Удосконалення методів розрахунків водопровідних мереж із урахуванням змін вільних напорів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА

ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ

05.23.04 - водопостачання, каналізація

УДК 628.17.08

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Автореферат

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ РОЗРАХУНКІВ ВОДОПРОВІДНИХ МЕРЕЖ ІЗ УРАХУВАННЯМ ЗМІН ВІЛЬНИХ НАПОРІВ

НОВИЦЬКА ОЛЬГА СЕРГІЇВНА

Рівне - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування (НУВГП) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент Ткачук Олександр Андрійович, Національний університет водного господарства та природокористування, професор кафедри водопостачання та бурової справи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Хоружий Петро Данилович, Інститут гідротехніки і меліорації Української аграрної академії наук, м.Київ, завідувач відділом сільськогосподарського водопостачання та каналізації;

кандидат технічних наук, доцент Українець Микола Опанасович, Запорізька державна інженерна академія, професор кафедри водопостачання і водовідведення.

Захист відбудеться “13” березня 2008 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 в Національному університеті водного господарства та природокористування за адресою: 33028, м. Рівне, вул.Соборна, 11

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці НУВГП за адресою: 33000, м.Рівне, вул.Приходька, 75.

Автореферат розісланий “08” лютого 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Востріков В.П.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Однією з головних причин надмірних витрат електроенергії в системах подачі та розподілення води (СПРВ) є втрати води, які, в середньому, у містах України складають 30-50% від загальної подачі. Транспортування води в СПРВ до споживачів супроводжуються її втратами із зовнішніх водопровідних мереж та у житловому секторі. На їхнє формування впливають соціально-економічні, технічні та часові фактори. Найбільший вплив на величини втрат води мають саме технічні фактори, серед яких напір води є однією із пріоритетних складових. При збільшенні напорів понад їхні нормативні значення зростає загальна подача води в СПРВ. ЇЇ величину можна зменшити на 30-50% завдяки регулюванню напорів при змінних режимах водоспоживання.

Серед основних підходів у вирішенні проблем реформування та розвитку водопровідно-каналізаційного господарства (ВКГ) України є проведення реконструкції та модернізації СПРВ. Відповідно до діючих нормативів, всі роботи з їхнього впровадження повинні проводитись на основі гідравлічних розрахунків, результати яких адекватно описують умови реального водозабезпечення. Це дає можливість не тільки виявити недоліки, притаманні сучасним СПРВ, але й оптимізувати параметри їхніх елементів та режими роботи. В результаті стабілізується водопостачання, зменшуються об'єми води, що подаються у мережу та витрати електроенергії.

Тому питання удосконалення гідравлічних розрахунків водопровідних мереж, що враховують реальні умови розбору води є актуальним, а врахування залежностей витрат води від величин вільних напорів при їхньому виконанні - важливим і необхідним для цього базисом.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно планів держбюджетних і госпдоговірних науково-дослідних робіт Національного університету водного господарства і природокористування (НУВГП), які формувались відповідно до державних та галузевих програм. Серед них: “Програма реформування й розвитку житлово-комунального господарства на період до 2010р.” (затверджена постановою Кабміну України №139 від 14.02.02); “Програма розвитку водопровідно-каналізаційного господарства”; НДР “Розробити та науково обґрунтувати пропозиції до нормативів систем водопостачання в сільській місцевості” (державний реєстраційний номер 0105U004969, 2005р.), в якій автор брала участь як виконавець.

Мета роботи полягає в удосконаленні методів розрахунків водопровідних мереж із застосуванням залежностей вузлових витрат води від величин вільних напорів при врахуванні втрат води із зовнішніх мереж та у житлових будинках.

Задачі досліджень. Досягнення поставленої мети здійснювалося вирішенням таких завдань:

визначити фактори, які впливають на формування втрат води у житловому секторі та витоків води із зовнішніх водопровідних мереж;

розробити математичну модель та уточнити теоретичні залежності формування відборів води із водопровідних мереж;

провести експериментальні дослідження витрат води при зміні величин вільних напорів та встановити адекватність результатів натурних досліджень теоретичним;

удосконалити модуль програми НУВГП гідравлічних розрахунків сумісної роботи споруд систем подачі та розподілення води, що враховує залежність вузлових витрат від величин напорів;

провести оцінку впливу втрат води при зміні величин вільних напорів на сумісну роботу СПРВ та надмірні витрати електроенергії.

Об'єкт досліджень - процес формування відборів води із водопровідних мереж в системах подачі та розподілення води.

Предмет досліджень - гідравлічні характеристики, технологічні параметри та методи розрахунків водопровідних мереж, що пов'язані із формуванням розбору води при зміні величин вільних напорів.

Методи досліджень. При плануванні, проведенні досліджень, обробці і аналізі отриманих результатів використовували: методи планування експерименту, математичної статистики; теорію ймовірності; методи техніко-економічних та гідравлічних розрахунків водопровідних мереж.

