như các đoạn ống đi qua khu đất trống, công viên, cầu, quảng trường, )

Qdd - tổng lượng nước dọc đường của toàn mạng lưới,

(Ở đây: Qvào- tổng lưu lượng tiêu thụ của mạng lưới (//s); Qttr - tổng lượng nước lấy ra

từ các điểm lấy nước tập trung trên mạng lưới (//s))

Trong thực tế, người ta cũng còn tính qđv theo diện tích cần cấp nước theo công thức:

Lưu lượng dọc đường tính toán trên từng đoạn ống xác định như sau:

qddi qđvFi (//s.) (5.7)

Trong đó:

/j - chiều dài của đoạn ống tính toán (m);

Fj - diện tích đoạn ống phục vụ (m2)

Từ giả thiết 2, có thể xác định lưu lượng nước dọc đường đơn vị tại một thời điểm bất

kỳ theo lưu lượng đơn vị dọc đường của một thời điểm tính toán đặc trưng đã biết Ví dụ trong giờ dùng nước lớn nhất, lưu lượng tiêu thụ của mạng lưới là Qvào(i)» trong đó lưu lượng nước lấy tại các điểm lấy nước tập trung là £Qttr(1); trong giờ vận chuyển nước lớn nhất, lưu lượng tiêu thụ của mạng lưới Qvào (2), trong đó lưu lượng lấy ra tại các điểm lấy nước tập trung là £ Q ttr (2)- Khi đó lưu lượng đơn vị dọc đường của trường hợp vận chuyển nước lớn nhất có thể tính theo lưu lượng đơn vị dọc đường của trường hợp giờ dùng nước lớn nhất theo công thức:

qdv.dd(l)- lưu lượng đơn vị dọc đường của trường hợp dùng nước lớn nhất (1/s.m); qdv dd(2) - lưu lượng dơn vị dọc đường của trường hợp vận chuyển nước lớn nhất (//s.m);

f - Hệ số xác định theo cồng thức:

Dựa vào cách làm tương tự, có thể xác định được lưu lượng dọc đường và lưu lượng của các đoạn ống trong mạng lưới cho các trường hợp tính toán đặc trưng

- Trường hợp chỉ có lưu lượng tập trung ở cuối, thì đoạn ống có lưu lượng không đổi

và lưu lượng tính toán qtt bằng lưu lượng tập trung

- Trường họp đoạn ống có lấy nước dọc dường, thì lưu lượng chảy thay đổi dần từ đầu

đến cuối Tại điểm đầu của đoạn ống lưu lượng chảy vào là toàn bộ lưu lượng gồm lưu

taạng chuyển qua đoạn ống tới các đoạn ống phía sau và lưu lượng dọc đường phân bố đề» theo chiều dài Vì lưu lượng dọc đường được lấy ra đều đặn theo chiều dài, nên tại ạpểi đoạn ống lưu lượng còn là lưu lượng chuyển qua Từ đó có thể xác định lưu lượng tỉHMÊIaán của đoạn ống theo công thúc sau:

- hỊR4»Ợftg dọc đường của đoạn ống (//s);

chuyển qua đoạn ống (//s);

à&ti&phân bố lưu lượng dọc đường

Hệ số phân phối lưu lượng a phụ thuộc vào tỉ sô' q C(|/ q dd và sô' điểm lấy nước dọc đường Tỉ sô' qtq/qdd nhỏ thì hệ sô' a nhỏ Hệ sô' a giao động trong khoảng 0,5 -í- 0,58 (những đoạn ở phần đầu mạng lưới hộ sô' oc nhỏ, những đoạn ở phần cuối mạng lưới hệ

sô' a lớn) Trong thực tế, để đơn giản tính toán, người ta lấy a - 0,5 và chia đều các lưu

lượng phân phối dọc đường ở đoạn ống về hai nút đầu và cuối của đoạn ống Lưu lượng của mỗi nút bất kỳ sẽ bằng một nửa tổng sô' lưu lượng dọc đường của các đoạn ống đấu vào nút đó:

- Lưu lượng tập trung lấy ra ở nút cuối (qttr (B));

- Lưu lượng nút của nút cuối (qn (B))

q» (A-B) = qcq(A-B)+ q«r(B)+ 4n(B) (5.12)

Như vậy, tại mỗi nút tập trung một sô' lưu lượng cô' định, thì sẽ có sơ đồ lấy nước mà tất cả các lưu lượng đều lấy ra tại các nút Người ta cho rằng trong sơ đồ tính toán lấy nước từ mạng lưới, tất cả các loại lấy nước tương tự đều không phụ thuộc vào sự thay đổi của áp lực trong mạng lưới và tất cả áp lực nút được coi là cô' định đối với từng trường họp tính toán

Tuy nhiên trong sơ đồ tính toán mạng lưới còn có một sô' điểm lấy nước không cô' định với lưu lượng tương đối lớn có thể phụ thuộc vào áp lực như đài nước và bể chứa nước áp lực

0) - diện tích mặt cắt ướt của ống (m2);

V - vận tốc nước chảy trong ống (m/s);

áp lực bơm xác định theo công thức (5.16)

Trong đó:

Q - lưu lượng nước bơm (m3/s);

H - áp lực bơm (m);

T) - hiệu suất của máy bơm

Từ công thức (5.16), khi H tăng thì N tăng Vì vậy, phải chọn vận tốc sao cho tổng chi phí xây dựng và quản lý là nhỏ nhất, vận tốc đó gọi là vận tốc kinh tế (Vkt)

Hàng năm chi phí về điện năng cho trạm bơm chiếm tỉ lệ lớn trong tổng số giá thành quản lý mạng lưới Gọi Gxd là giá thành xây dựng mạng lưới, Gqi là giá thành quản lý mạng lưới theo thời gian tính toán khai thác Khi đó, tổng chi phí vốn đầu tư trong thời hạn tính toán t sẽ là:

Lập biểu đồ quan hệ giữa G và V để biểu diễn giá trị Gxd và t.GqI theo vận tốc nước chảy trong ống Sau cộng biểu đồ, ta được kết quả tổng chi phí G (xem hình 5.4) Đồ thị tổng hợp G đạt cực tiểu tại giá trị Gmin và v kt, đây là giá trị vận tốc kinh tế nhất cho tổng giá thành chi đầu tư nhỏ nhất

Trong một mạng lưới, việc xác định vận tốc kinh tế rất khó khăn phức tạp Bởi vì vận tốc kinh tế của một đoạn ống không chỉ phụ thuộc vào lưu lượng tính toán của bản thân

nó mà còn phụ thuộc vào lưu lượng, hình thù mạng lưới và vị trí của đoạn ống trên mạng

lưới Cho nên trong thực kế thiết kế, để đơn giản hoá người ta thường lấy theo giá trị của vận tốc trung bình, là các giá trị dao dộng chung quanh vận tốc kinh tế nhất và lấy theo các tài liệu đúc kết từ kinh nghiệm thực tế (xem bảng 5.1).

Đường kính ống

D (m m )

Vận tốc kinh tế trung bình (m /s)

q - lưu lượng tính toán của đoạn ống (//s);

E - nhân tố kinh tế phụ thuộc vào G Trong điều kiện bình thường 3 = 0,5 -M;

X - chỉ số mũ Trong điều kiện ống làm việc bình thường X = 0,14

Từ công thức 5.18, để dễ dàng thành lập Dkl, ta thành lập biểu đồ xác định Dkt theo lưu lượng tính toán của đoạn ống và nhân tố kinh tế (xem hình 5.5)

5 6 7 8 9 10 12 14 1618 20 25 30 35 45 5060 70 80 100 110 200 250 350 500 700 1000

H ì n h 5 5 B iể u đ ồ x á c đ ị n h D kt t h e o q ít

Khi chọn Dkt theo biểu đồ thường gặp phải những giá trị của Dkt không theo đúng kích thước qui chuẩn hiện hành ghi trong bảng 5.1, thì cần làm tròn đến đường kính qui chuẩn gần nhất với nó

Đường kính kinh tế cũng có thể xác định theo “Bảng lưu lượng giới hạn” do GS Mosnin thiết lập

Nguyên tắc thành lập “Bảng lưu lượng giới hạn” là thành lập một mối quan hệ giữa giâ thành chung (G) với lưu lượng (q) khi đường kính ống đã qui định, ứng với mỗi cỡ đường kính hàm số G = f(q) có dạng như ở hình 5.6

H ì n h 5 6 B iể u đ ồ q u a n h ệ g i ữ a G v à q

Từ biểu đồ trên, ta thấy những giá trị q tương ứng với các điểm an, an+i , an+2 là các lưu lượng kinh tế nhất (qktnh) đối với các cỡ đường kính Dn , Dn+1 , Dn+2 tương ứng Còn

những giá trị lưu lượng (qgh) tương ứng với các điểm b và c là lưu lượng giới hạn của hai

cỡ đường kính Dn - Dn+1 và Dn+r Dn+2 Tức là, nếu lưu lượng tính toán nhỏ hơn giá trị lưu lượng giới hạn, ta chọn cỡ đường kính nhỏ hơn Trong trường hợp ví dụ, nếu lưu lượng tính toán của đoạn ông nhỏ hơn qgh (b) thì đường kính lựa chọn là Dn, còn nếu lưu lượng tính toán nhỏ hơn lưu lượng qgh(c) thì đường kính lựa chọn là Dn+2

Lưu lượng giới hạn của hai cỡ đường kính Dn và Dn+1 có thể xác định theo công thức của Mosnin sau đây:

Trong đó:

E - nhân tố kinh tế;

a - hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm ống;

m - hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm ống và vận tốc nước chảy trong ôhg;

qgh tính theo công thức 5.19 là lưu lượng giới hạn trên (qmax) của cỡ đường kính Dn và

là lưu lượng dưới (qmin) của cỡ đường kính Dn+1 (tức là qghJ)

