Trong tính toán thủy lực và thiết kế mạng lưới cấp nước, việc ưu tiên hàng đầu là tính toán lựa chọn đường kính ống tối ưu đóng vai trò quan trọng, góp tới 80% chi phi đầu tư của hệ thống. Do đó, việc tính toán thủy lực các yếu tố tác động tới dòng chảy trong mạng lưới cấp nước bao gồm loại chất lỏng, kích thước thực của đường ống, nhiệt độ, chất lượng nước đầu ra, và ưu tiên trên hết là vấn đề cần xác định đường kính ống theo áp lực yêu cầu thiết khi thể hiện bản vẽ thiết kế của một mạng lưới cấp nước.
Trang 1NHỮNG TÍNH NĂNG MỚI CỦA PHẦN MỀM PIPE FLOW EXPERT SO VỚI PHẦN MỀM EPANET
NEW FEATURES OF PIPE FLOW EXPERT COMPARED TO EPANET
Trần Quang Nhật 1
Tóm tắt:
Trong tính toán thủy lực và thiết kế mạng lưới cấp nước, việc ưu tiên hàng đầu là tính toán lựa chọn đường kính ống tối ưu đóng vai trò quan trọng, góp tới 80% chi phi đầu tư của hệ thống Do đó, việc tính toán thủy lực các yếu tố tác động tới dòng chảy trong mạng lưới cấp nước bao gồm loại chất lỏng, kích thước thực của đường ống, nhiệt độ, chất lượng nước đầu ra, và ưu tiên trên hết là vấn đề cần xác định đường kính ống theo áp lực yêu cầu thiết khi thể hiện bản vẽ thiết kế của một mạng lưới cấp nước
Phần mềm Pipe Flow Expert (PFE) đáp ứng được những yêu cầu đã nêu trên ngoài ra phần mềm hỗ trợ các báo cáo về bố cục, mặt cắt dọc, mặt cắt ngang của mạng lưới Điều mà phần mềm EPANET vẫn còn thiếu sót Đặc biệt nổi bật của phần mềm là có thể mô phỏng mạng lưới cấp nước trong nhà dưới
dạng 3D, mô phỏng thiết kế hệ thống cứu hỏa và tưới tự động trong nông nghiệp
Từ khóa: EPANET, Pipe Flow Expert, tính toán thủy lực mạng lưới, mạng lưới cấp nước.
Abstract:
In hydraulic calculations and water supply network design, the first priority is to calculate the selection of optimal pipe diameter plays an important role, contributing to 80% of the system’s investment costs Therefore, the hydraulic calculation of the factors affecting the flow in the water supply network includes the type of fluid, the actual size of the pipe, the temperature, the quality of the outlet water, and the first priority is It is necessary to determine the pipe diameter according to the required pressure when showing the design drawings of a water supply network
Pipe Flow Expert (PFE) software meets the above requirements, and it supports reports on the layout, vertical and cross section of the network Especially outstanding is the software that can simulate indoor water supply networks in 3D, simulate the design of automatic fire and irrigation systems in agriculture
Keywords: EPANET, Pipe Flow Expert, Hydralics, Water Supply Network.
1 Tổng quan về các phần mềm
1.1 Phần mềm EPANET
EPANET là một phần mềm tính toán mạng lưới cấp nước có khả năng mô phỏng thủy lực các đoạn ống và chất lượng nước có xét đến yếu tố thay đổi về thời gian trong các mạng lưới ống có áp EPANET không chỉ tính toán trong một thời điểm mà còn có thể tính một khoảng thời gian bất kỳ trong một chu
kỳ (12h, 24h, 72h,…) dựa vào phương trình dòng không đổi
EPANET có thể mô phỏng hoạt động giả định của một hệ thống trong giai đoạn thiết kế và vận hành, cung cấp những diễn biến theo thời gian về lưu lượng và lưu tốc trong đường ống, áp suất tại các vị trí khảo sát trong mạng, chế độ mực nước trong đài và bể, nồng độ và thời gian lưu lại của các loại hóa chất trong hệ thống cấp nước
EPANET cho phép:
• Mô phỏng hệ thống với quy mô bất kỳ
Trang 2• Tính toán tổn thất thủy lực theo các công thức Hazen – Williams, Darcy-Weisbach hay Chezy – Manning
• Xét đến những tổn thất cục bộ gây ra bởi các thiết bị, việc nối ống, các vị trí uốn cong hay thay đổi kích thước trong mạng lưới…
• Mô phỏng các loại nguồn cấp nước khác nhau
• Mô phỏng bơm với các chế độ vận hành cố định hay thay đổi
• Tính toán hiệu suất làm việc của bơm và chi phí năng lượng
• Mô phỏng các loại van khác nhau như van giảm áp (Pressure Regulation Valve – PRV), van duy trì
áp (Pressure Sustaining Valve – PSV), van tiết lưu ( Flow Control Valve – FCV), van một chiều (Check Valve – CV)…
• Mô phỏng đài nước và bể chứa với hình dạng bất kỳ (tiết diện mặt cắt ngang đài hoặc bể thay đổi theo chiều cao)
