بخشی از مقاله
چکیده
تاکنون عمده مطالعات انجام شده در ارزیابی قابلیت اطمینان شبکههاي توزیع آب صرفا برروي لولهها بوده در حالی که عملکرد اجزاي دیگري از قبیل مخازن، شیرها و پمپها نیز بر روي قابلیت اطمینان سیستم موثرند. در این مقاله، برخلاف اکثر مطالعات انجام شده در زمینه شاخص قابلیت اطمینان در شبکههاي توزیع آب، تعریفی براي تخمین قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ پیشنهاد می شود. با استفاده از این تعریف یک مدل کامپیوتري از تلفیق کد Visual Basic با Epanet2.0 تهیه شده است و بر روي یک شبکه توزیع آب واقع در شهر وردآورد بکار رفته است. نتایج نشان میدهد که در طول یک شبانهروز، با افزایش تقاضا در شبکه توزیع آب، قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ کاهش مییابد. بنابراین باید در ساعات حداکثر تقاضا تصمیمگیريهاي مورد نیاز انجام گیرد.
.1مقدمه
ایستگاه هاي پمپاژ علاوه بر اینکه از پرهزینه ترین اجزاي شبکه توزیع آب هستند، نقش مهمی را در شبکه به عنوان انتقال دهنده آب مورد نیاز با فشار و دبی کافی به مصرف کننده بازي می کنند. بنابراین بررسی دقیق ایستگاه هاي پمپاژ از اهمیت ویژه اي برخوردار است. تعداد پمپ هاي تعبیه شده در ایستگاه پمپاژ باید با استفاده از آنالیز اقتصادي دقیق تعیین شود. در بیشتر ایستگاه هاي پمپاژ از دو یا چندین پمپ براي تضمین قابلیت اطمینان و افزایش بیشتر راندمان و انعطاف پذیري استفاده می شود.
قابلیت اطمینان به توانایی شبکه براي فراهم کردن آب کافی در فشار مناسب به دست مصرف کنندگان گفته می شود - Tabesh, .1998 - اگرچه توجه روز افزونی به ارزیابی قابلیت اطمینان شبکه هاي توزیع آب وجود دارد، تعریف و یا معیار مورد قبول جهانی از قابلیت اطمینان وجود ندارد. ارزیابی قابلیت اطمینان شبکه هاي توزیع آب بسیار پیچیده است، به دلیل اینکه قابلیت اطمینان وابسته به پارامتر هاي متعددي است. تعدادي از این پارامتر ها عبارتست از: کیفیت و کمیت آب موجود در منبع، نرخ شکست پمپ هاي تغذیه، قطع برق، مشخصات زبري، شکست لوله ها و شیر آلات، اختلاف تقاضاي روزانه، هفتگی و فصلی، به علاوه رشد جمعیت سالیانه .
علت اصلی کاهش قابلیت اطمینان شبکه هاي توزیع آب در رابطه با انواع مختلف شکست می باشد
قابلیت اطمینان شبکه هاي توزیع آب می تواند برحسب دو نوع شکست ارزیابی شود: شکست مکانیکی و شکست هیدرولیکی.
شکست مکانیکی به شکست اعضایی مانند لوله ها، انواع شیر آلات، پمپ و غیره در شبکه توزیع آب، و شکست هیدرولیکی به عدم توانایی سیستم در برآورده کردن دبی درخواستی در محدوده فشار مورد نظر که می تواند ناشی از شکست هاي مکانیکی یا افزایش تقاضا باشد گفته می شود .
رویکرد هاي موجود براي ارزیابی قابلیت اطمینان می تواند به دو دسته متفاوت تقسیم شود: رویکردهاي شبیه سازي و رویکرد هاي تحلیلی. رویکرد هاي شبیه سازي فقط شرایط نمونه معرفی شده را براي محاسبات ارزیابی می کند. از طرف دیگر می تواند محدوده وسیعی از معیار هاي قابلیت اطمینان را تولید کرده و بیان واقعی تري از قابلیت اطمینان ارائه کند. مزیت رویکرد تحلیلی این است که می تواند کل شبکه را به جاي یک نمونه از آن بررسی کند. ولی عیب اصلی آن ها تولید معیار هاي ساده اي از قابلیت اطمینان است.
