Повышение эффективности работы систем водоснабжения и водоотведения в сложных природных условиях

Освоение обширной территории Крайнего Севера и Северо-востока началось с 30-х годов прошлого столетия. За это время произошли грандиозные перемены в северных и северо-восточных районах, бывших окраинах страны. Разведаны огромные богатства и налажена добыча полезных ископаемых: алмазов, золота, цветных и редких металлов, железных руд, нефти, угля, природных газов и т. п.

Однако вследствие сложных природно-климатических условий (низкая температура воздуха с годовыми амплитудами колебания до 100 °C, частые ураганные ветры, большая снегозаносимость, продолжительный период с отрицательной температурой воздуха — свыше 200 дней в году, вечномерзлое состояние грунтов, полярные ночи и т. п.) условия строительства в этих районах сложны и существенно отличаются от строительства в средней полосе России.

Основной особенностью этих районов, осложняющей и удорожающей строительство и эксплуатацию сооружений, является наличие вечномерзлых грунтов, занимающих пространство до 60% всей территории России. Характерными явлениями, имеющими место в верхнем сезонномерзлом слое и деградирующей вечной мерзлоте, являются пучение и просадки грунтов, образование наледей, каверн, провалов, выветривание, образование морозобой-ных трещин и др.

Строительство в таких условиях является очень сложным и дорогостоящим процессом, а эксплуатация построенных объектов требует большой затраты сил и средств. Поэтому сейчас изучению вопросов строительства в районах распространения вечномерзлых грунтов уделяется большое внимание.

В настоящее время уже накоплен значительный опыт строительствапроизошли существенные сдвиги в части усовершенствования конструктивных и планировочных решений, как отдельных объектов строительства, так и комплексов жилых массивов и населенных мест.

Хуже обстоит дело с проектированием и строительством инженерных коммуникаций и очистных станций. Их сооружение значительно отстает от промышленного и жилищного строительства. Большинство поселков, оборудованных системами теплоснабжения и водопровода, не имеют централизованной системы канализации. Даже такой город как Якутск не имеет сетей канализации, обслуживающих все его жилые районы. В то же время обеспечение населения всеми видами благоустройства является вопросом первостепенной важности и одним из основных стимулов заселения отдаленных районов страны с суровыми климатическими условиями постоянными кадрами.

Следует подчеркнуть, что в общем, комплексе благоустройства населенных мест Севера важнейшими элементами являются инженерные коммуникации и оборудование. Вполне объяснимо, что наличие продолжительной зимы, сурового климата, полярных ночей и т. д. вынуждает население основную часть времени проводить в помещении. Поэтому в последнее время вопросам санитарии и экологии стало уделяться значительное внимание.

Строительство и эксплуатация показывают чрезвычайное разнообразие в технических решениях обусловленных недостаточной изученности вопроса и ограниченного обмена опытом. До последнего времени не было даже нормативных документов по проектированию, строительству и эксплуатации инженерных коммуникаций. Лишь с 1959 г. началась работа по составлению проекта «Указаний по проектированию, строительству и эксплуатации инженерных сетей в районах распространения вечномерзлых грунтов». В 1967 г. были выпущены в свет «Указания по проектированию населенных мест, предприятий, зданий и сооружений в северной строительно-климатической зоне» СН 353−66. Нормативные документы составлены на основе отечественного и зарубежного опыта проектирования, строительства и эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения в районах распространения вечномерзлых грунтов. В процессе работы над этими нормативными документами обнаружено практически полное отсутствие научно-исследовательских материалов по работе канализационных трубопроводов в условиях вечной мерзлоты.

В 1979 г. Госстроем СССР выпускается СН 510−78 «Инструкция по проектированию сетей водоснабжения и канализации для районов распространения вечномерзлых грунтов», которая фактически до настоящего времени является основным нормативным документом. Все виды трубопроводов, проложенных в мерзлом грунте, должны быть защищены от действия двух основных факторов: от замерзания жидкости в нихот просадок, происходящих в результате возможного оттаивания вечномерзлого грунта в основании трубопроводов.

Вопросы прокладки трубопроводов и назначение тепловых режимов работы водоводов в суровых климатических условиях с наличием вечномерзлых грунтов впервые в мировой практике встали перед российскими учеными в начале XX века в связи со строительством транссибирской железной дороги. Первые экспериментальные исследования тепловых режимов работы трубопроводов и основы их расчета заложили ученые А. О. Скварченко,.

A.А.Сурки, И. АЛОхоцкий, А. М. Чекотилло, М. Я. Чернышев, М. И. Сумгин, Н. С. Богданов, А. В. Львов, В. Г. Шухов. Требования к надежности работы систем водоснабжения предъявлялись жесткие, так как устойчивое снабжение водой железнодорожной станции обеспечивало бесперебойную работу паровозной тяги.

Отдельные аспекты водоснабжения на вечномерзлых грунтах в условиях сурового климата позднее освещались в работах М. М. Андрияшева, И. И. Алешкина, О. В. Акимова, Ю. А. Александрова, Г. В. Алексеевой, С. Н. Аронова, Д. Н. Бибикова, П. А. Богословского, Н. В. Богдасарова, Э. А. Бондарева, Ю. И. Вдовина, Г. И. Воловника, А. А. Вершинина,.

B.С.Дикаревского, В. Д. Дмитриева. Б. М. Доскемпирова, Н. Г. Зенгера,.

Н.П.Заборщиковой, О. В. Забор щикова, В. М. Жидких, В. П. Зырянова, В. Ф. Кардымон, А. А. Кошелева. В. И. Карпова, А. В. Люгова,.

Д.А.Нусупбековой, А. С. Образовекого, Н. Н. Петруничева. А. Ф. Порядина, Г. А. Пчелкина, А. И. Поисеевой, А. В. Путько, Г. В. Порхаева, Ю. А. Попова, В. П. Стеганцева, Л. П. Семенова, Л. Д. Терехова. Б. Ф. Турутина, Н. Ф. Федорова, М. Ю. Юдина, Ю. В. Якунина, А. Л. Ястребова и др.

В работах отечественных ученых рассматриваются особенности проектирования источников водоснабжения, конструирования и расчета водозаборных сооружений, особенностей работы насосных станций, совершенствования способов прокладки водоводов и водопроводных сетей, методики теплотехнических и гидравлических расчетов устройств, предохраняющих трубопроводы и арматуру от разрушения вследствие перемерзания, проведения организационных мероприятий, повышающих надежность эксплуатации систем водоснабжения.

Из зарубежных исследований следует отметить работы, выполненные Локом, Боллом, Зиерманом, Рихтером. Шмидтом, Стюартом, Гиллином, Фу-кусако, Хирата и др.

Режим работы самотечных канализационных сетей отличается от трубопроводов другого назначения. Тепловой режим работы отличается от теплового режима работы напорных трубопроводов, а подземная прокладка является основном типом устройства канализационных трубопроводов.

Большой объем исследований по вопросу теплового взаимодействия трубопроводов с окружающей средой проводился в основном для напорных трубопроводов. В результате этих работ достигнуты определенные успехи, имеющие как теоретическое, так и практическое значение.

Актуальность проблемы. Наличие огромных природных богатств сырьевых и энергетических ресурсов в северных районах России способствует дальнейшему освоению этих районов, росту промышленного и гражданского строительства. В настоящее время здесь проживают около 4 миллионов человек, более чем в 400 населенных пунктах.

Системы водоснабжения и водоотведения являются важными составляющими, обеспечивающими бесперебойность работы промышленных предприятий и создание для населения бытовых условий, отвечающих современным требованиям. Водонесущие трубопроводы являются основным элементом этих систем, определяющим их надежность и экономичность. Строительство и эксплуатация водоводов на Севере имеет свои особенности, связанные с наличием вечномерзлых грунтов и сурового климата, а также дополнительными мероприятиями по предотвращению их перемерзания. По капитальным затратам на водоводы, не зависимо от способа прокладки, приходится до 50% от сметной стоимости систем водоснабжения и водоотведения.

Себестоимость воды в Северных районах в среднем в 20−30 раз выше, чем в средней полосе страны. Это связано со значительным потреблением электроэнергии и топлива на транспортирование и подогрев воды.

Для борьбы с замерзанием воды в трубах водоводы обычно утепляют, а воду перед подачей по трубам подогревают. По нормам подогрев следует назначать таким, чтобы в конце водовода температура воды была не ниже 3 °C. Для выполнения этого условия воду необходимо подогревать на 10−20°С.

При снижении подогрева, а также в периоды вынужденной остановки движения воды в водоводах на внутренней поверхности труб возможно образование льда, что по действующим нормативам не допускается.

Анализ эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения, расположенных в условиях сурового климата, на примере станций Байкало-Амурской магистрали (БАМ) показал, что существующие нормативы по назначению экономичных тепловых режимов завышены, не в полной мере учитывают современный уровень развития техники. Необходима разработка новых технологий подачи воды в условиях сурового климата, обеспечивающих значительную экономию топлива и электроэнергии.

