Гусаковский_Езерский_Вуглинская_Романова_ Проектирование_водопроводной_сети_учеб_пособ_2014

Проектирование водопроводной сети

Глава 11. Пример проектирования водопроводной сети населенного пункта

Час максимального водопотребления

В соответствии с табл. 11.2 час максимального водопотребления наблюдается с 16 до 17 ч с расходом 826,2 м3/ч, или 229,5 л/с.

Этотрасходсостоитиз равномернораспределенного(путевого) расхода (606,8 м3/ч, или 168,6 л/с) и сосредоточенного (промышленное предприятие) расхода (219,4 м3/ч, или 60,9 л/с).

Подготовка водопроводной сети к расчету производится

вследующем порядке:

1.Определяется удельный путевой расход qуд,л/(с км), путем деления общего путевого расхода qп на сумму условных длин всех

участков lусл.уч :

qуд = qп∑lусл.уч .

Вусловнуюдлинуучастковневключаетсядлинапереходовпод дорогами и водными преградами, а также других участков, где не осуществляетсяотборводыизсети.Приодностороннемотбореводы на участке, что имеет место на участке 2–5, условная длина его принимается равной половине фактической длины. Длины участков определяются по генеральному плану и заносятся в табл. 11.3. В ре-

зультатесуммаусловныхдлинвсехучастков lусл.уч получиласьрав-

ной 7,56 км. Соответственно:

qуд = 168,6 / 7,56 = 22,3 л/(с км).

2. Определяется величина путевых расходов всех участков, л/с, умножением удельного расхода на условную длину участка:

qп.уч qуд lусл.уч .

Результаты вычислений заносятся в графу 3 табл. 11.3.

3. Вычисляются узловые расходы, л/с, как сумма сосредоточенногорасхода qсоср.узл иполусуммапутевыхрасходовучастков,примыкающих к узлу, qп.уч.узл:

qузл = ∑qсоср.узл +0,5∑qп.уч.узл.

Проектирование водопроводной сети

Сумма всех узловых расходов должна быть равна величине максимального (расчетного) часового расхода воды в населенном пункте.

Сосредоточенный расход промышленного предприятия привя-

Итого: 229,5 л/с

4.Составляетсярасчетнаясхемаводопроводнойсети(рис.11.5), на которой наносятся полученные значения узловых расходов. Затем намечаетсяпервоначальноераспределениепотоковводыповсемучасткам сети и определяются предварительные расчетные расходы на

Глава 11. Пример проектирования водопроводной сети населенного пункта

участках. При этом алгебраическая сумма расходов в каждом узле должна быть равна нулю.

Так, например, в узел 1от насоснойстанции 2-го подъема подается 229,5 л/с воды, из которых 14,6 л/с отбираются в узле. Из узла 1 90 л/с направляется по участку 1–2, а оставшиеся 124,9 л/с – по участку 1–4. Соответственно алгебраическая сумма расходов в узле 1

229,5 – 90,0 – 124,9 – 14,6 = 0 и т. д.

Прираспределениипотоковводыследуетстремитьсяктому,чтобы основным водопотребителям вода подавалась по наикратчайшим расстояниям.Приэтомнеобходимоучитыватьтребованиебесперебойной подачи воды, что достигается обеспечением взаимозаменяемости водопроводных линий при аварии. Для выполнения этого требования параллельные магистрали загружаются относительно равномерно.

Значения расходов на каждом участке наносятся на схему согласно форме записи, которая указана на рис. 11.5. Направления потоков на каждом участке отмечаются стрелками.

Час максимального водопотребления и пожаротушения

В этот период работы СПРВ к максимальному часовому расходу 229,5 л/с добавляется расход на тушение двух пожаров 30 + 30 = = 60 л/с. Соответственно суммарный расход составит 289,5 л/с. Расходы воды на тушение пожаров являются сосредоточенными и добавляются к расходам узлов, в которых намечаются возможные пожары. В рассматриваемой схеме места пожаров намечаются в узлах 6 и9как самых высоких инаиболее удаленныхот насоснойстанции. Расходы в этих узлах увеличиваются по сравнению с рассмотренными ранее на 30 л/с.

