Гидравлический расчет водопроводной сети

Гидравлический расчет водопроводной сети

Гидравлический расчет сети заключается в определении по ус­тановленным расчетным расходам наиболее выгодных диаметров труб и соответствующих потерь напора для каждого участка сети.

Экономический расчет магистральной сети города имеет важное значение, так как водопроводная сеть является самым дорогим элементом водопровода. Для расчета сети требуется прежде всего установить расчетные расходы воды по участкам сети. Если число водоразборных точек невелико и в каждой точке сосредоточен определенный по величине расход воды, то в расчетной схеме водоотдачи могут быть учтены все сосредоточенные расходы.

В большинстве случаев отбор воды из сети производится во многих точках и получается большое количество расчетных участков, а расчет сети весьма трудоемким. Поэтому в городских водопроводных сетях принимают схему равномерно распределенного отбора воды на хозяйственно-питьевые нужды населения.

Расход воды крупных потребителей (промышленные предприятия, железнодорожные вокзалы, пристани, банно-прачечные комбинаты и т. д.) выделяются в сосредоточенные расходы в определенных узловых точках у места их расположения.

Расход, приходящийся на 1 м длины сети, л/с, называют удельным

где q_mах — максимальный расчетный секундный расход, л/с; q_соср —сосредоточенные расходы крупных потребителей, л/с; L — общая длина сети (в длину сети не включаются участки, проходящие по незастроенной территории), м. Например (рис. 10, а),

Рис.10. Расчетные схемы водопроводных сетей на случай максимального водопотребления:

а-разветвленной с башней в начале сети; б – кольцевой с контррезервуаром (линия а-а — граница районов питания)

При принятой методике расчета считают, что расход воды на каждом участке магистральной сети пропорционален его длине.

Расход воды на каждом участке называют путевым расходом и определяют по формуле

где l – длина участка cети

Тогда путевой расход для участка 1—2 (рис. 10, а) будет равен q_пут = 0,05-100 = 5 л/с.

Каждый промежуточный участок сети, кроме путевого расхода, несет транзитный расход, идущий на питание последующих участков, т. е. расход на участке равен

С достаточной степенью точности мы получим те же расчетные расходы, если разобьем путевой расход пополам и приложим его в начальной и конечной точках рассматриваемого участка:

По принятой методике расчета путевые расходы воды переводятся на расходы, сосредоточенные в узловых точках сети.

Узловой расход каждого узла сети равен полусумме путевых расходов участков, примыкающих к данному узлу:

Q_уз2= л/с

Для определения диаметров труб участков сети применяют известную формулу гидравлики трубопроводов, связывающую площадь живого сечения трубы w м 2 , с расходом q, м 3 /с, и со скоростью движения воды v, м/с,

Из этой формулы видно, что диаметр трубы зависит не только от расхода, но и от скорости движения воды. Если принять малое значение расчетной скорости, то трубопровод получится относительно большого диаметра, а следовательно, будет иметь большую строительную стоимость. Наоборот, чем больше будет скорость движения воды, тем меньше будет диаметр трубопровода и его строительная стоимость. Однако увеличение скорости движения воды вызывает резкое увеличение потерь напора в трубах и, следовательно, увеличивается затрата электроэнергии на подачу воды к потребителям, т. е. увеличивается стоимость эксплуатации водопровода. Кроме того, скорость движения воды по водопроводным трубам имеет и технические пределы. При скорости 2 м/с и больше в трубопроводах могут возникать гидравлические удары, опасные для прочности труб и стыковых соединений.

При выборе диаметров труб руководствуются так называемой экономической скоростью движения воды. Эта скорость зависит от стоимости энергии, стоимости труб и их укладки, расчетного срока службы и материала труб.

Н. Н. Абрамовым предложен график для определения экономического фактора Э, для различных значений стоимости электроэнергии σ в зависимости от коэффициента стоимости труб b.

Для удобства подбора диаметра труб составлена таблица предельных экономических расходов для каждого стандартного диаметра металлических труб (табл. 1).

По таблице 1 подбираем диаметр трубы для участка 1—2 при экономическом факторе 0,5 . 200 мм.

Потери напора на трение в трубах можно определить по формуле

где q- расход; l — длина трубопровода; d — диаметр труб; k и λ —коэффициенты потери напора; k = 0,083 λ,.

В практике расчета сети для определения потерь в трубопроводах в большинстве случаев пользуются формулой h = i·l, где l– длина трубопровода, км; i — потери напора на 1000 м принимают по таблицам Ф. А. Шевелева, м.

В таблицах выделена область экономически выгодных диаметров и поэтому отпадает необходимость первоначального подбора диаметров по таблице 1. Для нашего случая q=25,5 л и =100м; l =5,47·0,1=0,55 м.

Гидравлический расчет разветвленной сети производят в такой последовательности.

В первую очередь рассчитывают главную магистраль 1—2—3—4—5, соединяющую начальную точку сети с наиболее удаленной и возвышенной из конечных ее точек. Затем рассчитывают ответвления 2—10—11; 2—9; 3—6—7; 6—5 (см. рис. 10, а).

Расчет сети может быть произведен в том случае, когда:

а) заданы требуемые напоры во всех узлах, необходимо определить требуемый напор в начальной точке;

б) заданы напоры в начальной и в узловых точках, требуется определить диаметры труб для пропуска расхода при располагаемом напоре.

При расчете кольцевой сети в общем случае неизвестными являются как диаметры участков, так и расходы на участках. Следовательно, каждый участок сети дает два неизвестных— диаметр и расход, а общее число неизвестных равно удвоенному числу участков.

Для нахождения этих неизвестных необходимо составить надлежащее число уровней.

Рассмотрение законов движения жидкости по замкнутому контуру позволяет составить некоторое число уровней для их нахождения.

1. Сумма расходов, приходящих в узел, равна сумме расхода, уходящих из этого узла, плюс узловой расход.

Если обозначить расходы, приходящие в узел, знаком плюс, а уходящие (включая узловой расход) — знаком минус, то алгебраическая сумма расходов будет равна нулю, Σq= 0.

2. В каждом замкнутом кольце сети сумма потерь на участках, где вода движется по часовой стрелке (обозначим условно-положительными), равна сумме потерь напора на участках, на которых вода движется против часовой стрелки (обозначим — отрицательными), т. е. алгебраическая сумма потерь в кольце равна нулю Σh = или ΣSq 2 = 0, где S — сопротивление участка, S= Al; А — удельное сопротивление трубы, принимается по табли­це Ф. А. Шевелева.

Однако решение системы квадратных уравнений для сети с большим количеством колец представляется весьма сложной задачей.

Поэтому гидравлический расчет сети производят различными приближенными способами, причем все они сводятся к методу последовательного приближения.

Рассмотрим два метода увязки сети -метод В. Г. Лобачева и метод М. М. Андриашева.

В. Г. Лобачев разработал теорию расчета кольцевых сетей и предложил метод увязки, основанный на иттеративном способе решения системы квадратных уравнений.

Возьмем одно кольцо 1 см. (рис.10, а)с намеченным распределением расходов воды q, по которым определены диаметр труб d; длина участков известна.

Предложим, что при первом предварительном распределении расходов удалось достигнуть условия Σh = 0 и мы получили Σh =Δh или

Пусть неувязка Δh >0, т. е. перегружены верхний (4–3) инижний (5–6) участки, в которых вода движется по часовой стрелке.

Для получения равенства Σh = 0 или Δh = 0 необходимо некоторый, пока неизвестный, поправочный расход Δ q пропустить по участкам кольца в направлении, обратном знаку неувязки:

Преобразуя уравнение, можно найти искомую величину

Δ q=

Величина Δq 2 отброшена как относительно малая по сравнению с членами, содержащими q и Δq.

Числитель есть Δh, а знаменатель является удвоенной суммой произведений расходов каждого участка на его сопротивление, т. е.

Если сеть состоит из нескольких колец, то задача сводите; к решению системы стольких уравнений, сколько колец в сети.

При увязке сети по этому методу каждое кольцо рассматривается вне их взаимной связи и поправочный расход вводите: в каждое кольцо отдельно. М. М. Андрияшев предлагает пoпpaвочный расход проводить по замкнутому контуру, охватывающему несколько колец. Величина и направление поправочного pacхода определяется на основании анализа неувязок, полученных в отдельных кольцах.

Путь поправочного расхода выбирают так, чтобыон был направлен против движения потока в перегруженных участках и совпал с потоком в недогруженных.

Всю запись расчета М. М. Андрияшев рекомендует вести не­посредственно на расчетных схемах, а вычисления производить при помощи счетной линейки. На схеме (рис. 10, б) показан пример записи расчета: первые цифры – расход, л/с; вторые —потери напора, м; цифры у стрелок внутри колец —величины неувязок; цифры в рамке — сопротивления участков.

Водопроводные сети, разделенные на зоны, называют зонными. Каждая зона имеет самостоятельную сеть, отдельную насосную установку и напорно-регулирующую емкость. Запасные емкости могут быть объединены.

Зонирование водопровода может быть вызвано как техническими, так и экономическими соображениями. По чисто техническим соображениям необходимость зонирования и число зон принимают исходя из требований не превышать расчетный напор, допускаемый техническими условиями эксплуатации водопровода.

В соответствии с указаниями СНиП 2.04.02—84 свободный напор в сетях хозяйственно-питьевого водопровода не должен превосходить 60 м вод. ст. Эти требования устанавливают в зависимости от материала и типа труб и условий эксплуатации сети.

Необходимость зонирования водопроводной сети может быть определена из следующего выражения:

где z_k.t – z_h,_t =Δz — максимальная разность отметок точек критической, где должен быть обеспечен требуемый свободный напор H_св, и наиболее низко расположенной в начале сети, м; h_max — максимальная потеря напора от начала сети до критической точки, м.

Если полученная величина Н_тaх превышает допускаемую величину свободного напора в сети, то зонирование необходимо.

Часто зонные водопроводы устраивают в случаях, когда имеется большая разница в величине необходимых для отдельных потребителей свободных напоров.

В практике проектирования зонных водопроводов зонирование предусматривают по последовательной или параллельной схеме.

При последовательном зонировании (рис.11, а) насосная станция № 1 подает воду в количестве, равном сумме расходов первой и второй зон (т. е. Q _I+Q_II), но под напором, требуемым для обеспечения свободного напора в диктующей точке нижней зоны.

При этом расход верхней зоны Q_II проходит транзитом через сеть нижней зоны и поступает в резервуар Р. Насосная станция № 2 подает расход лишь для верхней зоны Q_II и обеспечивает требуемый напор в пределах второй зоны. Насосы станции № 2 могут брать воду или непосредственно из сети (рис. 11, а, 1), или из промежуточного резервуара (рис. 11, а, 2). Резервуар Р может служить одновременно запасной емкостью для верхней зоны и контррезервуаром для нижней. Обычно этот резервуар располагают выше границы зон на отметках, обеспечивающих Требуемые свободные напоры в диктующих точках нижней зоны. Таким образом, напоры в начальных точках зон значительно уменьшаются и не превышают нормативных 60 м.

При параллельной системе зонирования (рис. 11, б) вода подается в сеть каждой зоны отдельными группами насосов, установленными на общей насосной станции, по отдельным водоводам.

При этой системе зонирования напор выше допускаемого будет только в водоводах верхней зоны в пределах от насосной станции до точки присоединения водоводов к сети.

Кроме технических требований, обусловливающих зонирование водопроводных систем, могут быть и чисто экономические соображения необходимости зонирования.

Экономические расчеты показывают, что увеличение количества зон уменьшает затраты энергии на подачу воды.

В незонированной системе водоснабжения весь расход Q подается насосами под напором Н, требуемым для создания свободного напора в диктующей точке. Количество затрачиваемого на подачу воды энергии можно определить из выражения Э=ρ·g·Q·H

Разделив систему водоснабжения на две зоны с высотой H/2 и расходом Q/2 в каждой из них, определим затраты энергии.

При последовательной системе зонирования: для первой станции

При параллельном зонировании:

Таким образом, для обеих систем зонирования при разделении сети на две зоны получим уменьшение количества энергии, затрачиваемой на подъем воды на 25%.

Однако наряду с сокращением эксплуатационных расходов на подъем воды зонирование вызывает увеличение суммарной строительной стоимости насосных станций и стоимости содержания обслуживающего персонала при последовательном зонировании, а при параллельном зонировании увеличивается суммарная стоимость водоводов.

При любой системе зонирования увеличивается стоимость резервуаров.

Решение о зонировании системы водоснабжения принимается на основании технико-экономического сравнения вариантов.

Выбор системы зонирования зависит в основном от конфигурации населенного пункта и рельефа местности.

Параллельное зонирование обычно более рационально для городов с территорией, вытянутой вдоль горизонталей, так как в этом случае длина водоводов от насосной станции до каждой из зон будет сравнительно малой.

При застройке, вытянутой в направлении, перпендикулярном горизонталям, более экономичным является зонирование по пос­ледовательной системе.

Рис 11. Схемы зонирования

а– последовательного; б-паралельного

Гидравлический расчет водопроводной сети

Определениедиаметров труб. Гидравлический расчет водопроводной сети заключается в определении диаметров труб и потерь напора на преодоление сопротивления в трубах при пропуске по ним расчетного количества воды. Знание потерь напора необходимо также для расчета высоты водонапорных башен, а также для выбора насоса с требуемой напорной характеристикой.

Расход воды определяется количеством и составом водопотребителей, а также принятыми строительными нормами и правилами водопотребления (СНиП).

Расчет водопотребления производится с целью определения численных значений среднесуточного расхода Q_ср.сут, максимального суточного расхода Q_maxсут и максимального часового расхода Q_maxчас с учетом затрат воды на поение животных и на производственно-технические нужды. В расчетах также необходимо учесть расход воды на тушение возможного пожара и создание в системе минимально необходимого запаса (на случай отключения электроэнергии, наложения карантина при эпизоотии и т. п.). Для расчета необходимо знать среднесуточные нормы водопотребления, состав и количество водопотребителей каждого вида.

Нормой водопотребления называется количество воды в литрах, расходуемоеодним потребителем в сутки. Применительно к животным она включает расходы на поение, мойку помещений, молочной посуды, приготовление кормов, охлаждение молока и др. Расход воды на фермах очень неравномерен как в течение года (по сезонам), так и в течение суток (по часам). Его колебания оцениваются соответствующими коэффициентами неравномерности: для животноводческого сектора k_сут = 1,3 и k_ч = 2,5; для жилищно-коммунального сектора в сельской местности k_сут = 1,2…1,4 и k_ч = 1,5…2,0.

Среднесуточный расход воды на ферме Q_ср.сут, м 3 /сут, определяется по формуле

, (1.1)

где n_i – число потребителей i-гo вида; q_i – среднесуточная норма потребления воды i-м потребителем, л/сут; N – общее число потребителей.

Максимальный суточный расход воды Q_maxсут определяется из равенства

, (1.2)

где k_сут – коэффициент суточной неравномерности.

В сутки максимального водопотребления среднечасовой расход Q_ср.ч, м 3 /ч, составит

, (1.3)

а максимальный часовой расход Q_maxчас, м 3 /ч, будет

, (1.4)

где k_ч – коэффициент часовой неравномерности.

Для обоснования выбора насосов и расчета поточных линий требуется знать секундный расход Q_maxс, м 3 /с, который рассчитывается по формуле

. (1.5)

Запас воды на противопожарные нужды предусматривает быструю и бесперебойную подачу ее к месту возникновения пожара в достаточном количестве и с необходимым напором в течение 3 ч.

Если дебит источника водоснабжения недостаточен для тушения пожара, то на ферме предусматривается устройство специальных резервуаров для хранения неприкосновенного трехчасового запаса воды. Расход воды на наружное тушение одного пожара через гидранты для зданий объемом от 3 до 5 тыс. м 3 принимают равным 10…20 л/с. В фермских водопроводах низкого давления необходимый напор для тушения пожара создается с помощью передвижных пожарных насосов, которые присоединяются к пожарным гидрантам наружной водопроводной сети.

Для объектов с пожарным расходом более 20 л/с потраченный на тушение пожара неприкосновенный запас воды в резервуарах должен быть восстановлен в течение 24 ч, а для объектов с пожарным расходом менее 20 л/с – в течение 36 ч.

В качестве примера рассмотрим схему внутреннего водопровода в животноводческом помещении, а именно в свинарнике-откормочнике комплекса по выращиванию и откорму 54 тыс. свиней в год (т. п. 802–142), показанную на рис. 1.6. На комплексе сектор откорма состоит из пяти свинарников, в которых размещены 18 000 голов секциями в групповых станках по 25 голов. В свинарнике установлены 146 автопоилок. Внутренняя кольцевая сеть собрана из труб диаметром 50 мм и размещена на высоте 3,02 м от пола свинарника. Автопоилки и поливочные вентильные краны присоединены к кольцевой сети отводами (спусками) из труб диаметром 25 и 15 мм. Кроме того, в свинарнике установлено 12 смывных баков вместимостью по 1000 л для удаления жидкого навоза из каналов самотечной системы, в которые вода из баков подается по трубам диаметром 80 мм.

Главный магистральный трубопровод, питающий водой все внутренние водопроводы комплекса, выполнен из стальных труб диаметром 200 мм и проложен в поперечной галерее, устроенной в коридоре, который проходит через все его свинарники. Вода в магистральный трубопровод поступает из наружной сети с двух сторон: со стороны входа в коридор и со стороны выхода из него. К числу водопотребителей в каждом свинарнике относятся также душевые помещения и санузлы.

1 – баки для смыва навоза; 2 – поливочные краны; 3 – автопоилки; 4 – задорный кран (вентиль); 5 – кольцевая сеть внутреннего водопровода

Рисунок 1.6 – Схема внутреннего водопровода в свинарнике-откормочнике комплекса по выращиванию 54 тыс. голов

Для гидравлического расчета на основании генерального плана хозяйства составляют расчетную схему водопроводной сети, на которую по участкам наносятся исходные данные: секундные расходы воды каждым участком q_yчi, л/с; длина каждого участка , м; геодезические отметки потребителей (высоты) z_i, м, и все устанавливаемые, приборы и сооружения. Расход воды определяется суммированием секундных расходов всех потребителей q_ni, л/с, расположенных на каждом i-м участке.

Расчетная схема тупиковой сети показана на рисунке 1.7. На ней начальные и конечные точки участков обозначены номерами по ходу движения воды.

Для расчета водопроводных сетей важно уяснить, что по всем участкам, кроме конечных (тупиков), идут два потока с путевым расходом q_n, достаточным для удовлетворения потребителей, расположенных на рассматриваемом участке, и с транзитным расходом q_T, предназначенным для потребителей, расположенных по ходу потока за рассматриваемым участком. Поэтому расход воды в начале любого участка сети равен сумме путевого и транзитного расходов. Через конечную точку каждого расчетного участка проходит только транзитный расход, так как весь его путевой расход уже израсходован. На следующем участке, расположенном вслед за рассматриваемым, снова будут два расхода: путевой – для потребителей нового участка; транзитный, уменьшенный на величину путевого расхода этого участка.

l – длина участка; q – расчетный расход участка

Рисунок 1.7 – Расчетная схема тупиковой водопроводной сети

Таким образом, в любом сечении расчетного участка расход, проходящий по участку, будет изменяться от до . Расчетный расход линии находится из равенства

, (1.6)

где а – коэффициент, учитывающий соотношение значений транзитного и путевого расходов, зависящий от равномерности (по длине) забора воды из линии потребителями; значение а принимают равным 0,5, тогда

, (1.7)

Суммируя среднесуточные расходы с учетом норм водопот-ребления по всем потребителям, можно рассчитать, пользуясь формулой (1.7), суточный расход воды по всему объекту (ферме, комплексу).

Диаметр трубы каждого из участков водопроводной сети определяют по расчетному расходу на i-м участке.

При этом используют уравнение

, (1.8)

где F_i – площадь i-го живого сечения напорной трубы, м 2 ; v – скорость движения воды, м/с.

Из зависимости (1.8) получают формулу для определения диаметра трубы D, на i-м участке:

. (1.9)

Скорость движения воды в трубах диаметром 50…300 мм принимают равной 0,7…1,0 м/с; для труб диаметром 300…1000 мм – от 1,0 до 1,5 м/с. Диаметры труб наружных сетей можно выбирать, пользуясь данными, приведенными в табл. 1.5.

Потери напора в трубах.Напор – это гидравлическое давление в водопроводной сети, выраженное через высоту водяного столба в метрах. При анализе работы трубопровода различают потери на трение по длине и местные потери (в задвижках, кранах, отводах и т. п.), вызываемые изменением скорости или направления потока воды.

Применительно к водопроводным трубам круглого сечения потери напора на трение h_T по длине выражают через скорость v или расход Q и их значения определяют соответственно по формулам

, (1.10)

, (1.11)

где h_Т – потери напора на трение по длине трубопровода, м; λ – коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от материала труб, степени шероховатости их стенок и диаметра (для приближенных расчетов можно принимать λ = 0,03); v – скорость движения воды в трубах, м/с; l – длина трубопровода, м; D – диаметр трубопровода, м; Q – секундный расход воды, м 3 /с; g = 9,81 м/с 2 – ускорение свободного падения.

Для расчетов определяют потери напора на единицу длины трубопровода (на 1, 100, 1000 м), называемые гидравлическим уклоном, который находят из формулы

, (1.12)

Потери напора в местных сопротивлениях h_М определяют, пользуясь выражением

, (1.13)

где ξ – безразмерный коэффициент местного сопротивления; v – скорость движения воды за местным сопротивлением, м/с.

В протяженных водопроводных сетях потери в местных сопротивлениях оценивают как 3…5 (в наружных) и 5…10% (во внутренних) от всех линейных потерь на трение.

Полные потери напора в трубопроводе определяются как сумма потерь на трение по длине и потерь в местных сопротивлениях, т. е.

. (1.14)

Для нормальной работы водоразборных приборов в каждом пункте сети должен оставаться еще некоторый запас напора, называемый свободным напором. В наружной водопроводной сети на фермах свободный напор соглсно СНиП быть не менее 10м. Для водопроводной сети соответствующие значения должны быть не менее 4 м для автопоилок и 2 м для водоразборных кранов. Свободные напоры на вводах в производственные помещения устанавливают в соответствии с расходами воды, которые они обеспечивают.

Гидравлический расчет водопроводной сети

Гидравлический расчет водопроводной сети выполняется два раза: при максимальном хозяйственно-производственном водопотреблении (в обычное время) и при пожаре. Цель гидравлического расчета – определить потери напора в сети в этих двух случаях.

Рассмотрим гидравлический расчет на примере водопроводной сети, показанной на рис. 2.1. Для приведенного в разд. 1 примера общий расход воды в час максимального водопотребления составляет 192,861 л/с, в том числе сосредоточенный расход предприятия равен 39,201 л/с, а сосредоточенный расход общественного здания 1,333 л/с.

Гидравлический расчет сети выполняется в следующей последователь – ности:

1) определим равномерно распределенный расход воды вычитанием суммы сосредоточенных расходов из общего расхода в час максимального водопотребления:

= 192,861 – (39,201 + 1,333) = 152,327 л/с. (29)

2) определим удельный расход воды q_уд, т.е. равномерно распределенный расход, приходящийся на единицу длины водопроводной сети:

q_уд = 152,327 / 10000 = 0,015232 л/(см); (30)

где l _j – длина участка; т – количество участков; j – номер участка;

3) определим равномерно распределенные расходы по длине участков (путевые отборы):

Результату приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Путевые расходы

Длина участка, м

Путевой отбор, л/с

4) определим узловые расходы воды:

где Q _{пут j} – сумма путевых отборов на участках, прилегающих к данному узлу;

q₁ = 0,5 х (15,232 + 15,232) = 15,232 л/с и т.д. (34)

Результаты приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Узловые расходы

Узловой расход, л/с

5) К узловым расходам добавляются сосредоточенные расходы, а при пожаре к одному из узловых расходов добавляется еще расход воды на пожаротушение;

Добавим к узловым расходам сосредоточенные расходы. К узловому расходу в точке 5 добавим сосредоточенный расход предприятия, а в точке 3 – сосредоточенный расход общественного здания. Тогда q₅ = 62,05 л/с, q₃=20,373 л/с. Величины узловых расходов показаны на рис. 2.2. С учетом сосредоточенных q_узл = 152,327 л/с.

Рис. 2.2. Расчетная схема водопроводной сети с узловыми расходами

6) Выполним предварительное распределение расходов воды по участкам сети. Сделаем это сначала для водопроводной сети при максимальном хозяйственно – производственном водопотреблении (без пожара). Выберем диктующую точку, т.е. конечную точку подачи воды. В данном примере за диктующую точку примем точку 5. Предварительно наметим направления движения воды от точки 1 к точке 5 (направления показаны на рис. 2.2). Потоки воды могут подойти к точке 5 по трем направлениям: первое – 1-2-3-4-5, второе – 1-7-4-5, третье – 1-7-6-5. Для узла 1 должно выполняться соотношение q₁+q_1-2+q_1-7 = Q_пос.пр. Величины q₁= 15,232 л/с и Q_пoc.пp. = 192,8565 л/с известны, a q_1-2 и q_1-7 – неизвестны. Задаемся произвольно одной из этих величин. Возьмем, например, q_1-2 = 89 л/с. Тогда q1-7 = Q_пoc.пp. – (q₁ + q_1-2) = 192,8565 – (15,232 + 89) = 88,624 л/с.

Для точки 7 должно соблюдаться следующее соотношение: Значения q_1-7 = 88,624 л/с и q₇ = 26,656 л/с известны, a q_7-4 и q_7-6 – неизвестны. Задаемся произвольно одной из этих величин и принимаем, например, q_7-4 = 30 л/ с. Тогда q_7-6 = q_1-7 – (q₇ + q_7-4) = 88,624 – (26,656 + 30) = 31,968 л/с. Расходы воды по другим участкам сети можно определить из следующих соотношений:

Схема водопроводной сети с предварительно распределенными расходами в обычное время показана на рис. 2.3.

При пожаре водопроводная сеть должна обеспечивать подачу воды на пожаротушение при максимальном часовом расходе воды на другие нужды за исключением расходов воды на промышленном предприятии на душ, поливку территории и т.п. (п. 2.21 СНиП 2.04.02-84), если эти расходы вошли в расход в час максимального водопотредления. Для водопроводной сети, показанной на рис 3.1, расход воды для пожаротушения следует добавить к узловому расходу в точке 6, где осуществляется отбор воды на промышленное предприятие, т.е. q₅ = q₅ + Q_{пож.рас.} – q_душ.

Однако из таблицы водопотребления (см. табл. 1.1) видно, что без учета расхода воды на душ час максимального водопотребления будет с 9 до 10 часов.

Расход воды Q_пос.пр = 670,1655 м 3 /ч = 186,157 л/с, в том числе сосредоточенный расход предприятия равен Q_пр = 87,5 м 3 /ч = 24,305 л/с, а сосредоточенный расход общественного здания Q_об.зд = 4,8 м 3 / ч = 1,333 л/с.

Рис. 2.3. Расчетная схема водопроводной сети с предварительно распределенными расходами при хозяйственно-производственном водопотреблении

Поэтому при гидравлическом расчете сети при пожаре:

= 186,157 + 140 = 326,157 л/с. (35)

Так как ? , то узловые расходы при пожаре будут другие,

чем в час максимального водопотребления без пожара. Определим узловые расходы так, как это делалось без пожара. При этом следует учитывать, что сосредоточенными расходами будут:

Равномерно распределенный расход будет равен:

Q_{пос.рас} = 326,157 – (24,305 + 1,333 + 140) = 160,519 л/с. (36)

Расчетная схема водопроводной сети с узловыми и предварительно распределенными расходами при пожаре показана на 2.4.

Рис. 2.4. Расчетная схема водопроводной сети с предварительно распределенными расходами при пожаре

2.1. Пример гидравлического расчета водопроводной сети

Рассмотрим гидравлический расчет на примере водопроводной сети, показанной на рис. 2.2. Для приведенного в разделе 1 примера общий расход воды в час максимального водопотребления составляет 208,23 л/с, в том числе сосредоточенный расход предприятия равен 24,04 л/с, а сосредоточенный расход общественного здания 0,77 л/с.

Рис. 2.2. Расчётная схема водопроводной сети

1. Определим равномерно распределенный расход:

2.Определим удельный расход:

3. Определим путевые отборы:

Результаты приведены в таблице 2.2.

Длина участка, м

Путевой отбор, л/с

4. Определим узловые расходы:

Аналогично определяем расходы воды для каждого узла. Результаты приведены в таблице 2.3.

5 . Добавим к узловым расходам сосредоточенные расходы. К узловому расходу в точке 5 добавляется сосредоточенный расход предприятия, а в точке 3 – сосредоточенный расход общественного здания (вместо точки 3 можно взять любую другую точку). Тогда q₅=51,553 л/с, Q₃=23,6975 л/с. Величины узлов расходов показаны на рис. 2.3. С учетом сосредоточенных расходов .

Р

ис 2.3. Расчетная схема водопроводной сети с узловыми расходами

6. Выполним предварительное распределение расходов воды по участкам сети. Сделаем это сначала для водопроводной сети при максимальном хозяйственно-производственном водопотреблении (без пожара). Выберем диктующую точку, т.е. конечную точку подачи воды. В данном примере за диктующую точку примем точку 5. Предварительно наметим направления движения воды от точки 1 к точке 5 (направления показаны на рис. 2.3). Потоки воды могут подойти к точке 5 по трем направлениям: первое – 1-2-3-4-5, второе – 1-7-4-5-, третье – 1-7-6-5. Для узла 1 должно выполняться соотношение q₁+q_1-2+q_1-7=Q_пос.пр. Величины q₁=18,342л/с и Q_пос.пр=208,23л/с известны, а q_1-2 и q_1-7 неизвестны. Задаемся произвольно одной из этих величин. Возьмем, например,q_1-2=100л/с.

Расходы воды по другим участкам сети можно определить из следующих соотношений:

В результате получится:

Можно начинать предварительно распределять расходы не с узла 1, а с узла 5. Расходы воды будут уточняться в дальнейшем при выполнении увязки водопроводной сети. Схема водопроводной сети с предварительно распределенными расходами в обычное время показана на рис. 2.4.

Водопроводная сеть с диаметрами, определенными по экономическому фактору и расходам в обычное время (без пожара), кроме того, должна обеспечивать подачу воды для пожаротушения.

При пожаре водопроводная сеть должна обеспечивать подачу воды на пожаротушение при максимальном часовом расходе воды на другие нужды за исключением расходов воды на душ, поливку территории и т.п. (п. 2.21 [4]). Для водопроводной сети, показанной на рис. 2.2, расход воды для пожаротушения следует добавить к узловому расходу в точке 5, где осуществляется отбор воды на промышленное предприятие и которая является наиболее удаленной от места ввода (от точки 1), т.е. . Однако из таблицы водопотребления (табл. 1.3) видно, что без учета расхода воды на душ час максимального водопотребления будет с 9 до 10 часов.

К

Рис.2.4. Расчетная схема водопроводной сети с предварительно распределенными расходами при хозяйственно-производственном водопотреблении

Расход воды Q ’ _пос.пр=743,03м 3 /ч=206,40 л/с, в том числе сосредоточенный расход предприятия равен Q ’ _пр=50,78 м 3 /ч=14,11 л/с, а сосредоточенный расход общественного здания Q_об.зд=3,45 м 3 /ч=0,958 л/с=0,96 л/с.

Поэтому при гидравлическом расчете сети при пожаре:

Т.к. ,то узловые расходы при пожаре будут другие, чем в час максимального водопотребления без пожара. Определим узловые расходы так, как это делалось без пожара. При этом следует учитывать, что сосредоточенными расходами будут:

Равномерно распределенный расход будет равен:

Расчетная схема водопроводной сети с узловыми и предварительно распределенными расходами при пожаре показана на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Расчетная схема водопроводной сети с предварительно распределенными расходами при пожаре.

7. Определим диаметры труб участков сети.

Для стальных труб по экономическому фактору Э=0,75 и предварительно распределенным расходам воды по участкам сети при пожаре по приложению 2 определяются диаметры труб участков водопроводной сети:

Следует иметь в виду, что обычно рекомендуют определять диаметры по предварительно распределенным расходам без учета расхода воды на пожаротушение, а затем проверять водопроводную сеть с найденными таким образом диаметрами на возможность пропуска расходов воды при пожаре. При этом в соответствии с п. 2.30 [4] максимальный свободный напор в сети объединенного водопровода не должен превышать 60 м. Если в нашем примере определять диаметры по предварительным расходам при максимальном хозяйственно- производственном водопотреблении (т.е. без учета расхода воды на пожаротушение), то получаются следующие диаметры:

Расчеты показали, что при этих диаметрах потери напора в сети при пожаре более 60 м. Это объясняется тем, что для сравнительно небольших населённых пунктов соотношение расходов воды по участкам водопроводной сети при пожаре и при максимальном хозяйственно-производственном водопотреблении довольно большое.

Поэтому диаметры труб некоторых участков следует увеличить и заново выполнить гидравлический расчет сети при максимальном хозяйственно-производственном водопотреблении и при пожаре.

В связи с вышеизложенным и для упрощения расчетов в курсовом проекте допускается определять диаметры участков сети по предварительным расходам при пожаре.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ

Целями расчета водопроводной сети являются:

определение экономически обоснованных диаметров труб;

определение потерь напора в сети.

Диаметры труб определяются по расчетным расходам на отдельных участках, пропускаемым сетью при ее работе в обычное время (при хозяйственно-питьевом и производственном водопотреблении). Потери напора в сети рассчитываются при работе сети в обычное время и при пожаре и используются в дальнейшем для определения напоров хозяйственно-питьевых и пожарных насосов и высоты водонапорной башни.

Водопроводную сеть с водонапорной башней в начале сети рассчитывают для двух случев. В первом случае сеть рассчитывается на подачу максимального хозяйственно-производственного расхода, а во втором – на подачу максимального хозяйственно-питьевого и расчетного пожарного расхода воды.

Водопроводную сеть с водонапорной башней в конце сети (сеть с контррезервуаром) рассчитывают для трех случаев максимальных:

Водоразбора в обычное время (без пожара), когда сеть питается с двух сторон – от насосов и от башни;

Транзита воды в башню (при минимальном водопотреблении);

Водоразбора при пожаре, т.е. с учетом расчетного пожарного расхода. Приводим гидравлический расчет сети с водонапорной башней в начале сети.

Гидравлический расчет в обычное время (без пожара). Гидравлический расчет сети выполняется в следующем порядке.

1. Определяется равномерно распределенный расход, получаемый вычитанием сосредоточенных расходов из общего расхода в час максимального водопотребления:

, (13.15)

где n – количество сосредоточенных отборов.

2. Определяется удельный расход воды, т.е. доля равномерно распределенного расхода, приходящаяся на единицу длины водопроводной сети:

, (13.16)

где l_j – длина каждого участка; m – количество участков; j – номер участка.

3. Определяются равномерно распределенные по длине участков отбора воды (путевые отборы):

.

4. Определяются узловые расходы воды, которыми заменяются равномерно распределенные путевые отборы:

, (13.17)

где – сумма путевых отборов на участках, прилегающих к данному узлу.

5. Добавляются сосредоточенные расходы к узловым расходам.

Следует заметить, что п. 1-5 выполняются при расчете водопроводных сетей населенных пунктов. Для сетей промышленных предприятий отборы воды являются сосредоточенными, поэтому гидравлический расчет начинается с выполнения п. 6.

