Определение диаметров труб водопроводной сети

При заданных (принятых) расчетных расходах диаметры линий водопроводной сети, активно участвующих в работе по транспор­тированию воды, должны обеспечить наилучшие экономические по­казатели системы. Обычно за обобщенный критерий экономичности системы принимают приведенные ежегодные затраты (капитальные и эксплуатационные затраты, приведенные к одному году работы системы).

Задача нахождения экономически наивыгоднейших диаметров труб кольцевой сети может быть решена в процессе полного технико-экономического расчета. Однако такой расчет представля­ет весьма трудоемкую задачу, поэтому в практике проектирования широко используют различные приближенные способы технико-экономического расчета кольцевых сетей.

Общее выражение экономически наивыгоднейшего диаметра участка кольцевой сети , имеет вид:

при квадратичном законе сопротивления ( = 2)

где Э — «экономический фактор», включающий экономические характеристики и показатели, а также некоторые гидравлические и режимные коэффициен­ты; Q — полный расход поды, подаваемой насосами и сеть ; — коэффи­циент, учитывающий роль участка и расходовании энергии на подачу поды; — расчетный расход рассматриваемого участка, принятый в соответствии с начальным потокораспредслением; — показатель степени; — показатели степени соответственно при диаметре и расходе и формулах потерь напора.

Величины при полном технико-экономическом расчете по методу Л. Ф. Мошнина находят путем увязки сети при пропуске че­рез нее некоторого фиктивного расхода. Они являются частями этого фиктивного расхода, проходящими по участкам сети. Для транзит­ных магистралей ветчины будут иметь большие значения.

При приближенных расчетах величина , для отдельных участ­ков линий сети может быть определена как часть общего расхода воды, передаваемого транзитными магистралями в основных на­правлениях движения воды в сети. Так, если на схемах рис. IV.2 про­вести условные сечения через основные транзитные магистрали, то для пересекаемых участков , где n — число пересекае­мых магистралей.

На рис. IV.2,а величины представляют собой фиктивные расходы в пересекаемых участках при пропуске через сеть транзитом полного фиктивного расхода, принимаемого равным единице. В этой сети ни одно из сечений не проходит через перемычки и, следо­вательно, для них коэффициенты не вводятся.

Как уже указывалось, в подобной системе перемычки при нор­мальной работе сети не участвуют в транспортировании воды и не влияют на расход энергии. Диаметры их определяют по конструк­тивным соображениям (по условиям аварийной работы).

Следует отметить, что чем через большее число транзитных ма­гистралей будут проведены сечения, тем они будут «надежнее», т. е. тем меньше будет влиять на подачу воды авария на какой-либо одной магистрали. Очевидно, что в рассматриваемой схеме наименее «надежными» будут сечения, ближайшие к точке подачи воды к сети от водопитателя, а также к конечной точке схода. Для ма­гистралей, через которые проведены эти сечения, следует предусмат­ривать определенное увеличение диаметра, чтобы при аварии на одной из них вторая могла обеспечить пропуск расчетного расхода. В рассматриваемом случае не учитывается влияние на величины отметок местности.

В сети, показанной на схеме рис. IV.2,б, основное направление движения воды обусловливает при обычной работе сети нагрузку всех ее линий — все они работают на транзитную подачу воды. Какое-либо различие между магистралями и перемычками здесь от­сутствует. При аварии на одном из участков увеличивается нагруз­ка на другие (в основном ближайшие к выключаемому). Величины в этой схеме также могут быть определены путем проведения «по­перечных» сечений сети (); при этом n (число пересекаемых линий) меняется в каждом сечении. В первом и последнем по ходу воды сечениях авария одного из двух пересекаемых участков зна­чительно увеличивает нагрузку второго.