Путевые расходы в час максимального водопотребления и пожаротушения сохраняются такими же, как и в предыдущем случае, поэтому расчетов по определению путевых и узловых расходов дополнительно производить не требуется.

Затем составляется расчетная схема водопроводной сети для этого периода работы системы (рис. 11.6), на которой наносятся значения узловых расходов и обозначаются места возникновения пожаров.Послеэтого,какивпредыдущемслучае,производитсяпервоначальное распределение потоков воды по всем участкам сети и определяютсяпредварительныерасчетныерасходыводынаучасткахсети.

Проектирование водопроводной сети

Назначение диаметров трубопроводов на участках водопроводной сети

Для устройства магистральной водопроводной сети принимаются напорные трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным гра-

фитом (ВЧШГ) класса ЛА по ТУ1461-37-025-4094–2008 [10] без це-

ментного покрытия. При определении диаметров участков сети используется таблица, приведенная в прил. 3.

Диаметры всех участков водопроводной сети и водоводов назначаютсянаоснованиипредварительныхрасчетныхрасходов, установленных при первоначальном распределении потоков, исходя из наиболее экономичных скоростей потока. Одновременно рассматриваютсярасчетныесхемыводопроводнойсети,разработанныедлявсех расчетных периодов работы сети. Это позволяет при подборе диаметров водопроводных линий производить анализ скоростей движения воды в трубах во все расчетные периоды.

При подборе диаметров, кроме экономических факторов необходимо учитывать обеспечение взаимозаменяемости участков сети при авариях.

При назначении диаметров участков проектируемой водопроводной сети рассматриваются одновременно расчетные схемы для первого периода работы сети (см. рис. 11.5) и второго (см. рис. 11.6).

Для удобства анализа при выборе диаметров участков с учетом их работы в различные расчетные периоды составляется табл. 11.4.

Диаметртруб400ммнаначальныхучасткахводопроводнойсети 1–2 и 1–4 принимается с некоторым запасом с учетом обеспечения взаимозаменяемости участков при аварии на одном из них. На том же основании конструктивно принимается диаметр трубы 250 мм на участке 4–5 (малонагруженная перемычка). Кроме того, с позиций взаимозаменяемости в одном кольце не должно быть более двух сортаментов труб, в кольце IV на участке 7–8 принимается диаметр 200 мм вместо 150 мм.

Наконцевыхучасткахсетидляобеспеченияпропускарасходаводы на пожаротушение диаметры труб принимаются равными 150 мм.

Диаметры водоводов, соединяющих насосную станцию второго подъема с узлом 1, в соответствиис рекомендуемыми скоростями, назначаются400мм,т. е.такимиже,как начальныеучасткиводопроводной сети.

Глава 11. Пример проектирования водопроводной сети населенного пункта

11.4.2. Гидравлическая увязка водопроводной сети

Час максимального водопотребления

Перед началом гидравлическойувязкипо таблице прил. 3 определяем величину 1000i для каждого участка в зависимости от диаметра трубопровода и расхода, принятого при первоначальном потокораспределении. Результаты расчета заносим в табл. 11.5.

Увязка кольцевой водопроводной сети для этого расчетного периода производится вручную по методу М. М. Андрияшева.

Для принятых первоначально расчетных расходов производится расчет потерь напора на каждом участке по формуле

h =1000i l.

Затем вычисляетсяалгебраическая суммапотерь напорав кольцах. Приэтом потерямнапора на участках, где поток движется в рассматриваемом кольце по часовой стрелке, присваивается знак плюс, а при обратном движении – знак минус.

Проектирование водопроводной сети

Чащевсегоалгебраическаясуммапотерьнапоравкольцахвэтом случае равна не нулю, а некоторой величине h, которая и называется невязкой в кольце. Невязке присваивается знак, соответствующий знаку преобладающих потерь напора в кольце.

Расчет невязок при первоначальном распределении потоков представлен в табл. 11.5.

Невязка во внешнем контуре 1–2–3–6–9–8–7–4–1

hк = 0,84 + 1,32 + 1,69 + 1,27 – 0,92 – 0,32 – 2,48 – 2,12 = –0,72 м.