Tương tự, chúng ta có thể xác định được giá trị lưu lượng giới hạn qghI1 đối với hai cỡ đường kính qui chuẩn kề nhau Dn+1 và Dn+2 Như vậy, qghl và qghI1 là giá trị lưu lượng giới hạn dưới và lưu lượng giới hạn trên của cỡ đường kính Dn+1 Tức là các giá trị lưu lượng nằm trong khoảng từ qghI đến qghII sẽ có lợi cả đối với cỡ đường kính Dn+1

Để tiện cho việc tính toán ngưới ta đã lập bảng tính toán sẵn để xác định qgh đối ống thép và ống gang ứng với nhân tố kinh tế tổn tại các cỡ đường kính ống tương ứng

Cần lưu ý là chỉ xác định đường ống kinh tế theo lưu lượng tính toán trong các trường hợp tính toán đặc trưng (đối với sơ đồ mạng lưới có dài đặt ở đâu mạng lưới: dùng nước lớn nhất; đối sơ đồ mạng lưới có đài đặt ở cuối mạng lưới: dùng nước lớn nhất và vận chuyển nước lớn nhất) Còn trường hợp khi có cháy xẩy ra thì cho phép đường ống làm việc với lưu lượng lớn hơn trong tình trạng không kinh tế, bởi vì thời gian xẩy ra đám cháy không lâu Tuy nhiên, vận tốc nước chảy trong ống phải nhỏ hơn vận tốc giới hạn (v < 2,5 3,0m/s) để đảm bảo độ bền của ống

Trong đường ống dẫn nước xẩy ra hai loại tổn thất áp lực: theo chiều dài (hay còn gọi

là dọc đường) do ma sát thành ống gây nên và cục bộ ở những chỗ dòng nước thay đổi hình dạng (cút, tê, thập, van khoá v.v ) Tổn thất cục bộ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ so với tổn thất theo chiều dài, ví dụ:

(5.19)

- Đối với trường hợp dùng nước lớn nhất, tổn thất cục bộ chiếm 10 đến 15% tổn thất theo chiều dài

- Đối với trường hợp dùng nước lớn nhất có cháy xẩy ra, tổn thất cục bộ chiếm đến 10% tổn thất theo chiều dài

- Đối với trường hợp vận chuyển nước lớn nhất, thì tuỳ thuộc vào vị trí đài ở trên mạng lưới mà có những tính toán cụ thể

Trong tính toán thường người ta bỏ qua tổn thất áp lực cục bộ

Tổn thất áp lực dọc đường tỉ lệ với chiều dài, đường kính ống, lưu lượng, vận tốc nước chảy và độ nhám mặt trong thành ống, có thể xác định theo công thức:

V - vận tốc nước chảy trong ống dẫn (m/s);

q - lưu lượng nước chảy trong ống dẫn (m3/s);

m - chỉ số mũ thường được xác định bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào vật liệu làm ống và vận tốc nước chảy trong ống Đối với ống bằng kim loại m = 5,3;

g - gia tốc trọng tường, g = 9,81 m/s2;

X và k - hệ số sức kháng thuỷ lực phụ thuộc vào chế độ thuỷ lực của dòng chảy và

đựơc xác định theo các công thức thực nghiệm Các hệ sô' này đối với các loại ống khác nhau thì khác nhau;

Ghi chú: Trong các công thức (5.24); (5.25) thì ký hiệu i tương đương với J.

Ngoài ra, tổn thất áp lực đơn vị cũng có thể xác định theo công thức của Manning:

Trong đó:

n - hệ số sức kháng Các giá trị trung bình của hệ số n đối với các loại vật liệu

Ống có thể lấy như sau: ống PVC-GRP: n = 0,009 + 0,013; ống gang mạ:

n = 0,010 -í- 0,013; ống gang có quét lớp chống gỉ: n = 0,015; ống bê tông:

n = 0,012 -1- 0,015; ống thép mạ: n = 0,012;

V - vận tốc trung bình của dòng chảy trong ống (m/s);

d - đường kính trong của ống (m)

Theo nghiên cứu của F.A.Sevelov thì các ống kim loại cũ làm việc trong khu vực bình phương sức cản, với V > 1,2 m/s, khi đó hệ số k và X, S() chỉ phụ thuộc vào đường kính

Trong khu vực quá độ, các ống kim loại cũ làm việc với V < l,2m/s, hệ số sức kháng

k phụ thuộc vào V hay nói cách khác là phụ thuộc vào q,

Đối với các ống kim loại mới luôn làm việc trong khu vực quá độ (trước khi xuất hiện

khu vực bình phương sức cản) với vận tốc v < l,2m/s Trong khu vực này k và X, So phụ

thuộc vào đường kính ống, độ nhám mặt trong thành ống và số Reynolds

Hiện nay trong lĩnh vực cấp nước trên thế giới đang sử dụng rộng rãi loại ống gang dẻo loại ống này có nhiều ưu điểm hơn so với loại ống gang xám thông thường bởi nó

có tính đàn hồi, có khả năng chống va đập mạnh và có thể kéo dãn được Mặt trong của thành ống được tráng một lớp vữa ximăng để bảo vệ ống khỏi những tác động của môi trường nước

Các ống chất dẻo, ống thuỷ tinh làm việc trong “vùng thuỷ tĩnh nhẵn”, các hệ số k,

X và S() chỉ phụ thuộc vào đường kính ống và số Reynolds, không phụ thuộc vào độ

nhám bên trong thành ống Tổn thất áp lực đơn vị đối với ống nhựa cũng như ống gang dẻo có thể xác định theo các công thức đã giới thiệu ở trên hoặc theo bảng tính toán thủy lực của tài liệu tham khảo [5], Tổn thất thuỷ lực đơn vị của ống nhựa còn có thể xác định theo công thức của F.A Sevelov:

Trong thực tế, các ống kim loại mới rất nhanh chóng trở thành ống cũ, nên khi thiết

kê mạng lưới cấp nước, chúng ta cần tính toán tổn thất áp lực theo công thức đối với ống cũ

Hiện nay ở nước ta vẫn tính toán ống gang, ống thép làm việc trong khu vực bình phương sức cản khi V > l,2m/s theo các công thức thực nghiệm của F A Sevelov:

V 2

i = 0,00107—TỴ;

d ’0,021 ^ c 0,001736

v à s ° = dP

; 0,001736hay i = ~ 5 j

(5.28)

(5.29)

Trong đó:

d - đường kính ống (m);

V - vận tốc nước chảy trong ống (m/s);

q - lưu lượng nước chảy trong ống (m/s)

Khi ống làm việc trong khu quá độ v< l,2m/s thì:

Đối với ống bê tông cốt thép có thể sử dụng công thức cho ống kim loại cũ

Để tiện cho việc tính toán người ta đã lập sẵn các bảng tính toán thuỷ lực Theo các bảng này, khi biết lưu lượng và đường kính ống chúng ta có thể biết được vận tốc kinh tế trung bình và tổn thất áp lực đơn vị [5]

Ống gang, thép sản xuất trong nước theo phương pháp không hiện đại và chưa có qui chuẩn thống nhất cho mọi nơi Do vậy việc sử dụng các công thức và bảng tính toán của Nga sẽ gây nên những sai sót nhất định, đòi hỏi chúng ta phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng nên những công thức tính toán cho phù hợp với điều kiện Việt Nam Chính vì thế, qui phạm TC-33-68 của ta đề nghị bổ sung thêm hệ số k cho công thức tổn thất áp lực, cụ thể đối với ống thép k = 1,1, đối với ống gang k = 1,1 = 1,2 (trị số lớn áp dụng cho ống có d < 300mm) Khi đó công thức 5.21 viết thành:

Trong thực tế tính toán mạng lưới cấp nước, để xác định tổn thất áp lực trong ống thường sử dụng công thức (5.22), cụ thể:

h = s.q2Trong đó:

s - sức kháng của ống, s = S q ỉ ;

/ - chiều dài ống (m);

So - sưc kháng đơn vị xác định theo công thức: S0 = k/dm.

Khi ống làm việc trong khu bình phương sức cản, sức kháng đơn vị So không phụ

thuộc vận tốc hay lưu lượng mà chỉ phụ thuộc vào đường kính và độ nhám mặt trong

p - chỉ số mũ của lưu lượng, p = 1,75 -ỉ- 2;

So- sức kháng đơn vị (cũng như ở trong khu vực bình phương sức cản) phụ thuộc

vào đường kính và độ nhám mặt trong thành ống

Giữa hai trạng thái làm việc ở trên có liên quan với nhau, để cho tiện khi ống làm việc trong khu vực quá độ, tổn thất áp lực có thể xác định theo công thức của ống làm việc trong khu bình phương có bổ sung thêm hệ số hiệu chỉnh vận tốc ôị :

Trong đó: So - sức kháng đơn vị tra theo bảng tính toán thuỷ lực của F.A Sevelov với

V = lm/s và hệ số hiệu chỉnh vân tốc s2 (khi V -ệ l,0m/s, xác định ở bảng 8 và 9 của [5].

Ngoài ra, tốn thất áp lực trong đường ống chất dẻo cũng có thể xác định bằng các bảng tính toán thuỷ lực theo công thức của Colebrook - White, Hazen-Willians (bảng 8 của tài liệu tham khảo [5].

