بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به محدودیتها و کمبود منابع مالی براي اجرا و بهرهبرداري طرحهاي آبرسانی، مسأله بهینهسازي آنها از اهمیت ویژهاي برخوردار است. در این تحقیق بهینهسازي خط انتقال آب شهر بوکان به عنوان مطالعه موردي در نظر گرفته شد. به منظور بهینهسازي طرح ابتدا سامانه خط انتقال توسط نرمافزار هیدرولیکی WaterGems در سرعت بهینه 1/2 متر در ثانیه و در قطرهاي مختلف تحلیل گردید. جهت بهینهسازي طرح باید تابع هدفی متشکل از توابع حاکم بر کلیه هزینهها و درآمدهاي حاصل از پروژه تعیین شود.
براي حل این تابع هدف از الگوریتم خفاش استفاده شده است و با توجه به قطر و دوره طرح که متغیرهاي تصمیم تابع هدف میباشند یک مدل سرمایهگذاري مبتنی بر جریان نقدینگی طی دوره طرح براساس نرخ تعدیل، تورم و تنزیل سالیانه مشخص تعریف شد تا میزان سود خالص ارزش حال - NPV - در شرایط مختلف تعیین گردد. با محاسبه اختلاف هزینه و درآمدهاي هر سال، جریان نقدینگی سال به سال با ارزش آتی، بدست آمده که با تبدیل ارقام سالانه به ارزش سال پایه با نرخ تنزیل سالانه %20، سود خالص در حالتهاي مختلف محاسبه گردید. نتایج نشان داد بیشترین سود خالص ارزش حال در قطر 1000 میلیمتر و با دوره طرح 28 سال بدست میآید.
-1 مقدمه
حداقل نمودن هزینه ساخت شبکههاي آبرسانی در چند دهه اخیر مورد توجه محققین و طراحان شبکه قرار گرفته است. بهینه سازي به دو روش انجام میگردد. در یک روش شکل شبکه به منظور داشتن حداقل لولههاي مورد نیاز بهینهسازي میشود. در روش دیگر با کاهش قطر لولههاي موجود در شبکه هزینه هاي اجرا را کاهش داده و بهینهسازي مینمایند1]، 2، 3، 4، Lingridy .[5 و همکاران در سال 2000 طرح بهینه سازي یک مخزن موج گیر را با در نظر گرفتن محدودیت هاي فشاري با عنوان بهینه سازي مقید حالت غیرماندگار بررسی کردند و از الگوریتم ژنتیک به منظور بهینه سازي استفاده کردند.[6]
در زمینه ي طراحی بهینه ایستگاه هاي پمپاژ Sotelo و همکاران در سال 2002 تحقیقاتی ارائه نمودهاندErtin .[7] و همکاران در سال 2003 طراحی کنترل هوشمند سیستم هاي توزیع آب را بررسی نمودند و به منظور تعیین ارتفاع بهینه مخزن نظریه مونت- کارلو را به کار بردندEker .[8] و همکاران در سال 2004 سامانه انتقال آب شهر Gaziantep در ترکیه را در محیط نرم افزاري Matlab شبیه سازي کردند و فرمول هاي دارسی- ویسباخ و هیزن- ویلیامز را در محاسبه افت هد در لوله مقایسه نمودند .[9]
همچنین Alemu و همکاران در سال 2011 در زمینه بهره برداري بهینه از مخازن در سامانه انتقال آب مطالعاتی انجام دادند به صورتی که حجم روزانه، هفتگی و فصلی مخزن به صورت بهینه پیش بینی شود.[10] روش هاي مختلف بهینه سازي شبکه با استفاده از حل عددي وجود دارد اما در این روش ها تحلیل شبکه با اعمال شرایط مختلف و تغییر المان ها، هم چون نرم افزارهاي هیدرولیکی نخواهد بود بنابراین در جهت کاهش مصرف انرژي استفاده از نرم افزارهاي تحلیل شبکه در کنار روش هاي عددي پیشنهاد شده است.[11]
توجه به مدل هیدرولیکی سیستم آبرسانی و مقایسه عملکرد آن در شرایط مختلف یک امر مهم در مدیریت صحیح و جلب رضایت مشترکین است. صفوي نژاد و همکاران در سال 1393 با استفاده از نرم افزار WaterGems طرح خط انتقال مجتمع روستایی خوسف خراسان جنوبی را آنالیز نمودند .[12] مروري بر سوابق تحقیقات انجامشده نشان میدهد، در زمینه بهینهسازي طراحی همزمان مجموعه اجزاي یک سیستم انتقال آب، با لحاظ عملکرد بهینه سیستم در دوره بهرهبرداري، مطالعات زیادي صورت نگرفته است.
در این تحقیق سعی بر این است که قیود مسأله مثل حداقل و حداکثر سرعت، حداقل و حداکثر فشار و همچنین حداقل دبی مورد نیاز که تأمین کننده آب مصرفی شهر در بخش مصرف خانگی است، تأمین گردد. به همین منظور ابتدا طرح حاضر توسط یک نرم افزار هیدرولیکی مدلسازي میگردد تا حداقل قطر لازم، نوع پمپ و تعداد مورد نیاز آنها با توجه به ارتفاع پمپاژ لازم تعیین گردد و به عبارتی خط انتقال آب طراحی گردد.
پس از آن با توجه به تغییرات قطر ارتباط میان افزایش و کاهش مصرف انرژي و ظرفیت تولید آب با در نظر گرفتن پمپاژ 20 ساعته - با فرض 4 ساعت خاموشی ایستگاه پمپاژ در ساعت پیک مصرف - تحلیل و بررسی میگردد و در نتیجه تابع هدف طرح تکمیل خواهد شد و با توجه به مدل مالی سرمایه گذاري تعریف شده در آن، میزان سود خالص ارزش حال - - NPV با روش بهینه سازي محاسبه می گردد.
