ПРИНЦИП ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА СЕТЕЙ ВОДОСНАБЖЕНИЯ С МНОЖЕСТВОМ УЧАСТКОВ

Полный текст

Существующие методы гидравлического расчета для наружных сетей водо- снабжения рассматривают только отбор воды в узлах, обеспечивающих необхо- димый расход, но не всегда обеспечивают требуемый напор воды в диктующих точках. Определение требуемых напоров в узлах зависит не только от гидравли- ческих параметров, но и правильно выбранного расположения сетей в зависи- мости от планировки города и наличия тупиковых участков.При развитии новых районов г. Лоди (США) требуется расширение водопро- водной сети. На плане города (рис. 1) существующие трубопроводы распредели- тельной сети имеют диаметры 200-250 мм и участки соединены друг с другом по принципу кольцевой водопроводной сети, к которой должны присоединяться проектируемые сети новых районов [4].Проектируемая часть сети обладает собственными двумя подземными источ- ники (точки Р), обеспечивающими необходимые расходы и требуемые напоры воды в период максимального водопользования с учетом расходов воды на туше- ния пожара в диктующем узле. При трехэтажной застройке кварталов проекти- руемый водопровод обеспечивает напор h = 14 м в самой удаленной диктующей точке сети [4].Водопроводная сеть г. Лоди равномерно распределена по территории города, при этом расстояние от любого дома до распределительного трубопровода со- ставляет не более 200 м.Планировка квартала г. Хэмилтон (Новая Зеландия), с плотностью населения 1500 чел/км2, характерна тем, что улицы соединяются друг с другом в несколько необычной форме (рис. 2). При проектировании оптимальной водопроводной27Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 4сети было намечено 12 колец, соединяемых с существующей сетью и множество тупиковых участков. Средняя высота застройки зданий в городе составляет 4-7 м, средняя ширина улиц и обочин - 18-28 м, что позволяет прокладывать трубо- проводы открытым способом [3]. Можно отметить, что такое расположение улиц также создает трудности при проектировании водопроводных сетей и потокора- спределении воды по участкам сети.Рис. 1. Проектируемые водопроводные сети г. Лоди [Projected water supply systems in the city of Lodi Lodi]Рис. 2. Улично-дорожная сеть квартала г. Хэмилтон [Road network in the city of Hamilton]Рассматривая различия систем водоснабжения г. Хошимина (Вьетнам) с дру- гими городами и сравнивая известные методы гидравлического расчета сетей, можно заметить некоторые различия, позволяющие определить единый способ расчета водопроводных сетей на основе принципов энергетического эквивален- тирования.Система водоснабжения квартала района Тху Дык (г. Хошимин) характерна для крупных городов Вьетнама, имеющих большую плотность застройки, при28Щербаков В.И., Нгуен Х.К. Принцип энергетического эквивалентирования для расчета сетей...этом площадь улично-дорожной сети составляет только 4-5% (общепринятый стандарт 20%).Из-за хаотичной застройки квартала без учета перспективы развития комму- никаций водопроводная сеть имеет большое количество тупиковых участков(∅ = 100-150 мм), ответвленных от распределительных сетей на расстояние до1000 м (рис. 3), что негативно влияет на обеспечение потребителей водой.Рис. 3. Водопроводная сеть квартала района Тху Дык (г. Хошимин) [Water supply network Quarter Thu Duc district in Ho Chi Minh City]Жилой квартал района Тху Дык г. Хошимин, занимает площадь 6,26 км2, где проживает 68 000 человек, а суммарная длина водопроводной сети составляет 79 862 м, при этом количество тупиковых участков с диаметром труб 100-150 мм в сотни раз превышает количество участков кольцевой сети (рис. 4). Для такой сети достаточно сложно выполнить гидравлический расчет по традиционной ме- тодике [2].Рис. 4. Генплан квартала района Тху Дык [The general plan of the quarter Thu Duc District]29Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 4Таким образом, при проектировании водопроводных сетей необходимо учи- тывать площадь и конфигурацию территории, плотность населения, высоту зда- ний, нормы водопотребления и другие параметры, влияющие на гидравлический расчет водопроводных сетей (таблица).Необходимые параметры для проектирования сети водоснабжения [The required parameters for the design of water supply network]ТаблицаПараметрКвартал г. ХэмилтонКвартал г. ЛодиКвартал района Тху Дык г. ХошиминПлощадь, км2222Плоность населения, чел/км21 5001 70010 875Высота зданий, м4-74-74-22Норма водопотребления, л/сут224757210Длина тупиковых участков, м50-25050-20050-1 550Диаметр участков, мм100-160200-250100-150Минимальный требуемый напор, м1013,71Количество колец, шт.12184Максимальное расстояние до кольце- вой сети, м130125500Средняя ширина улиц с обочинами, м18-2815-255-14Из таблицы видно, что система водоснабжения района Тху Дык находится в наиболее неблагоприятном состоянии. Достаточно сложно управлять такой си- стемой водоснабжения и обеспечивать потребителей водой. Для гидравлическо- го расчета водопроводных сетей в этих агломерациях, необходимо иметь метод расчета, который позволял бы быстро получать реальную картину потокораспре- деления и давлений на участках сети.