Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước

110/14/2010 1 TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Khoa KTXD - Bộ mơn KTTNN PGS. TS. NGUYỄN THỐNG E-mail: nthong56@gmail.com or nthong56@yahoo.fr Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong Tél. (08) 38 640 979 - 098 99 66 719 10/14/2010 2 NỘI DUNG MƠN HỌC Chương 1. Chất lượng, ht. phân phối nước & thiết bị. Chương 2. Quản lý cung - cầu trong cấp nước. Chương 3. Mơ hình hố & thiết kế ht. cấp nước. Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước. Chương 5: Nước va trong đường ống chảy cĩ áp. Chương 6. Quy hoạch hệ thống thĩat nước. Chương 7. Mơ hình hố & thiết kế ht. thốt nước. Chương 8. Thốt nước vùng triều. Chương 9. Quản lý vận hành ht. cấp và thốt nước. Phần mềm SWMM & EPANET MẠNG LƯỚI CẤP THỐT NƯƠÙC 10/14/2010 3 NỘI DUNG Thực hành 1: Mơ hình dự báo nhu cầu nước dùng với p/p Hồi quy tuyến tính Thực hành 2: Mơ phỏng mạng lưới cấp nước với EPANET. Thực hành 3: Mơ phỏng mạng lưới thốt nước với SWMM. Thực hành 4: Mơ phỏng thủy lực với HEC- RAS MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 1: Chất lượng, hệ thống phân phối & thiết bị PGS. Dr. Nguyễn Thống 10/14/2010 4 CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC Mục đích: • Tìm hiểu bản chất vật lý sự làm việc đồng thời một hệ thống gồm nhiều loại công trình (đường ống, bơm, đài nước, bể chứa,…). • Xác định ‘vùng cấp nước’ của các nguồn khác nhau trong hệ thống. MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước PGS. Dr. Nguyễn Thống 10/14/2010 5 HỆ THỐNG BƠM, ĐÀI NƯỚC VÀ ĐƯƠøNG ỐNG Trong mạng lưới cấp nước sự hoạt động đồng thời của bơm, đài nước và hệ thống đường ống phải thỏa mãn các quy luật hoạt động của các hạng mục. Đối với bơm, quan hệ giữa lưu lượng bơm hoạt động và cột nước bơm tạo ra phải thỏa mãn đường cong đặc tính của từng loại bơm. Đối với đài nước, lưu lượng ra hay vào đài tùy thuộc vào cột nước của đài và áp lực nước tại nút mạng lưới nơi nối vào đài vào cùng thời điểm. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 6 ĐƯỜNG CONG ĐẶC TÍNH BƠM PGS. Dr. Nguyễn Thống H (m) Q (m3/s) Htk Qtk MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước Quan hê Q=f(H) xác định tư$ nha $ SX bơm 0 H=33.3-20.84.10-5Q2
EPANET H(m), Q(l/s) 210/14/2010 7 Trong đó Qtk và Htk chỉ lưu lượng và cột nước thiết kế của bơm. Khi hoạt động với các thông số thiết kế này bơm sẽ có hiệu suất cao nhất. Vì một lý do nào đó, bơm phải hoạt động trong điều kiện khác giá trị thiết kế hiệu suất sẽ giảm và sự giảm hiệu suất sẽ càng tăng khi sự khác biệt càng lớn. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 8 HIỆU SUẤT BƠM PGS. Dr. Nguyễn Thống Htk Q (m3/s)Qtk H (m) ηmax η1 > η2 MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 0 10/14/2010 9 dh0 Q0 dh (m) Q (m3/s)O QUY LUẬT THỦY LỰC Xet đoạn ống bất kỳ  Quan hệ giữa tổn thất năng lượng dh (m) và lưu lượng đi qua Q(m3/s), một cách tổng quát có dạng sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước mKQdh = 10/14/2010 10 PHÂN TÂ ÍCH SỰÏ LÀØ M VIỆÄ C ĐỒÀ NG THỜØ I CÁÙ C HẠÏ NG MỤÏ C TRONG HỆÄ THỐÁ NG PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 11 TRƯỜNG HỢP 1 (BƠM+ỐNG+ðỊA HÌNH)
Xác định Q0  Bơm sử dụng đã được xác định (biết đường cong đặc tính bơm). Đọan đường ống (ij) với đặc trưng hình học của ống đã cho trước (chiều dài, đường kính, hệ số nhám, quy luật tổn thất năng lượng).  Cuối đường ống dẫn đưa nước đến một cao trình hj đã biết (địa hình). Xác định lưu lượng Q0 qua ống. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 12 • Sơ đồ có thể mô tả như sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước ðặc tính bơm X Mặt chuẩn hi Vx? h =f(Q) Q dh =g(Q) h dh Qx0 (h địa hình) H Quy luật thủy lực 310/14/2010 13 Giá trị lưu lượng qua ống (cũng là lưu lượng bơm) xác định như sau:  Gọi Qx là lưu lượng giả định qua ống.  Từ quan hệ tổn thất năng lượng  tổn thất năng lượng trong đường ống dh.  Ngòai ra, khi bơm hoạt động với lưu lượng Qx  h của bơm từ đường cong đặc tính bơm.  Cột nước đo áp CÒN LẠI tại cuối đường ống: hx = h – (dh+Vx2/2g) PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 14 So sánh giá trị hx và hj (h địa hình):  nếu hx < hj (bơm THIẾU cột nước)
Qx sẽ giảm đến khi nào hx =hj.  nếu hx > hj (bơm THỪA cột nước)
Qx sẽ tăng đến khi nào hx =hj. (Quá trình thay đổi Qx giá trị dh thay đổi theo) PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 15 Kết luận:
lưu lượng bơm không phải là giá trị áp đặt “chủ quan” vào hệ thống.