-2 مواد و روشها
مسیر خط انتقال مورد مطالعه که حدود 29 کیلومتر طول دارد بین طولهاي شرقی 46 درجه و 29 دقیقه و 46 درجه و 13 دقیقه و عرضهاي شمالی 36 درجه و 28 دقیقه و 36 درجه و 30 دقیقه قرار دارد که از شرق به شهر بوکان و از غرب به روستاي ساري قمیش محدود می گردد. این خط انتقال به موازات خط آب موجود بین چاههاي فلمن و مخزن 5000 مترمکعبی مسکن مهر و در حریم قانونی آن قرار دارد. در این تحقیق بخشی از اطلاعات از شرکت آب و فاضلاب استان آذربایجان غربی و شرکت توسعه خط لوله هامون - هپیکو - گرفته شده است و در محیط هاي نرم افزاري پیاده و مدلسازي گردیده است.
امروزه روشهاي آنالیز سیستمهاي توزیع آب بصورت یک تکنیک مطرح و کارا در شناخت رفتار هیدرولیکی و ارزیابی طرحهاي توسعه و بهره برداري مورد پذیرش قرار گرفته است. در این راستا، علیرغم این حقیقت که هنوز ابهامات بسیاري در توصیف روابط پایه که تأثیر پارامترهاي فرایندي را در سیستم هاي آبی نشان می دهد وجود دارد، از مدلها می توان به عنوان ابزار مؤثر و مناسب در برآورد هاي کمی و کیفی متغییر هاي فرایندي استفاده نمود.[13]
براي مدل سازي و تحلیل هیدرولیکی خطوط انتقال، نرم افزارهاي مختلفی موجود است که در این طرح از نرم افزار WATERGEMS استفاده شده است. این نرم افزار یک برنامه کامپیوتري است که به حل معادلات هیدرولیکی و کیفی آب در سیستم توزیع و انتقال بصورت متغیر با زمان - EPS - میپردازد.[14] به منظور مدلسازي خط انتقال آب شهر بوکان نخست اطلاعات پایه از جمله مسیر لوله گذاري، محل منبع آب، محل مخازن آب و تراز ارتفاعی مسیر از نرم افزار AUTO CAD وارد نرم افزار WaterGems گردید.
سپس سایر اطلاعات اعم از مشخصات خط لوله و منحنی کار پمپهاي انتخابی وارد سیستم گردید تا پس از تحلیل و بررسی کامل خط اطلاعات طراحی خط انتقال حاصل گردد. با توجه به اینکه در این طرح بهینه سازي براساس هزینههاي اولیه - اجراي خط انتقال - و هزینههاي بهرهبرداري - مصرف انرژي - و همچنین درآمد حاصل از فروش آب صورت میگیرد، بخش پمپاژ خط انتقال در تحقیق مورد بررسی قرار میگیرد. به منظور تحلیل شبکه در نرم افزار و محاسبات سرعت، فشار در گره ها و افت فشار در لوله ها معادلات پیوستگی، معادلات انرژي و معادلات هیزن-ویلیامز طبق روابط شماره1، 2 و 3 در محیط نرم افزار به کار رفته است.[15]
پس از مدلسازي و تحلیل شبکه در محیط نرم افزاري WaterGems، به منظور بهینه سازي خط انتقال نخست تابع هدف با توجه به هزینه هاي اجرا، هزینه هاي مصرف انرژي، درآمد حاصل از فروش آب و هزینه هاي سرویس و نگهداري از سیستم تعیین میگردد. سپس مدل مالی سرمایه گذاري براي طرح با استفاده از الگوریتم خفاش بر روي تابع هدف تعریف میگردد و طرح بهینه میشود.
الگوریتم حرکت خفاش براي اولین بار در سال 2010 توسط Xin-she Yang فرموله شد، که کارآیی خوبی در تکامل بهینهسازي را نشان داد. بطور جالب توجهی این الگوریتم میتواند در شرایط خاصی با جستجوي هماهنگ انواع بهینهسازيها پیوند داده شود. در این الگوریتم براي سادگی از قوانین تقریبی یا فرضی زیر استفاده میشود:
همه خفاشها از انعکاس صدا براي تعیین فاصله، تشخیص غذا، شکار و موانع مقابلشان استفاده میکنند. خفاشها بصورت تصادفی با سرعت vi در موقعیت xi، با یک فرکانس ثابت fmin - یا طول موج - µ، طول موج متغیر µ - یا فرکانس - f و بلندي صداي A0 براي جستجوي طعمه پرواز میکنند. آنها میتوانند بصورت خودکار، با توجه به نزدیکی هدف، طول موج - فرکانس - منتشر شده از پالسهاي خود و همچنین میزان انتشار پالسها را تنظیم کنند. در فرمولهاي شماره 4 تا 6 روابط حاکم بر الگوریتم خفاش ارائه شده است.
در این الگوریتم هر خفاش با معیارهاي سرعت و مکان و تکرار t در فضاي جستجو سنجیده میشود و در میان تمام راهحا ها در فضاي جستجو یک بهترین راه وجود دارد. نرخ انتشار بلندي صدا و پالس توسط معادلات 7و8تنظیم میشود. اگرچه بلندي صدا میتواند بسیار متفاوت باشد، فرض میشود که از یک مقدار بزرگ - مثبت - A0 تا یک مقدار کوچک Amin تغییر مییابد.
