Технико-экономическое обоснование зонирования

 

Необходимость зонирования определяется тремя основными факторами:

а) разностью отметок в пределах снабжаемой водой территории

Δz = z_max - z_min;

б) требуемыми свободными напорами Н_св;

в) потерями напора в сети h_max.

Исходя из необходимости обеспечить в сети напоры, допустимые техническими ус­ловиями эксплуатации водопровода, расчетная высота зоны, т.е. разность Δz = z_max - z_min, не должна быть более Δz_KP = Н_тах - h_max - H_ce.

В городских водопроводах максимальный напор Н не должен превышать 60 м.

Очевидно, принимая ориентировочно потери напора в сети h_max и задаваясь значениями Н_тах и Н_се, можно определить предельную разность геодезических отметок Δz_кp, при которой давление в сети не будет превышать допустимых максимальных.

Если в пределах территории, подлежащей снабжению водой, разность отметок будет z_max - z_min > Δz_кp, то давления в неблагоприятно расположенных (критических) точках сети будут выше допустимых, и поэтому система должна быть разбита на зоны.

Технико-экономический анализ вопросов зонирования, выполненный в работах проф. Н.Н. Абрамова, показал, что весьма часто экономические факторы могут играть решающую роль и применение зонирования может дать значительные сокращения расхода энергии на подъем воды. Это обстоятельство обусловливает применение зонирования и в тех случаях, когда необходимость его не вызывается техническими причинами.

Подход к определению условий, при которых зонирование будет экономически целесообразным, основывается на энергетической оценке систем водоснабжения. Для этого проанализируем, на что и в каких количествах расходуется общая энергия, затрачиваемая насосными станциями на подъем воды.

Рассмотрим простейшую систему в виде одной линии водовода с несколькими отборами Qi в последовательно расположенных узлах (рис. 4). Полная энергия, затрачиваемая в единицу времени насосной станцией, может быть выражена произведением:

Э = Q·Н

где Q - количество воды, подаваемой насосом в сеть; Н- напор, создаваемый насосом.

Полная энергия может быть разделена на три составляющих в зависимости от того, на что расходуется энергия. Во-первых, энергия расходуется на подачу требуемых потребителю количеств воды Q на высоту, определяемую отметкой земли z, и требуемым свободным напором Н_i.

Она выражается формулой

Э =Σ(z_i+H_i)·Q_i

Эта часть энергии и является собственно полезно затрачиваемой энергией.

Вторая часть энергии идет на преодоление гидравлических сопротивлений в сети (в основном на трение в трубах). Эта часть энергии теряется в системе, но она необходима для транспортирования воды:

Э_т = Σq_ik·h_ik

где q_ik- расход на отдельных участках сети; h_ik - потеря напора на этих участках.

Величина Э_т определяется для каждой данной системы в результате технико-экономического расчета сети.

Наконец, третья часть энергии тратится совершенно бесполезно при изливе под избыточным по сравнению с требуемым напором

Э_у = Σ(Q_i·ΔH_i)

 

где ΔН_i - избыточный напор.

Так, для водовода с попутными отборами воды (см. рис.4) напор Н, создаваемый насосами, определяется из условий подачи воды в самую удаленную и высокорасположенную точку 1:

Н=(z₁+H₁) + Σh_НС-1,

где z₁- отметка земли; Н₁ - требуемый свободный напор в точке 1; Σh_НС- - сумма потерь напора от насосной станции до точки 1.

Во всех водоразборных точках, расположенных ближе к насосной станции и требующих меньшего напора, излив воды будет происходить под избыточным по сравнению с потребным для этих точек напором.

Этот избыточный напор ΔН гасится водоразборной арматурой, сопротивление которой приходится искусственно увеличивать, чтобы получать воду под необходимым напором.

Нетрудно убедиться, что для любой водопроводной системы сумма этих трех компонентов равна количеству гидравлической энергии, создаваемой насосной станцией:

Э_г + Э_m + Э_у = Э

Рис. 4. Водовод с попутными отборами воды

 

Приведенное разделение полной энергии на три составляющие дает возможность установить простой критерий для энергетической оценки системы подачи и распределения воды - коэффициент использования энергии φ:

φ = (Э_г + Э_т)/Э.