Đối với ống bê tông cốt thép, tốn thất áp lực có thể tính toán theo công thức của ống kim loại cũ hay ống gang dẻo có tráng lóíp vữa ximăng ở mặt trong

Theo tiêu chuẩn mới của Liên bang Nga thì tổn thất thuỷ lực trên một đơn vị chiều dài của đường ống (được gọi là độ dốc thuỷ lực) i có tính cả trở kháng mối nối xác định theo công thức:

i = (A,/d).(v2/2g) = (A]/2g).[A0 + C/v)7dm+I].v2Trong đó:

X - hệ số trở kháng thuỷ lực, xác định theo công thức:

X = Aj(Ao + Bod/Re)7dm = A,(A0 + c/v)7dm;

d - đường kính trong của ống, m;

v - vận tốc nước chảy trung bình trong ống, m/s;

g - gia tốc trọng trường, m/s2;

Re = vd/v - trị số Renon;

B() = CRe/vd;

V - hệ số nhót động học của chất lỏng, m2/s

Giá trị chỉ số mũ m và hệ số A0, A ị và c đối với ống thép, ống gang, ống BTCT, ống

nhựa và ống thuỷ tinh lấy theo bảng 5-2

Bảng 5.2: Chỉ số m, các hệ số A0, Aj và c

1 Ống thép mới không có lớp bảo vệ bên

trong hoặc có lớp phủ bitum

2 Ống thép mới không có lớp bảo vệ bên

trong hoặc có lớp phủ bitum

3 Ống thép mới và ống gang cũ không có lớp

bảo vệ bên trong hoặc có lớp phủ bitum:

6 Ống thép và ống gang có lớp bảo vệ bên

trong bằng nhựa hay xi măng polime, phủ

bằng phương pháp quay li tâm

7 Ống thép và ống gang có lớp bảo vệ bên

trong bằng xi măng cát, phủ bằng phương

pháp quay li tâm

2 Những giá trị trong bảng tương ứng với công nghệ chế tạo hiện đại Nếu các giá

trị bảo hành A(), Aị, c của nhà sản xuất khác với các giá trị dẫn ra ở trong bảng thì

chúng phải được chỉ ra trong các cataloghoặc trong tiêu chí kỹ thuật sản xuất ống.Trở kháng thuỷ lực của các mối nôí cần xác định theo sổ tay, trở kháng thuỷ lực của các phụ tùng theo hồ sơ của nhà sản xuất Khi không đủ số liệu về mối nối và phụ tùng

lắp đặt trên đường ống, tổn thất ẩp lực cục bộ đó cho phép lấy bằng 10 - 20 % so với tổn

thất theo chiều dài trên đoạn ống

Khi tính toán kinh tế kỹ thuật và thực hiện tính toán thuỷ lực mạng lưới truyền dẫn và phân phối nước trên máy tính điện tử, tổn thất áp lực trong dường ống xác định theo công thức:

H = u = K.q"/dp./ (m)Trong đó: q - lưu lượng tính toán, //s;

d - đường kính bên trong của ống, m;

i - độ dốc thuỷ lực;

/ - chiều dài đoạn ống

Trị số của hê số K và các chỉ số mũ n và p lấy theo bảng 5.3

Bảng 5.3

1 Ống thép mới không có lớp bảo vệ bẻn trong hoặc có lớp phủ bitum 1,790 5,1 1,9

2 Ống thép mới không có lớp bảo vệ bên trong hoặc có lóp phủ bitum 1,790 5,1 1,9

3 Ống thép mới và ống gang cũ không có lóp bảo vẹ bên trong hoặc

có lớp phủ bitum: V < 1,2 m/s

V > 1,2 m/s

6 Ống thép và ống gang có lớp bảo vệ bên trong bằng nhựa hay

xi măng polime, phủ bằng phương pháp quay li tâm

7 Ông thép và ống gang có lớp bảo vệ bên trong bằng xi măng cát,

phủ bằng phương pháp quay li tâm

Ngoài ra khi tính toán thuỷ lực đơn giản cho các đoạn ống độc lập có thể dùng các bảng tính thuỷ lực hoặc các biểu đồ lập sẩn, tuỳ thuộc vào kích cỡ cũng như vật liệu ống

và các thông số khác

5.5 THU THẬP TÀI LIỆU VÀ NỘI DUNG THIẾT KẾ MẠNG LUỚI

Để thực hiện tính toán thiết kế mạng lưới cấp nước được thuận lợi và đạt chất lượng cao, cần thu thập đầy đủ các tài liệu sau đây:

1 Bản đồ địa hình đô thị sẽ thiết kế hệ thống cấp nước Trên cơ sở đó thể hiển rõ ràng các vị trí sông, hồ, đồi núi, sự phân bố địa hình mặt đất tự nhiên (thường bằng các đường đồng mức)

2 Bản đồ qui hoạch xây dựng của đô thị, trên đó thể hiện rõ các khu chức năng: khu dân cư, khu công nghiệp hay các xí nghiệp độc lập, khu trung tâm, khu công viên cây xanh, nhà ga, kho tàng, các tuyến đường sắt cũng như mạng lưới đường giao thông đô thị.Trong một số trường hợp hai bản đồ địa hình và qui hoạch xây dựng đô thị được ghép làm một

3 Tài liệu về qui hoạch đô thị như: mật độ dân số, số tầng nhà xây dựng trong khu vực, kế hoạch phân đợt xây dựng, mức độ trang thiết bị vệ sinh cho các khu dân cư

4 Tài liệu về yêu cầu dùng nước, tiêu chuẩn và chế độ dùng nước sinh hoạt của các khu dân cư Yêu cầu về số lượng, chất lượng, áp lực và chế độ tiêu thụ nước của các xí nghiệp công nghiệp cũng như các đối tượng dùng nước lớn khác trong đô thị hay vùng lân cận

5 Sơ đồ bố trí các hệ thống kỹ thuật ngầm khác ở trong đô thị như thoát nước bẩn, thoát nước mưa, cấp điện, điện thoại, lưới điện chiếu sáng v.v Để giải quyết tốt vấn đề này đòi hỏi phải có sự hợp tác của các cơ quan hữu quan để có giải pháp thực tế bố trí họp lý nhất, tránh lãng phí trong xây dựng, quản lý

6 Tài liệu về địa chất, địa chất thuỷ văn, mặt cắt sông hồ ở những noi đường ống đặt qua và các tài liệu khác có liên quan

Trên cơ sở các tài liệu đã thu thập được, tiến hành thiết kế mạng lưới theo cáẹ bước

và nội dung sau:

- Vạch tuyến mạng lưới cấp nước Xác định vị trí các tuyến ống trên mặt bằng bản đổ qui hoạch đô thị sao cho hợp lý nhất, nhằm cung cấp nước đầy đủ và liên tục đến mọi đối tượng dùng nước

- Lập sơ đồ phân bố lưu lượng cho mạng lưới Xác định lưu lượng nước tính toán cho các đoan ống Tính toán thuỷ lực mạng lưới Chọn đường kính ống, xác định tổn thất thuỷ lực trên từng đoạn ống và toàn bộ mạng lưới Trên cơ sở đó xác định chiều cao đài nước và áp lực công tác của máy bơm cấp II

- Tính toán thiết kế các công trình trên mạng lưới cấp nước.

- Bố trí đường ống cấp nước trên mặt cắt đường phố thành lập mặt cắt dọc của tuyến ống thiết kế

5.6 TÍNH TOÁN MẠNG LƯỚI VÒNG

5.6.1 Cơ sở tính toán

Trong mạng lưới vòng, nước chuyển đến một điểm bất kỳ có thể từ hai hay nhiều hướng khác nhau Do đó, khó có thể xác định chính xác được ngay lưu lượng chảy ở trong các đoạn mạng lưới Từ đó mà kích thước ống và tổn thất áp lực cũng chưa thể xác định chính xác được

Trong thực tế, để tính toán thuỷ lực mạng lưới vòng người ta buộc phải chấp nhận phương án tính toán gần đúng trên cơ sở thiết lập hai loại phương trình sau đây:

- Phương trình loại I: Tại mỗi nút của mạng lưới, tổng số các lưu lượng chảy đến nút

bằng tổng số các lưu lượng chảy ra khỏi nút, kể cả lưu lượng tập trung

Nếu qui ước chiều của lưu lượng chảy đến nút bằng dấu (+), lưu lượng chảy ra khỏi nút bằng dấu (-), thì tại mỗi nút sẽ có phương trình:

Trong đó: qnut- lưu lượng nút (lưu lượng liên quan tới một nút), m3/s;

Nếu ký hiệu số nút của mạng lưới là n thì số phương trình (5.36) bằng số nút của mạng lưới bớt đi một đơn vị, tức là có (n-1) phương trình

- Phương trình loại II: Trong một vòng, tổn thất áp lực từ điểm đầu đến điểm cuối

tính theo hai hướng: cùng (mang dấu +) và ngược chiều kim đồng hồ (mang dấu -), phải bằng nhau Đối với mỗi vòng ta có phương trình dạng:

Mạng lưới có m vòng, sẽ thiết lập được m phương trình Phương trình loại II biểu diễn quan hệ giữa đường kính và lưu lượng các đoạn ống, bởi vì h = s’qp hay h = (k /đm).qp./ (m) với p khác 2 Trong khu vực bình phương sức cản: h = sq2 hay h = k.q2/dm)/, nghĩa là có phương trình I S q p = I (kqp/dm)/ = 0 hoặc Is q 2 = I (k.q2/dm)/ = 0

Để tính toán mạng lưới cấp nước, trước tiên phải sơ bộ phân phối lưu lượng tính toán cho từng đoạn ống trên mạng lưới sao cho thỏa mãn điều kiện của phương trình loại I:

2 qnút =

0-Sau đó, xác định đường kính ống theo vận tốc kinh tế trung bình Từ đó, điều chỉnh dần lưu lượng ở mỗi đoạn ống thoả mãn phương trình loại I, đổng thời thỏa mãn điều kiện của phương trình loại II: Ehvòng = 0

5.6.2 Phân bố lưu lượng

Như đã nói ở trên, sau khi qui hoạch mạng lưới tức là đã có sơ đồ mạng lưới, trị số và

vị trí lưu lượng lấy ra tại các điểm dùng nước trên mạng lưới, chúng ta có thể đưa ra các phương án phân phối lưu lượng nước chảy trong các đoạn ống (đối với mạng lưới vòng đây là nhiệm vụ vô cùng quan trọng)

