Схемы водоснабжения. Системы подачи и распределения воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Схемы водоснабжения. Режим работы системы водоснабжения.

1.1 Общая схема системы водоснабжения объекта.

1.2 Режим работы системы водоснабжения.

1.2.1 Режим работы отдельных сооружений и их функциональная взаимная связь.

1.2.2 Работа систем водоснабжения при возникновении пожара.

1.2.3 Основные расчетные режимы работы систем подачи и распределения воды.

2. Системы подачи и распределения воды.

2.1 Общие вопросы проектирования водоводов и водопроводных сетей.

2.1.1 Типы водоводов и водопроводных сетей.

2.1.2 Модель отбора воды из водопроводной сети.

2.1.3 Принципы определения диаметров труб водопроводной сети.

2.1.4 Формулы для гидравлического расчета водопроводных труб.

2.2 Теоретические основы и методы гидравлического расчета водопроводных сетей.

2.2.1 Задачи гидравлического расчета водопроводных сетей.

2.2.2 Первоначальное потокораспределение воды в кольцевых сетях

2.2.3 Теоретические основы и практические методы внутренней увязки кольцевых сетей.

2.2.4 Примеры гидравлической увязки методами В.Г.Лобачева и М.М.Андрияшева.

2.2.5 Совместная работа элементов системы подачи и распределения воды (СПРВ).

2.3 Теоретические основы технико-экономического расчета систем подачи и распределения воды.

2.3.1 Общая постановка задачи технико-экономического расчета водопроводных сетей.

2.3.2 Методы технико-экономического расчета водопроводных сетей.

2.4 Использование ЭВМ в практике расчетов систем подачи и распределения воды (СПРВ).

2.4.1 Типы решаемых задач.

2.4.2 Использование ЭВМ при расчетах СПРВ.

2.4.3 Подходы к решению задач по выбору вариантов и очередность их рассмотрения при расчете СПРВ.

2.5 Особенности проектирования и расчета зонных систем водоснабжения.

2.5.1 Область применения.

2.5.2 Основные типы зонных систем водоснабжения.

2.5.3 Технико-экономические обоснования зонирования.

2.5.4 Выбор системы зонирования.

Введение

Вся жизнедеятельность человека связана с использованием воды, потребность в которой все возрастает. Одной из основных задач водоснабжения является обеспечение населения водой, отвечающей определенным санитарно-гигиеническим требованиям. Система водоснабжения - это комплекс инженерных сооружений и устройств, обеспечивающих получение воды из природных источников, ее кондиционирование до требований потребителя, транспортирование и подачу воды потребителям в необходимых количествах, под требуемым напором и при соблюдении требований надежности.

В современных условиях многочисленные потребители требуют воду различного качества. Рост водопотребления привел во всем мире к ее количественному и качественному дефициту. Поэтому к решению задач водоснабжения требуется комплексный подход, предусматривающий интересы различных групп потребителей воды, рациональное ее использование с учетом экологических аспектов и т.д.

1. Схемы водоснабжения. Режим работы системы водоснабжения

1.1 Общая схема системы водоснабжения объекта.

Под системой водоснабжения подразумевается комплекс сооружений, необходимых для снабжения водой потребителей в необходимом количестве, требуемого качества и под требуемым напором при обеспечении надежности их работы.

Системы водоснабжения можно разделить на хозяйственно-питьевые, производственные и противопожарные. Помимо того, вода используется для мойки улиц, проездов, площадей, а также поливки зеленых насаждений и других целей. В зависимости от объекта, снабжаемого водой, системы бывают городскими, поселковыми, промышленными и т.п. При этом система водоснабжения может обеспечивать водой как один объект, так и группу однородных и разнородных потребителей на территории района.

На промышленных предприятиях в зависимости от схемы использования воды системы классифицируются на прямоточные, с последовательным использованием воды, оборотные и замкнутые. В зависимости от источника питания водой объекта они подразделяются на системы, забирающие воду из поверхностных источников и из подземных источников. По способу подачи воды потребителям системы могут быть напорными и безнапорными. Возможна комбинация этих схем подачи воды. Система водоснабжения состоит из сооружений для забора воды из источника, ее транспортирования, обработки, хранения и регулирования подачи.

Вид водозаборного сооружения зависит от характера источника водоснабжение Из поверхностных источников водоснабжения забор воды осуществляется береговыми и русловыми водозаборами различных конструкций, из подземных - водозаборными скважинами, шахтными колодцами, горизонтальными лучевыми водозаборами, сооружениями для каптажа подземных вод.

Водоводы следует рассматривать как сооружения для транспортирования воды к местам ее распределения. Они представляют собой систему труб (напорных и безнапорных) и каналов, по которым вода поступает к городу, поселку или промышленному объекту.

Для распределения воды по территории объекта и раздачи ее потребителям устраивается водопроводная сеть. Она представляет собой систему трубопроводов, уложенных по улицам, проездам и т.д., оборудованных необходимой арматурой для целей регулирования, ремонта, отбора воды на цели пожаротушения, поливки и т.д. Сооружения для хранения и аккумулирования воды (водонапорная башня) выполняют ту же роль, что и резервуар чистой воды. Они сглаживают несовпадение режима работы насосной станции II подъема и режима водопотребления.

Расположение очистных сооружений возможно вблизи как водозаборных сооружений, так и потребителя. Это зависит от удаленности водопотребителя от источника питания, наличия строительной площадки, санитарных, технических или экономических соображений, а также качества воды в источнике.

