Взаимосвязь графика потребления воды с работой основных сооружений системы водоснабжения

3.2.1. Связь по расходам.

Связь по расходам позволяет определять:

а) количество и производительности насосов, устанавливаемых на насосных станциях;

б) диаметры трубопроводов на всех участках системы водоснабжения;

в) размеры сооружений и режимы работы всех элементов системы.

Рассмотрим, для примера, режимы работы сооружений системы водоснабжения (см. рис.3.3), подающей воду в сеть предприятия.

Рис.3.3. Принятая схема системы водоснабжения предприятия

Пусть будут установлены основные параметры системы, то есть известны:

а) состав и взаимное расположение основных сооружений системы, выполнена трассировка водоводов и водопроводной сети;

б) определены расчетные значения суточных расходов S_ср, S_макс и S_мин;

в) задан почасовой суточный график водопотребления, см. рис.3.4. Он отражает изменение почасового расхода воды в пределах суток наибольшего водопотребления S_макс.

Рис.3.4. Графики потребления и подачи воды в системе:

¾¾¾ – почасовой суточный график водопотребления;

¾ × ¾ × – среднечасовое потребление воды ;

– – – – – график подачи воды от насосной станции 2-го подъема

Активные элементы системы водоснабжения – насосные станции. Они обеспечивают движение воды в системе.

Задача насосной станции 1-го подъема (НС1) – подача суточного расхода воды на очистные сооружения из источника. Режим работы водозабора, НС1 и очистных сооружений принимается равномерным в течение суток. То есть каждый час подается 4,17% от S_макс чистой воды в сборный резервуар. Именно из этих условий определяются производительности и мощности этих элементов, что обеспечивает минимальные затраты на их сооружение.

Производительность насосов НС1 для систем технического водоснабжения в таком случае составляет

, (3.1)

а для хозяйственно питьевой системы

, (3.2)

где , – средние расходы воды за 1 час в производственно-технической и хозяйственно-питьевой системах водоснабжения;

– расходы воды на собственные нужды очистных сооружений;

– часовая потребность воды на тушение пожаров. Запас воды, израсходованный за 3 часа пожара должен быть восстановлен за 24 часа после пожара.

Из резервуара 4.1 (см. рис.3.3) вода забирается насосами НС2 и подается к объекту снабжения. Производительность насосов будет зависеть от характера графика подачи. Ясно, что график подачи воды этими насосами не должен сильно отличаться от режима потребления. И в то же время он не может точно следовать ему. Поэтому график работы НС2 принимается ступенчатым, обычно 2-3 ступени.

Таким образом, емкость 4.1 является границей двух зон системы, работающих с разными режимами, т.е. является 1-й регулирующей емкостью.

Какой бы график подачи воды насосами НС2 не выбирался, количество подаваемой воды за сутки должно быть равно суточному ее расходу, т.е. S_макс. Но в отдельные часы суток подача и расход, как правило, не совпадают. При избытке подачи – вода накапливается в резервуаре (башне) 6. В обратном случае – отбор воды складывается из подачи насосов и расхода из башни.

Таким образом, 2-й регулирующей емкостью является водонапорная башня (резервуар) 6. Она тоже является границей двух режимных зон.

Очевидно, что можно составить любое число вариантов графиков подачи, при которых суточная подача будет равна суточному потреблению S_макс.

Предположим, что на НС2 установлены два одинаковых центробежных рабочих насоса. Насосы подключены параллельно (резерв не учитываем), что может обеспечить двухступенчатый график подачи. На рис.3.5 приведена характеристика одного насоса и суммарная характеристика 2-х параллельно работающих на сеть агрегатов.

Рис.3.5. Зависимости развиваемого напора от производительности в центробежных насосах:

а) – одного насоса;

б) – двух параллельно работающих насосов

В соответствии с характеристиками подача одного насоса при работе в сети составляет 3% от S_макс. Подача двух насосов – 5%.

Тогда суточная подача может быть получена, на при таком сочетании режимов работы насосов НС2:

, (3.3)

где – время работы одного насоса в сутки, час;

– время работы двух насосов одновременно, час;

часа.

Полагая, что =10 часов, а =14 часов, то разбив время работы одного насоса на две части по 5 часов, получаем следующий график подачи воды, см. на рис.3.4:

.

На графике (рис.3.4) хорошо видна роль водонапорной башни. С его помощью можно легко подсчитать требуемый объем бака. Он будет тем меньше, чем ближе график подачи к графику потребления. Это приближение может быть достигнуто увеличением числа ступеней подачи, т.е. числом рабочих насосов. При этом возрастают затраты на станции, но снижаются расходы на водонапорную башню. Необходимо оптимальное решение на основе технико-экономических расчетов.

Опыт показал, что целесообразное число рабочих насосов может быть от одного до трех (три – для крупных водопроводов).

При проектировании водоводов за расчетный расход принимается максимальная подача от насосной станции НС2.

В некоторых производственных водопроводах колебания расходов настолько малы, что регулирующие емкости вообще не нужны. Это возможно в силу свойств характеристик центробежных насосов. Экономически целесообразны такие системы только при малых значениях неравномерности потребления.

На рис.3.6 демонстрируется возможные режимы работы насосов при работе на сеть без регулирующей емкости.