Khi phân phối lưu lượng nước chảy trong các đoạn ống cần phải thỏa mãn các điều kiện cân bằng lưu lượng “Tại mỗi nút của mạng lưói, tổng số các lưu lượng chảy đến nút phải bằng tổng số các lưu lượng chảy ra khỏi mỗi nút đó và đảm bảo đưa nước tới các đối tượng dùng nước theo con đường ngắn nhất” (phương trình 5.36)

Để đảm bảo nước cung cấp cho các đối tượng dùng nước đuực ổn định và tin cậy, ngoài việc hình thù cấp nước là mạng vòng, thì các tuyến ống của mạng lưới còn phải có khả năng thay thế được cho nhau khi có sự cố xẩy ra ở một trong các tuyến chính

Phân bố lưu lượng vào mạng lưới cần đều cho các tuyến chính (nếu có thể được) Các tuyến ống nối và tuyến ống cấp II làm nhiệm vụ liên hệ và điều hoà lưu lượng cho các tuyến ống chính khi có sự cố xẩy ra Khi làm việc bình thường các tuyến ống nối ít tham gia vào việc vận chuyển nước, mà chủ yếu phục vụ để đảm bảo cung cấp nước cho các khu vực và phân phối cho các đối tượng dùng nước

5.6.3 Trình tự tính toán thuỷ lực

Trình tự tính toán mạng lưới vòng theo các bước sau đây:

- Bước ỉ : Vạch tuyến mạng lưới theo nguyên tắc đã nêu ở mục 4.3 Chương 4, đánh số

nút và xác định chiều dài của từng đoạn ống Sơ bộ vạch hướng nước chảy bắt đầu từ các nguồn cấp nước

- Bước 2: Tính toán lưu lượng dọc đường đơn vị (qđv), lưu lượng dọc đường của từng

đoạn ống (qdd) và qui về lưu lượng nút (qnút)

- Bước 3: Sơ bộ phân bố lưu lượng nước tính toán trên từng đoạn ống thoả mãn

phương trình Xq„ú, = 0

- Bước 4: Trên cơ sở lưu lượng đã phân bố sơ bộ cho từng đoạn ống, tra bảng tính

toán thuỷ lực để xác định đường kính ống theo vận tốc kinh tế trung bình

- Bước 5 ■ Tính tổn thất áp lực trên mỗi đoạn ống của mạng lưới theo công thức

h = Sq2 = Sf>/.õ1q2, sau đó kiểm tra lại tổn thất áp lực trong mỗi vòng theo phương trìnhloại 2Xòng = 0

- Bước 6: Điều chỉnh mạng lưới vòng Thông thường khi tính toán theo lưu lượng

phân bố sơ bộ, sẽ cho kết quả tổn thất áp lực trong mỗi vòng £hvòng khác không Để đạt được £hvòng = 0 phải điều chỉnh nhiều lần mạng lưới

93

5.6.4 Cơ sở lý thuyết điều chỉnh mạng lưới

Nhiệm vụ của tính toán điều chỉnh mạng lưới là xác định lưu lượng đúng cho các đoạn ống của mạng lưới khi đã biết đường kính của chúng, đổng thời xác định áp lực cần thiết của các điểm dùng nước, lưu lượng và áp lực công tác của tất cả cạc trạm cấp nước và dùng nước không cố định trong mạng lưới

Khi tính toán mạng lưới các số liệu đã biết là:

- Đường kính (chọn theo lưu lượng phân phối sơ bộ q|’_k ), chiều dài và tổn thất của các đoạn trong mạng lưới

- Vị trí và trị số lưu lượng lấy ra tại các điểm dùng nước cố định (tại các nút) trong mạng lưới

- Đặc tính Q-H của tất cả các điểm cấp nước và dùng nước cố định, cũng như cao trình mặt đất của tất cả các nút trong hệ thống

Nghiên cứu trường họp tổng quát của mạng lưới vòng có: p đoạn ống, m nút, n vòng

và e điểm cấp nước và dùng nước không cố định Theo ý nghĩa vật lý thì nhiệm vụ tính toán chỉ có thể giải quyết được khi đã xác định được lưu lượng cấp vào mạng lưới (Qv) bằng máy bơm cố định Do đó lưu lượng đi qua tất cả các đoạn ống của mạng lưới cũng hoàn toàn được xác định

Các đại lượng chưa biết khi tính toán là:

- Lưu lượng (q¡.k) và tổn thất áp lực (hj.k) trên tất cả các đoạn ống của mạng lưới

- Lưu lượng của các điểm cấp nước và dùng nước không cố định

- Cột áp tại tất cả các nút của mạng lưới

Như vây, nếu như tất các các lưu lượng nêu trên sẽ tìm được thì có thể dễ dàng xác định được tổn thất áp lực và cột áp tại tất cả các nút

Đối với hệ thống đang xét, số lưu lượng chưa biết cần phải tìm là p+e Để xác định những lưu lượng chưa biết này, cần xác lập hệ phương bao gồm:

1 m phương trình cân bằng lưu lượng nút cho tất cả các nút theo (5.36):

Trong đó: i, k - tên gọi thứ tự các nút tương ứng của các điểm cấp nước và dùng nước không cố định;

Như vậy, tổng số phương trình sẽ là:

m + n - l + e = p + eTheo phân tích ở trên, phương trình (5.36) có thể thoả mãn ngay từ lần phân phối sơ

bộ lưu lượng cho mạng lưới Phương trình (5.37) có thể gọi là phương trình điều chỉnh bên trong mạng lưới, còn phương trình (5.38) là phương trình điều chỉnh bên ngoài mạng lưới.

Trong trường họp mạng lưới chỉ có một trạm cung cấp nước và không có điểm dùng nước không cố định, để tìm ra sự phân phối lưu lượng qj_k đúng cho tất cả các đoạn ống của mạng lưới chỉ cần loại phương trình (5.37) là đủ Sau đây chúng ta sẽ xét đối với hệ thống cấp nước đơn giản này

5.6.5 Lý thuyết tính toán điều chỉnh bên trong mạng lưới

Chúng ta dễ dàng thực hiện được điều kiện cân bằng lưu lượng các nút ngay khi phân phối sơ bộ lưu lượng trên các đoạn mạng lưới, nhưng điều kiện cân bằng áp lực cho các vòng không thực hiện được Tức là sau lần phân bố lưu lượng đẩu tiên, tồn tại:

(5.39)

Fn(qm>qm+i - q p) = 0 ,

Trong đó mỗi phương trình tương ứng với một vòng của mạng lưới Tất cả các hàm

F đều có dạng tương tự IS i_lcqf_k, nhưng các lưu lượng khác nhau q|.k đều là ẩn số Lưu lượng của các đoạn ống chung cho vòng nào thì sẽ tham gia vào phương trình của vòng đó

Để giải hộ phương trình phí tuyến (5.39), người ta thường sử dụng phương pháp của Newton và các biến thể của nó Cơ sở của phương pháp này là cho trước các giá trị chưa

biết q[’_k (có thể gần đúng với giá trị thực của nó) và thay các giá trị lưu lượng ở trong hệ

phương trình (5.39) bằng các giá trị ± Aqj.k , trong đó Àqi_k - số gia điều chỉnh lưu

lượng đối vói lần phân phối sơ bộ lưu lượng Tức là q|)_k « qi_k hay q°_k 9i-k iAqi-kBây giờ tiến hành biểu diễn hệ phương trình (5.39) qua q ^ và các số gia điều chỉnh lưu lượng (Aqj.k) của chúng, khi đó, ta sẽ có hệ phương trình mới tương tự như sau:

F1(q1,q 2, q f) + - p - Aqi + - p - Aq2 + + ^-L Aqf + Ổ F1 A Ổ F 1 A Ổ F1 A

Ở đây các số hạng đầu là các hàm số, nhưng chúng ta đã đưa các giá trị thực q^i; vào

Tức là tất cả các số hạng ở đây biểu thị tổng tổn thất áp lực cho mỗi vòng đối với lần

phân phối lưu lượng sơ bộ mà ta đã biết;

Ehu =ZSi_k(q‘)_k)p =Ah

Ản số ở đây sẽ là các số gia điều chỉnh lưu lương (Aqi k) Các đai lương ■ 1 đóng

Ah, + ps, ( q í A q , + p s2(qỉ)|ỉ- 1 Aq2 + + pst Cqí’)^ 1 Aq, = 0

Ah2 + p s^ q ”)11- 1 Aqt + p sgt, (q“+l Aqs+I + + pSj (q1 ;)*’-' Aqj = 0

(5.41)

Ah„ +PS0,(q< ; y ì-1Aqln + p s m„ ( q : „ ) |i- 1 Aqmt, + + pSp(qJ)l)- | Aqp = 0

Hệ phương trình cần được giải với điều kiện thoã mãn (m-1) phương trình cân bằng lưu lượng nút (Zqj.k + Qi = 0) Có nhiều cách giải hệ phương trình này, nhưng đối với

mạng lưới nhiều vòng thì quá trình tính toán cồng kềnh vói khối lượng tính toán lớn Vì

thế người ta thường sử dụng phương pháp “gần đúng dần” với việc sử dụng các giá trị cần tìm khác nhau trong mỗi bước tính gần đúng Nghĩa là từ kết quả này tìm ra kết quả khác, cho đến khi đạt được kết quả mong muốn

5.6.6 Các phương pháp điều chỉnh bên trong mạng lưới

* Phương pháp điều chỉnh mạng lưới của V.G Lôbatev

Xét mạng lưới cấp nước một vòng có bốn đoạn ống, bốn nút và một điểm cấp nước, không có điểm dùng nước không cố định (hình5.7) Mạng lưới có chiều dài các đoạn ống là /|_2, /2_3, /3.4 , l ị .4; bốn nút với lưu lượng lấy ra tại các nút tương ứng là Q[, Q2, Q3, Q4 Lưu lượng cấp vào điểm 1 bằng tổng các lưu lượng lấy ra tại các nút của mạng lưới

