Расчет водопроводных сетей

Кольцевая сеть состоит из нескольких замкнутых контуров —  колец, к которым присоединяются ответвления, служащие для подачи воды потребителям. Кольцевую сеть сооружают в том случае, если недопустим перебои в подаче веды. При такой системе каждый участок сети питается от двух или более линий, что значительно повышает надежность работы сети и обеспечивает бесперебойную подачу воды даже при авариях на отдельных участках. Кроме того, вода в сети не замерзает, поскольку даже при малом водоразборе она циркулирует по всем линиям, неся с собой тепло. Кольцевые сети обычно несколько длиннее тупиковых, но имеют меньший диаметр.

В сельских населенных пунктах  применяют также комбинированные сети: кольцевая сеть, обслуживающая компактно застроенную часть селения, с тупиковыми линиями, отходящими к отдельно стоящим объектам.

Рис.3. Схемы водопроводной сети: а)- тупиковой; б)- кольцевой; 1- водонапорная башня; 2-магистральные трубопроводы; 3- распределительные трубопроводы; 4- ответвления; 5- водопотребители.

 

 

 

а)

б)

На водопроводной сети устраивают также смотровые колодцы, в которых установлены задвижки для отключения или включения  отдельных участков распределительной  сети, вантузы, гидранты, водоразборные  колонки и другое оборудование. Колодцы устраивают из сборного железобетона (круглые в плане), а также из бетона и кирпича (круглые и прямоугольные). [5]

    Гидравлический расчет тупиковой и кольцевой

                           водопроводной сети

Возможны два варианта постановки задачи расчета:по заданным свободным напорам в диктующей точке и известным узловым расходам воды. Определить диаметр труб и необходимый напор в начале сети (напор насоса, высота башни).

Рис.4.   Расчетная ветвь к диктующей точке.

 

1) Выбрана расчетная ветвь  к диктующей  точке

2) На участках этой  ветви определяется расчетные  расходы

Q_1-2 = q₁+q₂+q₃

Q_2-3 = q₂+q₃

Q_3-4 = q₂

 

3) По этим расходам  с учетом экономического фактора  назначается  экономичный диаметр  труб и определяются  потери напора  на участках.

4) определяется требуемый  напор в начальной точке.

 

По заданным напорам в  начале и конце расчетного участка  подобрать диаметр трубы (не экономичный).

Подбирается диаметр трубы, который при пропуске расчетного расхода q имеет гидравлический уклон  менее j _доп.

 Определяются действительный  напор в точке 5.

Первый вариант постановки задачи имеет место при расчете  тупиковых линий к наиболее удаленным  и крупным потребителям. Второй вариант  постановки задачи имеет место при расчете ответвлений (сравнительно коротких тупиковых ответвлений)

            Гидравлический расчет кольцевой сети

В кольцевой сети при заданной ее конфигурации и известных узловых  расходах (отборах воды из сети) можно  наметить бесконечное количество вариантов  распределения потоков воды, удовлетворяющих  заданному водопотреблению. Каждому из этих вариантов потокораспределения будут соответствовать  определенные диаметры труб, а изменения диаметра хотя бы одного участка  повлечет за собой изменения расходов на всех участках сети, таким образом задача сводится к совместному определению и расходов  и диаметров на всех участках сети.

Общее математическое решение  задачи сводится к решению системы  уравнений в которой число неизвестных в 2 раза больше  числа участков. В систему уравнений входят уравнения двух типов:

1. Уравнение баланса потерь  напора в кольцах по второму закону Киргоффа.

2. Уравнение по первому закону Кирхгоффа .

