Выбор схемы водопроводной сети города

На выбор наиболее экономически эффективной схемы городской сети влияет целый ряд факторов, к которым относятся:

– рельеф территории города;

– этажность застройки в разных районах города;

– стоимость электроэнергии;

– распределение расходов по часам суток;

– строительная стоимость трубопроводов разных диаметров, уложенных на необходимой глубине, в конкретных грунтах с учетом уровня грунтовых вод;

– стоимость арматуры и сооружений на сети (колодцев);

– возможность оборудования насосных станций устройствами, плавно изменяющими число оборотов электродвигателей насосов;

– заданный срок окупаемости сооружений.

Схема сети города должна отвечать требованиям надежности. Одно из основных условий надежности – система должна сохранять свою работоспособность при выходе из строя одного или нескольких элементов (например: насосов, участков сети, отключающих задвижек и т.п.).

В сети не должно поддерживаться излишне высокое давление – это приводит к увеличению количества аварий и к возрастанию утечек из сети. Конструкция сети должна отвечать требованиям ремонтопригодности, чтобы можно было в короткие сроки устранять аварии и неисправности.

Эффективная эксплуатация сети достигается устройством системы автоматического и дистанционного управления, основанного на применении ЭВМ.

Долговечность сети обеспечивается, в частности, защитой трубопроводов от наружной коррозии и от зарастания и коррозии внутренней поверхности труб. В последние годы достигнут значительный прогресс в этом направлении – применяются трубы из полимерных материалов, эффективные антикоррозионные покрытия.

Необходимо также предусматривать мероприятия по защите от гидравлических ударов.

Санитарная надежность сети требует такого режима работы, при котором исключаются регулярные перерывы в подаче воды в сеть. Прекращение подачи воды может вызвать понижение давления на отдельных участках ниже атмосферного и подсасывание в систему загрязненной воды.

Наконец, система водоснабжения должна иметь возможность адекватного реагирования на возникновение форс-мажорных (чрезвычайных) ситуаций, например, при катастрофическом понижении уровня воды в источнике или затоплении при наводнении, при возникновении эпидемической угрозы из-за бактериологического или токсического загрязнения воды и т.д.

Все выше перечисленные факторы могут непосредственно влиять на выбор общей схемы водоснабжения и сети.

Нормами [1] устанавливаются категории надежности систем водоснабжения.

К первой категории относятся системы обслуживающие населенные пункты с числом жителей не менее 50 тысяч человек. В таких системах допускается снижение подачи воды на хозяйственно-питьевые нужды не более 30% расчетного расхода; длительность снижения подачи не должна превышать 3 суток.

Перерыв в подаче воды на время выключения поврежденных элементов системы и включение резервных не должен превышать 10 минут.

Вторая категория надежности относится к системам, обслуживающих от 5 до 50 тысяч человек. Допускается снижение подачи на 30% сроком до 10 суток, перерыв в подаче воды – до 6 часов.

Третья категория надежности – к системам, обслуживающих менее 5 тысяч жителей. Допускается снижение подачи на 30 % сроком до 15 суток, перерыв в подаче воды – до 24 час.

В населенных пунктах водопроводную сеть выполняют в виде колец. Так, если на участке 1 – 3 (рис. 3) случается авария, и участок отключают задвижками a и b, остальные участки продолжают удовлетворительно питаться водой. Длина участков магистральной сети принимается обычно в пределах 400 – 800 м. Уменьшение длины отключаемых участков приводит к излишним затратам – увеличивается количество задвижек; увеличение длин снижает надежность из-за отключения протяженных линий. Внутри магистральных колец разводка труб по отдельным зданиям может выполняться по тупиковой схеме, не исключено дополнительное кольцевание внутри кварталов (рис. 4).

Рис.3

Тупиковое начертание сети, хотя и требует меньшей протяженности, чем кольцевое, но уступает по надежности (рис. 5). Так, если возникнет необходимость отключить участок 1-2, без воды останется весь район города. На сети могут устраиваться дополнительные резервуары и насосные станции подкачки, водонапорные башни.