kết quả từ sự cân bằng làm việc phối hợp giữa đặc tính đường ống, bơm và điều kiện “biên”. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 16 TRƯỜNG HỢP 2 (BƠM+ỐNG+Q0)
Xác định hi • Giả thiết bơm sử dụng đã được xác định (biết đường cong đặc tính bơm) và một đọan đường ống (ij) với đặc trưng hình học của ống đã cho trước (chiều dài, đường kính, hệ số nhám, quy luật tổn thất năng lượng). Đường ống tải lưu lượng thiết kế Q0 cho trước. • Xác định cột nước hi. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 17 Giá trị cột nước đo áp sẽ được xác định với giá trị duy nhất như sau:
Đường ống tải qua lưu lượng Q0  tổn thất năng lượng xác định được dh (theo đường quy luật thủy lực).
Khi bơm họat động với lưu lượng Q0 từ đường đặc tính bơm  h bơm. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 18 Cột nước đo áp tại cuối đường ống là:
hj = h – (dh+V02/2g) với V0=Q0/S trong đó S là tiết diện đường ống. Trên cơ sở lý luận này cho phép khảo sát sự thay đổi cột nước đo áp tại cuối đường ống khi lưu lượng lấy qua ống thay đổi. • Ví dụ khi Q0 tăng, ta thấy h sẽ giảm và dh tăng do đó hj giảm (tốc độ giảm không phải là tuyến tính). PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 410/14/2010 19 TRƯỜNG HỢP 3 (BƠM+ỐNG+z ðÀI) • Khảo sát một hệ thống đơn giản gồm bơm X, đài nước. Nối liền bơm và đài nước là một đường ống với các thông số đã biết. Giả thiết tại một thời điểm khảo sát mực nước trong đài đã xác định Hđ & Vx đã biết. • Xác định trạng thái nước ra (vào) đài và lưu lượng bơm Qb. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 20 SƠ ðỒ HỆ THỐNG PGS. Dr. Nguyễn Thống Mặt chuẩn Qb=? Hd Qx? X Hx A B MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước Qđ=? 10/14/2010 21
Giả thiết Qbơm
Hbơm
Tính tổn thất dhX-A So sánh (Hbơm - dhX-A) & Hđ Trường hợp 1: (Hbơm - dhX-A) > Hđ
Nước vào đài. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 22
Cĩ Vx (Qx) tính năng lượng tại B: EB= z+p/ρg+Vx2/2g = Hx +Vx2/2g
Tính E tại Ap : EAp. EAp = EB +dhAB So sánh EAp và Eđ, cĩ 2 khả năng xảy ra: Trường hợp 1: EAp > Eđ
nước vào với lưu lượng Qđ xác định như sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 23 Giả thiết giá trị Qbơm với Qbơm > Qx
Tra quan hệ xác định Hbơm
Tính dhX-A
Tính EAT = Hbơm - dhX-A Nếu EAT > EAP
tăng Qbơm cho đến khi EAT = EAP & Qđài = Qbơm – Qx Nếu EAT < EAP
giảm Qbơm cho đến khi EAT = EAP & Qđài = Qbơm - Qx PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 24 Trường hợp 2: EAp < Eđ
nước ra với lưu lượng Qđ xác định như sau: Giả thiết giá trị Qbơm với Qbơm < Qx
Tra quan hệ xác định Hbơm
Tính dhX-A
Tính EAT = Hbơm - dhX-A
Nếu EAT > EAP
tăng Qbơm cho đến khi EAT = EAP & Qđài = Qbơm - Qx PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 510/14/2010 25 Với Qx đã xác định (Vx biết), xác định dhAB  cột nước đo áp tại Ap là HAp, thật vậy: HAp =(Hx+V02/2g) +dhAB • So sánh HA và Hđ có 2 khả năng xảy ra: Nếu HA > Hđ nước đi vào đài với lưu luợng Qđ như sau: • Giả thiết giá trị Qb (với Qb > Qx)  h bơm & tính tổn thất năng lượng trong đoạn ống từ X đến A là dhXA. • Từ đó: HA =h – (dhXA+V02/2g) PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 26 • So sánh HA và HA(*) . Nếu HA >HA(*) tăng giá trị giả thiết Qb và ngược lại. Chọn giá trị Qb khi: HA = HA(*)  Lưu lượng nước đi vào đài là : Qđ =Qb –Qx. Nếu HA < Hđ  nước đi ra khỏi đài Qđ xác định như sau: • Giả thiết giá trị Qb (với Qb < Qx)  h bơm & tổn thất năng lượng trong đoạn ống từ X đến A là dhXA. • Từ đó: HA =h - dhXA+V02/2g) PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 27 • So sánh HA và HA(*) . Nếu HA > HA(*) tăng giá trị giả thiết Qb và ngược lại. Chọn giá trị Qb khi: HA = HA(*)
Lưu lượng nước đi ra khỏi đài là : Qđ =Qx - Qb. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 28 Nhận xét:
Lưu lượng của bơm không phụ thuộc vào áp đặt “chủ quan” mà lưu lượng bơm sẽ thay đổi theo từng tình huống cụ thể của hệ thống.
