Удосконалення методів розрахунків водопровідних мереж із урахуванням змін вільних напорів

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Удосконалення методів розрахунків водопровідних мереж із урахуванням змін вільних напорів

Новицька О.С., асистент

Ткачук О.А., д.т.н., професор

м. Рівне

Анотація

Наведено удосконалену методику гідравлічних розрахунків водопровідних мереж на основі отриманих залежностей витрат води від величин вільних напорів, що враховують втрати води. Показано вплив змін вільних напорів на результати кінцевих розрахунків.

The improved method of hydraulic calculations of water network are shown on a basis of determined relationships of water flow rates on free pressure values that taking into account water losses. It is shown, how pressure influence on final results of calculations.

Втрати води в системах подачі та розподілу води (СПРВ) формуються через витоки із зовнішніх водопровідних мереж та втрати води у житлових будинках. З кожним роком їхня величина по Україні зростає і в середньому складає 40-50%, а в деяких населених пунктах і більше. Основною причиною втрат води в СПРВ є зношеність трубопроводів, водорозбірної арматури, санітарно-технічних приладів та наявність надлишкових напорів [1…4].

Питанню ефективності регулювання напорів присвячено багато праць [1…4]. Зниження надлишкових напорів призводить до зменшення загального розбору води на 20…50% та кількості аварій на трубопроводах. Наслідком чого є значна економія води та електроенергії [1…4].

Врахування впливу вільних напорів на величини витрат води при гідравлічних розрахунках водопровідних мереж дає змогу провести комплексну оцінку загальної картини розбору води в СПРВ та визначити ефективні енергозберігаючі заходи на основі реальних умов подачі, розподілу та розбору води споживачами.

Для проведення аналізу змін величин розбору води із водопровідних мереж, при різних режимах водоспоживання, і подачі води насосними станціями, удосконалено комп'ютерну програму для виконання гідравлічних розрахунків сумісної роботи всіх споруд системи подачі та розподілення води (насосних станцій, напірно-регулювальних споруд, водоводів, водопровідних мереж, станцій підкачки тощо). Ця програма дозволяє враховувати не тільки фактичні характеристики споруд і трубопроводів, але й втрати води у кожному вузлі (непродуктивні витрати, витоки води із мереж та у споживача) залежно від наявних у них напорах.

В комп'ютерній програмі гідравлічних розрахунків GRS_NEW використано «повузлову» ув'язку, яка передбачає виконання таких операцій:

попередній потокорозподіл (одночасно із визначенням витрат води і втрат напорів на ділянках та п'єзометричних позначок і вільних напорів у вузлах;

визначення неув'язок у кожному (j-му) вузлі

(1)

перевірка умови закінчення розрахунків

(2)

де q_доп - задана допустима величина неув'язки у вузлі;

визначення поправкових напорів H_j для вузлів, в яких умова 2 не виконується

(3)

де q_ij, h_ij і _ij - витрати води, втрати напору і показник степеня в формулі 6 для і-ї ділянки, що прилягає до j-го вузла;

визначення нових (виправлених) п'єзометричних позначок для тих вузлів, для яких визначались поправкові напори

(4)

визначення нових (виправлених) втрат напору і витрат води на ділянках, що прилягають до кожного (j-го) вузла

(5)

(6)

де h_і, q_і і S_і - втрати напору, витрати води і гідравлічний опір і-ї ділянки, що з'єднує j-й та суміжний k-й вузли.

Водопровідні лінії: моделюються як окремі ділянки (ребра графа мережі). Гідравлічні опори визначаються із виразу

(7)

де - коефіцієнт збільшення гідравлічного опору в процесі експлуатації; для нових труб - ; для тих, що експлуатуються [5, 6]; l_i - довжина і-ї ділянки, м;

k_і - коефіцієнт, який враховує матеріал труб [5, 6];

d_і - розрахунковий внутрішній діаметр труб і-ї ділянки, мм;

m - показник степені, який, як і показник в та коефіцієнт k, залежить від матеріалу труб.

Вузлові відбори: моделюються вузлами із витратами, що мають знак «+», якщо здійснюється подача у вузол, і знак «-» - якщо воду розбирають із вузла. Для удосконалення методів розрахунків водопровідних мереж із урахуванням змін вільних напорів розроблено модель розбору води [7] та визначено залежності витрат води від величин вільних напорів для загальних вузлових відборів:

при напорах у вузлах менших за необхідний Н_j < Н_н.j

, (8)

при напорах у вузлах більших за необхідний Н_j > Н_н.j

, (9)

де q_н.вуз.j - вузлові витрати води при необхідному напорі;

ДН_j - надлишковий напір, що є різницею між фактичним Н_j та необхідним напором Н_н.j, м;

в_м - показник степеня, що дорівнює 1,05 для г ? 0,3 та 1,27 для г > 0,3 [7];

k_мод та К_мод - коефіцієнти регресії, які залежать від часток загальних витоків води б та відношення витоків води у споживача до загальних г [7].

