Практика проведения гидравлических расчетов на примере системы водоснабжения правобережной части г. Новосибирска

Аннотация

Рассматривается одна из наиболее важных проблем, стоящих перед руководителями предприятий водопроводно-канализационного хозяйства, – снижение энергетических и эксплуатационных затрат на работу систем подачи и распределения воды. Показана экономическая целесообразность проведения многовариантного гидравлического расчета водопроводной сети правобережной части Новосибирска. В результате технологических изысканий и проведения серии гидравлических расчетов разработана наиболее рациональная (при увеличении объема водопотребления в перспективе) схема развития водопроводной сети города. В комплексе с гидравлическими расчетами системы подачи и распределения воды правобережной части Новосибирска проведен поверочный расчет достаточности емкости резервуаров чистой воды и проанализировано качество подаваемой потребителю воды на предмет выявления коррозионно-агрессивных свойств.

Ключевые слова

гидравлический расчет , система подачи и распределения воды , математическая модель , пропускная способность трубопроводов

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Системы подачи и распределения воды являются наиболее сложными сооружениями городских водопроводов с точки зрения эксплуатации. В условиях интенсивного жилищного строительства именно эти системы в первую очередь подвержены нагрузкам из-за возрастающего водопотребления. Для потребителя обеспечение бесперебойной работы систем водоснабжения является требованием не только экономическим, но иногда и политическим. Это, в свою очередь, требует от предприятий водопроводно-канализационного хозяйства применения новых средств технологической оценки состояния водопроводных сетей с целью их дальнейшего расширения и реконструкции. Развивать системы водоснабжения «вслепую» уже не только несовременно, но и неэффективно!

Теоретические аспекты математического моделирования водопроводных сетей детально отражены в фундаментальных работах выдающихся отечественных ученых: Н. Н. Абрамова, Н. Н. Гениева, И. В. Кожинова, В. В. Колесова, В. Г. Лобачева, Л. Ф. Мошнина, Ф. А. Шевелева, И. С. Эгильского.

Основой расчетов водопроводных сетей является метод «поэтапной коррекции», а также оценка гидравлических сопротивлений и пропускной способности эксплуатируемых трубопроводов [1]. Первоначально гидравлические расчеты муниципальных водопроводных сетей проводились лишь проектными и научно-исследовательскими организациями. В Сибирском регионе первое техническое заключение по обследованию и наладке системы водоснабжения было подготовлено в январе 1963 г. для Кузнецкого района г. Новокузнецка. Первый гидравлический расчет водопроводных сетей для одного из районов города был выполнен вручную в июле 1964 г. И только в декабре 1972 г. специалистами республиканского треста «Росводоканалналадка» был проведен первый гидравлический расчет на электроаналоговой машине МАВР для г. Бердска.

Наиболее глубокий и полный анализ работы сетей был проведен в республиканском тресте «Росводоканалналадка» под руководством В. И. Булыгина, Ю. Ф. Вебера, Н. Н. Карзухина, В. В. Колесова, В. М. Митянина. Всего же специалистами треста было выполнено более 1500 гидравлических расчетов систем подачи и распределения воды не только в Европейской части России, но и на Дальнем Востоке, Урале, в Казахстане. Приоритетным направлением было внедрение результатов расчетов в производство непосредственно «с листа».

Гидравлические расчеты многокольцевых водопроводных сетей требуют трудоемкой вычислительной работы, особенно при непосредственной увязке функционирования всей сети. С устаревшим программным обеспечением, не говоря уже о расчетах вручную, выполнение гидравлического расчета представляется весьма трудоемким и малопродуктивным занятием. Прежде всего это связано с тем, что на любом этапе расчетов внесение даже самых незначительных изменений требует существенных затрат времени и усилий.

Специалисты ЗАО «РВКН» («Росводоканалналадка») порядка 10 лет используют сертифицированный отечественный программно-расчетный комплекс для системы водоснабжения ZuluHydro. Программный продукт создан компанией «Политерм» (Санкт-Петербург), которая с 1990 г. занимается разработкой программного обеспечения в области геоинформационных технологий и компьютерного моделирования инженерных коммуникаций.

В 2009 г. с использованием программы ZuluHydro был выполнен гидравлический расчет водопровода правобережной части Новосибирска. Цель расчета – оценить эффективность работы системы водоснабжения, оптимизировать режимы ее работы, а также просчитать, как справится система правобережной части города с увеличением водопотребления в перспективе.

Для выполнения расчета перед специалистами ЗАО «РВКН» стояли следующие задачи:

сбор исходных данных – режимных и технических характеристик работы системы водоснабжения;
построение математической модели работы водопроводной сети на базе технологических изысканий и обобщенных исходных материалов;
анализ полученной модели (определение пропускной способности водопроводной сети в целом и отдельных ее участков, границ условных зон, принципиального потокораспределения в сети);
разработка мероприятий по оптимизации работы системы водоснабжения;
расчет водопроводной сети правобережной части города в перспективе.

Работа выполнена по «Методике оценки пропускной способности действующих водопроводных сетей и разработки мероприятий по интенсификации их работы с применением ЭВМ», подготовленной в АКХ им. К. Д. Памфилова.

Для оценки обеспеченности водой районов правобережной части города и получения исходных данных, необходимых для проведения гидравлического расчета, была выполнена манометрическая съемка свободных напоров по 65 предварительно выбранным точкам сети.

После обработки, систематизации и обобщения всех исходных данных в соответствии с Методикой была построена математическая модель системы подачи и распределения воды правобережной части Новосибирска. На основе модели, согласно требованиям нормативных документов [2], был выполнен расчет работы системы водоснабжения в часы максимального водопотребления и в период пожаротушения. Этот расчет необходим для оценки работоспособности системы в условиях, отличных от нормальных, для выявления возможности использования в этих случаях запроектированного насосного оборудования, а также для разработки мероприятий, исключающих падение свободных напоров и снижение подачи воды ниже предельных значений.

На следующем этапе была проведена серия расчетов по оптимизации работы водопроводной сети Новосибирска. Основное направление оптимизации – снижение давления на станциях, подающих воду в сети города, с максимальным использованием возможностей сооружений и сетей, пропускной способности труб. На данном этапе расчета была рассмотрена возможность выключения из работы одной из насосных станций.

В связи со строительством в правобережной части города новых микрорайонов был проведен расчет работы системы подачи и распределения воды с учетом увеличения водопотребления. Расчет может стать основой для перспективного развития водопровода и разработки рациональной конструкции водопроводной сети в рамках генерального плана.

Итогом описанных выше расчетов является глубокий анализ, инженерная оценка работы системы подачи и распределения воды и разработка поэтапного плана развития водопровода.

Полученная математическая модель позволила установить фактический уровень загруженности трубопроводов на всех участках водопроводной сети. В частности, выявлены «узкие» места в системе подачи и распределения воды правобережной части города – участки водопроводной сети с аномально высокими потерями напора. Проанализированы вероятные причины их наличия:

неполностью открытые или закрытые (например, после проведения ремонтных работ или заклиненные из-за повреждения) задвижки;
зарастание труб химико-бактериологическими отложениями;
не соответствующие действительности диаметры трубопроводов;
скрытые утечки воды;
неудовлетворительное состояние внутриквартальных и внутридомовых сетей.

Потери напора на отдельных участках водоводов и водопроводной сети требуют повышения давления на насосных станциях, что в свою очередь приводит к перерасходу электроэнергии, потерям воды и соответственно к увеличению денежных затрат. Помимо этого были выявлены трубопроводы с низкой скоростью движения воды, а, как известно, замедленное движение воды и застойные явления способствуют седиментации микрофлоры и гидробионтов на внутренней поверхности трубопроводов.

Расчет работы системы подачи и распределения воды в режиме тушения пожара показал, что пропускной способности существующих трубопроводов достаточно, чтобы транспортировать пожарные расходы воды к местам возгорания. При этом потребуется увеличение давления на насосных станциях в пределах 10 м вод. ст.

В рамках оптимизации работы водопроводной сети, помимо снижения давления на станциях, специалистами ЗАО «РВКН» было предложено частичное зонирование сети. Полное зонирование системы подачи и распределения воды правобережной части Новосибирска в настоящее время невозможно из-за конструктивных особенностей сети.

Реализация предлагаемых мероприятий позволит снизить давление воды, подаваемой в сеть насосными станциями, на 7–27 м вод. ст., что приведет к существенной экономии электроэнергии.

Согласно требованиям нормативных документов [2], для выявления степени надежности системы водоснабжения в рамках проведенной серии расчетов предлагаемая конструкция сети была просчитана на работу в условиях, отличных от нормальных – в часы максимального водопотребления и на период тушения пожаров. Результаты гидравлического расчета показали, что рекомендуемая в оптимизационном варианте конструкция водопроводной сети является достаточно надежной и устойчивой к смене режимов.

В связи со строительством новых жилых микрорайонов в правобережной части Новосибирска в перспективе предполагается значительное увеличение водопотребления в системе водоснабжения – более 200 тыс. м³/сут. Соответственно возникает необходимость оценить, как система подачи и распределения воды справится с увеличением нагрузки в таком объеме. На основании этого расчета специалисты МУП г. Новосибирска «Горводоканал» получили четкое представление о резервах пропускной способности существующих на сегодняшний день трубопроводов и о направлениях дальнейшего развития системы водоснабжения.

В результате технологических изысканий и проведения серии гидравлических расчетов была разработана наиболее рациональная (при данном увеличении объема водопотребления в перспективе) схема развития водопроводной сети. С учетом обеспечения бесперебойного водоснабжения как строящихся, так и существующих микрорайонов были подобраны оптимальные диаметры новых водоводов, оценено влияние увеличения водопотребления на установленное на сегодняшний день насосное оборудование.

Выполненный гидравлический расчет с учетом увеличения водопотребления позволяет предотвратить нецелевое, неэффективное вложение денежных средств в реконструкцию и развитие водопроводной сети Новосибирска и может служить основой для подготовки технических условий на новое строительство.

Перспективная схема водоснабжения, по аналогии с существующей, была также просчитана на пропуск максимального и пожарных расходов воды.

В комплексе с гидравлическими расчетами системы подачи и распределения воды правобережной части Новосибирска был проведен поверочный расчет достаточности емкости резервуаров чистой воды и проанализировано качество подаваемой потребителю воды на предмет выявления коррозионно-агрессивных свойств [2].

Выводы

Результаты гидравлического расчета водопроводной сети правобережной части г. Новосибирска показали, что разработанная специалистами ЗАО «РВКН» совместно с сотрудниками «Горводоканала» схема развития системы водоснабжения города полностью справляется с увеличением водопотребления в перспективе при небольшом повышении давления на насосных станциях.

По результатам проделанной работы даны конкретные рекомендации по повышению эффективности системы водоснабжения правобережной части города, которые на сегодняшний день успешно реализуются на практике.

Список цитируемой литературы

Методика оценки пропускной способности действующих водопроводных сетей и разработка мероприятий по интенсификации их работы с применением ЭВМ. – М., АКХ им. К. Д. Памфилова, 1972.
СНиП 2.04.02-84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.