Наукова новизна одержаних результатів:

удосконалено систематизацію втрат води в системах подачі та розподілу води та основних факторів, що впливають на формування відборів води у споживачів житлового сектору та витоків води із зовнішніх водопровідних мереж;

уточнено залежності витрат води, що відбираються із водопровідних мереж, із врахуванням втрат води із зовнішніх мереж та в житлових будинках при зміні напорів у вузлах мережі;

встановлено величини коефіцієнтів регресії у формулах відносних витрат води із мереж та їхні залежності від часток загальних витоків води та співвідношення витоків води у будинках до їхніх сумарних величин;

набули подальшого розвитку методи оцінки витоків із водопровідних мереж, непродуктивних витрат та втрат води у житлових будинках на основі залежностей витрат води від зміни наявних надлишкових напорів.

Практичне значення одержаних результатів:

отримано формули для визначення вузлових витрат води при зміні вільних напорів у водопровідній мережі;

розроблено методику оцінки втрат води із водопровідних мереж, що дозволяє визначати частку непродуктивних витрат води, витоків та сумарних втрат води в результаті надлишкових напорів серед загального відбору води в житловому будинку або для СПРВ вцілому, при різних режимах подачі та розбору води;

удосконалено програму НУВГП гідравлічних розрахунків сумісної роботи споруд систем подачі та розподілення води, яка враховує втрати води із водопровідних мереж та у споживачів, при різних режимах подачі води;

визначено комплекс показників, які за результатами гідравлічних розрахунків, характеризують стан СПРВ: фактична та необхідна подачі води; сумарні витоки та непродуктивні витрати води; додаткові витрати води через надлишкові напори;

проведено оцінку перевитрат електроенергії для мікрорайону “Каскад” (м. Івано-Франківськ) за рахунок втрат води та визначено шляхи водо- і енергозбереження в СПРВ вцілому та для окремих споживачів.

Особистий внесок здобувача. Удосконалено систематизацію втрат води в СПРВ та факторів, що впливають на їхнє формування у споживачів та із водопровідних мереж. Встановлено залежності витрат води від величин вільних напорів, що враховують витоки води із водопровідних мереж та втрати води у житлових будинках. Виконано експериментальні дослідження витрат води при зміні вільних напорів. Розроблено методики оцінки непродуктивних витрат води, витоків води та сумарних втрат води із водопровідних мереж в результаті надлишкових напорів та визначено комплекс додаткових показників, що характеризують стан СПРВ.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень дисертації апробовані на науково-практичних конференціях “Водне господарство: завдання в період реформування економіки і перспективи розвитку” (м. Київ, 2003) і “Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” (м. Миргород, 2004, 2005); науково-технічній конференції, присвяченій 75-річчю Одеської державної академії будівництва та архітектури і 40-річчю кафедри водопостачання (м. Одеса, 2005); 6 і 7-ому міжнародних конгресах “Вода: екологія і технологія” - “ЭКВАТЭК” (Росія, м. Москва, 2004, 2006); 62-ій науково-технічній конференції Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (м. Харків, 2007); Міжнародному конгресі “ЕТЕВК-2007” (м. Ялта, 2007); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу НУВГП (м. Рівне, 2002-2007).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 18 праць, з них 12 статей у фахових виданнях, зокрема 4 - без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 198 сторінках машинописного тексту; у тому числі 109 сторінок основного тексту, 46 рисунків і 14 таблиць та складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, додатків на 49 сторінках та списку літератури із 208 найменувань, із них 60 іноземних.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Аналіз основних факторів, що впливають на формування втрат води в системах подачі та розподілення води” розглянуто сучасний стан водоспоживання в містах України, структуру втрат води в СПРВ та основні фактори, що впливають на їхнє формування; проаналізовано існуючі залежності витоків води із зовнішніх водопровідних мереж, втрат (витоків та непродуктивних витрат) води в житлових будинках від величин вільних напорів.

Втрати води в СПРВ населених пунктів України складаються з витоків води із зовнішніх водопровідних мереж, втрат води у споживачів, несанкціонованих розборів води, неточностей обліку води. Основними факторами, що впливають на формування втрат води у споживачів та витоків води із водопровідних мереж є напір води, термін експлуатації та рівень профілактичного обслуговування. У зв'язку із інтенсивним старінням і зношенням трубопроводів та арматури сучасних водопровідних мереж, їхній технічний стан погіршується, зростають втрати води, а напір у все більшій мірі впливає на їхнє формування.

Основною категорією споживачів води в містах України є житловий сектор, реалізація води яким складає до 60-70%. Питоме водоспоживання населенням в середньому становить 320 л/люд·доб, що в 1,5-3 рази більше, ніж у країнах Західної Європи. Це обумовлено втратами води у споживачів, які складаються з витоків води, що самовільно виливаються із санітарно-технічних приладів; непродуктивних витрат води, що формуються в процесі споживання води; нераціональних витрат води, які безкорисно витрачаються населенням. Аналізом втрат води в Україні займаються В.О. Сліпченко, О.В. Сліпченко, А.Я. Брацун, Т.Р. Гіпп, О.Ю. Царинник, І.Т. Прокопчук, В.С. Свинар, М.Р. Трильовська, П.Д. Хоружий, О.А. Ткачук та інші.

Встановленням залежностей витоків води із зовнішніх водопровідних мереж при зміні напорів займались Zivko Veljanoski та Petko Pelivanoski, May, С.Г. Іванов, А. Хасин та інші. Визначенню впливу величин вільних напорів на значення непродуктивних витрат води присвячено праці Л.А. Шопенського, І.О. Обельченка, О.П. Міхєєва. Залежності витоків води у житлових будинках від величин вільних напорів встановили І.І. Глуховський, Л.А. Шопенський, А.А. Кожинова, В.Н. Ісаєв, М.Г. Мхитарян, Р.Г. Добровольський, І.В. Кожинов, М.П. Майзельс, О.П. Свінцов. Залежності питомого водоспоживання від величин напорів визначали вчені М.П. Майзельс, М.А. Мордясов, А.Л. Глезер.

У результаті аналізу раніше отриманих залежностей витрат та втрат води від величин напорів визначено, що витоки води із зовнішніх водопровідних мереж та непродуктивні її витрати перед водорозбірною арматурою залежать від напору в степені 0,5. Витоки води у житлових будинках формуються за наближеною до параболічної залежністю.

Врахування залежностей витоків води із водопровідних мереж, витоків води у житлових будинках і непродуктивних витрат води від величин напорів води при виконанні гідравлічних розрахунків дає змогу виявити вплив втрат води на сумісну роботу СПРВ та визначити ефективні енергозберігаючі заходи на основі реальних умов подачі, розподілу та розбору води споживачами.

Відомі сучасні програми гідравлічних розрахунків не враховують залежностей витрат води від величин вільних напорів (Watercad®6.0, Zuluhydro та інші) або враховують тільки витоки води із зовнішніх водопровідних мереж чи непродуктивні витрати (Epanet, GRS). На основі проведеного аналізу сформульовано задачі досліджень.

У другому розділі “Методи та методики досліджень” наведено методики формування відборів води із водопровідних мереж, встановлення теоретичних залежностей при коливаннях напорів води, проведення експериментальних досліджень зміни секундних (миттєвих) витрат води від величин вільних напорів у житлових будинках та насосних станціях, обробки результатів експериментальних досліджень і встановлення їхньої адекватності теоретичним. Розроблено модуль для програми гідравлічних розрахунків систем подачі та розподілення води, який враховує залежність вузлових витрат від величин напорів. напор водопровідний мережа

Для теоретичного аналізу формування витрат води із водопровідних мереж введено частку k, яка дорівнює відношенню величини загальної витрати води до витрати при необхідному напорі Нн

(1)

де qн - сумарна витрата води при напорі рівному необхідному Н=Нн.

Частка загального розбору k складається з часток величин господарсько-питного водоспоживання kг.п., непродуктивних витрат води kн.в., витоків води в житлових будинках kвит.буд. та із зовнішніх водопровідних мереж kвит.м.

(2)

Кожна з цих часток є складовою частки загального відбору води із водопровідних мереж k, яка дорівнює одиниці (k=1), при напорі рівному необхідному Н=Нн, менше одиниці (k<1) при Н<Нн та більше одиниці (k>1) при Н>Нн.

У третьому розділі “Модель формування витрат води, що відбираються із водопровідних мереж” теоретичним шляхом отримано аналітичні залежності витрат води, що відбираються із водопровідних мереж від величин вільних напорів, що враховують витоки води із водопровідних мереж та втрати води у житловому секторі на основі раніше встановлених залежностей С.Г. Іванова, Л.А. Шопенського та О.П. Свінцова.

Для врахування втрат води введено коефіцієнти співвідношення часток загальних витоків води kзаг.вит. до сумарного водорозбору k та між частками величин витоків води у житлових будинках kвит.буд до загальних витоків води kзаг.вит.. Дані коефіцієнти, відповідно a та г, визначаються за формулами:

, (3)

(4)

Значення коефіцієнтів a та г для водопровідних мереж знаходяться в межах від 0 до 1; для житлових будинків: б=0..1; г=1. При заданих значеннях a та г (з інтервалом 0,1),

Рис 1 - Залежності часток загального відбору k, населенням kнас. та загальних витоків води kзаг.вит від Н/Нн для nпов=9, б=0,3 при г=0,1;0,2;0,3

для будинків різної поверховості nпов=3;5;9;12;14 в результаті розрахунків числовими методами отримано масиви даних величин часток загального відбору води із водопровідних мереж k залежно від значень коефіцієнтів відносних напорів води Н/Нн. На рис.1 проілюстровано залежності часток витрат води у процесі відбору води населенням kнас., загальних витоків води kзаг.вит., загального відбору води із водопровідних мереж k від коефіцієнтів відносних напорів води Н/Нн.

Для встановлення аналітичних залежностей k=f(Н/Нн) на основі масивів даних, отриманих числовими методами, підібрано типи ліній з найкращими коефіцієнтами кореляції за допомогою програми Table Curve. При різних величинах коефіцієнтів б та г (в межах від 0 до 1) та поверховості будинків nпов=3;5;9;12;14, отримано залежності часток загального відбору води із водопровідних мереж k від коефіцієнтів відносних напорів Н/Нн з коефіцієнтами кореляції r2>0,99:

при напорах менших за необхідний Н<Нн

(5)

при напорах більших за необхідний Н>Нн

(6)

де kмод та Кмод - коефіцієнти регресії, для напорів відповідно менших та більших за необхідний, які залежать від умов розбору води; вм - показник степеня, що дорівнює 1,05 (для г ? 0,3) та 1,27 (для г > 0,3); ДН - надлишковий напір, м, що є різницею величин напору Н у вузлі чи на вводі у будинок, та необхідного Нн.

