Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В дипломном проекте на тему «Совершенствование системы водоснабжения населенного пункта с числом жителей 10000 человек» исследована сеть водоснабжения города, где наблюдается дефицит воды в часы максимального водопотребления.

В дипломном проекте произведен гидравлический расчет сети водоснабжения города в часы максимального, минимального водопотребления и при пожаре при помощи программы «Каскад» на ЭВМ.

Выполнена проверка работы существующих насосов на насосной станции второго подъема водозабора города на совместную работу с сетью. Произведен анализ патентных материалов, а также сравнительный анализ аналогов существующих в настоящее время способов подготовки воды из подземных источников и предложены методы по улучшению качества питиевой воды. Произведен расчет объема резервуаров чистой воды на водозаборе. Проделана научно-исследовательская работа и сделан расчет по затратам электроэнергии насосами второго подъема с обоснованием целесообразности применения регулируемого электропривода в качестве регулятора водоподачи и напора.

Выявлены причины неустойчивого водоснабжения города и произведена разработка ряда мероприятий по предотвращению перебоя подачи воды в час максимального водопотребления.

Введение

водоснабжение подача насос

Реконструкция систем подачи и распределения воды является актуальной проблемой для каждого города. В настоящее время многие города испытывают одни и те же проблемы, резко обострившиеся в последние годы: дефицит воды, большие ее потери в результате утечек, доходящие до 50 %, неэффективное использование насосного оборудования и регулирующих емкостей, высокий уровень энергозатрат.

Современное развитие и быстрый рост систем городских водопроводов, увеличение числа одновременно используемых источников водоснабжения, насосных станций, емкостей вызывает необходимость развития методов расчета систем подачи и распределения воды для обеспечения требуемой их экономичности и надежности. Сеть должна рассматриваться в условиях ее совместной работы с насосными станциями и регулирующими емкостями при заданных режимах водопотребления. Ставится задача создания инженерной системы (новой или реконструируемой), работающей в условиях нерегулируемого непрерывного возрастания и циклических изменений водопотребления и удовлетворяющей требованиям экономичности и надежности. Необходимо обеспечить потребителей водой при возможных пиковых нагрузках и при любых возможных отказах элементов системы в периоды малых нагрузок. Сложность решения такой проблемы очевидна.

В целях вероятностной оценки пиковых нагрузок для обоснованного назначения расчетных расходов и режима совместной работы элементов системы специалистами, работающими в области усовершенствования методов расчета водопроводных сетей, изучаются закономерности водопотребления, накапливаются статистические данные по фактическим объемам и режимам водопотребления. Разрабатываются методы расчета регулирующих емкостей, станций регулирования, зонирования систем, автоматизации работы водопитателей и т. п. Многие из этих исследований еще не завершены.

Усложнение задач расчета систем подачи и распределения воды показывает, что их успешное решение без использования вычислительной техники практически неосуществимо.

Цель дипломного проекта - исследование причин неустойчивого водоснабжения города в час максимального водопотребления и принятие мер по предотвращению перебоя водоснабжения.

1. Аналитический обзор

Реконструкция системы подачи и распределения воды (СПРВ) является актуальной проблемой для каждого города. До 1968 года наладка и интенсификация работы СПРВ производились только на основе натурных обследований, причем основным критерием оценки работы сети являлась манометрическая съемка напоров, что не позволяло оценить фактическую картину пропускной способности сети. Полученные при манометрической съемке данные о фактических потерях напора на участках сети зачастую не могут служить объективным критерием для оценки её работы.

По результатам манометрической съемки разрабатывались рекомендации по улучшению режимов работы водопроводной сети. Удавалось устранить наиболее грубые нарушения эксплуатации сети, улучшить водоснабжение отдельных микрорайонов, но это не приводило к улучшению работы СПРВ в целом. Эта работа в значительной мере приобрела интуитивный характер, не подкрепляясь расчётами, и все достижения по улучшению функционирования СПРВ достигались благодаря опыту и инженерной интуиции исполнителей.

Для приблизительных гидравлических расчетов предусматривалось использование средств вычислительной техники.

Как показывает практический опыт в настоящее время многие города испытывают одни и те же проблемы, резко обострившиеся в последние годы : дефицит воды, большие её потери в результате утечек доходящие до 50%, неэффективное использование насосного оборудования и регулирующих емкостей. Одной из основных причин этого является отсутствие зонирования на водопроводах, которое не предусматривалось при проектировании систем водоснабжения или было устранено при их эксплуатации.

Комплекс мероприятий по оценке эффективности работы систем водоснабжения города предполагает анализ полученных при проведении технологических изысканий результатов: определение пропускной способности сети в целом и отдельных участков; определение границ установленных зон, которые произвольно установились в процессе эксплуатации водопровода; определение дефицита воды в каждой условной зоне и в целом на водопроводе при этом обращается особое внимание на производительность насосов 1-го подъема, влияние режима использования регулирующих емкостей на дефицит воды, определение величины утечки, характеристику свободных напоров по сети, влияние пропускной способности трубопроводов на свободные напоры; оценка существующего состояния водоснабжения в целом по городу и конкретно по зонам; оценка и описание пропускной способности сети по условным зонам - выявления аварийных участков трубопроводов, техническое состояние запорной арматуры, определение мест существенных отклонений измеренных параметров от ожидаемых, аварийность по сезонам года; анализ потокораспределения - определение границ условных зон, выявление доминирующих магистралей, конструктивный анализ сети; составление мероприятий и планомерное устранение недостатков в работе водопровода (снижение потерь воды); разработка программы по интенсификации и развитию водоснабжение по зонам; конструирование системы водоснабжения на предпроектной стадии на перспективу.

Проектируя новые системы водоснабжения или проводя реконструкцию действующих, проектные организации недооценивали вопросы организации зонирования, подменяя это проектированием исключительно радиально-кольцевых систем. В результате многие проекты водоснабжения городов оказались не совсем удачными, такие проектные решения как работа: двух или более насосных станций в одну зону водопровода; одной насосной станции в несколько зон и на пополнение резервуаров; одной насосной станции в резервуары расположенные на значительном расстоянии друг от друга и на разных геодезических отметках. Такие ошибки при устройстве систем водоснабжения распространены повсеместно. В практике эксплуатации систем водоснабжения ещё не было получено положительного результате стабильной работы двух насосных станций одновременно подающих воду в одну зону.

