Взаимосвязь работы элементов системы водоснабжения

Все элементы системы водоснабжения (водоводы, водопроводные сети, насосные станции, регулирующие резервуары и т.д.) должны быть связаны. К системе водоснабжения предъявляются требования, касающиеся не только подачи воды потребителям в необходимых количествах, но и напоров (давлений), которые должны быть обеспечены в точках отбора. Напор, развиваемый насосной станцией, и высота водонапорной башни должны быть достаточными для преодоления потерь напора при движении воды по трубопроводам, а также для подъема воды до наивысшей точки ее отбора и при свободном изливе.

Большинство потребителей получают воду на некоторой высоте над поверхностью земли. Это требует создания в сети в месте присоединения ввода напора, достаточного для подъема воды на заданную высоту, носящего название свободного напора Н_св: Н_св = Н_г + h_пот + Н_ост

где Н_г — геометрическая высота подъема воды от поверхности земли до самой высокой водозаборной точки, м; h_пот — потери напора во внутренней сети, водомерном узле и вводе, м; Н_ост — остаточный напор у диктующего прибора, м.

Схема подачи воды в здание

Геометрическая высота подъема воды Н_г м, определяется по формуле: Н_г =Н_пл + (n-1) Н_эт + Н_пр

где H_пл — превышение отметки пола первого этажа над поверхностью земли (планировочная высота); п —число этажей в здании; Н_эт - высота этажа здания; Н_пр — высота расположения диктующего прибора над полом.

Для предварительных расчетов свободный напор при одноэтажной застройке принимают равным 10 м, а при большей этажности прибавляют по 4 м на каждый этаж: Н_св = 4 (n-1) +10, где п —этажность застройки.

В часы минимального водопотребления напор на каждый этаж (кроме первого) допускается принимать равным 3 м. На промышленных предприятиях свободный напор определяется технологическим процессом.

Связь между напорами для схемы водоснабжения с башней в начале сети на момент максимального водопотребления представлена на рисунке ниже. Она определяется положением пьезометрических линий, которые отражают падение напора в сети при движении воды от источника водоснабжения до точек сети, наиболее неблагоприятных в отношении обеспечения свободных напоров. Эти точки носят названия диктующих или критических.

Обычно диктующими точками являются наиболее удаленные от башни и точки отбора, имеющие наибольшие геодезические отметки земли. В них будут самые низкие пьезометрические напоры и самые малые свободные напоры.

Схема взаимосвязи между напорами в системе водоснабжения с башней в начале сети

Пьезометрический напор представляет собой сумму геодезической отметки рассматриваемой точки и свободного напора в ней. Если за критическую (среди удаленных от башни) принять точку а, имеющую наибольшую геодезическую отметку z, то требуемый пьезометрический напор в ней будет равен z + Н_св, где Н_св— требуемый свободный напор. Свободный напор в этой точке в любой момент времени должен быть не ниже требуемого. Пьезометрическая линия а₁б₁ характеризует падение напора в сети в момент максимального водопотребления. Высота водонапорной башни Н_δ должна быть такой, чтобы в час максимального водопотребления в точке а обеспечивался напор Н_св.

Связь между напорами в точках б и а определяется уравнением: z_δ + H_δ = z + H_св +∑h, где z_δ — отметка земли в месте расположения башни, м; ∑h — потери напора на участках сети от башни до критической точки а, м.

Пользуясь этим уравнением, можно определить высоту водонапорной башни: Н_δ = Н_св + ∑h - (z_δ - z)

Высота будет тем меньше, чем большее значение имеет величина z_δ. Поэтому расположение водонапорной башни на возвышенных отметках будет приводить к уменьшению ее строительной стоимости. Если в результате расчета Н_δ ≤ 0, то это указывает на то, что устройство водонапорной башни не требуется. В этом случае вместо башни устанавливается напорный резервуар, который может быть расположен на поверхности земли или быть заглубленным. Установка напорных резервуаров имеет преимущество — их стоимость всегда меньше стоимости водонапорных башен того же объема.

Положение пьезометрической линии меняется с изменением водопотребления и степени заполнения бака. По мере уменьшения водопотребления потери напора в линиях сети и водоводах также уменьшаются и, следовательно, пьезометрическая линия будет иметь меньший уклон. Она будет поворачиваться вокруг точек δ₁ и δ₂ или их промежуточных положений и займет горизонтальное положение в случае прекращения отбора воды из сети, когда потери напора в ее линиях равны нулю.

Требуемый напор у насосной станции II подъема Н_н определяется из условия возможности подачи воды на отметку максимального уровня воды в баке водонапорной башни:

H_H = ( z_δ - z_H) + (H_δ + H₀) + h_B

где z_Н — отметка уровня воды в резервуаре, м; Н₀ — расчетная высота бака башни, м; h_B — потери напора в напорных и всасывающих трубопроводах станции, включая потери в коммуникациях, м.

С изменением уровня воды в баке башни рабочая точка на кривой Q-Н насосов будет менять свое положение. Одновременно будет изменяться и подача воды насосной станцией. В результате принятый график работы насосной станции характеризует картину ее работы лишь с некоторым приближением, а реальную картину можно получить в результате гидравлических расчетов системы подачи и распределения воды в целом.

Требуемый напор насосов станции I подъема определяется аналогичным образом.

На практике возвышенные отметки снабжаемой водой территории могут находиться в противоположной от насосной станции стороне. Система водоснабжения с башней, установленной на этих отметках, называется системой с контррезервуаром.

Схематическое изображение кольцевой сети системы водоснабжения с контррезервуаром

О_н и Q₆ — расходы соответственно от насосной станции и водонапорной башни; а-а — граница зон питания от насосной станции и башни; 1,2 — районы питания соответственно от насосной станции и башни; 3 - водонапорная башня

Режим работы этой системы имеет отличия от режима работы системы с башней в начале сети. При максимальном водопотреблении питание потребителей водой осуществляется с двух противоположных сторон; от насосной станции — Q_H и от водонапорной башни — Q_δ. Для системы водоснабжения с башней в начале сети оно осуществляется в начальной точке сети, т.е. Q = Q_H + Q_δ.

Приближенно расходы Q_H и Q_δ определяются по совмещенному графику режима работы насосной станции и режима водопотребления, В системе с контррезервуаром потоки воды от насосной станции и водонапорной башни будут направлены навстречу друг другу. Линия, проведенная через узлы, в которых произошла встреча потоков, называется границей зон питания. Критической из расположенных на этой линии точек будет та, которая имеет наибольшую геодезическую отметку. Такой точкой на рисунке ниже является узел a₁ с геодезической отметкой z. Требуемый свободный напор в этой точке равен Н_св.

Схема взаимосвязи между напорами в системе водоснабжения с башней в конце сети

Зная геодезические отметки расчетного уровня воды в резервуаре чистой воды z_Н, земли в месте расположения башни z_δ, а также потери напора ∑h_H при движении воды от насосной станции до точки а₁ и потери напора ∑h_δ по пути от башни до этой точки, можно построить пьезометрические линии для часа максимального водопотребления. Они будут иметь уклоны противоположных знаков и общую точку в узле a₁.

Требуемая высота водонапорной башни H_δ и необходимый напор насосов Н_н определяются по выражениям:

Н_δ = Н_св + ∑h_δ - (z_δ - z);

Н_Н = Н_δ + (∑h_Н + h_B - ∑h_δ) + (z_δ - z_H)

где h_B — потери напора в водоводах, соединяющих насосную станцию с сетью.

В часы, когда подача насосов в максимальной степени превышает водопотребление, избыток воды транзитом проходит через всю систему трубопроводов и поступает в резервуар водонапорной башни. Этот момент называют моментом максимального транзита. В этом случае пьезометрическая линия приобретает уклон одного знака. Напор на насосной станции в этот момент больше напора в час максимального водопотребления. Это вызывается возрастанием потерь напора в сети из-за увеличения пути транспортирования воды, а также ее количества в районе границы зон питания.

Приведенные схемы водоснабжения — это лишь часть их многообразия. Они определяются рядом факторов: числом источников питания, местом их расположения, конфигурацией территории, ее рельефом и т.д.

В задачи проектировщиков при выборе оптимального режима работы системы водоснабжения и отдельных ее сооружений входит: установление графика сложившегося на данный момент времени водопотребления; определение суточных расходов воды и взаимного расположения элементов систем водоснабжения.

Водоприемные сооружения, насосная станция I подъема и очистные сооружения обеспечивают забор, подачу и очистку воды в объеме суточного водопотребления. Режим работы этих сооружений для средних и крупных объектов, как правило, назначается равномерным. При этом режиме обеспечиваются наименьшие расчетные нагрузки указанных сооружений и их наименьшая строительная стоимость.

В водопроводную сеть вода подается из резервуаров насосной станцией II подъема. При совпадении графика режима работы насосной станции И подъема с графиком водопотребления водонапорная башня для целей регулирования в системе не требуется. Однако на практике достичь совпадения указанных линий практически невозможно, так как для этого потребовалось бы несколько насосов на насосной станции II подъема, которые бы постоянно включались (выключались) для отслеживания режима водопотребления. Более того, использование такого режима работы насосной станции при значительной неравномерности водопотребления усложняет и удорожает эксплуатацию и строительство системы.

Как правило, используется ступенчатый режим работы насосной станции II подъема с периодическим включением группы насосов, обеспечивающих сближение линий 2 и 3, При таком режиме в часы максимального водопотребления насосная станция II подъема подает несколько меньшее количество воды по сравнению с требуемым, а в часы минимального потребления воды подача насосов превышает потребление воды. В первом случае недостаток воды компенсируется из водонапорной башни, во втором — избыток накапливается в резервуаре башни.