Исходные данные

Примечание: на производственные нужды требуется вода питьевого качества.

1. Характеристика объекта и проектируемой системы водоснабжения

Объектом водоснабжения является город, расположенный на берегу реки. Генплан города представлен в проекте.

Местность, на которой расположен город, характеризуется перепадом отметок земли от 53 до 58 м.

Площадь селитебной части города составляет F_гор = 388,1 га (определяется по генплану города). Плотность населения Р = 280 чел./га (приведена в исходных данных). При заданной плотности населения и площади территории города расчетная численность населения города составит:

N = Р • F_гор = 280 • 388,1 = 108668 чел.

Жилая застройка состоит из 6 - этажных зданий, оборудованных водопроводом, канализацией с ваннами и централизованным ГВС.

Площадь зеленых насаждений, улиц и площадей, подлежащих поливу, равна 27% от площади города, согласно исходным данным:

F_пол = 0,27 • F_гор = 0,27 • 388,1 = 104,787 га

На территории города расположено промышленное предприятие с общим числом работающих 800 + 1100 + 400 = 2300 чел. Предприятие работает в три смены. Согласно исходным данным, вода на производственные нужды подается из городского водопровода.

В качестве источника водоснабжение принята река. Расположение водозаборных и очистных сооружений показано на генплане города. Водозаборные сооружения располагаются в 1,5 км выше города по течению реки. Вблизи водозаборных сооружений расположены очистные сооружения, резервуары чистой воды и насосная станция 2-го подъема. От насосной станции 2-го подъема вода по двум водоводам протяженностью 0,73 км подается в водопроводную сеть.

Противопожарный водопровод проектируем низкого давления [3, п.2. 29].

В соответствии с принятой системой водоснабжения из городского водопровода обеспечиваются:

- хозяйственно-питьевые нужды населения;

- хозяйственно-бытовые нужды промышленного предприятия;

- производственные нужды промышленного предприятия;

- полив зеленых насаждений, улиц и площадей;

- противопожарные нужды.

водопроводная сеть жилая застройка

2. Определение расходов воды и свободных напоров

2.1 Нормы и коэффициенты неравномерности водопотребления

2.1.1 Хозяйственно-питьевое водопотребление населения

При заданной степени благоустройства жилых зданий (ВК - 3) норма хозяйственно-питьевого водопотребления на 1-го жителя (среднесуточная за год) составит

q_ср = 290 л /сут [2, п.3.2.].

Для определения максимального суточного и часового расходов воды находим коэффициенты суточной неравномерности.

Коэффициент суточной неравномерности принимаем равным:

К_{сут.макс} = 350 / 290 ? 1,2;

К_{сут.мин} = 230 / 290 ? 0,8.

Коэффициенты часовой неравномерности определяются по формулам:

К_{час.мин} = б_мин ? в_мин = 0,5 • 0,7 = 0,35;

К_{час.макс} = б_макс ? в_макс = 1,3 • 1,1 = 1,43,

где б - коэффициент, учитывающий степень благоустройства жилых зданий, режим работы предприятий и другие местные условия, принимаем: б_мин = 0,5, б_макс = 1,3;

в - коэффициент, учитывающий число жителей в населенном пункте: в_мин = 0,7, в_макс = 1,1.

2.1.2 Поливное водопотребление

Норму на полив зеленых насаждений, улиц и площадей принимаем 1,6 л / м²; число поливов в сутки - один; число дней полива в году - 150 в соответствии с данными.

2.1.3 Хозяйственно-бытовое водопотребление рабочих предприятия

Норму расхода воды на хозяйственно-питьевые нужды принимаем на 1-го рабочего в смену (для цехов с тепловыделением более 20 ккал на 1 м³ / ч) - 45 л / смену, (для цехов с тепловыделением менее 20 ккал на 1 м3 / ч ) - 25 л / смену.

Число рабочих, обслуживаемых одной сеткой - 15, число пользующихся душем - 28% работающих в смену.

