УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТОВ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ СИСТЕМ ПОДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ
,
Национальный университет водного хозяйства и природоиспользования, Ровно, Украина
Основные проблемы систем подачи и распределения воды
Одной из главных причин избыточных расходов электроэнергии в системах подачи и распределения воды (СПРВ) есть потери воды, которые, в среднем, в городах Украины составляют 30-50% от общей подачи, а иногда достигают до 70%. Транспортировка воды в СПРВ к потребителям сопровождается ее потерями из внешних водопроводных сетей и в жилищном секторе. На их формирование влияют социально-экономические, технические и часовые факторы. Наибольшее влияние на величины потерь воды имеют именно технические факторы, среди которых напор воды является одной из приоритетных составляющих. При увеличении напоров сверх их нормативных значений возрастает общая подача воды в СПРВ. Ее величину можно уменьшить на 30-50% благодаря регулированию напоров при разных режимах водопотребления.
Среди основных подходов решения проблем реформирования и развития водопроводно-канализационного хозяйства есть проведение реконструкции и модернизации СПРВ. Соответственно действующим нормативам, все работы по их внедрению должны проводиться на основе гидравлических расчетов, результаты которых адекватно описывают условия реального водообеспечения. Это дает возможность найти недостатки, присущие современным СПРВ, оптимизировать параметры их элементов и режимы работы. В результате стабилизируется водоснабжение, уменьшаются объемы воды, которые подаются в сеть и расходы электроэнергии.
Поэтому вопрос усовершенствования гидравлических расчетов водопроводных сетей, которые учитывают реальные условия разбора воды является актуальным, а учет зависимостей расходов воды от величин свободных напоров при их выполнении – важным и необходимым для этого базисом.
Зависимости расходов воды от величин свободных напоров
Потери воды в СПРВ населенных пунктов Украины состоят из утечек воды во внешних водопроводных сетях, потерь воды у потребителей, несанкционированных разборов воды, неточностей учета воды. Основными факторами, которые влияют на формирование потерь воды у потребителей и утечек воды в водопроводных сетях, есть напор воды, срок эксплуатации и уровень профилактического обслуживания. В связи с интенсивным старением, износом трубопроводов и арматуры водопроводных сетей, а также арматуры и санитарно-технических приборов в жилых зданиях, их техническое состояние ухудшается, увеличиваются потери воды, а напор все в большей мере влияет на их формирование.
Основной категорией потребителей воды в городах Украины является жилищный сектор, реализация воды которому составляет до 60-70%. Удельное водопотребление населением в среднем составляет 320 л/(чел·сут), что в 1,5-3 раза более, чем в странах Западной Европы. Это обусловлено потерями воды у потребителей, которые состоят из утечек воды, которые самовольно выливаются из санитарно-технических приборов; непроизводительных расходов воды, которые формируются в процессе водопотребления; нерациональных расходов воды, которые бескорыстно расходуются населением [1].
В результате анализа ранее полученных зависимостей расходов и потерь воды от величин напоров определенно, что утечки воды во внешних водопроводных сетях и непроизводительные ее расходы перед водоразборной арматурой зависят от напоров в степени 0,5 [2, 3]. Утечки воды в жилых домах формируются за приближенной к параболической зависимостью [1].
Учет зависимостей утечек воды в водопроводных сетях, утечек воды в жилых домах и непроизводительных расходов воды от величин напоров воды при гидравлических расчетах дает возможность определить влияние потерь воды на совместную работу СПРВ и определить эффективные энергосберегающие мероприятия на основе реальных условий подачи, распределения и разбора воды потребителями.
Модель разбора воды из водопроводных сетей
Для теоретического анализа формирования расходов воды из водопроводных сетей введена доля k, которая равняется отношению величины общего расхода воды к расходу при нормированном напоре Нн
(1)
где qн – суммарная подача воды при напоре равном нормированному Н=Нн.
Доля общего разбора k состоит из долей величин хозяйственно-питьевого водопотребления kх. п, непроизводительных расходов воды kн. р., утечек воды в жилых домах kут. д. и во внешних водопроводных сетях kут. с.
(2)
Каждая из этих долей является составляющей доли общего разбора воды k, которая равняется единице (k=1), при напоре равном нормированному Н=Нн, меньше единицы (k<1) при Н<Нн и больше единицы (k>1) при Н>Нн.
На основе ранее установленных зависимостей , и [1, 2, 3], теоретическим путем получены аналитические зависимости расходов воды от величин свободных напоров, которые учитывают утечки воды из водопроводных сетей и потери воды в жилищном секторе. Они определяются по формулам [4]:
- при напорах меньше нормированного Н<Нн
(3)
- при напорах больше нормированного Н>Нн
(4)
где qн – суммарный расход воды при напоре равном нормированному Н=Нн, kмод и Кмод – коэффициенты регрессии, для напоров соответственно меньше и больше нормированного, которые зависят от условий разбора воды; βм – показатель степени, который равняется 1,05 (для γ ≤ 0,3) и 1,27 (для γ > 0,3); ΔН – избыточный напор, м, что является разницей величин напора Н в узле или на вводе в дом, и нормированного Нн.