Целью диссертации является разработка и обоснование принципиально новых технологий строительства и эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения в сложных природных условиях.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

— сделать анализ отечественного и зарубежного опыта в области строительства и эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения в условиях вечномерзлых грунтов;

— дать анализ аварийности водонесущих трубопроводов на примере построенных станций БАМ;

— обосновать надежные и эффективные технологии строительства и условия эксплуатации водоводов в северной климатической зоне;

— дать описание физического процесса перемерзания водоводов и оценить влияние различных факторов на увеличение безопасной продолжительности остановки воды в трубопроводах;

— обосновать минимальные значения степени подогрева и температуры транспортируемой воды;

— провести экспериментальные исследования и разработать математическую модель теплового режима работы водовода с минимальным значением температуры транспортируемой воды при возможном обледенении трубопровода и образованием тонкого слоя льда на его внутренней поверхности;

— разработать методику определения оптимальной толщины слоя теплоизоляции водонесущих трубопроводов при обеспечении минимальных затрат на их строительство и эксплуатацию;

— дать оценку экономической целесообразности работы водоводов с минимально возможным подогревом транспортируемой воды в условиях внутреннего обледенения трубопровода.

Методика исследований включает: аналитическую часть, базирующуюся на отечественном и зарубежном опыте строительства, эксплуатации, аварийных ситуаций, а также тепловых режимах в системах водоснабжения и водоотведенияэкспериментальную часть на масштабных установкахматематическое моделирование процессов переноса веществ и энергии в водоводах.

Научная новизна заключается в актуальном и принципиально новом подходе к технологии прокладки и теплоизоляции водонесущих трубопроводов, а также изменению эксплуатационных характеристик трнаспортируемой воды и состоит в следующем:

— на основании собранных статистических материалов по аварийности водоводов БАМа выявлено, что наименьшее количество аварий происходит на водоводах надземной прокладки;

— дано описание физического процесса перемерзания водовода, установлена зависимость времени остывания воды и времени перемерзания водовода от температуры воздуха, транспортируемой воды и толщины слоя теплоизоляции;

— составлена математическая модель инерционности замерзания воды в водоводахпредложены технологические параметры «защитное время» и «время восстановления», регламентирующие действия службы эксплуатации при возникновении аварий на водоводах;

— экспериментально обоснована целесообразность снижения температуры транспортируемой воды до 0,1 °Сразработана методика расчета и составлена программа, позволяющая определить оптимальную толщину слоя теплоизоляции водовода при минимальных затратах на его строительство и подогрев воды в зимний период;

— установлены закономерности формирования корки льда на внутренней поверхности трубопровода и по его длинесоздана математическая модель, позволяющая учитывать широкий спектр условий работы водовода и программировать параметры его эксплуатации с минимальными затратами на подогрев транспортируемой воды.

Практическая ценность выполненных исследований:

— рекомендованы способы прокладки водонесущих трубопроводов преимущественно надземным способом или в проходных каналах;

— снижены затраты на организационно-технические мероприятия по эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения, одновременно обеспечиваются топливои энергосбережениеэто позволило реализовать результаты исследований на ряде объектов Байкало-Амурской магистрали, а затем на Дальневосточной железной дороге, получив существенную экономию;

— служба эксплуатации получила рекомендации по ремонтно-восстановительным работам при авариях на водоводах или остановки подачи воды, которые должны быть проведены в пределах расчетного времени восстановления водовода без опорожнения его от воды, что снижает затраты и возможные последствия при выпуске значительного количества воды в грунт или на поверхность земли;

— разработанный новый подход к тепловым режимам трубопроводов с минимальным подогревом и образованием корки льда на внутренней поверхности трубы дает экономию топлива до 20−40%, а в ряде случаев позволяет либо вообще отказаться от подогрева, либо на некоторых насосных станциях 1 -го подъема исключить котельные;

— снижается вредное воздействие на окружающую среду от продуктов сгорания топлива, вредных газов и пыли;

— реализация программ оптимизации подбора толщины теплоизоляции водоводов позволяет получить до 10−15% экономии затрат на строительство и эксплуатацию водоводов.

Личный вклад автора:

— сформулирована концепция построения работы, направленной на решение актуальной проблемы, постановке цели и разработке задач исследований;

— проанализирован опыт строительства и эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения, построенных в сложных климатических и фунтовых условиях, а также сделан анализ патентных материалов;

— сделан многолетний анализ аварий трубопроводов, построенных в районах вечномерзлых грунтов. Систематизированы причины аварий, установлена их зависимость от способа прокладки трубопроводов, материала труб, периода эксплуатации и др. факторов;

— проведены экспериментальные исследования гидравлических режимов водоводов с образованием корки льда на внутренней поверхности труб;

— исследована инерционность замерзания воды в трубах;

— разработаны рекомендации по расчету защитного времени в зависимости от температуры воздуха и воды, диаметра трубопровода, толщины слоя теплоизоляции;

— разработана методика расчета оптимального слоя теплоизоляции водоводов;

— разработаны рекомендации для службы эксплуатации по ремонтно-восстановительным работам водоводов, и также система учета аварийных ситуаций;

— результаты исследований внедрены на ряде объектов БАМ и в учебном процессе.

Апробация работы. Отдельные положения диссертации разрабатывались в соответствии с научно-техническими программами Министерства Путей Сообщения РФ «Экспериментально-теоретические исследования ледо-термических режимов трубопроводов» заказ ЦЭУ МПС 1996;97 гг. № 7.14 и Российской академии архитектурно-строительных наук (РААСН)*" Разработка и создание эффективной энергосберегающей технологии подачи воды по водоводам в суровых климатических условиях для Северных районов России" .

Основные положения и результаты работы были доложены: на научно-технической региональной конференции «Проблемы развития строительного комплекса Дальнего Востока» (Хабаровск, 1987), конференции ХабИИЖТа (Хабаровск. 1989), 3 региональной научно-практической конференции «Пути улучшения работы сооружений водоснабжения и водоотведения Дальнего Востока» (Хабаровск, 1989), научно-техническом семинаре «Обеспечение надежности питьевого водоснабжения» (Москва, 1989), научно-технической конференции «Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера» (Хабаровск, 1997). научно-практической конференции «Человек и окружающая природная среда» (Пенза, 2000), научно-практической конференции «Проектирование и строительство транспортных объектов в условиях Саха (Якутия)» (Якутск, 2003).

Рекомендованные экономичные режимы водоводов внедрены на системах водоснабжения ст. Тында, п. Новый Ургал ДВЖД.

Результаты работы используются в учебном процессе ДВГУПС при изучении спецкурса «Водоснабжение и водоотведение в условиях сурового климата» для студентов специальности 2908 «Водоснабжение и водоотведение» и на курсах повышения квалификации работников водоснабжения ДВЖД и ЗабЖД.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей, выполнено 2 отчета по НИР.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложенияизложена на 147 стр. машинописного текста, содержит 47 рисунков, 20 таблиц, приложение. Список использованной литературы включает 129 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Сделан анализ климатических и грунтовых условий в районе Байкало-Амурской магистрали (БАМ). Отмечено, что большинство сооружений промышленного и гражданского назначения находятся в зоне мерзлых грунтов, а застройка поселков велась с учетом вида грунтов и методов прокладки инженерных коммуникаций.

2. Проектирование и устройство трубопроводов инженерных коммуникаций на вечномерзлых грунтах должно производиться с учетом особых свойств этих грунтов. При расчете дополнительных осадок мерзлых грунтов должна быть установлена зависимость предельного сопротивления вечномерзлых грунтов сдвигу от состава, состояния и температуры грунта, а так же от величины и времени действия внешней нагрузки. При расчете прочности трубопроводов на мерзлых грунтах необходимо учесть, что сжимаемость оттаивающих грунтов значительно превышает их сжимаемость в мерзлом состоянии.

3. При подземной прокладке теплого трубопровода вокруг труб образуются большие ореолы оттаивания и грунт в основании труб проседает, деформируя трубопровод. Кроме того, в результате оттаивания происходит осадка дневной поверхности и это при наличии высокольдистых грунтов или подземного льда может привести к термокарсту. При подземной прокладке холодного трубопровода вокруг труб образуется ореол промерзания. Если ниже труб находится талый грунт, то трубопровод может быть разрушен силами нормального пучения.

4. Потеря устойчивости трубопровода может происходить также в результате его всплытия при подъеме уровня подземных вод на участках с различными типами многолетнемерзлыми горными породами (ММП). Последние при оттаивании превращаются во взвешенную массу (пульпу), в которой вследствие ее большой плотности легко всплывают трубопроводы.

5. Опыт отечественного и зарубежного строительства в условиях Крайнего севера инженерных систем водоснабжения и водоотведения свидетельствует о необходимости соблюдения целого комплекса мер защиты от замерзания и разрушения водонесущих трубопроводов. Отмечено, что вид прокладки инженерных коммуникаций должен быть увязан с принципами строительства зданий и сооружений в зависимости от расположения трассы сетей по отношению к застраиваемой территории, ее архитектурно-планировочному решению и максимально возможному приближению к обслуживаемым объектам.

