CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan các nghiên cứu xác định Dống * Phương pháp xác định đường kính kinh tế theo nguyên lý chi phí quản lý nhỏ nhất. Để xác định được đường kính kinh tế của đường ống có thể thông qua so sánh phương án với các đường kính khác nhau theo nguyên lý phí tổn quản lý nhỏ nhất.
Phí tổn quản lý được xác định theo công thức: C = aE + bK Trong đó: a – Giá thành 1kW h năng lượng tiêu thụ (đ/kwh) E - Tổng năng lượng hao tổn hàng năm trên 1m dài đường ống (kwh K - Vốn đầu tư cho 1 mét đường ống (đ/m) b - Tỷ lệ khấu hao hoàn vốn và sửa chữa tính theo phần trăm tiền vốn đầu tư K. Tổng năng lượng E được tính theo công thức sau: T T 9,81htt 9,81 E=∫ Kη tb ∫0 Qdt = Q 3 dt 0 η tb Q – Lưu lượng của đường ống từng thời gian (m3/s) Q2 h tt - Tổn thất cột nước trên 1 mét đường ống đẩy htt = (m) K T - Thời gian làm việc của ống đẩy trong năm (giờ) γ - Trọng lượng đơn vị của nước (N/m3) Thường để tính toán cho thuận lợi với các biểu đồ dùng nước kiểu bậc thang biểu thức dưới dấu tích phân sẽ bằng: T ∫ Q dt = q T 3 3 tb 0 5 n ∑ (Q .t ) i 3 i Đưa về dạng sai phân ta có: qtb = 3 i =1 n ∑t i =1 i 9,81qtb3 T ⇒ E= Kη tb Các cách tính toán theo chi phí quản lý nhỏ nhất tức là: C min = (aE + bK) min muốn vậy, chúng ta lập với các đường kính khác nhau theo hai phương trình sau: aE = f 1 (D) bK = f 2 (D) tính với nhiều giá trị của D ta sẽ có hai đường biểu diễn bằng phươg pháp cộng đồ thị tìm được điểm có C min C GHT GQL GXD Cmin = (aE + bK)min Dtk D cm Hình 1.1: Sơ đồ chọn đường kính tối ưu Nhận xét: Phương pháp xác định đường kính kinh tế (tối ưu) theo nguyên lý chi phí quản lý nhỏ nhất ở trên đã coi vốn đầu tư và các loại chi phí ở trạng thái tĩnh tức là không kể đến lãi suất của đồng tiền. Tổng quan các nghiên cứu về bài toán thiết kế tối ưu Trong những năm gần đây, lý thuyết phân tích hệ thống và lý thuyết tối ưu hoá đã được áp dụng nhiều trong các bài toán về quy hoạch, thiết kế, quản lý, vận 6 hành tối ưu các hệ thống nói chung và hệ thống thuỷ lợi nói riêng. Trong đó, bài toán thiết kế tối ưu các công trình trong hệ thống cấp, thoát nước, tưới, tiêu, đã được một số tác giả trong nước nghiên cứu, điển hình như: Đề tài “ Hệ số tiêu thiết kế tối ưu của trạm bơm cho các vùng trồng lúa đồng bằng Bắc Bộ - Việt Nam” (1997) của TS.
Dương Thanh Lượng. Tác giả đã áp dụng phương pháp mô hình mô phỏng và phương pháp tối ưu hoá cho bài toán thiết kế hệ thống tiêu bằng trạm bơm vùng trồng lúa với chỉ tiêu tối ưu là chỉ số NPV (Giá trị thu nhập ròng quy về thời điểm hiện tại). Gía trị hệ số tiêu thiết kế nào tương ứng với giá trị NPV max thì đó là giá trị hệ số tiêu thiết kế tối ưu của trạm bơm. Đề tài “Nghiên cứu xác định quy mô đường ống tối ưu cho hệ thống tưới Trung tâm nghiên cứu và sản xuất giống ngô Sông Bôi – Hoà Bình” (2002) của Th.
