Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технико-экономическое сравнение и выбор наилучшего варианта системы подачи и распределения воды (СПРВ). Учебное пособие
.pdf
подачи воды. Все остальные статьи затрат по своим размерам близки
⋅
и поэтому при сопоставлении вариантов СПРВ могут не учитываться.
С
= Сэл, (15)
эк
Затраты на оплату электроэнергии, которая потребляется в течение года на подачу воды, вычисляются по формуле:
С
= (365⋅Q⋅Н⋅σ⋅t⋅γв⋅γ
эл
) / 1000 η, (16)
нер
где Q – количество воды, подаваемое насосной станцией в водопроводную сеть, м
3
/с;
Н – расчетный напор у насосной станции, необходимый для
обеспечения в диктующем узле требуемого давления, м;
σ – стоимость 1 кВт
ч электроэнергии, р. за 1 кВт;
t – время работы насосной станции в течение суток, ч;
γ
– 9800 Н/м3 – удельный вес воды;
в
γ
– коэффициент неравномерности расходования энергии,
нер
можно принимать равным 0,7 [4];
η – КПД насосных агрегатов, можно принимать равным 0,7 [4].
Затраты на электроэнергию зависят от тарифа, установленного
для энергосистемы, питающей данную систему водоснабжения.
Оплата использованной электроэнергии может производиться по
одноставочному или двухставочному тарифу.
По одноставочному тарифу рассчитываются системы с присоединенной мощностью до 750 кВА. В этом случае плата взимается
только за использованную электроэнергию.
По двухставочному тарифу рассчитывается система с присоединенной мощностью 750 кВА и выше. В этом случае стоимость оплачиваемой электроэнергии складывается из годовой платы за 1 кВт
заявленной потребителем максимальной мощности, участвующей
в максимуме нагрузки энергосистем, и платы за 1 кВт-ч отпущенной
потребителю активной электроэнергии. Под заявленной мощностью
понимается абонированная потребителем наибольшая получасовая
электрическая мощность, совпадающая с периодом максимальной
нагрузки энергосистемы. Обычно насосная станция второго подъема
входит составным элементом в общую систему водоснабжения.
Общая присоединенная мощность таких систем практически всегда
11
превышает 750 кВА, поэтому оплата электроэнергии организациями,
эксплуатирующими системы водоснабжения, производится, как правило, по двухставочному тарифу.
Для проведения технико-экономического расчета необходимо
определить приведенную стоимость электроэнергии, учитывающую
оба вида платежей. Стоимость следует определять применительно
к режимам водопотребления, по которым выбирают диаметры тр.
При двухставочном тарифе приведенная стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, необходимая для технико-экономического расчета [5],
может быть вычислена по формуле:
σ = (М ⋅ N
макс
/ N
) / 8760 + а, (17)
фак
где М – плата в год за 1 кВт-ч заявленной потребителем максимальной мощности, участвующей в максимуме нагрузки энергосистемы;
N
– заявленная потребителем мощность, используемая в часы,
макс
являющиеся для данной энергосистемы часами максимум, кВт;
N
– фактическая мощность, потребляемая насосными агрега-
фак
тами при рассматриваемом режиме водопотребления, кВт;
σ – плата за 1 кВт-ч потребленной электроэнергии;
8760 – число часов в году.
Если принять, что наиболее нагруженный режим работы системы
водоснабжения (заявленная мощность) совпадает с максимумом
нагрузки энергосистемы, то N
макс/Nфак
= 1, и в этом случае:
σ = М / 8760 + а. (18)
Окончательно общие затраты на содержание и эксплуатацию
СПРВ определяются как:
С
об
= С
+ Сэл. (19)
сод
Общие затраты рассчитываются по каждому из сопоставляемых
вариантов проекта СПРВ. Наиболее экономичным вариантом является тот, у которого общие затраты наименьшие. Экономический
эффект от использования этого проектного варианта определяется как
разность затрат для сравниваемых вариантов по формуле:
Э = С
где С
об-в1
и С
– общие затраты у сравниваемых вариантов.
об-в2
об-в1
– С
12
, (20)
об-в2
При выборе лучшего варианта, кроме экономического эффекта,
в работе [6] предлагается учитывать выходной эффект работы СПРВ.
Им может быть количество воды, поданной потребителям в течение
года. При сравнении вариантов лучшим по надежности будет тот,
в котором снижение количество воды, поданной потребителям
(∆Q
), будет наименьшим. Эта величина может подсчитываться не
год
только для всей СПРВ, но и для отдельной ее части. Если при отключении i-гo участка длиной L
недодано воды в количестве ∆Q, л/с, то
i
за время расчетного режима длительностью t это количество будет
равно ∆Q
/ λ, то количество недоданной за год воды при его отключении
L
i
можно определить по формуле ∆Q
⋅t. Если частота отключения i-гo участка за год составит
⋅t⋅Li / λ.