Отримані залежності 4…5 дійсні в діапазоні величин напорів від 10 до 70 м.вод.ст., тобто при Н = 10…70 м. Значення коефіцієнтів регресії kмод та Кмод встановлено шляхом апроксимації залежностей k=f(Н/Нн). На рис.2 зображено залежності усереднених для різної поверховості будинків значень коефіцієнтів регресії kмод та Кмод від коефіцієнтів, що визначають умови розбору води із водопровідних мереж б та г.

Величини коефіцієнтів регресії kмод та Kмод залежать від б та г і можуть визначатись за отриманими формулами:

(7)

(8)

Значення коефіцієнтів kмод на основі теоретичних обрахунків знаходяться в межах від 0,55 до 1,65, а Кмод - від 0,26 до 6,62. Коефіцієнти kмод та Kмод дорівнюють нулеві для залежностей, що не враховують збільшення витрат води при зростанні напорів води.

Витрата води qн при необхідному напорі Нн враховує витоки води, що формуються на нижніх поверхах житлового будинку і визначається за формулою

(9)

де qспож.нас. - витрати води населенням без врахування витоків води.

а)

б)

Рис 2 - Залежності коефіцієнтів регресії kмод (а) та Кмод (б) від б та г

Отже, залежності витрат води із водопровідних мереж від величин вільних напорів на основі формул 1; 4…8 визначаються за формулами:

? при напорах менших за необхідний Н<Нн

, (10)

? при напорах більших за необхідний Н>Нн

для величин коефіцієнтів г?0,3

, (11)

- для величин коефіцієнтів г>0,3

, (12)

Адекватність цих залежностей перевірено експериментально на реальних об'єктах, числові значення коефіцієнтів kмод.е. і Kмод.е. для яких визначено дослідним шляхом.

У четвертому розділі ”Експериментальні дослідження витрат води при зміні величин вільних напорів” наведено результати експериментальних досліджень, що проведено в житлових будинках, безбаштових водопровідних мережах, що живляться насосними станціями підкачки (НСП) та головними насосними станціями (НС) в містах Рівне та Івано-Франківську для різних режимів подачі та розбору води.

Для підтвердження теоретичних залежностей, проведено експериментальні дослідження в 5 п'ятиповерхових і 10 дев'ятиповерхових будинках, 2 насосних станціях підкачки та 3 насосних станціях (м. Рівне та м. Івано-Франківськ). При різних режимах розбору води на кожному об'єкті було виконано такі дії:

- проведено заміри витрат води q (від 4 до 10 значень) для певних величин напорів води Н через інтервал 5…10м;

- встановлено середні значення qср. для певних величин напорів Н; мінімальна кількість серій замірів q від Н становить 3 для кожного режиму розбору води;

- виконано заміри значень витрат води qн при необхідному напорі Нн;

- визначено коефіцієнти регресії kмод.е. та Кмод.е. (рис. 3) за результатами апроксимації (формули 4…5).

Рис 3 - Залежності витрат води q від величин вільних напорів H для різних режимів розбору води при Н<Нн та Н>Нн

(м. Івано-Франківськ, 9-ти поверховий будинок по вул Ст.Бандери 10б):

1, 2, 3, 4 - аналітичні залежності відповідно для максимального,

середнього, мінімального та нічного водоспоживання (формули 9 … 11);

¦, ¦, ^, ? - експериментальні точки.

З рис. 4 та 5 видно, що чим менший розбір води у споживачів (чим менша витрата води при необхідному напорі qн), тим більші коефіцієнти регресії Кмод.е.. Результати обробки експериментальних даних підтверджують теоретичні дослідження з коефіцієтами кореляції r2=0,86…0,98 та значеннями б, яким вони відповідають. Чим більший коефіцієнт загальних витоків води б (менша частка розбору води споживачами), тим більше значення Кмод (рис.2б) та із зменшенням корисного водоспоживання у будинку на формування сумарних витрат води більше впливають витоки.

Зображені на рис.3 та рис.5 залежності q=f(Н/Нн) і k=f(Н/Нн) для Н>Нн, при різних режимах розбору води в житлових 9-ти поверхових будинках, показують, що величини коефіцієнтів регресії Кмод.е. коливаються в межах від 0,3 до 4,51, а kмод.е. - від 0,84 до 1,11. Ці значення знаходяться в межах числових величин, встановлених теоретичними дослідженнями, що підтверджує їхню достовірність.

Рис 4 - Залежність коефіцієнта регресії Кмод.е. від витрати води qн при необхідному напорі Нн за результатами натурних досліджень

для 9-ти поверхових будинків

Рис 5 - Результати експериментальних досліджень залежностей k=f(Н/Нн) при Н>Нн для житлового будинку nпов=9: 1, 2, 3, 4 - відповідно максимальне, середнє, мінімальне та нічне водоспоживання.