Дані залежності враховують:

- залежність відборів води при напорах менших (для Н>10м) (формула 8) та більших за необхідний (формула 9);

- втрати води, що залежать від напорів та складаються з непродуктивних витрат води і витоків води у споживачів та із зовнішніх водопровідних мереж [9];

- різні режими розбору та подачі води за рахунок використання часток загальних витоків води б та співвідношення витоків води у будинках до загальних г [7].

Головні насосні станції (подають воду у мережу із РЧВ): моделюються як окремі вузли, п'єзометричні позначки на виході із яких визначаються за виразом

(10)

де П_НС - п'єзометрична позначка на виході із насосної станції;

Z_РЧВ - позначка рівня в РЧВ, з якого живиться насосна станція;

Q_НС - подача води насосною станцією;

Н_о, S₁ і S₂ - параметри аналітичної характеристики насосів.

Напірно-регулювальні споруди (резервуари чистої води, водонапірні башти, колони тощо): моделюються як окремі вузли, п'єзометричні позначки на початку (П_поч) і в кінці (П_НРС) розрахункового часу (Т, год) зв'язані залежністю

(11)

де Q_НРС - витрата води, що поступає (із знаком «+») або відбирається (із знаком «-») із споруди, л/с;

F_НРС - площа дзеркала води в споруді, м². Для розрахунків, як правило, приймають значення розрахункового часу - одна година: Т = 1 год.

Методика визначення параметрів вузлових відборів. Для визначення впливу надлишкових напорів та втрат води на сумісну роботу СПРВ при різних режимах водоспоживання необхідно провести: збір вихідних даних: фактичні параметри водопровідних мереж (довжини, діаметри тощо), кількість жителів, ступінь санітарного благоустрою житла тощо; визначення номінальних вузлових витрат води для різних режимів водорозбору залежно від кількості жителів, що знаходяться в зоні дії кожного вузла; спочатку визначаються середні витрати для всього населеного пункту (табл. 1), потім - розрахункові витрати для різних режимів водорозбору та для кожного вузла окремо (табл. 2 та 3).

Таблиця 1

Середні витрати води населеного пункту

Таблиця 2

Розрахункові витрати води для різних режимів водоспоживання

Таблиця 3

Вузлові витрати води для різних режимів водоспоживання

· експериментальні дослідження: для визначення величин коефіцієнтів регресії k_мод та К_мод для різних розрахункових випадків необхідно [9, 10]:

- для певної величини напору води Н через інтервал 5…10м замірити від 4 до 10 значень витрат води q;

- встановити середнє значення q_ср. для величини напору Н. Мінімальна кількість серій замірів q від Н дорівнює 3 (n = 3) для кожного режиму розбору води;

- замірити значення витрати води q_н при необхідному напорі Н_н (рис.1);

- в результаті апроксимації (формули 8…9) визначити коефіцієнти регресії k_мод та К_мод (рис. 1).

Рис. 1. Залежності витрат води q від величин вільних напорів H для різних режимів розбору води при Н<Н_н та Н>Н_н (м. Івано-Франківськ, НСП Ст. Бандери 10б): 1, 2, 3, 4 - аналітичні залежності відповідно для максимального, середнього, мінімального та нічного водоспоживання (формули 8 та 9); ¦, ¦, ^, ? - експериментальні точки

В існуючих методах розрахунків водопровідних мереж СПРВ (що не враховують залежності витрат води від величин вільних напорів) коефіцієнти регресії k_мод та К_мод дорівнюють нулю. В реальних умовах розбору води їхні значення залежать від часток загальних витоків води б та співвідношення витоків води у будинках до загальних г та знаходяться в межах k_мод = 0,55…1,65 та К_мод = 0,26…6,62.

Значення коефіцієнтів б та г знаходяться в межах від 0 до 1. Величини частки г в умовах експлуатації СПРВ варіюються від 0,4 до 0,8. Для житлових будинків значення його дорівнює 1. У випадку наявності витоків тільки із зовнішніх водопровідних мереж г = 0.

Величини К_мод знаходяться в межах [7, 10] для максимального водоспоживання від 0,26 до 1,53 (б = 0…0,2), середнього - від 0,26 до 2,8 (б = 0…0,4), мінімального - від 0,26 до 4,08 (б = 0…0,6) та нічного - від 0,26 до 6,62 (б = 0…1). витрата вода енергозберігаючий напір мережа

В результаті розрахунків визначаються розрахункові параметри ділянок, насосних станцій, параметрів вузлів, напірно-регулювальних споруд (витрати води, втрати напорів, середні швидкості тощо). Для оцінки ефективності роботи СПРВ:

- визначаються для вузлів величини непродуктивних витрат води, витоків води в будинках та із мереж, сумарні витоки води, сумарні втрати води, втрати води при надлишкових напорах та недоподача води [8];

- встановлюються додаткові показники СПРВ (л/с та %) на основі результатів гідравлічних розрахунків водопровідних мереж, які враховують втрати води;

- відображаються проблемні вузли, для яких втрати чи недоподача води є найбільшими.

