Гидравлический расчёт кольцевой сети.

Цель гидравлического расчета водопроводной сети, заключается в нахождении экономически наивыгоднейших диаметров магистральных трубопроводов, достаточных для пропуска необходимого количества воды ко всем потребителям с требуемым напором и необходимой степенью надежности, а также в определении потерь напора на участках сети, которые нужны для установления высотного положения регулирующей ёмкости и требуемого напора насосов второго подъёма.

5.1. Определение удельных, путевых и узловых расходов.

 

После трассировки магистральную водопроводную сеть разбивают на расчетные участки. Начало и конец участка нумеруют (номер узла), узлы намечают также в точках подключения водоводов от насосной станции, от водонапорной башни, в местах отбора воды крупными потребителями и в местах устройства пересечений и ответвлений магистральных линий. Условно принимается, что отбор воды происходит только из гидравлического узла. Отбор воды в течении суток изменяется в значительных пределах, фактическую картину которого установить очень сложно. На практике принимают условную схему водоотбора, которая предполагает равномерную отдачу воды магистральной водопроводной сетью. Если имеет место путевой отбор воды вдоль участка, его условно заменяют эквивалентным узловым.

Все расчёты по определению путевых и узловых расходов удобно вести по форме таблицы 4.

На каждый расчётный случай определяется величина удельного расхода отдачи воды участками сети в данном районе в л/с на 1 м расчётной длины.

Расчётная длина участка принимается:

- равной нулю, если он проложен по незастроенной территории;

- фактической длине, если он проложен между кварталами жилой застройки;

- половине фактической длины, если он проложен по границе районов с разной степенью благоустройства или по границе жилой застройки.

Определяем длины расчетных участков сети (по генплану):

 

 

 

Находим общую длину расчетных участков сети:

(26)

Определяем удельный расход на 1 метр длины (с точностью до 4 знака после запятой):

(27)

где Q_гор. – расход воды городом, л/с (форм.24).

Результат заносим в гр.3 табл.4.

Определяем путевые расходы по каждому участку, а результаты заносим в гр.4 табл.4. При определении путевого расхода участка, лежащего на границе районов с различной степенью благоустройства, удельный расход берётся средним между удельными расходами районов (если на всём протяжении границы имеется жилая застройка с двух сторон), а расчётная длина принимается равной фактической.

(28)

где q_уд. – удельный расход на 1 метр длины, л/с (определяют по форм.28);

ℓ_уч. – длина участка для которого определяется путевой расход, м.

Определяем узловые расходы как полусумму путевых расходов, примыкающих к узлу участков. Результат заносим в гр.7 табл.4

(29)

где Σq_пут. – сумма путевых расходов, примыкающих к узлу участков.

Например, для узла 2 узловой расход составит:

Кроме вычисленного таким образом узлового расхода, полный отбор воды в узле включает в себя и сосредоточенный расход воды крупными потребителями: промышленными предприятиями и общественными зданиями.

Таблица № 4 – Путевые и узловые расходы.

№ участков	Длина участков, ℓ, м	Удельный расход qуд, л/с.	Путевой расход, qпут., л/с	№ узла	Примыкающие участки	Узловые расходы, qузл., л/с
1-2		0,0379	45,42		1-2,1-8	25,93
2-3		0,0379	6,43		2-1,2-3	25,93
3-4		0,0379	16,28		3-2,3-4,3-8	34,07
4-5		0,0379	18,55		4-3,4-5,4-7	40,12
5-6		0,0379	45,42		5-6,5-4	31,98
6-7		0,0379	18,55		6-7,6-5	31,98
7-8		0,0379	16,28		7-6,7-8,7-4	40,12
8-1		0,0379	6,43		8-7,8-1,8-3	34,07
3-8		0,0379	45,42
4-7		0,0379	45,42
Итого			264,20			264,20

 

 

5.2. Гидравлический расчёт сети в час максимального водопотребления.

 

Для каждого расчётного случая составляется расчётная схема потокораспределения, состоящая из сети магистральных трубопроводов, в узлах которой проставляют номера узлов и узловые расходы, а на участках фактические длины. Также указываются водопитатели и количество воды, поступающее от них. Во время пожара ВБ отключают и всё необходимое количество воды поступает от НС – II.

На схемах показывают предполагаемое направление потоков (стрелками на участках сети). Затем намечают расчётные расходы на участках. Расчётные секундные расходы воды по участкам подсчитывают от концевых участков к начальным.

Основным потребителям воду следует подавать кратчайшим путём.

Расчёт ведётся методом Лобачёва – Кросса.

Определяем критическую точку на сети. Она должна быть наиболее удалённой от точки 1 и высоко расположенной на рельефе местности. Критической является точка. Привязываем к узловым точкам сосредоточенные расходы (от общественных зданий и промпредприятия).

Проведем предварительное распределение потоков воды по участкам сети, соблюдая принцип Кирхгофа (сколько воды подходит к узлу, столько из него и выходит).

магистральные лини с целью их взаимозаменяемости должны иметь примерно одинаковую пропускную способность.

Проведем предварительное распределение потоков воды по участкам сети.

В узле 5 расход воды составляет сумму узлового расхода в этой точке (см. табл. 4) и сосредоточенного расхода на нужды больницы Q_бол. = 2,2 л/с (см. табл. 2):

5

Этот расход должен был пройти по участкам, примыкающим к узлу 5: 4 – 5 и 5 – 6. предположим, что по участку 5 – 6 прошёл расход q_5-6 = 20 л/с, тогда по участку 4 – 5 пройдет расход:

К узлу 6 подходит транзитный расход q_5-6 = 20 л/с и собственно узловой расход в этой точке , тогда по участку 6 – 7 пройдёт расход:

Следовательно по участку 6 – 7 пройдёт расход q_6-7 = 51,98 л/с.

К узлу 4 подходит транзитный расход q_4-5 = 14,18 л/с и собственно узловой расход в этой точке , которые в сумме составляют:

Допустим, что по участку 4 – 7 пройдёт расход q_4-7 = 30 л/с, тогда по участку 3 – 4 пройдет расход:

Допустим, что по участку 3 – 8 пройдёт расход q_4-7 = 40 л/с, тогда по участку 2 – 3 пройдет расход:

К узлу 7 подходит транзитный расход q_6-7 = 51,98 л/с, q_4-7 = 30 л/с и собственно узловой расход в этой точке , которые в сумме составляют:

 

К узлу 8 должен подходить расход воды составляющий сумму узлового расхода в этой точке , транзитный расход q_7-8 = 122,1 л/с, q_3-8 = 40 л/с и сосредоточенного расхода на нужды больницы Q_бол. = 0,7 л/с

Следовательно по участку 1 – 8 пройдёт расход q_1-8 = 196,87 л/с.

 

К узлу 2 должен подходить расход воды составляет сумму узлового расхода в этой точке , сосредоточенного расхода на нужды промышленного предприятия Q_пр. = 32,82 л/с (см. пункт 2) и расход на участке 2 – 3:

Следовательно по участку 1 – 2 пройдёт расход q_8-1 = 77,12 л/с.

 

Для проверки правильности распределения расходов воды нужно сложить q_узл.1, транзитные расходы на участках, примыкающих к точке 1 и сосредоточенный расход на нужды баня, привязанный к этому узлу. должна получится величина общего расхода, который подходит к узлу 1, т.е. Q_общ..

Для сети принимаем материал труб согласно [1, п.8.21]. Диаметры труб принимаем, используя экономические скорости, рекомендованные М.М.Андрияшевым по таблицам Ф.А.Шевелёва:

При Ø 200 – 300 мм v = 0,6 – 1 м/с

Ø 400 – 600 мм v = 1 – 1,3 м/с

Диаметр выбирается из следующих соображений:

1) в системах с регулирующей ёмкостью в начале сети (или при безбашенной системе) решающим для выбора диаметров является расчётный случай работы сети в час максимального водопотребления;

2) в системах с контррезервуаром – на участках, прилегающих к нему, решающим для выбора диаметров является час максимального транзита в башню, на остальных участках диаметр принимается по расходу в час максимального водопотребления;

3) при пропуске пожарного расхода по трубам следует следить, чтобы скорости движения оды не превышали 2,5 м/с, в противном случае следует принимать следующий по сортаменту диаметр трубопровода (по отношению к основному расчётному случаю).

При выборе диаметров необходимо соблюдать следующие правила:

1) диаметры трубопроводов в одном кольце должны отличатся не более, чем на два сортамента;

2) диаметры перемычек следует принимать на 1 – 2 сортамента меньше соединяемых ими магистралей;

3) диаметры магистральных линий должны уменьшатся плавно по направлению основных потоков воды;

4) минимальный диаметр труб водопровода, объединенного с противопожарным, принимается 100 мм [1, п.8.46].

Расчётные расходы воды на участках заносим в графу 4 табл.5.

Диаметры и скорости воды принимаем по [3] в зависимости от расхода и заносим, соответственно в графы 5 и 6 табл.5. При назначении диаметров нужно, чтобы начиная от точки подачи воды диаметры участков постепенно уменьшались по ходу движения воды к конечным участкам сети.

S₀ – удельное сопротивление на 1 м трубы. Определяется по [3, табл.3]. Так как S₀ приводится для Q в м³/ч, а расчётный расход в л/с, то S₀ × 10^-6 и результат заносим в гр.7 табл.5.

Если скорость воды на участке отличается от 1 м/с, то к значению S₀ добавляются поправочные коэффициенты К, которые определяются по [3, табл.4]. Значения К заносим в графу 8 табл.5.

Находим сопротивление по всей длине участка по формуле:

(30)

Результат заносим в гр.9 табл.5.

Находим потери напора по участкам сети по формуле:

(31)

Результат заносим в гр.11 табл.5.

Потери напора по участкам каждого кольца сети принимаются со знаком «+», если поток направлен по часовой стрелке, и со знаком «-», если против.

Потери напора по кольцу не должны быть более ± 0,5 м, а по наружному контуру не более ± 1,5 м.

Если потери по кольцу больше допустимых, определяем поправку к расходам по формуле:

(32)

Знак поправки определяется по приложению 9.

В гр.13 табл.5 к расходу в гр.4 прибавляется поправочный расход со знаком «+», и вычитается, если Δq со знаком «-».

Так как конечные расходы отличаются от первоначальных, производим поправку на скорость. Для этого, по [3], по новым расходам определяем новые скорости v_к, а к новым скоростям поправочные коэффициенты К₁ [3, табл.4]. Значения заносим соответственно в гр.20 и 21 табл.5.

Фактические потери напора по участкам определяют по формуле:

(33)

Значения заносим в гр.22 табл.5 (см. приложение).

5.3. Гидравлический расчёт сети в час максимального водопотребления и пожара.

В данном населённом пункте число пожаров равно 2 с расходом воды на один пожар - 35 л/с (см. пункт 1.3.).

Точками пожара принимаем узлы сети наиболее удаленные от водопитателя или расположенные на высоких отметках поверхности. Согласно генплана пожары принимаются в точках 6 и 5. Расход воды на пожаротушение на предприятии составляет 25 л/с.

 

При пожаре в час максимального водопотребления расход воды на полив улиц и зелёных насаждений, на приём душа из расчетного расхода вычитаются.

 

5.4.Гидравлический расчёт водоводов.

 

От НС и ВБ до сети прокладываются напорные водоводы в 2 нитки [1, п.8.1]. Гидравлический расчёт водоводов состоит в определении их диаметров и потерь напора при пропуске различных расчетных расходов воды.

Диаметр водоводов от НС до регулирующей ёмкости (в случае с проходной башней) или до сети определяется с помощью [4] по максимальной производительности НС. Потери напора находятся для случаев:

1) подачи НС – II в час максимального водопотребления;

2) подачи НС – II при пожаре в час максимального водопотребления;

3) подачи НС – II при аварии на одном из водоводов, когда по другому пропускается 70% максимального часового расхода [1, п.7.7].

Диаметр водоводов, соединяющих сеть с регулирующей ёмкостью (проходная башня), назначается по максимальному часовому расходу воды. Потери напора определяются также для трёх выше перечисленных случаев работы сети.

В схеме с контр ёмкостью диаметр водоводов, соединяющей её с сетью, принимается по величине расхода, подаваемого в сеть от водонапорной башни.

При конструировании водоводов необходимо руководствоваться [1, разд.8].

 

Расчёт водоводов от ВБ до точки 1:

 

Длина водоводов ℓ = 150 м (см. схему генплана).

По водоводам пройдёт расход Q_общ. = 269,25 л/с (см. пункт 2, форм.26).

По каждому из них пройдёт расход:

(34)

По [3] находим d – диаметр водовода, используя экономические скорости (см. пункт 5.2.), v – скорость воды, потери напора на 1000 м длины водовода.

d = 400 мм

v = 1,11 м/с

1000i = 4,23 м

Определяем потери напора по длине водовода

(35)

Проверяем работу водовода на пропуск аварийного расхода.

При аварии на одной нитке водовода по другой должно пройти 70% расхода воды:

(36)

Для полученного расхода по [3] определяем новые значения скорости и потерь напора. Диаметр водовода не меняется.

d = 400 мм

v = 1,56 м/с

1000i = 8,19 м

При аварийной работе водовода потери напора составят (форм.35):

Проверяем работу водовода на пропуск пожарного расхода. При пожаре по водоводам пройдёт расход:

(37)

по каждому водоводу пройдёт расход:

Для полученного расхода по [3] определяем новые значения скорости и потерь напора. Диаметр водовода не меняется.

d = 400 мм

v = 1,47 м/с

1000i = 7,26 м

При припуске пожарного расхода потери напора на водоводе составят (форм.35):

 

Расчёт водоводов от НС – II до ВБ:

 

Длина водоводов ℓ = 1120 м (см. схему генплана).

Количество воды, которое идёт по этим водоводам составляет 4,7%(см. табл.7 гр.3) от Q_сут л/с (итог гр.25 табл.3):

(38)

По каждому водоводу пройдёт расход:

По [3] находим d – диаметр водовода, используя экономические скорости (см. пункт 5.2.), v – скорость воды, потери напора на 1000 м длины водовода.

d = 700 мм

v = 1,21 м/с

1000i = 2,48 м

Определяем потери напора по длине водовода (форм.35):

Проверяем работу водовода на пропуск аварийного расхода. Аварийный расход для водовода НС-II – ВБ определяем по форм.36:

Для полученного расхода по [3] определяем новые значения скорости и потерь напора. Диаметр водовода не меняется.

d = 800 мм

v = 1,3 м/с

1000i = 2,4 м

При аварийной работе водовода потери напора составят (форм.35):

Проверяем работу водовода на пропуск пожарного расхода. При пожаре по водоводам пройдёт расход:

(39)

по каждому водоводу пройдёт расход:

Для полученного расхода по [3] определяем новые значения скорости и потерь напора. Диаметр водовода не меняется.

d = 800 мм

v = 1,02 м/с

1000i = 1,53 м

При припуске пожарного расхода потери напора на водоводе составят (форм.35):

 

РАСЧЁТ ВОДОНАПОРНОЙ БАШНИ.

6.1 Определение полного объёма бака водонапорной башни.

Водонапорные башни служат для хранения регулирующих и противопожарных запасов воды, а также создания и поддержания в сети необходимых напоров.

Требуемый полный объём бака башни, м³, определяется по формуле:

(40)

где W_рег.ВБ – регулирующий объём воды в баке, м³;

W_пож.ВБ – неприкосновенный пожарный запас, м³, на тушение одного внутреннего и одного наружного пожаров в течении 10 минут при одновременном удовлетворении хозяйственно-питьевых нужд [1, п.9.5]:

Регулирующий объём бака можно определить по интегральному графику или табличным способом по форме таблицы 7.

(41)

где α_мах – максимальный значение в гр.6 талб.7;

Q_сут. – расчётный суточный расход воды населённым пунктом (табл. 3. итог гр.25)

Определяем неприкосновенный 10-ти минутный противопожарный запас воды в баке:

(42)

где q_пож. – расчётный расход воды на один пожар в городе (см. пункт 1.3.), q_пож. = 35 л/с;

- расчётный расход на внутреннее пожаротушение на предприятии (см. пункт 1.3.), Таблица № 7 – Определение регулирующей емкости бака водонапорной башни.

Часовые промежутки	Потребление воды городом в % от Qсут	Подача воды насосами II подъема	поступление в бак в %	Расход их бака в %	Остаток в баке %
	0 –1	2,86	2,48	0,00	0,38	3,19
	1 – 2	2,37	2,48	0,11	0,00	3,30
	2 – 3	2,39	2,48	0,09	0,00	3,38
	3 – 4	2,38	2,48	0,10	0,00	3,49
	4 – 5	2,72	2,48	0,00	0,24	3,24
	5 – 6	3,42	4,73	1,31	0,00	4,55
	6 – 7	4,23	4,73	0,50	0,00	5,05
	7 – 8	4,69	4,73	0,04	0,00	5,10
	8 – 9	5,56	4,73	0,00	0,83	4,27
	9 – 10	5,49	4,73	0,00	0,76	3,51
	10 – 11	5,48	4,73	0,00	0,75	2,76
	11 –12	5,42	4,73	0,00	0,69	2,07
	12 – 13	5,71	4,73	0,00	0,98	1,10
	13 – 14	4,83	4,73	0,00	0,10	1,00
	14 – 15	4,75	4,73	0,00	0,02	0,98
	15 –16	4,99	4,73	0,00	0,26	0,73
	16 – 17	5,46	4,73	0,00	0,73	0,00
	17 – 18	4,68	4,73	0,05	0,00	0,05
	18 – 19	4,63	4,73	0,10	0,00	0,15
	19 - 20	4,45	4,73	0,28	0,00	0,43
	20 - 21	4,72	4,73	0,01	0,00	0,43
	21 - 22	3,81	4,73	0,92	0,00	1,35
	22 - 23	2,84	4,73	1,89	0,00	3,24
	23 - 24	2,13	2,48	0,35	0,00	3,59
			100%

 

Из полученных значений гр.6 выбираем максимальное α_мах = 5,10

Определяем регулирующий объём воды в баке:

Определяем неприкосновенный 10 – минутный противопожарный запас воды в баке:

Требуемый полный объём бака составит:

Полученную ёмкость бака округляют в большую сторону кратно 50 м³, принимаем

W_ВБ = 1100 м³.

6.2 Определение размеров бака водонапорной башни.

 

Размеры бака башни (диаметр и высоту) определяют исходя из требуемого объёма. Отношение высоты бака к его диаметру принимается в пределах 0,5 – 1.

Принимаем .

Тогда:

(43)

Тогда диаметр бака определяем по формуле:

(44)

Высоту бака до уровня воды определяем по форм.43:

Определяем строительную высоту бака:

(45)

где 0,25 – величина, предусматривающая осадок воды в баке, м;

0,2 – величина возвышения бортов бака над уровнем воды, м.

 

6.3 Определение высоты водонапорной башни.

 

Высота башни зависит от свободного напора Н_св, который для многоэтажной застройки увеличивается для каждого последующего этажа на 4м (для одноэтажной застройки Н_св = 10 м).

(46)

где n_эт. – количество этажей в зданиях жилой застройки.

Для двухэтажной застройки:

За критическую принимает точку 5.

Высоту водонапорной башни определяют по формуле:

(47)

где Н_б – высота водонапорной башни (расстояние от земли до дна бака);

Σh_с – сумма потерь напора в сети от диктующей точки до водонапорной башни, м;

Z_б – отметка поверхности земли у водонапорной башни (определяют по генплану города);

Z₀ – отметка поверхности земли в диктующей точке (определяют по генплану города).

От критической точки до ВБ выбираем путь, который будет критическим (потери напора наибольшие):

ВБ-1-2-3-4-5:

ВБ-1-8-3-4-5:

В Б-1-8-7-4-5:

ВБ-1-8-7-6-5:

Критическим является путь ВБ-1-8-7-6-5.

Находим высоту башни по формуле (47):

Пьезометрическая отметка низа бака:

(48)

Пьезометрическая отметка верха воды в баке:

(49)

 

6.4 Определение напора и производительности насосов НС II.

 

Один насос подаёт 2,48% от Q_сут. (см. табл.7 гр.3).

Определяем производительность насоса:

(50)

Определяем необходимую высоту подъёма насосов в час максимального водопотребления:

где Н_Г – разность геодезических отметок уровня воды в баке ВБ и наименьшего уровня воды в резервуаре чистой воды (РЧВ);

(51)

h_НС – сумма потерь напора во всасывающих и напорных трубопроводах НС (принимается от 3 до 5 м), h_НС = 3,5 м;

h_в – потери напора в водоводах от НС-II до ВБ (см. пункт 5.4).

Отметка верха воды в РЧВ принимается на 0,5 м больше отметки земли, а отметка наименьшего уровня воды в РЧВ на 2 м ниже отметки поверхности воды в РЧВ:

(52)

(53)

Определяем необходимую высоту подъёма насосов в час максимального водопотребления и пожара:

(54)

где Н_Г – разность геодезических отметок точки где намечен (в данном примере это точка 5) пожар и наименьшего уровня воды в РЧВ:

Н_П – требуемый напор в точке пожара (при системе пожаротушения низкого давления Н_П = Н_св. = 10 м);

Σh_п – сумма потерь напора в сети при пропуске противопожарного расхода:

h_в – потери напора в водоводах, соединяющих НС – II с ВБ.

Подбор насосов производится исходя из максимальной высоты подъёма и производительности. Определяем марку насосов и их основные характеристики. Принимаем рабочих насоса и резервных насоса. Д500-65, q=500 м3/ч, H=65 м.