Βελτιστοποίηση του κόστους των αγωγών με την τροποποιημένη μέθοδο Labye και αντιπληγματική προστασία των υπό πίεση αρδευτικών δικτύων
Creators: name: Ανυφαντής, Βάιος Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: Βελτιστοποίηση
Αρδευτικά δίκτυα
Διάμετροι
COPAM
Αντιπληγματική προστασία
Optimization
Irrigation systems
Diameters
Water hammer protection

description: Βασικά στοιχεία της μελέτης των υπό πίεση αρδευτικών δικτύων είναι η βελτιστοποίηση του κόστους των αγωγών και η αντιπληγματική προστασία αυτών. Για τη βέλτιστη επιλογή των διαμέτρων των αγωγών σε ένα αρδευτικό δίκτυο (συνδυασμός εξασφάλισης των απαιτούμενων παροχών και πιέσεων και ελαχιστοποίησης του κόστους), μια από τις πρώτες μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν ευρέως, ήταν η μέθοδος Labye (1966). Η μέθοδος αυτή είναι ασυνεχής, δηλαδή λαμβάνονται εξαρχής υπόψη μόνο οι διάμετροι εμπορίου. Οι βέλτιστοι διάμετροι του δικτύου προκύπτουν με τη χάραξη της χαρακτηριστικής καμπύλης σ’ ένα καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων πιεζομετρικού φορτίου/κόστους των αγωγών σε συνδυασμό με την εξασφάλιση του διαθέσιμου φορτίου στην αρχή του δικτύου. Ο Lamaddalena (1997) ανέπτυξε ένα ολοκληρωμένο και πρακτικό αλγόριθμο, τον COPAM (Combined Optimization and Performance Analysis Model), ο οποίος δόθηκε στη δημοσιότητα από το FAO (Lamaddalena and Sagardoy, 2000) και χρησιμοποιεί την τροποποιημένη μέθοδο Labye. Με την τροποποιημένη μέθοδο, γίνεται μια αρχική επίλυση με δεδομένα για κάθε αγωγό του δικτύου τη μικρότερη διαθέσιμη διάμετρο εμπορίου και την παροχή σχεδιασμού που προκύπτει με εφαρμογή μιας από τις μεθόδους του Clément, που υπολογίζεται από το πρόγραμμα. Προκύπτει, έτσι, ένα πιεζομετρικό φορτίο στην αρχή του δικτύου μεγαλύτερο από το διαθέσιμο. Κατόπιν με επαναληπτική διαδικασία αυξάνονται σταδιακά οι διάμετροι με συνέπεια τη μείωση του αρχικού φορτίου, μέχρι την εξασφάλιση του διαθέσιμου φορτίου στην αρχή του δικτύου, και παράλληλα την επίτευξη του ελάχιστου κόστους των αγωγών. Με το πρόγραμμα COPAM, στην παρούσα εργασία γίνεται βελτιστοποίηση σε συγκεκριμένες εφαρμογές (αρδευτικά δίκτυα) και προκύπτουν συμπεράσματα για τις δυνατότητες της μεθόδου, κατόπιν συγκριτικής αξιολόγησης των αποτελεσμάτων αυτής σε σχέση με άλλες μεθόδους βελτιστοποίησης. Καταρχήν έγινε επίλυση του αρδευτικό δίκτυο υπό πίεση των Βασιλικών Θεσσαλονίκης με αρδευόμενη έκταση 1560 στρ., που φέρει 52 υδροστόμια. Το κόστος των αγωγών του δικτύου που προκύπτει από το COPAM είναι κατά 11% χαμηλότερο του κόστους που προέκυψε με τη συνεχή μέθοδο βελτιστοποίησης με μη γραμμικό προγραμματισμό που εφαρμόστηκε από το μελετητικό γραφείο ΥΕΤΟΣ (2005). Γίνεται, επίσης, επίλυση του αρδευτικού δικτύου Καβασίλων Θεσσαλονίκης, που φέρει 83 υδροστόμια και το κόστος των αγωγών που προκύπτει από το COPAM είναι κατά 6.2% χαμηλότερο του κόστους, που προέκυψε με την απλοποιημένη συνεχή μη γραμμική μέθοδο βελτιστοποίησης του Θεοχάρη (2004) και τη μέθοδο γραμμικού προγραμματισμού, οι οποίες εφαρμόστηκαν από το Χονδρογιάννη (2005). Διαπιστώθηκε ότι η μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητα ροής που λαμβάνει υπόψη του το πρόγραμμα COPAM (2.5 m/s), και η οποία είναι μεγαλύτερη από τις επιτρεπόμενες ταχύτητες της Εγκυκλίου 22200/1977 του άλλοτε Υπουργείου Δημοσίων Έργων που εφαρμόστηκε στις άλλες μεθόδους, επιτρέπει τη χρήση μικρότερων διαμέτρων με συνέπεια τη μείωση του συνολικού κόστους των αρδευτικών δικτύων που υπολογίστηκαν με βάση το COPAM. Η μεγαλύτερη διαφορά κόστους, που προέκυψε για το δίκτυο Βασιλικών σε σύγκριση με τη διαφορά κόστους στο δίκτυο Καβασίλων, οφείλεται σε μικρή διαφοροποίηση των παροχών σχεδιασμού στο δίκτυο Βασιλικών, οι οποίες υπολογίστηκαν από το μελετητικό γραφείο ΥΕΤΟΣ (2005) κατόπιν εφαρμογής της μεθόδου εκ περιτροπής διανομής του νερού αντί της μεθόδου Clément. Σημειώνεται ότι ένα βασικό στοιχείο της μελέτης των υπό πίεση αρδευτικών δικτύων είναι η λήψη μέτρων προστασίας έναντι του φαινομένου του υδραυλικού πλήγματος (water hammer) ή πλήγματος κριού που μπορεί να προκληθεί από απότομη μεταβολή της παροχής λόγω χειρισμού των δικλείδων ροής και υδροληψιών, απότομη διακοπή της λειτουργίας του αντλιοστασίου κ.λπ. Το φαινόμενο συνίσταται στη δημιουργία κυμάτων υπερπίεσης και υποπίεσης στον αγωγό, λόγω της αδράνειας της μάζας του νερού που κινείται. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν μπορούν να είναι θραύση αγωγών, χαλάρωση συνδέσμων, καταστροφή οργάνων κ.λπ. Για τη μελέτη του πλήγματος κριού, εφαρμόζεται μια απλουστευμένη διαδικασία υπολογισμού των υπερπιέσεων που βασίζεται στην Εγκύκλιο 22200/1977 του άλλοτε Υπουργείου Δημοσίων Έργων, σύμφωνα με την οποία η μέγιστη υπερπίεση προκύπτει από τις εξισώσεις του Joukowsky (1900) ή του Michaud (1878), κατόπιν σύγκρισης του χρόνου χειρισμού της δικλείδας με το χρόνο που αντιστοιχεί στη φάση του κύματος υπερπίεσης. Για το σκοπό αυτό λαμβάνονται υπόψη παραδοχές υπολογισμού όσον αφορά στα σημεία εκτόνωσης του κύματος, στην αναγωγή του μήκους του αγωγού σε μήκος μιας διαμέτρου και στο χρόνο χειρισμού των δικλείδων. Με βάση τις υπερπιέσεις, δίνονται οι βασικές αρχές λήψης των απαραίτητων μέτρων προστασίας του δικτύου, δηλαδή η τοποθέτηση αντιπληγματικών συσκευών και η επιλογή των κατάλληλων θέσεων και των υδραυλικών χαρακτηριστικών τους. Ο υπολογισμός των υπερπιέσεων και η αντιπληγματική προστασία με τη διαδικασία αυτή εφαρμόζεται στο αρδευτικό δίκτυο Βασιλικών Θεσσαλονίκης.