За допомогою удосконаленої програми GRS_NEW проведено гідравлічні розрахунки СПРВ мікрорайону Каскад (м. Івано-Франківськ) для різних режимів водоспоживання (максимального, середнього, мінімального та нічного) та подачі води за існуючою схемою. Отримані результати дозволили визначити, що частка сумарних втрат води є найбільшою в нічні години доби та найменшою - при максимальному водоспоживанні (рис. 2). Ці результати відповідають реальним даним, що визначені під час експериментальних досліджень.

Проведено порівняльний аналіз результатів гідравлічних розрахунків систем подачі та розподілу води при різних режимах розбору води за удосконаленою програмою та тими, що не враховують зміну витрат води від величин вільних напорів. Результати розрахунків за удосконаленою програмою (мікрорайон «Каскад» м. Івано-Франківськ та м. Коломия) практично співпадають із даними, отриманими при експериментальних дослідженнях СПРВ. Для інших програм розбіжності у параметрах окремих вузлів становлять до 80%, особливо в години мінімального водоспоживання.

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Рис. 2. Значення показників СПРВ району Каскад (м. Івано-Франківськ) для різних режимів розбору води

Розраховано непродуктивні витрати електроенергії (%) за рахунок втрат води (табл. 4). Впровадження результатів досліджень показав, що економія електроенергії за рахунок врахування впливу зміни напорів води на величини відборів і регулювання напорів на виході із насосної станції при різних режимах подачі та розбору води для мікрорайону «Каскад» (м. Івано-Франківськ) становлять більше 200грн. за добу, а за рік це до 70 000 грн. При цьому без регулювання напорів частка втрат води складає в середньому 44% серед загальної подачі, а надмірно затрачена електроенергія становить 32,8%.

Таблиця 4

Витрати електроенергії за рахунок втрат води при різних режимах водоспоживання

Висновки

Удосконалено програму гідравлічних розрахунків GRS, що враховує всі види втрат води, які залежать від величин вільних напорів: непродуктивні витрати води, витоки води із мереж та у споживача. На основі результатів гідравлічних розрахунків визначено основні показники СПРВ: фактичну подачу води, недоподачу води, непродуктивні витрати води, витоки води із мереж та у споживача, сумарні витоки води та втрати води. Результати розрахунків відповідають реальним даним, отриманим при експериментальних дослідженнях СПРВ мікрорайону «Каскад» (м. Івано-Франківськ) для різних режимів водорозбору (максимального, середнього, мінімального та нічного).

Бібліографія

1. Сліпченко В.О., Сліпченко О.В., Брацун А.Я. Створення національної нормативної бази водопровідно-каналізаційного господарства України // Збірка доповідей Міжнародного конгресу “ЕТЕВК-2007” - екологія, технологія, економіка водопроводу і каналізації, Ялта, 2007р. - С.395-399.

2. Лаврушко Л.Г. Теоретические исследования эквивалентных математических моделей систем водоснабжения // Збірка доповідей Міжнародного конгресу “ЕТЕВК-2007” - екологія, технологія, економіка водопроводу і каналізації, Ялта, 2007р. - С.356-366.

3. Маслак В.Н., Зотов Н.И. Исследование проблемы утечек воды из систем водоснабжения // Збірка доповідей Міжнародного конгресу “ЕТЕВК-2007” - екологія, технологія, економіка водопроводу і каналізації, Ялта, 2007р. - С.159-163.

4. Хасин А. Утечки воды слишком дороги - снижение утечек с помощью регулирования и оптимизации режимов давления // Збірка доповідей Міжнародного конгресу “ЕТЕВК-2007” - екологія, технологія, економіка водопроводу і каналізації, Ялта, 2007р. - С.134-138.

5. Хоружий П.Д., Ткачук О.А. Водопровідні системи і споруди: Навч. посібник. - К.: Вища шк., 1993. - 230 с.

6. Хоружий П.Д. Расчет гидравлического взаимодействия водопроводньІх сооружений. - Львов: Вища шк., 1984. - 152 с.

7. Новицька О.С. Вплив вільних напорів і втрат води на величини відборів води із водопровідних мереж // Вісник НУВГП - Зб. наук. праць. - вип.1(37), Рівне, 2007. - С.171-180.

8. Новицька О.С., Ткачук О.А. Врахування втрат води при гідравлічних розрахунках водопровідних мереж // Вісник НУВГП - Зб. наук. праць. - вип.2(38), Рівне, 2007. - С.251-256.

9. Новицька О.С. Експериментальні дослідження залежностей витрат води при зміні вільних напорів // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво - Зб. наук. праць. - вип. 29, Рівне, 2005. - С.145-152.

10. Новицька О.С., Ткачук О.А. Особливості розбору води із водопровідних мереж при різних режимах водоспоживання // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво - Зб. наук. праць. - вип. 31, Рівне, 2007. - С.387-394.

Размещено на allbest.ru