4. Связь элементов системы водоснабжения в отношении напоров. Пьезометрический анализ безбашенной системы; системы с башней в начале, середине и конце сети.

Помимо взаимосвязи режима работы сооружений и их расходов существует взаимосвязь между напорами, создаваемыми в системе. К системе водоснабжения предъявляются требования не только в отношении подачи воды потребителям в необходимых количествах, но и в отношении величин напоров, которые должны быть обеспечены в точках отбора. Напор, развиваемый насосной станцией, должен быть достаточным для преодоления потерь напора при движении воды по водоводам и линиям сети, а также для подъема воды до наивысшей точки ее отбора и излива. Напор, необходимый в узлах сети для снабжения водой потребителей, обычно называется требуемым «свободным напором». СНиП 2.04.02—84 регламентирует величины требуемого свободного напора в зависимости от этажности зданий. Минимальный свободный напор в сети водопровода населенного пункта при максимальном хозяйственно-питьевом водопотреблении на вводе в здание (над поверхностью земли) при одноэтажной застройке принимается равным не менее 10 м, при большей этажности— 4 м, при этом на каждый этаж добавляется 4 м. В часы минимального водопотребления напор допускается принимать равным 3 м на каждый этаж, кроме первого. В число наиболее неблагоприятных точек попадают те, которые имеют наибольшие геодезические отметки и наиболее удалены от водонапорной башни. Они называются «критическими» точками. В них будут самые низкие пьезометрические напоры и самые малые свободные напоры. Наибольший напор, который должны развивать насосы, соответствует максимальному уровню воды в резервуаре башни. Он, как правило, выше, чем напор в час максимального водопотребления. Это объясняется возрастанием потерь напора в сети из-за увеличения расходов воды в районе границы зон питания и длины пути ее транспортирования.

Для производственных зданий величина свободного напора принимается в зависимости от технологии производства.

Свободный напор в сети противопожарного водопровода низкого давления в период пожаротушения должен быть не менее 10 м.

Для предупреждения аварий на водопроводной сети и уменьшения утечек воды из нее нельзя допускать, чтобы свободный напор был более 60 м, в противном случае необходимо предусматривать установку регуляторов давления или устраивать зонное водоснабжение.

PАЗВЕТВЛЕННЫЕ БЕЗБАШЕННЫЕ СЕТИ С ОДНИМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ

П ри решении практических задач, определив все узловые свободные напоры (Н_{св i} = H_i - Z_i), необходимо убедиться, что они лежат в требуемых пределах. Если оказывается, что при намеченном водопитателе величины свободных напоров в диктующих точках системы получаются, например, меньше требуемых, то, очевидно, следует принять другой насос, обеспечивающий соответственно большие давления в системе. При проектировании обычно сначала задаются требуемыми напорами в диктующих точках сети и по ним приближенно определяют требуемый напор насоса. По этому напору и заданной его производительности предварительно подбирают наиболее подходящий насос а затем проводят собственно поверочный расчет.

Замена водопитателя другим, дающим большие давления в системе, не отражается (в системе рассматриваемого типа и при фиксированных отборах) на распределении расходов воды по участкам сети, на величинах потерь напора или на подаче насоса; изменяются лишь величины узловых напоров.

Рис. 1

I —начальное положение пьезометрической линии; II —новое положение пьезометрической линии

Пьезометрическая линия при замене водопитателя (в этом случае) лишь поднимается параллельно самой себе; ординаты всех узловых напоров увеличиваются на одну и ту же величину Н_{св треб} - Н_св, где Н_св — напор, полученный при предварительном расчете.

Рассмотренный случай, т. е. расчет разветвленной сети с одним источником питания и всеми фиксированными отборами воды, является наиболее простым из всех возможных случаев расчета водопроводных систем (с учетом совместной работы ее элементов). В такой сети распределение потоков воды по ее участкам полностью определяется (по направлению и величине) заданными узловыми отборами воды и конфигурацией самой сети и не зависит от потерь напора (т. е. от гидравлических сопротивлений участков сети).

Резервуар в начале сети

Рисунок 4. Вертикальный продольный разрез системы водоснабжения с башней в начале сети

На рисунке 4 изображен вертикальный продольный разрез системы водоснабжения с башней в начале сети. Схематически показано положение пьезометрических линий для момента максимального водопотребления. Связь между напорами в различных точках схемы определяется положением этих линий, которые отражают падение напора в сети при движении воды от насосной станции II подъема до «диктующей» точки. Обычно диктующей точкой является наиболее удаленная от башни точка отбора воды, имеющая наибольшую геодезическую отметку земли. В такой точке будут самые низкие пьезометрические напоры и самые малые с свободные напоры.

Связь между напорами в точке расположения водонапорной башни и в диктующей точке определяется уравнением

Z_ВБ + H_ВБ = Z_а + H_СВ + ∑h_С ,

Где Z_ВБ - отметка поверхности земли с месте расположения водонапорной башни;

H_ВБ – высота водонапорной башни;

Z_а – отметка поверхности земли в диктующей точке а;

H_СВ – величина требуемого свободного напора в диктующей точке а;

∑h_С – потери напора на участках сети от водонапорной башни до диктующей точки а.

Из приведенного уравнения можно определить высоту водонапорной башни

H_ВБ = H_СВ + ∑h_С – (Z_ВБ - Z_а ).

Высота H_ВБ будет тем меньше, чем больше значение Z_ВБ. Поэтому располагать водонапорные башни следует на наиболее возвышенных отметках.

Требуемый манометрический напор насосов H_н.ман станции II подъема определяется по максимальному уровню воды в баке водонапорной башни.

H_н.ман = (Z_ОН – Z_ВБ ) + (H_ВБ + H_Б ) + h_В ,

Где Z_ОН - отметка оси насоса;

H_Б – расчетная высота бака водонапорной башни;

h_В – потеря напора в напорных водоводах;

В реальных условиях очень часто бывает так, что возвышенные отметки снабжаемой водой территории находятся в противоположной от насосной станции стороне. В этом случае система водоснабжения с водонапорной башней установленной на этих отметках называется системой с контррезервуаром.

Резервуар в конце сети (контррезервуар)

Водонапорная башня и насосная станция второго подъема находятся в противоположных концах сети. В часы максимального водопотребления суммарный расход воды города Q превышает подачу насосов, а недостающее количество воды поступает из башни. При расположении башни в начале сети оба эти количества складываются, и в начальную точку сети поступает количество воды

Q = Q_H + Q_Б

В системах с контррезервуаром в часы максимального водопотребления вода в сеть будет подаваться с двух противоположных сторон от насосов и от водонапорной башни.

Рисунок 5. Система с контррезервуаром

Количество воды Q_H и Q_Б определяется по совмещенному графику водопотребления и работы насосов. Зная Q_H и Q_Б , характер отбора воды из сети, можно определить районы питания сети от насосов и башни. Намеченные пьезометрические отметки будут в точках, лежащих на границе обоих районов питания (линия а-а). Критической из них является точка, имеющая наибольшую геодезическую отметку (точка а₁). В этой точке величина H_СВ будет наименьшей.

Задаваясь для нее величиной в зависимости от этажности застройки, построим вправо и влево от точки а₁ пьезометрические линии с уклоном соответствующим величинам потерь напора при максимальном водопотреблении (рисунок 6)

Рисунок 6. Вертикальный продольный разрез системы водоснабжения с башней в конце сети

∑h_б - от башни до точки а;

∑h_н - от начальной точки сети со стороны насосной станции до точки а.

Величина потерь напора в водоводе h_В будет та же, что и в случае с башней в начале сети.

Определив из расчета сети величины потерь напора и зная геодезические отметки можно найти требуемую высоту башни и напор насосов

H_Б = H_СВ + ∑h_б – (Z_б - Z );

H_н = H_Б + (∑h_н + h_В - ∑h_б) + (Z_б – Z_н ).

При полном баке водонапорной башни напор насосов будет больше H_н на высоту H₀. В некоторые часы суток количество воды, подаваемое насосами, превышает количество воды, расходуемое городом. При расположении башни в начале сети избыточное количество воды, подаваемой насосами, идет в бак башни, не поступая в сеть. В системе с контррезервуаром этот избыток для того, чтобы попасть в водонапорную башню должен пройти транзитом через всю сеть. Момент в который этот транзитный расход достигает своего максимального значения определяется по совмещенным графикам и является вторым основным расчетным случаем сети с контррезервуаром. При этом, пьезометрическая линия приобретает уклон на всем своем протяжении, исчезает ее излом у границ зон питания при максимальном водопотреблении и минимальная пьезометрическая отметка получается у башни.

Во время работы сети при максимальном транзите расходы на участках магистральных линий, близких к границе зон питания, будут больше, чем при максимальном водопотреблении.

Расчетная величина требуемого H_н в часы максимального транзита также больше, чем в часы максимального водопотребления. Следовательно, для определения расчетного напора насосов в случай максимального транзита является критическим.

Системы с контррезервуаром имеют тот существенный недостаток, что в периоды транзита величины напора в сети у насосов будут значительно возрастать. Это может привести к необходимости пуска специальных насосов для работы в период транзита воды в контррезервуар.

Промежуточное расположение резервуара

Р исунок 7. Вертикальный продольный разрез системы водоснабжения с башней в середине сети

1. 1– пьезометрическая линия пи максимальном водопотреблении;

2. 2– пьезометрическая линия при максимальном транзите в бак водонапорной башни.

В практике водоснабжения встречаются различные более сложные системы, чем эти. Во многих крупных городах вода подается в водосточную сеть несколькими НС, а иногда от нескольких природных источников. В ряде случаев имеется несколько напорно-регулирующих резервуаров. В системах водоснабжения крупных городов, где неравномерность водопотребления обычно относительно мала, напорно-регулирующие емкости иногда теряют свое регулирующее значение, но сохраняют функцию запасных или аварийных емкостей.