В действующем своде правил [1] представлены в основном мгновенные показатели надежности, с помощью которых производится
оценка надежности отдельных состояний и определяется возможность
системы выполнять свои функции в данном состоянии. Для хозяйственно-питьевого водопровода в качестве мгновенных показателей
надежности приняты величина напора и расхода в водопроводной
сети. Нормированное значение напора зависит от этажности застройки, а расхода – от количества потребителей воды, нормы и режима
водопотребления, а также местных особенностей. Минимальное
допустимое нормативное значение напора устанавливается для наружной водопроводной сети 10 м, а допустимое снижение водопотребления не более 30-50 % от нормального.
Мгновенные показатели не позволяют оценить время нахождения системы подачи и распределения воды в том или ином состоянии, характеризующем уровень качества функционирования,
а также стабильность функционирования системы. Для этого необходимо использовать интегральные показателями надежности. В [6]
рекомендуется ряд таких показателей:
– интегральный показатель качества функционирования, усредненный на заданном интервале времени;
– выходной эффект, т.е. полезный результат, полученный при
эксплуатации системы за данный интервал времени;
13
– вероятность функционирования, т.е. вероятность того, что
система в заданном интервале времени будет работать на уровне
качества функционирования не ниже нормативного значения.
В [6] содержатся предложения дополнить существующие мгновенные показатели надежности функционирования СПРВ интегральными показателями надежности, такими как:
– среднее в течение года время нормального уровня качества
функционирования системы (Т
). В этот период в водопроводную
н
сеть подается расчетный расход, а во всех узлах обеспечивается
напор не ниже требуемой величины;
– среднее в течение года время сниженного до определенного
уровня качества функционирования (Т
). В этот период происходит
с
допустимое снижение уровня качества функционирования СПРВ по
сравнению с нормальным, в допустимых нормативными документами пределах;
– среднее в течение года время, когда уровень качества функционирования будет ниже допустимого по нормативным документам (Т
Т
= 1- (Тн + Тс).
а
). Этот показатель является производным и определяется как
а
По действующему СП [1] нормальная работа системы подачи
и распределения воды гарантируется только при полностью исправной водопроводной сети, т.е. Т
> То, где То – среднее в течение
н
года время нахождения объекта в исправном состоянии. Нижняя
граница надежности Т
= То имеет место, когда отключение любого
н
участка водопроводной сети приводит к снижению давления ниже
минимально допустимой величины в одном и том же месте (так называемой диктующей точке). Если же некоторая часть отключений
не понижает давления в диктующей точке, то Т
Вычисленные значения Т
, Тс, Та позволяют оценить надежность
н
> То.
н
водоснабжения проектируемой системы. Обычно высоконадежные
системы выполняют свои функции в полном объеме 98-99 % времени работы. Следовательно, если Т
< 0,98-0,99, то необходимо
н
предусмотреть мероприятия по повышению надежности функционирования СПРВ.
14
В практике проектирования и реконструкции широкое применение нашли следующие виды резервирования, с помощью которых можно компенсировать ухудшение условий работы водопровода при возникновении в нем неисправности:
- структурное резервирование;
- резервирование пропускной способности элементов водопро-
водной сети;
- временное резервирование;
- резервирование возможности создания дополнительного избы-
точного давления в СПРВ.
Структурное резервирование. Структурное резервирование
исторически является важнейшим способом повышения надежности любой системы водоснабжения, что нашло свое отражение
в нормативных документах [1], требующих проектирование и устройство кольцевых водопроводных сетей (КВС).
При структурном резервировании решается задача снижения значимости отдельных участков в КВС, что позволяет при их отключении
уменьшить объемы недоданной потребителям воды и поддерживать
более высокое давления в водопроводной сети в точках водоразбора.
При увеличении количества параллельно проложенных участков уменьшается значимость каждого из них в общей структуре
сети. Например, при четырех участках в сечении по каждому проходит 0,25 общего расход воды в сечении. При выключении одного
их них и пропуске того же количества воды потери напора в оставшихся участках возрастут в 0,33
2
/0,252 = 1,5 раза, а при двух
участках в сечении и выключении одного их них потери напора
возрастут в 4 раза.