Повышение эффективности работы СПРВ может быть достигнуто также устройством дополнительных регулирующих емкостей на предприятиях, получающих от города значительные расходы воды. В некоторых случаях может оказаться целесообразным кооперирование нескольких потребителей и устройство общей регулирующей емкости, расположенной в наиболее выгодном месте.

Существенным недостатком значительной части систем водоснабжения городов является отсутствие напорных регулирующих емкостей или не эффективное их использование, что резко снижает бесперебойность водоснабжения. Каждое нарушение электропитания приводит к прекращению подачи воды, которое сопровождается частичным опорожнением водоводов и сети. Восстановление нормального режима водоподачи требует удаление из сети образовавшихся воздушных скоплений, поэтому даже кратковременное нарушение электропитания приводит к длительному нарушению нормальной подачи воды.

В подавляющем большинстве случаев даже частичное опорожнение трубопроводов подземной прокладки, а также трубопроводов проложенных в тоннелях и подвалах, в которых возможно подтопление создает непосредственную угрозу попадания в трубопроводы загрязнений в результате образования в водоводах и сети обширных вакуумных зон.

При отсутствии напорных регулирующих емкостей ночное снижение водопотребления приводит к значительному увеличению свободного напора во внутренних системах водоснабжения, что сопровождается значительных возрастанием утечек и бесполезного расходования воды.

Проведенные исследования показали, что при контролируемом режиме пополнения и срабатывания напорных регулирующих емкостей они не только повышают степень бесперебойности водоснабжения, но и экономически выгодны, поскольку снижают затраты энергии на подачу воды, а также потери и непроизводительные расходы воды за счёт стабилизации давления во внутренних системах. В условиях работы исследуемой системы это снижение затрат электроэнергии составило 10-15 %.

Результаты проведенных исследований показывают, что использование локальных регулирующих емкостей экономически целесообразны и в тех случаях, когда при их пополнении производится сброс воды из сети под избыточным давлением. Это предопределяет эффективность использования комбинированных регулирующих емкостей, обеспечивающих оптимальное взаимодействие внешних и внутренних систем водоснабжения.

Большие потери воды в результате утечек объясняются следующими причинами: широкое применение в отечественной практике стальных необлицованных труб и недостаточное использование катодной их защиты; высокая степень износа трубопроводов и недостаточная их реновация или замена; неудовлетворительное регулирование напоров и расходов воды в сети; применение труб из серого чугуна, хрупкость которых возрастает с увеличением срока эксплуатации.

Регулирование напоров и расходов воды осуществляется по графикам работы сетевых насосов с необходимым переключением задвижек на водоводах, причем в большинстве случаев эти задвижки не имеют дистанционного управления. Такое положение не обеспечивает должного уровня регулирования напоров и расходов воды в распределительной сети и приводит к нерациональным расходам и утечкам.

Кроме утечек к нерациональным расходам питьевой воды относится и ее использование для хозяйственно-производственных нужд в тех случаях, когда по технико-экономическим соображениям расход этой воды можно снизить использованием другого процесса или заменой питьевой воды на техническую. Так, вместо водяной промывки участков водопроводной сети использование воздушной, гидромеханической или гидродинамической промывки позволяет не только интенсифицировать процесс, но и существенно уменьшить расход питьевой воды за счет сокращения продолжительности промывки. В ряде городов уже отказались от водяной промывки водопроводной сети и заменили её водовоздушной и гидродинамической, реже гидромеханической с применением эластичных поршней.

Наиболее нерациональные расходы питьевой воды наблюдаются и в жилом секторе. Об этом свидетельствует высокий уровень удельного водопотребления городским населением. Такое положение является результатом основных факторов: отсутствием или недостаточным регулированием напора воды на вводах и в самих зданиях; низким качеством водоразборной и запорной арматуры; недостаточным уровнем учёта воды с помощью водосчётчиков в домах и ЦТП; сливом в канализацию недостаточно нагретой воды из централизованных систем горячего водоснабжения; безразличным отношением многих жителей к экономии воды и относительно низкой её ценой для населения.

В связи с неудовлетворительным регулированием напоров воды в нижних этажах зданий создаются избыточные напоры у водоразборной арматуры, в результате чего расходы воды превышают нормативные расходы, иногда в 1,2-2 раза.

2. Изучение путей совершенствования распределения воды в существующей системе водоснабжения жилого массива населенного пункта

2.1 Природно-климатические условия района строительства

Город Ветка расположен в подрайоне второго климатического пояса.

Климат - умеренно континентальный, с теплым летом и мягкой зимой.

Среднегодовая температура воздуха составляет плюс 6,1?С, средняя температура января равна минус 5,4?С, июля - плюс 18,6?С.

Среднегодовая величина атмосферного давления составляет 751 мм рт.ст. Зимой преобладают западные ветра, летом - северо-западные. Средние скорости ветра невелики, в среднем за год - 3,8 м/с, в зимние месяцы - 4,3-4,4 м/с, в июле - августе скорости минимальны - 3,1-3,2 м/с. Годовое количество осадков колеблется в пределах 700-750 мм.

В Гомельской области один из самых продолжительных в республике вегетационный период - 191-209 дней.

Почвы области образовались под влиянием подзолистого, дернового и болотного процессов, значительное влияние на формирование почв оказали окультуривание и эрозия.

На территории области преобладают дерново-подзолистые почвы - 44 %, дерново-подзолистые глеевые -17,8 %, торфяно-болотные - 15,9 %.

По механическому составу 26 % занимают суглинистые, 36,3 % - супесчаные, 37,7 % - песчаные почвы.

Рельеф местности представлен пологоволнистой водноледниковой равниной. Относительные превышения по району колеблются от 10 до 15 м.

Грунтовые воды вскрыты на глубине 5,5-6,0 м от естественного рельефа местности.

2.2 Водопотребление города

Водопотребление города складывается из потребления воды на хозяйственно-питьевые нужды населения, коммунально-бытовые нужды и производственные нужды промышленных предприятий.

Основной объем подаваемой воды приходится на хозяйственно-питьевые нужды населения и коммунально-бытовые нужды. Следовательно, режим подачи воды в водопроводную сеть определяется характером водопотребления этой категории потребителей.