Đây là điểm cần phải lưu ý khi mô phỏng hệ thống mạng lưới cấp nước theo thời gian sử dụng từ các phần mềm. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 29 BÀI TẬP Trình bày phương pháp xác định phân phối lưu lượng trong các ống của các mạng lưới sau. Giả thiết quy luật thủy lực, thông số về đường ống và sơ đồ mạng lưới đã biết. PGS. Dr. Nguyễn Thống 1 2 3 4 1 2 3 Z0 Z1 Z2 Z3 (<Z0) Z4 (<Z0) Q3=? Q4=? MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước Mặt chuẩn 10/14/2010 30 Sơ đồ hệ thống Bơm X biết đường đặc tính, cao độ các nút và đặc trưng hình học ống biết PGS. Dr. Nguyễn Thống Bơm X Z0 Z1 Zđ Z2 1 2 4 3Q4 Bể chứa Đài nước MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước Tính Q4 & Q trong các đoạn ống ? Mặt chuẩn 610/14/2010 31 LAN TRUYỀN CHẤT TRONG MẠNG LƯỚI ĐƯỜNG ỐNG Giới thiệu vấn đề: - Xử lý hóa học nước cấp. - Đánh giá khu vực phục vụ khác nhau của hệ thống nhiều nhiều nguồn cấp. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 32 Bài toán đặt ra nhằm giải quyết vấn đề khuếch tán (số hạng « diffusion ») của chất khử trùng (ví dụ clo) được đưa vào mạng lưới. Ngoài hệ phương trình thủy lực giới thiệu trên, ta còn có phương trình đối lưu (số hạng « advection ») của chất đưa vào như sau: PGS. Dr. Nguyễn Thống ( )ij ij ij ij ijij c x c A q t c θ+ ∂ ∂ −= ∂ ∂ * MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 33 trong đó: • cij: nồng độ chất khử trùng trong đoạn đường ống (ij); được xem như là một hàm số theo khoảng cách và thời gian; kg/m3. • xij: chiều dài dọc theo ống (ij). • qij: lưu lượng trong đường ống (ij). • AS: tiết diện. • tỷ lệ chất khử trùng trong đường ống (ij), kg/m3/ngày. PGS. Dr. Nguyễn Thống ( )txcc ijijij ,= ( )ijcθ MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 34 Phương pháp xác định cij(t) Dùng kết qủa bài toán thủy lực (qij) đã biết, thế vào phương trình trên (dạng sai phân) để xác định Cij(t). Phương trình sai phân áp dụng cho toàn bô các đường ống và bổ sung các phương trình biểu thị điều kiện bào toàn chất tại các điểm nút mạng lưới cho phép nhận được số lượng phương trình cần thiết để giải tìm các ẩn số. Ví dụ áp dụng với phần mềm EPANET. PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 35 BÀI TẬP Cho mạng lưới sau. Giả thiết các đường ống (1,2,12,13) có d=250mm, còn lại có d=200mm và L=150m. Cao độ các nút mạng lưới là 0m. Cao độ đáy đài nước 20m. Các điểm lấy nước với lưu lượng trung bình qtb=25 l/s. Các điểm lấy nước 2,3,4,5 có pattern N1 là k=1,15 từ 6h, 20h và k=0 giờ còn lại. Các điểm lấy nước 6,7,8,9 có pattern N1 là k=1,2 từ 8h, 22h và k=0 giờ còn lại. Nước được cấp từ 2 nút như sơ đồvới 2 bơm A(Q=20l/s, H=30m) và B(Q=100l/s, H=25m). PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 10/14/2010 36 SƠ ðỒ MẠNG LƯỚI PGS. Dr. Nguyễn Thống 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 7 6 8 9 11 10 13 12 A B Đài nước Tìm ranh giới nước cấp (gần đúng) vào lúc 10h và 20h. MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước 710/14/2010 37 HẾÁ T CHƯƠNG 4 PGS. Dr. Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước