Структурная модель алгоритма расчета микрогэс с учетом гидрологических

ч. 1

Известия КГТУ им. И.Раззакова 29/2013

УДК.: 62-531.9:556.53:621.311.214-022.53
СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ АЛГОРИТМА РАСЧЕТА МИКРОГЭС

С УЧЕТОМ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАЛЫХ ВОДОТОКОВ
АСАНОВ М.С., ОБОЗОВ А.ДЖ., ЖАБУДАЕВ Т.Ж.

КГТУ им. И. Раззакова

izvestiya@ktu.aknet.kg
Представлены структурная модель и методология выбора рационального типа микроГЭС на основе разработанного алгоритма расчета параметров гидротурбин с использованием гидрологических характеристик малых водотоков.

Presented the structural model and methodology choice rational type of micro hydro station based on elaborated algorithm calculation parameters turbines using hydrological characteristics of small streams.


По территории Кыргызской Республики протекают сотни малых и мелких водотоков. На этих водотоках можно установить микрогидроэлектростанции (микроГЭС) для обеспечения электроэнергией автономных сельскохозяйственных объектов небольшой мощности.

Для рационального выбора типа микроГЭС с требуемой мощностью для потребителя возникает необходимость изучения и установления особенностей изменения гидрологических параметров мелких горных водотоков в зависимости от: уклона, водности, характера русла и т.д. Знание этих величин позволяет разработать научно обоснованный метод расчета мощности микроГЭС.

В настоящей статье рассматривается задача расчета потенциальной мощности водотока створов рек и обосновывается выбор различных типов гидротурбин для микроГЭС.

Для решения поставленной задачи используются следующие данные:


  • геометрические параметры гидропостов створов рек;

  • гидрологические характеристики створов рек при гидропостах;

  • типы используемых гидротурбин и их технические характеристики;

  • типы известных в практике микроГЭС.

Структурная модель алгоритма решения вышесформулированной задачи. Алгоритм включает в себя следующие взаимосвязанные функциональные модули:

  • модуль формирования базы данных по рекам;

  • формирования базы данных о гидрологических характеристиках створов рек при соответствующих урочищах;

  • формирования базы данных о существующих типах микроГЭС;

  • расчета потенциальных мощностей отдельно выбранных рек Кыргызстана в соответствующих створах рек при разных типах гидротурбин;

  • модуль выбора наилучших типов из множества микроГЭС.

  1. Структурная модель вычислительного модуля (ВМ1) формирования базы данных по рекам (см. рис. 1).

Данный модуль позволяет формировать базу данных о реках Кыргызстана в виде географических карт, модель которого описывается с помощью следующих выражений (см. рис. 1):

а) отображение , сопоставляющее каждой реке вполне определенную карту:





Рис. 1. Географическая карта  абстрактной реки , имеющая древовидную структуру, где приняты следующие условные обозначения:

-прямоугольник 189овал 191овал 190 урочище; - сток реки (ледник); - узлы соединения отдельных участков реки


, (1)

 ,



,

,

где  – множество рек;  – множество географических карт рек;  – однозначное отображение (1), являющееся множеством пар , ;  – имя i-ой реки;  – карта i-ой реки.

б) отображение , сопоставляющее каждой точке экрана вполне определенный цвет:

,  (2)



, ,

, ,

, ,

,



, ,

где  - в свою очередь есть однозначное отображение (2), являющееся множеством троек  , , ; X – множество координат по оси x экрана; Y – множество координат по оси y экрана; С – множество номеров цветов в палитре; (x, y) – координата точки экрана, а  - номер цвета точки (x, y) экрана.

  1. Структурная модель вычислительного модуля (ВМ2) формирования базы данных о гидрологических характеристиках створов рек при соответствующих урочищах (рис. 1 и 2) с указанием их координат (x, y) на карте рассматриваемых рек.

а) отображение , сопоставляющее каждому i-му урочищу  из множества  вполне определенную точку  карты реки на экране (см. таблицу на рис. 2):

, (3)

, ,

,

,

,

, , , ,

=n_Ур;

б) отображение , сопоставляющее каждому урочищу ,  с заданными координатами  на карте вполне определенные данные  о гидрологических характеристиках створов рек при соответствующих урочищах (см. таблицу на рис. 2):

, (4)





,

,



,

 , , , ,

,

Рис. 2. Пояснение к вычислительному модулю ВМ2


где  – ширина гидропоста;  – глубина воды;  – скорость течения воды;  – напор.

в) вычислительный элемент ВЭ2 (рис. 2) фиксирует координаты  курсора мыши, соответствующие вновь вводимому урочищу ; к концу базы данных  добавляет новую k-ю запись , т.е. , и записывает координаты ;

г) вычислительный элемент ВЭ1 (рис. 2) фиксирует координаты  курсора мыши, соответствующие выбранному i-му урочищу  для дальнейшей работы с ней (удаления или проведения расчетных работ); i-ое урочище  считается выбранным, если выполняется следующее условие:




д) вычислительный элемент ВЭ3 (рис. 2) производит обновление текущего окна экрана после удаления или добавления новых урочищ: очищает окно экрана; выводит карту  текущей реки  (см. (1)-(2)); выводит условные обозначения всех урочищ ,  в виде прямоугольников с координатами левого верхнего угла ,  и правого нижнего угла   (см. рис. 1).

  1. Структурная модель модуля формирования базы данных о существующих типах микроГЭС (ВМ3). Модель данного модуля имеет следующий вид:

а) отображение , сопоставляющее каждому j-му микроГЭС  из множества  вполне определенные гидравлические данные 


, (5)

, ,

,

,

,

, , , .

б) отображение , сопоставляющее каждому j-му микроГЭС  с заданными гидравлическими данными  вполне определенные данные  об электрических характеристиках и  об экономических и прочих характеристиках.

 (6)



,

где  - мощность;  - напряжение;  - частота;  - стоимость;  - относительная цена за кВтч.



  1. Структурная модель вычислительного модуля (ВМ4) расчета потенциальных мощностей в соответствующих створах рек при разных типах гидротурбин (ВМ4). Модель данного модуля имеет вид (рис. 3):



Рис. 3 Пояснения к вычислительному модулю ВМ4


а) отображение , сопоставляющее каждому j-му типу турбины  из множества  вполне определенную модель  из библиотеки (множества) моделей различных типов турбин.

, (7)

, ,

,

,

,

, ;

б) функциональное отображение , , описывающее структуру модели каждого j-го типа турбины

, , (8)

где  - множество различных значений мощностей, соответствующее j-му типу турбины;  – множество, описанное в (4).

На основе (8) с учетом выражения  из (4) получим библиотеку моделей для расчета потенциальных мощностей для каждого i-го створа рек при использовании различных типов турбин , :

, . (9)


  1. Структурная модель вычислительного модуля (ВМ5) выбора наилучших типов из множества микроГЭС (см. рис.4). Модель выбора описывается с помощью выражения:

 (10)

где  - множество наилучших типов микроГЭС для i-го урочища , .


Заключение. Таким образом, выражения (1)-(10) описывают структурную модель алгоритма решения задачи расчета потенциальных мощностей малых и мелких горных рек и выбора наилучших типов микроГЭС для заданных створов рек. На основе этой модели разработана универсальная программная среда.


Рис. 4. Пояснение к вычислительному модулю ВМ5


ч. 1