В ранее опубликованных работах [1, 2, 3] аналитическим путем с использованием аппарата теории случайных процессов доказано, что кольцевая водопроводная сеть, запроектированная в полном соответствии с действующим СНиПом 2.04.02-84 не гарантирует надежное водоснабжение потребителя водой. Возражения автора соответствующих разделов СНиПа [4] базируется на общих положениях, утвердающих, что на практике имеются отклонения в выполнении положений СНиПа, которые и являются причинами низкого качества работы кольцевых водопроводных сетей. Дело в том, что недостатки СНиПа, о которых указывалось в упомянутых работах, носят принципиальный, основополагающий характер, приводящие к проектированию кольцевых водопроводных сетей низкой надежности - потребитель в таких сетях более месяца в течение года может нормально не получать воду. Естественно такая водопроводная сеть потребителей не удовлетворяет, и поэтому реальные водопроводные сети проектируют, руководствуясь интуицией и здравым смыслом. Найти на практике водопроводную сеть, созданную в соответствии с действующим СНиПом, невозможно, что уже неоднократно отмечалось. Скорости движения воды в трубах реальных водопроводных систем в 2-4 раза меньше рекомендуемых в нормативных документах и научных разработках. Таким образом, создается избыточность пропускной способности водопроводной сети, которая на практике обеспечивает необходимую надежность подачи воды.

      Анализ кольцевой водопроводной сети (см. рисунок), запроектированной в полном соответствии со СНиПом 2.04.02-84 позволяет убедительно продемонстрировать недостатки существующего СНиПа. В соответствии с пунктом 8.46 СНиПа диаметры участков в технико-экономическом расчете назначались с учетом предельных расходов q, определенных решением уравнения, в котором сопоставляли единичные приведенные затраты для двух труб смежных по сортаменту диаметров.

      где:

• С₁ и С₂ - стоимости 1 км. уложенного в грунт трубопровода смежных диаметров;
• Р - сумма коэффициентов эффективности капиталовложения и учета затрат на амортизацию, текущий и капитальный ремонты;
• - стоимость 1 квт·ч электроэнергии;
• _нер - отношение среднего для расчетного периода расхода воды, подаваемого насосами по данному трубопроводу, к расчетному наибольшему;
• = 1000 кг/м3 - удельный вес воды;
• q - расход воды в м³/с;
• h₁ и h₂ - потери напора в трубопроводах смежных диаметров длиной в 1 км, в м;
• - коэффициент полезного действия насосного оборудования;
• Т - время работы трубопроводов в течение года.

      Диаметр перемычки принимался равный диаметру подводящей к ней воду магистрали.

      В соответствии с требованием существующего СНиПа была проведена проверка условия функционирования запроектированной водопроводной сети на аварийные отключения. Выполнена серия расчетов, в каждом из которых отключался один участок. Расчеты проведены на персональном компьютере по программе гидравлического расчета с нефиксированными узловыми отборами, т. е. при Н_р < Н_тр, узловой отбор

      где: Н_р и Н_тр - соответственно расчетный и минимальный требуемые свободные напоры в узле, а_нефикс и а_фикс - нефиксированный и фиксированный узловые отборы.

      В результате выполненной серии расчетов было установлено, что при выключении участка 17 в узлах 6, 19 и 20 свободные напоры оказались ниже 10 м, что не допускается действующим СНиПом. После увеличения диаметра 17-го участка на один сортамент во всех узлах при отключении любого участка свободный расчетный напор был 10 м и более. Следует отметить, что в практике проектирования проверка на аварийное отключение участка обычно не выполняется. Однако, как свидетельствует опыт таких расчетов, их результаты часто позволяют выявить условия, при которых нарушаются требования СНиПа к надежности водоснабжения.

      В табл. 1 представлены результаты серии гидравлических расчетов с нефиксированными узловыми отборами на надежность подачи воды потребителям при одном отключенном участке. В этих расчетах условия работы насосной станции были заданы характеристикой 3-х параллельно работающих насосов Д 2000-100, которые при исправной водопроводной сети обеспечивают нормальное давление во всех узлах, а в диктующем - равенство расчетного и минимального требуемого напора (26 м).

      В связи с тем, что при отключении участка из водонапорной башни в сеть поступало воды больше, чем рассчитывалось, и, следовательно, бак опорожнится раньше, чем предусматривалось, гидравлический расчет с отключенным участком выполнялся при пустом баке водонапорной башни, т.е. когда из него вода в сеть не поступает.

      Как очевидно из табл. 1, запроектированная водопроводная сеть полностью отвечает требованиям СНиПа 2.04.02-84 к надежности водоснабжения. В соответствии с пунктом 8.6 СНиПа при выключении одного участка снижение расчетного расхода не превышает 30% (в нашем случае 7,1%, см. графу 2 табл. 1) при этом свободный напор должен быть не менее 10 м (в нашем случае недостаток напора по сравнению с минимальным требуемым (26 м) не превышает 16 м).