Для учета потерь воды введены коэффициенты соотношения долей суммарных утечек воды kсум. ут. к общему водоразбору k и между долями величин утечек воды в жилых домах kут. д. к суммарным утечкам воды kсум. ут.. Данные коэффициенты, соответственно α и γ, определяются по формулам:
(5)
Значения коэффициентов α и γ для водопроводных сетей находятся в чертах от 0 до 1; для жилых домов: α=0..1; γ=1. При заданных значениях α и γ (с интервалом 0,1), для домов разной этажности nэт=3;5;9;12;14 в результате расчетов числовыми методами получены массивы данных величин долей общего отбора воды из водопроводных сетей k в зависимости от значений коэффициентов относительных напоров воды Н/Нн. На рис.1 проиллюстрированы зависимости долей расходов воды в процессе отбора воды населением kнас., суммарных утечек воды kсум. ут., общего отбора воды из водопроводных сетей k от коэффициентов относительных напоров воды Н/Нн.
Величины коэффициентов регрессии kмод и Kмод зависят от α и γ и определяются по формулам [4]:
(6)
(7)
Значения коэффициентов kмод на основе теоретических расчетов находятся в пределах от 0,55 до 1,65, а Кмод – от 0,26 до 6,62. Коэффициенты kмод и Kмод равняются нулю для зависимостей, что не учитывают увеличения расходов воды при росте напоров воды.
Экспериментальные исследования
Адекватность зависимостей (формулы 3 и 4) проверена экспериментально на реальных объектах, числовые значения коэффициентов регрессии kмод. э. и Kмод. э. для которых определены экспериментальным путем. Для подтверждения теоретических зависимостей, проведены натурные исследования в 5 пятиэтажных и 10 девятиэтажных домах, 2 насосных станциях подкачки и 3 насосных станциях (г. Ровно и г. Ивано-Франковск) при разных режимах разбора воды.
Из рис. 2 видно, что чем меньше разбор воды у потребителей (чем меньше расход воды qн при нормированном напоре), тем больше коэффициенты регрессии Кмод. э.. Результаты обработки экспериментальных данных подтверждают теоретические исследования с коэффициентами корреляции r2=0,86…0,98 и значениям, которым они отвечают. Чем больше коэффициент суммарных утечек воды α (меньше доля разбора воды потребителями), тем больше значения Кмод, а с уменьшением полезного водопотребления в доме на формирование общих расходов воды более влияют утечки.
Величины коэффициентов регрессии Кмод. э. колеблются в пределах от 0,3 до 4,51, а kмод. э. – от 0,84 до 1,11. Эти значения находятся в области числовых величин, установленных теоретическими исследованиями, что подтверждает их достоверность.
Оценка потерь воды
По установленным зависимостям расходов воды от величин свободных напоров, определены величины долей потерь, утечек и непроизводительных расходов воды среди общего разбора воды из водопроводных сетей [5]. Увеличение расходов воды при росте напора от Н1 до Н2 оценивается с помощью коэффициента ξ по формуле
(8)
где q1 и q2 – расходы воды соответственно при напорах Н1 и Н2, л/с; Kмод. э. – коэффициент регрессии, полученный по результатам экспериментальных данных; ΔН – избыточный напор, м.
Расчет роста водоразбора в результате потерь воды можно оценить с помощью коэффициента ξпот, который определяется по формуле
(9)
где qф – фактический расход воды; qп – полезный водоразбор (без потерь воды).
Значения коэффициентов ξпот определялись для величин избыточных напоров ΔН =10, 20, 30 м. вод. ст. Результаты расчетов для 9-ти этажного дома на основе экспериментальных исследований свидетельствуют (рис. 3), что водоразбор возрастает за счет потерь воды (непроизводительные расходы воды и утечки воды) в зависимости от напоров воды при водопотреблении: максимальном – от 11,5 до 27%; среднем – от 39,7 до 62,1%; минимальном – от 57,4 до 79,1%; ночном – от 84,6 до 93,8%.
Рис. 3: Доли потерь среди общего расхода воды при разных режимах разбора воды в зависимости от величин избыточных напоров ΔН
Рост общего разбора воды за счет утечек воды можно выразить через коэффициент ξут, который определяется по формуле
(10)
где qн1 – общий разбор воды, который только учитывает непроизводительные расходы воды.
В результате обработки экспериментальных данных установлено, что доли утечек воды среди общего разбора воды при максимальном водопотреблении являются наименьшими, а для ночного – наибольшими. Это говорит о том, что регулирование напоров воды особенно необходимо в часы минимального и ночного режимов воды.
Расчеты водопроводных сетей
Для проведения анализа изменений величин разбора воды из водопроводных сетей при разных режимах водопотребления и подачи воды насосными станциями усовершенствована компьютерная программа для гидравлических расчетов совместной работы всех сооружений систем подачи и распределения воды [5] (насосных станций, напорно-регулирующих сооружений, водоводов, водопроводных сетей, станций подкачки и т. д). Усовершенствованная программа GRS_NEW учитывает не только фактические характеристики сооружений и трубопроводов, но и потери воды в каждом узле (непроизводительные расходы, утечки воды из сетей и у потребителя) в зависимости от имеющихся у них напоров (в л/с и %).
Сравнительный анализ результатов гидравлических расчетов систем подачи и распределения воды, при разных режимах разбора воды с учетом изменения расходов воды от величин свободных напоров и без него, показал, что результаты расчетов по усовершенствованной программе практически совпадают с данными, полученными во время экспериментальных исследований СПРВ. Для других программ разногласия в параметрах отдельных узлов составляют до 80%, особенно в часы минимального водопотребления (рис. 4).
Рис 4
* Примечание: индексы указывают на:
-результаты гидравлических расчетов, которые учитывают потери воды GRS_NEW;
-результаты гидравлических расчетов, которые не учитывают потери воды;
-существующие параметры ВНС Каскад во время проведения экспериментальных исследований.
Исходными данными для каждого из узлов водопроводной сети при выполнении гидравлических расчетов по усовершенствованной программе GRS_NEW являются: полезный расход воды, который потребляется населением qп. н.узл.; величина нормированного напора Нн. узл; отметка поверхности земли; величины коэффициентов суммарных утечек αузл и соотношения утечек воды у потребителя к суммарным γузл; величины коэффициентов kмод и Kмод. Коэффициенты kмод и Kмод определяются после проведения экспериментальных зависимостей расходов воды при изменении величин свободных напоров для разных режимов подачи воды.
Для каждого узла в результате расчетов определяются значения фактических напоров Нф. узл; необходимых расходов воды qн. узл; фактических узловых расходов qф. узл. На основании расчетных параметров узлов можно оценить дополнительные показатели СПРВ (табл. 1): фактическую, необходимую подачу и недоподачу воды, непроизводительные расходы, суммарные утечки, утечки воды у потребителей и в сетях, суммарные потери воды.
Таблица 1. Расчеты показателей СПРВ
Программа GRS_NEW также разрешает определить проблемные узлы, для которых потери воды или недоподача воды есть самые большие. Значения потерь воды выражаются в абсолютных величинах и в их процентном соотношении (табл. 1). Это удобно для оценки эффективности мероприятий по водо - и энергосбережению.
С помощью усовершенствованной программы GRS_NEW проведены гидравлические расчеты СПРВ микрорайона «Каскад» (г. Ивано-Франковск) и г. Коломыя для разных режимов разбора и подачи воды. Полученные результаты показали, что регулирование напоров на выходе из насосной станции и в водопроводных сетях при учете влияния изменения напоров на величины отборов разрешает уменьшить потери воды и получить экономию электроэнергии на ее подачу.
В частности, для микрорайона «Каскад» экономия воды составляет 16%, а затраты электроэнергии – 12% (рис. 5). Это эквивалентно суточной экономии более 70грн, а за год это догрн. Без регулирования напоров доля потерь воды составляет около 44 % среди общей подачи, а избыточные значения электроэнергии составляют 32,8%.
Выводы
Усовершенствованы методы гидравлических расчетов водопроводных сетей, которые учитывают зависимости расходов воды от величин свободных напоров. На основании результатов расчетов, которые адекватно описывают условия реального водообеспечения, определены дополнительные параметры для каждого из узлов и для СПРВ, что позволяет оценить, определить резервы питьевой воды и получить экономию электроэнергии при реконструкции СПРВ для разных режимов разбора воды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] (2001). Устранение потерь воды в системах водоснабжения жилых зданий. Российский университет дружбы народов. Москва. Россия. – 139с.
[2] (1997). Прогнозирование и оценка утечек воды из водопроводных сетей: Автореферат дис. …канд. техн. наук. Вологодский политехнический институт. Вологда. Россия. – 26с.
[3] (1968) Исследование режимов работы водопроводов жилых зданий: Автореферат дис. …канд. техн. наук. НИИ санитарной техники. Москва. Россия. – 33с.
[4] (2007) Вплив вільних напорів і втрат води на величини відборів води із водопровідних мереж.Вісник НУВГП. Зб. наук. праць. Вип.1(37).Рівне. Україна. – стр.171-180.
[5] , (2007) Врахування втрат води при гідравлічних розрахунках водопровідних мереж.Вісник НУВГП. Зб. наук. праць. Вип.2(38). Рівне. Україна. – стр.251-256.
