Надежность водопроводных сетей

Система распределения воды по территории объекта водоснабжения является конечным звеном системы водоснабжения. Сеть испытывает непосредственное влияние режимов отбора воды потребителями. Процесс отбора воды из сети осуществляется в огромном количестве точек и при расчетах невозможно учесть истинную картину водоразбора. Поэтому, условно водоразбор считается отнесенным к узлам сети, независимо от конфигурации (кольцевая или тупиковая).

При выборе конфигурации сети необходимо учитывать следующие требования:

1. Сеть должна обеспечивать подачу воды ко всем потребителям.

2. Выбранная конфигурация сети должна гарантировать минимальные затраты на ее строительство и эксплуатацию.

3. Сеть должна соответствовать заданной категории надежности подачи воды.

Возможны три варианта конфигурации сетей:

а) простые (нерезервированные) тупиковые сети в виде разветвленного дерева;

б) двойные (дублированные) тупиковые сети;

в) кольцевые сети.

Простая тупиковая сеть (рис. 5.9) обладает наименьшей стоимостью. Однако, она обладает низкой надежностью, т.к. к каждой точке водоразбора ведет только один путь.

Между тем, для обеспечения надежности необходимо не менее двух путей. Резервирование путем дублирования - обеспечивает высокую надежность, но требует высоких затрат. Поэтому дублирование в тупиковых сетях применяют редко.

Наиболее рациональным представляется кольцевая водопроводная сеть, которая обеспечивает подачу воды не менее чем с двух сторон к любому узлу сети. Таким образом, кольцевание сети уже обеспечивает резервирование путей подачи воды. При кольцевании узлов их можно обойти цепочкой участков, которые замкнутся в кольцо; таким образом, для обеспечения структурного резервирования достаточно объединить узлы одним кольцом. Многокольцевые схемы незначительно повышают надежность сети, однако требуют увеличения капительных вложений. Однако, в однокольцевой сети диаметры труб на всех участках сети должны быть одинаковы и назначены по максимальному расходу. Поэтому на конечных участках однокольцевая сеть имеет большой резерв пропускной способности на случай аварии. В многокольцевых сетях этот резерв пропускной способности, а значит и в диаметрах труб, меньше. Поэтому, многокольцевая сеть зачастую экономически выгоднее. Состоит многокольцевая сеть из магистральных линий и перемычек. Если город имеет вытянутую форму, то магистрали выражены ярко, а если нет - то сеть имеет обезличенную конфигурацию (рис. 5.10).

Основную нагрузку по распределению воды по площади объекта несут магистрали, а перемычки играют значительную роль в случае аварий. К магистралям и перемычкам примыкают распределительные (второстепенные) линии, которые непосредственно осуществляют отдачу воды во внутренние водопроводы зданий. Таким образом, структура кольцевой сети обладает высокой степенью резервирования путей подачи воды, следовательно, и высокой надежностью. Подача воды к каждому узлу возможна не менее чем двумя путями. Также очевидно, что сеть состоит из линий, принадлежащих к двум иерархическим уровням: верхний - магистрали и перемычки, нижний - распределительные (уличные) линии. Показатели надежности определяются для линий верхнего уровня.

Участки сети имеют различную значимость. Наиболее простым критерием значимости может считаться относительный (нормализованный) расход воды:

где q_i - расчетный расход воды через данный участок;

Q - общий расход воды, подаваемый в сеть.

Более объективным является критерий энергетической значимости, который учитывает скорость движения воды:

где u_i - скорость движения воды на участке;

u_о - усредненная скорость, которую лучше принимать равной 1 м/с.

При расчетах надежности сети аварии надо предполагать на наиболее значимых участках. Очевидно, что повышения надежности можно добиться увеличивая количество участков сети, поскольку при этом уменьшается значимость каждого из них. Очень важно, чтобы подвод воды к кольцевой сети был выполнен в разные узлы сети, по возможности имеющим между собой значительное расстояние. Это также позволяет уменьшить расходы воды в магистралях и снизить их значимость при авариях (рис. 5.11). Положительно сказывается также и некоторое завышение диаметров участков в пределах экономически наивыгоднейших диаметров. Это позволяет иметь резерв пропускной способности на случай аварий.

Сеть должна подвергаться поверочному гидравлическому расчету с аварийным отключением одного или нескольких участков, в зависимости от ее протяженности. Гальперин Е.М. рекомендует считать в среднем вероятным отключение одного участка на каждые 50 км сети. При аварии во всех узлах должны обеспечиваться необходимые расходы и напоры с учетом требуемых величин коэффициентов обеспеченности расхода a и напора b.

(a ³ 0,7; Н_min ³ 10 м).

Весьма заметное влияние на надежность оказывает интенсивность и качество ремонтов, которые зависят от организации ремонтных работ. Возможны три формы такой организации:

- децентрализованная, когда за каждым районом сети закрепляется конкретная бригада, которая ведет ремонты только в нем;

- централизованная, при которой восстановительные работы ведутся всеми бригадами по всей территории объекта, они не имеют постоянно закрепленного района действия;

- смешанная, сочетающая обе формы.

Теоретически, с точки зрения надежности, централизованная форма предпочтительнее. Но в децентрализованной преимуществами является лучшее знание бригадой своих сетей, более высокое качество ремонта в связи с более высоким уровнем ответственности. Поэтому, часто отдают предпочтение децентрализованной форме.

Для расчета надежности тупиковых сетей можно использовать стандартную методику. Для кольцевых сетей все обстоит сложнее, на надежность влияет много факторов. Иногда, кольцевую магистральную сеть рассматривают как систему 2-4 параллельных водоводов с п6еремычками. Но это не всегда возможно.

Наиболее простые формулы для расчета параметров надежности получаются при использовании теории систем массового обслуживания (СМО). Для сети, имеющей (n) участков, которую ремонтирую (r) бригад, вероятность того, что в сети будут выключены (k) участков по Е.М. Гальперину может быть вычислена по формулам:

1) при 1 £ k £ r, т.е. отсутствии очереди на ремонт:

2) при r £ k £ n, т.е. наличии очереди на ремонт:

Величина Р_о вычисляется по формуле:

l и m - интенсивность отказов и ремонтов в среднем по сети. Их определяют как средневзвешенные величины:

Обычно l для сетей колеблется в пределах 0,5-0,93 1/км×год, а m=(1-4)×10^-2 1/час×км или 87,6-350,4 1/год×км. Количество ремонтных бригад (r) по нормам эксплуатации принимают из расчета 5-6 рабочих (1 бригада) на 50 км сети.

Если количество отказов (аварий) окажется больше чем 1 авария на 50 км сети, то необходимо предпринимать меры по повышению надежности.

С другой стороны, если Р_k окажется больше чем 0,05, то авария с отключением такого количества (k) участков должна считаться возможной и на этот случай необходимо выполнять поверочный гидравлический расчет. Величину вероятности безотказной работы для каждого случая можно найти по формуле:

P(t)=1-P_k.

Если полученные величины P(t) удовлетворяют требованиям и обеспечивается подача не менее 70% расчетного расхода, то расчет закончен.

Пример 5.5.1. От насосной станции до предприятия (3 категория надежности) запроектировано два водовода. По территории предприятия вода распределяется по кольцевой сети (см. рисунок). Расход, подаваемый на предприятие – 3600м³/час. В подаче воды допускаются перерывы продолжительностью до 24 часов. Распределительный трубопровод запроектирован стальной, диаметр участков 2-3, 2-5 - 700мм; участков – 3-4, 5-6, 6-4 – 500мм. Интенсивности отказа трубопроводов на участках: 1-2 – 0,6×10^-4 1/ч, 2-3 - 0,15×10^-4 1/ч, 3-4 - 0,7×10^-4 1/ч, 5-3 и 6-4 - 0,8×10^-4 1/ч. Интенсивность ликвидации аварии - 4×10^-2. Определите будут ли перерывы в подаче воды превышать 24 часа.

Решение: Потребители воды находятся в узлах 2, 3, 4, 5 и 6. Оценим степень обеспеченности водой каждого потребителя.

К потребителю, расположенному в узле 2 вода подается по двум водоводам. Вероятность безотказной подачи воды:

,

где

,

.

Тогда

Вероятность безотказной подачи воды к узлу 3:

,

где .

Тогда

Вероятность безотказной подачи воды к узлу 5:

,

где .

Тогда

Вероятность безотказной подачи воды к узлу 4:

,

где .

Тогда

Вероятность безотказной подачи воды к узлу 6:

,

где .

Тогда

Следовательно, рассмотренная схема соответствует требованиям всех потребителей к надежности подачи воды в течение расчетного срока эксплуатации.