Так как величины Э_г и Э_т для данной системы всегда определены (в величину Э_г входит требуемая высота подъема воды, а в величину Э_т - все потери в сети), то величина Э, получит единственно возможное значение

Э_у = Э- Э_г- Э_m

Для существующих или проектируемых сетей несложно определить коэффициент φ.

Для любого расчетного случая имеются схемы сети с расходами, приведенными к узловым Q₁ и с указанием для каждого узла располагаемых свободных напоров Н¹_св.

Кроме того, зная свободные напоры (принятые по расчетной этажности - Н_св, можно получить избыточные напоры) ΔН = Н¹_св —H_cd для всех узлов сети.

Избыточная энергия Э_у может быть вычислена для такой сети по формуле

Э_у = ΣΔН_i·Q_i.

Так как для рассчитанной сети известны подача насосов и напор, полная энергия может быть легко определена: Э = Q·H.

Следовательно, легко может быть получен и коэффициент использования энергии:

φ = (Э-Э_у)/Э=1-(Э_у/Э).

Следует иметь в виду, что при расчете по упрощенной схеме водоотбора с использованием сосредоточенных расходов в узлах магистрали и принятии расчетного свободного напора Н_св единым для всей территории города величина Э_у (а следовательно, и φ) не будет точно соответствовать действительной величине Э_у в той же системе.

Для анализа реальных систем водоснабжения и более точной их энергетической оценки следует учесть переменный режим расходования воды.

Вместе с тем, используя даже приведенный «осредненный» метод энергетической оценки систем подачи и распределения воды, можно установить, в каких именно случаях следует ожидать наиболее низкие значения коэффициентов φ и наибольшие потери энергии Э_у.

Установлено, что низкие значения φ будут иметь системы, в которых:

а) отметка местности и требуемые свободные напоры заметно снижаются по мере приближения к водопитателю;

б) наибольшие отборы воды сосредоточены в районах с низкими отметками и в районах, близко расположенных к водопитателю;

в) снабжаемая водой территория имеет форму, расширяющуюся по мере приближения к водопитателю;

г) в пределах снабжаемой водой территории наблюдается значительная разница требуемых свободных напоров для отдельных потребителей.

Низкие значения коэффициента φ и следовательно, высокие значения бесполезно теряемой энергии Э _у характеризуют недостаточно эффективное использование энергии в анализируемой системе.

Для такой системы необходимо рассмотреть вопрос о целесообразности устройства такого водопровода, при котором избыточно затрачиваемая энергия может снижаться за счет уменьшения величины Э; при этом уменьшается стоимость энергии, затрачиваемой на подъем воды.

Очевидно, что применение зонирования для повышения экономичности системы целесообразно в том случае, если вызываемое зонированием повышение строительной стоимости системы и стоимости содержания персонала нескольких насосных станций не перекрывает экономии за счет снижения затрат на энергию.

 

4. Выбор системы зонирования

Если вопрос о целесообразности зонирования системы водоснабжения объекта решен положительно, то необходимо правильно и экономически обоснованно произвести выбор системы зонирования (последовательного или параллельного) и определить число зон.

Экономически наивыгоднейшее число зон соответствует минимальным приведенным затратам на строительство и эксплуатацию системы. Оно определяется технико-экономическими расчетами при сравнении вариантов разделения систем на отдельные зоны, с учетом соблюдения допустимых давлений в сети.

Основными факторами, влияющими на выбор системы зонирования, являются:

а) форма территории города;

б) рельеф местности;

в) величина и характер изменения уклонов местности в пределах снабжаемой водой территории;

г) расстояние от водоисточника до города.

В системах параллельного зонирования удорожание идет в основном за счет увеличения строительной стоимости водоводов от головной насосной станции до территории зон, а в системах последовательного зонирования - за счет увеличения затрат на строительство и эксплуатацию дополнительной насосной станции.

