THỐNG CẤP NƯỚC THỊ XÃ CỬA LÒ
2.1.2 Chương trình tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước
2.1.2.1 Chương trình tính toán thủy lực mạng lưới LOOP
a. Khái niệm
LOOP là chương trình tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước, có khả năng mô phỏng thủy lực của mạng lưới, LOOP tính được lưu lượng trên mỗi đoạn ống và áp suất tại các nút, LOOP được chạy trong NC.
b. Ứng dụng LOOP
LOOP dùng để tính toán thủy lực mạng lưới vòng, xác định ra lưu lượng của từng đoạn ống và áp suất tại các nút phục vụ cho công tác thiết kế và quản lý mạng lưới cấp nước.
c. Ưu nhược điểm
Chương trình LOOP có ưu điểm là đơn giản rễ sử dụng, tính toán cho kết quả tương đối chính xác. Nhưng có nhược điểm là chỉ mới xác định được lưu lượng của các đoạn ống và áp suất của các nút trong một trường hợp nhất định, chưa đề cập đến thời gian cũng như yếu tố chất lượng nước trong mạng lưới, phần mềm chỉ ứng dụng cho mạng lưới có giới hạn tố đa là 500 đoạn ống và 400 nút, giao diện không trực quan khó hiểu.
2.1.2.2 Chương trình tính toán thủy lực EPANET
a. Khái niệm
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.
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. 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.
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.
Với hệ thống cấp nước thị xã Cửa Lò lựa chọn phần mềm EPANET là mô hình tính toán thủy lực là hoàn toàn hợp lý, phần mềm EPANET có thể kiểm tra đánh giá khả năng làm việc của hệ thống cấp nước hiện trạng, đồng thời dùng để tính toán cho việc mở rộng hệ thống.
2.1.2.3 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. 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 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 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.
Vì bể chứa là một điểm biên tới một mạng lưới, nên cột nước và chất lượng nước có thể không bị ảnh hưởng bởi những gì xảy ra bên trong mạng lưới. Do đó nó không có các thuộc tính đầu ra theo tính toán. Tuy nhiên cột nước của nó có thể thay đổi theo thời gian bằng cách ấn định cho nó một mẫu hình thời gian (xem các mẫu
hình thời gian bên dưới).
Đài nước (Tanks)
Đài nước là các nút có khả năng trữ nước, nơi mà thể tích nước có thể thay đổi theo thời gian trong suốt quá trình mô phỏng. Các thuộc tính đầu vào của đài nước là:
- Độ cao đáy (nơi độ sâu nước bằng không);
- Đường kính (hay hình dạng nếu không phải là hình trụ);
- Mặc nước ban đầu, mực nước thấp nhất và mực nước cao nhất; - Chất lượng ban đầu.
Các đài nước đòi hỏi phải vận hành trong một phạm vi từ mức nước nhỏ nhất tới mực nước lớn nhất của chúng. EPANET ngưng dòng chảy ra nếu nước trong đài ở mực nhỏ nhất và ngưng dòng chảy vào nếu ở mức cao nhất. Các đài nước cũng đóng vai trò như là các điểm nguồn chất lượng nước.
Đầu lấy nước (Emitters)
Đầu lấy nước là các thiết bị kết hợp với mối nối mà có thể mô hình hoá dòng chảy qua một vòi hoặc lỗ xả ra không khí. Lưu lượng lấy ra từ đầu lấy nước biến đổi như là một hàm số của áp suất tại nút:
q = C.pP γ trong đó: q - lưu lượng; p - áp suất; C - hệ số lưu lượng; γ - số mũ của áp suất.
Đối với các đầu vòi và lỗ thì lấy γ =0,5 và nhà sản xuất thường cung cấp trị số của hệ số lưu lượng (theo đơn vị gpm/psiP
0,5
P hoặc lps/kpcP
0,5
P
), biểu thị lưu lượng qua thiết bị ở áp suất có trị số 1 đơn vị.
Đầu lấy nước được sử dụng để mô phỏng lưu lượng qua hệ thống vòi trong mạng lưới tưới nước. Chúng cũng có thể sử dụng để mô phỏng lỗ hở trong ống nối với nút (nếu hệ số lưu lượng và số mũ áp suất cho chỗ thủng hoặc chỗ nối có thể đánh giá được) hoặc tính lưu lượng chữa cháy tại nút đó (lưu lượng có thể tại vài điểm có áp suất dư nhỏ nhất). Trường hợp cuối cùng, đầu lấy nước sử dụng một giá trị lớn của hệ
số lưu lượng (chẳng hạn 100 lần dòng chảy lớn nhất) và thay đổi cao trình nút để bao gồm cột nước tương đương của đích áp suất. EPANET xử lý đầu lấy nước như là một thuộc tính của mối nối và không phải là thành phần mạng riêng.