Rõ ràng, nhiệm vụ là phải điều chỉnh lại lưu lượng cho mạng lưới sao cho thoả mãn điều kiện cân bằng áp lực trong vòng Tuy nhiên trong thực tế rất khó đạt được giá trị Ehj_k = 0 , thường khi thiết kế mạng lưới điều chỉnh để Ah < 0,5m đối vói vòng nhỏ và

Àh < 1,5 đối vói vòng bao với mạng lưới nhiều vòng

Giả sử mạng lưới làm việc trong khu bình phương sức cản, sau khi điều chỉnh lưu lượng cho các đoạn, ta có phương trình cân bằng áp lực vòng theo công thức

( Zh = S;_k (q"_k )2 = 0 ) như sau:

» = s,_2(q"_k - Aq)2 + s 2_,(q“_k - Aq)2 -S ,_ 4(q»_k - Aq)2 - S 4_,(q".k + Aq)2 = 0

Khai triển phương trình để tìm Aq:

Sj_2 (<^1—2) — 2Sj_2q I_2^íl + S1_2(Aq) + S2_3(q2_3) — 2S2_3q2_3Aq + S2_3(Aq) —S3_4( q ^ ) 2 - 2S3_4q3_4 Aq — S3_4 (Aq)2 - Sj_4(q ị^ )2 - 2 S 1_4qị)_4A q -S 1_4(Aq)2 = 0

Có thể bỏ qua (Aq)2 , còn lại:

Ghi chú: Vì Aq mang dấu ngược chiều với Ah nên trong công thức đặt thêm dấu (-).

Nếu đường ống làm việc ở khu vực quá độ, ta có công thức:

Nếu kết quả vẫn cho Ah’ khác 0, thì ta lại tiếp tục điều chỉnh lưu lượng để tìm q”, sau

đó tính h” và lại kiểm tra lại điều kiện Ah” = 0 cho đến khi đạt được điều kiện đưa ra

Trong quá trình điều chỉnh, phần lớn các đoạn ống không thay đổi đường kính đã chọn ban đầu, vì vậy, nếu ống làm việc trong khu vực bình phương sức cản thì sức kháng

thủy lực s không thay đổi Nếu ống làm việc trong khu quá độ, thì s sẽ có giá trị thay đổi khi lưu lượng thay đổi Nhưng vì lưu lượng thay đổi rất nhỏ, nên có thể coi như s

không thay đổi (trừ trường họp các đoạn ống có đường kính nhỏ thì mỗi sự thay đổi lưu lượng đều ảnh hưởng tới trị số S)

Trên đây, ta xét mạng lưới chỉ có một vòng, nhưng thực tế cấp nước cho các đô thị thường có nhiều vòng Sau đây xét trường hợp mạng lưới có nhiều vòng (ví dụ có 4 vòng hình 5.8)

Đối với mạng lưới 4 vòng, ta coi như đã hoàn thành 4 bước đầu của trình tự tính toán thủy lực, nghĩa là đã có số gia điều chỉnh lưu lượng Aqj.k đối với lần phân phối sơ bộ lưu lượng trong tất cả các đoạn ống của 4 vòng

Khi đó đối với các đoạn ống bao ngoài cùng của mạng lưới, lưu lượng điều chỉnh

sẽ bằng chính lưu lượng điều chỉnh của các vòng mà chúng tham gia Ví dụ đối với đoạn 1-2 và 2-3, thì lưu lượng điều chỉnh sẽ bằng Aqj và lưu lượng sau khi điều chỉnh sẽlà: qí])_2 - Aqj vàqị_3 -A qj

Đối với đoạn ống chung cho nhiều vòng thì lưu lượng điều chỉnh sẽ bằng tống đại số các lưu lượng điều chỉnh của các vòng mà chúng tham gia Ví dụ đối với các đoạn 1-5 thì lưu lượng điều chỉnh sẽ là: +Aq! và -Aqni và lưu lượng sau khi điều chỉnh sẽ là:q'1)_5 +(Aq1 -A q in)

N hư vậy, tất cả cá c s ố gia điều chỉnh ( A q j_ k ) của tất cả cá c đoạn ốn g tham gia vào phương trình 5 3 9 và 5 4 0 c ó thể biểu thị bằng s ố gia điều chỉnh lưu lượng của các vòng, khi ấy sự cân bằng lưu lượng tại các nút cũ n g sẽ tự động thoả m ãn đ ố i với m ỗ i lần phân

b ố lại lưu lượng trên các đoạn ốn g của m ạng lưới.

Cho nên nhiệm vụ điều chỉnh m ạng lưới sẽ dẫn đến v iệ c g iả i hệ phương trình bao gồm n phương trình tuyến tính tương ứng với n s ố g ia điều ch ỉn h lưu lượng vòn g đ ối với

n vòn g m ạng lưới.

Đ ố i với m ạng lưới đang xét, c ó hệ phương trình bao g ồ m 4 phương trình đ ối với 4 vòn g của m ạng lưới, nếu p = 2 c ó dạng:

Sj_2(qi_2 ~ A qj) + S2_3(q2_3 — A qj) —

“ S5 _ 3 (q5_ 3 + Aqj — Aqn) —Sj_5(q1_ 5 + Aqj — Aqin) = 0

$5-3(9 5 - 3 + Aqi ~Aqn) + S 3_4(q3 _ 4 — Aqn)

s ố tổn thất áp lực ở vòn g I đ ối với lần phân phối sơ bộ lưu lượng hay chính là Ahj Cũng bằng cá ch biến đ ổi tương tự, ta sẽ nhận được hệ phương trình tuyến tính tương ứng với

s ố gia đ iều chỉnh lưu lượng của cá c vòng như sau:

Ahj -2(XSq°)IAqI +2(Sq0)5_3Aqn + 2(S q°V 5Aqm = 0 Ah„ -2 (2 S q °)n Aqn +2(Sq0)5_3Aqi +2(Sq°)5_6AqIV, = 0 AhIU -2(SSq )iii Aqui + 2(Sq )j_5Aqj+2(Sq )8_5AqIV= 0 AhIV - 2(2Sq°)IVAqIV +2(Sq0)8_5Aqm +2(Sq°)5_6Aqn = 0

Đ ể giả i hệ phương trình này GS B.G L ôbachep đề nghị dùng phương pháp gần đúng bằng cách loại bỏ các thành phần có chứa s ố gia đ iều chỉnh của các v òn g lân cận V ì thế,

hệ phương trình trên trở thành hệ phương trình với các phương trình còn lại các thành phần thứ nhất và thứ hai:

Ah, - 2(ESq° )j Aqj = 0; Ahn - 2(SSq° )2 Aqn = 0

Từ đó có thể tính được lưu lượng điều chỉnh của mỗi vòng:

Ah,2(2Sq )2> Aqm -

Ah1112(2Sq°), » Aqlv ~

AhIV2(2Squ)4

Như vậy, các công thức xác định lưu lượng điều chỉnh cho mạng lưới bốn vòng cũng tương tự như cho mạng lưới một vòng Từ đây ta có thể viết được công thức tổng quát số gia điều chỉnh lưu lượng như sau:

Aqj =

Khi mạng lưới làm việc trong khu vực quá độ, tức là đối với giá trị p 42 thì số gia

điều chỉnh lưu lượng vòng sẽ xác định theo công thức:

Các giá trị trong các công thức 5.43 và 5.44 kém chính xác hơn những giá trị xác định được trong kết quả giải hệ phương trình 5.42 Vì vậy muốn thu được kết quả đạt độ chính xác yêu cầu thì quá trình xác định Aqj cần phải lặp đi lặp lại nhiều lần Sau mỗi lần tìm được Aqj, chúng ta lại tiến hành điều chỉnh lại lưu lượng cho các đoạn ống của mạng lưới và kiểm tra lại độ khép kín áp lực cho các vòng cho đến khi nào đạt được kết quả mong muốn Ví dụ điểu chỉnh mạng lưới vòng cho mạng lưới 8 vòng giới thiệu ở phần “Câu hỏi ôn tập và ví dụ tính toán” của chương 5)

Phương pháp này được kỹ sư người Nga đưa ra và phát triển vào năm 1932

Cơ sở của phương pháp là: sau khi phân phối sơ bộ lưu lượng cho các đoạn ống của mạng lưới kiểm tra điều kiện cân bằng lưu lượng nút và điều kiện cân bằng áp lực cho các vòng Tiến hành phân tích sai số áp lực trong các vòng của mạng lưới để chỉ ra được đoạn nào quá tải, thiếu tải Trên cơ sở kinh nghiệm, phân tích sự làm việc của mạng lưới, tiến hành vạch một số vòng lớn có thể bao trùm toàn bộ hoặc một vài vòng đơn của mạng lưới

Vì điều kiện mạng lưới là vòng khép kín nên việc vạch hướng của lưu lượng điều chỉnh không làm phá vỡ điều kiện cân bằng lưu lượng tại các nút của mạng lưới

Sự thành công của việc điều chỉnh mạng lưới phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn vòng điều chỉnh và kinh nghiệm của ngưới tính toán và để nhanh chóng có thể tiến hành điều chỉnh nhiều vòng cùng một lúc.