У п'ятому розділі “Аналіз зміни витрат та втрат води у водопровідних мережах при зміні режимів роботи СПРВ” наведено методики оцінки втрат, витоків та непродуктивних витрат води для житлових будинків та СПРВ вцілому, розглянуто вплив втрат води на енергозатрати для кожного із розрахункових випадків.

За допомогою встановлених залежностей витрат води від величин вільних напорів визначено величини часток втрат, витоків і непродуктивних витрат води серед загального розбору води із водопровідних мереж. Нижче наведено приклад для 9-ти поверхових житлових будинків для різних значень надлишкових напорів.

Зростання витрат води при збільшенні напору від Н1 до Н2 оцінюється за допомогою коефіцієнта о за формулою

, (13)

де q1 та q2 - витрати води відповідно при напорах Н1 та Н2, л/с; Kмод.е. - коефіцієнт регресії, отриманий за результатами експериментальних даних; ДН - надлишковий напір, м.

Результати розрахунків засвідчують, що при наявності витоків води у житлових будинках та надлишкових напорів, водорозбір може збільшитись до 50% і більше.

Розрахунок зростання водорозбору в результаті втрат води можна оцінити за допомогою коефіцієнта овтр, який визначається за виразом

, (14)

де qф - фактична витрата води; qк - корисний водорозбір (без втрат води).

Значення коефіцієнтів овтр визначались для величин надлишкових напорів ДН =10, 20, 30 м.вод.ст. Результати розрахунків для 9-ти поверхового будинку на основі експериментальних досліджень свідчать, що водорозбір зростає за рахунок втрат води (непродуктивні витрати води і витоки води) залежно від напорів води при водоспоживанні: максимальному - від 11,5 до 27%; середньому - від 39,7 до 62,1%; мінімальному - від 57,4 до 79,1%; нічному - від 84,6 до 93,8%.

Зростання загального водорозбору за рахунок витоків води можна виразити через коефіцієнт овит, який визначається за формулою

, (15)

де qн1 - загальний розбір води, що враховує непродуктивні витрати води.

В результаті обробки експериментальних даних встановлено, що частки витоків води серед загального розбору води при максимальному водоспоживанні є найменшими, а для нічного - найбільшими.

Для проведення аналізу змін величин розбору води із водопровідних мереж при різних режимах водоспоживання і подачі води насосними станціями удосконалено комп'ютерну програму GRS для виконання гідравлічних розрахунків сумісної роботи всіх споруд системи подачі та розподілення води (насосних станцій, напірно-регулювальних споруд, водоводів, водопровідних мереж, станцій підкачки тощо). Удосконалена програма GRS_NEW 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 напорів (в л/с і %).

Вихідними даними для кожного із вузлів водопровідної мережі при виконанні гідравлічних розрахунків за допомогою удосконаленої програми GRS_NEW є: корисна витрата води, що споживається населенням qс.н.вузл.; величина необхідного напору Нн.вузл; позначка поверхні землі; величини коефіцієнтів загальних витоків бвузл та співвідношення витоків води у споживача до загальних гвузл; величини коефіцієнтів kмод і Kмод. Коефіцієнти kмод і Kмод визначаються після проведення експериментальних залежностей витрат води при зміні величин вільних напорів для різних режимів подачі води.

Для кожного вузла в результаті розрахунків визначаються: значення фактичного напору Нф.вузл; необхідна витрата води qн.вузл; фактична вузлова витрата qф.вузл. На основі отриманих параметрів вузлів можна оцінити додаткові показники СПРВ: фактичну, необхідну подачу та недоподачу води, непродуктивні витрати води, сумарні витоки води, витоки води у споживачів та із мереж, сумарні втрати води (в л/с і %).

Програма GRS_NEW також дозволяє виявити проблемні вузли, для яких втрати води чи недоподача води є найбільшими. Значення втрат води наводяться в абсолютних величинах та у їхньому процентному співвідношенні. Це зручно для оцінки ефективності заходів із водо- та енергозбереження при зміні режимів водорозбору.

За допомогою удосконаленої програми GRS_NEW проведено гідравлічні розрахунки СПРВ мікрорайону “Каскад” (м. Івано-Франківськ) та м. Коломия для різних режимів розбору і подачі води. Отримані результати показали, що регулювання напорів на виході із насосної станції та у водопровідній мережі при врахуванні впливу зміни напорів на величини відборів дозволяє зменшити втрати води та отримати економію електроенергії на її подачу. Зокрема, для мікрорайону “Каскад” економія води становить 16%, а затрати електроенергії - 12%. Це еквівалентно добовій економії більше 70грн, а за рік це до 26 000грн. Без регулювання напорів частка втрат води складає біля 44 % серед загальної подачі, а надмірно затрачена електроенергія становить 32,8%.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язане важливе науково-практичне завдання, що виявляється в удосконаленні методів гідравлічних розрахунків водопровідних мереж шляхом урахування встановлених залежностей витрат води від величин вільних напорів, яке дозволяє визначити резерви питної води та отримати економію електроенергії при реконструкції систем подачі та розподілення води.