قابلیت اطمینان شبکه بر پایه شکست مکانیکی به وسیله Mays and Cullinane - 1986 - و Wagner et al . - 1988a,b - و Su et al. - 1987 - مورد بررسی قرار گرفته است که بیشتر آنها قابلیت اطمینان هیدرولیکی را مد نظر قرار نداده اند، در حالی که فقط قابلیت اطمینان هیدرولیکی را بررسی کرده اند. با توجه به این نکته که کل قابلیت اطمینان شبکه بدون در نظر گرفتن هر دو نوع شکست قابل ارزیابی و محاسبه نیست،
قابلیت اطمینان مکانیکی و هیدرولیکی را به صورت همزمان در پژوهش خود بررسی کرده اند. همین طور در پژوهش Yuan Zhao et al. - 2010 - ، قابلیت اطمینان هیدرولیکی و کیفی آب براي ارزیابی قابلیت اطمینان شبکه استفاده شده اند.
تعدادي از محققین فرض کرده اند تا زمانی که گره حداقل با یک لوله به مخزن متصل است، تقاضاي آن ارضا می شود، در صورتی که در عمل اینچنین نخواهد بود. Wagner et al. - 1988a - بیان کردند که اتصال به مخزن، تنها شرط لازم و نه کافی براي اطمینان از برآورده شدن تقاضا می باشد و پیشنهاد داده اند که براي تخمین اینکه آیا گره تقاضاي متصل به مخزن می تواند تقاضاي مورد نیاز را در فشار لازم تامین کند یا خیر، آنالیز دقیق تري انجام شود.
براي تخمین اینکه آیا گره می تواند تقاضاي مورد نیاز در فشار لازم را تامین کند، تعدادي از محققان رویکردهاي شبیه سازي را پیشنهاد داده اند Bao and Mays - 1990 - . - Wagner et al ., 1988b , Bao and Mays, 1990 - ، از رویکرد شبیه سازي مونت کارلو، تنها براي سنجش قابلیت اطمینان هیدرولیکی و احتمال فراهم آوري تقاضا در هد فشاري مورد نیاز شبکه استفاده نمودند. Wagner et al. - 1988b - ، حداقل فشار استاندارد و حداقل مطلق فشار گرهی را معرفی کردند. اینگونه که اگر فشار گره از حداقل فشار استاندارد بالاتر بود، تمام نیاز تامین می شود و اگر پایین تر از حداقل فشار بود هیچ نیازي تامین نشده و اگر بین دو فشار مذکور قرار گرفت، بخشی از تقاضا قابل تامین می باشد.
Xu et al. - 1998 - ، احتمال برآورده شدن تقاضاي گرهی را در فشاري بالاتر و یا مساوي با حداقل فشار مجاز، با استفاده از ارزیابی تصادفی دو مرحله اي بر پایه مدل هیدرولیکی خطی شده مورد بررسی قرار دادند.ضمن در نظر گرفتن تقاضاي مورد نیاز در فشار مورد قبول به عنوان معیار قابلیت اطمینان، با استفاده از شبیه سازي مونت کارلو به علاوه مدل بهینه سازي خطی به بررسی قابلیت اطمینان پرداختند.
Gupta and Bhave - 1994 - ، با رویکرد شبیه سازي، اثرات شکست هاي لوله ها و پمپ ها را بر قابلیت اطمینان گره ها و قابلیت اطمینان شبکه براي بررسی تفاوت بین گزینه هاي مختلف در فرآیند طراحی، بررسی کردند. در حالی که Yıldız - 2002 - ، از روش شبیه سازي براي سنجش قابلیت اطمینان مکانیکی شبکه استفاده نمودند. در این مورد ، سناریوهاي شکست هاي لوله ها و ایزوله کردن شیر آلات تولید شده و شبیه سازي سیستم جدید براي ارزیابی قابلیت اطمینان انجام شده است.
تاثیر پارامتر هاي مختلف بر محاسبات قابلیت اطمینان با سناریو هاي شکست هیدرولیکی و ارزیابی روش هاي بهبود قابلیت اطمینان را بررسی نموده است. این محقق از دبی خروجی گره ها و هد فشاري موجود در آن به صورت وزنی براي محاسبه قابلیت اطمینان استفاده نموده است.