• Xét đến đồng thời nhiều chế độ dùng nước khác nhau của nhiều đối tượng khác nhau trong cùng một khu vực
• Mô phỏng các loại vòi phun trang trí ở công việc hay vòi phun trong các hệ thống tưới tự động với
áp lực thiết kế
Ngoài ra khả năng mô phỏng chất lượng nước của EPANET còn cho phép:
• Mô phỏng sự vận chuyển của các hóa chất không phản ứng (non-active) trong hệ thống cấp nước
• Mô phỏng sự kết tủa của các hóa chất xử lý nước trong đường ống
Dưới đây minh họa về sơ đồ thành phần vật lý của mạng lưới cấp nước được khởi tạo bằng EPANET
Hình 1 Sơ đồ mạng lưới cấp nước được mô phỏng bằng EPANET
Trang 31.2 Phần mềm PIPE FLOW EXPERT
Phần mềm PFE đã và đang được sử dụng bởi các kỹ sư ở trên 75 quốc gia trên thế giới để mô phỏng
và khảo sát vận tốc, tổn thất áp lực trong đường ống, những yêu cầu về kỹ thuật của hệ thống bơm trong quá trình tính toán thủy lực Bên cạnh đó, PFE còn cung cấp một giao diện trực quan giúp cho người dùng dễ dàng phân tích và giải quyết những vấn đề tính toán thủy lực mạng lưới như các yếu tố về vận tốc, tổn thất áp lực đường ống, cũng như xác định các thông số kỹ thuật của bơm theo hướng tối ưu hóa mạng lưới, tiết kiệm năng lượng, chi phí đầu tư mạng lưới thấp
Ngoài ra, PFE cho phép người dùng còn cho phép người dùng vạch ra hệ thống mạng lưới đường ống và phân tích hiệu suất làm việc của hệ thống so với hiệu suất làm việc của máy bơm dựa trên điều kiện cân bằng ổn định về vận tốc và áp lực yêu cầu với nhiều kịch bản khác nhau từ đó tìm ra được mạng lưới tối ưu về đầu tư vật tư chi phí thấp
Các báo cáo kết quả của PFE bao gồm:
• Vận tốc, lưu lượng của từng đoạn ống
• Hệ số Reynolds, hệ số ma sát của từng đoạn ống
• Tổn thất áp lực do ma sát giữa chất lỏng và thành ống
• Áp lực tại mỗi nút
• Điểm vận hành (làm việc) của bơm, giá trị HGL (hydraulic grade line)
• Chỉ số NPSHa của máy bơm
Dưới đây là ví dụ minh họa về khung gian làm việc của PFE
Hình 2 Sơ đồ không gian làm việc của Pipe Flow Expert
2 Tính năng mới của PIPE FLOW EXPERT
Những kỹ sư chuyên ngành cấp thoát nước sẽ bị thuyết phục bởi những tính năng vượt trội hơn so với phần mềm EPANET đã và đang sử dụng trong việc thiết kế cấp nước trong nhà, thể hiện không gian 3D cho mạng lưới Dưới đây, tác giả sẽ giới thiệu qua một tính năng đặc trưng của PFE
Trang 42.1 Mô phỏng hệ thống cứu hỏa
Phần mềm PFE mô phỏng hệ thống cấp nước chữa cháy với các yêu cầu về áp lực tại các điểm xảy
ra cháy và lưu lượng của từng đoạn ống Bố trí mạng lưới đường ống chữa cháy trực quan theo sơ đồ 3D giúp chúng ta kiểm soát, hình dung và thống kê đầy đủ các chi tiết trong mạng lưới cấp nước chữa cháy Điều mà ở EPANET vẫn còn đang bị hạn chế
Hình 3 Hệ thống cứu hỏa trong nhà
2.2 Cấp nước cho nhà cao tầng
Phần mềm PFE cho phép người dùng mô phỏng 3D hệ thống cấp nước của tòa nhà theo phương thẳng đứng, các dạng bể chứa, máy bơm, các chi tiết van, vòi, tê,… từ đó giúp người dùng bố trí đầy đủ mạng lưới cấp nước trong nhà chi tiết hơn
Hình 4 Mô phỏng cấp nước trong nhà 3 tầng
Trang 52.3 Cấp nước tưới nông nghiệp theo mạng tuần hoàn
Phần mềm PFE trợ giúp cho người dùng về mô phỏng hệ thống dàn mưa nhân tạo trong công tác phân phối nước trong tưới nông nghiệp
Hình 5 Hệ thống tưới nông nghiệp
3 Kết luận
Phần mềm PFE có thể tính mô phỏng hệ thống cấp nước cho nhà cao tầng, mô phỏng 3D giúp các điểm nút có đường ống giao nhau phức tạp trở nên rõ ràng hơn, điều mà ở EPANET hiện tại vẫn còn bị hạn chế thiết kế cho nhà cao tầng
Hiện nay, việc kết hợp các phần mềm cấp nước như WaterGEMS, Pipe Flow Expert với hệ thống phần mềm GIS trong hoạt động quản lý công trình mạng lưới cấp nước đô thị để dễ dàng quản lý, phát hiện sớm các điểm rò rỉ trên mạng lưới khi có những sự cố bất thường xảy ra trong mạng lưới Ngoài
ra, phần mềm còn rất nhiều phương hướng phân tích nghiên cứu đi sâu Tác giả sẽ đề cập trong những
số tiếp theo
Tài liệu tham khảo
[1] Vũ Van Hiếu, Nguyễn Tuấn Tùng, Đồ án “Thiết kế hệ thống cấp nước thành phố Pleiku”, Hà
Nội, 2011
[2] R.E FeatheaStone, C Nalluri, Civil Engineering Hydraulics, 3th Edition, Blacwell Science ltd,
1995
Ngày nhận bài: 20/02/2020
Ngày gửi phản biện: 04/3/2020
Ngày chấp nhận đăng: 20/3/2020
Trường ĐHXD Miền Tây