3 Гідравлічний розрахунок водопровідної мережі

3.1 Побудова схеми кільцевої магістральної мережі та початковий розподіл потоків води

Розробка схеми магістральних ліній водопроводу починається з вибору місця розташування джерела чи кількох джерел постачання води безпосередньо у мережу. Залежно від ситуаційного плану та змісту завдання це може бути водонапірна башта чи інший напірний резервуар, насосна станція чи насосна станція разом з контррезервуаром та інше (дивись рисунок 1.3).

У розрахунково-графічній роботі чи контрольній роботі студентів спеціальності «Теплогазопостачання і вентиляція», як правило, використовується спрощена схема з одностороннім постачанням води в мережу від водонапірної башти чи насосної станції. Майбутнім магістрам рекомендується задати складнішу схему водопостачання.

Місцем розташування водонапірної споруди повинна бути найвища точка місцевості. Для вибору цієї точки потрібно орієнтуватися по горизонталях на плані (нагадаємо, що загальна висота башти повинна забезпечувати потрібний напір у розрахунковій точці).

Біля водонапірної башти, як правило, розташовується камера переключень, від якої відходять магістральні лінії. У випадку, коли башта знаходиться досить далеко від міста, камеру переключень розміщують у зручному місці у самому місті. Від башти до камери прокладається напірний водогін (колектор) не менше як у дві нитки (для надійності).

Від колектора прокладаються повздовжні магістральні водопровідні лінії до найвіддаленіших кварталів міста чи до окремо розташованих підприємств. Магістральні лінії потрібно намагатись розташовувати рівномірно по усій території міста. Таких ліній повинно бути не менше трьох-чотирьох. Трасування цих магістралей (для забезпечення достатніх напорів у споживачів і при цьому зменшення тиску в самих магістралях) треба здійснювати найвищими точками місцевості та намагатись зробити їх прямолінійними та найкоротшими. Як правило, магістральні лінії прокладають узбіччями вулиць, проїздами, майданами, паралельно лініям забудови, крізь парки (як виняток). З міркувань надійності такої системи повздовжні водопровідні лінії (труби) потрібно з’єднувати поперечними лініями (перемичками), утворюючи таким чином кільця. У розрахунково–графічній роботі чи контрольній роботі студентів бакалаврського напрямку кілець має бути не менше трьох (бажано чотири – шість). Майбутнім магістрам рекомендується будувати складнішу схему водопостачання (не менше шести кілець).

Вузлами мережі називають точки перетину її ліній, де влаштовують колодязі і в них розміщують засувки для відключення окремих ділянок. Після завершення трасування водопровідної мережі утворені вузли потрібно пронумерувати. Одночасно вузли відбору розбивають всю магістральну мережу на окремі ділянки, де номери вузлів є позначеннями початку і кінця кожної такої ділянки.

Після цього необхідно приступити до попереднього розподілу потоків води побудованою схемою мережі по окремих магістральних і з’єднувальних лініях. Попередній розподіл виконується з урахуванням таких головних міркувань:

• надійність мережі, тобто повинна бути забезпечена можливість живлення водою будь-якої ділянки мережі чи будь-якого вузла у випадку аварії на якій-небудь іншій ділянці;

• економічність мережі, тобто в кожний вузол мережі вода має подаватись по найкоротшому шляху.

При цьому слід намагатися максимально рівномірно розподілити потоки усіма паралельними магістралями (трубами). Перемички при нормальній роботі мережі практично не повинні брати участь у транзитній подачі води. Вони повинні активно використовуватися лише при аваріях для перепуску вод з однієї магістральної лінії в іншу. Разом з тим ці потоки мають відповідати відборам води з мережі споживачами. Оскільки розподіл відборів ще невідомий, то першим кроком попереднього розподілу потоків є визначення величин та місць відборів води.

На рисунку 3.1 зображено приклад схеми водопровідної мережі.

На цьому рисунку мережа магістральних ліній та перемичок має чотири кільця – пронумеровані великими римськими цифрами, дев’ять вузлів та одинадцять ділянок. Вода з водонапірної башти ВБ (вузол «0») двонитковою ділянкою подається до вузла 1. Від цього вузла відходять три магістральні лінії до вузлів «4», «6» та «9». Вузли «3» і «5»; «8» і «5»; «4» і «6» та «9» і «6» з’єднано перемичками, чим і утворено кільця.

В практиці проектування водопровідних мереж споживання води ділять на дві групи: зосереджене та розподілене. Зосереджене є найпростішим для розрахунку. Це, наприклад, водоспоживання промислового підприємства, яке відбирає воду з мережі у великих кількостях в одній точці (зосереджено). Ця точка є, як правило, вузлом мережі. Водоспоживання житловими будинками здійснюється на кожній ділянці мережі (між двома вузлами) у великій кількості точок невеликими витратами (розподілено) (рисунок 3.2).

При цьому в кожній такій точці водоспоживання виникає та припиняється виключно за бажанням споживача і є абсолютно некерованим. Фактичне споживання води з мережі відбувається з невідомою та постійно змінюваною інтенсивністю. Разом з тим для міста (району міста) у водоспоживання прослідковуються певні закономірності, а саме, години максимального та мінімального водоспоживання.

Для спрощення розрахунків водопровідних мереж населених місць розподілені витрати умовно відносять до одиниці довжини водопровідної мережі, вважаючи їх рівномірними в межах районів однієї щільності населення. Таку рівномірно розподілену витрату називають питомою витратою води і визначають за формулою

, (л/с · м), (3.1)

де – сумарна розподілена витрата води з мережі, (л/с);

– сумарна довжина усіх ділянок мережі з розподіленою витратою, (м).