Поэтому если территория снабжаемого водой объекта имеет вытянутую вдоль горизонтальную форму (рис. 5), то система параллельного зонирования на зоны I и II, как правило, более выгодна. При этом укладка водоводов небольшой длины L₁ и L₂ вызовет меньшие расходы, чем устройство дополнительной насосной станции при последовательной системе.

Если застройка вытянута в направлении, перпендикулярном направлению горизонталей (рис. 6), то более выгодным оказывается последовательное зонирование с устройством отдельных зон I и II и дополнительной насосной станции вместо укладки самостоятельных водоводов в каждой зоне от головной насосной станции.

При сравнении двух вариантов зонирования для какого-либо реального объекта и выборе системы зонирования кроме указанных выше соображений следует иметь в виду достоинства и недостатки каждой из двух систем.

Рис. 5. Система паралельного зонирования

К достоинствам параллельной системы зонирования могут быть от­несены:

а) большая надежность водообеспечения потребителей (по сравнению с последовательной), так как каждая зона имеет независимое питание от головной насосной станции;

б) меньшая стоимость эксплуатации, так как все, насосное оборудование сосредоточено в одной насосной станции.

Недостатками параллельной системы зонирования являются:

а) большая дополнительная длина водоводов до территории каждой зоны, что приводит к увеличению капитальных затрат на их сооружение;

б) высокие по абсолютному значению давления в водоводах и, следовательно, необходимость применения высоконапорных насосов и труб высокой прочности.

К недостаткам системы последовательного зонирования относятся необходимость устройства дополнительных отдельно стоящих насосных станция для каждой зоны и, следовательно, увеличение затрат на строительство и эксплуатацию (в частности, содержание обслуживающего персонала).

Кроме того, надежность этих систем ниже, чем систем параллельного зонирования.

Рис 6.Система последовательного зонирования

 

В практике проектирования зонных водопроводов сочетание разнообразных местных условий и особенностей снабжаемого водой объекта приводит к устройству смешанных «параллельно-последовательных» систем зонирования.

Например, при большой удаленности источника водоснабжения от объекта (рис. 7) будет рентабельным устройство насосной станции II подъема и очистных сооружений вблизи города. При этом водоводы по отношению к обеим зонам включены последовательно, а сети отдельных зон - параллельно.

Рис 7. Смешанная система зонирования

 

На рис. 8 показан случай, когда I и II зоны включены параллельно, а III зона последовательно присоединена ко II зоне.

Рис 8. Последовательно- паралельная система зонирования

 

В крупных городах, имеющих обширную территорию и сложный пересеченный рельеф местности (рис. 9), оказывается выгодным выделять отдельные возвышенные районы в самостоятельные зоны.

Рис 9. Зонная система со станциями подкачки

 

Эти зоны обычно получают воду из общей городской сети, повышая напор с помощью специальных повысительных насосных подстанций (станций подкачки).

Выделение в самостоятельные зоны районов с повышенными отметками позволяет значительно уменьшить напор, создаваемый на головной насосной станции, а следовательно, и затраты на подъем воды.

Зонирование водопроводных систем по условиям допустимых давлений применяется не только при большой разности отметок снабжаемой водой территории, но и при большом протяжении сети на местности с плоским рельефом.

Значительная протяженность водоводов этих систем приводит к необходимости преодолевать большие потери напора в трубопроводах при относительно малых геометрических высотах. Поэтому при проектировании таких систем решаются вопросы последовательного горизонтального зонирования с устройством насосных станций подкачки нескольких подъемов (рис. 10).

Гидравлический расчет зонных систем производится теми же методами, что и расчет обычных водопроводов, но при расчете сетей нижних зон должна учитываться их связь с верхними зонами.

 

Рис 10. Районная система водоснабжения

а - пьезометрический профиль; б -план.

1- головные сооружения; 2 -насосные станции подкачки; 3 - пункты водопотребления.

⇐ Предыдущая12

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: