Водоснабжение

Система водоснабжения — это комплекс инженерных сооружений, предназначенных для забора воды из источника водоснабжения, ее очистки и подачи потребителям. В зависимости от вида обслуживаемого объекта системы водоснабжения подразделяются на городские, промышленные, сельскохозяйственные, железнодорожные т.д. Система водоснабжения принятая нами объединенная (единая) — это водопровод, выполняющий одновременно хозяйственно-питьевые, производственные и противопожарные функции.

Схема водоснабжения

Рисунок 1. Схема водоснабжения. ВЗ — водозаборные сооружения; ВП — водоподготовка; НС — насосная станция; Б — баня; Ппрачечная; М — медицинское учреждение

Магистральная сеть стоит из двух колец (см. рис.1). На самую высокую точку предусмотрена водонапорная башня, воду в сеть подают насосы.

Расчет водопотребления

водопровод насос гидравлический расчет

Производительность хозяйственно-противопожарного водопровода населенных пунктов должна обеспечивать: хозяйственно-питьевое водопотребление в жилых и общественных зданиях (банях, прачечных, больницах, столовых, гостиницах и т. п.); поливку и мойку территорий населенных пунктов (улиц, площадей, зеленых насаждений), работу фонтанов и т. п.; хозяйственно-питьевое водопотребление на предприятиях; производственные нужды тех предприятий, для которых экономически нецелесообразно сооружение отдельного водопровода; тушение пожаров; собственные нужды очистных водопроводных станций; прочие нужды.

Определение производительности водопровода производится на основании величин, установленных строительными нормами и правилами. Основным расчетным расходом является максимальный секундный расход, на который надо рассчитать проектируемый водопровод.

Потребителей воды условно разделим на следующие группы:

1. на хозяйственно-питьевые нужды в жилом секторе;

2. на нужды промышленных предприятий;

3. на нужды пожаротушения;

4. на прочие неучтенные нужды.

Для удобства использования полученных результатов в последующих расчетах суммарный расход воды по городу целесообразно разбить на две части:

1) сосредоточенный расход;

2) равномерно распределенный или путевой расход.

Максимальный суточный хозяйственно-питьевой расход воды, л/сутки:

Q_сут = q_cр· N· б_сут,

где q_cр -средняя норма расхода воды на одну единицу в сутки; Nрасчетное число единиц; б_сут.— коэффициент суточной неравномерности водопотребления.

Максимальный часовой расход воды, л/час:

Q_час = Q_сут · б_час / 24,

где б_час. — коэффициент часовой неравномерности водопотребления.

Максимальный секундный расход воды, л/с:

Q_xп = q_cр· N·б_{oбщ.макс}/(24·3600),

где б_общ. — коэффициент неравномерности водопотребления.

б_общ. = б_сут. · б_час..

Расчет выполняем в таблице 5 приложения.

Рассчитаем максимальные секундные расходы воды для потребителей.

1. в жилом секторе:

1) сосредоточенный расход:

· в бане:

Будем считать, что количество посетителей бани составляют 75% от числа жителей, тогда, с учетом, что каждый посетитель бывает в бане один раз в неделю: N_Б = N · 0,75 / 7 = 75 000 · 0,75 / 7 = 8035,71 человек.

q_cр = 180 л/сут; б_сут = 1,15; б_час = 1,33;

б_общ = 1,15? 1,33 = 1,53

Q_Б = 180 · 8035,71 · 1,53 / (24 · 3600) = 25,6 л/c

· в прачечной:

Пусть, доля пользователей прачечной условно составляют 25% от числа жителей и каждый пользователь в сутки стирает 0,3 кг белья: N_П = N · 0,25 · 0,3 = 75 000 · 0,25 · 0,3 = 5625 кг белья.

q_cр = 75 л/сут; б_сут = 1,15; б_час = 1,33;

б_общ = 1,15? 1,33 = 1,53

Q_П = 75 · 5625 · 1,53 / (24 · 3600) = 7,5 л/c

· в больнице:

Для расчета суточной потребности, предположим, что 15% населения стационарно лечатся раз в году и проводят там в среднем по 10 дней: N_М = N · 0,15 · 10 / 365 = 75 000 · 0,15 · 10 / 360 = 313 коек.

q_cр = 250 л/сут; б_сут = 1,15; б_час = 1,33;

б_общ = 1,15? 1,33 = 1,53

Q_М = 250 · 313 · 1,53 / (24 · 3600) = 1,4 л/c

2) равномерный расход:

N = 75 000 человек; q_cр = 200 л/сут; б_сут = 1,15; б_час = 1,33;

б_общ = 1,15? 1,33 = 1,53

Q_N = 200 · 75 000 · 1,53 / (24 · 3600) = 285,5 л/c

1. на нужды промышленных предприятий:

· горячие цеха:

— производственные нужды:

q_cр = 10 000 л/сут; N = 80 т; б_сут = 1,4; б_час = 2;

б_общ = 1,4? 2 = 2,8

Q_гп = 10 000? 80? 2,8 / (24 · 3600) = 25.93 л/c

— хозяйственно-питьевое потребление: q_cр = 45 л/сут; Nг = 7500 человек; б_сут = 1,4; б_час = 2;

б_общ = 1,4? 2 = 2,8

Q_гхп = 45? 7500? 2,8 / (24 · 3600) = 10,9 л/c

— душевые: количество душевых сеток N_Дг = Nг/6 = 7500/6 = 1250; q_cр = 500 л/сут;

Q_Дг = 500? 1250 / (24 · 3600) = 7,23 л/c;

· холодные цеха:

— производственные нужды: q_cр = 1000 л/сут; N = 150 т; б_сут = 1,4; б_час = 2;

б_общ = 1,4? 2 = 2,8

Q_xп = 1000? 150? 2,8 / (24 · 3600) = 4.86 л/c

— хозяйственно-питьевое потребление: q_cр = 25 л/сут; Nх = 30 000 человек; б_сут = 1,4; б_час = 2;

б_общ = 1,4? 2 = 2,8

Q_гхп = 25? 30 000? 2,8 / (24 · 3600) = 24,31 л/c

— душевые: количество душевых сеток N_Дх = Nх/12 = 30 000/12 = 2500; q_cр = 500 л/сут;

Q_Дх = 500? 2500 / (24 · 3600) = 14,47 л/c;

1. на нужды пожаротушения:

Для жилого массива, с учетом наличия магазинов, школ, детсадов, клубов и др. общественных зданий, количества одновременных пожаров — 2; расход воды на 1 пожар q_cр= 35 л/с

Q_пж = 2? 35 = 70 л/c

Расход воды на пожаротушение на производственных предприятиях предполагая два одновременных пожара при расходе на один пожар 30 л/с

Q_пп = 2? 30 = 60 л/c

Подготовка магистральной водопроводной сети к гидравлическому расчету

1. Определяем подачу воды в сеть из водонапорной башни и насосной станции II подъема в период максимального водопотребления. Условно принимаем, что 90% максимального водопотребления удовлетворяется за счет подачи воды с насосной станций II подъема, а 10% - за счет подачи воды из водонапорной башни.

НС = 669,2? 90% = 602,29 л/с,

ВБ = 669,2? 10% = 66,92 л/с.

2. Составляем схему сети с предварительным распределением расходов воды по участкам рис. 2.

В связи с неравномерностью водопотребления и подачи воды в водонапорную сеть гидравлические условия ее работы все время меняются. Наиболее напряженной будет работа сети в период максимального водопотребления. На этот режим работы и сделан расчет сети. При этом располагаем, что крупным потребителям (промышленному предприятию, прачечной, бане, больнице) вода подается в виде сосредоточенных расходов, а остальным потребителям — равномерно по длине магистральных линий. Для упрощения расчетов путевые расходы заменяются сосредоточенными расходами в узлах. Эти расходы определяются как полусумма путевых расходов. Итоговые сосредоточенные расходы воды относят к узлам присоединения к сети соответствующих потребителей.

При расчете путевых расходов длина трубопровода, проходящего по границам застройки или по проездам с односторонней застройке, учитывается в половинном размере. В нашем случае это участки AD, CD и часть участка BC.