6. Предварительно распределяются расходы по участкам сети. Распределение выполняется при соблюдении следующего условия: сумма расходов воды, подходящих к каждому узлу, равна сумме расходов воды, отходящих от узла. Распределение расходов воды начинается от диктующей точки, т.е. конечной точки подачи воды. Перед распределением расходов необходимо наметить направление потоков в сети.

7. Определяются диаметры труб участков сети.

Эта операция является одним из наиболее ответственных элементов расчета сети. Диаметры труб отдельных участков сети следует устанавливать в зависимости от расчетного расхода воды, проходящего по данному участку. Объемный расход воды, диаметр и средняя скорость движения воды связаны между собой уравнением неразрывности:

, (13.18)

откуда . (13.19)

Из соотношения (13.19) при заданных значениях Q и V можно определить диаметр. Скорость выбирается из технико-экономических соображений, сущность которых заключается в следующем. С увеличением скорости движения воды при заданном расходе, как следует из соотношения (13.19), диаметр труб уменьшается. С другой стороны, при увеличении скорости движения воды увеличиваются потери напора в трубах и, следовательно, возрастает расход энергии на подачу воды потребителям. И наоборот, с уменьшением скорости движения воды диаметр труб увеличивается, т.е. увеличивается строительная стоимость системы водоснабжения. Обычно экономически выгодную скорость движения воды принимают в следующих пределах:

для малых диаметров V_э = 0,7-1 м/с;

для средних и больших диаметров V_э = 1-1,2 м/с.

Как показывают исследования, указанный метод определения диаметров труб является довольно приближенным. Более точным методом определения диаметров труб, который широко применяется в России, является метод с использованием так называемого экономического фактора Э.

Экономический фактор учитывает стоимость электроэнергии, КПД насосных установок, стоимость строительства сети и водопроводных сооружений и т.п. Экономический фактор можно определить по формулам:

– для металлических труб; (13.20)

– для асбестоцементных труб, (13.21)

где – стоимость энергии; b – коэффициент стоимости сети.

8. Производится увязка сети. Для каждого кольца выбирается условно положительное направление. Если направление движения потока воды на участке совпадает с условно выбранным направлением, то потери напора на этом участке считаются положительными, а если не совпадают, то отрицательными. Увязать сеть -значит добиться выполнения следующих соотношений:

Здесь n – количество участков в кольце; m – количество расходов, подходящих к узлу и отходящих от него.

Соотношение (13.22) для предварительно найденных расходов должно выполняться, так как оно использовалось при предварительном распределении расходов по участкам соотношение (13.23) выполняется при увязке водопроводной сети, например, методом Лобачева-Кросса. Сущность метода Лобачева-Кросса состоит в следующем. Пусть для кольца (рис. 13.24)

(13.24)

т.е. . (13.25)

Рис. 13.24. Элемент кольцевой сети

Величина Dh называется невязкой.

Если Dh > 0, то сумма условно положительных потерь напора больше отрицательных. Значит, чтобы уменьшить Dh (приблизить к нулю), необходимо расходы на участках с условно отрицательными потерями напора увеличить на величину поправочного расхода, а на участках с условно положительными потерями напора – уменьшить.

Если Dh < 0, то, наоборот, расходы на участках с условно положительными потерями напора надо увеличить, а на участках с условно отрицательными уменьшить на величину поправочного расхода. Поправочный расход определяется по формуле

(13.26)

где s_i – сопротивление участка; q_i – расход воды по участкам.

Формула (13.26) может быть получена следующем образом.

Пусть для кольца, показанного на рис. 13.24, с предварительно распределенными расходами получилась невязка Dh, т.е.

. (13.27)

Пусть Dh > 0, тогда .

Для того чтобы Dh = 0, необходимо расходы q₃ и q₄ уменьшить на некоторую величину Dq, а расходы q₁ и q₂ увеличить на эту же величину.

. (13.28)

Раскрывая скобки и отбрасывая члены, содержащие (Dq) 2 как малые в сравнении с членами, содержащими q и Dq, получим:

. (13.29)

Увязка сети продолжается до тех пор, пока не будет выполняться соотношение

, (13.30)

гдеDh_доп – допустимая величина невязки.

Если водопроводная сеть состоит из нескольких колец, то необходимо выполнять одновременно увязку всех колец до тех пор, пока не будет выполняться указанное соотношение для всех колец.

Для участков, общих для соседних колец, поправочный расход вводится из каждого кольца. Поправочный расход вводится из одного кольца в другое с тем же знаком.

В прил. 10 СНиП 2.04.02-84* приведена формула, которой следует пользоваться для определения потерь напора при выполнении гидравлических расчетов

. (13.31)

По существу, эта формула является формулой Дарси-Вейcбаха. Коэффициенты A₁, A_o, с, m зависят от материала и внутреннего покрытия труб и приведены в прил. 10. В формуле (13.31) d – внутренний (расчетный) диаметр. При использовании выражения (13.31) поправочный расход определяется по формуле

, (13.32)

которая получается по методике, приведенной выше.

Значения внутренних расчетных диаметров в формуле (13.31) находятся по ГОСТам для соответствующих труб.