Рис.3.6. Характеристика работы группы параллельных насосов на сеть (без водонапорной башни):

а, б и в – характеристики одного, двух и трех совместно работающих насосов;

Видно, что в такой системе изменение расхода воды будет вызывать колебания напора (давления) в трубопроводах. Важно, чтобы положение рабочей точки Р не отклонялось бы от расчетной больше чем на ±10%, иначе появляется повышенный расход электроэнергии из-за работы насосов в нерасчетных режимах.

3.2.2. Связь по напорам

Выявление связи по напорам между графиком потребления и режимами работы сооружений системы водоснабжения позволяет определять требуемый напор подающих насосов и высоту водонапорной башни.

Насосы насосных станций должны подавать воду под таким напором, чтобы обеспечивался ее подъем до наивысшей и наиболее удаленной водоразборной точки. Наиболее неблагоприятная, с точки зрения водоснабжения, точка называется критической или диктующей.

Напора насосов должно хватать для преодоления гидравлических сопротивлений в водоводах и сети, а также подъема на высоту расположения потребителей. Напор, необходимый в узлах сети где подключаются потребители, называется требуемым свободным напором H_св.

Рассмотрим схему подключения потребителя к водопроводной сети, например в узле А, см. рис.3.7.

Требуемый свободный напор в узле подключения H_св складывается: из высоты подъема воды до водоразборной точки H_o; требуемого напора на входе в водопотребляющую установку для выполнения необходимой работы (например, для преодоления гидравлического сопротивления теплообменника) h_п; потери напора на преодоление гидравлических потерь от узла подключения до потребителя h_г. Тогда

. (3.4)

Рис.3.7. Схема подключения потребителя к водопроводной сети:

H_о – геометрическая высота водоразборной точки (задана);

h_п – необходимый напор в водоразборном устройстве (задан техническими условиями);

h_г – потери на преодоление трения и местных сопротивлений в подводящем трубопроводе (определяется гидравлическим расчетом)

Связь между напорами в различных точках схемы отображается пьезометрической линией. Она отражает падение значений напора в сети при движении воды от источника до потребителя.

Давление в трубопроводе определяется известным соотношением:

, Па (Дж/м³), (3.5)

где H_тр – напор воды в месте определения давления, м;

r – плотность воды, кг/м³;

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

Для расчета необходимого напора в начале сети требуется построить пьезометрическую линию вдоль всей трассы подачи воды. Начинают ее от критической (диктующей) точки (узла).

Будем считать, что в заданной схеме водоснабжения (рис.3.3) узел А является диктующей точкой. Свободный напор в этой точке уже вычислен и составляет , м. Выбирается маршрут подачи воды в этот узел. Он определяется по результатам гидравлического расчета водопроводной сети. Пусть в нашем случае это 0-Б-В-А. Строится в масштабе профиль трассы от источника до критической (диктующей) точки, см. рис. 3.8.

В том же масштабе на график наносятся свободные напоры во всех узлах маршрута , и .

Рис. 3.8. График распределения напоров в прямоточной системе водоснабжения с водонапорной башней

Нулевая отметка уровня выбирается произвольно. Напор, измеряемый от нулевой отметки, называется пьезометрическим напором. В узле А пьезометрический напор П_а будет соответствовать требуемому, м:

. (3.5)

Перемещаясь по выбранному маршруту сети навстречу потоку и прибавляя потери напора на пройденном пути можно вычислить значения пьезометра в каждой точке сети, м:

и . (3.6)

Отсюда видно, что дно бака (точка б) должно располагаться на высоте H_б, м. Эту высоту можно вычислить из равенства:

, (3.7)

откуда

, (3.8)

где - суммарные гидравлические потери на линии от башни до диктующей точки, м.

Требуемый напор насосов на НС2 определяется аналогично, м:

, (3.9)

откуда

. (3.10)

Здесь h_у – высота уровня воды в баке, м;

h_о-б – потери напора в водоводе, м.

Из равенства (3.8) видно, что чем выше место расположения бака, тем меньше высота башни, тем она дешевле.

Необходимо отметить, что максимальные значения напоров в узлах подключения потребителей, согласно СНиПу [6], не должны превышать 60 м.

Требуемый напор насосов НС1 определяется подобным же способом:

, м, (3.11)

где

z_ис – уровень воды в источнике, м;

z_ос – высота ввода воды в очистные сооружения, м;

h_н-о – потери напора на линии подачи воды от источника до очистных сооружений природной воды, м.

По известным значениям подачи и напора выбираются типоразмеры насосов, устанавливаемых на насосных станциях.

На насосной станции 2-го подъема обычно устанавливается также специальный пожарный насос. Он должен обеспечить подачу расчетного расхода воды на хозяйственно-питьевые нужды и одновременно на тушение пожаров на предприятии.

При выборе напора пожарного насоса необходимо учитывать, что через водоводы и водопроводы проходит повышенный расход воды и, поэтому, возрастают потери напора. Кроме того, перед горящим зданием необходимо обеспечить напор достаточный для подачи воды до конька крыши и создания дальнобойной струи воды из брандспойта. Рекомендуемую формулу для определения напора пожарного насоса можно найти в [1].

Общие вопросы проектирования водопроводных сетей и водоводов