Для удосконалення методів розрахунків водопровідних мереж із урахуванням змін вільних напорів розроблено модель розбору води при зміні величин вільних напорів та підтверджено її адекватність розрахунками на основі числових методів та експериментальними даними.

Визначено залежності витрат води від величин вільних напорів для загальних вузлових відборів та у житлових будинках, які враховують: залежність відборів води при напорах менших (для Н>10м) та більших за необхідний; втрати води, що залежать від напорів та складаються з непродуктивних витрат води і витоків води у споживачів та із зовнішніх водопровідних мереж; різні режими розбору та подачі води за рахунок використання коефіцієнтів загальних витоків води б та співвідношення витоків води у будинках до загальних г.

Отримано залежності коефіцієнтів регресії у формулах q=f(H) від коефіцієнтів загальних витоків води б та співвідношення витоків води у будинках до загальних г: kмод для напорів менших та Kмод для більших за необхідні. Встановлено, що їхні значення знаходяться в межах kмод=0,55…1,65 та Кмод=0,26…6,62. У відомих методах розрахунків водопровідних мереж (що не враховують залежності витрат води від величин вільних напорів) коефіцієнти регресії kмод та Кмод дорівнюють нулеві.

Величини коефіцієнтів регресії Kмод коливаються залежно від режимів водоспоживання, що найбільш важливо для гідравлічних розрахунків водопровідних мереж (при вільних напорах більших за необхідні). Визначено діапазони зміни коефіцієнтів Kмод, зокрема, для максимального водоспоживання вони знаходяться в межах 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 4,1 (б=0…0,6) та нічного - від 0,26 до 6,62 (б=0…1), що підтверджено експериментальними дослідженнями.

На основі проведених експериментальних досліджень для 9-ти поверхових будинків визначено, що величина відборів води зростає при зміні величин надлишкових напорів залежно від режимів розбору води. Отримано формули та наведена методика для визначення відборів води при збільшенні надлишкових напорів та за рахунок витоків і втрат води. Зокрема, експериментально встановлено, що частка втрат води серед загального водоспоживання при зміні величин надлишкових напорів від 10 до 30 м.вод.ст. відповідно становить: від 11 до 27% для максимального водоспоживання; 39,7 … 62,1% - середнього; 57,4…79,1% - мінімального; 84,6…93,8% - нічного.

Для виконання гідравлічних розрахунків сумісної роботи водопровідних мереж із іншими спорудами систем подачі та розподілення води (насосними станціями, напірно-регулювальними спорудами, водоводами, станціями підкачки тощо), що враховує втрати води при зміні вільних напорів для різних режимів водорозбору удосконалено комп'ютерну програму. При проведенні оцінки ефективності роботи СПРВ для кожного із вузлів визначаються 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 (в л/с та %). Визначено додаткові показники СПРВ (в л/с та %) на основі результатів гідравлічних розрахунків водопровідних мереж, які враховують втрати води.

Порівняльний аналіз результатів гідравлічних розрахунків систем подачі та розподілу води, при різних режимах розбору води із врахуванням зміни витрат води від величин вільних напорів та без нього, показав, що результати розрахунків за удосконаленою програмою (мікрорайон “Каскад” (м. Івано-Франківськ) та м. Коломия) практично співпадають із даними, отриманими під час експериментальних досліджень СПРВ. Для інших програм розбіжності у параметрах окремих вузлів становлять до 80%, особливо в години мінімального водоспоживання.

Впровадження результатів досліджень виявило, що регулювання напорів на виході із насосної станції та у водопровідній мережі при врахуванні впливу зміни напорів на величини відборів дозволяє зменшити втрати води та отримати економію електроенергії на її подачу. Зокрема, для мікрорайону “Каскад” економія води становить 16%, а затрати електроенергії 12%. Це еквівалентно добовій економії більше 70грн, а за рік це до 26 000грн. Результати наукових досліджень також впроваджено у навчальний процес при підготовці фахівців за спеціальностями “Водопостачання та водовідведення” і “Гідромеліорація”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових фахових виданнях

Ткачук О.А., Кулій О.М., Новицька О.С. Модель відбору води із водопровідних мереж при зміні вільних напорів у них // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки - Науково-технічний збірник - вип.2, Київ, 2003. - C. 57-63. (Здобувач виконала дослідження та аналіз факторів, що впливають на відбір води із водопровідних мереж.)

Ткачук О.А., Новицька О.С. Модернізація систем подачі та розподілу води - пріоритетний шлях стабілізації водопостачання в сучасних умовах // Вісник НУВГП - Зб. наук. праць. - вип.3(27), Рівне, 2004. - C. 277-282. (Здобувачем запропоновані формули залежностей витрат води від величин вільних напорів.)

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

Новицька О.С. Формування водоспоживання у житловому секторі та вплив основних факторів на його величину / Вісник ОДАБА - Зб. наук. праць. - вип.19, Одеса, 2005. - C. 36-40.

Новицька О.С. Структура водоспоживання у житловому секторі та шляхи зменшення його величини // Вісник НУВГП - Зб. наук. праць. - вип.3(31), Рівне, 2005. - C. 301-306.

