ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ

Целями расчета водопроводной сети являются:

определение экономически обоснованных диаметров труб;

определение потерь напора в сети.

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

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

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

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

Транзита воды в башню (при минимальном водопотреблении);

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

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

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

, (13.15)

где n - количество сосредоточенных отборов.

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

, (13.16)

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

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

.

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

, (13.17)

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

5. Добавляются сосредоточенные расходы к узловым расходам.

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

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

7. Определяются диаметры труб участков сети.

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

, (13.18)

откуда . (13.19)

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

для малых диаметров V_э = 0,7-1 м/с;

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

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

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

- для металлических труб; (13.20)

- для асбестоцементных труб, (13.21)

где - стоимость энергии; b - коэффициент стоимости сети.

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

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

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

(13.24)

т.е. . (13.25)

Рис. 13.24. Элемент кольцевой сети

Величина Dh называется невязкой.

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

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

(13.26)

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

Формула (13.26) может быть получена следующем образом.

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

. (13.27)

Пусть Dh > 0, тогда .

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

Тогда

. (13.28)

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

. (13.29)

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

, (13.30)

где Dh_доп - допустимая величина невязки.

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

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

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

. (13.31)

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

, (13.32)

которая получается по методике, приведенной выше.

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