Несколько сложнее определить коэффициенты при схемах сети, подобных показанной на рис. IV.2,в, что обусловлено конфигура­цией территории снабжаемого объекта и расположением точки пода­чи воды к сети от водопитателя. В представленной схеме сеть имеет две конечные точки схода потоков — полный фиктивный расход, подаваемый в точку питания сети, сбрасывается в виде двух фик­тивных сбросов и в конечных точках схода, при этом 1. Здесь также должны быть намечены «поперечные» сечения транзитных магистралей и определены соответствующие значения (или ) для каждого сечения.

Величины , и могут быть назначены равными при равных пьезометрических отметках обеих конечных точек, при их оди­наковой удаленности от начальной точки и при равенстве пото­ков и , направленных по каждому из двух основных путей движения воды в сети. Вместе с тем величина будет больше для той ветви, для которой значения величин или будут большими.

При полном технико-экономическом расчете сети величины и определяют путем последовательного приближения в процессе увязки сети по фиктивным расходам .

Соотношения между величинами и в зависимости от значе­ний и могут быть получены (приближенно) для рассматривае­мой сети на основании следующих соображений.

Из теории технико-экономического расчета следует, что

или

где и — заданные пьезометрические отметки в конечных точках ли­ний; — фиктивные потери напора при пропуске по линии сети фиктив­ного расхода :

(здесь — расход; — длина линии); — величина, определяемая из выражения

где — коэффициент гидравлического сопротивления.

Показанная на рис. IV.4,а схема сети имеет два направления движения воды от точки подачи ее к конечным точкам. Принимая по одной линии в каждом направлении (рис. IV.4,б), будем иметь для первой и для второй ; в их конечных точках будут фиктивные сбросы и .

Разность пьезометрических отметок составит . Тогда

Все величины, кроме и , заданы; используя уравнение (IV.5) совместно с уравнением , можно путем подбора найти величины и .

В частных случаях, когда

Очевидно, сбросы будут больше в линиях, наиболее длинных, наиболее нагруженных или имеющих наибольшую пьезометрическую отметку в конечной точке.

Следует отметить, что назначение величин , определяется не только разностью требуемых пьезометрических отметок в точке питания сети и в конечных точках схода потоков, но и разностью требуемых пьезометрических отметок любых последовательно рас­положенных узлов сети. Если эта разность мала, т.е. располагаемый напор недостаточен для преодоления гидравлических сопротивле­ний на соответствующей цепи участков, их диаметры должны быть увеличены. Если разность отметок велика, то диаметры участков могут быть уменьшены. Таким образом, величины подлежат корректировке в соответствии с заданными пьезометрическими отметками характерных узлов сети.

Рассмотрим далее систему с двумя насосными станциями, подаю­щими воду в сеть, не имеющую нефиксированных отборов, и с одной конечной точкой схода потоков (рис. IV.5). В узел А питания сети подается фиктивный расход, принимаемый равным 1, в узел Б — фиктивный расход (при условии, что )- Эти фиктив­ные расходы (подачи) распределяются по линиям сети в виде фик­тивных расходов участков . В конечной точке схода потоков В сбрасывается фиктивный расход . При этом для прибли­женного назначения в различных сечениях баланс в узлах (разветвлениях) может и не соблюдаться. Подобным же образом могут быть назначены величины и при наличии в такой сети двух или более точек схода.

Нахождение наивыгоднейших диаметров в системах с контрре­зервуаром встречает определенные затруднения.

Экономически наивыгоднейшие диаметры, как уже было сказа­но, должны обеспечить наименьшие приведенные затраты, включая затраты на строительство системы и на ее эксплуатацию. Наиболь­шую часть затрат на эксплуатацию составляет стоимость электро­энергии, расходуемой на подачу воды. Следовательно, диаметр каж­дой линии, транспортирующей воду, в первую очередь диаметр всех транзитных магистралей должен быть выбран с учетом того, как он повлияет на общие затраты энергии в системе подачи воды.