Необходимо уделять серьезное внимание характеру присоединения водоводов к водопроводной сети. Если выполнять подключение водоводов от насосных станций или емкостей не к одному,
а к разным, по возможности имеющим между собой значительное
расстояние узлам, то обеспечивается рассредоточенная подача воды
в сеть. Участки сети, по которым вода поступает в сеть от точки
подключения водоводов, имеют меньшие диаметры, а их отключе-
15
ние при аварии в меньшей степени влияет на снижение УКФ системы. Важно отметить, что в случае подключения водоводов к разным
узлам возникает проблема с устройством перемычек между ними, так
как резко возрастает их длина и капитальные затраты на строительство.
Водоводы от насосных станций второго подъема в существующих
системах водоснабжения обычно имеют значительную протяженность,
поэтому их отключение приводит к значительному снижению давления в СПРВ. Для повышения надежности работы водоводов устраиваются перемычки, позволяющие отключить не весь водовод, а только
его часть.
Для оценки значимости каждого участка в работе СПРВ выполняются гидравлические расчеты с нефиксированными узловыми отбора-
ми и отключенными аварийными участками. Количество расчетов
определяется объемом рассматриваемых аварийных режимов. В результате расчетов выделяются критические аварийные сечения, в которых отключение ремонтного участка приводит к недопустимому
снижению УКФ.
Резервирование пропускной способности. Известно, что при
одних и тех же расходах воды с увеличением диаметров труб снижаются потери напора в трубопроводе, уменьшаются затраты электроэнергии на насосных станциях, но возрастает стоимость строительства водопроводной сети. При технико-экономических расчетах
СПРВ в таких случаях используется в качестве критерия оптимальности минимум приведенных затрат, включающих затраты на капитальное строительство и эксплуатацию системы. Обычно при проектировании водопроводной сети приведенные затраты выражают
через значения диаметров труб. Следует отметить, что очень часто
увеличение капитальных затрат на 10 % – 15 % практически не приводит к повышению приведенных затрат. Это позволяет увеличивать
диаметры труб отдельных участков сети и уже в проекте закладывать резерв пропускной способности на случай отключения участков или роста водопотребления объекта водоснабжения.
Как показали исследования [6], наиболее эффективным и действенным путем увеличения надежности работы кольцевых СПРВ
в этом случае является создание условий, при которых обеспечи-
16
вается нормальный уровень снабжения потребителя водой при
отключении одного участка (длиной 1 км) на 50 км функционирующих трубопроводов.
По литературным данным [6–10], частота аварий на водопроводной сети изменяется от 0,5 до 1,0 на 1 км трубопровода в течение
года, а время ремонта поврежденного участка в среднем составляет
1 сутки [1]. Например, водопроводная сеть протяженностью 50 км
будет находиться в неисправном состоянии от 25 до 50 суток в течение года.
Временное резервирование. Одним из способов повышения
надежности СПРВ является устройство регулирующих емкостей.
Резервуары различных типов и назначений широко используются
в системах водоснабжения. Регулирующие емкости представляют
собой гидравлические аккумуляторы, позволяющие обеспечивать относительно равномерный и экономичный режим работы насосных
станций, а также возможность покрытия пиковых расходов. Наличие
регулирующих емкостей позволяет снизить расчетные нагрузки водоводов и магистральных линий сети, что обусловливает снижение
затрат на строительство и эксплуатацию этих систем. Запасные емкости являются также эффективным средством обеспечения требуемой
надежности системы водоснабжения. Если увеличение числа водоводов есть вид резервирования, при котором увеличивается число
однотипных элементов системы, способных заменять друг друга, то
введение емкостей позволяет обеспечить подачу воды объекту даже
при полном временном прекращении работы трубопроводов, подающих воду в систему водоснабжения.
Метод повышения надежности систем водоснабжения введением
в нее емкостей носит специфический характер и известен под названием «временное резервирование». Здесь имеет место одновременное
использование элементов (сооружений) с различным характером
функций, которые при их совместной работе весьма успешно и экономично могут обеспечить любую требуемую надежность системы
СПРВ. Несколько парадоксальным, но справедливым можно считать
утверждение, что если бы каждый потребитель имел у себя достаточ-
17
ный запас воды для удовлетворения своих неотложных нужд на
время выполнения ремонтных работ, то отпала бы вообще необходимость в мероприятиях по структурному резервированию элементов
системы водоснабжения.
Виды емкостей, место их расположения в системе и роль в ее
функционировании весьма разнообразны. Емкости могут быть разделены на два класса – активные, или напорные, которые сами могут
отдавать содержащуюся в них воду, и пассивные, или безнапорные,
из которых вода должна забираться насосами. К первым относятся
водонапорные башни, напорные наземные резервуары, расположенные на возвышенных отметках местности, а также пневматические
установки. В большинстве случаев требования экономичности обуславливают совмещение в одном сооружении функций регулирования и хранения запасов воды.