Сравнение существующих методов гидравлического расчетаПредлагается новая модель определения расчетной схемы района. Как видно из рис. 5, к транзитным трубопроводу присоединен фрагмент сети в узле 1 для снабжения водой нескольких потребителей. К этому узлу подключены несколь- ко разветвленных тупиковых участков.Гидравлический расчет разветвленной водопроводной сети. После трассировки распределительная водопроводная сеть разбивается на расчетные участки. На- чало и конец каждого участка нумеруются. Узлы на сети назначаются в точках подключения водоводов от насосной станции и от водонапорной башни, в местах отбора воды крупными водопотребителями и местах пересечений и ответвлений магистральных линий.Гидравлический расчет разветвленной водопроводной сети, позволяет опре- делить расход и напор воды на тупиковых участках, обозначенных штриховой линией (рис. 6).30Щербаков В.И., Нгуен Х.К. Принцип энергетического эквивалентирования для расчета сетей...Рис. 5. Схема подключения тупиковой сети [Wiring diagram for a stub network]Рис. 6. Расчетная схема разветвленной сети [A design scheme for a branched network]Гидравлический расчет кольцевой водопроводной сети. Расчет кольцевых водо- проводных сетей для всех колец и узлов сети должен удовлетворять следующим условиям: в каждом узле должен соблюдаться баланс расходов (первый закон Кирхгофа); в каждом кольце и по внешнему контуру сети суммарные потери на- пора должны быть равны нулю⎧⎪∑Q = 0,⎨⎪⎩∑h = 0.(1)По гидравлическому расчету кольцевой водопроводной сети, можно также определить расход и напор воды на каждом участке кольца, обозначенные штри- ховой линией на рис. 7.31Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 4Рис. 7. Расчетная схема кольцевой сети [A design scheme for a ring network]Совмещая два принципа расчета разветвленной и кольцевой водопроводной сети, возможно суммировать все расходы на ответвленных участках и отнести их к узлу 1 находящемуся на магистральной сети (рис. 8). Обычно потери напора не суммируются как расходы, а считаются как средняя величина для всех тупиковых участков. В таком случае количество расчетных участков на всей сети квартала значительно сокращается, а ко всем узлам магистральной сети присоединяются эквивалентные тупиковым участкам расходы. Предлагается для гидравлического расчета таких сетей использовать принцип энергетического эквивалентирования.Рис. 8. Схема подключения фиктивных участков к узлу [Wiring diagram for fictitious plots to the node]Принцип энергетического эквивалентирования. В узлах магистральной сети (энергоузлах) при заданных напорах в исследуемом фрагменте водопроводной сети моделируется невозмущенное состояние расчетной зоны (РЗ). Формирова- ние полноразмерной гидравлической системы (ПГС) на основе РЗ с фиксиро- ванными узловыми потенциалами переводит задачу анализа возмущенного со- стояния в область определения с последующей трансформацией структурного графа ПГС в его аналог - МПГС (модель полноразмерной гидравлической си- стемы), позволяет получить упрощенный вид сети (рис. 9) [1].32Щербаков В.И., Нгуен Х.К. Принцип энергетического эквивалентирования для расчета сетей...Рис. 9. Расчетная схема эквивалентных участков [The design scheme is equivalent plots]Обозначив множество тупиковых участков как фиктивные линии подсистемы, можно значительно упростить всю схему расчета полноразмерной гидравлической системы [4]mz N psi Qijmz Q jэα α∑∑ ∫ Sij Qij dQij = ∑ ∫ S jэQ jэdQ jэ ,(2)j =1 i =1 0j =1 0где Npsi - множество участков подсистемы, отнесенных к ЭУj расчетной зоны; Sij, Qij - коэффициент гидравлического сопротивления и расчетный расход участка i из множества Npsi; Sjэ, Qjэ - то же для эквивалентного участка j; mz - множество энергоузлов.Условие (2) устанавливает адекватность подобного преобразования, позволяя определить гидравлические характеристики фиктивных линий, т.е. расходы и потери напора на всех участках системы.Сравнение планировок жилых кварталов г. Лоди, г. Хэмилтон и г. Хошимин позволяет заключить, что кольцевые сети водоснабжения имеют значительное количество примерно однотипных тупиковых участков, что усложняет гидрав- лический расчет и определение оптимальных параметров потокораспределения при этом обеспечивая требуемый расход и напор непосредственно у потребителей.Применение принципа энергетического эквивалентирования позволяет упро- стить гидравлический расчет системы водоснабжения города, имеющего высокую плотность населения и хаотичную застройку, что приводит к совершенствованию управления и сокращению расходов на эксплуатацию водопровода.

Об авторах

Владимир Иванович Щербаков

Воронежский государственный технический университет

Email: scher@vgasu.vrn.ru
Московский пр-т, 14, Воронеж, Россия, 394026

Хюн Кыонг Нгуен

Воронежский государственный технический университет

Email: hcuongsgvn2003@gmail.com
Московский пр-т, 14, Воронеж, Россия, 394026

Список литературы