11. Предварительное потокораспределение и назначение диаметров линий водопроводной сети

Первой подготовительной операцией к гидравлическому расчету кольцевой сети, является предварительное потокораспределение воды по линиям сети. Одним из основных условий, предъявляемых к начальному потокораспределению является удовлетворение требований надежности.

Надежность сети обеспечивается наличием в ней не менее двух параллельных транзитных магистралей, взаимозаменяемых при аварии. Перемычки между магистралями должны иметь достаточную пропускную способность для возможности переброски воды с одной магистрали на другие в случае аварии на одной из них [6, § 111].

Начальное потокораспределение служит основой для определения диаметров труб сети и должно намечаться одновременно для всех расчетных случаев, которые могут существенно влиять на расчетные расходы в участках и потери напора в них. При распределении потоков необходимо соблюдать баланс расходов в узлах сети.

Начальное потокораспределение в сети с контррезервуаром должно быть намечено одновременно для двух расчетных случаев – на работу в часы наибольшего водопотребления и на работу в часы наибольшего транзита воды в башню.

В участках сети, расположенных в зоне влияния водонапорной башни, расчетные расходы будут менять направление движения и соответственно знак. В часы транзита расходы в этих участках часто оказываются больше, чем в час максимального водопотребления. В нашем случае проектируется система водоснабжения с контррезервуаром, поэтому в час наибольшего водопотребления вода поступает в сеть от насосов и от башни, которая в это время является вторым водопитателем. На рисунке 2а показано предварительное потокораспределение воды для часа максимального водопотребления, при котором точками схода потоков являются узлы 1, 2 и 3. Узел 1, имеющий узловой расход 54,654 л/с, питается от башни и от насосной станции. Магистральными являются линии 8-7-4-1, 8-9-6-3 и 8-5-2, а перемычками 1-2, 5-4, 3-2 и 6-5.

Для транзита предварительное потокораспределение приведено на рисунке 2б. Основной расход воды идет по трем параллельным магистралям 8-7-4-1, 8-9-6-3 и 8-5-2, а перемычками 1-2, 5-4, 3-2 и 6-5.

После предварительного потокораспределения решается задача нахождения экономически наивыгоднейших диаметров труб кольцевой сети, активно участвующих в работе по транспортированию воды. Диаметры перемычек назначаются по конструктивным соображениям после определения диаметров магистралей. Обычно диаметр перемычки принимают на один сортамент ниже диаметра магистралей, подводящих воду к узлам перемычки [2], [6, с. 31].

Определение узловых расходов

Номер узла	Номера участков Примыкающих к узлу	Длина участков, м	Удельные расходы в участках, (л/с)/м	Путевые расходы, л/с	Час максимального потребления		Час максимального транзита
					Узловой расход, л/с	Сосредоточен- ный расход, л/с	Узловой расход, л/с	Сосредоточен- ный расход, л/с
1	1-2 1-4	560 600	0,094231	52,7694 56,5386	54,654	-	2,8123	-
2	2-1 2-3 2-5	560 780 600	0,094231	52,7694 56,5386 73,5002	91,4041	-	4,7033	-
3	3-2 3-6	780 840	0,094231	73,5002 79,154	76,3271	-	3,92748	-
4	4-1 4-5 4-7 4-5	600 310 1050 310	0,094231 0,041766	56,5386 29,2116 43,8543 12,9475	71,2762	-	3,6676	-
5	5-4 5-2 5-6 5-4 5-8 5-6	310 600 500 310 1030 500	0,094231 0,041766	29,2116 56,5386 47,1155 12,9475 43,019 20,883	104,8576	-	5,3955	-
6	6-3 6-5 6-9 6-5	840 500 1020 500	0,094231 0,041766	79,154 47,1155 42,6013 20,883	94,8769	-	4,882	-
7	7-4 7-8	1050 480	0,041766	43,8543 20,0477	31,956	30,15	1,6443	23,24
8	8-7 8-9 8-5	480 1000 1030	0,041766	20,0477 41,766 43,019	52,4184	-	2,6972	-
9	9-8 9-6	1000 1020	0,041766	42,6013 41,766	42,1837	-	2,1706	-
Всего	-	-	-	1239,8934	619,95	30,15	31,9	23,24