Các giá trị số gia điều chỉnh lưu lượng Aq vẫn tính theo công thức gần đúng như công thức 5.43, cụ thể là:

2£SqTrong đó:

Ah - tổng đại số tổn thất áp lực của vòng điều chỉnh;

ESq - tổng số các giá trị sq của các đoạn ống thuộc vòng điều chỉnh

Nếu chiều dài các đoạn ống trong vòng điều chỉnh không khác nhau nhiều lắm, thì có thể tính Aq theo công thức đơn giản hơn:

Aq = qtb-Ah

2EhTrong đó:

qtb - lưu lượng trung bình của các đoạn ống thuộc vòng điều chỉnh, qtb = 2qj/n (n - số đoạn ống trong vòng điều chỉnh);

Ah - tổng đại số tổn thất áp lực của vòng điều chỉnh;

ESq - tổng số các giá trị sq của các đoạn ống thuộc vòng điều chỉnh

Trong quá trình tính toán điều chỉnh, các giá trị ISi-kqi-k của từng vòng thay đổi rất

ít, nên có thể cho rằng đối với mỗi vòng khi điều chỉnh liên tiếp có Ahi, Ah2, Aqb Aq2, sẽ tồn tại quan hệ:

Đối với phương pháp của Lôbachep:

ưu điểm: các bước tính toán rõ ràng, dễ hiểu, thậm chí đối với người chưa có kinh

nghiệm cũng có thể thực hiện được, áp dụng cho tính bằng máy

Nhược điểm: Khối lượng tính toán khá lớn, tốn nhiều thời gian.

Đối với phương pháp của Anđriyasev:

ưu điểm: Khối lượng tính toán ít và thuận tiện và cho kết quả nhanh.

Nhược điểm: tốc độ điều chỉnh phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế

5.6.7 Lý thuyết tính toán kiểm tra điều chỉnh bên ngoài mạng lưới

(Đối vén các trường hợp mạng lưới và các công trình cấp nước và điểm dùng nước không cố định làm việc đồng thời).

Thông thường tính toán thủy lực mạng lưới là xác định đường kính ống hợp lý, tổn

thất áp lực trong các đoạn ống, áp lực công tác của máy bơm và áp lực yêu cầu của tất cả các điểm dùng nước trên mạng lưới khi lượng nước cấp vào là ổn định Nhưng trong thực

tế, lượng cấp vào có thể thay đổi tùy thuộc vào lượng tiêu thụ và áp lực yêu cầu tại các điểm dùng nước trên mạng lưới

Tính toán kiểm tra là đi tìm các giá trị lưu lượng và áp lực thực tế tại tất cả các điểm

và các thành phần của hệ thống cấp nước Kết quả là tìm ra được các giá trị lưu lượng thực tế trên tất cả các tuyến ống, lưu lượng và cột đo áp thực tế của các trạm cấp nước, của các nút trên mạng lưới và lưu lượng thực tế của các điểm dùng nước không cố định đối với các thời điểm tính toán khác nhau

Các đại lượng đã biết khi tính toán kiểm tra bao gồm: lưu lượng lấy ra cố định tại các nút, đường kính và tổn thất áp lực của các đoạn ống, cao trình mặt đất, áp lực tự do tại các nút và đặc tính thủy lực của trạm cấp nước và các điểm dùng nước không cố định.Nếu ký hiệu: p - tổng số đoạn ống của mạng lưới; m - tổng số nút của mạng lưới;

e - số lượng trạm cấp nước và điểm dùng nước không cố định, ta có p giá trị lưu lượng chảy trong các đoạn ống, m giá trị cột đo áp tại các nút mạng lưới ( H i ) , e giá trị lưu lượng của các trạm cấp nước và các điểm dùng nước không cố định chưa biết và khi đó

số ẩn cần tìm là:

Để tìm các ẩn số này, có thể thành lập các nhóm phương trình sau:

1 m phương trình cân bằng lưu lượng nút có dạng: 2 ( q i _ k + Q i) = 0 Những phương trình biểu thị định luật I Kirgoía đối với các nút;

Ở đây: Q i - lưu lượng lấy ra tại các nút

2 n phương trình cân bằng áp lực vòng có dạng: £Sị_kqf_k= 0 Những phương trình này biểu thị định luật II Kirgoía và có thể gọi là các phương trình “điều chỉnh bên trong” mạng lưới;

3 Các phương trình dạng: Hj - H k = s i-kq?-k;

Ở đây:

Hj và Hk - cột đo áp tại các điểm giới hạn ở hai đầu đoạn ống;

hj.k - tổn thất áp lực trên đoạn ống;;

Sj_k - sức kháng thủy lực của đoạn ống;

qi4 - lưu lượng nước chảy trong đoạn ống

Số phương trình loại này có p - n (n - số vòng của mạng lưới)

4 Các phương trình cân bằng áp lực đối với vòng giả định dạng: F(Qi) - cp(Qk) = (£h)j_k Những phương trình này đặt mối quan hệ giữa các trạm cấp nước và các điểm dùng nước không cố định khi có sự làm việc đồng thời, biểu thị đặc tính (Q-H) của các trạm cấp nước và các điểm dùng nước không cố định Số lượng phương trình loại này bằng (e-1)

và có thể gọi là những phương trình “điều chỉnh bên ngoài“ mạng lưới

Như vậy, tổng số các phương trình đã lập được là:

Từ (5.45) và (5.46) ta thấy, số phương trình lập được nhỏ hơn số ẩn số cần tìm 1 đơn

vị Như vậy, các lưu lượng và vì thế các tổn thất áp lực có thể tìm được từ các phương trình, còn các giá trị cốt đo áp tại các nút của mạng lưới (Hi) thì cần biết thêm mối quan

hệ áp lực ít nhất là tại một nút bất kỳ với cao trình mặt đất tại điểm ấy của mạng lưới (có thể tại điểm bất lợi nhất hoặc tại trạm cấp nước với cốt địa hình cố định)

Xét trường hợp mạng lưới có hai trạm cấp nước và hai đài nước như ở hình 5.9 Mạng

lưới có p đoạn ống, m nút, n vòng và e điểm cấp nước và dùng nước không cố định Để tìm tất cả các lưu lượng thực chưa biết trong các đoạn ống và e lưu lượng chưa biết của các trạm cấp nước và điểm dùng nước không cố định (tức là p + e ẩn số), chúng ta có thể thiết lập các phương trình dưới đây:

1 m phương trình cân bằng lưu lượng nút (đối vói tất cả các nút thực tế của mạng lưói):

£qj-k + Qi = 0;

2 n phương trình cân bằng áp lực vòng (đối với các vòng thực tế của mạng lưới);

3 e - 1 phương trình cân bằng áp lực đối với vòng giả định: F(Qi) - cp(Qk) = (£h)j_k.Như vậy, có tất cả là m + n + e - 1 = p + e phương trình Giải các phương trình trên

có thể tìm được lưu lượng của tất cả các đoạn ống của mạng lưới, lưu lượng các trạm cấp nước và các điểm dùng nước không cố định Sau khi xác định được tất cả lưu lượng của các đoạn ống (qj.k) có thể tìm được tổn thất áp lực trong tất cả các đoạn mạng lưới

Hình 5.9.

Như đã nói ở trên, muốn xác định chiều cao cột áp tại tất cả các nút của mạng lưới cần biết mối liên hệ áp lực ít nhất là của một điểm vơí cao trình mặt đất tại điểm ấy Ta lấy một điểm tại trạm bom, nghĩa là đã biết áp lực công tác và cốt đặt trục máy bơm:

Hb = Ho-ShQ2, ,

Trong đó:

sb - sức kháng thủy lực của máy bơm;

Qb - lưu lượng của máy bơm;

Hb - áp lực công tác của máy bơm ứng với thời điểm Qb = 0.

Ta giả định một điểm 0 (nằm ngoài mạng lưới) và vẽ thêm các đoạn ống giả DịO, Dn0, TB|0 và TBb0 để tạo ra sơ đồ mạng lưới với các vòng giả định Sử dụng vòng giả định không những làm sáng tỏ mối liên hệ giữa các trạm cấp nước và các điểm dùng nước không cố định, mà còn thiết lập được sơ đồ để thành lập các phương trình tính toán điều chỉnh mạng lưới khi có sự làm việc đồng thời của các bộ phận trong hệ thống cấp nước Sơ đồ này thường được sử dụng để thiết lập các thuật toán và chương trình tính toán hệ thống cấp nước và phân phối nước trên máy tính điện tử

Để hiểu sâu hơn về khả năng tính toán kiểm tra mạng lưới vòng, chúng ta tham khảo một ví dụ đơn giản cho mạng lưới cấp nước hai vòng với một trạm cấp nước và một đài nước đặt cuối mạng lưới (hình 5.10)

Mạng lưới vòng được cấp nước từ trạm bơm bằng 2 đường ống song song có đường kính d = 500mm và chiều dài / = 500 m Trên sơ đồ số liệu ở cạnh mũi tên tại các nút của mạng lưới chỉ lưu lượng lấy ra tại các điểm dùng nước cố định (tính bằng //s), ở cạnh các đoạn ống chỉ chiều dài (tính bằng m), lưu lượng phân bố ban đầu và đường kính ống đã chọn

Tính toán hệ thống này khi máy bơm, mạng lưới và đài nước làm việc đồng thời (trường hợp vận chuyển nước lên đài) có thể tiến hành bằng phương pháp “gần đúng dần” với giả thiết đã biết đặc tính (Q-H) của máy bơm và điểm dùng nước không cố định (đài nước) Giả sử, máy bơm đã biết là loại Omega 300- 560B với các thông số như sau: số vòng quay n = 1450 v/ph; đặc tính của máy biểu diễn bằng phương trình:

Hb = 108,3 - SbQ2b đặc tính của đài nước (không kể đến sự thay đổi mực nước trong đài) là Hđ = const = 75m (so với trục máy bơm)

Ta giả định điểm 0 nằm ngoài mạng lưới và vẽ thêm 2 đoạn ống 0 - TB và ĐN - 0 để tạo ra vòng giả định (O) Nhiệm vụ đặt ra là phải tính toán kiểm tra mạng lưới Để thực hiện nhiệm vụ này, ta phải điều chỉnh mạng lưới có 2 vòng thực tế (I và II) và một vòng giả định (0 ) Ta phải giải hệ phương trình với 3 phương trình cân bằng áp lực trong vòng:Vòng I: Sj_2qj_2+ S 2_3q2_3 — S1_3q]_3 = 0

