Связь отдельных элементов системы водоснабжения в отношении создаваемых и требуемых напоров

Для полного понимания работы системы водоснабжения необходимо уяснить связь между ее отдельными элементами не только в отношении расходов, но и в отношении напоров.

Насосные станции должны подавать воду потребителю в требуемом количестве и под требуемым напором.

Рис.2.7

Разбор воды большинством потребителей происходит на некоторой высоте над поверхностью земли, поэтому в водопроводной сети должно быть обеспечено давление, необходимое для подъема воды на указанную высоту. Например, для подачи воды в верхние этажи здания (2.7) в городской водопроводной сети необходимо иметь внутреннее давление р (измеряемое для простоты у поверхности земли), достаточное для подъема воды до наивысшей водоразборной точки и ее излива, а также для преодоления всех сопротивлений на ее пути от городской сети до точки излива.

При помощи гидравлического расчета могут быть получены величины  и, следовательно, может быть найдена величина свободного напора  требуемого в данной точке сети наружного водопровода.

При расчете городского водопровода расчетную величину принимают различной для отдельных районов в зависимости от расчетной этажности их застройки.

Строительные нормы и правила дают следующие величины требуемого свободного напора   в сети водопровода населенных мест: при одноэтажной застройке  =10 м; при двухэтажной застройке = 12 м и при большей этажности плюс 4 м на каждый следующий этаж.

Во всех точках водопроводной сети при работе водопровода в обычное время (при отсутствии пожара) должен быть обеспечен напор не меньше указанных значений

На 2.8 изображен вертикальный продольный разрез рассмотренной выше системы водоснабжения (см. 2.1), на котором схематически показано положение пьезометрических линий для момента максимального водоразбора. Рисунок позволяет установить связь между элементами системы водоснабжения в отношении напоров.

Рис.2.8

 

Наиболее неблагоприятно расположенными в отношении напора оказываются точки, дальше всего отстоящие от башни и имеющие наибольшие геодезические отметки. В этих точках будут самые низкие пьезометрические отметки (вследствие падения напора в сети от источника питания до этих конечных точек) и самые малые величины располагаемого-свободного напора.

Для определения величины расчетного напора, который необходимо создать в начале сети, следует выбрать «критическую» точку сети, наиболее неблагоприятную как в отношении ее геодезической отметки, так и в отношении удаленности от источника питания. Пусть на 2.8 такой критической точкой будет точка а (с отметкой z), наиболее возвышенная из конечных точек сети. Отложив в этой точке величину требуемого (в зависимости от этажности) свободного напора , получим расчетную пьезометрическую отметку для критической точки сети Требуемая величина должна быть обеспечена в точке а в любой момент работы сети, включая, как указано, момент максимального водоразбора, при котором потери напора  на всех участках от башни до критической точки сети будут иметь максимальную величину. Пьезометрическая линия, характеризующая падение напора в сети в часы максимального водоразбора, показана схематически на 2.8 в виде линии

В точке б должен быть создан такой напор , чтобы при максимальном уклоне пьезометрической линии напор в точке а не падал ниже заданной величины . Напор  обеспечивается расположением дна бака водонапорной башни на соответствующей высоте.

По схеме 2.8 легко установить связь между напорами в отдельных характерных точках системы.

Очевидно, что

Отсюда может быть определена расчетная высота башни, т. е. высота расположения дна бака башни над поверхностью земли:

Расположив башню на возможно более высокой отметке , получим при имеющихся отметках снабжаемой водой территории наибольшую величину , а следовательно, минимальную величину , Т. е. наименьшую высоту (и наименьшую стоимость) башни.

Рис.2.9

 

Поэтому водонапорную башню следуе1 стремиться располагать на высоких отметках. В частности, если в результате расчета будет получена величина  , то вместо башни устраивают напорный резервуар, расположенный на поверхности земли (или частично заглубленный в землю). Такие резервуары всегда будут значительно дешевле, чем башня с той же емкостью бака.

На 2.9 схематически показано изменение расположения пьезометрической линии при изменении уровня воды в баке башни и изменении величины водоразбора. При минимальном наполнении бака и максимальной потере напора в сети, соответствующей моменту наибольшего водоразбора, пьезометрическая линия займет положение .

Если к моменту максимального водоразбора бак полон, пьезометрическая линия будет занимать положение .

При изменении величины водоразбора и, следовательно, величины пьезометрическая линия будет поворачиваться вокруг точки или  (или вокруг промежуточных точек в зависимости от уровня воды в баке) и занимать различное положение вплоть до горизонтального, которое наступит при прекращении водоразбора Все новые положения пьезометрической линии, показанные на 2.9, дают большие величины свободного напора в конечной точке, чем расчетное положение, принятое на 2.8.

