Содержание к диссертации
Введение
1. Современные методы обоснования параметров водопроводящйх трактов ГЭУ
1.1. Основные положения теории обоснования параїлетров водопроводящих трактов ГЭУ 17
1.2. Методы обоснования параїлетров каналов ГЭУ 24
1.3. Методы обоснования параїлетров трубопроводов ГЭС и ГАЭС 26
1.4. Методы определения параметров трубопроводов крупных насосных станций 34
1.5. Методы обоснования параметров туннелей и уравнительных резервуаров 42
1.6. Оценка методов обоснования водопроводящих трактов ГЭУ 47
2. Теоретические основы обоснования параметров водопроводящих трактов ГЗУ
2.1. Основы автоматизации проектирования водопроводящих трактов 53
2.2. Классификация водопроводящих трактов ГЗУ 63
2.3. Основные положения обоснования параметров водопроводящих трактов 67
2.4. Определение оптимальных параметров водопроводящих трактов при детерминированной постановке задачи 77
2.5. Выбор оптимальных параметров в условиях неопределенности части исходной информации 86
2.6. Основы экономико-математической модели связи затрат с параметрами водопроводящих трактов. 94
2.7. Некоторые специальные вопросы обоснования параметров водопроводящих трактов ГЭУ 102
3. Методы численного анализа при определений параметров водопроводящих тр актов ГЭУ
3.1. Особенности применения численных методов при обосновании параметров водопроводящих трактов 112
3.2. Методы численного анализа целевой функции при обосновании параметров сложных систем водопроводящих трактов 122
3.3. Обоснование параметров каналов ПЗУ 128
3.4. Обоснование параметров водопроводящих трактов ГЭУ с напорной деривацией 139
3.5. Обоснование параметров энергетических трубопроводов ГЗС и ГАЭС 145
3.6. Определение параметров трубопроводов насосных станций 153
4. Численное модежроваше геосистемы в здачах обоснования параметров водопроводах трактов
4.1. Основные положения численного моделирования геосистемы 164
4.2. Представление в ЭВМ рельефа местности 171
4.3. Отображение в ЭВМ физико-механических и гидрогеологических свойств грунтов 177
4.4. Представление в ЭВМ свойств почв и растительного покрова 186
4.5. Представление в ЭВМ гидрологических и климатических условий 191
4.6. Представление в ЭВМ топологии основных сооружений водопроводящих трактов 200
5. Численное модежроваше гидравлических процессов в водопроводящих трактах ГЭУ
5.1. Особенности моделирования гидравлических процессов в элементах водопроводящих трактов. 210
5.2. Численное моделирование неустановившегося безнапорного движения воды 219
5.3. Начальные и простейшие граничные условия в моделях безнапорных потоков водопроводящих трактов 226
5.4. Численное моделирование неустановившихся напорных гидравлических процессов в водопроводящих трактах ГЭУ 232
5.5. Численное моделирование неустановившегося напорного движения воды с содержанием парогазовой фазы 236
5.6. Начальные и простейшие граничные условия для напорных систем водопроводящих трактов. 242
6. Численное моделирование сложных видов граничных условий в узлах водопроводящего тракта
6.1. Основные положения численного моделирования физических процессов в узлах тракта 247
6.2. Математические модели переходных процессов в гидроагрегатах ГЭС и ГАЗС 250
6.3. Граничные условия для гидроагрегатов насосных станций 257
6.4. Сложные виды граничных условия для напорных систем водопроводящих трактов 265
6.5. Граничные условия для узлов безнапорных водопроводящих трактов 269
7. Практическое применение теоретических положений обоснования параметров водопроводящих трактов ЛЭУ
7.1. Основные объекты исследований водопроводящих трактов 276
7.2. Результаты исследований по обоснованию параметров водопроводящего тракта Ирганайской ГЭС 277
7.3. Технико-экономическое обоснование параметров турбинных трубопроводов Саяно-Шушенской ГЭС 288
7.4. Определение параметров сети трубопроводов насосной станции участка Московский 294
Заключение 298
Литература 301
Приложения 326
- Методы определения параметров трубопроводов крупных насосных станций
- Определение оптимальных параметров водопроводящих трактов при детерминированной постановке задачи
- Методы численного анализа целевой функции при обосновании параметров сложных систем водопроводящих трактов
- Отображение в ЭВМ физико-механических и гидрогеологических свойств грунтов
Введение к работе
"Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривают дальнейший рост благосостояния советских людей на основе устойчивого, поступательного развития народного ходяйства, ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использовагош производственного потенциала страны, всемерной экономии всех видов ресурсов и улучшения качества работы.
Роль гидроэнергетики в различные периоды развития народного хозяйства СССР несколько менялась, однако она сохраняла свои главные показатели в течение последних 50 лет практически постоянно. За этот период доля участия ГЭС в общем электроэнергетическом балансе страны составляла 16-20% по выработке электроэнергии и 14-17% по установленной мощности /247/.