Ткачук О.А., Шадура В.О., Новицька О.С. Скорочення енерговитрат та шляхи зменшення втрат води в системах водопостачання // Вісник ІГіМ - Меліорація та водне господарство - вип.92, Київ, 2005. - C. 165-173. (Здобувачем запропоновано зменшення втрат води шляхом коригування напорів.)

Новицька О.С., Ткачук О.А. Характеристика втрат води у житлових будинках, та їх вплив на формування водоспоживання населенням // Вісник НУВГП - Зб. наук. праць. - вип.1(33), Рівне, 2006. - C. 100-107. (Здобувачем визначено залежності витрат води при зміні вільних напорів, що враховують втрати води.)

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, 2006. - С. 387-394. (Здобувачем визначено межі значень коефіцієнтів запропонованих залежностей при різних режимах водоспоживання.)

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.

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. (Здобувач визначила формули додаткових показників систем подачі та розподілення води.)

Новицька О.С., Ткачук О.А. Залежності витрат води, що відбираються із водопровідних мереж, від величин вільних напорів // Вісник Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури. - Зб. наук. праць. - вип. 41, Харків, 2007. - С. 247-251. (Здобувач визначила формули залежностей витрат води від величин вільних напорів.)

Орлов В.О., Ткачук О.А., Новицька О.С. Основні параметри визначення розрахункових витрат в системах водопостачання за статистичними даними // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки - Науково-технічний збірник - вип.8, Київ, 2007. - C. 21-28. (Здобувач проаналізувала основні фактори, що впливають на формування витрат води із водопровідних мереж.)

Тези доповідей

Ткачук А.А., Новицкая О.С. Обеспечение функционирования систем подачи и распределения воды в условиях их износа // Шестой Международный конгресс ЭКВАТЭК-2004, 1-3июня, - Москва, 2004. - C. 9. (Здобувач проаналізувала основні умови роботи СПРВ міст України.)

Ткачук О.А., Новицька О.С. Налагодження роботи систем подачі та розподілу води в умовах їх старіння та зношення // Труди міжнародної наук.-практ. конф. “Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод”. (20-23 квітня 2004р., м. Миргород), - К.: Знання, 2004. - С. 100-103. (Здобувач визначила основні проблеми СПРВ.)

Ткачук О.А., Новицька О.С., Ткачук М.А. Нормування вільних напорів на вводах у житлові будинки у водопровідній мережі господарсько-питного водопроводу // Інформаційний вісник центру реформування житлово-комунального господарства Івано-Франківської області. - 2004. - №2. - С. 30-33. (Здобувач провела розрахунки нормованого напору для будинку.)

Ткачук О. А., Новицька О. С. Підвищення точності при гідравлічних розрахунках водопровідних труб // Труди міжнародної наук.-практ. конф. “Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод”. (12-15 квітня 2005 р., м. Миргород), К.: Знання, 2005. - С. 104-107. (Здобувач провела гідравлічні розрахунки з оцінки їх точності при зміні вільних напорів.)

Ткачук А.А., Новицкая О.С. Результаты исследований по усовершенствованию систем подачи и распределения воды населенных пунктов // Седьмой Международный конгресс ЭКВАТЭК-2006, 30 мая-2июня, - Москва, 2006. - С. 66-68. (Здобувач проаналізувала сучасний стан та основні проблеми СПРВ.)

Новицька О.С., Ткачук О.А. Формування втрат води в системах подачі та розподілення води при різних режимах водоспоживання // Збірка доповідей Міжнародного конгресу “ЕТЕВК-2007” - екологія, технологія, економіка водопроводу і каналізації, Ялта, 2007р. - С. 104-108. (Здобувач встановила формули визначення часток втрат води.)

АНОТАЦІЯ

Новицька О.С. Удосконалення методів розрахунків водопровідних мереж із урахуванням змін вільних напорів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - водопостачання, каналізація. - Національний університет водного господарства та природокористування. Рівне. 2008.

У дисертаційній роботі на основі теоретичних та експериментальних досліджень визначено залежності витрат води від величин вільних напорів. Вони враховують зміни витрат води, при напорах більших та менших за необхідний; втрати води, що формуються із зовнішніх водопровідних мереж через витоки та втрати води у житлових будинках.

На основі даних залежностей визначено методики оцінки втрат, витоків води та непродуктивних витрат води при різних режимах водоспоживання (максимальний, середній, мінімальний та нічний).

Удосконалено програму гідравлічних розрахунків водопровідних мереж, яка враховує залежності витрат води від величин вільних напорів. В результаті розрахунків визначають втрати, витоки, непродуктивні витрати чи недоподачу води для кожного із вузлів та для системи подачі та розподілення води вцілому. На основі даних результатів визначаються заходи з водо- і енергозбереження.

Ключові слова: система подачі та розподілення води, водопровідні мережі, водоспоживання, необхідний напір, витоки води, втрати води, непродуктивні витрати води, гідравлічні розрахунки, водо- та енергозбереження.

Новицкая О.С. Усовершенствование методов расчетов водопроводных сетей с учетом изменений свободных напоров.-Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.23.04 - водоснабжение, канализация. - Национальный университет водного хозяйства и природопользования. Ровно. 2008.