Так как системы водоснабжения, как правило, обеспечивают водой различные категории потребителей, то возникает необходимость
иметь запасы воды для различных целей. В системах коммунального
водоснабжения резервы воды в соответствующих емкостях предусматриваются для обеспечения равномерной работы сооружений,
периодической промывки сооружений станций очистки воды, подачи
дополнительных количеств воды в сеть города для нужд пожаротушения (из наружных гидрантов) и для пожаротушения из внутренних
пожарных кранов. В системах производственного водоснабжения
используются различные запасные емкости в соответствии со специфическими потребностями технологических процессов, а также
резервные емкости для обеспечения нормальных функций водоснабжения в аварийных ситуациях. Возможность, целесообразность
и экономичность такого использования емкостей для повышения
надежности систем водоснабжения зависят от их конструкций, возможного расположения и сочетания отдельных сооружений системы
водоснабжения, а также ряда местных условий.
Одним из способов увеличения надежности СПРВ является размещение емкостей (в частности аварийных) в районах потребления
воды. Создание в таких местах емкостей выгодно также с точки зре-
18
ния экономичности системы водоснабжения, уменьшения амплитуды
колебания напоров в сети и условий пожаротушения. Однако не всегда рельеф местности позволяет размещать напорные наземные
контррезервуары. В таких условиях возможно сооружение комбинации безнапорных резервуаров, регулирующих узлов и подкачивающих насосных станций для подачи воды в сеть. Решение питания
таких емкостей без регулирования напора является, безусловно, наилучшим. Но даже в том случае, если вода будет подаваться в резервуар непосредственно из сети с дросселированием напора, это может
оказаться экономически выгодным по сравнению с сооружением
водонапорной башни. Чем выше будет расположена напорная
емкость и чем меньше потребуется напор для подкачки воды в сеть,
тем экономичнее будет система.
Резервирование возможности создания дополнительного избыточного давления. При отключении отдельных участков водо-
проводной сети гидравлическое сопротивление и потери напора
в трубопроводах возрастают. Для поддержания в сети требуемых
свободных напоров необходимо предусмотреть на насосных станциях возможность подачи воды под несколько большим напором, чем
при режиме нормального функционирования (обеспечить так называемый форсированный режим работы). Известно, что характеристика Q-H центробежного насоса аналитически описывается кривой,
близкой к параболе, и с уменьшением количества подаваемой насосом воды происходит возрастание напора. В отдельных случаях
требуемую величину подачи воды насосной станцией (Q) можно
обеспечить за счет изменении числа работающих агрегатов. Если,
кроме рабочих агрегатов, которые обеспечивают подачу воды в период максимального водопотребления (нормальный режим эксплуатации), при аварии в работу будут включены дополнительные
агрегаты (форсированный режим работы), подача Q может быть
осуществлена под большим напором, так как количество воды,
подаваемое отдельным насосом, уменьшится. Этот способ повышения давления в системе может быть эффективно использован, если
при нормальных режимах эксплуатации насосной станции подача
19
воды осуществляется при нахождении рабочей точки в пониженной
1-й
вариант
2-й
вариант
n-й
вариант
Протяженность трубопроводов, м:
и т.д.
№ диктующего узла
Высота водонапорной башни, м
Напор насосной станции, м:
при пожаре
Капитальные вложения (стоимость
трубопроводной сети), тыс. р.
Годовые затраты на оплату электроэнергии, тыс. р.
Общие годовые затраты, тыс. р.
Годовой экономический эффект,
тыс. р.
Количество недоданной потребите-
лям воды в течение года, м3/год
части рекомендуемой области кривой Q-H. Использование форсированного режима работы насосной станции позволяет увеличить ее
напор против нормального режима на 5-12 м.
В настоящее время свод правил [1] предусматривает установку
резервного насосного оборудования только для замены находящихся
в ремонте рабочих агрегатов (ремонтный резерв). Для создания дополнительного напора желательно предусмотреть установку на насосных
станциях специальных насосов, которые будут формировать оперативный резерв. Оперативный резерв позволит компенсировать небаланс
между подачей воды и ее потреблением, который может возникнуть
в результате непредвиденного снижения подачи при аварии, а также
в случае непредвиденного роста водопотребления.
При сравнении вариантов все технико-экономические показатели
рекомендуется сводить в таблицу, форма которой представлена ниже
(табл. 1).
Таблица 1
Технико-экономические показатели вариантов проекта СПРВ
Наименование показателей
d = 200 мм
d = 250 мм
d = 300 мм
при максимальном водопотреблении
при максимальном транзите
…
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]