Déllei Ákos – Ivóvízhálózatok nyomásérzékenységen alapuló topológia optimalizációja
Ivóvízhálózataink a világ első közüzemi szolgáltatásai között jöttek létre, ugyanis az élet legfontosabb alkotóelemét, a vizet szállítják a lakosság felé. A folyamatosan bővülő, egyre nagyobb városok általában kisebb városok, települések összekapcsolásával jönnek létre, melynek révén a kisebb ivóvízhálózatok egymásba integrálása következik be.
A napjainkra jellemző, rendkívül gyors ütemű városiasodásnak köszönhetően szinte az összes ily módon kialakult hálózatnak vannak olyan régiói, ahol nyomásproblémák, kapacitáshiány jelentkezik. Legtöbb esetben ezen hibák mindaddig rejtve maradnak, míg a hálózatra új lakóépületeket, vagy esetleg egy nagyobb vízigényű technológiát alkalmazó üzemet nem csatlakoztatnak. Sok esetben a problémafeltárást egy-egy katasztrófahelyzet is előidézheti, tekintve például egy város közeli erdőtüzet, vagy egy ház kigyulladását. Ilyenkor a tűzcsap jelentette nagyfokú vízkivétel és a lakossági fogyasztási trendek együttese bizonyos esetekben a hálózati nyomás drasztikus leeséséhez, lokális kapacitáshiányhoz vezethetnek. Ennek okán pedig, az éppen szükséghelyzetben lévő tűzoltók nem férnek hozzá az oltáshoz szükséges mennyiségű ivóvízhez a tűzcsapokon keresztül. Ugyanezen jelenség felelős az ipari fogyasztókat és lakosságot súlytó, csúcsfogyasztások időszakában jelentkező, termelést és komfortérzetet csökkentő „csöpögő csapok” jelenségéért. Azaz azért az állapotért, amikor jelentősebb hálózati károsodás nélkül, normális üzemvitel mellett lehetetlenül el a megfelelő vízkinyerés a hálózatokból. A korábban felsorolt jelentős okok nyomán, jelen kutatás elsődleges célkitűzése e hálózati nyomásingadozások elemzése és javaslat készítése olyan topológiai módosításokra, melyek meggátolhatják ezen káros üzemállapotok, azaz a lokálisan jelentkező kapacitáshiányok bekövetkezését. Erre a Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék munkatársai által felismert célfüggvény transzformációs módszer és egy újszerű, saját implementációval megvalósított, bővített genetikus algoritmus párosításával keresek választ, azáltal, hogy célom azon optimális, a rendszerbe csatlakoztatandó csőnyomvonal meghatározása, amely a lehető legnagyobb mértékben növeli a vizsgált tizenegy darab valódi ivóvízhálózat kapacitását. Ez egy passzív, igen környezetkímélő megoldást jelent az ivóvízhálózatok jobbátételére, ugyanis csak egyszer kell a rendszerbe építeni az adott csőszakaszt, utána nincs vele több teendő. Míg, ha ugyanezen célt nyomásfokozó szivattyúkkal akarnánk megvalósítani, az az évek során rengeteg költséget vonna maga után a karbantartás által, illetve jelentős mennyiségű környezetterhelést jelentene a szivattyú folyamatos áramigényén keresztül. Célom tehát azon legkörnyezetbarátabb bővítési javaslat elkészítése egy ivóvízhálózat esetére, mely segítségével a hálózati kapacitás növelhetővé válik.
A hálózati modellezés megvalósítása
A vizsgálatok megkezdése előtt szükség van ivóvízhálózati modellek felépítésére. Az ipari partnerek által számunkra biztosított térinformatikai rendszernek köszönhetően információt kapunk a hálózatban lévő csővezetékek pontos elhelyezkedéséről, átmérőjéről, hosszáról, csősúrlódási tényezőjéről, a medencék vízfedettségéről, a szerelvények (például tolózárak) helyéről, illetve az imént említett ágelemek találkozási helyéről, melyet csomópontnak hívunk. Az éves számlázási adatok alapján minden csomópont esetén valós fogyasztási adatokat is modellezhetünk, melyek pontosan tükrözik a hálózatból kivett vízmennyiséget. A modellalkotást követően eszközölnünk kell a felépített hálózati modell matematikai leírását. Definiálhatunk csomóponti egyenleteket, illetve ágegyenleteket. Míg előbbiek lineáris alakot öltenek, addig az ágegyenletek között a térfogatáram és az abban megtalálható sebesség miatt megjelenik a nemlinearitás. A hálózatot jellemző teljes egyenletrendszert emiatt egy jól definiált, de nemlineáris algebrai egyenletrendszernek tekinthetjük. A legkisebb vízelosztó hálózat is már rengeteg egyenlettel rendelkezik, így muszáj ezen egyenletrendszereket számítógép segítségével kiértékelni, melyre a nemlineáris egyenletrendszerek megoldásának alapeszköze, a Newton-Raphson módszer használatos. A kiértékelést követően a csomóponti nyomások és ágelemi térfogatáramok mellett a számunkra későbbiekben fontos csomóponti nyomásérzékenységek is ismertté válnak. A hidraulikus kiértékelés a Staci nevű programmal történik, melyet a Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék és a SYS-Team Zrt. közösen fejlesztett ki.