description: Two basic elements in the study of pressurized irrigation networks are the optimization of pipe cost and the protection of pipes against the water hammer phenomenon. For the optimal selection of pipe diameters in an irrigation network (in order to secure both the required flow and pressure levels and minimization of cost) one of the first methods to be widely used was the Labye method (1966). This method is discontinuous, that is to say, only commercial diameters are initially taken into account. The optimal diameters for the network are found by tracing the characteristic curve in a piezometric head/pipe cost cartesian coordinate system and obtaining the piezometric head at the beginning of the network. Lamaddalena (1997) developed an integrated and practical computer program called COPAM (Combined Optimization and Performance Analysis Model) which was published by the FAO (Lamaddalena and Sagardoy, 2000) and uses a modified version of the Labye method. With the modified method an initial solution of the problem is obtained by providing data for each pipe in the network consisting of the minimum available commercial diameter and the flow, which is obtained by applying one of the Clément methods and is calculated by the program. A maximum piezometric head is thus obtained at the beginning of the network. Next, by repeating the process, the diameters are gradually increased until the head existing at the beginning of the network is obtained. The COPAM program is used in the present study to optimize certain applications (irrigation networks). Its use also provides certain conclusions about the method’s capabilities following a comparative assessment between the results of this particular method and those of other optimization methods. First of all, an optimization solution was provided for a pressurized irrigation network at Vasilika near Thessaloniki which has an irrigated area of 156 hectares comprising 52 hydrants. The pipe cost for the network yielded by the COPAM program is 11% lower than the cost yielded by the continuous optimization method using nonlinear programming that was applied by the YETOS design office (2005). An optimization solution was also provided for an irrigation network at Kavasila near Thessaloniki with 83 hydrants. In this case the pipe cost yielded by the COPAM program is 6.2% lower than the cost yielded by the simplified continuous nonlinear optimization method devised by Theocharis (2004) and the linear programming method applied by Hondroyannis (2005). It was concluded that the lower pipe cost yielded by the COPAM program is due to the maximum flow velocity (2.5 m/s) that the program takes into account, same for all diameters, which is greater than the velocities specified by instructions contained in former Ministry of Public Works Circular 22200/1977, resulting in the use of smaller diameters. The greatest cost difference that arose in the Vasilika network in comparison with the cost difference in the Kavasila network, stems from the small differentiation in the flows which the designer of Vasilika obtained through the method of water distribution by rotation instead of through the Clément method. Noted that a basic element in the study of pressurized irrigation networks is the taking of protective measures against the water hammer phenomenon, which can be caused by sudden change in the flow as a result of valve and hydrant operation, sudden shutdown of the pumping station etc. The phenomenon consists in the creation of waves of excess and negative pressure in the pipeline due to the inertia in the mass of moving water. The results may be breakage of pipes, loosening of joints or destruction of instruments etc. For the study of the water hammer phenomenon, a simplified procedure is used for calculating the excess pressures, based on former Ministry of Public Works Circular 22200/1977. According to this, the maximum excess pressure is provided by the Joukowsky (1900) or Michaud (1878) equations, after comparing the valve control time with the time corresponding to the excess pressure wave-phase. For this purpose calculation assumptions are taken into account with regard to the wave relief points, conversion of pipe lengths to single-diameter lengths, and valve control time. On the basis of the excess pressures, basic principles are provided for selecting essential system protection measures, i.e. the installation of anti-water hammer devices and the selection of suitable positions and their hydraulic characteristics. The calculation of excess pressures and anti-water hammer protection by means of this procedure is applied in this study to the irrigation network at Vasilika near Thessaloniki.