В системах с одной насосной станцией, подающей воду непосред­ственно в сеть или через башню, расположенную в начале сети, в выражение экономически наивыгоднейшего диаметра входит расход на участке, проводящем его в принятый расчетный момент работы. Между тем этот расход колеблется в течение суток, сезо­нов и всего расчетного срока службы водопровода.

Таким образом, для определения диаметра, обеспечивающе­го наименьшие затраты, включая стоимость энергии за расчет­ный срок, необходимо учитывать колебания затрат энергии на подачу воды, связанные с изменением потерь напора и высоты подъема воды. Эти колебания учитывают коэффициентом нерав­номерности расходования энергии , который включают в вели­чину экономического фактора Э.

Проведение полного технико-экономического расчета значительно увеличивает объем вычислений. Кроме того, точное определение коэффициентов не представляется возможным ввиду непрерывного изменения характера работы отдельных участков и, следователь­но, полный технико-экономический расчет не гарантирует точного отражения действительного колебания затрат энергии на работу системы. В связи с этим закономерно использование приближенных методов расчета.

Для приближенного определения наивыгоднейших диаметров труб кольцевой сети по формуле (IV.2) расходы транзитных магист­ралей могут быть приняты по их нагрузке в часы наибольшего тран­зита воды в башню. Это дает достаточно близкие в обоих расчетных случаях расходы для участков, расположенных в районах, питаю­щихся в основном от насосной станции. Расходы участков, примы­кающих к башне, также не сильно различаются, хотя знак их ме­няется. Величины для группы параллельно работающих тран­зитных магистралей могут быть приняты по расчету также на слу­чай максимального транзита воды в башню. Влияние аккумулиро­вания энергии башней при этом не учитывается, что создает неко­торый запас в назначенных диаметрах.

Диаметры малонагруженных участков, в основном перемычек, определяют по конструктивным соображениям без использования, следовательно, коэффициентов .

При расчете по приведенным выше формулам наивыгоднейших диаметров нередко получают и значения, отсутствующие в сорта­менте данного типа труб. В этих случаях выбирают ближайший больший или меньший диаметр. При этом целесообразно пользоваться таблицами предельных экономических расходов, для которых данный стандартный диаметр будет наивыгоднейшим при опреде­ленных значениях экономического фактора Э. У сосед­них стандартных диаметров значения наибольшего экономическо­го расхода для меньшего диаметра и наименьшего экономического расхода для большего диаметра совпадают.

Для пользования таблицей предельных экономических расходов необходимо предварительно вычислить «приведенные» расходы

или при зависимости, отличающейся от квадратичной,

где Э — экономический фактор, определенный для данного случая; Э_т — экономический фактор, принятый по таблице предельных экономических рас­ходов.

В СНиП II-31-74 предлагается вычислять расчетные расходы и, таким образом, диаметры участков, учитывая число обслуживаемых ими жителей. Из этого следует, что для отдельных участ­ков сети должны приниматься различные коэффициенты неравномерности водопотребления, возрастающие с удалением участка от точки подачи воды к сети. При расчете необходимо учитывать места расположения водопитателей и напорно-регулирующих емкостей, расположение на территории объекта разнородных водопотребителей и различные режимы отбора ими воды из сети. Должна быть разработана методика определения числа жителей, снабжаемых отдельными участками кольцевой сети. Необходимо также экономи­чески обосновать целесообразность повышения свободных напоров в конечных точках сети (а следовательно, и во всей сети города) вместо незначительного увеличения диаметров на конечных участ­ках сети или использования местных подкачек.

Таким образом, определение диаметров с учетом экономических факторов и по конструктивным соображениям производят по основ­ному расчетному случаю нормальной работы системы. Правильность выбора диаметров транзитных магистралей, а также назначения диа­метров перемычек и малонагруженных линий проверяют путем проведения специальных поверочных расчетов для случаев работы системы при авариях на участках сети, а также при подаче пожар­ных расходов.

Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М.
"Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений"