На выбор наиболее экономически эффективной схемы городской сети влияет целый ряд факторов, к которым относятся:
– рельеф территории города;
– этажность застройки в разных районах города;
– стоимость электроэнергии;
– распределение расходов по часам суток;
– строительная стоимость трубопроводов разных диаметров, уложенных на необходимой глубине, в конкретных грунтах с учетом уровня грунтовых вод;
– стоимость арматуры и сооружений на сети (колодцев);
– возможность оборудования насосных станций устройствами, плавно изменяющими число оборотов электродвигателей насосов;
– заданный срок окупаемости сооружений.
Схема сети города должна отвечать требованиям надежности. Одно из основных условий надежности – система должна сохранять свою работоспособность при выходе из строя одного или нескольких элементов (например: насосов, участков сети, отключающих задвижек и т.п.).
В сети не должно поддерживаться излишне высокое давление – это приводит к увеличению количества аварий и к возрастанию утечек из сети. Конструкция сети должна отвечать требованиям ремонтопригодности, чтобы можно было в короткие сроки устранять аварии и неисправности.
Эффективная эксплуатация сети достигается устройством системы автоматического и дистанционного управления, основанного на применении ЭВМ.
Долговечность сети обеспечивается, в частности, защитой трубопроводов от наружной коррозии и от зарастания и коррозии внутренней поверхности труб. В последние годы достигнут значительный прогресс в этом направлении – применяются трубы из полимерных материалов, эффективные антикоррозионные покрытия.
Необходимо также предусматривать мероприятия по защите от гидравлических ударов.
Санитарная надежность сети требует такого режима работы, при котором исключаются регулярные перерывы в подаче воды в сеть. Прекращение подачи воды может вызвать понижение давления на отдельных участках ниже атмосферного и подсасывание в систему загрязненной воды.
Наконец, система водоснабжения должна иметь возможность адекватного реагирования на возникновение форс-мажорных (чрезвычайных) ситуаций, например, при катастрофическом понижении уровня воды в источнике или затоплении при наводнении, при возникновении эпидемической угрозы из-за бактериологического или токсического загрязнения воды и т.д.
Все выше перечисленные факторы могут непосредственно влиять на выбор общей схемы водоснабжения и сети.
Нормами [1] устанавливаются категории надежности систем водоснабжения.
К первой категории относятся системы обслуживающие населенные пункты с числом жителей не менее 50 тысяч человек. В таких системах допускается снижение подачи воды на хозяйственно-питьевые нужды не более 30% расчетного расхода; длительность снижения подачи не должна превышать 3 суток.
Перерыв в подаче воды на время выключения поврежденных элементов системы и включение резервных не должен превышать 10 минут.
Вторая категория надежности относится к системам, обслуживающих от 5 до 50 тысяч человек. Допускается снижение подачи на 30% сроком до 10 суток, перерыв в подаче воды – до 6 часов.
Третья категория надежности – к системам, обслуживающих менее 5 тысяч жителей. Допускается снижение подачи на 30 % сроком до 15 суток, перерыв в подаче воды – до 24 час.
В населенных пунктах водопроводную сеть выполняют в виде колец. Так, если на участке 1 – 3 (рис. 3) случается авария, и участок отключают задвижками a и b, остальные участки продолжают удовлетворительно питаться водой. Длина участков магистральной сети принимается обычно в пределах 400 – 800 м. Уменьшение длины отключаемых участков приводит к излишним затратам – увеличивается количество задвижек; увеличение длин снижает надежность из-за отключения протяженных линий. Внутри магистральных колец разводка труб по отдельным зданиям может выполняться по тупиковой схеме, не исключено дополнительное кольцевание внутри кварталов (рис. 4).
Рис.3
Тупиковое начертание сети, хотя и требует меньшей протяженности, чем кольцевое, но уступает по надежности (рис. 5). Так, если возникнет необходимость отключить участок 1-2, без воды останется весь район города. На сети могут устраиваться дополнительные резервуары и насосные станции подкачки, водонапорные башни.
 |  | ||
Рис. 4 Рис.5
В общем случае при решении вопроса о выборе схемы водопроводной сети приходится выполнять технико-экономические расчеты для определения наилучшего варианта.
Отступление от темы.
Для того чтобы, продуктивно обсуждать с читателем вопросы, касающиеся выбора схемы водоснабжения, необходимо убедиться, не забыты ли некоторые элементарные понятия из курса гидравлики. Предлагается внимательно рассмотреть рисунок (рис. 6) и обратить внимание на названия и взаимосвязь основных элементов гидравлической схемы, и их численные значения. По трубопроводу движется вода с постоянным расходом.
Основные зависимости:
Пьезометр П = z + H, м, где z – отметка трубы, Н – напор, м. Давление
 |
р = r*g*H, Па, где r = 1000 кг/м3 – плотность воды, g = 9,81 м/с2.
Рис. 6 Элементы высотной гидравлической схемы
Пример. Необходимо выбрать схему водоснабжения города, высотная схема которого показана упрощенно на рис.7.
Вариант a. Одна насосная станция с одной группой насосов обеспечивает весь город водой, подавая воду до самой удаленной точки C. Строительная стоимость, по сравнению с другими схемами, минимальная.
Недостаток: на участке A-B приходится поддерживать очень высокий напор, что требует дополнительных устройств на сети, параллельных линий, подключенных через регуляторы, снижающих давление. По условиям эксплуатации внутренних санитарно-технических устройств давление не должно превышать 600 кПа (напор 60 м.).
Расход электроэнергии значительный, т. к. приходится весь объем воды, подаваемый в город поднимать на пьезометрическую отметку в точке А.
 |
Рис.7. Варианты схем водоснабжения города: 1 – резервуар чистой воды;
2 – головная насосная станция; 3 – локальные насосные станции подкачки;
4 – промежуточная насосная станция; 5 - контррезервуар
Вариант б. В насосной станции 2 устанавливают две группы насосов, одна из которых снабжает нижнюю зону, вторая – верхнюю зону города. Зоны могут быть изолированы друг от друга или соединяться перемычками в точке B.
Расход электроэнергии снижен, по сравнению с вариантом а, так как на большую высоту приходится поднимать только объем воды верхней зоны. К недостатку схемы следует отнести необходимость дополнительных затрат на прокладку транзитного трубопровода на участке А-В, питающего верхнюю зону. Недостаток напора у некоторых многоэтажных зданий требует устройства локальных насосных станций подкачки 3.
Вариант в. В точке В устраивается дополнительная насосная станция с резервуаром или без него, это требует дополнительных капитальных затрат, однако расход электроэнергии по этой схеме наименьший.
Вариант г. На высокой отметке в точке D устраивается емкость (так называемый "контррезервуар") куда по отдельному транзитному трубопроводу A-B-C-D подается вода, а оттуда вода самотеком направляется в город.
На первый взгляд схема малоэффективна – высокий расход электроэнергии, требуется дополнительный транзитный трубопровод. Однако, бывают условия, при которых вариант предпочтителен.
Организации, реализующие электроэнергию, могут отпускать ее в ночное время по пониженной стоимости, т. к. электростанции ночью недогружены и заинтересованы в ночной нагрузке.
Наполняя резервуар 5 ночью, можно существенно снизить расход электроэнергии на подъем воды.
Кроме того, имея запас воды в высокой точке, можно подавать воду в город даже при дневном отключении электроэнергии. Кстати, по такой схеме осуществляется водоснабжение города Минеральные воды.
Как видно из рассмотрения вариантов, наиболее экономичную схему можно выбрать, произведя достаточно детальные расчеты, с учетом всех факторов, перечисленных в начале этого параграфа.
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
Одним из центральных вопросов в экономических расчетах является выбор наиболее эффективного диаметра.