За февраль 2003 г. водопотребление составило 39000 м³, из них расход воды населением составил 21610 м³.

Характер часовой неравномерности водопотребления для будних и выходных дней показан на рисунке 3. Необходимо отметить, что в выходные и праздничные дни наблюдается смещение утреннего роста водопотребления на более поздние часы по сравнению с будними днями.

2.3 Водоснабжение города

Хозяйственно-питьевое водоснабжение города осуществляется от водозабора, состоящего из четырех артскважин, расположенных в северо-восточной части города в восточном направлении. Общий дебит скважин (3 рабочих) составляет 100 м³/час, в том числе скважина №1 - закальматирована и не работает, скважина №2 - 20 м³/час, скважина №3 - 20 м³/час и скважина №4 - 60 м³/час. Вода подается в систему после предварительной очистки, так как ее качественные показатели не соответствуют требованиям СанПиН

2.04.02-84 ”Питьевая вода “.

Система водоснабжения города централизованная I категории надежности. Величина допустимого снижения подачи воды на хозяйственно- питьевые нужды составляет не более 30 % расчетного расхода; длительность снижения подачи не должна превышать 3 суток. Перерыв в подаче воды или снижение подачи ниже указанного предела допускается на время выключения поврежденных и включения резервных элементов или проведения ремонта, но не более чем на 10 минут. 1

Система водоснабжения должна надежно снабжать всех потребителей водой надлежащего качества и в заданном количестве под необходимым напором при наименьших затратах на строительство и эксплуатацию сооружений. Система водоснабжения устраивается по определенной схеме, которая представляет собой совокупность сооружений водопровода и последовательность расположения их на местности.

2.3.1 Гидрогеологическая характеристика используемого водоносного комплекса и качество воды

Наиболее древними породами, вскрытыми в пределах участка водозабора, являются отложения нижнего мела. Отложения нижнего мела нерасчлененные, валанжинский, готеривский, барремский, аптский ярусы распространены на участке повсеместно, представлены глинами темно-серыми до черных, с линзами песка. Глины плотные, слоистые. Пески серые, тонкозернистые, кварцевые. Нижнемеловые отложения на участке вскрыты на глубине 185,8 м, их мощность составила 10,2 м.

Отложения нижнего и верхнего мела представлены альбским и нижним подъярусом сеноманского яруса. Отложения на участке распространены повсеместно, залегают на нижнемеловых глинах и перекрываются карбонатной толщей верхнего мела. В разрезе они представлены песками зеленовато-серыми, мелко- и тонкозернистыми, глауконитово-кварцевыми, в кровле слоя с желваками фосфоритов.

Глубина залегания альбских и нижнесеноманских отложений составляет 162,8-164,8 м. Полная их мощность составляет 23 м.

Водоносный горизонт напорный. Водообильность водоносного горизонта высокая, удельный дебит составил 1,85 л/с.

Подземные воды пресные, гидрокарбонатные натриево-кальциевые, мягкие и умеренно-жесткие, с сухим остатком 0,29 мг/дм³. Содержание железе колеблется от “не обнаружено” до 0,72 мг/дм³. Содержание основных компонентов в подземных водах приведено в таблице 1.

Таблица 1 - Содержание основных компонентов в подземных водах альбского и нижнесеноманского горизонта

Химические компоненты	Пределы содержания	Норма по СанПиН 10-124 РБ 99
	от	до
Na	42.7	50,0	-
K	6.6	7,4	-
Am	не обнаруж.	следы	2
Ca	46,3	48,5	-
Mg	5,5	8,9	-
Fe	не обнаруж.	до 0,72	0,3
Хлориды	11,2	13,8	350
Сульфаты	не обнаруж.	58	500
Нитраты	следы	следы	45
Гидрокарбонаты	295,8	302,0	-
Жесткость об.мг/экв.	2,81	3,04	7,0
pH	7,7	7,8	6,8-9,0
Cr	17,8	20,1	-
Сухой остаток	287	296	1000
Mo	<0.0025	до 0,25
F	0.38	0,7
As	<0.01	0,05
Химические компоненты	Пределы содержания	Норма по СанПиН 10-124 РБ 99
Zn	<0.02	5,0
Cu	<0.01	1,0
Pb	0.02	0,03
Be	<0.0001	0,0002
Se	<0.0005	0,001
Mn	<0.01	0,1
Sr	0.310	7,0

По результатам спектральных анализов сухого остатка содержание вредных компонентов не превышает допустимых норм и присутствует в количестве (мг/дм³): Mn - до 0,0088; Cr - до 0,00089; Pb - до 0,00029; Mo - до 0,00029;

Cu - до 0,00058; Se - до 0,00029; Sr - до 0,029.

По данным радиохимических и люминисцентных анализов содержание в воде урана составляет 1,6·10^-7г/дм³, радия 9,0·10^-12ku/дм³.

Подземные воды альбского и нижнесеноманского горизонта биологически чистые, коли-титр больше 333; коли-индекс меньше 3. В санитарном отношении водоносный горизонт находится в благоприятных условиях, так как залегает сравнительно глубоко и хорошо защищены от загрязнения.

2.3.2 Состав водозаборов

В состав водозабора входит насосная станция первого подъема, сооружения водоподготовки, насосная станция второго подъема и резервуар чистой воды на 1000 м³.

В состав станции первого подъема входит следущее оборудование:

скважина №1,2,3 оборудована насосом ЭЦВ 8-25-100 и счетчиком СТВ-80, на скважине №4 установлен насос ЭЦВ 10-63-65 и счетчик СТВ-100.

К сооружениям водоподготовки относятся:

скорые фильтры с кварциевой загрузкой и упрощенной системой аэрации. Обеззараживание воды производится с применением хлора.

В состав станции второго подъема входит:

два насоса Д-1250-65 с ЭД мощностью 250 кwа (один рабочий, а второй работает когда необходимо обеспечить максимальный хозяйственный и противопожарный расход), и два насоса Д-800-57 (один резервный), а второй работает в часы минимального водоразбора.

