Гидравлический расчет водопроводной сети

 

Гидравлический расчет водопроводной сети выполняется два раза: при максимальном хозяйственно-производственном водопотреблении (в обычное время) и при пожаре. Цель гидравлического расчета - определить потери напора в сети в этих двух случаях. Гидравлический расчет сети выполняется в следующей последовательности:

1) определяется равномерно распределенный расход воды вычитанием суммы сосредоточенных расходов из общего расхода в час максимального водопотребления:

,

где

п - количество сосредоточенных отборов воды;

2) определяется удельный расход воды q _уд, т.е. равномерно распределенный расход, приходящийся на единицу длины водопроводной сети:

где

l _i - длина участка;

m - количество участков;

j - номер участка;

3) определяются равномерно распределенные расходы по длине участков (путевые отборы):

4) определяются узловые расходы воды, которыми заменяются путевые отборы:

где

- сумма путевых отборов на участках, прилегающих к данному узлу;

5) к узловым расходам добавляются сосредоточенные расходы, а при пожаре к одному из узловых расходов добавляется еще расход воды на пожаротушение;

6) выполняется предварительное распределение расходов по участкам сети. При распределении для каждого узла должно выполняться следующее условие (первый закон Кирхгофа): сумма расходов воды, подходящих к каждому узлу, равна сумме расходов воды, выходящих из узла. Распределение расходов можно начинать от диктующей точки, т.е. конечной точки подачи воды, а можно от начальной точки, т.е. точки подвода воды в сеть. Перед распределением расходов необходимо наметить направление потоков воды в сети от точки ввода воды в сеть до диктующей точки. Предварительное распределение выполняется при максимальном хозяйственно-производственном водопотреблении и при пожаре;

7) определяются диаметры труб участков сети по предварительно распределенным расходам при пожаре и значению экономического фактора с использованием таблиц предельных экономических расходов [13], (прил. 2). Экономический фактор учитывает стоимость электроэнергии, коэффициент полезного действия насосных установок, стоимость строительства водопроводной сети и сооружений и т.п. При современной стоимости электроэнергии (согласно тарифной сетке - для всех районов страны, за исключением Якутии, Магаданской, Камчатской и Сахалинской областей) можно использовать следующие значения экономического фактора (табл. 2.1).

 

 

Таблица 2.1

Материал труб	Сталь	Чугун	Железобетон	Асбестоцемент	Пластмасса
Экономический фактор				0,75	0,5

Предельным расходом для данного диаметра труб является такой расход, при котором этот диаметр экономически равноценен следующему сортаментному диаметру. При расходе, превышающем предельный, необходимо принимать следующий сортаментный диаметр.

Предельные экономические расходы для труб из стали, чугуна, асбестоцемента и пластмассы при указанных значениях экономического фактора Э приведены в прил. 2;

8) выполняется увязка сети. Дня каждого кольца выбирается условно положительное направление, например направление движения часовой стрелки. Если направление движения потока воды на участке совпадает с условно положительным направлением, то потери напора Δ h на этом участке считаются положительными, а если не совпадают, то отрицательными (рис. 2.1). Увязать сеть - значит добиться выполнения следующих соотношений:

- для узлов (первый закон Кирхгофа),

-для колец (второй закон Кирхгофа),

где

т - количество расходов воды, подходящей к узлу и отходящей от него;

п - количество участков в кольце.

+h₄

Рис. 2.1. Кольцевая водопроводная сеть.

-h₂

Первое соотношение (для узлов) для найденных расходов воды должно соблюдаться, так как оно использовалось при предварительном распределении расходов по участкам.

Выполнение второго соотношения (для колец) добиваются увязкой водопроводной сети, например методом Лобачева - Кросса. Сущность метода Лобачева - Кросса состоит в следующем. Для кольца (см. рис. 2.1) можно записать:

, то есть: h ₃ + h ₄ - h ₂ – h₁ = Δ h

Величина Δ h называется невязкой. Если сумма условно положительных потерь напора больше суммы условно отрицательных потерь напора, то Δ h > 0. Значит, чтобы уменьшить величину Δ h (приблизить ее к нулю), необходимо расходы на участках с условно положительными потерями напора уменьшить, а на участках с условно отрицательными потерями напора увеличить на величину некоторого поправочного расхода.