Часовой расход на 1 душевую сетку принимаем 500 л, продолжительность пользования душем после окончания смены - 45 мин (0,75 ч).

2.1.4 Производственное водопотребление предприятия

Количество воды, подаваемой на производственные нужды предприятия - 20 м³ / ч, коэффициент часовой неравномерности К_ч = 1.

2.1.5 Противопожарное водопотребление

Расчетное количество воды на наружное пожаротушение и число одновременных пожаров для жилой застройки принимаем в соответствии с [3. п. 2, табл. 5].

Расчетное число одновременных пожаров (при расчетной численности населения 108668 чел.) принимаем равным 3; расход воды на один пожар Q_пож = 40 л / с (жилая застройка свыше 3-х этажей).

В соответствии с исходными данными число одновременных пожаров на промышленном предприятии - 1, Q_пож^пр = 25 л / с. Время тушения пожара - 3 ч.

2.2. Расходы воды по видам потребления и в целом по городу

2.2.1 Хозяйственно - питьевое водопотребление населения

Средний за год суточный расход воды определяется по формуле:

Q_сут.ср=(q_ср • N)/1000 = (290 • 108668) / 1000 = 31513,72 ? 31513,7 м³/сут,

где q_ср - принятая средняя норма водопотребления, л / чел. / сут;

N - расчетное число жителей, чел.

Расчетные расходы воды в сутки наибольшего и наименьшего водопотребления определяем по формуле:

Q_{сут.макс} = К_{сут.макс} • Q_сут.ср = 1,2 • 31513,72 = 37816,464 ? 37816,5 м³ / сут;

Q_{сут.мин} = К_{сут.мин} • Q_сут.ср = 0,8 • 31513,72 = 25210,976 ? 25211 м³ / сут.

Расчетные часовые расходы воды определяем по формуле:

q_ч.макс = (К_ч.макс • Q_{сут.макс}) / 24 = (1,43 • 37816,464) / 24 ? 2253,23 м³ / сут;

q_ч.мин = (К_ч.мин • Q_{сут.мин}) / 24 = (0,35 • 25210,976) / 24 ? 367,66 м³ / сут.

2.2.2 Поливное водопотребление

Максимальный суточный полив:

Q_{сут.макс}^пол = (10000 • F_пол • q_пол) / 1000 = (10000 • 104,787 • 1,6) / 1000 ? 1676,6 м³ / сут,

где F_пол - площадь полива, га; q_пол - норма полива, л / м² • сут.

Средний суточный расход воды за год на полив:

Q_сут.ср^пол = (Q_{сут.макс}^пол • n) / 365 = (1676,6 • 150) / 365 ? 689 м³ / сут.

где n - число дней полива в году.

Принимаем, что полив совпадает с днем максимального водопотребления, но не совпадает с часом максимального водопотребления данных суток.

2.2.3 Хозяйственно - бытовое водопотребление рабочих предприятия

Учитывая исходные данные и принятые нормы водопотребления, определяем расход воды (м³) на хозяйственно - бытовые нужды рабочих в смену.

Таблица 1

2.2.4 Производственное водопотребление предприятия

Суточный расход:

Q_сут^пр = 20 • 24 = 480 м³ / сут.

2.2.5 Противопожарное водопотребление

Q_пож = Q_пож^гор + 0,5 • Q_пож^пр = 3 • 40 + 0,5 • 25 = 132,5 л / с.

2.2.6 Суммарное водопотребление

Таблица 2

Суммарное распределение воды всеми потребителями

Таблица 3

На основании таблицы 3 строим ступенчатый график водопотребления города (рис. 1).

Q _{сут макс}

Подача воды насосами

2-го подъема

Водопотребление городом

Рис. 1. Совмещенный ступенчатый график водопотребления городом и подачи воды насосами 2-го подъема.

2.3 Свободные напоры

Минимальный свободный напор в водопроводной сети определяем в соответствии с [3, п.2.26] при заданной этажности 6:

Н_св^х-п = 10 + (4 • 5) = 30 м.

