home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ World of Shareware - Software Farm 2 / wosw_2.zip / wosw_2 / GENERAL / ALLWET.ZIP / CHAP2.SML < prev    next >
Text File  |  1986-09-06  |  21KB  |  784 lines

  1.                2.  ELEMENTS OF A WATER DISTRIBUTION SYSTEM
  2.  
  3.  
  4.  
  5.      To ALLWET, a water distribution system consists of six elements: nodes,
  6.  
  7. pipes, reservoirs (a term to be precisely defined below), booster pumps,
  8.  
  9. pressure reducing valves (PRVs) and check valves.  This chapter of the manual
  10.  
  11. describes the type of data associated with each of these elements.  Later
  12.  
  13. chapters contain detailed information for initially preparing and updating
  14.  
  15. (interactively) the data.  Figure 1 and Table 1 illustrate and describe a
  16.  
  17. sample water distribution system to be referred to throughout this manual.
  18.  
  19.  
  20.  
  21.  
  22.  
  23.  
  24.  
  25.  
  26.  
  27.  
  28.  
  29.  
  30.  
  31.  
  32.  
  33.  
  34.  
  35.  
  36.  
  37.  
  38.  
  39.  
  40.  
  41.  
  42.  
  43.  
  44.  
  45.  
  46.  
  47.  
  48.  
  49.  
  50.  
  51.  
  52.  
  53.  
  54.  
  55.  
  56.  
  57.  
  58.  
  59.  
  60.                                   2-1
  61.                      
  62.  
  63.  
  64.  
  65.  
  66.                         
  67.                                                      4
  68.                                                      x    Booster
  69.           Water                                      x <- Pump
  70.           Tower                                      x    Station
  71.               T-1 x x x 1 x x x x x x x x x x x x x  2
  72.                x        x  x                         x
  73.                x        x      x                     x
  74.     Figure 1   x        x           x                x
  75.                x        x                            x
  76.                x        x            CC              x
  77.                x        x                            x
  78.                x        x           x                x
  79.                x        x       x                    x
  80.                x        x    x                       x
  81.                x        x x                          x
  82.       3 x x x  AA x x x BB x x x x x x x x x x x x  T-2
  83.                                                      Pump Station
  84.           ^
  85.           |
  86.         Pressure
  87.         Reducing
  88.         Valve
  89.         on pipe between
  90.         nodes AA and 3
  91.  
  92.  
  93.  
  94.  
  95.             Figure 1 Sample System Configuration
  96.  
  97.  
  98.  
  99.                                   2-2                
  100.  
  101.  
  102.  
  103.  
  104.  
  105.  
  106.  
  107.  
  108.                        Table 1: Sample Problem Data
  109.  
  110. Units used:  Pipe length - feet    Pipe diameter - inches    Flow - US gpm
  111.              Head loss - feet      Elevations - feet         Pressure - psi
  112.              Velocity - fps
  113.  
  114. Node Data
  115.   Class  Node       Elevation     Demands A-D     Coordinates    Pressure
  116.      1   T-1           400            0,0,0,0      1000, 3000
  117.      1   T-2           375            0,0,0,0      4000,  500
  118.      3     1           385          0,50,50,0      1500, 3000
  119.      3     2           450         100,15,0,0      4000, 3000
  120.      2     3           350          75,25,0,0       500,  500
  121.      2     4           475           0,0,0,60      4000, 3500
  122.      1    AA           410         100,50,0,0      1000,  500
  123.      1    BB           410          175,0,0,0      1500,  500
  124.      1    CC           415        125,0,125,0      2750, 1750      30 psi
  125.  
  126. Multiplicative factors for class 2 nodes: 1.3, 0.9, 1.0, 1.0
  127.  
  128. Pipe Data
  129.  Number    From Node    To Node    Diameter     C     Length
  130.     1         T-1           1         10       100      500
  131.     2         T-1          AA         10       100     2500
  132.     3           1           2         10       100     2500
  133.     4           4          CC          8       100     1964
  134.     5           1          BB         10       100     2500
  135.     6           2         T-2         10       100     2500
  136.     7         T-2          BB         10       100     2500
  137.     8          BB          CC          8       100     1964
  138.     9          BB          AA         10       100      500
  139.    10          AA           3          8       100      500
  140.    11           3           4          6       100      500
  141.  
  142. Pipe 4 has pseudonodes at    1978,2904; 2384,2634; 2655,2228
  143. Pipe 8 has pseudonodes at    1978, 596; 2384, 866; 2655,1272
  144.  
  145. Water tank at node T-1    Water elevation = 475'   Fraction of Supply = .3
  146.  
  147. Pump Station at node T-2   Pump elevation = 380'   Fraction of Supply  = .7
  148.     Head-discharge can be described by 5 points
  149.          H:   145   135   120   100    75
  150.          Q:   200   600  1000  1400  1800
  151.  
  152. Booster pump on pipe 11 with head-discharge curve described by 5 points:
  153.          H:    60    55    45    30    10
  154.          Q:     0    40    80   120   160
  155.  
  156. Pressure reducing valve on pipe 10
  157.     2 velocity heads lost when valve is inactive, valve set at 30 psi
  158.  
  159.  
  160.  
  161.  
  162.  
  163.  
  164.  
  165.  
  166.                                   2-3
  167.  
  168.  
  169.  
  170.  
  171.  
  172.  
  173. 2.1  Nodes and Calculation of Nodal Demands
  174.  
  175.  
  176.      Nodes are located at pipe junctions, points where water can enter the
  177.  
  178. distribution system, and any other points where the water pressure or
  179.  
  180. hydraulic grade line should be known.  By convention, flow out of the system
  181.  
  182. through any node is positive, and flow into the system through a node is
  183.  
  184. negative.  For each node of the system, the following information must be
  185.  
  186. provided:
  187.  
  188.  
  189. (a) Name.  This  should  be  unique  and have one of four forms:
  190.      (1) A numeric string having up to four characters (e.g. 1, 20, 500)
  191.      (2) An  alphabetic string of up to four characters followed by a numeric
  192.          string of up to four characters,  or vice versa  (e.g.  A1,  1A,  1B,
  193.          23CC, CC23, ABCD12, 12ABCD; but not numbers and letters interspersed,
  194.          such as 12A1 or A3A)
  195.      (3) Two alphanumeric character strings (i.e., either numbers or letters),
  196.          separated  by  a  hyphen  and  each  containing  no  more  than three
  197.          characters (e.g. 1A-1, A1-1, CCC-A, A-CCC, 1-11, 1-12, 12-A)
  198.      (4) An arbitrary alphanumeric  string  of  up  to  eight  characters  not
  199.          conforming with (1), (2) or (3) (e.g. A, 12345, 12Al, A3A)
  200.     For  output  purposes,  ALLWET  orders  the  node names by the first
  201.     string, and,  when these are identical,  the second string.  Numeric
  202.     strings come first,  followed by all other strings  in  alphanumeric order
  203.     (i.e., digits following letters).  Thus the names in the above examples
  204.     would be ordered:  1, 1-11, 1-12, 1A, 1B, 12-A, 12ABCD, 20, 23CC, 500, A,
  205.     A1, ACCC, ABCD12, A1-1, A3A, CC23, CCC-A, 1A-1,  12A1, 12345.
  206.  
  207. (b) Coordinates of the node.  ALLWET uses this information for the selective
  208.     output of nodes and pipes within a specified portion of the map during
  209.     interactive use, and for the automatic calculation of pipe lengths.  Users
  210.     who don't wish to use these features can just enter zeros for all coor-
  211.     dinate values. if coordinate values are used, the coordinate system must
  212.     use the units in which pipe lengths are measured.
  213.  
  214. (c) Elevation.  All node elevations must refer to the same datum.  This value
  215.     is used solely to calculate the pressure at the node, after the hydraulic
  216.     grade line has been determined.
  217.  
  218. (d) Demand for water.  Four values (designated A, B, C and D) for every node.
  219.     Each value can designate a specific type of demand.  For instance, type A
  220.     might represent average daily residential demand at the node, while types
  221.     B, C and D might represent average daily commercial demand, average daily
  222.     industrial demands and miscellaneous demands respectively.
  223.  
  224. (e) Pressure at a node.  This may or may not be indicated.  If a positive
  225.     value is entered, during flow-pressure calculations ALLWET will calculate
  226.     the flow into or out of the node necessary to maintain this pressure, and
  227.     disregard the demand values.  Changing the pressure to zero or any
  228.     negative value will again allow ALLWET to use the four demands for the
  229.     next flow-pressure calculation.