2.3.3 Водопроводные сети

Водопроводные сети предназначены для распределения воды между отдельными потребителями. Они должны обладать достаточной пропускной способностью, обеспечивающей подачу заданного количества воды ко всем местам потребления под необходимым напором; надежностью работы; экономичностью, выражающейся наименьшими затратами на строительство и эксплуатацию как самой сети, так и связанных непосредственно с ней сооружений. Трассирование водопроводной сети, в процессе которого ей придается определенное геометрическое начертание в плане, зависит от планировки объекта водоснабжения, рельефа местности, наличия естественных и искусственных препятствий для укладки труб.

Водопроводная сеть состоит из магистральных и распределительных линий. Магистральные линии служат для транспортирования основного количества воды к наиболее удаленным ее потребителям, распределительные - для непосредственной подачи воды к домовым ответвлениям. Гидравлическому расчету подвергается только сеть магистральных линий. Диаметры распределительных линий назначаются конструктивно.

На проектируемой водопроводной сети устанавливаются колодцы из сборных железобетонных колец диаметром 1000 мм и 1500 мм, которые оборудуются необходимой запорной арматурой.

Для целей наружного пожаротушения жилых домов на сети устанавлива-ются пожарные гидранты.

Водопроводная сеть города выполнена из чугунных труб диаметраом от 50 до 150 мм.

Протяженность сети водопровода составляет 9481 км.

На водопроводных сетях установлены водоразборные колоноки и пожарные гидранты.

Некоторые улицы индивидуальной застройки города не имеют централизованного водоснабжения и обеспечиваются водой из шахтно-питьевых колодцев.

Водопроводные сетеи города эксплуатируются больше положенного срока и давно исчерпали свой ресурс, что подтверждается множественными и частыми аварийными ситуациями.

2.4 Расчет водопроводных сетей города

2.4.1 Расчетные расходы воды

Основная причина неустойчивого водоснабжения города - дефицит воды. Для устранения данного недостатка необходимо произвести расчет водопроводных сетей города и выявить главную причину дефицита воды. Основным измерителем количества воды, требуемой для водоснабжения объекта, принимается средний за год суточный расход. Расчетный (средний за год) суточный расход, Q_ср.сут, м³/сут, воды на хозяйственно- питьевые нужды в населенном пункте определяется по формуле (1) 1

где q_ж - удельное водопотребление, принимаемое в соответствие с 1 (таблица 1);

N - расчетное число жителей в районе жилой застройки с различной степенью благоустройства.

В городе почти все жилые дома одной степени благоустройства - здания оборудованы внутренним водопроводом и канализацией с централизованным горячим водоснабжением. Для таких зданий норма водопотребления на одного жителя среднесуточная (за год) составит 125 л/сут. Тогда при числе жителей N=10000 чел. расчетный суточный расход равен

125 • 10000

Q_ср.сут = --------- = 1250 м³/сут.

1000

Полученный по формуле (1) средний суточный расход воды изменяется по сезонам года и зависит от режима жизни населения, климатических условий, сезонности некоторых видов расхода воды.

Расчетные расходы воды в сутки наибольшего и наименьшего водопотребления Q_сут, м³/сут, определяется по формулам (2) 1

Q_сут.maх = К_сут.maх • Q_ср.сут;(2)

Q_сут.min = K_сут.min • Q_ср.сут .

Коэффициент суточной неравномерности водопотребления К_сут, учитывающий уклад жизни населения, степень благоустройства зданий, изменение водопотребления по сезонам года и дням недели, принимается равным

К_сут.max = от 1,1 до 1,3;

К_сут.min = от 0,7 до 0,9.

Тогда, принимая К_сут.max=1,2; К_сут.min= 0,8, получаем

Q_сут.max = 1,2 • 1250 = 1500 м³/сут;

Q_сут.min = 0.8 • 1250 = 1000 м³/сут.

Расчетные часовые расходы воды q_час, м³/ч, определяем по формулам (3) 1

Коэффициент часовой неравномерности водопотребления k_ч определяется из выражений (4) 1

k_ч.max=_max • _max;

k_ч.min=_min • _min.;

где - коэффициент, учитывающий степень благоустройства зданий, режим работы предприятий и другие местные условия, принимается по 1 _max=1,2; _min= 0,4;

- коэффициент, учитывающий число жителей в населенном пункте, принимается по таблице 21: _max =1,21, _min= 0,5.

Подставляя значения коэффициентов в формулы (4), получаем

K_ч.max =1,2 • 1,21 =1,45,

K_ч.min= 0,4 • 0,5 = 0,2.

Тогда максимальный часовой расход на хозяйственно-питьевые нужды населения равен

Минимальный часовой расход на хозяйственно-питьевые нужды населения равен

Максимальный секундный расход равен

Минимальный секундный расход равен

Расход воды на нужды местной промышленности приведен в таблице 2.

Таблица 2- Расход воды на нужды местной промышленности

Наименование предприятия	Расход
	м3/сут	л/сек
Мясокомбинат	141,3	1,75
Хлопкопрядельная фабрикп	122,3	1,42
Ткацкая фабрика	106,7	1,23
ДРСУ	67,3	0,78
Банно-оздоровительный комплекс	56,7	0,66
Молочный завод	37,7	0,4
Лесхоз	26,0	0,3
Больница	24,7	0,29

Расход воды на полив улиц и зеленых насаждений в районе определяется в зависимости от размера территории в соответствии с таблицей (4) 1 и равен 6 л/м². Учитывая, что общая площадь огородов составляет 2,0 га, расход на полив составит 120 м³/сут. Полив зеленых насаждений производится два раза в сутки в часы минимального водопотребления: с 5 до 8 часов утром и с 17 до 20 часов вечером. Противопожарный водопровод в городе объединен с хозяйственно-питьевым водопроводом. Расход воды на пожаротушение равный 15 л/с и количество одновременных пожаров в населенном пункте, принимаемое n = 1, определяются в зависимости от числа жителей, огнестойкости построек, плотности и характера застройки по таблице 5 1.

2.4.2 Составление почасового графика расхода воды

Водопотребление в городе неравномерно как в течение года, так и в течение суток. Для выявления причин неустойчивой работы водопроводных сооружений необходимо знать распределение воды по часам суток, которое принимается по таблицам в зависимости от коэффициента часовой неравномерности водопотребления k _ч.max (приложение 1) 3.