Минимальный свободный напор при тушении пожара принимаем по [3, п.2.30]:

Н_св^пож = 10 м.

3. Режим работы насосов станций 1-го и 2-го подъемов и определение вместимости баков водонапорной башни и резервуаров чистой воды

3.1 Режим работы насосов

Режим подачи воды насосной станцией 1-го подъема, а также поступление воды с очистных сооружений в резервуары чистой воды принимаем равномерными в течение суток, т.е. 4,17% Q_{сут.макс}. Режим работы насосов 2-го подъема принимаем равномерным ступенчатым, по возможности приближенным к графику водопотребления и с учетом подбора наименьшего числа типов и числа насосов:

с 0 до 5 ч. - 2,6%; с 5 до 20 - 5%; с 20 до 24 - 3% Q_{сут.макс} (см. рис.1).

Таким образом, за сутки насосы 2-го подъема подают в город воды:

(5 • 2,6%) + (15 • 5%) + (4 • 3%) = 100%.

3.2 Определение вместимости бака водонапорной башни

Таблица 4

W_{рег.бака} = (Q_{сут.макс} • 2,36) / 100 = (40058,20 • 2,36) / 100 ? 945,4 м³.

Противопожарный запас воды W_пож на 10-минутную продолжительность тушения одного наружного и одного внутреннего пожаров:

где q_{пож.нар.} - пожарный расход на тушение одного наружного пожара в городе = 40 л / с;

q_{пож.внутр} - расход внутри здания из пожарного крана = 5 л / с.

Полная вместимость бака:

W_б = W_{рег.бака} + W_пож = 945,4 + 27 = 972,4 м³

К установке принимаем железобетонную башню, с вместимостью бака - 1000 м³.

Размеры бака принимаем с таким расчетом, чтобы отношение высоты слоя воды к диаметру было в пределах 0,7. Тогда диаметр бака равен:

D = м, а высота слоя воды Н = 8,8 м.

3.3 Определение вместимости резервуаров чистой воды

Полная вместимость резервуаров:

W_р = W_рег.р + W_пож.р + W_ф, м³,

где W_рег.р - регулирующий запас воды;

W_пож.р - противопожарный запас;

W_ф - запас воды на промывку фильтров, принимаемый равным 200 м³, согласно расчету очистных сооружений.

Регулирующую вместимость резервуара определяем путем совмещения графиков работы насосов 1-го и 2-го подъемов (рис. 2). Для определения величины вместимости используем интегральный график поступления воды в резервуар и подачи ее насосами 2-го подъема (рис. 3).

Регулирующий запас воды находим как сумму абсолютных величин максимальных положительной и отрицательной ординат: 7,85 + 4,6 = 12,45%

W_рег.р = 0,1245 • 40058,20 ? 4987,2 м³.

Неприкосновенный пожарный запас воды определяем из расчета подачи воды на тушение пожара в течении З-х часового периода наибольшего водопотребления по формуле:

где Q_пож - расход воды на тушение наружных пожаров;

3Q_ч.макс - расход воды за три смежных часа наибольшего водопотребления, т.е. с 8 до 11 ч;

3Q_ч.ср - приток воды в резервуар, принимаем равным трем среднечасовым расходам, т.е. 4,17% от Q_{сут.макс}, умноженное на 3.

Полная вместимость резервуаров чистой воды:

W_р = 4987,2 + 3173 + 200 = 8360,2 м³.

Принимаем два типовых железобетонных резервуара, вместимостью по 5000 м³ каждый. Размеры резервуара в плане 30 • 36 м, высота слоя воды - 3,9 м.

Рис. 2. Совмещенный ступенчатый график поступления воды в резервуар и подачи насосами 2-го подъема.

Рис. 3. Совмещенный интегральный график поступления воды в резервуар и подачи насосами 2-го подъема

4. Гидравлический расчет водопроводной сети

4.1 Трассировка магистральной водопроводной сети и выбор расчетных случаев

Прежде, чем приступить к трассировке сети, намечаем место расположения водонапорной башни, т.е. самую высокую отметку в западной части города - 58 м.

Водонапорная башня располагается между насосной станцией 2-го подъема и водопроводной сетью по ходу движения воды, т.е. в начале сети.

Трассы магистралей намечаем с таким расчетом, чтобы вода подавалась ко всем основным потребителям кратчайшим путем, и число магистралей было не менее двух. Расстояние между магистралями принимаем равным 650 м, что соответствует рекомендуемым 400 - 800 м. Расстояние между перемычками 750 м, что также отвечает рекомендуемым 500 - 1000 м.

В результате трассировки схема сети принята кольцевой, с башней в начале.

Нумеруем узлы и определяем по генеральному плану длину всех участков магистральной сети.

Учитывая, что водопроводная сеть принята с башней в начале ее, принимаем за основной расчетный случай работы сети период максимального водоразбора. Кроме этого, выполняем поверочные расчеты сети на период тушения пожара при максимальном водоразборе и на период подачи воды при аварийном выключении участка сети.

Гидравлический расчет кольцевой водопроводной сети производим в такой последовательности: составляем расчетную схему отбора воды, делаем предварительное распределение расходов воды по участкам, определяем диаметры труб участков, потери напора в них и величину невязок в кольцах, производим увязку сети.

4.2 Расчет сети на случай максимального водоразбора

4.2.1 Расчетная схема отбора воды

При расчете сети принимаем условную схему отбора воды. Предполагается, что расчетный расход воды городом равномерно располагается по длине магистральной сети. При этом из общего расхода воды отдаваемой сетью, вычитаем расходы промышленного предприятия, так как их величины и точка, где они отбираются, известны.

Максимальное водопотребление (т.е. расчетный расход) с 9 до 10 часов (см. табл. 3). В этот час город потребляет 5,77 % Q_{сут.макс}, т.е. 2311,9 м³/ч = 642,2 л/с, в том числе предприятие - Q_пр = 24 м³/ч = 6,7 л/с.

В нашем случае величина расхода, равномерно распределенного по длине сети равна:

Q = Q_расч - Q_пр = 642,2 - 6,7 = 635,5 л / с.

Удельный отбор, т.е. отдача воды сетью на 1 м ее длины, определяется по формуле:

q_уд = Q / ? l = 635,5 / 8400 = 0,0756 л / с / м,

где ? l - сумма длин участков сети, м.

Найдя q_уд, определяем путевые расходы участков:

Q_пут = q_уд • l_уч,

которые заменяем узловыми расходами

Q_узл = 0,5?Q_пут =0,5? q_уд • l = 0,5 q_уд?l_узл = 0,5 • 0,0756?l_узл,

где ?l_узл - сумма длин участков, примыкающих к узлу.

Результаты определения узловых расходов приведены в табл. 5 и рис. 5.

Таблица 5

Рис. 4. Схема водопроводной сети с узловыми расходами на случай максимального водоразбора.

Кроме указанных в табл. 5 узловых расходов, будет иметь место сосредоточенный расход, отдаваемый промышленным предприятием в узле 8, равный 6,7 л / с, что в сумме составляет 635,5 + 6,7 = 642,2 л / с, т.е. полный расход в час максимального водопотребления.

4.2.2 Определение расчетных расходов воды по участкам сети

Для определения расчетных расходов в участках сети 2-3; 5-6; 8-9 проводим сечение II-II (Рис. 4). Через это сечение вода транспортируется к трем узлам: 3, 6, 9, сумма расходов в которых составляет:

Q_II-II = Q₃ + Q₆ + Q₉ = 53+ 77,5 + 53= 183,5 л / с.

Соответственно принятому варианту распределения, по участку 5-6 пропускаем расход, равный половине общего расхода воды в сечении II-II, т.е.

q_5-6 = Q_II-II / 2 =183,5 / 2 = 91,7 л / с.

Расход по крайним участкам примем равным:

q_2-3 = q_8-9 = (Q_II-II - q_5-6) / 2 = (183,5 - 91,7) / 2,

или

q_2-3 = 45,9 л / с, q_8-9 = 45,9 л / с.

Расчетные расходы воды по участкам 3-6 и 6-9 определим исходя из баланса расходов воды в узлах. Расход воды по участку 3-6:

q_3-6 = Q₃ - q_2-3 = 53 - 45,9 = 7,1 л / с;

по участку 6-9:

q_6-9 = Q₉ - q_8-9 = 53 - 45,9 = 7,1 л /с.

Для определения расчетных расходов воды по участкам 1-2, 4-5, 7-8 проводим сечение I-I (Рис. 5); через это сечение вода транспортируется к узлам 2, 5, 8, 3, 6, 9, сумма расходов в которых составит:

Q_I-I = 81,3 + 105,9 + 81,3 + 6,7 + 53+ 77,5 + 53 = 458,7 л / с.

По участку 4-5 пропустим расход, равный:

q_4-5 = Q_I-I / 2 = 458,7 / 2 = 229,4 л / с.

По участкам 1-2, 7-8 расходы примем равными: q_1-2 = 111,3 л / с, q_7-8 = 118,0 л / с.

Расчетные расходы на участках 2-5, 5-8, 1-4, 4-7 определим с учетом баланса расходов воды в узлах:

q_2-5 = (Q₂ + q_2-3) - q_1-2 = (81,3 + 45,9) - 111,3 = 15,9 л / с;

q_5-8 = (Q₈ + q_8-9) - q_7-8 = (81,3 + 6,7 + 45,9) - 118,0 = 15,9 л / с;

q_1-4 = Q₁ + q_1-2 = 53+ 111,3 = 164,3 л / с;

q_4-7 = Q₇ + q_7-8 = 53+ 118,0 = 171,0 л / с.

Проверим общий баланс расходов воды в сети:

Q_рас = Q₄ + q_1-4 + q_4-7 + q_4-5 = 77,5 + 164,3 + 171,0 + 229,4 = 642,2 л / с,

т.е. баланс расходов воды в сети выполнен (см. рис. 4.).

4.2.3 Определение диаметров труб участков сети

Диаметр труб участков сети выбираются с учетом требований экономичности водоводов сети и насосных станций, которые характеризуются экономическим фактором Э.

Значение Э определяем по формуле:

Э = А • (у ? г) / (з ? в),

где А - коэффициент, учитывающий материал труб: для чугунных 2800;

у - стоимость электроэнергии: 0,02 руб / кВт / ч;

г - коэффициент неравномерности расходования энергии на подачу воды (0,6-0,8), принимаем 0,65;

з - КПД насосов, принимается в пределах 0,7 - 0,8;

в - коэффициент стоимости строительства, зависит от материала труб: чугунные - 107 для водоводов и 130 для сети.

Э = 2800 • (0,02 • 0,65) / (0,7 • 130) = 0,4

Наиболее выгоднейшие диаметры участков сети находим методом приближенного технико-экономического расчета, с учетом роли каждого участка в работе сети, используя таблицу предельных экономических расходов.

Предельные расходы вычисляем по формуле:

где Э и Э_т - соответственно экономические факторы для данного случая 0,4 и 0,5;

Q - полный расчетный расход воды: 642,2 л / с;

x_ik - коэффициент, учитывающий роль участка в работе сети;

q_ik - расчетный расход рассматриваемого участка.

Величину x_ik при приближенном технико-экономическом расчете определяем как часть полного расхода воды, подаваемой в сеть, путем проведения поперечных сечений по основным направлениям движения воды, т.е. , где n - число пересекаемых участков.