Если Δ h < 0, то, наоборот, расходы на участках с условно положительными потерями напора надо увеличить, а на участках с условно отрицательными потерями напора уменьшить на величину поправочного расхода. Увязки сети (введение поправочного расхода) продолжаются до тех пор, пока не будет выполняться соотношение

Δ h ≤ Δ h _доп,

где Δ h _доп - допустимая величина невязки. Можно принять Δ h _доп ≤ 1 м.

Если сеть состоит из нескольких колец, то необходимо добиваться выполнения указанного соотношения для каждого кольца. Потери напора й на участке следует определять по формулам: -16-

h = i×l, ,

где

i – гидравлический уклон, т.е. потери напора на единицу длины трубопровода;

l – длина трубопровода, м;

λ - коэффициент гидравлического сопротивления, определяемый по формуле

d_р – расчетный внутренний диаметр труб, м;

V – средняя по сечению скорость движения воды, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с².

 

Значения коэффициентов А₀, А₁, С и показателя степени т для стальных, чугунных, железобетонных, асбестоцементных, пластмассовых и стеклянных труб должны приниматься по прил. 10 [4].

Расчетные внутренние диаметры металлических, асбестоцементных, пластмассовых (полиэтиленовых), стеклянных труб по данным соответствующих ГОСТов приведены в прил. 2. Расчетные внутренние диаметры железобетонных труб на основании ГОСТ 12586-74, ГОСТ 16953-78 следует принимать равными диаметрам условных проходов. Поправочный расход Δ q для кольца можно определить по формуле

,

где

h ₁,- - потери напора на участке;

q₁, - расход воды по участку;

п – количество участков в кольце.

 

Для каждого кольца получается своя величина поправочного расхода. Если участок сети является общим для двух колец, то поправочный расход на таком участке определяется как сумма поправочных расходов, найденных для этих колец, с учетом их знаков.

 

Пример гидравлического расчета водопроводной сети

Рассмотрим гидравлический расчет на примере водопроводной сети, показанной на рис. 2.2. Для приведенного в разд. 1 примера общий расход воды в час максимального водопотребления составляет 208,23 л/с, в том числе сосредоточенный расход предприятия равен 24,04 л/с, а сосредоточенный расход общественного здания 0,77 л/с.

2.Определим равномерно распределенный расход

= 208,23 – (24,04 + 0,77) = 183,42 л/с.

 

2. Определим удельный расход

;

 

Рис. 2.2. Расчётная схема водопроводной сети

 

3. Определим путевые отборы

Результаты приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Путевые расходы

Номер участка	Длина участка, м	Путевой отбор, л/с
1-2		18,342
2-3		27,513
3-4		18,342
4-5		27,513
5-6		27,513
6-7		9,171
7-1		18,342
7-4		36,684
		= 183,42

 

4. Определяем узловые расходы

= 0,5 (18,342 + 18,342) = 18,342 л/с и т.д.

 

Результаты приведены в табл. 2.3.

 

Таблица 2.3.

Узловые расходы

Номер узла	Узловой расход
	18,342
	22,9275
	22,9275
	41,2695
	27,513
	18,342
	32,0985
	= 183,42 л/с

5. Добавим к узловым расходам сосредоточенные расходы. К узловому расходу в точке 5 добавляется сосредоточенный расход предприятия, а в точке 3 - сосредоточенный расход общественного здания (вместо точки 3 можно взять любую другую точку). Тогда q₅ = 51,553 л/с, Q ₃ = 23,6975 л/с. Величины узловых расходов показаны на рис. 2.3. С учетом сосредоточенных расходов = 208,23 л/с.