Число уравнений первого  типа равно числу узлов. Число  уравнений второго типа равно  числу колец, что в сумме меньше чем удвоенное число участков.

n_узл + n_колец< 2n_{участков}

Такая система уравнений  не имеет решения в общем виде (является неопределенной) и для ее решения нужно задаться дополнительными условиями: либо расходами, либо диаметрами (т.е. уменьшить количество неизвестных в 2 раза). В практических расчетах поступают следующим образом: обоснованно производят начальное потокораспределение в кольцах сети с выполнением первого закона Кирхгоффа ( ). По полученным расходам на участках назначают их экономичные диаметры, затем производят перераспределение потоков при известных диаметрах с тем, чтобы добиться выполнения также и второго закона Кирхгоффа ( ). Этот поверочный расчет называется увязкой сети.[6]

      Определение экономически наивыгоднейших диаметров

Диаметры труб на участках сети зависят от средней экономической  скорости, соответствующей минимальным  строительным и эксплуатационным затратам. Но так как скорость может изменяться в широких пределах, расчет будет неточным. Более точно экономически наивыгоднейший диаметр труб можно определить по приведенным затратам П, учитывающим срок окупаемости, неравномерность потребления электроэнергии, ежегодные отчисления на амортизацию, ремонт и другие изменяющиеся факторы. Приведенные затраты минимальны П_min при d_эк. Для условий сельскохозяйственного водоснабжения диаметры труб (м) определяют по формуле с цифровыми значениями, предложенными Н. А. Карамбировым [6]:

d_эк= Э^0,15q^0,43С^0,28

 гдеЭ- экономический фактор

Э=mσy

m- совокупность параметров, мало изменяющихся для данного района, зависящая от материала труб: для стальных труб  m=0,92, для чугунных- 0,43, для асбестоцементных- 0,25…0,3; σ- стоимость 1 кВТ*ч; y-энергетический коэффициент, учитывающий отношение действительного расхода электроэнергии на транспортирование воды к расходу электроэнергии, определяемому по расчетному расходу (Q_max) в течении срока окупаемости. Для условий сельскохозяйственного водоснабжения для малых систем (производительность до 1000 м³\ сут.) y = 0,2…0,3, для более крупных (производительность свыше 1000 м³\ сут.) y = 0,4…0,6; Δ – коэффициент, учитывающий стоимость насосных станций, а также поправку при двухставочном тарифе на электроэнергию; для сельскохозяйственного водоснабжения Δ = 1,5 ..2; q – расчетный расход на участке, м³\с;С – коэффициент, учитывающий влияние работы всех участков сети на работу рассматриваемого участка; С = q_i\q_гол( q_i- расход i-го участка, м³\с; q_гол – расход головного участка, м³\с).

Так же для определения  диаметров труб можно использовать формулу:  ,  (4.3)

где  Q_расч– расчетный расход на участке,л/с

v_эк – экономически наивыгоднейшая скорость=0,75-1,5 м/с

Диаметры, полученные расчеты, округляют до ближайшего стандартного.             В практике проектирования водопроводных сетей при определении экономически наивыгоднейших диаметров и потерь напора пользуются таблицами Ф.А. Шевелева [7], в которых приведены значения экономического фактора Э и соответствующие им параметры гидравлического расчета.

Для окончательного выбора диаметров труб на участках необходимо провести анализ работы сети, при этом не должно быть резких переходов одного диаметра к другому, а также значительных отличий в скоростях движения. Последние рекомендуют, м/с: 0,7 для d<300 мм и 1…1,5 для        d>300 мм. Минимальный диаметр труб в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения, объединенного с противопожарным, принимают 100 мм (СНиП 2.04.02-84)[2]

                                 Увязка сети

Рис.4.

_,где S- гидравлическая характеристика участка, А- гидравлическая характеристика трубы, l- длина трубы.

Конечно, при начальном  потокораспределении не удалось добиться выполнения второго закона Кирхгоффа, и сумма потерь напора в кольцах равна не 0, а какому-то значению ∆ h.

                           ∆ h_I =  s₁q₁²+ s₂q₂²- s₄q₄²- s₃q₃²

«-«   против часовой  стрелки

«+»    по часовой  стрелке

                         ∆ h_II = s₃q₃² + s₅q₅² – s₇q₇² – s₆q₆²

Чтобы добиться  выполнения второго закона Кирхгоффа нужно  ввести поправочные расходы ∆q в кольцах в направлении противоположном направлению невязки, т.е. где надо уменьшить и увеличить.