Резкое изменение энергетической ситуации в мире привело к значительному сокращению использования органического топлива для выработки электроэнергии. Основные направления нацеливают на совершенствование структкры топливно-энергетического баланса страны, в том числе и путем использования возобновляемых источников энергии, главным образом, гидроресурсов. Разрабатывается генеральная схема Единой водохозяйственной системы страны, которая предусматривает строительство крупных гидроэнергетических установок (ГЗУ).
Проектирование и строительство новых гидроэнергетических и водохозяйственных объектов в современных условиях сопряжено с рядом трудностей: перемещение районов строительства объектов в зоны со сложными природно-климатическими условиями; удаленность строительных площадок от промышленно развитых центров страны; необходимость создания более сложных комплексных гидроузлов; высокие требования со стороны охраны и рационального использования природных ресурсов; большие продолжительность строительства и капиталоемкость комплексных водохозяйственных объектов. Перечисленные выше факторы требуют дальнейшего совершенствования теории и методики энергоэкономических и водохозяйственных расчетов для глубокого и всестороннего обоснования принимаемых решений. Неизбежное при этом увеличение количества выпускаемой проектной документации и повышение ее качества при постоянном сокращении числа и штатов проектных организаций невозможно без внедрения автоматизации проектирования, опирающейся на современные средства вычислительной и организационной техники.
Гидроэнергетические установки (ГЭУ) являются неотъемлемой частью большинства крупных водохозяйственных комплексов (ВХК), К ним относятся гидроэлектростанции і ГЭС), гидроаккумулирующие электростанции іГАЗС), насосные станции (НС) и другие установки, в которых осуществляется преобразование энергии воды в электрическую и наоборот.
Термин "гидроэнергетические установки" не совсем удачен, особенно по отношению к курпным ГЭС, ГАЭС, НС. Более удачным является термин "гидроэнергетические станции", однако его аббревиатура - ГЭС соответствует установившемуся сочетанию для гидроэлектростанции. Во избежание путаницы в данной работе сохранен термин "гидроэнергетические установки" в соответствии с /87,113/.
Водопроводящие тракты ГЭУ предназначены для транспорта энергии и массы (объема) воды. Их капиталоемкость колеблется в широком диапазоне в зависимости от назначения и компоновки ГЭУ. В некоторых случаях стоимость водопроводящих трактов значительно превосходит стоимость головных сооружений гидроузла
Iнапример, каналы перераспределения стока рек).
Диссертационная работа выполнялась на кафедре "Использования водной энергии" ЛПИ им.М.И.Калинина в соответствии с планами ГК НТ СМ СССР и Минвуза РСФСР по программе "Энергия", целью диссертационной работы явилось создание теоретических основ и разработка численных методов обоснования параметров водопрово-дящих трактов ГЭУ для систем автоматизированного проектирования гидроэнергетических и водохозяйственных объектов.
Многолетние исследования автора легли в основу компонентов методического, математического, лингвистического и программного обеспечений САПР водопроводящих трактов ГЭУ, разработанной на кафедре "Использование водной энергии" ЛПИ им.М.И.Калинина под его руководством.
В основу работы положены теоретические методы исследований с их реализацией на средствах вычислительной и организационной техники. Разработка всех видов компонентов САПР осуществлялась на принципах системного подхода с использованием основных положений гидротехники, гидроэнергетики, гидромашиностроения, электротехники, кибернетики, вычислительной математики и других отраслей знаний.
Разработанные теоретические положения и численные методы обоснования параметров водопроводящих трактов ГЗУ, математические и численные модели, алгоритмы и программы апробированы на натурных объектах с целью проверки их работоспособности и адекватности.
Научная новизна содержащихся в диссертационной работе исследований заключается в следующем: разработана теория обоснования параметров сложных систем водопроводящих трактов ГЭУ в условиях функционирования САПР гидроэнергетических и водохозяйственных объектов; разработаны и развиты математические и численные модели установившихся и неустановившихся гидравлических процессов в сложных системах водопроводящих трактов, содержащих как напорные, так и безнапорные элементы, с широким набором граничных условий для целей САПР; развиты математические и численные модели гидравлических и электромеханических процессов гидроагрегатов, работающих в сложных системах водопроводящих трактов; разработаны и совершенствованы численные модели геосистемы и сооружений водопроводящих трактов для использования их в САПР; развиты основы создания системы автоматизированного проектирования водопроводящих трактов ГЭУ.
Результаты научных исследований данной работы внедрены в проектных организациях Минэнерго и Минводхоза СССР для ряда крупных объектов: в технических и рабочих проектах Саяно-Шу-шенской, Бурейской, Ирганайской, Миатлинской, Понойской и других ГЭС; в техно-рабочих проектах Приволжской, їфлундинской и других крупных оросительных систем; в проектных проработках межрегионального перераспределения части стока северных рек в бассейны Волги и Камы, а также сибирских рек в бассейн Аральского моря. Часть этих проектов реализована и объекты действуют, некоторые находятся на различных стадиях строительства, другие подлежат возведению в последующие годы (например, системы перераспределения части стока рек).
Разработанные подсистемы САПР успешно эксплуатируются в ряде проектных организаций Минводхоза СССР. Отдельные элементы исследований использованы при разработке АСУ ТП Сулакского каскада и при назначении эксплуатационных режимов работы Верхне-Туломской ГЭС.
Материалы диссертационной работы используются в ЛПИ им. М.И.Калинина и других вузах страны при проведении НИР и в) учебном процессе. Отдельные результаты исследований внедрены в учебные пособия /61,75/, а также использованы в учебнике "Гидроэнергетические установки" и учебном пособии "Использование водной энергии" /ИЗ/, выпущенных под редакцией Д.С.Ща-велева.
Основные материалы работы докладывались на международных, всесоюзных и республиканских конференциях: симпозиум стран -членов СЭВ и СШО "ЗВМ-ГЗС-73" (г.Ленинград, 1973); УШ симпозиум МАГИ по гидромашинам, оборудованиюи и кавитации (г.Ленинград, 1976); международная конференция по численному моделированию в гидравлике (г.Братислава,І98І); У межвузовская конференция по физическому и математическому моделированию (г.Москва, 1968); о перспективах проектирования и строительства гидро-аккумулирующих электростанций (г.Балаково,1969); гидроэнергетика в X пятилетке и охрана водных и земельных ресурсов (г.Ленинград, 1976); третье научно-техническое совещание Гидропроекта (г.Москва,1976); эффективность комплексных научных исследований для Саяно-Шушенекой ГЭС (г.Ленинград,1977); актуальные проблемы водохозяйственного строительства (г.Ровно,1980); проектирование и строительство Гх4ЭС унифицированного типа для Европейской части СССР (г.Ленинград,1980); конференции на ВДНХ СССР (г.Москва,1976, 1981); автоматизация проектирования гидроэнергетических и водохозяйственных объектов (г.Ленинград, 1983); научно-производственные конференции ТЙИМСХ (г.Ташкент, 1977,1978,1980); научно-технические конференции ЛПИ (г.Ленинград, начиная с 1966 г.); на семинарах кафедр ЛПИ, МЭИ, ТЙИЙМСХ и других вузов; на совещаниях проектных организаций Минэнерго и Минводхоза СССР;и т.д.
Фрагмент научных исследований отмечены медалями ВДНХ СССР (1974,1976,1981 ), дипломами ВДНХ СССР (1980) , первыми премиями Ленинградского областного правления НТОЗ и ЭП (1977, 1983).
Научные исследования автора по данной работе велись с 1966 по 1983 год. За этот период выполнено более 100 научных работ, в том числе 49 опубликовано, в изданиях, утвержденных БАК СССР для освещения основных научных результатов докторских диссертаций. По отдельным направлениям исследований автором подготовлены и успешно защитили четыре кандидатские диссертации аспиранты и сотрудники руководимой им группы.
Экономический эффект от внедрения результатов научных исследований составил несколько миллионов рублей, что подтверждается соответствующими актами о внедрении НИР, часть из которых приведена в конце диссертации. диссертация состоит из семи глав с иллюстрационным материалом, списка литературы и приложения.
В первой главе диссертации дан анализ современных методов обоснования параметров водопроводящих трактов ГЭУ. Рассматривается состояние научных разработок для обоснования параметров каналов ГЭС, ГАЭС и НС, методы обоснования параметров энергетических трубопроводов ГЭС и ГАЭС; способы определения параметров энергетических туннелей и уравнительных резервуаров; методы определения параметров трубопроводов крупных насосных станций.
Приводится оценка применимости методов обоснования параметров водопроводящих трактов ГЭУ. Отмечается, что соответствующие аналитические, графические и графоаналитические методы определения параметров водопроводящих трактов ГЭУ, широко применяемые проектными организациями,не учитывают их взаимовлияния, факторов надежности, неопределенности части исходной информации и т.д.
Необходимость учета взаимовлияния параметров водопроводящих тиактов впервые была отмечена в работе Ю.С.Васильева /48/, где предлагалось рассматривать водопроводящий тракт как единую энергетическую цепочку.
Вторая глава диссертации содержит описание теоретических основ обоснования параметров водопроводящих трактов ГЭУ. Впервые предложен надежный способ их классификации, который позволяет в дальнейшем автоматизировать процесс генерации программного комплекса для обоснования параметров водопроводящих трактов конкретной ГЭУ в рамках САПР.
Технико-экономическую оценку различных вариантов параметров и исследование технологических режимов работы рекомендовано осуществлять с помощью численной модели комплекса преобразования энергии, в который входит весь водопроводящий тракт, гидравлические и электрические машины, другие сооружения и оборудование ГЭУ.
Поиск оптимальных параметров предложено проводить с помощью методов нелинейной оптимизации и принятия решений по теории игр, используя в качестве инструмента численную модель ГЭУ.
Изложены теоретические вопросы определения параметров водопроводящих трактов в детерминированной постановке задачи с учетом их стандартизации и погрешности вычислений; приводится методика принятия решений в условиях неопределенности части исходной информации.
Далее приведены экономико-математические модели связи затрат, формирующих главный критерий оптимальности, с параметрами водопроводящих трактов ГЭУ; даются способы учета внутри-станционной оптимизации режимов работы ГЭУ; излагаются особенности обоснования параметров при пуске объекта очередями и по временной схеме; приведены способы учета надежности элементов водопроводящего тракта при сопоставлении вариантов параметров; предложены методы обоснования параметров водопроводящих трактов каскадов ГЭУ.
3 третьей главе излагаются численные методы определения параметров водопроводящих трактов ГЭУ, базирующихся на использовании численных моделей: геосистемы, сооружений водопроводящих трактов, гидравлических процессов в элементах тракта, электромеханических процессов в гидроагрегатах, связи затрат с параметрами тракта и других моделей.
Даются теория и методика обоснования параметров сложных систем водопроводящих трактов с выделением групп параметров, подлежащих совместной оптимизации. Излагаются численные методы поиска оптимальной ррассы каналов ГЭУ с последующим уточнением парметров методами нелинейной оптимизации. Приводится методика обоснования параметров водопроводящих трактов ГЭС с напорной деривацией.
Обоснование параметров энергетических трубопроводов ГЭУ дано в постановке задачи динамического программирования, позволяющей учитывать взаимовлияние участков трубопровода и определить их длины с постоянным диаметром. Далее излагаются вопросы определения конфигурации, определения диаметров и материалов труб закрытых оросительных и обводнительных систем, работающих от насосных станций.
Четвертая глава диссертации посвящена описанию численных моделей геосистемы, разработанных специально для применения в САПР водопроводящих трактов, в такие численных моделей сооружений элементов тракта. Данные модели используются для подсчета объемов работ разрабатываемых и возводимых грунтов; для оценки отчуждаемого культурного слоя почв, растительного покрова; используются для определения объемов бетонных и монтажных работ и т.д.
Разработаны следующие специализированные модели геосистемы: рельефа местности, геологической ситуации, гидрогеологии, почвенного покрова, растительности, гидрологии и климата. Даются алгоритмы реализации этих моделей и способы формирования их каркасов (исходных данных).
Каждая специализированная модель, входящая в состав численной модели геосистемы, оформляется в виде отдельной стандартной процедуры. Исходные данные по модели хранятся в банке исходной информации, а программы - в библиотеке программ САПР.
В пятой главе даются численные методы моделирования гидравлических процессов в сложных системах водппроводящих трактов. Рассматриваются численные модели установившихся и неустановившихся гидравлических процессов в напорных и безнапорных системах водопроводящих трактов. Весь тракт в соответствии с принятой системой классификации рассматривается как упорядоченный граф. Гидравлические процессы в его дугах - элементах тракта описываются одномерными математическими моделями с распределенными параметрами, а физические процессы в узлах - моделями с сосредоточенными параметрами.
Взаимно согласованные математические модели различных физических процессов по графу дают имитационную модель энергогидравлических процессов ГЭУ, а ее реализация на ЭВМ - численную имитационную модель ГЗУ.
В главе рассмотрены вопросы решения нестационарной краевой задачи по графу с простыми видами граничных условий.
В шестой главе рассмотрены сложные виды граничных условий для имитационной модели ГЭУ. К таким видам отнесены математические модели физических процессов с сосредоточенными параметрами для гидроагрегатов ГЭС, ГАЭС, НС, модели уравнительных резервуаров, бассейнов суточного регулирования и других сооружений. Наиболее сложным видом граничного условия является модель гидроагрегата с учетом свойств систем автоматического ре- гулирования гидравлической и электрической машин. Изложены методы численной реализации этих моделей.
В седьмой главе приведены результаты исследований по обоснованию параметров водопроводящих трактов ГЭУ. Обоснование параметров сложных систем водопроводящих трактов показано на примере соответствующих расчетов для Ирганаиской ГЭС. На примере водопроводящего тракта Саяно-Шушенской ГЭС показано обоснование параметров выносных сталежелезобетонных водоводов при-плотинных ГЭС. Рассмотрен пример обоснования параметров разветвленной сети трубопроводов насосных станций.
В заключении указываются основные научные достижения диссертационной работы и обсущдаются задачи дальнейших исследований.
Выполнению работы способствовали деловые контакты с ведущими специалистами Ленинградского отделения института Гидропроект, ВШИТ, ЦКТИ, НПО ЛМЗ, Союзгипроводхоз, Ленгипровод-хоз, Росгипроводхоз.
Большую поддержку при разработке и завершении диссертационной работы оказал коллектив гидротехнического факультета ЛПЙ им.М.И.Калинина во главе с деканом профессором Г.В.Симаковым. Особенно следует отметить помощь сотрудников кафедры "Использование водной энергии", возглавляемой профессором Ю.С.Васильевым: Л.И.Щгбышкина, Н.В.Арефьева, Н.К.Краюхина, Й.В.Гар-миза, Н.А.Пржевалинской и других.