Удельный путевой расход, л/(с?м):

q = Q / L,

где Q — общий равномерно распределенный расход, Q = Q_N = 285,5 л/с; L — эквивалентная длина сети, L = AB + (BC) + CD/2 + AD/2 = 2646 + (3689 + 2037/2+700/2) + 5705/2 + 2037/2 = 11 574,5 м.

q = 285,5/11 574,5 = 0,2 466 л/(с?м).

Путевой расход i-го участка, л/с:

Q_пi = q? L_i,

где L_i — эквивалентная длина i-го участка, м.

Сосредоточенный расход, заменяющий путевой, л/с:

Q_зi = Q_пi /2.

Расчеты путевых и сосредоточенных расходов по участкам приведены в таблице 1.

На схеме полученные сосредоточенные расходы воды показываем на сносках от узлов. Оформленная таким образом схема представляет собой схему водозабора в сети.

Пользуясь полученной схемой водозабора, намечаем вероятное распределение потоков по всем линиям сети с учетом подачи воды потребителям кратчайшим путем, более или менее равномерной загрузки параллельных магистралей.

Таблица 1

Путевые и сосредоточенные расходы Рисунок 2. Схема предварительного распределения расходов по участкам сети в период максимального водопотребления.

Правильность намеченного распределения потоков воды контролируется для каждого узла условием:

УQ = Уq,

где УQ — сумма расходов воды, притекающих к узлу; Уq-сумма расходов воды, вытекающих из узла.

Гидравлический расчет водопроводной сети

Гидравлический расчет водопроводной сети заключается в определении диаметров труб и потерь напора. Основой для выбора диаметров труб служат найденные при подготовке сети к расчету расчетные расходы воды по участкам сети. Выбор диаметров магистралей производим ориентировочно по таблицам предельных экономических расходов (см. табл.7 приложения). Учитывая, что с течением времени эксплуатации диаметры труб вследствие зарастания отложениями уменьшается, не рекомендуется применять для магистральных трубопроводов внешних водопроводных сетей трубы диаметром менее 100 мм. Для ответвлений от магистральных трубопроводов можно использовать трубы меньшего диаметра.

Пользуясь расчетными расходами и выбранными диаметрами труб, производим расчет потерь напора на преодоление трения в трубах по формуле:

h = S₀? ?? K? Q²_pac? 10^-6,

где S₀— расчетное удельное сопротивление трубы (принимается по справочным таблицам в зависимости от материала и диаметра трубы); K — поправочный коэффициент к расчетным значениям S₀ (принимается по справочным таблицам в зависимости от материала трубы и скорости движения воды);? — длина трубы, м; Q_рас — расчетный расход по участку, куб. м/с.

В кольцевых сетях распределение потоков по участкам должно отвечать условиям:

dh = 0.

где dh — алгебраическая сумма потерь напора в замкнутом контуре сети.

Обычно намеченное предварительное распределение расходов по кольцевой сети не удовлетворяет условию, т. е. алгебраическая сумма потерь напора в кольцах не равна нулю, а составляет некоторую величину, называемую невязкой. В нашем случае максимальная невязка составляет более 14 метров (см. табл.2).

Процесс уменьшения невязок до практически приемлемых величин называется увязкой сети. Она заключается в корректировке предварительно намеченных расходов воды по участкам сети. Корректировка производится путем переброски части расхода с одного направления на участки с противоположенным направлением движения воды. В процессе увязки расходы воды всех перегруженных участков должны быть уменьшены на величину увязочного расхода (dQ) при одновременном увеличении на ту же величину расходов по всем недогруженным участкам. Для определения увязочного расхода может быть использована формула профессора В. Г. Лобачева:

dQ = - 0.5· dh / У (S· Q_pac),

где S= S₀· K·? — сопротивление участка сети.

Для смежных участков трубопровода, которые используются в расчетах потерь напора в двух и более колец, необходимо учитывать все увязочные расходы этих колец, причем, если во втором кольце расход имеет противоположный знак по сравнению со знаком расхода в первом кольце, то увязочные расходы соседних колец берутся с противоположным знаком.

Проверяем соответствие диаметров участков трубопроводов уточненным значениям расходов, при необходимости назначаем новые значения диаметров.

Таблица 2

Гидравлический расчет предварительного распределения расходов

Гидравлический расчет увязки водопроводной сети ведем в табл. 6 приложения.

Расчеты показали, что сеть стала увязанной на 5 приближении, когда невязка по давлению, составила менее 0.5 м.

Рассчитаем потери на водоводе от насосной станции до кольцевой сети. Водовод состоит из двух параллельных труборпроводов, расчетный расход в одной нитке уменьшаем в два раза. Расчет представлен в таблице 3.

Таблица 3

Гидравлический расчет водовода

Расчет напора насосов станции II подъема и высоты водонапорной башни

Расчет ведется по формулам:

Н_н = (О_б-О_н)+h_н-б+h_пк +h_б,

h_б = Н_св.д+(О_б-О_Д)+h_б-д,

где Н_н — напор насосов; О_б — отметка поверхности земли в месте расположения водонапорной башни; О_н — отметка резервуара чистой воды; h_н-б — потери напора в насосе, в водопроводе и в сети при движении воды от насосной станции до водонапорной башни; h_пк — высота поддерживающей конструкции водонапорной башни; h_б — высота бака водонапорной башни от поверхности земли; Н_св.д — свободный напор в диктующей точке; О_Д — отметка поверхности земли в диктующей точке; h_б.д -потери напора в водонапорной башне, в водоводах и сети при движении воды от водонапорной башни к диктующей точке.

В данной работе выбор диктующей точки производим из числа точек, в которых водонапорная башня в период максимального водопотребления поддерживает требуемый напор. Критерием выбора служит величина свободного напора. В диктующей точке она минимальная. При этом необходимо учитывать следующие зависимости:

П = Н_cв + О, П1 — П2 = h₁₋₂,

где П — пьезометрический напор в какой либо точке; Н_св, О — свободный напор и отметка земли в той же точке; П1, П2 — пьезометрические напоры в предыдущей и последующей точках; h₁₋₂ — потери напора в водопроводной сети при движении воды между этими точками.

Свободный напор в диктующей точке:

Н_cв = 10 + 4?(z — 1) = 10 + 4?(- 1) = 14,000 м.

Начнем от узла С. П_С = Н_свС + О_С = 14,000 + 0,3 = 14,333 м.

П_D = П_C + h_DC = 14,333 + 31,035 = 45,368 м.

H_свD = П_D — О_D = 45,368 — 20 = 25,368 м.

Аналогично рассчитаем свободные напоры в остальных узлах. Результаты сведем в таблицу 4.

Таблица 4

Так как свободный напор в узле C оказался ниже, чем в остальных, следовательно, диктующей точкой будет узел C.

Высота водонапорной башни ВБ:

H_ВБ = Н_cв + 3 = 14 + 3 = 17,0 м.

Выбор насосной станции

Насос выбираем из рис. 4 по напору и подаче

Н_нс =60,854 м, Q_нс = 602,29 л/с.

Рисунок 3. Схема окончательного распределения расхода по участкам сети

Рисунок 4. Свободный график полей консольных насосов

Подходит насос 8К-12 в количестве 18 штук, соединеныx последовательно по 3 штук в 6 параллельных ветвях.

Рисунок 5. Характеристики насосов серии 8к-12.

Параметры насоса 8К-12 (8 — уменьшенный? в 25 раз диаметр; 12 — уменьшенный в 10 раз коэффициент быстроходности):

Н_н.i = 20,3 м; Q_нас.i = 100,4 л/с; n = 1450 об/мин; N = 29 кВт; з = 80%.

1. Абрамов Н. Н. Расчет водопроводных сетей — М., Стройиздат. 1984 г.

2. Башта М. Т и др. Гидравлика, гидромашины, гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982 г.

3. Калицун В. А и др. Гидравлика, водоснабжение и канализация. М.: Стройиздат, 1980 г.

4. СНиП 2.04.02−84* Нормы проектирования. Водоснабжение, Наружные сети и сооружения — Госстрой России — М., 1996.

Приложение

Таблица 5. Расчетное водопотребление

Таблица 6

Гидравлический расчет увязки водопроводной сети

Таблица 7

Экономически выгодные диаметры и их сопротивления при скорости потока v = 1.2 м/с

Таблица 8

Поправочные коэффициенты к сопротивлению So при скорости потока v < 1.2 м/с