Схема водоснабжения будет упрощена в случае соответствия качества воды в источнике требуемому. Тогда очистные сооружения могут отсутствовать. Такая схема возможна, например, при использовании артезианских вод, для которых характерно высокое санитарно-гигиеническое качество.

Если источник водоснабжения расположен выше отметок снабжаемой водой территории, то появляются предпосылки для подачи воды потребителю самотеком. К таким источникам относятся горные водохранилища и ключи, а также напорные артезианские воды. При этом отпадает необходимость устройства насосных станций, перекачивающих воду от источника питания до потребителя. При значительной удаленности потребителя от источника может возникнуть необходимость устройства нескольких последовательно работающих насосных станций, перекачивающих воду по водоводам. Если город имеет развитую территорию и сложный пересеченный рельеф местности, то для I создания у абонентов требуемого давления устраивают несколько насосных станций.

Рис.1. Схемы производственных водопроводов

а - прямоточная; б- с повторным использованием воды; в - оборотная; 1- река; 2 - водозаборное сооружение; 3- очистные водопроводные сооружения; 4 - насосная станция II подъема; 5 - водоводы; б- промышленное предприятие; 7 - сброс отработавшей воды; 8 - станция очистки сточных вод; 9 - сброс воды в реку; 10- водоохлаждающее устройство; 11 - сборный резервуар; 12- насосная станция оборотной воды

Система повторного использования воды (рис.1, б) представляет собой систему, в которой свежая вода, пройдя технологический цикл на одном из производств, участвует в технологическом процессе следующего производства. Для создания такой схемы необходимо, чтобы качество воды после использования на первом предприятии удовлетворяло требованиям технологического процесса второго производства. В противном случае требуется корректировка ее качества на очистных и охладительных сооружениях. Применение этой системы позволяет сократить суммарный расход свежей воды.

Для потребителей, расположенных на значительном расстоянии друг от друга в условиях дефицита источников водоснабжения, применяют групповые и районные системы водоснабжения (рис.2).

Рис.2. Групповая система водоснабжения

водопроводный труба кольцевой сеть

Они строятся для сельских населенных пунктов, животноводческих ферм, полевых станов, пастбищ, а также при обустройстве групп курортных поселков и объектов промышленности. Для таких условий, как правило, устраивают единые системы водоснабжения, транспортирующие воду потребителям по системе водоводов 2. Для снижения высоких Давлений в водоводах, возникающих вследствие их большой протяженности, в отдельных узлах системы водоводов устанавливают резервуары 3, в которые сбрасывается вода. Вода из резервуаров забирается насосными станциями 4 и подается в последующий участок водовода, а также близлежащим потребителям.

Эти водопроводы, имеющие большую протяженность, как правило, проектируют по разветвленной схеме. Устройство кольцевой сети в этом случае приводит к значительным материальным затратам. С целью обеспечения бесперебойного снабжения водой потребителей в случае аварии на магистральных водоводах на территории объектов помимо водонапорных башен устраивают наземные резервуары. В них содержится аварийный запас воды, который может быть подан в сеть насосной станцией, расположенной рядом с ним. Возможность получения воды от двух и более источников повышает надежность водоснабжения.

Различают технологическую и санитарную надежность. Технологическая надежность обеспечивается рядом мер на стадии проектирования, строительства и эксплуатации: созданием запасов воды в источниках водоснабжения, использованием двух и более независимых источников, увеличением числа водозаборных сооружений, прокладкой нескольких параллельно работающих водоводов, устройством кольцевых водопроводных сетей, увеличением объемов запасно-регулирующих емкостей в системе подачи и распределения воды, созданием резервных мощностей очистных сооружений, обеспечением бесперебойного энергоснабжения, разработкой математических моделей распределения воды при авариях.

К мероприятиям по повышению санитарной надежности системы водоснабжения относятся: устройство локальных прудов-водохранилищ при снабжении водой из рек и каналов, подверженных случайным залповым загрязнениям; создание системы непрерывного контроля наличия токсичных загрязнений в источнике; организация зон санитарной охраны; составление банка данных о потенциально опасных веществах, хранимых или транспортируемых на водосборной площади, которые в аварийной ситуации могут заразить источник водоснабжения; разработка моделей вероятных загрязнений водоисточника; подготовка технологии обработки воды в условиях аварийных загрязнений; устройство автоматизированных постов контроля качества воды в источнике водоснабжения выше водозаборов; предотвращение вторичного загрязнения воды в распределительной сети и регулирующих узлах; обеспечение населения питьевой водой в условиях катастроф и особо крупных аварий в системе водоснабжения.

1.2 Режим работы системы водоснабжения

1.2.1 Режим работы отдельных сооружений и их функциональная взаимная связь

Установив, расчетный график водопотребления, суточные расходы воды и взаимное расположение элементов систем водоснабжения, назначают режим работы отдельных; ее сооружений. Он должен обеспечивать режим водопотребления.

В работе сооружений системы должна быть организована такая взаимосвязь, чтобы были обеспечены заданные требования в отношении водообеспечения потребителя. Водоприемные сооружения, насосная станция I подъема и очистные сооружения обеспечивают забор, подачу и очистку воды в объеме суточного водопотребления. Режим работы этих сооружений для средних и крупных объектов, как правило, назначается равномерным. При этом режиме обеспечиваются наименьшие расчетные нагрузки указанных сооружений и их наименьшая строительная стоимость. В водопроводную сеть вода подается из резервуаров насосной станцией II подъема. При совпадении трафика режима работы насосной станции II подъема с графиком водопотребления водонапорная башня для целей регулирования в системе не требуется.

В первом случае недостаток воды компенсируется из водонапорной башни, во втором - избыток накапливается в резервуаре башни. Итак, в системе существуют регулирующие резервуары двух типов. К первому относится резервуар чистой воды, находящийся на границе двух зон системы. Режим работы насосной станции I подъема определяет работу сооружений первой зоны; работа сооружений второй зоны определяется режимом работы насосной станции II подъема.

Вторым типом регулирующих резервуаров (емкостей) является водонапорная башня, находящаяся на границе зон, работа сооружений которых определяется режимом подачи воды насосной станцией II подъема и графиком водопотребления.

1.2.2 Работа систем водоснабжения при возникновении пожара

По способу тушения пожара системы разделяют на системы пожаротушения высокого и низкого давления. В системах первого вида водопровод в момент пожара должен обеспечивать подачу воды при давлениях, достаточных для создания струй непосредственно от гидрантов. Эти системы используются на промышленных предприятиях с высокой пожарной опасностью. В системах водоснабжения городов и населенных пунктов, как правило, применяются системы пожаротушения низкого давления. При их устройстве требуется, чтобы в момент пожара свободные напоры во всех узлах сети были не ниже 10 м.

1.2.3 Основные расчетные режимы работы системы подачи и распределения воды. Определение регулирующих, противопожарных и аварийных объемов емкостей

При проектировании системы водоснабжения приходится проводить гидравлические расчеты при различных нагрузках водопотребления. В пределах рассматриваемой очереди развития расчетным моментом является последний расчетный год. Он определяет средний за год расчетный суточный расход воды Qсут который позволяет, зная коэффициенты неравномерности Ксут.max и Ксут.min найти максимальный Qсут.max и минимальный Qсут.min суточные расходы. Все сооружения системы водоснабжения рассчитывают при нагрузках, соответствующих суткам максимального водопотребления в соответствии с графиком водопотребления. В пределах этих суток обязательно должны быть проведены расчеты на час максимального, среднего и минимального водопотребления. Также проводят расчеты на суммарный максимальный расход населенного пункта и расхода воды на пожаротушение. В пределах этих суток в случае необходимости могут проводиться расчеты и при других режимах водопотребления.

Объем резервуаров в системах водоснабжения в зависимости от назначения должен включать регулирующий, противопожарный, аварийный объемы и технологический объем воды на станциях водоподготовки.

Регулирующий объем может быть определен по формуле:

Где Qсут.max расход воды в сутки максимального водопотребления; Кн - отношение максимальной часовой подачи в регулирующую емкость при очистных сооружениях или в водопроводную сеть с регулирующей емкостью к среднечасовому расходу в сутки максимального водопотребления; Кч - коэффициент часовой неравномерности отбора воды из регулирующей емкости или сети водопровода с регулирующей емкостью, определяемый как отношение максимального часового отбора к среднему часовому расходу в сутки максимального водопотребления.

Противопожарный запас воды, хранящийся в резервуарах, определяется из условия обеспечения пожаротушения из наружных гидрантов, внутренних пожарных кранов и специальных средств пожаротушения (если последние не имеют собственных резервуаров). Кроме того, должны быть учтены объемы воды на хозяйственно-питьевые и производственные нужды в период пожаротушения.

В баках водонапорных башен пожарный объем определяется из условия 10-минутной продолжительности тушения одного наружного и одного внутреннего пожаров при одновременном максимальном расходе на другие нужды.

При прокладке водоводов в одну нитку в резервуарах, расположенных в населенном пункте, должен храниться аварийный запас воды на хозяйственно-питьевые нужды в размере 70% расчетного среднесуточного водопотребления, а также на производственные нужды по аварийному графику.

На водопроводных станциях подготовки воды в емкостях должен содержаться запас воды на промывку фильтров, а также на обеспечение требуемого времени контакта воды с агентами.

2. Системы подачи и распределения воды

2.1.1 Типы водоводов и водопроводных сетей

Водоводы по способу транспортирования воды бывают напорными и безнапорными. Перекачка воды по напорным водоводам может осуществляться насосами или в результате разницы пьезометрической отметки уровня воды в источнике и расчетной пьезометрической отметки в месте водоотбора. Первые водоводы называются нагнетательными; вторые - гравитационными напорными или самотечно-напорными.

Безнапорные водоводы (гравитационные самотечные) работают неполным сечением. Область их применения не столь велика по сравнению с напорными водоводами. Их применение зависит от разности отметок начальной и конечной точек пути подачи воды, рельефа местности, расстояния между узлами подачи и отбора воды. Использование безнапорных труб приводит к уменьшению единичной стоимости таких водоводов по сравнению с напорными. Однако увеличение протяженности трассы из-за необходимости обеспечения требуемых уклонов может привести к возрастанию их обшей строительной стоимости.

Водопроводная сеть устраивается для транспортирования и отдачи воды потребителям по всей территории объекта. Конфигурация сети зависит от планировки объекта, формы его поверхности, наличия естественных и искусственных препятствий, рельефа местности, расположения крупных потребителей воды, места расположения источника водоснабжения и т.д. По конфигурации сети бывают кольцевыми, разветвленными и смешанными.



Рис.3. Типы кольцевых сетей.