Разработке теоретических положений способствовали дискуссии, обсуждения и ценные советы профессоров Ю.С.Васильева, Г.В.Симакова, Д.С.Щавелева, Г.А.Претро, А.В.Тананаева, М.А.Михалева, П.П.Долгова, В.А.Троицкого, Б.Е.Аксенова, В.И.Висса-рионова.
Основная часть расчетов и отладка программного обеспече- ния осуществлялась на ЕС ЭВМ в учебно-вычислительной лаборатории ГЇФ при кафедре "Использование водной энергии" (зав.лабораторией Л.й.Кубышкин), в математическом отделе ВШИТ им.Б.Е.Веденеева (зав.отделом Л.Б.Сапожников), в отделе МИР института Яенгипроводхоз (зав.отделом М.Д.Глебов).
Методы определения параметров трубопроводов крупных насосных станций
Напорные трубопроводы насосных станций можно подразделить на два типа: станционные и распределительные. К станционным трубопроводам относится водопроводящий энергетический тракт непосредственно примыкающий к гидроагрегату и заканчивающийся либо водовыпуском, либо узлом разветвлений. Распределительные трубо проводы предназначены для транспортировки воды непосредственно потребителям. К распределительным трубопроводам относятся системы водоснаблюния, теплоснабжения, обводнения, закрытые оросительные системы и т.д. В диссертации рассматриваются только станционные и трубопроводы закрытых тупиковых оросительных систем крупных насосных станций. Каждому типу трубопроводов насосных станций присущи свои методы расчетов. Научными исследованиями по обоснованию параметров станционных трубопроводов крупных насосных станций занимались те же ученые, что и по обоснованию параметров трубопроводов Г АЗС. Основные положения различных методов поиска оптимальных параметров станционных трубопроводов насосных станций идентичны с методами обоснования параметров трубопроводов ГЭС и ГАЭС. В проектной практике для обоснования параметров станционных трубопроводов крупных насосных станций могут использоваться аналитические формулы Д.С.Щавелева: - для трубопроводов с постоянной толщиной оболочки - для трубопроводов с переменной толщиной оболочки где Q - среднекубнческий расход насоса, / - продолжительность его работы, S - расчетная стоимость теряемой энергии, О - толщина оболочки, с - удельная стоимость I тонны стали, п - к.п.д. насоса, Н - расчетный напор, б - расчетное напряжение в стальной оболочке. При обосновании параметров станционных трубопроводов крупных насосных станций следует обращать внимание на потери не только электроэнергии, но и мощности. Вследствие потерь напора при транспорте воды в трубопроводах теряется мощность, которую насосная станция дополнительно потребляет из энергосистемы.
При работе насосных станций в режиме потребителя-регулятора в работе /6/ приводится формула для определения оптимального сечения водо вода: t где Q , Q - максимальный расход насосной станции при работе в пике графика нагрузки и то же в базисе графика нагрузки энер-госистемы, 3 ,1,1,4 - соответственно, удельные М /7 /Б D расчетные затраты по электростанции в пике и провале графика нагрузки энергосистемы, по топливной базе и по напорному водоводу; Я - коэффициент шероховатости стенок трубопровода. Отличительной чертой напорных трубопроводов насосных станций является их значительная протяженность. В этих условиях остро встают вопросы определения мест перехода с одних параметров на другие. Аналитические зависимости ответа на эти вопросы не дают. Распределительные трубопроводы закрытых оросительных сетей обычно проектируются разветвленными (тупиковыми) в отличие от сети водоснабжения, которые как правило закольцованы /98/.
При обосновании параметров трубопроводов закрытой оросительной сети необходимо решить две задачи: I) расположение сети на плане; 2) распределение материалов труб и их участковых диаметров. Существующие методики расчета оросительных сетей в основном заимствованы из методов расчета трубопроводов промышленного или сельскохозяйственного водоснабжения /4/. Первые работы по технико-экономическому обоснованию параметров трубопроводных сетей принадлежали А.А.Сурину и Н.Н.Ге ниеву. Дальнейшему развитию методов обоснования параметров закрытых оросительных систем способствовали исследования советских ученых Н.Н.Абрамова, А.Е.Агреста, В.Г.Дементьева, Г.М.Зюликова, Г.Е.Кикачейшвили, Н.У.Койды, Л.Ф.Мошнина и других. Среди.зарубежных ученых следует отметить Д.Бегля, Р.Линели, У.Ляби, Н.Менье, Ж.Буассезона и других. Подробный обзор методов обоснования параметров закрытой оросительной сети дан в /4/, поэтому мы ограничимся приведением наиболее характерных способов расчета. Решение первой задачи обычно идет вариантным методом /I/. В работе /24/ использован метод трассировки сети, основанный на применении теории графов. Однако, для закрытых оросительных сетей он применения не нашел. Дальнейшее развитие методов обоснования параметров водопро-водящих трактов закрытых оросительных систем получило в работах автора /56,57,209-211 / и других. В 1984 году под руководством автора данной работы подготовлена кандидатская диссертация Н.К.Краюхиным, в которой излагаются современный метод обосвания параметров закрытой оросительной сети, основанный на перечисленных выше работах. Им же разработан комплекс программ подсистемы обоснования параметров трубопроводов таких систем. В этих работах обе задачи решаются одновременно,используя критерий минимума суммарных приведенных расчетных затрат. Разработанная методика и программный комплекс легли в основу созданной системы автоматизированного проектирования закрытой оросительной сети /4,209/.