Анализ полученных данных позволяет производить увязки в отдельных кольцах или контурах, поэтому сначала производится увязка в I и III кольцах. Интуитивно в I кольце пропускается против часовой стрелки поправочный расход 5 л/с, а в кольце III – по часовой стрелке поправочный расход 1 л/c. Поправочный расход добавляется к расходам на участках, имеющих совпадающее с ним направление, и вычитается из расходов, имеющих противоположное направление.

Глава 11. Пример проектирования водопроводной сети населенного пункта

По новым расходам вычисляются потери напора на участках и невязки в кольцах (табл. 11.6).

После первой увязки в кольцах III и IV невязка больше, чем востальных,поэтомувтораяувязкаосуществляетсяужевэтихкольцах.

Поправочные расходы q определяем по формуле

∆q = qср∆h(2∑h),

где qср – средняя величина расхода для всех входящих в контур участков; h– невязкавконтуре; ∑h – суммаабсолютныхвеличинпотерь

напора в контуре.

Для кольца III поправочный расход составит:

0,18

qIII = (14,0 + 8,5 + 6,4 + 19,2) 4 2(0,78+1,59+0,68+1,87) = = 0,2 л/с.

Поновымрасходамопятьвычисляютсяпотеринапоранаучастках и невязки в кольцах (табл. 11.7).

В результате второй увязки оказалось,чтоневязкивовсехкольцах меньше допустимой величины 0,2 м, принятой для ручного счета.

Проверяется невязка во внешнем контуре кольцевой сети: hк = 0,74 + 1,32 + 1,68 + 1,66 – 0,63 – 0,31 – 2,44 – 2,23 = –0,21 м.

Водопроводная сеть считается увязанной, так как полученные невязки во всех кольцах магистральной сети и во внешнем контуре не превышают принятых допустимых значений при ручном счете.

Глава 11. Пример проектирования водопроводной сети населенного пункта

Привыбореконтуровдляувязкисетивозможныдругиеварианты, например объединяющие два или три кольца.

Потеря напора в водоводах от насосной станции 2-го подъема к узлу 1 протяженностью l = 0,7 км при диаметре водовода 400 мм и расходе 114,75 л/с

hв = 1000i lв = 2,44 0,7 = 1,71 м.

Результаты всех вычислений в процессе увязки сети записываются непосредственно на расчетной схеме (см. рис. 11.5).

Час максимального водопотребления и пожаротушения

Гидравлическая увязка водопроводной сети вчас максимального водопотребленияипожаротушенияпроизводитсясиспользованиеммашинногосчетапопрограммам,которыеприменяютсянакафедре водопользования и экологии СПбГАСУ.

Результатыгидравлическойувязки водопроводнойсети, выполненной на ЭВМ, записываются на расчетной схеме сети (рис. 11.7).

Потери напора в водоводах от насосной станции 2-го подъема к узлу 1 протяженностью 0,7 км при расходе 144,75 л/с

hв = 1000i lв = 3,30 0,7 = 2,31 м.

11.4.3. Пьезометрический анализ СПРВ, построение графиков пьезометрических линий и линий равных напоров

На основании выполненных расчетов производится пьезометрический анализ СПРВ. Перед проведением пьезометрического анализа необходимо подготовить схемы водопроводной сети для всех расчетных периодов ее работы с указанием окончательных потерь напора на участках и направлений потоков воды. Кроме того, необходимовсоответствиисгенеральнымпланом установитьотметкиземли всехузловводопроводнойсети,насоснойстанции2-гоподъемаиРЧВ.

На первом этапе определяются пьезометрические отметки в узлах сети и насосной станции 2-го подъема. Расчет начинается с диктующей точки. В качестве диктующей точки назначается самый вы-

Проектирование водопроводной сети

Рис. 11.7. Расчетная схема водопроводной сети для часа максимального водопотребления и пожаротушения (гидравлически увязанная сеть)

Глава 11. Пример проектирования водопроводной сети населенного пункта

сокорасположенный и удаленный от насосной станции 2-го подъема узел, в котором наиболее сложно создать требуемый свободный напор. В проектируемой схеме водопроводной сети диктующая точка для обоих расчетных периодов работы сети будет в узле 9.