 

 

Рис. 2.3. Расчетная схема водопроводной сети с узловыми расходами

 

6. Выполним предварительное распределение расходов воды по участкам сети. Сделаем это сначала для водопроводной сети при максимальном хозяйственно-производственном водопотреблении (без пожара). Выберем диктующую точку, т.е. конечную точку подачи воды. В данном примере за диктующую точку примем точку 5. Предварительно наметим направления движения воды от точки l к точке 5 (направления показаны на рис. 2.3). Потоки воды могут подойти к точке 5 по трем направлениям: первое - 1-2-3-4-5, второе - 1-7-4-5, третье - 1-7-6-5. Для узла l должно выполняться соотношение q₁+q_1-2 + q_1-7 = Q _пос.пр. Величины q₁ = 18,342 л/с и Q _пос.пр. = 208,23 л/с известны, a q_1-2 и q_1-7 - неизвестны. Задаемся произвольно одной из этих величин.

Возьмем, например, q_1-2 = 100 л/с.

Тогда q_1-7 = Q _пос.пр.- (q ₁ + q_1-2) = 208,23 - (18,342 + 100) = 89,888 л/с.

Для точки 7 должно соблюдаться следующее соотношение:

q_1-7 = q₇ + q_7-4 + q_7-6.

Значения q_1-7 = 89,888 л/с и q₇ = 32,0985 л/с известны, a q_7-4 и q₇-₆ - неизвестны.

Задаемся произвольно одной из этих величин и принимаем, например, q_7-4 = 30 л/с.

Тогда q_7-6 = q_1-7 - (q₇ + q_7-4) = 89,888 - (32,0985 + 30) = 27,7895 л/с.

 

 

Расходы воды по другим участкам сети можно определить из следующих соотношений:

q_2-3 = q_1-2 – q₂ q_4-6 = q_3-4 + q _3-4 – q₄

q _3-4 = q_2-3 – q₃ q_6-5 = q _7-6 – q₆.

В результате получится:

q_2-3 = 77,0725 л/с q_4-5 = 42,1055 л/с

q _3-4 = 53,375 л/с q ₆-₅ = 9,4475 л/с.

Проверка: q ₅ = q_4-5 + q_6-5 = 42,1055 + 9,4475 = 51, 553 л/с.

Можно начинать предварительно распределять расходы не с узла 1, а с узла 5. Расходы воды будут уточняться в дальнейшем при выполнении увязки водопроводной сети. Схема водопроводной сети с предварительно распределенными расходами в обычное время показана на рис. 2.4.

При пожаре водопроводная сеть должна обеспечивать подачу воды на пожаротушение при максимальном часовом расходе воды на другие нужды, за исключением расходов воды на промышленном предприятии на душ, поливку территории и т.п. (п. 2.21 [4]), если эти расходы вошли в расход в час максимального водопотребления. Для водопроводной сети, показанной на рис. 2.2, расход воды для пожаротушения следует добавить к узловому расходу в точке 5, где осуществляется отбор воды на промышленное предприятие, которая является наиболее удаленной от места ввода (от точки 1), т.е. q₅, = q'₅ + Q_{пож.рас.} - q_душ.

Однако из таблицы водопотребления (см. табл. 1.3) видно, что без учета расхода воды на душ час максимального водопотребления будет с 9.00 до 10.00 часов.

 

I

II

Q

=

22,975 л/с

Q

= 18,342 л/с

208,23 л/с

Q

= 32,0985 л/с

Q

= 18,342 л/с

Q

= 51,553 л/с

Q

= 41,2695л/с

Q

= 23,6975 л/с

1000; 300; 53,4

1500; 350; 42,1

500; 250; 27,8

1000; 400; 89,9

1000; 400; 100

1500; 350; 77,07

1500;250; 9,4

2000; 250; 30

 

Рис. 2.4. Расчетная схема водопроводной сети с предварительно распределенными расходами при хозяйственно-производственном водопотреблении

 

Расход воды = 743,03 м³/ч = 206,40 л/с, в том числе сосредоточенный расход предприятия = 50,78 м³/ч = 14,11 л/с, а сосредоточенный расход общественного здания = 3,45 м³/ч = 0,958 л/с = = 0,96 л/с. Поэтому при гидравлическом расчете сети при пожаре

= 206,40+ 117,5 = 323,9 л/с.