Определение оптимальных параметров водопроводящих трактов при детерминированной постановке задачи
Если параметры водопроводящего тракта не относятся к главным параметрам объекта, то в качестве критерия оптимальности принимается минимум суммарных приведенных расчетных затрат по тракту, определенных с учетом фактора времени. Для формирования количественной оценки функции цели необходимо определить объем работ по водопроводящему тракту, провести расчеты гидравлических и электромеханических процессов комплекса преобразования энергии, связать расчетные затраты с параметрами сооружений и с технологическими режимами в ГЭУ.
Поиск оптимальных параметров водопроводящих трактов ГЗУ по данному критерию с учетом неопределенности исходной информации, дискретности их ряда, взаимовлияния, надежности сооружений требует значительного объема расчетных работ. Завершить их в реальные сроки, отведенные для проектирования объекта, можно лишь применяя средства вычислительной техники в условиях автоматизации проектирования.
Предлагаю для поиска оптимальных параметров водопроводящих трактов и исследований технологических режимов работы ГЗУ использовать численную модель комплекса преобразования энергии воды в электрическую и наоборот, включающую в себя численные модели геосистемы, сооружений, гидро-электро-механических процессов в системе водопроводящий тракт - гидроагрегат - энергосистема, напряжений и деформаций сооружений, связи затрат с параметрами сооружений и технологическими режимами ГЭУ (рис.II). Поиск оптимальных параметров производить с учетом вышеперечисленных факторов, используя современные методы принятия решений, опирающиеся на теорию и методы численного анализа, путем проведения вычислительного эксперимента.
Реализация поиска оптимальных параметров водопроводящих трактов осуществляется на ЭВМ с помощью общего и специально раз работанного проблемного математического обеспечения, в которое входит: 1) управляющие программы - генерация системы для обоснования параметров водопроводящих трактов конкретного гидроэнергетического объекта; программы формирования, ведения и управления банками данных; управления ходом вычислительного процесса обоснования параметров; диагностика исходной информации и т.д.; 2) программы численных моделей энергопреобразующего комплекса ГЭУ (рис.II); 3) программное обеспечение оптимизационных расчетов; 4) программное обеспечение методов принятия решений в условиях неопределенности исходной информации; 5) программы предоптимизационных исследований сложных систем водопроводящих трактов для расчленения их параметров на взаимозависимые группы.
Программное обеспечение сведено в подсистему в соответствии с требованием САПР. Детерминированная постановка задачи обоснования параметров водопроводящих трактов ГЭУ возможна при соблюдении следующих методических условий /151/: вся исходная информация рассматривается как строго однозначная; все расчетные зависимости в той или иной постановке дают однозначный ответ; варианты технических решений перед сравнением приводятся к оптимальные условия и к тождественному эффекту. На практике для расширения возможностей детерминированных методов применяются различные усовершенствованные расчетные приемы: создаются обоснованные нормативные мате риалы, разрабатываются серии математических моделей, применяются мощные методы поиска оптимума целевой функции.
Параметры водопроводящих трактов ГЭУ в зависимости от назначения и категории объекта, а также по другим соображениям могут входить в состав главных параметров (например, машинные каналы систем регионального перераспределения стока рек) или являться второстепенными (большинство водопроводящих трактов ГЭС, ГАЭС, НС). Выбор главных параметров крупных гидроэнергетических и водохозяйственных объектов в детерминированной постановке задачи встречает ряд обоснованных возражений /81,151,181 и др./, т.к. для большинства исходной информации невозможно дать ее однозначную оценку. Поэтому методы обоснования параметров водопроводящих трактов, относящихся к главным параметрам объекта, в данном разделе не рассматриваются.
К детерминированным методам обоснования элементов водопроводящих трактов следует отнести все существующие методы аналогий, аналитические, графические и графо-аналитические, которые успешно могут применяться на ранних стадиях проектирования. Их анализ дан в разделах 1.1 1.6.
На завершающих стадиях проектирования (технический и рабочий проекты) в детерминированной постановке считаются определены? обработанные данные инженерных изысканий по объекту; компоновка и главные параметры объекта; величина и продолжительность полезных и холостых расходов; технологические режимы работы ГЭУ; удельные экономические показатели с учетом привязки к району строительства.