Пьезометрическая отметка в диктующей точке рассчитывается как сумма отметки земли и свободного потребного напора Нсв.тр, которыйопределяетсявсоответствиисрекомендациями[1].ВчасмаксимальноговодопотребленияНсв.тр устанавливаетсявзависимостиот этажности застройки. В час пожаротушения Нсв.тр принимается 10 м.

Для населенного пункта с шестиэтажной застройкой в час максимального водопотребления

Нсв.тр = 10 + 4 (6 – 1) = 30 м.

Соответственно пьезометрическая отметка:

Zп9 = Z9 + Нсв.тр = 23,10 + 30,00 = 53,10 м,

где Z9 – отметка земли в узле 9.

Затем определяют пьезометрические отметки в остальных узлах, двигаясь по схеме последовательно от диктующей точки к соседним узлам и далее от узла к узлу. При этом пьезометрическая отметка в соседнем узле определяется как сумма (или разность, в зависимости от направления потока воды на участке) известной пьезометрической отметки и потерь напора на участке между узлами:

Zп6 = Zп9 + h6–9 = 53,10 + 1,66 = 54,76 м.

Zп8 = Zп9 + h8–9 = 53,10 + 0,63 = 53,73 м.

Zп5 = Zп8 + h5–8 = 54,76 + 0,80 = 55,56 м и т. д.

Такимобразомопределяютсяпьезометрическиеотметкинетолько в узлах, но и в насосной станции.

Расчеты пьезометрических отметок производятся для всех расчетных периодов работы СПРВ и сведены в табл. 11.8.

Затем производятся расчеты свободных напоров в узлах, величина которых определяется как разность пьезометрической отметки и отметки земли. Анализ величины свободных напоров позволяет определить, действительно ли выбранная ранее диктующая точка являетсядиктующей. ЕслиузловсНсв меньшевеличиныНсв.тр вводопроводной сетине имеется, то диктующая точка выбрана правильно. ЕслипоявилисьузлысНсв меньшевеличиныНсв.тр,тодиктующаяточка напредварительныхрасчетахбылавыбрананеправильно.Вэтомслучае диктующая точка переносится в узел с наименьшим свободным напором. В узле устанавливается Нсв = Нсв.тр и определяется новая пьезометрическая отметка в узле. Затем изменяются пьезометрические отметки в остальных узлах добавлением той же величины напора, которая была добавлена в новой диктующей точке.

Впроектируемой схеме водопроводной сети диктующая точка

вузле 9 выбрана правильно, так как Нсв меньше Нсв.тр не имеется

(см. табл. 11.8).

Кроме того, анализ свободных напоров в узлах позволяет выявитьузлыснапорами,превышающимидопустимуювеличину(60м). Впроектируемойсхемеводопроводнойсетинапоров,превышающих допустимую величину, не имеется.

Глава 11. Пример проектирования водопроводной сети населенного пункта

Построение графика пьезометрических линий

Наглядное представлениео напорахв СПРВ даетграфик пьезометрических линий, который строится на основанииполученных ранее величин пьезометрических отметок. На одном графике производится анализ напорных характеристик для всех расчетных периодов.

Для построения графика пьезометрических линий выбирается контурНС–1–2–3–6–9,проходящийчерезобеточкипредполагаемых пожаров. По принятому контуруна графике (рис. 11.8) строится профиль поверхности земли по геодезическим отметкам узлов.

На построенный профиль из табл. 11.8 наносятся пьезометрические отметки в узлах и НС 2-го подъема. Точки пьезометрических отметок соединяются прямыми линиями, получается график пьезометрических линий.

Построение линий равных свободных напоров

Важной напорной характеристикой водопроводной сети являются линии равных свободных напоров, которые строятся на схеме водопроводной сети. В соответствии с заданием построение линий равных напоров выполняется только для часа максимального водопотребления. Сначала на схеме водопроводной сети (рис. 11.9) наносятся свободные напоры в узлах. Затем на участках между узлами пропорциональнодлиненаносятсяточки,соответствующиенапорам, кратным единице. После этого точки с равными напорами соединяются плавными линиями и получается схема линий равных напоров, которые дают наглядную характеристику гидравлической нагрузки отдельных участков сети. Большая плотность линий равных напоров наединицудлиныприспокойномрельефеместностиговоритобольшой гидравлической нагрузке на участке, и наоборот.