با توجه به اینکه ایستگاه پمپاژ از پر هزینه ترین بخش هاي شبکه توزیع آب به شمار می رود، ارائه یک تعریف مناسب براي قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ به منظور برنامه ریزي پمپاژ براي عملکرد بهتر شبکه و کاهش هزینه هاي آن ضروري است، زیرا در تحقیقات گذشته عموما به قابلیت اطمینان ناشی از شکست لوله ها پرداخته شده است. بدین منظور، در این پژوهش، با استفاده از تلفیق مدل بهینه سازي در Visual Basic و شبیه سازي در EPANET2.0 که مبتنی بر تقاضا می باشد، با استفاده از سناریو هاي خرابی پمپ ها به بررسی مفهومی
جدید از قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ پرداخته می شود و قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ در شبکه توزیع آب شهر ورداورد سنجیده می شود.
.2 تعریف قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ
در این مقاله قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ عبارتست از توانایی پمپ ها براي رساندن آب کافی به گره هاي مصرف به گونه اي که فشار آب در گره هاي مصرف از حداقل مجاز خود افول نکند. در صورتی که در ارائه فرمول قابلیت اطمینان، مبناي کار تقاضاي موجود در گره ها و برآورده کردن این نیاز باشد، می توان رابطه زیر را ارائه داد:
که =N تعداد گره هاي مصرف، - = Q - i,avlt دبی تامین شده در گره iام و زمان t، = Q - i,treq - دبی مورد نیاز در گره iام و زمان t، و = R p,t قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ در زمان t می باشد.
با توجه به این نکته که اکثر نرم افزار هاي موجود مانند EPANET2.0 براساس تحلیل هیدرولیکی مبتنی بر تقاضا عمل می کنند، هرچند ممکن است ظاهرا تقاضا را در گره هاي مصرف برطرف سازد، اما این موضوع دلیل بر نقض نشدن شرایط حداقل فشاري در گره ها نمی باشد. بنابراین نیاز به اصلاح رابطه بالا براساس فشار گرهی احساس می شود. رابطه زیر فرمول دقیق تري براي قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ براي شبکه داراي گره هاي متعدد، ارائه می دهد:
که در آن = N تعداد گره هاي تقاضا، = H min حداقل فشار گرهی مجاز، = H des فشار گرهی مورد نیاز، = H - i,tavl,sc - فشار موجود در گره iام، زمان t و سناریوي sc بر حسب متر، = Q - i,treq,sc - دبی مورد نیاز درگره iام، زمان t و سناریوي sc بر حسب متر مکعب بر ثانیه، = H - i,tdes,sc -
حداقل فشار مجاز در گره i ام، زمان t و سناریوي sc برحسب متر، و = R p,t,sc قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ در زمان t و سناریوي sc می باشد.
در این رابطه از - i,t,sc - به عنوان فاکتور وزن دهی استفاده شده است تا تخمین دقیق تري از قابلیت اطمینان ارائه شود. لازم به ذکر است که سناریوي مدنظر در این پژوهش، خرابی پمپ ها می باشد. به این ترتیب سناریوي اول به معناي خرابی یک پمپ، سناریوي دوم به معناي خرابی دو پمپ و سناریوي n ام به معناي خرابی n پمپ در شبکه می باشد.
در صورتی که ایستگاه پمپاژ داراي تعدادي پمپ باشد که در سناریوهاي مختلف دچار خرابی شوند، در زمان خاص t در صورتی که قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ به صورت میانگین وزنی ارائه شود، در عمل براي تصمیم گیرنده مناسب تر خواهد بود. در این راستا در صورتی که احتمال رخداد سناریوي sc ام، rsc نام گذاري گردد، می توان از رابطه زیر استفاده نمود:
که در آن = NP تعداد پمپ هاي موجود در ایستگاه پمپاژ و = R p,t قابلیت اطمینان ایستگاه پمپاژ در زمان t براي کل سناریوهاي محتمل می باشد. همچنین rsc ها باید با استفاده از آنالیز خرابی پمپ ها تعیین شوند.