Vòng II: S2_4q2-4 + S3_4íl3_4 ~ S2_3q2_3 = 0

Vòng III: F(Qb)+SyyQh + Sj_3qj_3 + S3_4q3_4 + S4_dq4_d = 0

và 7 phương trình cân bằng lưu lượng tại các nút (kể cả nút giả định 0)

Sau khi phân phối sơ bộ lưu lượng, thu được các giá trị sai số áp lực trong các vòng như đã giới thiệu trên hình 5.10 Từ đó xác định được các gía trị điều chỉnh lưu lượng và xác định các giá trị lưu lượng của các đoạn ống giả định Qb và Qd

Tiến hành một số lần điều chỉnh lưu lượng của các đoạn ống, sẽ thu được các sai số

áp lực cho phép AH < [AH]gh, nghĩa là bài toán kiểm tra hoàn thành

Như vậy, tính toán hệ mạng lưới cấp nước đã dẫn đến việc cùng điều chỉnh bên trong

và bên ngoài mạng lưới Đối với mạng lưới nhiều vòng với một số trạm cấp nước và điểm dùng nước không cố định thì tính toán trở nên rất phức tạp, khi đó nên sử dụng máy tính điện tử

5.6.8 Điều chỉnh mạng lưới bằng chương trình trên máy tính điện tử

5.6.8.1 Nguyên tắc và các bước tiến hành tính toán trên máy tính điện tử

Khi giải một bài toán kỹ thuật trên máy tính điện tử có thể tiến hành theo các bước sau đây:

- Bước thứ nhất là tổ chức nhiệm vụ tính toán: Phải chỉ ra được các tham số lý học

tiêu biểu của nhiệm vụ tính toán; thể hiện được mục đích cuối cùng của bài toán và hình thành được phương pháp xác định mục tiêu

Ví dụ, đối với tính toán điều chỉnh mạng lưới cấp nước: các tham số vật lý tiêu biểu là: hình thù mạng lưới, lưu lượng lấy ra từ các nút, đặc tính của các trạm bơm cấp nước (trạm bơm cấp II) và các giá trị đường kính đã chọn Mục đích cuối cùng: xác định lưu lượng nưóc chảy trong tất cả các đoạn ống và áp lực tại tất cả các nút mạng lưới; Phương pháp xác định: sử dụng định luật I và II của Kirgôfa đối với mạng lưới cấp nước, tổn thất

áp lực trong các đoạn ống xác định bằng các công thức thủy lực

- Bước thứ hai là thành lập mô hình tính toán: Sử dụng kỹ thuật trình bày và một số

kiến nghị đơn giản hóa để đưa nhiệm vụ tính toán đến việc thành lập và giải các hệ phương trình liên quan tới các tham số ban đầu và các thống số cần tìm của bài toán

Ví dụ ở trường hợp đang xét, mô hình toán là hệ phương trình tuyến tính mô tả định luật I của Kirgôfa (5.36): Eq,_k + Q i = 0 , và hệ phương trình phi tuyến mô tả định luật II của Kirgôfa (5.37): SSi_kqf_k = 0

- Bước thứ ba là lựa chọn phương pháp số liệu: Chỉ ra được phương pháp số liệu để

giải bài toán mà không có sự nhầm lẫn nào ở số liệu ban đầu và số liệu đưa vào quá trình tính toán

- Bước thứ tư là lập chương trình tính toán: Sau khi đã lựa chọn phương pháp sô' liệu

để giải bài toán, thì chuyển qua thành lập thuật toán để giải trên máy vi tính Tất nhiên cần lưu ý là máy tính chỉ hiểu những thuật toán đã viết trên ngôn ngữ có thể hiểu được ở trong mã của máy hay đơn giản hơn là viết trên ngôn ngữ thuật toán Phổ biến rộng rãi nhất là ngôn ngữ thuật toán: đối với các bài toán kỹ thuật là Visual Basic và Pascal; đối với bài toán kinh tế: Foxpro

Chương trình được viết trên ngôn ngữ thuật toán là sơ đồ khối danh sách chi tiết của tất cả các thao tác cần thực hiện, chỉ dẫn các bước giải quyết cơ bản và trình tự thực hiện chương trình trên máy tính điện tử Hình 5.11 giới thiệu sơ đồ khối của chương trình tính toán mạng lưới cấp nước

- Bước thứ năm là chỉnh chương trình: Tim ra các lỗi có thể xẩy ra trong chương trình

(lỗi về hình thức viết chương trình; lỗi về ngữ nghĩa trong khi viết thuật toán) bằng cách tính toán thử nghiệm bài toán

- Bước thứ sáu là tính toán và phân tích kết quả: Sau khi đã có kết quả tính toán của

một số phương án và phân tích chúng, có thể giải mô hình toán học đã thành lập để xem xét xem chương trình có đáp ứng được hiện tượng vật lý đang nghiên cứu hay không và

từ đó có thể lựa chọn được phương pháp số liệu, ở đây cần phân tích rõ bản chất của bài toán và những sai lầm có thể mắc phải của phương pháp số liệu Đôi khi phải quay lại các bước đầu tiên và đưa vào những thay đổi cần thiết

Hình 5.11 Sơ đồ khối của chương trình tính toán mạng lưới cấp nước

5.6.8.2 Sử dụng máy tính điện tử đ ể tính toán mạng lưới

Ngày nay máy tính được dùng rộng rãi trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học, thiết

kế và lao động sản xuất Trong kỹ thuật cấp nước, máy tính cũng đã được ứng dụng trong thiết kế và quản lý

Để có thể sử dụng được máy tính điện tử cần phải thiết lập chương trình tính toán cho mỗi loại bài toán khác nhau Chương trình tính toán là bảng liệt kê các thao tác, các lệnh tiến hành các thao tác trên máy và phải được đưa vào bộ nhớ của máy Ngoài ra máy cần phải được nạp tất cả các thông tin cần thiết về hộ thống cấp nước Các chương trình này cũng có thể sử dụng để giải các bài toán cùng loại với các số liệu ban đầu khác nhau và đặc tính khác nhau của từng bộ phận riêng rẽ trong hộ thống Hiện nay người ta đã thành lập được các chương trình tính toán để giải quyết tất cả các loại tính toán cơ bản của hệ thống cấp nước và phân phối nước như:

- Tính toán thủy lực mạng lưới;

- Tính toán kiểm tra sự làm việc đồng thời của mạng lưối với các trạm cấp nước và các điểm dùng nước không cố định;

- Tính toán kinh tế kỹ thuật mạng lưới (tìm đường kính ống tối ưu);

- Tính toán nước va;

- Chế độ làm việc tối ưu của các trạm cấp nước

Để tiến hành tính toán trên máy tính điện tử cần phải hoàn thành các nhiệm vụ sau:

* Nhiệm vụ thứ nhất là nhập số liệu ban đầu vào máy tính để thực hiện các tính toán:

1 Đặc tính số liệu các thành phần của mạng lưới: sức kháng dơn vị, chiều dài các đoạn ống, đặc tính máy bơm, cao trình mặt đất và áp lực yêu cầu tại các điểm tính toán

và đài nước; trị số lưu lượng lấy ra tại các điểm dùng nước cô' định, lưu lượng cấp vào mạng lưới

2 Thông tin về tính chất hình thù mạng lưới, sự liên kết các đoạn ống trong mạng lưới, trạm cấp nước và đặc điểm của tất cả các nút

* Nhiệm vụ thứ hai là giao nạp thông tin về đặc điểm hình học của mạng lưới bằng

các đặc điểm số liệu Đòi hỏi phải có biến đổi đặc biệt của mạng lưới và hệ thống đánh

số liệu các nút và các đoạn ống

Có nhiều phương pháp giao nạp thông tin về đặc điểm hình học của mạng iưói cấp nước:

- Phương pháp liên kết m a trận (x e m phụ lục V ị ) ;

- Phương pháp ma trận vòng (xen phụ lục v 2);

- Phương pháp thành lập mạng “cây” (xem phụ lục v 3),

Nhưng tiện lợi và cơ bản nhất là biến mạng lưới vòng thành mạng lưới dạng “cây" Điều này cho phép ta thực hiện hệ thống đánh số liệu yêu cầu Ngoài ra, máy còn nhận được việc tự động hóa tính toán lưu lượng trong các đoạn ống của mạng lưới thoả mãn định luật I Kirgofa và tính ra cốt đo áp tại tất cả các nút của mạng lưới

Bài toán đơn giản nhất được giải trên máy tính diện tử là điều chỉnh bên trong mạng lưới tức là bài toán khi lưu lượng cấp vào và lấy ra tại các điểm dùng nước trong mạng

lưới là ổn định Đối với bài toán này, chương trình tính toán trên máy tính chủ yêu dựa trên phương pháp của Lôbachep - Krôsa và các biến thể của nó đối với bài toán này chúng ta đằ có chương trình lập sẵn trong máy tính.