В данном проекте для устройства сети приняты чугунные трубы, так как согласно заданию, грунтовые воды агрессивны к бетону. Для назначения экономически выгодных диаметров необходимо определить предельные граничные расходы, характеризующие эффективность использования соответствующих диаметров труб. Расчеты выполним по формуле:

, м³/с ,

где Р – коэффициент эффективности капитальных вложений;

σ – стоимость 1кВт·ч электроэнергии, руб.;

γ_нер. – коэффициент неравномерности расходования энергии, равный отношению среднего, за расчётный период, расхода воды к расчётному наибольшему расходу воды;

γ_в – удельный вес воды, 9800 Н/м³;

Т – время работы системы водоснабжения в течение года, ч;

η – К.П.Д. насосных агрегатов, подающих воду;

С_i и C_i+1 – стоимость 1 км труб для смежных диаметров, тыс. руб.;

А_i и А_i+1– удельные гидравлические сопротивления труб, принимаются по [4].

Согласно [7], затраты на содержание водопроводной сети (К_С) включают ежегодные отчисления на амортизацию (g), текущий (Р_Т) и капитальный (Р_К) ремонты, а также потери по отвлечению финансовых ресурсов, инвестируемых в строительство (Z). Таким образом,

K_С = g + P_T + P_K + Z.

Затраты на амортизацию, текущий ремонт и капитальный ремонт определяются по формулам:

,

,

,

где Н_А, Н_Т, Н_К – норма ежегодных отчислений на амортизацию, текущий и капитальный ремонты, принимается в процентах по приложению 1, таблица 11 [7].

А – инвестиционные затраты, тыс.руб.

Инвестиционные затраты вычисляются по формуле:

,

где С_і – стоимость 1 км трубопровода і-го диаметра, тыс. руб./км, принимается по приложению 1 (таблица 1 – таблица 7) в зависимости от материала и диаметра труб [7];

l_i – протяжённость участков і-го диаметра, км.

Потери по отвлечению финансовых ресурсов определяются из выражения:

,

где Е – процентная ставка на инвестиционные вложения (устанавливается в зависимости от поставленной задачи, исходя из величины банковского процента по вкладам, среднего уровня рентабельности конкретной системы), в данном проекте ставка принята в размере 30%.

Таким образом затраты на содержание сети равны

.

Отсюда следует, что коэффициент эффективности капитальных вложений равен

.

Коэффициенты полезного действия η и неравномерности расходования энергии γ_нер. в среднем можно принять равными 0,7 [4]. Как правило, система водоснабжения эксплуатируется круглый год, поэтому Т = 24∙365 = 8760 ч. Таким образом,

,

, м³/с.

Результаты расчета предельных экономических граничных расходов представлены в таблице 6.

Предельные граничные экономические расходы

Диаметр, мм	Стоимость Сi, тыс. руб.	Удельное гидравлическое сопротивление Аi (для м³/с)	Ci+1-Ci	Ai-Ai+1	Предельные расходы, м³/с
					минимальные	максимальные
200	762,27	8,092	195,22	5,564	-	0,034
250	957,49	2,528	232,4	1,5795	0,034	0,055
300	1189,89	0,9485	274,23	0,512	0,055	0,085
350	1464,12	0,4365	283,53	0,2176	0,085	0,114
400	1747,65	0,2189	576,35	0,15112	0,114	0,163
500	2324	0,06778	790,16	0,04182	0,163	0,277
600	3114,16	0,02596	618,18	0,01442	0,277	0,364
700	3732,34	0,01154	827,35	0,005871	0,364	0,542
800	4559,69	0,005669	-	-	0,542	-

Руководствуясь таблицей предельных граничных экономических расходов и величинами расходов в линиях, полученных на основе первоначального потокораспределения, определяем диаметры транзитных магистралей сети. Минимальный диаметр участков сети назначаем с учетом пропуска противопожарного расхода [2]. Так как расход воды на тушение одного пожара составляет 25 л/с, то минимальный диаметр участков сети принимаем равным 200 мм. Значения принятых диаметров участков сети по каждому из расчётных случаев представлены на рисунке 2

Диаметр водоводов от насосной станции до сети и от водонапорной башни до сети находим также по таблице предельных расходов из условия пропуска 50% расчетного расхода по одному водоводу. Окончательные диаметры участков сети определены по наибольшему расходу для двух рассмотренных режимов и представлены на рисунке 3.

На этом подготовка сети к гидравлическому расчету заканчивается.