Расчет водопроводных сетей

В водопроводной сети различают магистральные (главные) и распределительные (второстепенные) линии. Расчет проводят только для магистральных линий.

Расчет водопроводных сетей заключается в установлении диаметров труб, достаточных для пропуска заданных расходов воды, и в определении потерь напора. Последнее необходимо для определения высоты водонапорных башен и напора, который должны создавать насосы.

При расчете водопроводной сети предполагают, что промышленным предприятиям (для производственных и хозяйственно-питьевых целей) вода подается в виде сосредоточенных расходов, а для хозяйственно-питьевых целей в городах и населенных пунктах – равномерно по длине магистральных линий. Равномерно распределяемый (путевой) расход воды, приходящийся на 1 км длины линии, называют удельным расходом.

Удельный путевой расход q_уд определяется путем деления общего путевого расхода q_п на сумму длин всех участков ∑ l_уч

q_уд = q_п / ∑ l _уч л / с∙ км.

Далее определяется величина путевых расходов всех участков умножением удельного расхода на условную длину участка

q_п.уч = q_уд ∙ l _уч, л / с.

Затем путевые расходы привязываются к сосредоточенным расходам в узлах и вычисляются узловые расходы, как сумма сосредоточенного расхода

∑ q_{соср..уз} и полусумма путевых расходов участков, примыкающих к узлу q_п.уч.уз

q_узла = ∑ q_{соср..уз} + 0.5 ∑ q_п.уч.уз, л / с.

Сумма всех узловых расходов должна быть равна величине максимального (расчетного) часового расхода воды (точнее секундного, л / с) в населенном пункте.

После выполнения этих операций в тупиковой сети определяются расчетные расходы на участках с обеспечением условия баланса расходов в узлах –

алгебраическая сумма расходов в каждом узле должна быть равна нулю,

∑ q = 0.

Разветвленные водопроводные сети рассчитывают как системы последовательно соединенных трубопроводов, осуществляющих раздачу воды по пути и в виде сосредоточенных расходов в боковые ответвления. Потери напора в таких трубопроводах могут быть определены как сумма потерь напора в последовательно соединенных участках трубопровода.

Расчетная схема тупиковой сети

Для кольцевых сетей на основании произведенных вычислений составляется расчетная схема водопроводной сети, на которой намечается первоначальное распределение потоков воды по всем участкам сети, и определяются предварительные расчетные расходы на участках. При этом алгебраическая сумма расходов в каждом узле должна быть равна нулю.

Расчетная схема кольцевой сети

Затем производится определение диаметров труб на участках водопроводной сети

Перед назначением диаметров труб магистральной водопроводной сети и водоводов необходимо установить материал и сортамент используемых труб. Водоводы и водопроводные сети обычно монтируются из напорных труб, серийно выпускаемых промышленностью и сертифицированных к применению в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения. Трубы должны обладать достаточной прочностью, долговечностью и иметь эффективные гидравлические характеристики.

Предпочтение отдается неметаллическим трубам, в качестве которых в последнее время широко применяются напорные полиэтиленовые трубы по ГОСТ 18599-2001 [9], выпускаемые отечественной промышленностью с диапазоном диаметров от 100 до 1200 мм.

Для прокладки в пределах населенного пункта могут использоваться напорные чугунные трубы. Отечественной промышленностью освоен выпуск напорных труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) по ТУ 14-161-183-2000 с диапазоном диаметров от 100 до 1000 мм. Трубы выпускаются с внутренним цементно-песчаным покрытием и без него.

При соответствующем обосновании могут применяться и другие типы труб.

При назначении диаметров труб по величине расчетных расходов на участках следует руководствоваться следующими соображениями.

1. Экономичные скорости зависят от диаметров и могут быть предварительно приняты для труб диаметром:

от 150 до 300 мм – 0.6-1.0 м/с;

от 400 до 600 мм – 1.0-1.3 м/с;

свыше 700 мм – 1.5-2.0 м/с.

2. Потери напора в сети и водоводах при пропуске максимального часового расхода должны быть приблизительно раны 3-4 м на один километр длины, что примерно соответствует средним экономичным скоростям.

Потери напора на участках сети h могут быть определены исходя из величины гидравлического уклона или потери напора в метрах на 1 км трубопровода (1000 i) при расходе в нем, равном q. Эта величина устанавливается при подборе диаметров труб из расчетных таблиц.

h = 1000 i ∙ l, м.

Для гидравлической увязки кольцевой водопроводной сети пользуются гидравлическим сопротивлением S каждого участка S = A ∙ l, где A – удельное сопротивление трубопровода, зависящее от материала и диаметра труб; l – длина трубопровода.

Потери напора на участке в этом случае определяются и выражения

h = К· S· q²,

где К – коэффициент, учитывающий отклонение от квадратичной области сопротивления.

При расчете кольцевой водопроводной сети предварительные расчетные расходы на участках обычно не соответствуют действительным расходам, при которых сумма потерь напора в кольце должна быть равна нулю, ∑ h = 0.

Поэтому производят гидравлическую увязку кольцевой водопроводной сети целью, которой является определение действительных расходов и потерь напора на участках водопроводной сети. Кольцевая водопроводная сеть считается увязанной, когда обеспечивается баланс потерь напора в элементарных кольцах сети.

Существует несколько методов расчета (увязки) кольцевых водопроводных сетей. Все они, по существу, сводятся к тем или иным способам приближенного решения системы квадратных уравнений и - поэтому достаточно трудоемки, особенно при расчете больших многокольцевых сетей.

В настоящее время разработаны способы расчета кольцевых водопроводных сетей с применением вычислительной техники. Кольцевые водопроводные сети рассчитывают на несколько расчетных случаев: на максимальный хозяйственный водоразбор, на пропуск пожарных расходов в этот период, а сети с контррезервуаром (с водонапорной башней, расположенной в конце сети) рассчитывают и на пропуск максимального транзитного расхода в башню.

Расчет тупиковых водопроводных сетей проводят на случай максимального водоразбора и на пропуск пожарных расходов в этот период.

Разветвленные (тупиковые) водопроводные сети рассчитывают как системы последовательно соединенных трубопроводов, осуществляющих раздачу воды по пути и в виде сосредоточенных расходов в боковые ответвления. Потери напора в таких трубопроводах могут быть определены как сумма потерь напора в последовательно соединенных участках трубопровода.

Потери напора в местных сопротивлениях ввиду их малости при расчете водопроводных сетей не учитывают.

По данным расчетов водопроводной сети строят график пьезометрических линий и определяют напор, который должны развивать насосы, и высоту водонапорной башни.

Высоту водонапорной башни определяют из выражения

Н_б = Н_св + h_{пот. с} – (Z_б – Z_д),

где Нсв – свободный напор в диктующей точке; h_{пот. с} – сумма потерь напора в сети от башни до диктующей точки; Z_д и Z_б – отметки поверхности земли в диктующей точке и в месте расположения водонапорной башни.

В качестве диктующей принимают точку, при расчете по которой высота водонапорной башни получается наибольшей. Обычно это наиболее высокорасположенная и удаленная от башни точка.

Напор насосов определяют из выражения

Н = Н_б + Н_бака + h_{пот. в} + h_{пот. вс} + (Z_б – Z₀),

где Н_бака - высота бака (слоя воды в баке) водонапорной башни; h_{пот. в} – сумма потерь напора в водопроводной сети и водоводах; h_{пот. вс} – сумма потерь напора в насосной станции; Z₀ – отметка самого низкого уровня воды в резервуаре чистой воды.