Распределение воды по часам суток приведено в таблице 3

Таблица 3 - Ведомость распределения расходов воды по часам суток

Часы суток	Расход воды	Расход воды	Сумма расхода воды, м3/час
	в % от суточного водопотребления	в м3/час	На нужды местн. промышл. М3/час	на полив зеленых насаждений м3/час
0-1	2	30	24,28		54,28
1-2	2,1	31,5	24,28		55,78
2-3	1,85	27,75	24,28		52,03
3-4	1,9	28,5	24,28		52,78
4-5	2,85	42,75	24,28		67,03
5-6	3,7	55,5	24,28	20	99,78
6-7	4,5	67,5	24,28	20	111,78
7-8	5,3	79,5	24,28	20	123,78
8-9	5,8	87,0	24,28		111,28
9-10	6,05	90,75	24,28		115,03
10-11	5,8	87,0	24,28		111,28
11-12	5,7	85,5	24,28		109,78
12-13	4,8	72,0	24,28		96,28
13-14	4,7	70,5	24,28		94,78
14-15	5,05	75,75	24,28		100,03
15-16	5,3	79,5	24,28		103,78
16-17	5,45	81,75	24,28		106,03
17-18	5,05	75,75	24,28	20	120,03
18-19	4,85	72,75	24,28	20	117,03
19-20	4,5	67,5	24,28	20	111,78
20-21	4,2	63,0	24,28		87,28
21-22	3,6	54,0	24,28		78,28
22-23	2,85	42,75	24,28		67,03
23-24	2,1	31,5	24,28		55,78
Итого	100,0	1500	582,7	120,0	2202,7

Максимальное водопотребление наблюдается с 9 до 10 часов - 6,05 % от Q_сут и составляет 115,03 м³/ч.

Случай минимального водопотребления приходится с 2 до 3 часов - 1,85 % от Q_сут и равно 52,03 м³/ч.

По данным таблицы 3 строится ступенчатый график часового водопотребления.

2.4.3 Гидравлический расчет магистральной сети

Целью гидравлического расчета является определение экономически наивыгоднейших диаметров труб и потерь напора в трубопроводе. Сеть делится на расчетные участки, которые разграничиваются узлами. Узлы нумеруются, назначаются участки и определяются удельные путевые, узловые и расчетные расходы. Удельный отбор воды, q_уд, л/с, т.е. отбор воды в секунду на 1 м длины труб, определяется по формуле (5) 3

Q

q_уд= -- ; (5)

L

где Q - расход воды, равномерно распределенный по всей длине сети для случая максимального водопотребления, л/с;

L - расчетная сумма длин линий , из которых потребляется расход Q,м.

25,18

q_уд= ---- = 0,0026 л/с.

9418

Путевой расход воды на участке сети q_п, л/с, определяется по формуле (6) 3

q_{п i}=q_уд • l_i; (6)

где l_i - длина i-го участка сети, м.

Для участка сети 3-4 путевой расход по формуле (6) 3равен

q_п3-₄ = 0,0026 • 296 = 0,83 л/с.

Для участка 4-5

q_п4-5= 0.0026 • 324 = 0,91 л/c.

Аналогично производится расчет для всех участков магистральной сети. Далее по путевым расходам находим узловые расходы q_уз, л/с, в соответствии с формулой (7) 3

q_уз = 0,5 • q_{п i}. (7)

Так, для узла 18, узловой расход равен

q_уз = 0,5 • (0,46 + 2,5 + 1,9 + 0,49) = 2,675 л/с.

Аналогично производится расчет узловых расходов всех точек сети.

Узловой расход для случая минимального водопотребления определяется произведением отношения минимального расхода к максимальному расходу на узловой расход для случая максимального водопотребления.

Результаты расчета сводим в таблицу 4.

Таблица 4 - Определение узловых расходов

№ узла	№ участков, прилегающих к узлу	L, м	Узловой расход, при
			максимальн. разборе, л/с	минимальн. разборе, л/с
1	1, 17	500 + 444 = 944	1,445	0,133
2	2, 1	290 + 500 = 790	1,23	0,113
3	3, 2	296 + 290 = 586	0,82	0,076
4	4, 3	324 + 296 = 620	0,87	0,081
5	5, 4, 19	56 + 324 + 894 = 1274	1,785	0,166
6	6, 5	560 + 56 = 616	0,865	0,088
7	7, 6	148 + 560 = 708	0,99	0,099
8	8, 7	254 + 148 = 402	0,56	0,052
9	9, 8	146 + 254 = 400	0,56	0,052
10	10, 9	830 + 146 = 976	1,365	0,127
11	11, 10, 24	760 + 830 + 180 = 1770	2,48	0,231
12	12, 4	256 + 324 = 580	0,815	0,076
13	13, 12	194 + 256 = 450	0,63	0,059
14	14, 13,23	170 + 194 + 564 = 928	1,3	0,121
15	15, 14, 20	170 + 170 + 680 = 1020	1,43	0,133
16	16, 15	672 + 170 = 842	1,18	0,110
17	17, 16, 18	444 + 672 + 166 = 1282	1,79	0,167
18	18, 19,20, 21	166 + 894 + 680 + 176 = 1916	2,675	0,249
19	21, 22	176 + 100 = 276	0,385	0,036
20	22, 23, 24	100 + 564 + 180 = 844	1,185	0,11

Гидравлический расчет магистральной сети далее производится с помощью программы ”Каскад” на ЭВМ в час максимального, минимального водопотебления и при пожаре. Исходными данными для расчета на ЭВМ служат:

- узловые расходы в точках сети, м³/с;

- длины участков магистральной сети, м;

- ориентировочные диаметры труб на участках сети, мм;

- высотное расположение точек сети, м;

- конфигурация сети (координаты последующих точек сети относительно предыдущей), м.

После ввода исходных данных производится расчет, результатом которого являются: таблица гидравлического расчета; таблица высотного размещения участков; таблица пъезометров; ведомость объемов материалов и земляных работ.

После гидравлического расчета магистральной сети, производится проверка сети на пропуск пожарного расхода. Для этого к узловому расходу диктующей точки прибавляется пожарный расход и производится снова расчет сети. По данным результата расчета, если необходимо, производится корректировка диаметров труб, напоров в сети, после чего снова производится расчет. Результаты расчета приведены на листе 2.

Программа “Каскад” значительно упрощает расчет магистральной сети, так как не тратится время на увязку колец сети, которую произвести без ЭВМ довольно сложно. Также программа удобна тем, что можно просчитать несколько вариантов сети, изменяя диаметры труб на отдельных участках, и по полученным результатам выбрать наиболее подходящее решение. Причем на все эти расчеты требуется минимальное количество времени.