Кольцевые сети, имеющие более высокую стоимость по сравнению с другими, обладают более высокой надежностью в снабжении водой. Линии сети, транспортирующие основные потоки воды, называются магистральными.

Вне зависимости от типа сети магистрали должны прокладываться в направлении основных потоков воды и охватывать всю территорию населенного пункта.

При устройстве разветвленной сети подача воды потребителю возможна по единственному направлению. Авария на любом участке этой сети приводит к перерыву подачи воды потребителям, находящимся за местом ее возникновения. Отсюда следует, что надежность кольцевых сетей выше, чем разветвленных.



Рис.4. Разветвленная водопроводная сеть.

2.1.2 Модель отбора проб воды из водопроводной сети

После установления геометрических параметров сети намечают места и значения подач и отборов воды.

Рассмотрим один из участков A--I распределительной сети.

Под участком сети подразумевается линия, ограниченная двумя узлами сети. Между точками А и I в отдельных местах отбора наблюдаются различные расходы д. Это же характерно и для всех остальных участков распределительной сети А-Б. Линия А-Б может питать водой не только вводы, но и присоединяемые к ней распределительные линии, транспортирующие расходы Qi, Упрощенная схема предусматривает, что подаваемая в сеть вода расходуется равномерно по ее длине. Расход, приходящийся на единицу длины сети, называется удельным расходом. В сумму равномерно распределенных расходов не включаются крупные сосредоточенные расходы, к которым относятся расходы воды отдельных крупных предприятий и противопожарные расходы.

Удельный расход q определяют по формуле

Где Q - общий расход воды, отдаваемый сетью, Qсоср- сосредоточенные расходы на производственные нужны крупных предприятий, противопожарные расходы, Уl - суммарная длина линий, разводящих воду.

Если всю водопроводную сеть разбить на участки, то суммарный равномерно распределенный расход будет равен сумме расходов по всем участкам. Расход воды, отдаваемый каждым участком, называется путевым расходом. Он равен:

Расчетный расход Qр участка, имеющего путевой расход Qn и транзитный Qтр может быть вычислен по формуле Дюпюи

где б - коэффициент, зависящий от соотношения транзитного и путевого расходов и изменяющийся от 0,5 до 0,58.

2.1.3 Принципы определения диаметров труб водопроводных линий

Зная расход воды, протекающее по трубопроводу, выбирают его диаметр. Решение этой задачи связано с отысканием минимума приведенных затрат Рпр, на строительство Pст и эксплуатацию Рэк за расчетный срок Ток. Приведенные затраты представляются выражением

Величина Рт определяется стоимостью труб, их транспортировки, разработки траншей, укладки и т.д. Эксплуатационные затраты Рэк - сумма двух составляющих стоимости энергии. Рэл, затрачиваемой на преодоление потерь напора в трубопроводе и подъем воды на заданную отметку, а также затрат Pa, представляющих суммарную стоимость работ по ремонту и отчислений на амортизацию. Величина Ра принимается как процент R от стоимости Рст, т.е. Pст /100=Ра.

С возрастанием скорости движения воды в трубопроводе потери напора растут. Это приводит к увеличению требуемой мощности насосных агрегатов, подающих воду:

где Н0 - геометрическая высота подъема воды; з - КПД насосных агрегатов.

2.1.4 Формулы для гидравлического расчета водопроводных труб

Для определения параметров работы системы подачи и распределения воды необходимо знать расходы, транспортируемые по трубопроводам, и соответствующие им потери напора. Основной формулой, охватывающей случаи напорного и безнапорного движения в каналах и трубах, является следующая:

где С- коэффициент Шези; R - гидравлический радиус; i - гидравлический уклон.

Частным случаем этой формулы при напорном движении является формула Дарси -Вейсбаха, широко применяемая в инженерной гидравлике:



где hik - потери напора участка трубопровода; л- коэффициент гидравлического сопротивления этого участка; lik и dik - длина и диаметр трубы участка; хik - скорость движения воды в трубе; g - ускорение свободного падения.

При расчете водопроводных систем удобнее использовать формулу, в которой скорость заменена расходом:

где К- коэффициент; qik - расход воды на участке; m - показатель степени.

Ф.А. Шевелевым предложены следующие формулы для определения единичных потерь напора в трубах:

· неновых стальных и чугунных, работающих в квадратичной области при х> 1,2 м/c

· неновых стальных и чугунных, работающих в переходной области при и < 1,2 м/с

· асбестоцементных

· пластмассовых

При определении гидравлического уклона железобетонных труб можно пользоваться зависимостями, полученными в ЛИИЖТе под руководством B.C. Дикаревского:

· для виброгидропрессованных

· для центрифугированных

Общая формула потерь напора может быть представлена в виде

где S0=Kik/dikm.

Величина So называется удельным гидравлическим сопротивлением. Гидравлическое сопротивление участка трубопровода Sik = Solik. Если трубы работают в неквадратичной области, то расход (или скорость) в формуле потерь напора имеет некоторую дробную степень, т.е.

Для неновых металлических труб при скоростях движения воды до 3 м/с, имеющих место на практике, М.М. Андрияшевым предложена формула:

Для асбестоцементных труб Н.Н. Абрамовым получена форма:

Для вычисления потерь напора при безнапорном движений необходимо определить значение коэффициента Шези (С). Он может быть вычислен по формуле Н.Н. Павловского

C = l/nRy,

где n - коэффициент шероховатости труб, принимаемый но табл.1; R - щ/ч - гидравлический радиус, соответствующий расчетному наполнению (здесь %=рdб/360 - смоченный периметр при расчетном наполнении; б - центральный угол в трубе, соответствующий расчетному наполнению; щ =d/8(рб/180-sinб) - площадь живого сечения потока, соответствующая расчетному наполнению); У - показатель степени, определяемый по формуле

Таблица 1.