На схеме сети (рис. 4) линии 1-4; 4-7; 1-2; 4-5; 7-8; 2-3; 5-6; 8-9 - это постоянно нагруженные транзитные участки сети, через которые и проводим сечения. Для линии 2-5; 5-8 сечений не проводим, так как они являются перемычками и диаметры их принимают конструктивно из условия обеспечения подачи воды при аварии на магистрали. Диаметры конечных участков 3-6; 6-9 принимаем с учетом пропуска противопожарного расхода воды равными 250 мм.

Таблица 6

4.2.4 Определение потерь напора на участках сети и величин невязок в кольцах

Потери напора в трубах определяем по формуле:

h = S₀ • l • Q² = S • Q²,

где S₀ - удельное сопротивление трубопровода (по табл. Шевелева) При скорости движения воды в трубах < 1,2 м / с, вводится поправочный коэффициент у, который также определяется по таблицам Шевелева;

l - длина трубопровода;

Q - расчетный расход трубопровода;

S - полное сопротивление трубы длиной l.

Результаты определения потерь напора на участках сети показаны на рисунке 5.

Истинное определение расходов воды по сети характеризуется тем, что в каждом кольце сумма потерь напора на участках, где вода движется по часовой стрелке, равна сумме потерь напора на участках, где вода движется против часовой стрелки, т.е. невязка в кольце Для практических целей величина невязок допустима до 0,5 м, а по внешнему контуру - до 1,5 м.

Величины невязок в кольцах равны:

Дh_I = h_1-2 - h_2-5 - h_4-5 + h_1-4 = 4,1 - 0 - 4,7 + 3,8 = 3,2;

Дh_II = h_2-3 - h_3-6 - h_5-6 + h_2-5 = 4 - 0 - 2,8 + 0 = 1,2;

Дh_III = h_4-5 + h_5-8 - h_7-8 - h_4-7 = 4,7 + 0 - 4,6 - 4,2 = - 4,1;

Дh_IV = h_5-6 + h_6-9 - h_8-9 - h_5-8 = 2,8 + 0 - 4,0 - 0 = - 1,2;

Вывод: величины невязок во всех кольцах при первоначальном распределении расходов воды по участкам сети получились выше допустимых.

Для уменьшения невязок до допустимой величины производим перераспределение расходов (при условии соблюдения во всех узлах), т.е. выполним увязку сети.

4.2.5 Увязка сети

Знак невязки показывает, какие участки перегружены, а какие недогружены. Если , то перегружены участки, по которым воды движется по часовой стрелке, а если , то наоборот.

Для получения следует перераспределить потоки воды таким образом, чтобы уменьшить расход на перегруженных участках и увеличить на недогруженных.

Это достигается путем проведения по контуру кольца поправочного расхода Дq в направлении, обратном невязке.

Гидравлическую увязку сети производим по методу Лобачева-Кросса.

Поправочный расход (в м) определяем по формуле:

где - невязка при первой попытке расчета сети;

- произведение сопротивления S на расчетный расход q участка.

Расчет производим путем повторных попыток до достижения допустимой невязки потерь напора в кольцах, равной 0,5 м, в следующем порядке:

1) по уточненным расходам для каждого участка сети находим скорость в трубах, удельное сопротивление и поправочный коэффициент скорости по таблицам Шевелева;

2) для каждого участка сети вычисляем , произведение и потери напора ;

3) для каждого кольца определяем сумму (без учета знаков) и величину невязки .

Результаты расчета приведены в таблице 7.

В участках сети, которые являются смежными для двух колец, учитываем поправочные расходы, проводимые по этим двум кольцам.

В результате второй попытки получены допустимые невязки во всех кольцах.

Невязку по контуру определяем так:

Дh_к = h_1-4 + h_1-2 + h_2-3 - h_3-6 + h_6-9 - h_8-9 - h_7-8 - h_4-7 = 3,8 + 4,1 + 4 - 0 + 0 - 4 - 4,6 - 4,2 = -0,9 м.

Величина этой невязки получилась допустимой: 0,9 м.

Результаты увязки сети приведены в таблице 7 и на рис. 5.

Рис. 5. Схема увязки водопроводной сети на случай максимального водоразбора.