  230.  
  231.  
  232.                                   2-4
  233.  
  234.  
  235. (f) An integer (1 through 10) to define the nodal classification.  These
  236.     classifications may have any significance the user desires.  Possibilities
  237.     include region in the distribution system, areas of high irrigation, or
  238.     the identification of special demands at a node (hospital, theater, etc.).
  239.     For most applications, no more than four or five nodal classifications
  240.     would be necessary. (Using only classification 1 will often be adequate.)
  241.     The four demands, the nodal classifications at each node, and the concept
  242.     of multiplicative factors (described in the next paragraph) permit users
  243.     of ALLWET to simulate specific demand patterns such as maximum day or
  244.     maximum hour.
  245.  
  246.  
  247.     For every nodal classification, ALLWET permits one multiplicative factor
  248.  
  249. for each of the four demand types.  Unspecified multiplicative factors are
  250.  
  251. assumed equal to 1.0 (e.g., those for nodal classifications 1 and 3 in Table 1).
  252.  
  253. For any analysis, ALLWET calculates total demand at each node by summing the
  254.  
  255. products of each entered demand A through D with the corresponding multipli-
  256.  
  257. cative factor.  Thus, using the data in Table 1, the total flow at node 3 is
  258.  
  259.           1.3 (75) + 0.9 (25) + 1.0 (0) + 1.0 (10) = 130.
  260.  
  261. However, negative demands (flows into the system) are not multiplied by the
  262.  
  263. factor before inclusion in the sum.  This permits the modeling of fixed inflow
  264.  
  265. sources.  Therefore, if demand B for node 3 instead were -25, then the total
  266.  
  267. flow would be
  268.  
  269.           1.3 (75) + (-25) + 1.0 (0) + 1.0 (10) =  82.5.
  270.  
  271.      A system-wide factor PERC (default value equals 1.0) may also be speci-
  272.  
  273. fied.  In calculating nodal flows, all positive demands are multiplied by PERC
  274.  
  275. as well as the corresponding multiplicative factor.  Thus, in the second
  276.  
  277. example just given, if PERC was 1.2 (representing a 20% increase in positive
  278.  
  279. demands throughout the system), the total flow would be
  280.  
  281.           1.3 (1.2) (75) + (-25) + 1.0 (1.2) (0) + 1.0 (1.2) (10) = 104.
  282.  
  283.  
  284.  
  285.  
  286.  
  287.  
  288.  
  289.  
  290.  
  291.  
  292.  
  293.                                   2-5
  294.  
  295. 2.2  Pipes
  296.  
  297.  
  298.      Pipes require the following information:
  299.  
  300. (a)  Number to identify the pipe.
  301.  
  302. (b)  Two distinct nodes (a "from" node and a "to" node) which the pipe
  303.      connects.  Except for pipes containing booster pumps and PRVs, either
  304.      node may be the "from" node.  Pipe flows calculated by the computer will
  305.      be negative if flow runs from the "to" node to the "from" node.
  306.  
  307. (c)  Diameter of the pipe.
  308.  
  309. (d)  Hazen-Williams roughness coefficient (also known as the C factor) or the
  310.      Manning roughness factor.  The same one of these must be used for all
  311.      pipes in the system.
  312.  
  313. (e)  Length of pipe.
  314.  
  315. (f)  Coordinates of up to three pseudonodes.  Pseudonodes permit the
  316.      representation of curved pipes as up to four connected line segments.
  317.      These may not be used if no coordinate system is used.
  318.  
  319.  
  320.  
  321.  
  322.  
  323.  
  324.  
  325.  
  326.  
  327.  
  328.  
  329.  
  330.  
  331.  
  332.  
  333.  
  334.  
  335.  
  336.  
  337.  
  338.  
  339.  
  340.  
  341.  
  342.  
  343.  
  344.  
  345.  
  346.  
  347.  
  348.  
  349.  
  350.  
  351.  
  352.  
  353.  
  354.                                   2-6
  355.  
  356.  
  357. 2.3  Reservoirs
  358.  
  359.  
  360.      For the purpose of ALLWET, reservoirs are nodes at which water can enter
  361.  