Материал трубы	Коэффициент
Бетон и железобетон	0,014
Асбестоцемент	0,012
Чугун	0,013
Сталь	0,012
Пластмасса	0,009
Дерево	0,010

2.2 Теоретические основы и методы гидравлического расчета водопроводных сетей

2.2.1 Задачи гидравлического расчета водопроводных сетей

Целью расчета водопроводной сети является определение диаметров линий сети и потерь напора в них. В том случае, если известны диаметры характеристики насосных станций, регулирующих емкостей и др., то в результате расчета определяются истинные расходы в линиях сети, действительные подачи воды всеми водопитателями и создаваемые ими напоры, а также давления во всех узлах сети и нефиксированные отборы.

Для сети, которая подлежит расчету, всегда заданы ее конфигурация, длины участков и узловые отборы воды. В основе гидравлического расчета водопроводных сетей лежат положения о том, что распределение воды по линиям сети происходит в соответствии с законами Кирхгофа. В соответствии с I законом Кирхгофа в каждом узле должен соблюдаться материальный баланс, отвечающий принципу сплошности потока. По условиям работы водопроводной сети это означает, что алгебраическая сумма расходов в любом узле сети равна нулю:

По II закону Кирхгофа требуется выполнение условия суммарного нулевого изменения перепадов давления (разности потенциалов) в любом контуре системы. Для кольцевой сети это означает, что алгебраическая сумма потерь напора в любом контуре I сети равна нулю

где qik - расход по участкам водопроводной сети; Qik- узловые отборы; Sik - гидравлическое сопротивление линии.

Если имеются напорно-расходные характеристики водопитателей F(Q)M и нефиксированных отборов F(Q)K, расположенных в узлах системы М и К, то в дополнение к уравнению имеются уравнения вида

2.2.2 Первоначальное потокораспределение воды в кольцевых сетях

В отличие от разветвленных сетей, где возможно единственное потокораспределение, отвечающие I закону Кирхгофа, в кольцевых сетях число возможных вариантов бесчисленное множество. Попытка решить задачу по отысканию наивыгоднейшего потокораспределения, используя лишь критерий экономичности, приводит к превращению кольцевой сети в разветвленную. Однако первоначальное назначение потокораспределения в кольцевой сети является одним из основных этапов ее расчета, так как без знания расходов по линиям сети невозможно назначить их диаметры.

С практической точки зрения наиболее простой путь назначения первоначального потокораспределения - это нахождение такого из них, которое удовлетворит нормативным требованиям надежности. Требования надежности учитываются при начальном потокораспределении. Однако их учет на стадии назначения потокораспределе* ния может быть проведен приближенно и требует уточнения, когда диаметры уже назначены.

Обычно принимают следующий порядок назначения начального потокораспределения в сети. На первом этапе приближенно назначают диктующие точки сети, которые располагаются в конце сети на наиболее удаленных и высоких отмотках с наибольшими узловыми отборами. Затем намечают основные параллельные пути снабжения от источника питания до диктующих точек. Эти направления можно назвать транзитными. Они, как правило, имеют более короткое направление, чем конкурентоспособные им. После этого намечают расходы воды по основным путям. По возможности основные пути снабжения водой потребителей должны иметь одинаковую проводимость. № гидравлики известно, что проводимость П имеет следующую связь с сопротивлением линии S -> П = l/vS. При этом соблюдение материального баланса в узлах может быть приближенным. Диаметры перемычек, соединяющие транзитные (магистральные) линии между собой, назначают, исходя из предполагаемой нагрузки, которую они могут иметь в случае аварии на некоторых магистральных линиях. В общем виде назначать потокораспределение следует с учетом надежностных характеристик отдельных участков сети, которые зависят от большого числа факторов.

После проведения всех перечисленных операций определяют диаметры участков сети на основе технико-экономических расчетов, которые с некоторой степенью приближения можно принять удовлетворяющими требованиям надежности. Для проверки выполнения условий надежности необходимо проведение поверочных гидравлических и надежностных расчетов при уже известных диаметрах.

2.2.3 Теоретические основы и практические методы внутренней увязки кольцевых сетей

Назначив потокораспределение в линиях сети и выбрав диаметры этих линий, приступают к гидравлической увязке. Обычно с первой попытки найти истинное распределение расходов и потерь напора, соответствующее I и II законам Кирхгофа, не представляется возможным. Для его нахождения необходимо решить систему (m-1) линейных уравнений I закона Кирхгофа (уравнений баланса расходов в узлах) и n нелинейных уравнений II закона Кирхгофа (уравнений, определяющих равенство нулю потерь напора по независимым контурам).

Если в кольцевой сети имеется n независимых контуров, то система нелинейных уравнений для них может быть представлена в виде:

Все функции F имеют одинаковый вид:. Система этих уравнений в целом охватывает все участки сети. Однако число уравнений этой системы n меньше числа искомых расходов участков р. Поэтому систему этих уравнений следует рассматривать совместно с системой m - 1 линейных уравнений

Для решения системы нелинейных уравнений широко используют метод Ньютона и его модификации.