Если интерпретировать весь водопроводящий тракт ГЭУ графом Є(XyW)9 то определению подлежит паспорт водопроводящего тракта (см.2.2): конфигурация тракта - матрица инциденций Ь (мг) , типы элементов тракта - коды классификационных группировок ]) У ; векторы параметров элементов водопроводящих трактов Р и П . Здесь Г = 1,2,...,/77 - номера и количество узлов грасба номера и количество его дуг. Объединение векторов параметров по дугам и узлам графа Здесь о и / изменяются от I до некоторого максимального значения (I и /) , соответствующего наибольшему числу параметров элемента водопроводящего тракта.
Критерием оптимальности параметров водопроводящих трактов ГЭУ служит минимум суммарных приведенных расчетных затрат /48, 66,178,202 и др./. Определим состав суммарных расчетных затрат при заданной конфигурации и типах элементов водопроводящего тракта в следующем виде; где 3fP, П) - суммарные расчетные затраты; 3 (Pt П) - расчетные затраты по сооружениям водопроводящего тракта; J (Р} П/ - расчетные затраты по сопредельным сооружениям; J /7J/7/ - расчетные затраты по дополнительным техническим
Методы численного анализа целевой функции при обосновании параметров сложных систем водопроводящих трактов
Для уменьшения размерности решаемой задачи рекомендуется на основе опыта проектирования ГЭС и ГАЗС задавать фиксированное число конфигураций водопроводящих трактов (тип 4). Каждую конфигурацию водопроводшцего тракта ГЗУ необходимо рассматривать как вариант, учитывая при этом требования метода сравнительной эффективности капитальных вложений и ежегодных издержек при их сопоставлении.
Практика проектирования водопроводящих трактов ГЭС и ГАЗС показывает, что такой подход вполне оправдан, тем более, что в процессе проектирования можно существенно расширить число рассматриваемых вариантов.
При проектировании водопроводящих трактов крупных насосных станций и насосных станций закрытых оросительных сетей (типы трактов I и 2} такой подход требует дополнительного технико-экономического анализа. В ряде случаев нельзя разделить вопросы трассировки водопроводящих тр актов от назначения их параметров, т.к. вариантный метод дает их ограниченное количество (например тип 2).
Учитывая индивидуальность проектов ГЗУ, обусловленных их различным назначением, свойствами геосистемы и другими факторами, невозможно дать единую оптимальную, с точки зрения вычислительного процесса, методику обоснования параметров водопроводящих трактов. Для обоснования параметров даже одного элемента тракта, например, канала, в различных случаях могут применяться равные методы численного анализа.
Для сложных систем водопроводящих трактов ГЭС и ГАЭС на рис.16 изображена упрощенная блок-схема обоснования их параметров» Не останавливаясь подробно на описании работы каждого блока, отметим лишь основные моменты расчетов.
После ряда организационных процедур - генерации ТЛП и управляющей программы "Диспетчер САПР" (блоки I, 2), а ташке после формирования и создания программного комплекса численной модели ЗПК ПЗУ (блоки 3, 19), производится ввод основных исходных данных по геосистеме, по главным параметрам ГЗУ и пр. -блок 4. На основе этих данных формируются каркасы численных моделей геосистемы (блок б) и осуществляется привязка данных банка нормативно-справочной информации к местным условиям района строительства ГЗУ (блок 5). Таким образом производится подготовка банков исходной и нормативно-справочной информации к работе.
Блок 7 производит выявление всех параметров водопроводяще-го тракта, подлежащих определению, и устанавливает границы их изменения. Кроме того определяются главные функциональные ограничения в области изменения параметров. На этой стадии с успехом могут применяться различного рода аналитические зависимости, устанавливающие связь параметров с исходными данными (блок 9). Далее происходит анализ исходной технико-экономической информации и выявление показателей, обладающих неопределенностью информации (блок 8). При наличии неопределенности части исходной информации осуществляется настройка вычислительного процесса с учетом этого фактора (блоки 8, 14, 22, 23). Между блоками 14 и 22 процесс вычислений идет в детерминированной постановке задали. Блок 10 анализирует количество элементов водопроводящего тракта, а такие количество всех его параметров. Если число параметров превышает 3-4, то управление передается на комплекс процедур, осуществляющих предоптимизационные исследования (блоки II, 12 с привлечением блока 19). Н а основе проведенного численного анализа из всей совокупности параметров выделяются их группы, поиск оптимальных значений которых следует проводить совместно. Кроме того дается аналитическая аппроксимационная модель связи затрат с параметрами казэдой группы. Аналогично для каждой группы параметров устанавливаются функциональные ограничения на область их определения. Далее, между блоками 14 и 28, оптимизационные расчеты по обоснованию параметров идут внутри каждой группы с учетом неопределенности части исходной информации. Таким образом, при наличии небольшого количества параметров поиск зоны равноэкономичных значений по критерию суммарных приведенных расчетных затрат осуществляется методом нелинейного численного программирования с использованием численной модели энергопреобразующего комплекса ГЭУ яблоки 18, 20, 21). Поиск зоны равноэкономичных решений и дальнейшее формирование области неопределенности значений критерия оптимальности для сложных систем водопроводящих трактов производится с использованием аппроксимирующих зависимостей связи затрат с параметрами групп (блоки 16, 17, 21). После обработки всего диапазона неопределенности части исходной информации для группы параметров или элемента водопроводящего тракта будет сформирована область неопределенности значений параметров.
