3.1. Начальное потокораспределение при проектировании кольцевых водопроводных сетей. Назначение диаметров труб с учетом экономичности и надежности.

Для обеспечения надежности водопроводная сеть, как правило, проектируется кольцевой. Кольца образуются рядом транзитных магистральных линий, транспортирующих основные потоки воды к потребителям по наиболее коротким путям, и перемычками, соединяющими эти магистрали, для возможности перераспределения воды между ними при авариях на отдельных участках.

В кольцевой сети заданные отборы воды в узлах могут быть обеспечены неограниченным числом вариантов распределения потоков воды по ее участкам. Поэтому первой подготовительной операцией, предшествующей гидравлическому расчету кольцевой сети, является ориентировочное распределение потоков воды по линиям сети.

Характер потокораспределения в сети в большой степени зависит от ее конфигурации, расположения водопитателей и напорных емкостей, а также крупных водопотребителей.

Начальное потокораспределение для каждого расчетного случая производят с учетом баланса расходов в узлах сети (первый закон Кирхгофа): количество воды, притекающей к узлу, должно быть равно количеству воды, вытекающей или отбираемой из узла.

Схемы начального потокораспределения для выбранных расчетных случаев позволяют установить значения расчетных расходов отдельных участков. Естественно, для различных расчетных случаев расходы на одних и тех же участках сети будут различными.

Принятое решение о потокораспределнии весьма важно, так как расходы, соответствующие ему, принимаются как исходные данные при технико-экономическом расчете диаметров.

Обычно начальное потокораспределение ведется в следующей последовательности:

• намечают основные параллельные пути снабжения водой от источника питания до самых отдаленных точек потребления воды. Эти направления иногда называют транзитными;

• определяется точка схода потоков (таких точек может быть несколько);

• начиная от точки схода потоков намечают расходы воды по основным путям с учетом первого закона Кирхгофа. По возможности основные параллельные пути снабжения водой потребителей должны иметь одинаковую загруженность.

После проведения перечисленных операций по расчетным расходам определяют диаметры участков сети.

Определение диаметров труб

Выражение величины приведенных затрат для водопроводных линий при подаче воды насосами

При расчете водоводов и водопроводных сетей решение задачи по выбору диаметров труб основано на применении таких диаметров труб, использование которых обеспечит минимальные приведенные затраты Р_пр. на строительство Р_ст. и эксплуатацию Р_эк. за расчетный срок Т_ок..

В общем виде приведенные затраты могут быть представлены следующим образом:

Р_пр. = Р_ст / Т_ок. + Р_эк..

Величина Р_ст. определяет стоимость строительства водопроводных линий. Эксплуатационные затраты Р_эк. представляют собой сумму двух составляющих: стоимости электроэнергии Р_эл., затрачиваемой на преодоление потерь напора в трубах и подъем воды на требуемую геометрическую высоту, а также затрат Р_а., определяющих стоимость ремонтных работ и отчислений на амортизацию. Величина Р_а. принимается как некоторый процент R от строительной стоимости Р_ст., т. е.

.

Тогда

.

Из гидравлики известна взаимосвязь между диаметром трубопровода d и транспортируемым расходом Q:

Q = ωυ = πd²υ/4,

где ω – площадь поперечного сечения трубы; d – диаметр трубы; υ – скорость движения воды.

При расчете по соображениям надежности задается предварительное потокораспределение, поэтому расход Q в линии считается известным. Из приведенной формулы следует, что увеличение скорости приводит к уменьшению диаметра трубопровода и, наоборот, увеличение диаметра приведет к уменьшению скорости движения воды. То и другое оказывает влияние на приведенные затраты.

С возрастанием скорости движения воды в трубопроводе в свою очередь возрастут потери напора h, что приведет к увеличению требуемой мощности насосных агрегатов, подающих воду. В результате вырастут затраты энергии на подъем воды Р_эл.. Одновременно с увеличение скорости движения воды произойдет уменьшение требуемого диаметра d для транспортирования расхода Q, а, следовательно, уменьшится строительная стоимость трубопровода Р_ст..

Экономически выгодный диаметр труб

Выбор диаметров труб должен производиться на основе технико-экономического расчета, учитывающего влияние отдельного участка сети на работу всего комплекса водопроводной системы. Решение этой задачи крайне трудоемко и сложно для практического применения в проектировании. В обычных случаях пользуются упрощенными способами, которые достаточно надежно обеспечивают учет экономических факторов.

Упрощение сводится к тому, что отдельный участок сети рассматривается как работающий независимо от остальных участков.

Технико-экономическую характеристику рассматриваемого трубопровода и его материала можно приближенно установить на основании величины Э, называемой экономическим фактором, значение которой определяется по формуле

,

где m – показатель степени в формуле для определения гидравлических потерь в трубопроводе;

 – коэффициент, входящий в значение экономического фактора и равный

,

где k – коэффициент, зависящий от материала труб;

γ – коэффициент неравномерности расходования энергии, зависящий от коэффициента неравномерности потребления и подачи воды;

σ – стоимость электроэнергии в руб./квт-ч;

η – КПД насосных агрегатов, подающих воду;

Т – срок окупаемости;

R – сумма амортизационных отчислений, затрат на капитальный и текущий ремонты в % от строительной стоимости;

 – показатель степени в формуле, определяющий стоимость С строительства 1 км трубопровода в зависимости от его материала и диаметра:

С = (а_о + d^ b),

где а_о – часть стоимости трубопровода, не зависящая от диаметра и поэтому не меняющая свою величину, принимается по таблице;

b – коэффициент, принимаемый в зависимости от материала труб.

Экономически наивыгодные диаметры труб могут определяться (для независимо работающих участков) по формуле

d = Э^0,145 q^0,42.

Таким образом, видно, что величина Э, а, следовательно, и величина d при данном расходе q будет увеличиваться с возрастанием стоимости электроэнергии и уменьшаться с увеличением стоимости строительства трубопроводов.

Среднее значение экономического фактора для Белоруси можно считать равным 0,75.

Приведенные расходы. Определение диаметров труб методом сечений

Приведенным расходом называется расход q_о, л/с, независимо работающей линии, который дает значение наивыгоднейшего диаметра для расхода q, л/с, на рассматриваемом участке при любом значении Э_ф.

Метод сечений предполагает проведение сечений через все магистральные участки сети, проведенные перпендикулярно движению воды.

Коэффициенты сечения можно определить по формуле

,

где Q – суммарный расход воды, подаваемый в город насосной станцией с учетом сосредоточенных расходов, которые должны отбираться из ближайших узлов;

∑q_i – суммарные расходы воды участков, через которые проходит данное сечение;

Для каждого i-го участка сети можно определить приведенные расходы по формуле

q_пр. = q_i К_сi,

где q_i – расход проходящий по участку после начального потокораспределения;

К_сi – коэффициент сечения, проходящего через этот участок.

Далее по таблице предельных расходов выбираются диаметры магистральных трубопроводов.

Диаметры перемычек назначаются конструктивно из расчета пропуска через них расхода, который они будут пропускать при аварии на магистральных линиях.