6. Способ прокладки инженерных коммуникаций зависит от способности грунтов к просадке при оттаивании. Водонесущие коммуникации прокладываются раздельно или совместно в каналахспособ прокладки может быть подземным, наземным и надземнымсделан вывод о целесообразности и перспективности прокладки напорных водоводов надземным способом с устройством надежной теплоизоляции. Отмечено практическое отсутствие универсальных методов проектирования, строительства и эксплуатации инженерных коммуникаций.

7. Опыт эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения показал, что наибольшее число аварий приходится на 2−3 весенних и 1−2 осенних месяца, что связано с процессами оттаивания и промерзания грунтов. Основными причинами аварий на трубопроводах являются замерзание воды в трубах и деформация трубопроводов вследствие изменения физико-механических свойств грунтов в их основании, чрезмерные и неравномерные осадки грунтов при отсутствии в проектах строительства мер, предусматривающих аварийные ситуации, и расчета трубопроводов на возможные максимальные осадки грунтов.

8. Анализ статистических данных по аварийности водоводов БАМа показал, что во многих случаях причинами аварий стали ошибки, допущенные при проведении инженерно-геологических изысканий мерзлых грунтов, при проектировании, строительстве и эксплуатации водоводов. Подтверждена более высокая надежность и эффективность надземной прокладки водоводов. Отмечена перспективность применения полиэтиленовых труб для систем водоснабжения.

9. Сделан анализ методов теплового расчета трубопроводов, взаимодействующих с мерзлыми грунтами, в основу которых положены стационарные и не стационарные режимы работы трубопроводов и внешних параметров. Надежность таких методов расчета недостаточна. Отмечено, что существующие методы расчета водонесущих трубопроводов рассматривают процессы теплообмена с мерзлым грунтом только для напорных водоотводов. Для водоотводящих систем с самотечным режимов движения воды методы расчетов теплообмена практически отсутствуют.

10. Проведенные аналитические и экспериментальные исследования по инерционности замерзания воды в трубах обосновали возможность транспортировать воды по напорным трубопроводам систем водоснабжения с температурой в пределах 0,01−0,1°С, что значительно ниже действующего требования в 3 °C. С целью регламентирования действий службы эксплуатации по предотвращению перемерзания водоводов вводятся два параметра «защитное время» (продолжительность безопасности остановки движения воды в трубах) и «время восстановления» (время, необходимое для возобновления движения воды в трубах).

11. В процессе исследований было отмечено, что в условиях низких отрицательных температур воздуха при транспортировании воды с минимальным подогревом или без подогрева, на внутренней поверхности трубы может образоваться тонкая корка льда. Работа в режиме внутреннего обледенения существенно влияет на гидравлические, энергетические и экономические показатели эксплуатации водоводов.

12. Исследования показали, что при работе трубопроводов с внутренним обледенением уменьшается шероховатость, за счет чего пропускная способность труб увеличивается до 27%, потери напора снижаются до 39%, затраты на подогрев уменьшаются до 30%. Наибольший эффект от покрытия льдом внутрнней поверхности труб достигается при степени оледенения ш = 0,1 при реализации новой технологии с оледенением на водоводах большой протяженности уложенных из старых труб с большой шероховатостью внутренней поверхности.

13. Разработаны методика и программа для расчета процесса оледенения водоводов. Предложен и внедрен автоматизированный комплекс АКУ-TRV для управления и обеспечения оптимальных гидравлических и тепловых параметров водоводов в условиях Крайнего севера.

14. Результаты экспериментов по инерционности замерзания водоводов в зимний период, проведенных на чистой воде, вполне могут быть распространены и на водоотводящие напорные трубопроводы, поскольку температура сточных вод, поступающих в начало сети, как правило, не ниже 5−10°С.

15. Разработаны Рекомендации по расчету защитного времени в зависимости от температуры воздуха и воды, диаметра трубопровода, толщины теплоизоляции. В графической и табличной форме представлены зависимости времени остывания и промерзания трубопроводов от диаметра труб, температуры воздуха, толщины слоя изоляции и начальной температуры транспортируемой по трубопроводу воды. Разработаны также Рекомендации по эффективным способам и видам теплоизоляции трубопроводов в условиях БАМа.

16. Эффект от внедрения предлагаемых разработок снижает эксплуатационные расходы для одной средней станции на 1,76 млн руб.