Рис. 4 Рис.5

В общем случае при решении вопроса о выборе схемы водопроводной сети приходится выполнять технико-экономические расчеты для определения наилучшего варианта.

Отступление от темы.

Для того чтобы, продуктивно обсуждать с читателем вопросы, касающиеся выбора схемы водоснабжения, необходимо убедиться, не забыты ли некоторые элементарные понятия из курса гидравлики. Предлагается внимательно рассмотреть рисунок (рис. 6) и обратить внимание на названия и взаимосвязь основных элементов гидравлической схемы, и их численные значения. По трубопроводу движется вода с постоянным расходом.

Основные зависимости:

Пьезометр П = z + H, м, где z – отметка трубы, Н – напор, м. Давление

р = r*g*H, Па, где r = 1000 кг/м³ – плотность воды, g = 9,81 м/с².

Рис. 6 Элементы высотной гидравлической схемы

Пример. Необходимо выбрать схему водоснабжения города, высотная схема которого показана упрощенно на рис.7 .

Вариант a. Одна насосная станция с одной группой насосов обеспечивает весь город водой, подавая воду до самой удаленной точки C. Строительная стоимость, по сравнению с другими схемами, минимальная.

Недостаток: на участке A-B приходится поддерживать очень высокий напор, что требует дополнительных устройств на сети, параллельных линий, подключенных через регуляторы, снижающих давление. По условиям эксплуатации внутренних санитарно-технических устройств давление не должно превышать 600 кПа (напор 60 м.).

Расход электроэнергии значительный, т. к. приходится весь объем воды, подаваемый в город поднимать на пьезометрическую отметку в точке А.

Рис.7. Варианты схем водоснабжения города: 1 – резервуар чистой воды;

2 – головная насосная станция; 3 – локальные насосные станции подкачки;

4 – промежуточная насосная станция; 5 - контррезервуар

Вариант б. В насосной станции 2 устанавливают две группы насосов, одна из которых снабжает нижнюю зону, вторая – верхнюю зону города. Зоны могут быть изолированы друг от друга или соединяться перемычками в точке B.

Расход электроэнергии снижен, по сравнению с вариантом а, так как на большую высоту приходится поднимать только объем воды верхней зоны. К недостатку схемы следует отнести необходимость дополнительных затрат на прокладку транзитного трубопровода на участке А-В, питающего верхнюю зону. Недостаток напора у некоторых многоэтажных зданий требует устройства локальных насосных станций подкачки 3.

Вариант в. В точке В устраивается дополнительная насосная станция с резервуаром или без него, это требует дополнительных капитальных затрат, однако расход электроэнергии по этой схеме наименьший.

Вариант г. На высокой отметке в точке D устраивается емкость (так называемый "контррезервуар") куда по отдельному транзитному трубопроводу A-B-C-D подается вода, а оттуда вода самотеком направляется в город.

На первый взгляд схема малоэффективна – высокий расход электроэнергии, требуется дополнительный транзитный трубопровод. Однако, бывают условия, при которых вариант предпочтителен.

Организации, реализующие электроэнергию, могут отпускать ее в ночное время по пониженной стоимости, т. к. электростанции ночью недогружены и заинтересованы в ночной нагрузке.

Наполняя резервуар 5 ночью, можно существенно снизить расход электроэнергии на подъем воды.

Кроме того, имея запас воды в высокой точке, можно подавать воду в город даже при дневном отключении электроэнергии. Кстати, по такой схеме осуществляется водоснабжение города Минеральные воды.

Как видно из рассмотрения вариантов, наиболее экономичную схему можно выбрать, произведя достаточно детальные расчеты, с учетом всех факторов, перечисленных в начале этого параграфа.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Одним из центральных вопросов в экономических расчетах является выбор наиболее эффективного диаметра.

Увеличение диаметра приводит к возрастанию затрат на строительство; вместе с тем уменьшаются потери напора в трубопроводе и соответственно сокращается расход электроэнергии на насосах.