Bằng phương pháp tối ưu hoá, tác giả đã tìm ra phương án đường kính ống tối ưu cho hệ thống tương ứng với chỉ tiêu tối ưu: IRRmax. Đề tài “Nghiên cứu xác định phương án bố trí và quy mô hợp lý của trạm bơm tưới vùng cao” (2003) của Th.S Nguyễn Tuấn Anh. Sử dụng phương pháp mô hình, mô phỏng và tối ưu hoá, tác giả đã thiết lập được bài toán tìm phương án thiết kế tối ưu trạm bơm tưới vùng cao qua chỉ tiêu tối ưu là tổng chi phí quy về năm đầu nhỏ nhất. Đề tài “Nghiên cứu xác định đường kính ống tối ưu trong hệ thống cấp nước bằng bơm”của Th.
Sử dụng phương pháp mô hình, mô phỏng và tối ưu hoá, tác giả đã thiết lập được bài toán xác định đường kính tối ưu trông hệ thống cấp thoát nước bằng bơm. Trong luận văn này, phương pháp tối ưu hoá sẽ được áp dụng để xây dựng bài toán xác định đường kính tối ưu trong hệ thống mạng lưới cấp nước. Phần mềm tính toán mạng lưới cấp nước EPANET Hiện nay có một số phần mềm thiết kế mạng lưới cấp nước như: Loop, Epanet, WaterCad.nhưng phần mềm Epanet có tính trực quan và phương pháp điều chỉnh đơn giản chính xác. Nên tác giả lựa chọn Epanet là phần mềm để tính toán.
Khái niệm 7 EPANET là chương trình tính toán mạng lưới cấp nước, có khả năng mô phỏng thủy lực và chất lượng nước có xét đến yếu tố thời gian. Mạng lưới cấp nước được EPANET mô phỏng bao gồm các đoạn ống, các nút, các máy bơm, các van, các bể chứa và đài nước. EPANET tính được lưu lượng trên mỗi đoạn ống, áp suất tại các nút, chiều cao nước ở từng bể chứa, đài nước, nồng độ của các chất trên mạng trong suốt thời gian mô phỏng nhiều thời đoạn. Chạy trên nền Windows, EPANET tạo được một môi trường hoà hợp cho việc vào dữ liệu của mạng, chạy mô hình mô phỏng quá trình thủy lực và chất lượng nước, quan sát kết quả theo nhiều cách khác nhau.
EPANET được phát triển bởi Bộ phận Cấp nước và nguồn nước thuộc Viện Nghiên cứu quản lý các rủi ro quốc gia của Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ. Ứng dụng của EPANET Ngoài việc mô hình hoá thủy lực, EPANET cho phép mô hình hoá chất lượng nước với các khả năng sau: Mô hình hoá sự chuyển động của chất không phản ứng trong mạng. Mô hình hoá chuyển động và sự biến đổi của các chất có phản ứng trong mạng như sự gia tăng (ví dụ như sản phẩm khử trùng) hoặc sự suy giảm (như dư lượng Clo) theo thời gian. Mô hình hoá thời gian lưu nước trong khắp mạng.
Theo dõi được phần trăm lưu lượng nước từ một nút cho trước đến các nút khác theo thời gian. Mô hình hoá phản ứng cả trong dòng chảy lẫn trên thành ống. Sử dụng động học bậc 'n' để mô hình hoá phản ứng trong dòng chảy. Sử dụng động học bậc '0' hoặc bậc nhất để mô hình hoá phản ứng tại thành ống.
Kể đến việc cản trở sự vận chuyển nước khi mô hình hoá phản ứng tại thành ống. Cho phép các phản ứng gia tăng hoặc suy giảm đến một nồng độ giới hạn. Sử dụng các hệ số mức phản ứng chung, tuy nhiên cũng có thể thay đổi riêng cho từng đoạn ống. Cho phép hệ số phản ứng của thành ống liên hệ được với độ nhám của ống.
8 Cho phép nồng độ hoặc khối lượng vật chất biến đổi theo thời gian đưa vào một vị trí bất kỳ trong mạng. Mô hình hoá các bể chứa như là bể phản ứng với các kiểu trộn khác nhau. Với các đặc điểm như vậy, EPANET có thể xem xét được các vấn đề về chất lượng nước như: Sự pha trộn nước từ các nguồn khác nhau; Thời gian lưu nước trong hệ thống; Sự suy giảm dư lượng Clo; Sự gia tăng các sản phẩm khử trùng; Theo dõi sự lan truyền các chất ô nhiễm. Ưu nhược điểm EPANET có rất nhiều ưu điểm là mô phỏng đầy đủ các tính toán thủy lực một cách trực quan và có cả yếu tố thời gian và chất lượng nước.
Chương trình tính cho độ chính xác cao, kết quả dễ sử dụng và có thể linh kết với các phần mềm khác. Có thể tính toán được nhiều thông số và mô phỏng tất cả các chi tiết của mạng lưới. Khi dùng chương trình này ta có thể tính toán các thông số của mạng lưới trong bất cứ giờ nào trong ngày mà không cần nhập lại số liệu. Tính ưu việt nhất của EPANET là dùng để tính toán mở rộng mạng lưới cấp nước hoặc mạng lưới có nhiều nguồn nước cấp đồng thời vào mạng lưới.
Chương trình này cũng dùng cho tính toán, sửa chữa, nâng cấp và quản lý vận hành mạng lưới cũng rất tốt. Giao diện với chương trình EPANET trực quan dễ hiểu EPANET có nhược điểm là đòi hỏi người chạy chương trình phải có trình độ và đòi hỏi nhiều số liệu. Mô phỏng mạng lưới bằng phần mềm EPANET EPANET mô hình hoá hệ thống phân phối như là một tập hợp các đường nối được nối với các nút. Các đường nối miêu tả các ống, máy bơm, và van điều khiển.
9 Các nút miêu tả các mối nối, đài nước và bể chứa. Hình dưới đây minh hoạ các đối tượng này được nối với nhau như thế nào để tạo thành một mạng lưới. Các thành phần vật lý trong một hệ thống phân phối nước. Các mối nối (Junctions) Mối nối là những điểm trong mạng lưới nơi các đường nối được nối lại với nhau và nơi nước đi vào hoặc đi ra khỏi mạng lưới.
Các số liệu đầu vào cơ bản của mối nối là: - Độ cao trên một mức chuẩn nào đó (thường mức chuẩn là mực nước biển trung bình); - Lưu lượng yêu cầu (lưu lượng nước lấy ra khỏi mạng); - Chất lượng nước ban đầu. Các kết quả đầu ra được tính toán cho các mối nối trong mọi khoảng thời gian mô phỏng là: - Cột nước (năng lượng trên một đơn vị trọng lượng chất lỏng); - Áp suất; - Chất lượng nước. Các mối nối cũng có thể: - Có lưu lượng yêu cầu thay đổi theo thời gian; - Có các mẫu hình khác nhau của lưu lượng yêu cầu gắn cho chúng; - Có các lưu lượng âm biểu thị nước đi vào mạng lưới; - Chứa các vòi phun (hoặc bình phun) cho lưu lượng chảy ra phụ thuộc vào áp lực. Bể chứa (Reservoirs) Bể chứa là những nút biểu thị cho nguồn nước bên ngoài không xác định tới 10 mạng lưới.
Chúng được sử dụng để mô hình hoá cho những vật thể như: hồ, sông, các tầng ngậm nước ngầm và các mối liên hệ với các hệ thống khác. Các bể chứa cũng đóng vai trò như những điểm nguồn chất lượng nước. Các thuộc tính đầu vào ban đầu của bể chứa là cột nước của nó (bằng với độ cao mặt nước nếu bể chứa không có áp) và chất lượng ban đầu của nó cho việc phân tích chất lượng nước.