 

           S₁(q₁- ∆q_I)² + S₂(q₂- ∆q_I)² – S₄(q₄+∆q_I)²- S₃(q₃+∆q_I- ∆q_II)² = 0

           Для второго кольца

 

S₃(q₃-∆q_II+∆q_I)² + S₅(q₅-∆q_II)² – S₇(q₇+∆q_II)²- S₆(q₆+∆q_II)²=0

 

Эта система  уравнений  с двумя неизвестными ∆q_Iи ∆q_II которая имеет в принципе  математическое решение, которое достаточно сложное. В реальных инженерных расчетах каждое кольцо рассматривается самостоятельно, независимо от примыкающих колец, т.е. из каждого уравнения выбрасываются члены, содержащие ∆ q примыкающих колец, выбрасываются члены, содержащие ∆q² , как имеющие сравнительно очень малую величину.

В результате решения этой системы при таких допущениях получим:

где -поправочный расход для данного кольца;

∆h – невязка, полученная в результате гидравлического расчета при начальном потокораспределении в данном кольце.

S – гидравлические характеристики

q – расходы по участкам при первоначальном потокораспределении.

Так как математическая задача решена очень грубо, после учета  поправочного расхода ∆ q второй закон  Кирхгоффа выполнен не будет, и в кольце все равно останется невязка, но конечно, меньше предыдущей.

В инженерных расчетах принято  считать  допустимой невязку в  кольцах 0,5 м. Если полученные невязки больше 0,5, цикл расчетов повторяется несколько раз, пока не доберемся до 0,5 м.

              Увязка по методу Лобачева-Кросса.

Все кольца рассматриваются  независимыми друг от друга. Поправочные расходы ∆q вводятся одновременно  во все кольца. Расчет ведется  в табличной форме. Это самый простой метод.

Увязка по методу Андрияшева.

На кольцевой сети выделяются контуры, состоящие из нескольких колец, имеющих ∆q одного знака и увязочные расходы пропускаются по этим контурам.

Положительные стороны: задача может быть решена быстрее.

Отрицательные: требуется  высокая квалификация  расчетчика, чтобы  удачно выбрать эти увязочные контуры. Этот метод трудно формализуем и не используется в компьютерах.

Рис.5. Увязка по методу Андрияшева.                                                   

[6] 

 

              Определение расчётных расходов

Расчеты по водопотреблению  состоят из определения:

расчетного (среднего за год) суточного расхода воды;

расчетного расхода воды в сутки наибольшего водопотребления;

секундного среднего расхода  воды в сутки наибольшего водопотребления;

годового водопотребления;

расчетного суточного  расхода коммунальных предприятий.

Удельное среднесуточное (за год) водопотребление на хозяйственно-питьевые нужды населения принимают согласно нормативным документам в зависимости от степени благоустройства застроек. Расходы воды на содержание и поение животных принимают также согласно нормативным документам.

Принято, что баней пользуются Р' = 30 % населения, разбирающего воду из колонок, при расходе воды на одного моющегося q'₀= 180 л на одну помывку (СНиП 2.04.01-85). Баня работает T = 200 дней в году. Число помывок в году n' = 40; прачечной пользуется Р" = 40 % всего населения. Количество сухого белья на одного жителя в год п" = 75 кг. Расходы воды на стирку одного килограмма белья принимают в механизированной прачечной q" = 75 л (СНиП 2.04.01-85). Прачечная работаетТ=200 дней в году; суточная норма расхода воды на одного больного л (СНиП 2.04.01-85); расход воды на полив зеленых насаждений, цветников игазонов согласно нормативным документам (СНиП 2.04.02-84).

1)Определение расчетных суточных расходов.

Каждая категория потребителей за сутки расходует воды=3880*60/1000=232.8

где (—  расчетное (среднее за год) суточное водопотребление, м³/сут; N — расчетное число водопотребителей; q — удельное водопотребление на одного потребителя (среднесуточное за год), л/сут.

Расчетный расход воды (м³/сут) в сутки наибольшего водопотребления

где — коэффициент суточной неравномерности водопотребления. Для коммунального сектора и животноводческого комплекса принимаем; для полива зеленых насаждений и для промышленного предприятия

Все расчеты по определению  расчетных суточных расходов воды сводят в таблицу 1( Приложение 2).

В расчетах расход воды на нужды  местной промышленности и прочие неучтенные расходы принимают 10...20 % суммарного расхода на хозяйственно-питьевые нужды населенного пункта.