2.2.4 Примеры гидравлической увязки сети методами В.Г. Лобачева и М.М. Андрияшева

Рассмотрим пример гидравлической увязки четырехколыдевой водопроводной сети (рис.5) по методу В.Г. Лобачева. Поскольку водонапорная башня расположена в наше сети, то вода в нее поступает с одной стороны и суммарная подача от насосной станции и башни равна сумме узловых отборов. Расчет приводят для момента максимального водопотребления.

Расчетный расход в час максимального водопотребления составляет 281 л/с; из них 85 л/с в точках 5 и 6 забирают крупные потребители (промышленные предприятия). Принимаем, что удельный расход для всех линий одинаков и составляет на 1 м длины сети

Где Уl - суммарная длина сети, равная 7200 м.

Рис.5. Увязка кольцевой сети по методу В.Г.Лобачева.

а - путевые и узловые расходы и длины линий; б - расчетные расходы и соответствующие им диаметры.

Зная длины участков l, получают путевые расходы для каждого из них qn=qузлl, а затем узловые расходы; узловой расход равен qузл=0,5Уqn. Полученные путевые расходы, л/с, указаны на схеме (см. рис. 5, а). На этой же схеме приведены узловые расходы qузл, л/с.

Значения расчетных расходов qik, л/с, и диаметров dik,, мм, нанесены на схему сети (см. рис. 5, б). Зная диаметры и длины линий, а также скорости, можно определить сопротивление каждого участка

S=S0дl,

где S0 - удельное сопротивление, определяемое по таблицам Ф.А. Шевелева; д - поправочный коэффициент, зависящий от скорости н.

Далее определяют значения Sik qik потери напора hik=Sikqik, невязки сети в кольцах hI, значения У(Sikqik) и увязочные расходы колец, которые находят по формуле

2.2.5 Совместная работа элементов системы подачи и распределения воды (СПРВ)

Как указывалось выше, все элементы систем подачи и распределения воды представляют единую гидравлическую систему. Поэтому после назначения параметров насосных станций, регулирующих емкостей, нефиксированных отборов и диаметров линий сети необходимо провести поверочные расчеты при различных режимах водопотребления и работы элементов системы. Они позволяют узнать, как будет работать система, т.е. определить фактические подачи и напор насосных станций, пополнение и сработку регулирующих емкостей, фактические отборы и напоры в узлах нефиксированных отборов, напоры в различных узлах сети и т.д. Эти поверочные расчеты носят название внешней увязки. Их проведение в реальной практике без использования ЭВМ нереально.

Расчетная схема СПРВ приведена на рис. 6. По результатам увязки сети при заданных QH и Q6 определяются требуемые напор насосов НH и высота водонапорной башни H6.

Рис. 6. Расчетная схема системы подачи и распределения воды

По полученным значениям QH и НH выбирают марки и число насосных агрегатов, а также геометрические размеры регулирующей емкости.

2.3 Теоретические основы технико-экономического расчета систем подачи и распределения воды

2.3.1 Общая постановка задачи технико-экономического расчета водопроводных систем

Как указывалось ранее, гидравлические расчеты систем подачи и распределения воды производятся при уже назначенных диаметрах и ставят целью определить истинные расходы в линиях сети, а также соответствующие им величины потерь напора.

В общем виде задача расчета сводится к нахождению такого распределения воды и соответствующих диаметров, которые отвечали бы наибольшей экономичности как сети, так и связанных с ней насосных станций и регулирующих емкостей при соблюдении требований надежности.

Для нахождения неизвестных могут быть использованы n контурных уравнений типаили , а также m - 1 узловых уравнений вида т.е. m+n-1=p уравнений.

Из трех величин qik, dik и hik для каждого участка сети независимыми переменными являются только два. Искомые величины qik и dik должны соответствовать наименьшему значению Рпр. Для этого необходимо исследовать экстремальные значения функции pnp. Taк как расходы и потери напора в сетях связаны соответственно I и II законами Кирхгофа, задача состоит в определении условного экстремума функции Рпр при соблюдении условий увязки для всех колец сети.

2.3.2 Методы технико-экономического расчета водопроводных сетей

Для нахождения экономически выгодных диаметров линий водопроводной сети при заданном потокораспределении существует значительное число методов и их модификаций. В последние годы появился ряд новых методов оптимизационных расчетов водопроводных сетей, базирующихся на построении непрерывных математических моделей и методах дифференциального исчисления.

В более общем случае - при рассмотрении водоводов с попутными расходами, разветвленной и кольцевой сети эта формула дает лишь часть затрат энергии, связанных с преодолением трения в трубах. Если подсчитать по этой формуле затраты энергии на транспортировку воды по каждой из линий сети, принимая для каждой из них свое значение qik и затем просуммировать затраты энергии по всем линиям, то эта сумма будет меньше общих затрат энергии, равных произведению суммарного расхода Q на напор H. Напор H представляет собой сумму потерь напора от начальной точки до концевой «диктующей» точки сети.

При определении наивыгоднейших диаметров линий сети необходимо учитывать взаимодействие линий, связанных между собой условиями I и П законов Кирхгофа.

Затраты энергии в той или иной степени зависят от потерь напора в любой из линий сети независимо от того, входят или не входят линии в тот ход от начала сети до ее ранцевой точки» по которому определяется величина Н. Поэтому вместо того, чтобы определять величину Н как сумму потерь напора по какому-либо одному ходу и затем вводить условия «увязки сети», величину H можно представить как функцию потерь напора по всем линиям сети, что аналитически записывается как H= f(hik).

2.4 Использование ЭВМ в практике расчетов систем подачи и распределения воды (СПРВ)

2.4.1 Типы решаемых задач

Существует несколько основных типов задач, которые встречаются в практике расчета систем подачи и распределения воды. Они решаются с использованием ЭВМ. Задачи первого типа предусматривают отыскание основных параметров системы по заданным условиям работы водопитателей, которые характеризуются напором или Q-H характеристикой. Кроме того, определяют узлы, в которых найденные расчетом пьезометрические отметки меньше требуемых. Помимо этого, проводятся расчеты с изменяющимися пьезометрическими отметками одного из водопитателей, позволяющие определить требуемый напор в заданном водопитателе с учетом ограничений в диктующей точке.

Задачи второго типа предназначены для определения напоров на некоторых из насосных станций и отметок уровня воды в резервуарах, при которых фактические пьезометрические отметки в диктующих точках сети оказываются равными заданным. Проводятся расчеты с изменением отборов воды в одной из точек сети. В результате расчетов определяют основные данные, диктующие узлы и требуемые напоры у водопитателей.

Задачи третьего типа предусматривают проведение серии расчетов, на основе которых выбираются характеристики насосов как основных, так и регулирующих насосных станций, а также уровни воды в резервуарах и башнях.

Технико-экономические расчеты позволяют при заданном режиме водопотребления определять экономически выгодные диаметры участков сети, отвечающие минимуму приведенных затрат, и соответствующие им требуемые напоры водопитателей, а также находить оптимальные диаметры линий сети, если напоры водопитателей заданы. Кроме того, они позволяют определять экономичность принятых решений на стадии решения задач первой группы. Они носят поверочный характер.

2.4.2 Использование ЭВМ при расчетах СПРВ

ЭВМ для решения задач СПРВ стали использовать несколько десятилетий назад. В своем развитии ЭВМ прошли ряд этапов, каждый из которых создавал новые возможности для их применения. Поэтому одновременно с вычислительной техникой развивались и продолжают развиваться методы создания программ для их эксплуатации.

Программы последующих поколений, как правило, не повторяют автоматически старые программы. При их разработке учитываются и используются возможности, предоставляемые новыми машинами. Эти программы по сравнению с программами предыдущего поколения более удобны в эксплуатации, позволяют учесть при расчете большее число факторов, решать задачи большей размерности, требуют меньше машинного времени.

Применение ЭВМ позволяет не только ускорить решение задач по расчету СПРВ, отличающихся при ручном счете чрезвычайной трудоемкостью, но и решать принципиально новые задачи, сама постановка которых была невозможна до их появления.

Длительное использование ЭВМ для расчета систем подачи и распределения воды привело к созданию большого числа программ, различных по совершенству и области применения. Если первые программы ставили своей целью механизировать увязку колец, то современные комплексные программы позволяют проводить предварительное распределение расходов воды по участкам, назначать диаметры линий сети по экономическому принципу» определять пьезометрические отметки в узлах сети и выявлять диктующие точки; выбирать параметры питающих и регулирующих насосных станций; определять режим дросселирования при перепуске воды из верхней зоны в нижнюю; определять значения отборов, зависящие от давления, режима с работки и пополнения регулирующих емкостей; изменять схемы и диаметры тех или иных участков; проводить серии расчетов по заданному графику водопотребления и т.п.

2.4.3 Подходы к решению задач по выбору вариантов и очередность их рассмотрения при расчете СПРВ

Основой информационной модели служит схема сети трубопроводов на конец развития какого-либо этапа системы водоснабжения. При ее построении отображаются с требуемой степенью детализации водоводы, магистрали и распределительные линии, а также насосные станции, резервуары, башни и т.д. Такой способ представления информации по сети удобен как для качественного и количественного восприятия инженером, так и для предоставления информации о ней в памяти машины.

Проведение гидравлических расчетов систем подачи и распределения воды может потребовать больших затрат времени на составление расчетных схем и анализ результатов расчета. Существенного его сокращения можно добиться при четком разграничении задач, решаемых на каждом этапе расчетов. Рассмотрим основные положения рекомендаций, основанные на опыте НИИ ВОДГЕО и других организаций по проведению этих расчетов. Они проводятся в три этапа.

На первом этапе расчета назначается некоторое предполагаемое распределение нагрузок между водопитателями, задаются расходы воды, подаваемые в резервуары (башни) или поступающие на них. По результатам расчета, проводимого без учета характеристик насосов и высотного расположения резервуаров, определяются напоры на выходе из питающих насосных станций и отметки уровней воды в резервуарах. Это позволяет выбрать оборудование насосных станций и параметры регулирующих емкостей. Излишняя детализация расчетов на этом этапе, как правило, приводит к большим бесполезным затратам машинного времени.

На втором этапе определяется влияние саморегулирования системы на изменение нагрузок между водопитателями. Результаты этих расчетов позволяют уточнить объемы регулирующих емкостей. Зачастую уточненные объемы регулирующих емкостей значительно отличаются от определенных по результатам первого этапа. Это приводит к необходимости повторения расчетов первого этапа при уточненном распределении нагрузок между основными водопитателями.