Анализ линий равных напоров запроектированной сети показывает, что все участки нагружены достаточно равномерно.

11.4.4. Подбор насосов насосной станции 2-го подъема

ПотребныйнапорнасосовH насоснойстанциивторогоподъема для всех расчетных периодов определяется с использованием построенных ранее графиков пьезометрических линий из выражения

Проектирование водопроводной сети

H = Hп – ZРЧВ + hНС,

где Hп – пьезометрическая отметка (пьезометрический напор) в точке расположения насосной станции 2-го подъема, которая в час максимального водопотребления равна 60,42 м, в час пожаротушения – 58,76 м; ZРЧВ – минимальный уровень воды в резервуаре чистой воды (РЧВ), который в час максимального водопотребления составляет 12,50 м, в час пожаротушения – 10,50 м; hНС – потери напора в насосной станции, которые могут быть приняты в час максимального водопотребления равными 2,5 м, в час пожаротушения – 3 м.

Потребный напор насосов насосной станции второго подъема в час максимального водопотребления равен:

Hч max = 60,42 – 12,50 + 2,50 = 50,42 м.

Соответственно, в час пожаротушения:

Hч пож = 58,76 – 10,50 + 3,00 = 51,26 м.

Расчетная производительность (максимальная qч max и мини-

мальная qч min) насосов насосной станции 2-го подъема в СПРВ без водонапорной башни соответствует максимальному и минимальному часовому водопотреблению в населенном пункте. Эти величины определяются по таблице или графику водопотребления.

В соответствии с графиком водопотребления qч max = 826,2 м3/ч

(229,5 л/с) и qч min = 481,6 м3/ч (133,8 л/с).

Количество рабочих насосов в насосной станции должно быть не менее двух.

Придвухрабочихнасосахвслучаевыключенияодногоизнасосов производительность оставшегося в работе насоса составит

826,2 1,11/2 = 458,5 м3/ч,

где 1,11 – коэффициент параллельности.

Этавеличинаменьшеминимальногочасовоговодопотребления, поэтому и в час минимального водопотребления должны будут работать дванасоса. Приэтомпроизводительностькаждого изних соста-

Глава 11. Пример проектирования водопроводной сети населенного пункта

вит 481,6 / 2 = 240,8 м3/ч, что почти вдвое меньше расчетной производительности и не будет соответствовать рабочей зоне характеристики насоса. При применении частотного регулирования характеристик одного из насосов диапазон изменения параметров в час минимального водопотребления будет больше допустимой величины.

Поэтому принимается решение об установке трех рабочих насосов в насосной станции 2-го подъема. При трех рабочих насосах в случае выключения одного из насосов производительность оставшихся в работе насосов составит

826,2 2 1,11 / 3 = 611,4 м3/ч.

В этом случае при применении частотного регулирования характеристик одного из насосов будет обеспечена работа насосов

впределах рекомендуемых параметров рабочих характеристик как

вчасы минимального, так ив часы максимального водопотребления. Расчетнаяпроизводительностьодногонасосавчасмаксимально-

го водопотребления при трех рабочих составит 826,2 / 3 = 275,4 м3/ч при потребном напоре 50,42 м.

В соответствии с каталогом центробежных насосов к установке принимаютсянасосы1Д315-50счастотойвращениявала2900об/мин.

Далее проверяется возможность подачи этими насосами необходимого расхода воды в час пожаротушения, который составляет

826,2 + 30,0 2 3,6 = 1042,2 м3/ч.

Соответственно подача одного насоса равна:

1042,2 / 3 = 347,4 м3/ч.

При этом потребный напор в час пожаротушения выше, чем в час максимального водопотребления, и равен 51,26 м.

Анализрабочейхарактеристикинасоса(рис. 11.10)показывает, что при такой производительности насосы создают напор 47,0 м, что ниже требуемого при тушении пожара. Это говорит о том, что в период пожаротушения требуется включение дополнительного насоса. Причетырехрабочих насосах1Д315-50 вчас пожаротушенияпроиз-