Частным случаем следует считать прокладку трубопровода с уклоном, равным необходимому гидравлическому уклону (случай самотечного трубопровода). В этом случае диаметр определяется из зависимости для гидравлического уклона:

где l – коэффициент гидравлического трения;

g– ускорение свободного падения, 9,81 м/с²

Отсюда

На участке, на котором вода течет от точки 1 к точке 2 со средневзвешенным за сутки расходом Q_1-2 (м³/с) мощность, необходимая для транспортировки воды, Вт

z₁, z₂ – отметки в начале и в конце участка;

L – длина, м;

r – плотность воды, r = 1000кг/м³;

h – средний КПД насосов, в долях единицы.

Годовой расход электроэнергии на подъем воды составит, кВт-ч

Эксплуатационные затраты, зависящие от диаметра труб, включают в себя, кроме платы за электроэнергию, затраты на амортизацию трубопроводов. Годовые затраты на амортизацию

С_э = С_стр* а /100,

где a – норма амортизационных отчислений, %;

С_стр – строительная стоимость, руб/м.

Затраты на электроэнергию

С_эл=Э_год∙Ц_э,

где Ц_э – цена электроэнергии, руб/кВт- ч.

Строительную стоимость трубопроводов в зависимости от диаметра, можно аппроксимировать линейной зависимостью

С_стр= r∙D +n

С достаточной точностью для экономических расчетов коэффициент r можно определить по формуле

r= (С₁ – С₂) / (D₁ – D₂), где

С₁ и С₂ - – стоимости прокладки трубопроводов соответственно диаметрами D₁ и D₂ , руб/м. Диаметры D₁ и D₂ определены как ближайшие к ориентировочно определенному диаметру D_ор=(4 Q_1-2 / 3,14)^0,5.

Приведенная стоимость

где m – срок окупаемости, год.

В развернутом виде

(1)

Чтобы найти диаметр, соответствующий минимуму приведенной стоимости, приравняем к нулю производную функции (1).

где

Отсюда определяется значение экономичного диаметра

D_эк=( 5 ∙А∙ В/ (r ∙F))^0,166.∙

Пример. Определить экономически наивыгоднейший диаметр.

Средневзвешенный по часам суток расход Q = 0,8 м³/с; КПД насосов h = 0,75; коэффициент сопротивления l = 0,03; цена электроэнергии Ц = 1,5 руб/кВт-ч; норма амортизации а = 2,4 %; срок окупаемости m = 7 лет.

Ориентировочное значение диаметра D_ор=(4 ∙0,8/3,14)^0,5= 1,0 м.

Стоимости прокладки трубопроводов, руб/м: D₁ = 0,8м – 8520; D₂ = 1,2 м – 13800. Отсюда r =(13800–8520) /(1,2–0,8)=13200.

А=365× 24× 1,5 ×0,8× 1000× 9,81 /(1000× 0,75)=137497;

В=16× 0,03× 0,8² / (3,14²× 2× 9,81)= 0,001588.

F= 2,4 /100 + 1/7 = 0,1669.

D_эк=(5× 137497× 0,001588 /(13200× 0,1669))^0,166=0,89 м.

Искомое значение диаметра – 0,89 м; по сортаменту подбираем стандартный диаметр D_ст = 0,9 м. Если трубопровод или несколько участков водопроводной сети проложены по рельефу, имеющему значительный уклон в направлении течения воды, целесообразно использовать уклон земли для компенсации потерь напора. В этом случае результат экономического расчета приемлем, если полученное значение D_эк меньше чем

D_кр= ,

где П₁ и П₂ – необходимые пьезометры в начале участка и в точке конца

потока.

В противном случае принимается D_кр.

Если в данном примере П₁ = 100 м, П₂ = 98 м, длина L = 1000 м

D_кр= = 0,95 м.

Так как D_кр больше величины D_э = D_ст, обоснованной экономическим расчетом, принимаем диаметр D_э.