Поверочные расчеты работы системы при авариях на тех или иных элементах и при пожаротушении проводятся на третьем этапе. Они выполняются с учетом характеристик насосных станций и изменении уровней воды в резервуарах,

2.5 Особенности проектирования и расчета зонных систем водоснабжения

2.5.1 Область применения

Основным принципом, по которому проектируются и строятся современные системы водоснабжения, является устройство централизованных систем водоснабжения. Создание единого водопровода, охватывающего всех потребителей обслуживаемого объекта или района, как правило, обеспечивает наименьшие затраты средств на сооружение и эксплуатацию системы подачи и распределения воды.

Снабжение водой подобных объектов обусловливает необходимость производить группировку потребителей по их требованиям к напорам и соответственно разделение единой централизованной системы водоснабжения. Такое разделение единой системы водоснабжения на отдельные системы для каждой группы потребителей принято называть зонированием систем водоснабжения, а сами системы - зонными.

Зонирование применяется и в городских, и в промышленных водопроводах.

Зонирование водопроводов промышленных предприятий часто обусловливается значительной разницей в требованиях отдельных производственных потребителей к давлениям на вводе; зонирование городских систем водоснабжения - в основном значительной разностью геодезических отметок в пределах территорий города и требуемых напоров в его сети.

2.5.2 Основные типы зонных систем водоснабжения

В зависимости от характера взаимного соединения зон различают системы последовательного и параллельного зонирования. При последовательном зонировании общая водопроводная объекта делится на две последовательно соединенные сети.

Рис. 7 Схема последовательного зонирования

Рис. 8 Схема параллельного зонирования

Выбор той или иной системы зонирования зависит от местных условий, от многих технических и экономических факторов и должен производиться на основе сравнения вариантов при условии обеспечения требуемой надежности подачи воды потребителю.

2.5.3 Технико-экономическое обоснование зонирования

Необходимость зонирования определяется тремя основными факторами:

а) разностью отметок в пределах снабжаемой водой территории Дz = zmax - zmin;

б) требуемыми свободными напорами Hсв;

в) потерями напора в сети hmax.

Подход к определению условий, при которых зонирование будет экономически целесообразным, основывается на энергетической оценке систем водоснабжения. Для этого проанализируем, на что и в каких количествах расходуется общая энергия, затрачиваемая насосными станциями на подъем воды.

Очевидно, что применение зонирования для повышения экономичности системы целесообразно в том случае, если вызываемое зонированием повышение строительной стоимости системы и стоимости содержания персонала нескольких насосных станций не перекрывает экономии за счет снижения затрат на энергию.

2.5.4 Выбор системы зонирования

Основными факторами, влияющими на выбор системы зонирования, являются:

а) форма территории города;

б) рельеф местности;

в) величина и характер изменения уклонов местности в пределах снабжаемой водой территории;

г) расстояние от водоисточника до города.

В системах параллельного зонирования удорожание идет в основном за счет увеличения строительной стоимости водоводов от головной насосной станции до территории зон, а в системах последовательного зонирования - за счет увеличения затрат на строительство и эксплуатацию дополнительной насосной станции.

К достоинствам параллельной системы зонирования могут быть отнесены:

а) большая надежность водообеспечения потребителей (по сравнению с последовательной), так как каждая зона имеет независимое питание от головной насосной станции;

б) меньшая стоимость эксплуатации, так как все, насосное оборудование сосредоточено в одной насосной станции.

Недостатками параллельной системы зонирования являются;

а) большая дополнительная длина водоводов до территории каждой зоны, что приводит к увеличению капитальных затрат на их сооружение;

б) высокие по абсолютному значению давления в водоводах и, следовательно, необходимость применения высоконапорных насосов и труб высокой прочности.

К недостаткам системы последовательного зонирования относятся необходимость устройства дополнительных отдельно стоящих насосных станций для каждой зоны и, следовательно, увеличение затрет на строительство и эксплуатацию (в частности, содержание обслуживающего персонала). Кроме того, надежность этих систем ниже, чем систем параллельного зонирования.

Рис.9. Смешанная система зонирования

Рис.10. Последовательно-параллельная система зонирования



Рис.11. Зонная система со станциями подкачки.

Список литературы

1. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. - М.: Стройиздат, 1982.

2. Абрамов Н.Н. Передача воды на дальние расстояния. - М.: Стройиздат, 1963. '

3. Николадзе Г.И., Сомов М.А. Водоснабжение. - М.: Стройиздат, 1995.

4. Штеренлихт Д.В. Очерки истории гидравлики, водных и строительных искусств. - М: ГЕОС, Щ-6 книги, 2000-2005.

5. Сомов М.А. Водопроводные системы и сооружения. - М: Стройиздат, 1988.

6. Шевелев Ф.А., Орлов Г.А. Водоснабжение больших городов зарубежных стран. - М.: Стройиздат, 1987.

7. Вербицкий А.С. Расчетный режим водопотребления и его использование при проектировании. - Научн. тр. АКХ, 1978, № 155.

8. СНиП 2.04.02-84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. - Госстрой России, 2002.

9. Правила технической эксплуатации систем и сооружений коммунального водоснабжения н I канализации. - М.: Госстрой России, 2000. 10. Водный кодекс Российской Федерации. Утвержден Президентом РФ 3 июня 2006 года, Hi 73-ФЗ. I

10. Сомов М.А.,Журба М.Г. Водоснабжение. Том 1. Системы забора, подачи и распределения воды: Учебник для вузов. -М.: Издательство АСВ, 2008.-262 стр.,151 ил.

Размещено на Allbest.ru

...