5.Ó.8.3 Điều chỉnh mạng lưới vòng bằng chương trình Loop

Chương trình loop thực hiện thuật toán Lôbachep - hardy- Krôse và chương trình dòng chảy Hazen - Williams để mô phỏng các đặc tính thuỷ lực trong mạng lưới cấp nước kiểu vòng, kiểu kết hợp hoặc kiểu phân nhánh hoàn toàn

Chương trình loop được sử dụng rất nhiều và rất có hiệu quả cho các mạng lưới cấp nưốc có chứa tối đa 500 đoạn ống và 400 nút, phù hợp không giới hạn các đoạn ống song song trên mỗi đoạn ống nối các nút và các ống được đánh theo số nguyên bất kỳ từ

1 đến 36 000 Điều chỉnh mạng lưới vòng bằng chương trình loop được tiến hành theo các bước sau:

Bước ỉ: Chuẩn bị số liệu

Muốn sử dụng chương trình loop, cần thực hiện các bước 1, 2, 3 trong mục 5.6.3 trình tự tính toán thuỷ lực mạng lưới, tiếp tục thực hiện một phần của bước 4, tức là đưa vào trị số lưu lượng phân bố sơ bộ trên mỗi đoạn ống của mạng lưới, tính đường kính cho các đoạn ống trên cơ sở vận tốc kinh tế trung bình

Sau đó mô tả toàn bộ mạng lưới dưới dạng sơ đồ, trong đó mỗi đường ống và mỗi nút phải được đánh dấu bởi một số nguyên và ghi trực tiếp trên sơ đồ mỗi nguồn chỉ được nối với mỗi đường ống duy nhất

Bước 2: Giao nạp số liệu vào chương trình

* Nhập các tham số vào bảng 1 tạo tệp mới:

Bảng 1 Nework parametes table

Trong đó: Title - Tên của đồ án thiết kế - đến 60 ký tự;

No of pipe - Số lượng đoạn ống của mạng lưới (là số nguyên);

No of nodes - số lượng nút của mạng lưới (là số nguyên);

Peak factor - số được nhân với giá trị tại mỗi nút Khi tính với giờ dùng

nước lớn nhất, lấy bằng 1

Max headloss/Km - giá trị tổn thất đơn vị tối đa cho phép trên 1 km ống

Chương trình tự gắn cho giá trị 10 m/km, giá trị này có thể được người sử dụng thay thế;

Max unbalanced - tiêu chuẩn dùng cho thuật toán hardy - Kross, thường

ToNode

Length(m)

DIA(mm)

HWC

Pipe No: Có thể là bất cứ số nguyên nào từ 1 đến 36000 Nếu là thiết kế cải tạo,

mở rộng, thì nên đánh số các ống đã có sẩn và các ống mới thành 2 nhóm

số khác nhau để thuận tiện cho việc tính toán sau này

From node to node: là các nút đầu và cuối của một đoạn ống tính toán.

Dòng chảy được giả thiết chảy từ from node đến to node, nếu điều giả thiết không đúng, chương trình sẽ tự động đổi vị trí các nút đó cho phù hợp

Length: Chiều dài đoạn ống.

DĨA: Đường kính trong của ống (m)

HWC: Là hệ sô' nhám Hazen - williams, đó là các đại lượng không đơn vị thường

lấy giá trị giữa 80 và 140, phụ thuộc vào kiểu và thời gian sử dụng ống

Nde No - là số nguyên tuỳ ý không theo thứ tự.

Fix - là hệ số sử dụng cho giờ cao điểm, được gắn cho một giá trị định sẵn và tự

động nhận vào cột tiếp theo Fix thường nhận bằng 1 ở những nút có dòng chảy duy trì dòng chảy không đổi như trạm bơm, đài nước

Flow (l/s) - là trị số lưu lượng lấy ra từ nút Chương trình sẽ tự động gắn giá trị âm

nếu lưu lượng lấy ra ở các nút Còn nếu là dòng chảy vào hay là nguồn thì phải đổi thành giá trị dương

Elevation (m) - cao độ của nút.

Bước 3: Chạy chương trình (mô phỏng):

Sau khi đã nhập xong số liệu, sẽ thực hiện mô phỏng thuỷ lực cho mạng lưới cấp nước Kết quả mô phỏng thể hiện dưới dạng các bảng đã giới thiệu ở trên

Bước 4: Kiếm tra lại kết quả:

Sau khi chạy chương trình, cần xem lại kết quả hiển thị trong mẫu 1 và mẫu 2 để kiểm tra

1 Kiếm tra áp lực tự do cần thiết bất lợi nhất (thường ký hiệu là R trong mẫu 2) Nếu thấy áp lực tự do tại nút này là nhỏ nhất so với các nút khác và có giá trị tương ứng bằng

áp lực tự do cần thiết của ngôi nhà ở vị trí bất lợi nhất thì kết quả đạt yêu cầu Nếu trị số này chưa phải là nhỏ nhất, có áp lực tự do tại những điểm khác nhỏ hơn, tức là đã chọn điểm bất lọi chưa đúng Khi đó phải chọn lại điểm bất lợi và chạy lại chương trình

2 Khi trong cột Velocity (MPs) trong mẫu 1 có quá nhiều đoạn ống máy đánh dấu bằng chữ “low”, nghĩa là đã chọn đường kính các đoạn ống đó quá lớn Khi đó cần điều chỉnh lại đường kính của các đoạn ống này cho phù hợp

3 Khi trong cột M/KM của headloss của mẫu 1 có nhiều đoạn ống máy đánh dấu bằng chữ “high” Điều đó có nghĩa là tổn thất áp lực trên lkm ống đã vượt quá giới hạn cho phép nạp vào chương trình ở bảng 1 (Max Headloss/Km = 10) Khi đó cũng cần điều chỉnh lại đường kính của các đoạn ống để đạt gía trị nhỏ hơn 10

5.6.8.4 Mô phỏng mạng lưới cấp nước bằng chương trình EPANET

Epanet là chương trình máy tính thực hiện việc mô phỏng thuỷ lực và chất lượng nước trên mạng lưới đường ống dưới tác động của áp lực dòng chảy Epanet có thể theo dõi lưu lượng nước trong từng đoạn ống, áp lực nước tại các nút của mạng lưới, mực nước

dao động trong các bể chứa áp lực và sự thay đổi của một số thành phần hoá chất trong nước vận chuyển trên mạng lưới.

Về mô phỏng thuỷ lực, Epanet có khả năng áp dụng cho mạng lưới cấp nước có qui mô bất kỳ, không phụ thuộc vào công suất của máy bơm, có thể tính toán tổn thất áp lực dọc đường và cục bộ theo công thức của Hazen - Williams, Darcy - Weisbach, hoặc Chezy - Manning và có thể tính toán năng lượng tiêu thụ của máy bơm và các chi phí khác

Về mô phỏng chất lượng nước, Epanet có khả năng theo dõi sự pha lẫn nước từ nhiều nguồn nước khác nhau, thời gian lưu nước trên đường ống, sự thất thoát clo dư, sự khử trùng và tình trạng gây ô nhiễm nước

Như vậy, việc sử dụng chương trình Epanet, ngoài chức năng tính toán thuỷ lực mạng lưới, chương trình còn thực hiện các mô phỏng thuỷ lực và chất lượng nước trên mạng lưới theo chu kỳ thời gian

So với chương trình LOOP, chương trình EPANET có những ưu điểm nổi bật sau:

- Sơ đổ hình học của mạng lưới thực hơn do có thể tải từ bản vẽ AutoCAD;

- Chế độ làm việc của trạm bơm (theo đường đặc tính “curve”) không cố định như trong chương trình LOOP;

- Trong cùng một trạm bơm có thể dùng được số lượng và các loại máy bơm có đặc tính khác nhau (chủ yếu khác nhau về lưu lượng);

- Thể hiên được chế độ tiêu thụ của các đối tượng trong ngày: nhóm tiêu thu dân dũng (pattern 1); nhóm lưu lượng tập trung (pattern 2)

- Kết quả mô phỏng của chương trình cho phép in ra kết quả tính toán kèm sơ đồ cùng các thông số cần thể hiện

Sử dụng chương trình Epanet thực hiện theo 6 bước sau:

Bước ỉ: Vẽ mạng lưới và mô tả.

Bước 2: Thiết lập thuộc tính của các thành phần tạo nên mạng lưới.

Bước 3: Mô tả sự hoạt động của mạng lưới.

Bước 4: Chọn tập hợp phân tích.

Bước 5: Chạy phân tích thuỷ lực hoặc chất lượng nước.

Bước 6: Kiểm tra và phân tích kết quả.

5.7» TÍNH TOÁN MẠNG LƯỚI CỤT

5.7.1 Cơ sở tính toán

Trong mạng lưới cụt, nước chảy tới một điểm nào đó chỉ theo một hướng nhất định, cho nên việc xác định lưu lượng nước tính toán cho các đoạn ống mạng lưới tương đối đơn giản, lưu lượng nước tính toán của các đoạn ống sẽ bằng tổng các đại lượng:

1 Lưu lượng vận chuyển qua, tức là tất cả các lưu lượng tập trung và lưu lượng dọc đường của các đoạn ống phía sau,

2 Lưu lượng dọc đường của bản thân đoạn ống

Nói cách khác, lưu lượng tính toán của mỗi đoạn ống sẽ bằng tổng các lưu lượng nút của tất cả các nút kề từ cuối đoạn ông đó trở đi

Các đại lượng cần xác định bao gồm: p lưu lượng nước chảy trên các đoạn ống (q¡_k), lưu lượng của trạm bơm ( Q b) , m trị số áp lực tại tất cả các nút ( H ị) (trong đó có áp lực công tác của máy bơm H b) Áp lực tự do tại các nút có thể xác định được khi đã biết cốt mặt đất tại các nút theo công thức:

SỐ phương trình lập được: p + m phương trình

Như vậy, số ẩn số lớn hơn số phương trình lập được là e đơn vị Trong trường hợp hệ thống có một nguồn cấp nước (một trạm bơm: e = 1) và lưu lượng lấy ra cố định tại các nút, thì lưu lượng của máy bơm luôn luôn bằng tổng lưu lượng lấy ra tại các điểm dùng nước: Q b = S Q i - Có đặc tính của máy bơm, có thể xác định được giá trị áp lực công tác của máy bơm H b tương ứng với Q b.

Để xác định áp lực tại các nút còn lại sẽ sử dụng hệ phương trình loại I I có dạng: H j -

H k = Si_k.q 2j_k đối với tất cả các đoạn ống của mạng lưới Việc tính toán này có thể bắt đầu từ trạm bơm ( H b) , rồi lần lượt trừ đi tổn thất áp lực củạ các đoạn ống riêng biệt Thông thường khi tính toán thiết kế mạng lưới, trước hết người ta cho áp lực yêu cầu tại các điểm tính toán bất lợi, rồi từ đó xác định áp lực cần thiết của máy bơm Thep áp lực này và lưu lượng đã cho, sơ bộ chọn máy bơm và sau đó mới tiến hành tính toán