Увеличение диаметра приводит к возрастанию затрат на строительство; вместе с тем уменьшаются потери напора в трубопроводе и соответственно сокращается расход электроэнергии на насосах.
Частным случаем следует считать прокладку трубопровода с уклоном, равным необходимому гидравлическому уклону (случай самотечного трубопровода). В этом случае диаметр определяется из зависимости для гидравлического уклона:
где l – коэффициент гидравлического трения;
g– ускорение свободного падения, 9,81 м/с2
 |
Отсюда
На участке, на котором вода течет от точки 1 к точке 2 со средневзвешенным за сутки расходом Q1-2 (м3/с) мощность, необходимая для транспортировки воды, Вт
z1, z2 – отметки в начале и в конце участка;
L – длина, м;
r – плотность воды, r = 1000кг/м3;
h – средний КПД насосов, в долях единицы.
 |
Годовой расход электроэнергии на подъем воды составит, кВт-ч
Эксплуатационные затраты, зависящие от диаметра труб, включают в себя, кроме платы за электроэнергию, затраты на амортизацию трубопроводов. Годовые затраты на амортизацию
Сэ = Сстр* а /100,
где a – норма амортизационных отчислений, %;
Сстр – строительная стоимость, руб/м.
Затраты на электроэнергию
Сэл=Эгод∙Цэ,
где Цэ – цена электроэнергии, руб/кВт- ч.
Строительную стоимость трубопроводов в зависимости от диаметра, можно аппроксимировать линейной зависимостью
Сстр= r∙D +n
С достаточной точностью для экономических расчетов коэффициент r можно определить по формуле
r= (С1 – С2) / (D1 – D2), где
С1 и С2 - – стоимости прокладки трубопроводов соответственно диаметрами D1 и D2 , руб/м. Диаметры D1 и D2 определены как ближайшие к ориентировочно определенному диаметру Dор=(4 Q1-2 / 3,14)0,5.
Приведенная стоимость
где m – срок окупаемости, год.
В развернутом виде
(1)
Чтобы найти диаметр, соответствующий минимуму приведенной стоимости, приравняем к нулю производную функции (1).
где
Отсюда определяется значение экономичного диаметра
Dэк=(5 ∙А∙ В/ (r ∙F))0,166.∙
Пример. Определить экономически наивыгоднейший диаметр.
Средневзвешенный по часам суток расход Q = 0,8 м3/с; КПД насосов h = 0,75; коэффициент сопротивления l = 0,03; цена электроэнергии Ц = 1,5 руб/кВт-ч; норма амортизации а = 2,4 %; срок окупаемости m = 7 лет.
Ориентировочное значение диаметра Dор=(4 ∙0,8/3,14)0,5= 1,0 м.
Стоимости прокладки трубопроводов, руб/м: D1 = 0,8м – 8520; D2 = 1,2 м – 13800. Отсюда r =(13800–8520) /(1,2–0,8)=13200.
А=365× 24× 1,5 ×0,8× 1000× 9,81 /(1000× 0,75)=137497;
В=16× 0,03× 0,82 / (3,142× 2× 9,81)= 0,001588.
F= 2,4 /100 + 1/7 = 0,1669.
Dэк=(5× 137497× 0,001588 /(13200× 0,1669))0,166=0,89 м.
Искомое значение диаметра – 0,89 м; по сортаменту подбираем стандартный диаметр Dст = 0,9 м. Если трубопровод или несколько участков водопроводной сети проложены по рельефу, имеющему значительный уклон в направлении течения воды, целесообразно использовать уклон земли для компенсации потерь напора. В этом случае результат экономического расчета приемлем, если полученное значение Dэк меньше чем
Dкр= 
,
где П1 и П2 – необходимые пьезометры в начале участка и в точке конца
потока.
В противном случае принимается Dкр.
Если в данном примере П1 = 100 м, П2 = 98 м, длина L = 1000 м
Dкр= 
= 0,95 м.
Так как Dкр больше величины Dэ = Dст, обоснованной экономическим расчетом, принимаем диаметр Dэ.