Отображение в ЭВМ физико-механических и гидрогеологических свойств грунтов
Характеристики физико-механических и гидрогеологических свойств грунтов используются при технико-экономическом обосновании параметров водопроводящих трактов в следующих случаях: назначение типа конструкционного исполнения элементов тракта; подсчет объемов работ по выемке и насыпи разрабатываемых видов грунта; выбор способа производства земляных работ и назначение удельных экономических показателей; проведение расчетов устойчивости и прочности сооружений тракта; определение численных значений функциональных ограничений и характеристик элементов тракта (допустимые скорости движения воды; коэффициенты гидравлического трения, устойчивости откосов и Т.Д.). Разработанная численная инженерно-геологическая модель системы & { к = 02) предназначена для отображения в ЭВМ физико-ме-ханических свойств $,. слоев грунта Є. , / = 1,2,..., т , в любой точке Е по ее плановым координатам х и У . В инженерной геологии разработаны основные положения построения инженер но-гєологических моделей для изучения поведения массивов горных пород /114,143,191,233/. Данная модель в соответствии с /143, 220,233/ относится к специализированным, разработанным для использования в технико-экономических расчетах по обоснованию параметров водопроводящих трактов РЭУ в рамках САПР. К физико-механическим свойствам грунтов будем относить следующие элементы инженерной геологии; jf - удельный вес грунта, Є - коэффициент пористости, у? - угол внутреннего трения, с -сцепление грунта, ft - временное сопротивление сжатию, р - угол естественного откоса, и другие основные характеристики, а также производные от них: f - коэффициент крепости породы по М.М.Про-тодьяконову, к - коэффициент упругого отпора (постели) породы и др. Каркас инженерно-геологической модели состоит из постоянной части, содержащей средние физико-механические свойства слоев грунта для заданного района строительства объекта, и оперативной части, где свойства грунтов зависят от места расположения их на плане Срис.24,а). Постоянная часть каркаса модели содержит численные значения всех физико-механических свойств грунтов.
Она оформляется в виде матрицы S = (SjL) , j = 1,2,..., т , /= 1,2,..., п , где п - число физико-механических свойств грунта, а т - количество пород грунта на участке Ф , и хранится в банке исходной информации САПР. Таким образом все физико-механические свойства слоя грунта будут представлены в постоянной части каркаса модели матрицей-строкой S- = (s , s 2 , . . ., s .n ). Перед оформлением оперативной части каркаса модели предполагается, что было произведено расчленение геологических колонок в узлах ft (х , УГ ) на относительно однородные слои грунта и определена их принадлежность к слоям, представленным в свод ной легенде в соответствии со стратиграфической схемой района. Оперативная часть каркаса содержит не все физико-механические свойства слоев грунта, а только те из них, которые являются определяющими при выполнении технике-экономических расчетов по обоснованию параметров водопроводящих трактов. В зависимости от типа водопроводящего тракта и свойств геосистемы будет меняться и состав оперативной группы свойств грунтов.
Для скальных пород определяющие физико-механические свойства будут: тип горной породы; номер слоя по сводной легенде, характеризующий генетический тип отложений; мощность слоя; коэффициент крепости породы по М.М.Протодьяконову; параметры системы трещин Тр /184-,233/: t - азимут падения трещины, t - угол их падения," t - ширина трещины, t - расстояние между ними, t s - длина трещины . Если в постоянной части каркаса модели будет храниться матрица параметров по всем системам трещины Т= ( tp )% J - 1,2,...,у , Jb = 1,2,...,5, где ju - число систем трещин, то в оперативной части каркаса достаточно указать номер системы трещин о , которой будет соответствовать матрица строки параметров Т = (t t й , ..., 15). Для сокращения объема памяти ЭВМ, занимаемой оперативной информацией, целесообразно перейти к ее кодированию с помощью масштабных коэффициентов или кодового обозначения диапазона изменения численных значений свойств грунта /236,116,124/. Каждое свойство грунта кодируется набором цифр 0 9 или 00 99 в зависимости от требуемой точности его отображения. В первом случае точность численных значений свойства грунта составит 10?а от диапазона его изменения, а во втором Вь. Такая процедура несколько увеличивает погрешность модели, однако находится в пределах требований СНиП к исходной инженерно-геологической информации для проектирования сооружений водопроводящих трактов. Целесообразно общее количество цифр кодовой группировки увязывать с длиной слова конкретного типа машины. Так, в старших моделях серии машин ЕС ЭВМ одно слово состоит из четырех байт и представляет десятичный упакованньтй формат по две цифры в одном байте. Таким образом количество цифр кодовой группировки должно быть кратным восьми.