Необходимо иметь в виду, что максимальные величины свободных капоров в сети не должны превосходить определенных пределов. Они устанавливаются в зависимости от материала и типа труб и условий эксплуатации сети. В соответствии с указаниями СНиП свободный напор в сетях хозяйственно-питьевых водопроводов не должен превосходить 60 м.

На 2.8 схематически показана также пьезометрическая линия для водовода, подающего воду от насосной станции второго подъема до башни. При этом расчетным положением пьезометрической линии, диктующим величину напора насосов, будет такое, при котором конечная точка пьезометрической линии располагается на высоте максимального уровня воды в баке башни, а величина потерь напора в водоводе  соответствует максимальному количеству воды, подаваемой насосами по графику работы насосной станции.

Напор, создаваемый насосами (показываемый манометром на напорном патрубке насоса), будет:

где - отметка оси насоса;

- расчетная высота бака башни.

Следует отметить, что насосы, выбранные для подачи расхода на высоту  (т. е. при наивысшем уровне воды в баке башни), при более низких уровнях будут работать под меньшими напорами и подавать большие количества воды. Следовательно, действительный график подачи воды будет несколько отличаться от запланированного (при условии постоянного расчетного напора).

Можно также установить зависимость между напором , создаваемым насосами станции первого подъема, и свободным напором, который необходимо обеспечить у очистных сооружений (см. 2.8) с учетом отметок местности и потерь напора в трубах.

Установленная таким образом связь между отдельными элементами системы водоснабжения, представленной на 2.1, полностью характеризует режим ее работы при изменении водоразбора в случае нормального водопотребления. При пожарах условия работы водопровода значительно меняются.

 

Режим работы системы подачи и распределения воды при наличии контррезервуара или нескольких водопитателей и напорно-регулирующих емкостей

 

Рассмотренный выше случай системы с расположением напорно-регулирующей емкости в начальной точке сети является наиболее простым в отношении определения режима работы системы.

Весьма часто наиболее возвышенные точки территории снабжаемого водой объекта являются самыми удаленными от насосной станции. Располагая водонапорную башню на наивысших отметках, мы получаем так называемую систему водоснабжения с «контррезервуаром», при которой башня и насосная станция второго подъема находятся в противоположных концах сети (2.10).

Режим работы системы при таком расположении башни будет существенно отличаться от режима работы системы с башней в начале сети.

При таком движении воды в сети изменится и положение пьезометрических линий. Наименьшие пьезометрические отметки будут в точках, лежащих на границе обоих районов питания (линия а а на 2.10). Критической из них является точка, имеющая наибольшую геодезическую отметку.

Рис.2.10

 Пусть это будет точка а1. В этой точке величина свободного напора будет наименьшей. Задавшись для нее величиной требуемого свободного напора Нсв (в зависимости от этажности застройки), построим (2.11) вправо и влево от точки а\ пьезометрические линии с уклоном, соответствующим величинам потерь напора при максимальном водоразборе: — от башни до точки а1 и   — от начальной точки сети (со стороны насосной станции) до точки а\. Величина потерь напора в водоводе hB будет, очевидно. та же, что и в случае такой же системы с башней в начале сети.

При полном баке башни напор насосов будет больше Нn на

высоту Нb (высота бака).

Системы с контррезервуаром характеризуются некоторыми

специфическими для них моментами работы, которые должны

быть рассмотрены при расчете сети. Как было сказано, в некоторые часы суток количество воды, подаваемой насосами, превышает количество воды, расходуемой городом. При расположении башни в начале сети избыточное количество воды, подаваемой насосами, идет в бак башни, не поступая в сеть. В системах с контррезервуаром этот избыток, для того чтобы попасть в башню, должен пройти транзитом через всю сеть.

Рис.2.11

 

Момент, в который этот транзитный расход достигает своего максимального значения (момент «максимального транзита»), определяется по совмещенным графикам (см. 2.4, а) и является вторым основным расчетным случаем сети с контррезервуаром. При этом пьезометрическая линия приобретает однозначный уклон на всем своем протяжении; исчезает ее излом, существующий у границы зон питания при максимальном водоразборе, и минимальная пьезометрическая отметка получается у башни—в конечной, наиболее высоко расположенной точке сети (верхняя пьезометрическая линия на 2.11).

Рис.2.12

 

Во время работы сети при максимальном транзите расходы на участках магистральных линий, близких к границе зон питания, будут больше, чем при максимальном водоразборе. Расчетная величина требуемого напора насосов в часы максимального транзита Нn обычно также получается больше, чем в часы максимального водоразбора. Таким образом, для определения расчетного напора у насосов случай максимального транзита часто является критическим.

В реальных условиях в зависимости от конфигурации снабжаемой водой территории и от рельефа местности возможно промежуточное резмещение башни.

Приведенные в разделе I нормы дают в зависимости от размеров и назначения обслуживаемого водопроводом объекта расчетное число одновременных пожаров, количество воды, расходуемой на каждый пожар (в л/с), и расчетную длительность пожара. Эти данные позволяют определить полный расчетный секундный расход на пожар, который должен быть прибавлен к максимальному секундному хозяйственному (или производственному) расходу, а также общее количество воды, которое должно быть израсходовано на тушение огня в течение всего времени пожара.