При цьому в сумарну довжину не включають ділянки, які не мають підключень споживачів. Наприклад, ділянки, які прокладено незабудованою місцевістю, мостами, площами, парками, пустирями тощо. Таким чином отримують спрощену схему відбору води, в якій витрата води, що споживається з кожної ділянки мережі, пропорційна її довжині. Добуток питомої витрати на довжину розрахункової ділянки трубопроводу називають дорожньою витратою води

, (л/с), (3.2)

де – довжина ділянки від вузла і до вузла k (м), її визначають за масштабом ситуаційного плану міста.

Дорожня – це та витрата, яка відбирається споживачами з мережі в межах розрахункової ділянки. Розраховані дорожні витрати разом з довжинами ділянок трубопроводу необхідно нанести на схему мережі у вигляді (дивись рисунок 3.1).

Для подальшого спрощення схеми відбору води з мережі замінюємо дорожні витрати так званими вузловими витратами, тобто умовно зосередженими у вузлах мережі. Для цього дорожні витрати кожної ділянки ділять навпіл і приєднують до суміжних з ними вузлів мережі. Таким чином у кожному вузлі з’являється фіктивний зосереджений відбір води, який дорівнює півсумі всіх дорожніх витрат ділянок, що примикають до цього вузла

, (л/с), (3.3)

де – номер розрахункового вузла.

Розраховані вузлові витрати також потрібно нанести на схему мережі, позначаючи стрілками з відповідними написами (дивись рис. 3.1).

Після закінчення розрахунку вузлових витрат потрібно провести перевірку, а саме: сума вузлових витрат усіх вузлів мережі повинна дорівнювати розрахунковій витраті води у місті без врахування зосереджених витрат на промислових підприємствах. Якщо ця умова не виконується, то у розрахунках допущено помилку, потрібно перерахувати все знову.

Крім вузлових витрат на схему потрібно нанести також зосереджені відбори води (відбори промислових підприємств) також позначаючи їх стрілками.

В загальному випадку через кожну ділянку протікає не лише дорожня, а й транзитна витрата для живлення споживачів, які відбирають воду з наступних ділянок мережі. Транзитна витрата не змінюється в межах розрахункової ділянки, а дорожня зменшується від максимальної величини на початку до нуля в кінці ділянки. Розрахована таким чином витрата води на ділянці трубопроводу змінюється від + на початку ділянки до в кінці. Оскільки трубопровід в межах розрахункової ділянки маємо брати незмінного діаметра, то для правильного визначення втрат напору трубопроводи необхідно розраховувати на якусь проміжну (розрахункову) витрату. Вона має бути розрахована так, щоб справджувалась формула

, (л/с), (3.4)

де – транзитна витрата води на розрахунковій ділянці, (л/с).

Схему визначення розрахункової витрати на ділянці показано на рисунку 3.3.

Перед початком визначення розрахункових витрат необхідно намітити орієнтовні напрями потоків води у трубах від джерела водопостачання до найвіддаленіших вузлів мережі (в процесі розрахунку ці напрями можуть змінитись). На рисунку 3.1 біля кожної ділянки стрілкою показано попередній напрям руху води.

Розрахункові витрати зручніше визначати починаючи з найвіддаленіших від джерела водопостачання ділянок і вузлів, які не мають транзитних витрат. Для таких ділянок розрахункові витрати складатимуться лише з половини дорожніх, які є відомими. Потрібно пам’ятати, що зосереджені витрати (витрати промислових підприємств) є транзитними для усіх попередніх за потоком води ділянок мережі.

Із наближенням у розрахунках до джерела водопостачання будуть збільшуватися транзитні витрати, які потрібно розподіляти ділянками мережі. Щодо того як проводити розподіл немає суворих правил – проектувальник ділить його на свій розсуд. Наприклад, дуже часто прагнуть щоб витрати, які проходять ділянками трубопроводу, були приблизно рівними. Коли до вузла вода підходить двома ділянками, транзитну витрату ділять навпіл, коли трьома ділянками – її ділять на три рівні частини і так далі. Тоді діаметри труб цих ділянок можуть бути однаковими. Однак, коли кільцева мережа побудована таким чином, що на ній є головні магістралі (як правило, кілька паралельних ділянок, яким відводиться головна роль у транспортуванні води) та перемички (допоміжні трубопроводи, які з’єднують головні магістралі), то більшу транзитну витрату доцільно направляти по головних магістралях і значно меншу – перемичками. Це збільшує діаметри головних магістралей і зменшує гідравлічний опір кільцевої мережі.

Проводячи розрахунки треба пам’ятати, що окрім справджуваності формули (3.4) відповідно до першого закону Кірхгофа сумарна витрата води на всіх ділянках, якими вода виходить з вузла, повинна дорівнювати сумі витрат, що входять у вузол іншими ділянками. На виконання цього закону потрібно перевірити кожний вузол мережі.

Проведення початкового розподілу потоків є дуже важливим етапом проектування. Від результатів цього розподілу значно залежить ефективність функціонування спроектованої мережі. Варіантів розподілу може бути безліч. Тому результат залежить від досвіду та інтуїції проектувальника.

Після закінчення розподілу потоків проводиться перевірка: сума розрахункових витрат, які виходять з початкового вузла «1», повинна дорівнювати подачі води з джерела водопостачання, тобто загальному водоспоживанню містом (сумі усіх вузлових витрат, включаючи зосереджені витрати промислових підприємств). Якщо ця умова не виконується потрібно повторити розрахунки.

Розрахункові витрати потрібно нанести на схему водопровідної мережі поряд зі стрілкою, яка зображує напрям руху води (дивись рисунок 3.1).