Результаты расчета магистральной сети водоснабжения города с помощью ЭВМ приведены в приложении А.

В результате выполненных гидравлических расчетов видно, что при максимальном водопотреблении водозабор в узле №1 обеспечивает расход 31,2 л/с, и скорость движения воды - 4,05 м/с, при минимальном водопотреблении -8,1 л/с при скорости 1,05 м/с, а во время пожара расход 46,2 л/с и скорость 6 м/с. Это не вполне удовлетворяет заданным требованиям, следовательно необходимо произвести замену диаметров труб на участках 1-2, 2-3, 17-1, 17-18 и 1-21, так как скорости на этих участках превышают допустимые. На участке 1-21 принимаем диаметр 200мм, а на всех остальных - 150 мм и производим перерасчет сети. В результате получаем: расход в узле №1 при максимальном водопотреблении - 31,2 л/с при скорости 1,0 м/с, при минимальном водопотреблении - 8,6 л/с при скорости 0,28 м/с, а во время пожара расход 46,2 л/с и скорость 1,49 м/с.

Пьезометрические напоры удовлетворительные (лист 4).

2.4.4 Подбор насосного оборудования

Основные рабочие насосы подбираются по двум основным параметрам: необходимым напору и подаче.

Необходимый максимальный суточный расход воды по формуле (1) составит

Q_{max сут} = 1,2 • 0,125• 10000 = 1500 м³/сут

Расчетная производительность насосной станции второго подъема определяется по формуле (8)

К_Ч • Q_{max сут}

Q_НС = ------- ; (8)

Т•3600

где К_Ч - коэффициент часовой неравномерности;

Т - продолжительность работы насосной станции,ч.

Тогда

1,45• 1500

Q_НС= ------- = 0,025 м³/с.

24•3600

В соответствии с гидравлическим расчетом необходимый напор насосной станции второго подъема водозабора должен быть 35,8 м.

На насосной станции установлено следующее насосное оборудование: два насоса Д-1250-65 с ЭД мощностью 250 кwа (один рабочий, а второй работает когда необходимо обеспечить максимальный хозяйственный и противопожарный расход ), и два насоса Д-800-57 (один резервный), а второй работает в часы минимального водоразбора.

Строим характеристики совместной работы насосов и одной нитки водовода (лист 3). Характеристика трубопровода строится по формуле

где Н_Г - геометрическая высота всасывания, м. Принимаем равной 28,7 м; S - сопротивление трубопровода. Определяется по формуле (11)

где S₀ - удельное сопротивление трубопровода, м^-1 ,определяемое по формуле (12)

где D_Н - диаметр водовода, м ;

L_пр - приведенная длина трубопровода, м. Определяется по формуле (13)

Где L_н - длина водовода, м;

К_н - коэффициент приведения.

Тогда

L_пр = 1,1•500 =550 м;

S = 119,8 · 550 = 65890

Тогда характеристика трубопровода будет выглядеть следующим образом:

Н = 28,7 + 65890 • Q².

Подставляя различные значения расхода получим значения напора. Результаты расчета сводим в таблицу 5.

Таблица 5 - Построение трубопроводной характеристики диаметром 100мм

Q, м3	0	10	20	30	40
Н, м	28,7	35,29	55,07	88,0	134,12

Строим трубопроводную характеристику совместно с характеристиками насосов (лист 3). Точка пересечения трубопроводной характеристики водовода с характеристикой работы насосов называется рабочей точкой А, которая показывает действительные напор и подачу при совместной работе насосов и сети.

Так как была произведена замена диаметра на данном участке со 100мм до 200мм, то характеристика трубопровода будет иметь следующий вид:

0,0049

S₀ = ----- = 22,04 м^-1 ;

0,2^5,226

S = 22,04 · 550 = 12122

Н = 28,7 + 12122 • Q².

Таблица 6 - Построение трубопроводной характеристики диаметром 200мм

Q, м3	0	10	20	30	40	50	60
Н, м	28,7	29,9	33,55	39,61	48,1	59,0	72,34

Проанализировав графики, можно сделать вывод, что необходимо заменить существующие насосы на более приемлимые. Существующие насосы марки Д-800-57, которые работают неэкономно, заменяем на новые насосы марки К-45-30а, которые при совместной работе с измененным трубопроводом обеспечивают подачу равную 9,7 л/с и напор 30 м.

Из графика также видно, что и во время максимального водопотребления, установленный насос марки Д-1250-65 не способен пропустить требуемый расход по существующему трубопроводу, а следовательно необходимо заменить и его на более подходящий для данного случая. Таковым является насос марки К-115-45, который обеспечивает подачу равную 31,9 л/с и напор 37 м.

Во время пожара необходимо, чтобы насосная станция второго подъема имела производительность, равную сумме расходов на хозяйственно-питьевые нужды в час максимального водопотребления и на пожаротушение. При расчете сети принято, что в районе возможен один пожар при расходе воды на пожаротушение 15л/с. Тогда суммарный расход , подаваемый насосной станцией , должен быть равен 32 + 15 = 47 л/с. Насосы при пожаре должны создавать напор равный 52 м. По графику совместной работы пожарных насосов и сети (лист 3) видно, что данные насосы марки Д-1250-65 не удовлетворяют заданным требованиям. Необходима замена насосов на новые. Принимаем пожарные насосы марки ЦНС-180-60 (один рабочий и один резервный). Они обеспечивают подачу 50 л/с и напор 58м.

2.5.5 Определение объема регулирующей емкости

Насосная станция второго подъема водозабора подает воду непосредственно в сеть потребителю и поэтому подача насосной станции определяется в зависимости от режима потребления населенного пункта.

График режима работы насосной станции принимают из условия максимального приближения его к графику водопотребления, но это не означает что графики должны совпадать. Если принять режим подачи в точности соответствующем режиму водопотребления, то потребуется очень часто включать и выключать насосные агрегаты, что чрезвычайно усложняет работу насосной станции второго подъема, поэтому используют аккумулирующие емкости, куда поступает избыток воды, когда водопотребление меньше подачи и, наоборот, недостающее количество воды поступает в сеть из аккумулирующей емкости.