  362. the system, and, simultaneously, where the demand is not fixed.  Discussion of
  363.  
  364. the three types of nodes at which water can enter a distribution system should
  365.  
  366. clarify the implications of this definition.
  367.  
  368.  
  369.      Type 1: Nodes at which water enters the system at a fixed head, e.g.,
  370.  
  371. fixed head pumps or storage tanks "floating" on the system.  For this type of
  372.  
  373. reservoir, the user must indicate the node name and the HGL constant (i.e.,
  374.  
  375. the fixed value of the hydraulic gradient at the node).  The calculated flow
  376.  
  377. at a node having a type 1 reservoir equals the flow needed to maintain the
  378.  
  379. indicated gradient.  Flow leaving the distribution system (into a tank) will
  380.  
  381. be positive while flow entering the distribution system (out of a tank) will
  382.  
  383. be negative.  During flow-pressure calculations, ALLWET places temporary Type
  384.  
  385. 1 reservoirs at nodes with fixed pressures.
  386.  
  387.  
  388.      Although the "floating" of a storage tank on the system implies that its
  389.  
  390. elevation is allowed to vary freely, the HGL constant is a necessary input.
  391.  
  392. ALLWET calculates flows and pressures in the system at a specific instant
  393.  
  394. based upon what the elevations in storage tanks are at that instant.  Separate
  395.  
  396. analyses would have to be performed to evaluate how varying tank levels affect
  397.  
  398. flows and  pressures throughout the distribution  system.  As a  practical
  399.  
  400. matter, analyses at no more than two or three elevations would be sufficient.
  401.  
  402.  
  403.       Type 2: Nodes with pump(s) that deliver water at a head dependent upon
  404.  
  405. the flow.  For these reservoirs ALLWET needs a relationship between the
  406.  
  407. discharge of and the head generated by the pump, input as a series of points
  408.  
  409. lying on the pump's head-discharge curve.  Such a relationship will be
  410.  
  411. referred to as an H-Q curve. (See section 2.5, "Notes Concerning H-Q Curves,"
  412.  
  413. later in this chapter.)
  414.  
  415.  
  416.  
  417.                                   2-7
  418.  
  419.  
  420.      An HGL constant can also be entered for a type 2 reservoir.  ALLWET adds
  421.  
  422. this constant to the head values along the H-Q curve to determine the hy-
  423.  
  424. draulic grade line at the node for a given value of flow.  Thus, if the head
  425.  
  426. values along the H-Q curve represent the actual hydraulic grade line of water
  427.  
  428. leaving the pump (rather than the contribution to head made by the pump), then
  429.  
  430. the HGL constant should be set to zero.  However, if the head values along the
  431.  
  432. H-Q curve represent the contribution of head made by the pump, then the HGL
  433.  
  434. constant must be entered as the elevation of the pump with respect to the
  435.  
  436. datum.  The input data for a type 2 reservoir may be prepared in either way.
  437.  
  438.  
  439.     Type 3: Nodes at which pumps (or something) deliver water at a fixed flow
  440.  
  441. regardless of the hydraulic grade line.  Such nodes are not reservoirs as
  442.  
  443. defined above (since flow is fixed), but instead should be treated as nodes
  444.  
  445. with a negative demand.  This can be done by setting one of the node's demand
  446.  
  447. to a negative number.
  448.  
  449.  
  450.      Adequate accuracy can often be achieved (especially if one or more
  451.  
  452. storage tanks "float" on the system) by considering type 2 reservoirs to be
  453.  
  454. fixed input nodes.  This will be necessary for older pumps whose H-Q curves
  455.  
  456. are unknown.  Engineers at pumping stations generally know or can measure the
  457.  
  458. flow which a pumping station can generate.
  459.  
  460.  
  461.      The user may optionally indicate a fraction of supply value for each type
  462.  
  463. 1 and type 2 reservoir.  Each such value represents the user's estimate of the
  464.  
  465. fraction of the algebraic sum of all nodal demands which the corresponding
  466.  
  467. reservoir will supply.  ALLWET uses these values in defining the first
  468.  
  469. iteration conditions when solving the system of nonlinear equations during
  470.  
  471. pressure-flow calculations.  Hence, prudent selection of these values can save
  472.  
  473. computation time and insure convergence.  If selected, these numbers may be
  474.  
  475. positive or negative, but their sum must be one.  A negative value for a type
  476.  
  477.  
  478.  
  479.                                   2-8
  480.  
  481.  
  482. 1 reservoir (elevated tank) implies that water is expected to enter the tank
  483.  
  484. (e.g., nighttime operation to replenish the tank for the next day's drawdown).
  485.  
  486. If the fraction of supply values are not given or do not sum to one, ALLWET
  487.  
  488. assumes each equal to 1/n, where n is the total number of type 1 reservoirs,
  489.  
  490. type 2 reservoirs and nodes at which the pressure has been set.  This default
  491.  
  492. is adequate for most systems.  However, an occasional problem will require
  493.  
  494. user specified fraction of supply values in order for the solution to
  495.  
  496. converge.  Section 6.2.1 discusses this further.
  497.  
  498.  
  499.      ALLWET constructs the set of nonlinear equations for the system starting
  500.  
  501. from either a type 1 or type 2 reservoir, or from a node with a pressure set-
  502.  
  503. ting.  The node or reservoir selected for this purpose is referred to as the
  504.  
  505. reference reservoir.  Hence, every network to be studied must have at least
  506.  
  507. one reservoir or pressure node.  Usually, any reservoir or pressure node may
  508.  
  509. be selected as the reference reservoir, so by default ALLWET uses the first
  510.  
  511. reservoir or pressure node it finds.  ALLWET will allow the user to override
  512.  
  513. its choice, but this will be necessary only when ALLWET cannot otherwise reach
  514.  
  515. a convergent solution.  Section 6.2.2 discusses how to do this when necessary.
  516.  
  517.  
  518.      Section 6.1 discusses the interpretation of calculated pressures at nodes
  519.  
  520. having type 1 or type 2 reservoirs.
  521.  
  522.  
  523.  
  524.  
  525.  
  526.  
  527.  
  528.  
  529.  
  530.  
  531.  
  532.  
  533.  
  534.  
  535.  
  536.  
  537.  
  538.  
  539.  
  540.  
  541.                                   2-9
  542.  
  543.  
  544.  
  545. 2.4  Booster Pump Stations
  546.  
  547.  
  548.      Booster pump station descriptions consist of the pipe where the station
  549.  
  550. is located and a description of the H-Q curve.  The indicated pipe must be
  551.  
  552. oriented so that the booster pump forces flow from the "from" node to the "to"
  553.  
  554. node.  The flow-head relationship (H-Q curve) is described by a series of
  555.  
  556. points from the manufacturer's pump curve.
  557.  
  558.  
  559.  
  560.  
  561.  
  562. 2.5  Notes Concerning H-Q Curves
  563.  
  564.  
  565.      Figure 2 illustrates a typical head-flow relationship for a type 2
  566.  
  567. reservoir or booster pump.  All such curves must be entered as from four to
  568.  
  569. thirty (microcomputer version allows only up to twenty) points from the
  570.  
  571. manufacturer's pump curve.  ALLWET fits a third or fourth degree equation
  572.  
  573. through the points using least squares (also called regression) techniques.
  574.  
  575. H-Q curves should decrease in H as Q increases.  Without this condition,
  576.  
  577. ALLWET may have difficulty completing flow-pressure calculations.
  578.  
  579.  
  580.      H-Q curves must represent the operating characteristics of the pump
  581.  
  582. operating during a specific analysis.  If a pump station consists of several
  583.  
  584. identical pumps operating in parallel, the H-Q curve entered can be that for
  585.  
  586. an individual pump with the user specifying the number of pumps operating in
  587.  
  588. parallel.  Testing a water distribution system with a different combination of
  589.  
  590. pumps from the same location involves changing the number of parallel pumps or
  591.  
  592. changing the H-Q curve.
  593.  
  594.  
  595.  
  596.  
  597.  
  598.  
  599.  
  600.  
  601.  
  602.  
  603.  
  604.                                   2-10
  605.  
  606.  
  607.  
  608.               │
  609.               │  x
  610.               │          x
  611.               │                  x
  612.               │
  613.       Head    │                          x
  614.        (H)    │
  615.               │
  616.               │                                   x
  617.               │
  618.               │
  619.               │                                        x
  620.               └───────────────────────────────────────────
  621.  
  622.                            Flow (Q)
  623.  
  624.  
  625.                   Figure 2    H-Q curves
  626.  
  627.  
  628.  
  629.  
  630.  
  631.  
  632.  
  633.                                 ┌─────────────┐
  634.                                 │             │
  635.                x────────<───────┤    PRV      ├─────<────────x
  636.                                 │             │
  637.           "Downstream" or       └─────────────┘          "Upstream" or 
  638.             "to" node                                     "from" node
  639.  
  640.  
  641.  
  642.  
  643.                       Figure 3   PRV Orientation
  644.  
  645.  
  646.  
  647.  
  648.  
  649.  
  650.  
  651.  
  652.  
  653.                                   2-11
  654.  
  655.  
  656.  
  657.  
  658.  
  659. 2.6  Pressure Reducing Valves (PRVs)
  660.  
  661.  
  662.      Pressure reducing valves placed on pipes limit the pressure at the "to"
  663.  
  664. node of the pipe.  Three required and one optional inputs are necessary for
  665.  
  666. PRVs.
  667.  
  668. (a)  Pipe on which PRV is located. (This pipe must be oriented with the
  669.      "to" node on the downstream side of the PRV.  See Figure 3.) The
  670.      nominal diameter of the PRV is taken as the diameter of this pipe.
  671.  
  672. (b)  Maximum allowable pressure at "to" node of this pipe.
  673.  
  674. (c)  Resistance coefficient of the PRV (further explanation given below).
  675.  
  676. (d)  Associated reservoir for the PRV (further explanation follows).
  677.  
  678.  
  679.      A partially closed PRV is "on" or "operating", i.e., the downstream
  680.  
  681. pressure is being held fixed.  A fully open PRV is "off" or "not operating"
  682.  
  683. and the headloss, h, across such a PRV is governed by the equation h = kv**2/2g,
  684.  
  685. where the resistance coefficient k is a dimensionless quantity representing
  686.  
  687. the number of velocity heads lost across the PRV.  PRVs act like check valves
  688.  
  689. in that water is not allowed to flow backwards through them.  The loss char-
  690.  
  691. acteristics through a nonoperating PRV can be assumed part of "minor losses"
  692.  
  693. by setting k to zero.
  694.  
  695.  
  696.      In order that PRVs work properly, ALLWET must calculate the head at the
  697.  
  698. "from" node of each PRV's pipe.  This requires calculating the shortest path
  699.  
  700. from an associated reservoir or pressure node to the "from" node of the PRV.
  701.  
  702. ("Shortest" in this case means number of pipes rather than their length.) If
  703.  
  704. this path crosses the PRV, ALLWET may not work properly.  Thus, the user
  705.  
  706. should specify for each PRV the node of an associated reservoir over pressure
  707.  
  708. node of such that the shortest path to the upstream node of the valve does not
  709.  
  710. cross the valve.  If the user omits the selection or selects a node which
  711.  
  712. lacks a reservoir or pressure node, ALLWET selects an arbitrary reservoir or
  713.  
  714. pressure node.  However, ALLWET's choice is not guaranteed to satisfy the
  715.  
  716.  
  717.  
  718.                                   2-12
  719.  
  720.  
  721.  
  722. above requirement.
  723.  
  724.  
  725.  
  726.  
  727. 2.7  Check Valves
  728.  
  729.  
  730.      Check valves placed on a pipe restrict the flow to be positive.  Just as
  731.  
  732. for PRVs, correct orientation of the pipe is essential.  Section 6.1 discusses
  733.  
  734. how ALLWET constrains flow in PRVs and check valves to be positive.
  735.  
  736.  
  737.  
  738.  
  739.  
  740.  
  741.  
  742.  
  743.  
  744.  
  745.  
  746.  
  747.  
  748.  
  749.  
  750.  
  751.  
  752.  
  753.  
  754.  
  755.  
  756.  
  757.  
  758.  
  759.  
  760.  
  761.  
  762.  
  763.  
  764.  
  765.  
  766.  
  767.  
  768.  
  769.  
  770.  
  771.  
  772.  
  773.  
  774.  
  775.  
  776.  
  777.  
  778.  
  779.  
  780.  
  781.                                   2-13
  782.  
  783.  
  784.