Các ống (Pipes)
Ống là đường nối có thể vận chuyển nước từ một điểm này tới một điểm khác trong mạng. EPANET cho rằng tất cả các đoạn ống đầy nước tại mọi thời gian. Hướng của dòng chảy là từ nơi có cột nước cao sang nơi có cột nước thấp. Các thông số thuỷ lực đầu vào chủ yếu cho các ống là:
- Nút đầu và nút cuối; - Đường kính ống; - Chiều dài;
- Hệ số nhám (để tính toán tổn thất thuỷ lực); - Trạng thái (mở, đóng hoặc có van).
Các thông số về trạng thái cho phép ống hoàn toàn chứa van ngắt (van cửa), van một chiều (chỉ cho dòng chảy đi theo một chiều nhất định).
Các thông số đầu vào chất lượng nước cho ống gồm: - Hệ số phản ứng khối;
- Hệ số phản ứng thành.
Kết quả tính toán cho các ống gồm: - Lưu lượng;
- Vận tốc;
- Tổn thất cột nước;
- Hệ số ma sát Darcy-Weisbach;
- Hệ số phản ứng trung bình (trên chiều dài ống); - Chất lượng nước trung bình (trên chiều dài ống).
Máy bơm
Máy bơm là đường nối truyền năng lượng cho chất lỏng, qua đó nâng cột áp thuỷ lực lên. Các thông số đầu vào cơ bản của máy bơm là: nút đầu và nút cuối, đường đặc tính (tổ hợp của các lưu lượng và các cột nước mà máy bơm có thể cung cấp). Thay cho đường đặc tính, máy bơm có thể được miêu tả như một thiết bị năng lượng
không đổi, một thiết bị cung cấp một năng lượng (mã lực hoặc kilowat) cho dòng chảy cho tất cả các kết hợp giữa lưu lượng và cột nước.
Các thông số đầu ra cơ bản là lưu lượng và cột nước thu được. Dòng chảy qua bơm chỉ có một hướng duy nhất và EPANET không cho phép một máy bơm hoạt động ngoài phạm vi đường đặc tính của nó.
Máy bơm có tốc độ quay thay đổi được còn có thể được xem xét bằng cách định rõ rằng tốc độ của nó thay đổi trong cùng một loại các điều kiện. Theo định nghĩa đường đặc tính gốc của máy bơm mà ta cấp cho chương trình có tốc độ tương đối bằng 1. Nếu tốc độ của máy bơm gấp đôi thì giá trị tương đối sẽ là 2, nếu chạy với một nửa tốc độ thì giá trị tương đối của tốc độ sẽ là 0,5, v.v... Việc thay đổi tốc độ sẽ làm biến đổi đường đặc tính của máy bơm.
Như đối với các ống, máy bơm có thể được bật và tắt vào những thời gian định trước hay theo một điều kiện nhất định tồn tại trong mạng lưới. Sự vận hành máy bơm cũng có thể được mô tả bằng cách ấn định cho nó một mẫu hình thời gian với những giá trị nhân tử là các tốc độ tương đối. EPANET cũng có thể tính được năng lượng tiêu thụ và chi phí cho việc bơm nước. Mỗi máy bơm có thể được ấn định một đường đặc tính hiệu suất và một chế độ giá điện. Nếu những thứ này không được cung cấp thì một tập hợp các lựa chọn năng lượng sẽ được sử dụng.
Dòng chảy qua bơm là dòng chảy một chiều. Nếu điều kiện của hệ thống đòi hỏi cột nước bơm cao hơn khả năng của máy thì EPANET đóng máy bơm lại. Nếu lưu lượng yêu cầu lớn hơn lưu lượng của máy bơm thì EPANET ngoại suy đường đặc tính của máy bơm đến lưu lượng yêu cầu, thậm chí điều này sinh ra một cột nước âm. Trong cả hai trường hợp thì một thông điệp cảnh báo sẽ được đưa ra.
Van (Valves)
Van là những đường nối mà có thể khống chế áp suất hay lưu lượng tại một điểm nhất định trong mạng lưới. Các thông số đầu vào chính của van là:
- Nút đầu và nút cuối; - Đường kính;
- Thiết lập; - Trạng thái.
Các giá trị đầu ra tính toán là lưu lượng và tổn thất cột nước. Các loại van khác nhau có ở trong EPANET là:
- Van giữ áp Pressure Sustaining Valve (PSV) - Van ngắt áp Pressure Breaker Valve (PBV) - Van kiểm soát lưu lượng Flow Control Valve (FCV) - Van kiểm soát tiết lưu Throttle Control Valve (TCV) - Van mục đích chung General Purpose Valve (GPV).