В диссертационной работе разработана общая систематизация потерь воды в СПРВ и факторов, которые влияют на их формирование у потребителей и из водопроводных сетей. В результате аналитического анализа определенно, что основными факторами, которые влияют на формирование расходов воды в жилищном секторе и утечек воды из внешних водопроводных сетей, есть напор воды, срок эксплуатации и уровень профилактического обслуживания. Наибольшее влияние на величины потерь воды имеет именно напор воды.

В результате анализа ранее полученных зависимостей расходов и потерь воды от величин напоров определенно, что утечки воды из внешних водопроводных сетей и непродуктивные расходы воды перед водоразборной арматурой зависят от напора в степени 0,5. Утечки воды в жилых домах формируются за приближенной к параболической зависимостью.

Анализируя программы гидравлических рассчетов водопроводных сетей систем подачи и распеределения воды установлено, що некоторые из них вообще не учитывают зависимостей расходыв воды от величин свободных напорох, некоторые учитывают приближенно.

В диссертационной работе для усовершенствования методов расчетов водопроводных сетей с учетом изменений свободных напоров разработана модель разбора воды. На основе теоретических исследований определены зависимости расходов воды от величин свободных напоров. Они учитывают изменения расходов воды при напорах больших и меньших за нормированный; потери воды, которые формируются из внешних водопроводных сетей через утечки и потери в жилых домах; разные режимы разбора и подачи воды за счет использования долей общих утечек воды и соотношения утечек в домах к общим.

В формулах зависимостей расходов воды от напоров q=f(H) установлены зависимости коэффициентов регрессии от долей общих утечек воды и соотношения утечек воды в домах к общим при напорах больших и меньших за нормированный. Определены диапазоны изменения величин этих коэффициентов при разных режимах подачи и разбора воды, что наиболее важно для гидравлических расчетов водопроводных сетей. В известных методах расчетов водопроводных сетей (что не учитывают зависимости расходов воды от величин свободных напоров) коэффициенты регрессии равняются нулю.

Для подтверждения полученных теоретических зависимостей проведены экспериментальные исследования в городах Ровно и Ивано-Франковск в жилых домах, насосных станциях, насосных станциях подкачки. Натурные исследования проводились в разные режимы подачи и разбора воды. Зависимости, полученные в результате исследований, адекватно описываются теоретическими кривыми. Также устанавливались значения коэффициентов регрессии при разных режимах подачи и разбора воды. Данные величины входят в границы тех величин, что установлены теоретически. Результаты исследований показали, что значения коэффициентов регрессии выше при минимальном и ночном режимах, при этом относительная доля утечек и потерь воды тоже возрастает.

На основе данных зависимостей определены методики оценки потерь, утечек воды и непроизводительных расходов воды при разных режимах водопотребления (максимальный, средний, минимальный и ночной).

Усовершенствована гидравлическая программа расчетов водопроводных сетей, которая учитывает зависимости расходов воды от величин свободных напоров. В результате расчетов определяются потери, утечки, непроизводительные расходы или недоподача воды для каждого из узлов и для системы подачи и распределения воды вцелом.

Сравнительный анализ результатов гидравлических расчетов систем подачи и распределения воды, при разных режимах разбора воды, по усовершенствованной программе и теми, что не учитывают изменение расходов воды от величин свободных напоров показал, что результаты расчетов по усовершенствованной программе, практически совпадают с данными, полученными при экспериментальных исследованиях СПРВ. Для других программ разногласия в параметрах отдельных узлов составляют до 80%, особенно в часы минимального водопотребления.

Внедрение результатов исследований выявило, что регулирование напоров на выходе из насосной станции и в водопроводной сети при учете влияния изменения напоров на величины отборов воды разрешает уменьшить ее потери и получить экономию электроэнергии на ее подачу.

Ключевые слова: система подачи и распределения воды, водопроводные сети, водопотребление, нормированный напор, утечки воды, потери воды, непродуктивные расходы воды, гидравлические расчеты, водо- и энергосбережение.

Novytska Olha. Improvement of methods of water network's computation taking into account changing of free pressure values. - Manuscript.

Thesis for academic degree of candidate of technical sciences in specialty 05.23.04 - water supply, sewage management. - National university of water management and nature resources use. Rivne. 2008.

The relationships of water flow rates on pressure values are defined on the basis of theoretical and experimental researches in the dissertation work. They take into account changes of water flow rates at larger and less pressures from sufficient and water losses formed in dwelling-houses and into the water network through the leakage.

The methods of estimation of water losses, leakage and non-productive flow rates at different regimes of water demand (maximum, average, minimum and night) are defined on the basis of these relationships.

The hydraulic program of computation of water network, which takes into account relationships of water flow rates on free pressures values, is improved. On the basis of computation results, the water losses, leakage, non-productive flow rates, and the lack of water are defined for every node and for the whole water distribution system. The ways of water and energy conservation are found due to these results.

Keywords: water transmission and distribution system, water network, water demand, sufficient pressure, water leakage, water losses, non-productive water flow rates, hydraulic computations, water and energy conservation.

Размещено на Allbest.ru

...