Раздел 3: Определение оптимального диаметра магистральных водоводов.

Определение оптимального диаметра труб водопроводных сетей является одним из основных разделов при проектировании, расчете и организации систем подачи и распределения воды.

Расчет диаметров труб производится по максимальному секундному расходу воды.

Оптимальный диаметр труб определяется путем технико-экономической оптимизации и характеризуется наименьшей величиной затрат на строительство и эксплуатацию системы водоснабжения, как правило с использованием метода приведенных затрат:

П = Ен * К + Стыс. руб. / год

где:

С - годовые эксплуатационные (текущие) расходы, тыс.руб. / год;

К- капитальные вложения на создание системы водоснабжения, тыс.руб.

Ен – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений ( 1/год), позволяющий приводить капитальные затраты к годовой размерности для сопоставления вариантов; его нормативное значение принимается в размере 0,15.

В контрольном задании определяется оптимальный диаметр магистральных водоводов от насосной станции 1-го подъема до станции очистки воды. Расчет начинается с определения необходимого количества труб, исходя из средней нагрузки на одну водопроводную трубу от 350 до 500 л/сек. с использованием следующей таблицы 10, приведенной ниже (автор Ф.А.Шевелев)

Таблица 10

1	Условный диаметр, мм	50	60	75	80	100	125	150	175	200	250	300
2	Нагрузка на трубу, л/сек/скорость движения воды, м/сек	3,6 / 1,12	4,7 / 1,22	6,6 / 1,22	9,3 / 1,31	13,4 / 1,32	19 / 1,37	25 / 1,28	33,4/1,48	53 / 1,54	82 / 1,5	118 / 1,55

350	400	450	500	600	700	800	900	1000	1200	1400	1500	1600
161/ 1,56	211/ 1,56	268/ 1,57	360/ 1,72	507/ 1,74	676 / 1,74	888 / 1,75	1130/ 1,76	1528/ 1,93	2197/ 1,94	2810/ 1,82	3248/ 1,84	7500/ 3,5

Для выбора оптимального диаметра водоводов после предварительного расчета числа труб и необходимого диаметра труб посекундному расходу воды следует принять для дальнейшего рассмотрения и сравнения вариантов пять последующих больших диаметров из которых по минимуму приведенных затрат выбираем наиболее экономичный вариант.

Длина магистральных водоводов принимается в соответствии с индивидуальным заданием.

При расчете капитальных затрат длина водоводов умножается на стоимость прокладки 1 пог. м. труб, которая зависит от диаметра и глубины заложения. Зависимость удельной стоимости прокладки водопроводных труб от их диаметра и глубина заложения представлена в следующей таблице 11 (в тыс. руб.):

Таблица11

d, мм глубина проклад- ки	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1200	1600
2 м	6	10,6	15,5	24,7	33	39,6	44,7	56	66,5	70,5	89	102
3 м	7,9	11,8	16,8	26,1	34,2	41	46	51,5	68	71,5	90	104

Таким образом, для расчета капитальных затрат на прокладку магистральных труб необходимо построить следующую вспомогательную таблицу 12:

Таблица 12

Диаметр трубы, мм

Длина водоводов, м

Стоимость прокладки 1м, руб.

К, млн. руб.

Ен * К, млн. руб. Ен = 0,15

Для определения текущих расходов (С) на эксплуатацию водоводов используется следующая формула:

С = С₁ + С₂ +А, тыс. руб. / год

где С₁ – стоимость израсходованной электроэнергии на перекачку воды (т.е. на движение воды по трубам);

С₂ – затраты на установленную мощность трансформаторов к насосу;

А – амортизационные отчисления от стоимости магистральных водоводов.

1) Значение С₁ определяется из выражения:

С₁ = N * T * S / 10⁵, тыс. руб. / год

где N – мощность, потребляемая электродвигателем насоса, кВт.;

Т – время непрерывной работы насоса часов в год;

S – стоимость 1-го кВт/час.;

В свою очередь мощность насосов рассчитывается по следующей формуле:

N = (q * H_общ / 102 * ₁ * ₂ * ₃) * 

где: q – производительность насоса, литров в сек.;

₁ * ₂ * ₃ – КПД насоса, электродвигателя и передач. Для расчетов принимается в пределах 0,75 – 0,85;

 - коэффициент запаса мощности на пусковой момент. При мощности насоса более 100 кВт,  = 1,05 при менее 100 кВт - = 1,15;

H_общ – общие потери напора при перемещении воды для данного диаметра трубы, в м. водяного столба

При перемещении по трубам затрачивается определенное количество энергии, которая расходуется на компенсацию потерь напора воды, на преодоление трения в трубе, на местное сопротивление, на геодезическую высоту, и сопротивление воды в самой насосной станции. Таким образом H_общ складывается из:

H_общ = H_тр + H_м.сопр + H_нас + H_{геод.высот}

H_тр – потери напора на трение

H_м.сопр – потери напора на местное сопротивление

H_нас – потери напора на насосной станции

H_{геод.высот} – потери напора на геодезическую высоту

Потери напора на трения необходимо определить по следующей формуле:

H_тр = *А * q² / 10⁶ где:

 - длина водовода, км

А – удельное сопротивление, зависящее от диаметра трубы, его значение для различных диаметров приводится ниже в табл.13:

Таблица13

D, мм	300	350	400	450	500	600	700	800	900	1000	1200	1400
А	0,8466	0,3731	0,1859	0,09928	0,05784	0,02262	0,01098	0,005514	0,002962	0,001699	0,0006543	0,0002916

Потери напора на местное сопротивление принимаются в размере 5% от потерь на трение.

Потери напора в насосных станциях H_нас принимаются в соответствии с таблицей 14:

Таблица 14

, мм	400	500	600	700	800	900	1000	1200	1400
Hнас	10	9	8	7	6	5	4	3	2

Потери напора на преодоление геодезической высоты в контрольном задании отсутствуют.

Расчеты сводятся в следующую вспомогательную таблицу 15:

Таблица 15

d, мм

L, км

q

A

Hтр

Hм.сопр

Hнас

Hгеод.выс

Hобщ

Далее определяются затраты на установленную мощность трансформаторов к насосам по следующей формуле:

С₂ = N * S₂ / (cos * 10³)

Где:

N – потребляемая мощность электродвигателя к насосу;

S₂ – стоимость 1-го кВт установленной присоединенной мощности;

cos = 0,83 – 0,87

Норма амортизационные отчисления составляют в среднем 4 – 5% от стоимости прокладки магистральных трубопроводов.

Все расчеты данного раздела контрольного задания сводятся в итоговую таблицу 16:

Таблица 16

d, мм

C1, тыс.руб. в год

C2, тыс.руб. в год

А, тыс.руб. в год

Собщ, тыс.руб. в год

К, тыс. руб.

Eн*К, тыс.руб. в год

П, тыс.руб. в год

По минимальной величине приведенных затратПпроисходит выбор оптимального диаметра трубопровода.