При расчете системы водопровода на работу во время пожара следует исходить из возможности пожара в наиболее возвышенных и наиболее удаленных от источников питания точках территории, обслуживаемой водопроводом.

По способу тушения пожара водопроводы разделяются па водопроводы высокого давления и водопроводы низкого давления.

При системе пожаротушения высокого давления водопровод должен в надлежащий момент обеспечить не только подачу к месту пожара установленного нормами пожарного расхода воды, но и повышение давления в водопроводной сети до величины, достаточной для создания пожарных струй непосредственно от гидранта.

Обычно в водопроводах высокого давления повышение давления обеспечивается лишь на время тушения пожара.

При системе пожаротушения низкого давления водопровод должен обеспечить лишь подачу увеличенного в связи с пожаром расхода воды. Напор для получения пожарных струй создается передвижными пожарными насосами, подвозимыми пожарной командой к месту пожара и забирающими воду из водопроводной сети через гидранты. В этом случае происходит понижение давления в трубах, обслуживающих прилегающий к месту пожара район.

Согласно СНиП П-Г.3-62 напор в любой точке сети при этом должен быть не менее 10 м и в особенно неблагоприятных точках не менее 7 м.

Эти указания имеют целью предотвратить возможность образования в сети при отсосе воды пожарными насосами давления ниже атмосферного, так как это может вызвать проникновение в сеть через неплотности стыков загрязненной почвенной воды.

Кроме того, некоторый запас величин давления в сети необходим для работы пожарных автонасосов, в частности для преодоления довольно значительных сопротивлений во всасывающих линиях этих насосов.

Системы пожаротушения высокого давления (с временным повышением давления при пожаре) применяют иногда в водопроводах промышленных предприятий. Водопроводы постоянного высокого давления могут быть допущены только в силу особых условий, так как эксплуатация этих систем вызывает значительный перерасход электроэнергии.

В населенных местах обычно применяют системы пожаротушения низкого давления.

Как увидим далее, диаметры городской водопроводной сети определяются в соответствии с режимом ее нормальной работы. Естественно, что при пропуске через сеть увеличенного расхода во время пожара увеличиваются скорости течения воды в трубах, а следовательно, и потери напора в сети.

Рассмотрим режим работы водопровода (2.13) при системе пожаротушения низкого давления.

Рис.2.13

 

Пусть при нормальной работе в наиболее удаленной от башни и возвышенной точке а требуется свободный напор . Пьезометрическая линия займет некоторое положение L (сопрягаясь с уровнем воды в баке башни). Допустим, что в точке а возникает пожар. При системе пожаротушения низкого давления и отборе воды из сети пожарными насосами в точке а устанавливается некоторый свободный напор  , который будет, как правило, меньше . Так как в период пожара по сети проводится увеличенный расход воды, потери напора в сети возрастут; получим , и пьезометрическая линия 2 (соответствующая этому случаю) будет иметь больший уклон, чем линия 1.

В зависимости от соотношения напоров  и потерь и  пьезометрическая линия при пожаре может пройти выше бака башни (положение 2) или ниже его.

В первом случае башня на время пожара должна быть выключена, так как иначе она не позволит насосам повысить давление в сети до требуемой величины (так как в точке присоединения башни к сети максимально возможное давление будет определяться уровнем воды в баке).

Если расчетная пьезометрическая линия (при пожаре) пройдет ниже уровня воды в баке башни (положение 3), то, очевидно, башня не выключается, и в месте пожара будет обеспечен напор не ниже требуемого .

Разумеется, действительное положение пьезометрической линии будет несколько отличным от положения 3, так как пьезометрическая отметка в системе в точке б определится фактическим уровнем воды в башне.

Напор , который должны развивать пожарные насосы, будет зависеть от соотношения   и от соотношения величин потерь напора в сети и в водоводах при хозяйственной и при пожарной работе. Он может быть больше, равен (близок), а иногда и меньше величины того напора, который должны развивать насосы при хозяйственной работе.

Во время пожара насосная станция должна подавать в систему расход воды, достаточный для удовлетворения хозяйственных и противопожарных нужд. Пожарный запас воды хранится обычно в резервуаре чистой воды.

В системах с контррезервуаром наиболее неблагоприятные точки предполагаемых пожаров (т. е. наиболее удаленные и возвышенные точки) обычно оказываются расположенными вблизи башни (2.14). Так как , то первое время после возникновения пожара (в точке а) башня будет подавать к ней значительные количества воды, что может привести к ее быстрому опорожнению.

Рис.2.14

 

Поэтому системы с контррезервуаром следует рассчитывать на подачу в период пожара суммарного хозяйственного и пожарного расхода от насосной станции.