Так как то узловые расходы при пожаре будут другие, чем в час максимального водопотребления без пожара. Определим узловые расходы так, как это делалось без пожара. При этом следует учитывать, что сосредоточенными расходами будут:

= 14,11 л/с, = 0,96 л/с, = 117,5 л/с.

Равномерно распределенный расход будет равен

= = 323,9 - (14,11 +0,96+ 117,5)= 191,33 л/с.

Расчетная схема водопроводной сети с узловыми и предварительно распределенными расходами при пожаре показана на рис. 2.5.

I

II

Q

=

22,975 л/с

Q

= 18,342 л/с

208,23 л/с

Q

= 32,0985 л/с

Q

= 18,342 л/с

Q

= 51,553 л/с

Q

= 41,2695л/с

Q

= 23,6975 л/с

1000; 300; 53,4

1500; 350; 42,1

500; 250; 27,8

1000; 400; 89,9

1000; 400; 100

1500; 350; 77,07

1500;250; 9,4

2000; 250; 30

 

Рис. 2.5. Расчетная схема водопотребления сети с предварительными расходами при пожаре

 

 

7. Определим диаметры труб участков сети. Для асбестоцементных труб Э = 0,75. По экономическому фактору и предварительно распределенным расходам воды по участкам сети при пожаре по прил. 2 определяются диаметры труб участков водопроводной сети:

d _1-2 = 0,4 м; d _2-3 = 0,35 м; d _3-4 = 0,3 м;

d _4-5 = 0,35 м; d _5-6 = 0,25 м; d _6-7 = 0,25 м;

d _4-7 = 0,25 м; d _1-7 = 0,4 м.

 

Соответствующие расчетные внутренние диаметры определяются по ГОСТ 539-80 и равны (трубы ВТ-9, тип I) (прил. 2):

d _1-2 = 0,368 м; d _2-3 = 0,322 м; d _3-4 = 0,279 м;

d _4-5 = 0,322 м; d _5-6 = 0,235 м; d _6-7 = 0,235 м;

d _4-7 = 0,235 м; d _1-7 = 0,368 м.

 

Следует иметь в виду, что обычно рекомендуют определять диаметры по предварительно распределенным расходам без учета расхода воды на пожаротушение, а затем проверять водопроводную сеть с найденными таким образом диаметрами на возможность пропуска расходов воды при пожаре. При этом в соответствии с п. 2.30 [4] максимальный свободный напор в сети объединенного водопровода не должен превышать 60 м. Если в нашем примере определять диаметры по предварительным расходам при максимальном хозяйственно-производственном водопотреблении (т.е. без учета расхода воды на пожаротушение), то получаются следующие диаметры:

d _1-2 = 0,350 м; d _2-3 = 0,300 м; d _3-4 = 0,250 м;

d _4-5 = 0,300 м; d _5-6 = 0,200 м; d _6-7 = 0,200 м;

d _4-7 = 0,250 м; d _1-7 = 0,150 м.

 

Расчеты показали, что при этих диаметрах потери напора в сети при пожаре более 60 м. Это объясняется тем, что для сравнительно небольших населенных пунктов соотношение расходов воды по участкам водопроводной сети при пожаре и при максимальном хозяйственно-производственном водопотреблении довольно большое. Поэтому диаметры труб некоторых участков следует увеличить и заново выполнить гидравлический расчет сети при максимальном хозяйственно-производственном водопотреблении и при пожаре. В связи с вышеизложенным и для упрощения в курсовой работе допускается определять диаметры участков сети по предварительным расходам при пожаре.