В соответствии с графиком водопотребления города принимаем ступенчатый режим работы насосов: в часы минимального водопотребления (с 23 до 4 часов) работает насос марки К-45-30а, а в часы максимального водопотребления (с 4 до 23 часов), после отключения этого типа насоса, включается насос марки К-115-45. Определяем объем аккумулирующей емкости. Определение регулирующего объема приведено в таблице 7.

Таблица 7 - Определение объема регулирующей емкости

Часы суток	Водопотребление, %	Подача воды насосами, %	Поступление воды в бак, %	Расход воды из бака, %	Остаток воды в баке, %
0-1	2	2,1	0,1		0,1
1-2	2,1	2,1	0	0	0,1
2-3	1,85	2,1	0,25		0,35
3-4	1,9	2,1	0,2		0,55
4-5	2,85	4,71	1,86		2,41
5-6	3,7	4,71	1,01		3,42
6-7	4,5	4,71	0,21		3,63
7-8	5,3	4,71		0,59	3,04
8-9	5,8	4,71		1,09	1,95
9-10	6,05	4,71		1,34	0,61
10-11	5,8	4,71		1,09	-0,48
11-12	5,7	4,71		0,99	-1,47
12-13	4,8	4,71		0,09	-1,56
13-14	4,7	4,71	0,01		-1,55
14-15	5,05	4,71		0,34	-1,89
15-16	5,3	4,71		0,59	-2,48
16-17	5,45	4,71		0,74	-3,22
17-18	5,05	4,71		0,34	-3,56
18-19	4,85	4,71		0,14	-3,7
19-20	4,5	4,71	0,21		-3,49
20-21	4,2	4,71	0,51		2,98
21-22	3,6	4,71	1,11		-1,87
22-23	2,85	4,71	1,87		0
23-24	2,1	2,1	0	0	0
Итого	100	100			0

Требуемый объем аккумулирующей емкости определяют как сумму абсолютных величин максимально положительной и максимально отрицательной величин остатка воды в емкости.

3.63 + - 3,7 = 7,33 %

Объем емкости W_р, м³, определяется по формуле (14) 3

Q_{max сут}

W_р= ------ ·100 % (14)

7,33

где W_р - регулирующий объем, предназначенный для регулирования неравномерности водопотребления в городе, м³.

1500

W_р = ---- ·100 = 110 м³

7,33

Определим объем регулирующей емкости при помощи формулы (15)

К_н

W_р = Q_{max сут} ·(1- К_н)+(К_ч -1)·( - ) ^кч/кч-1 (15)

К_ч

где К_н - коэффициент неравномерности подачи воды потребителю. К_н= 1;

К_ч - коэффициент часовой неравномерности водопотребления. Равен 1,45.

Тогда

1

W_р = 1500 ·(1,45 - 1) · (--)^1,.45/0,45 = 204,36 м³

1.45

Окончательно принимаем объем регулирующей емкости W_р = 204,36 м³.

2.4.6 Расчет резервуаров чистой воды

Для хранения регулирующего, противопожарного и аварийного запасов воды предусмотрим резервуары. Общее число резервуаров в одном узле должно быть не менее двух. Общий объем резервуара чистой воды W, м³, определяем по формуле (16)3

где W_р -регулирующий объем воды, м³;

W_пож - полный неприкосновенный противопожарный запас воды, м³;

W_оч - объем воды на собственные нужды станции. Принимаем 2 % от Q_{max сут} и равно 30 м³.

Полный неприкосновенный противопожарный объем воды, м³, определяется по формуле (17) 3

W_пож=t · q_пож · n +?Q_max-3 · Q₁, (17)

где t - продолжительность тушения пожара, принимаем 3 ч;

q_пож - расход воды на тушение пожара, л/с;

n - расчетное число одновременных пожаров по 1;

?Q_max - объем воды за три неприрывных наибольших часа водопотребления, м³. Принимается по ступенчатому графику водопотребления;

Q₁ - подача насосной станции первого подъема, м³.

Тогда по формуле (17)

W_пож= [3,6 · 3 · 15 + 1500 ·(5,8 · 6,05 · 5,8)] /100 = 266,37 м³

Тогда по формуле (11)

W_РЧВ = 204,36 + 266,37 + 17,5 = 488,23 м³.

Так как в составе водозабора уже имеется резервуар на 1000 м³, то необходимо строительство еще одного типового резервуара объемом 500 м³.

Принимаем типовой резервуар объемом 500 м³, высотой 5 м и размерами в плане 10 x 10 м.

3. Научно-ииследовательская работа по поиску методов энергосбережения в системе жилищно-коммунального хозяйства

После распада СССР для Беларуси, как для страны с ограниченными топливно-энергетическими ресурсами, основной проблемой стало расходование значительных валютных средств для приобретения их за рубежом. Анализ разработки норм расхода электрической энергии на предприятиях водоснабжения и водоотведения Министерства жилищно-коммунального хозяйства Республики Беларусь показывает, что нормирование осуществляется без единой методической основы, т.е. нормы расхода электрической энергии технически не обоснованы. Не реализуются возможные резервы экономии электроэнергии. Экономия электроэнергии и установление обоснованных норм могут быть достигнуты при следующих условиях:- организация учета основных технологических параметров путем установки приборов учета и контрольно-измерительных приборов;

- снятие фактических характеристик насосного оборудования;

- проведение технически обоснованных работ по замене насосного оборудования;

- установка частотно-регулируемого привода насосного оборудования;

- создание резервного фонда нососного оборудования, приборов учета и контрольно-измерительных приборов;

- тщательная разработка организационно-технических мероприятий (программы энергосбережения), направленных на разработку технически обоснованных норм расхода и экономии электрической энергии;

- контроль за выполнением организационно-технических мероприятий и фактических норм расхода электрической энергии;

При сознательном отношении к проблеме экономии электрической энергии разработка по настоящей Методике норм расхода и соблюдение этих норм даст значительный экономический эффект.

3.1 Частотный преобразователь «Эратон-4М»

Технико-экономические расчеты показывают техническую возможность и экономическую целесообразность использования регулируемого электропривода в системах автоматического управления (САУ) режимами работы насосных установок .

В 1995 - 1996гг. разработан и изготовлен частотный преобразователь «Эратон-4М» с использованием комплектующих изделий, приобретенных у ведущих зарубежных фирм. Преобразователь частоты представляет собой инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией на IGBT - модулях, используемых в качестве силового ключа, с векторным алгоритмом управления, асинхронным двигателем. Коэффициент мощности инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией близок к единице во всем диапазоне изменения выходной частоты, что делает эту схему предпочтительной по сравнению с другими типами преобразователей (инвертор тока, непосредственных преобразователь частоты).

IGBT - модуль (биополярный транзистор с изолированным затвором) является идеальным ключевым элементом для преобразования частоты благодаря относительно малому падению напряжения, предельно высокой скорости и малой мощности переключения. Это позволяет с малыми потерями энергии методами высокочастотной широтно-импульсной модуляции формировать квазисинусоидальное выходное напряжение высокого качества с регулируемой частотой и амплитудой.

Применение векторного алгоритма управления позволяет в бездатчиковом приводе получить глубокий диапазон и высокую точность регулирования частоты вращения насосного агрегата.

Преобразователь имеет семь видов защиты, обеспечивающих сохранность преобразователя при возникновении аварийных режимов и неисправностей.

Преобразователь снабжен световой индексацией, сигнализирующей о различных видах повреждений. Предусмотрено управление работой преобразователя с места или от внешних сигналов.

С использованием преобразователя «Эратон-4М» разработали систему автоматического управления режимом работы насосной установки, которая обспечивает:

регулирование водоподачи насосной установки в соответствии с изменением водопотребления в районе питания. Регулирование осуществляется изменением частоты вращения агрегата, а при существенном изменении водоподачи, когда изменение частоты вращения не оказывает влияния на рабочие параметры насосной станции, регулирование дополняется изменением числа работающих агрегатов;

поддержание заданного давления на напорном коллекторе насосной станции, а в перспективе в диктующей точке сети. Предусматривается возможность изменения заданного давления с главного диспетчерского пункта сооружений водозабора;

плавный пуск насосного агрегата с заданным ускорением;

удержание технологических и электрических параметров насосного агрегата в рабочем диапозоне, что исключает перегрузку агрегата и предотвращает вхождение его в режим помпажа, кавитации и зону низких КПД;

выдачу сигнала оперативному персоналу о необходимости включения или отключения нерегулируемых насосных агрегатов. При необходимости сигнал заменяется командой на автоматическое включение или отключение этих агрегатов;

переход с автоматического управления регулируемым агрегатом на ручное двух видов: местное из насосной станции или дистанционное из помещения главного диспетчерского пункта.

Результаты испытаний, проведенных при вводе САУ в эксплуатацию показывают, что он может обеспечить водоснабжение района питания в широком диапазоне изменения подач и напоров. Благодаря этому большую часть времени подача воды в сеть может осуществляться только одним регулируемым насосом. Лишь при увеличении водопотребления требуется дополнительное включение ещё одного агрегата.

Работа регулируемого агрегата на пониженных частотах существенно уменьшает потребляемую им мощность. Экономия энергиии, полученная в результате применнения САУ - 58,6 %. Таким образом, 20-25 % экономии энергии обеспечивается за счет использования регулируемого привода в САУ, а 30-35 % - за счет замены насоса и приведения в соответствие его рабочих характеристик режиму работы водопроводной сети.

Положительные результаты использования регулируемого электропривода в САУ насосной станции второго подъема подтверждают целесообразность создания таких систем для аналогичных объектов водопроводно-канализационного хозяйства.

Для принятия принципиально важных решений по перспективному расширению водоснабжения города уже недостаточно данных генерального плана и других традиционно ориентированных подходов к проектированию. В настоящее время приобретают актуальность широкомасштабный технологический аудит системы водоснабжения и глубокий анализ гидравлических режимов работы СПРВ. Оптимизация решений, обеспечивающих повышение эффективности систем подачи и распределения воды, должна основываться на комплексном гидравлическом расчете взаимодействия магистральных и распределительных сетей при их совместной работе с общесистемными и локальными насосными станциями и регулирующими емкостями при различных режимах водопотребления.[20]

3.2 Расчет экономии электроэнергии при использовании регулируемого электропривода

На насосной станции второго подъема водозабора была произведена замена насосов. На графиках совместной работы насосов и трубопроводов (лист 3) видно, что замененные рабочие и пожарный насосы работают в оптимальном режиме по подаче и напору.

Произведем расчет экономии электроэнергии при применении регулируемого электропривода для насосной станции второго подъема.

По графику совместной работы насосов и трубопроводов (лист 3) выбираем наибольшую подачу Q_б = 115 м³/ч (71,94 л/с), промежуточную подачу Q_пр = 80 м³/ч (22,22 л/с), наименьшую подачу Q_м = 45 м³/ч (12,5 л/с). Наименьшая подача определена ориентировочно, как 0,4 от Q_б .

Время работы насосной установки с водоподачей от 80 до 115 м³/ч (с 5 до 23 ч) равно Т₂ = (19/24) · 8760 = 6935 ч/год.

Время работы насосной установки с подачей от 45 до 80 м³/ч равно

Т₁ = Т - Т₂

Т₁ = 8760 - 6935 = 1825 ч/год.

Определяем относительную глубину регулирования за время Т₁ по

формуле (18):

Q_пр

л₁ = ---, (18)

Q_б

Тогда

80

л₁ = --- = 0,70.

115

Определим относительное противодавление по формуле (19):

Н_г

Н_п = --- , (19)

Н_б

где Н_г - геометрическая высота подьема воды, м;

Н_б - напор при наибольшей подаче, м.

Тогда

28,7

Н_п = ---- = 0,64

45

Определяем относительную экономию электроэнергии по расчетным кривым из [24] для л₁ = 0,70 и Н_п = 0,64: W^* _{эк 1} = 0,1.

Определяем мощность, потребляемюю насосной установкой, при наибольшей подаче Q_б = 0,032 м³/с и Н_б = 45 м по формуле (20):

г · Q_,б · Н_б

N_б = --------, (20)

102 · з

где з - КПД насоса.

Тогда

1000 · 0,032 · 45

N_б = ---------- = 19,6 кВт.

102 · 0,72

Определяем экономию электроэнергии, которая может быть получена за время Т1 = 6935 ч с учетом потерь в регулируемом приводе, по формуле (21):