      В то же время анализ результатов расчета (табл. 1) показали, что для данной кольцевой сети время нормального обеспечения потребителя водой в течение года (Т_н) совпадает со временем функционирования за этот же период полностью исправной сети, (Т₀), т. е. Т_н = Т₀, т. к. отключение любого участка водопроводной сети приводит к понижению напора более минимального требуемого (26 м) в узлах 11 и 24. Рассматриваемая водопроводная сеть содержит 32,43 км трубопроводов, при частоте отказа  = 1 1/(км·год) и времени восстановления или ремонта - 1 сут в узлах 11 и 24 потребитель за год более месяца не будет нормально получать воду, в то время как водопроводная сеть запроектирована в полном соответствии с действующим СНиПом и никаких нарушений при ее проектировании не допущено. Если же частота отказов будет более 1 1/(км·год), а время ремонта свыше 1 сут, что нередко наблюдается на практике [6], то время, в течение которого потребитель не будет обеспечиваться нормально водой, будет значительно больше месяца. Какие еще нужно доказательства недостатков соответствующих разделов СНиПа 2.04.02-84?.

      Естественно такой низкий уровень надежности населения не удовлетворяет, поэтому при проектировании кольцевой водопроводной сети руководствуются не требованиями СНиПа, а здравым смыслом и опытом. Как свидетельствует практика, обычно надежность водоснабжения в кольцевых сетях обеспечивается за счет увеличения диаметров труб по сравнению с научно рекомендуемым.

      Так, в г.Зеленограде, водопроводную сеть, которую проектировали опытные столичные организации, скорость движения воды в трубах значительно меньше рекомендуемых [3]. Можно привести множество аналогичных примеров. Такой путь обеспечения надежности не единственный возможный и далеко не самый экономичный. В работе [7] предложено на водопроводных насосных станциях устанавливать оперативный резерв насосного оборудования для компенсации возможного появления в сети дополнительного гидравлического сопротивления и поддержания нормального давления у потребителя. Принцип использования оперативного резерва в аналогичных условиях широко используется в энергетике и близких по технологии отраслях техники.

      В табл. 2 представлен результат использования оперативного резерва насосного оборудования для повышения надежности водоподачи рассматриваемой водопроводной сети (см.рисунок). В период максимального водопотребления при полностью исправной водопроводной сети на насосной станции работает 3 насоса, и обеспечивают нормальное водоснабжение во всех узлах. При отключении одного участка в некоторых узлах давления для нормального водоснабжения не хватает, а в узлах 11 и 24 такое положение наблюдается при отключении любого участка водопроводной сети (табл. 1). При включении насосов оперативного резерва на выходе из насосной станции давление возрастает. Это происходит вследствие того, что количество воды, перекачиваемой каждым насосом, уменьшается, и рабочая точка на характеристике насоса перемещается в более высоконапорную ее часть..

      Очевидно, что в зависимости от того, какой участок выключен для ремонта, может потребоваться включить либо один, либо два насоса оперативного резерва.

      На практике этим приемом часто пользуются эксплуатационники, используя в качестве оперативного резерва насосы, устанавливаемые по требованиям СНиПа в качестве резервных на насосных станциях. В этом случае насосная станция работает без резерва оборудования, что сказывается на ее надежности функционирования.

      Установка насосов оперативного резерва для обеспечения необходимой надежности несравненно дешевле, чем создание избыточности в пропускной способности труб, путем увеличения их диаметр. Этим же приемом можно пользоваться для обеспечения давления не ниже 10 м, как это требует СНиП, при отключении одного участка для ремонта..

      Значения показателей в табл.2 определены с использованием аппарата теории случайных процессов, что позволило выделить период, в течение которого в водопроводной сети одновременно отключены два и более участка (Т_а). Априори принято, что в этот период в водопроводной сети давление падает ниже 10 м, и она находится в неработоспособном состоянии.

Выводы:

      На конкретном примере доказано, что кольцевая водопроводная сеть, запроектированная в полном соответствии с действующим СНиПом, может оказаться ненадежной. Такое положение порождено несовершенством соответствующих разделов существующего СНиПа, в котором отсутствуют интервальные показатели надежности, устанавливающие суммарное время работы объекта с пониженным уровнем качества функционирования.

      В СНиП 2.04.02 следует включить требование устанавливать на насосных станциях оперативный резерв насосного оборудования, что позволяет экономным путем обеспечивать высокую надежность водопроводной системы..

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

[1] - Гальперин Е. М. Надежность функционирования кольцевой водопроводной сети // Водоснабжение и сан. техника. № 4, 1987.

[2] - Гальперин Е. М. Определение надежности функционирования кольцевой водопроводной сети // Водоснабжение и сан. техника. № 6, 1989.

[3] - Гальперин Е. М. Методика расчета кольцевых СПРВ и соответствующие разделы СНиПа 2.04.02-84 не отражают реальность и требования жизни // Водоснабжение и сан. техника. № 8, 1996.

[4] - Мошнин Л. Ф. Ускорить корректировку нормативов по проектированию и эксплуатации систем водоснабжения // Водоснабжение и сан. техника. № 8, 1996.

[5] - Кожинов И. В., Колесов В. В., Майзелье М. П., Эгильский И. С. Наладка и интенсификация работы городских систем подачи и распределения воды. - М.: Стройиздат. 1978.

[6] - Митянин В. М. Исследование причин повреждений трубопроводов в городских системах водоснабжения. // Водоснабжение и сан. техника. № 2, 1979.

[7] - Гальперин Е. М. Надежность и экономичность кольцевых водопроводных сетей // Водоснабжение и сан. техника. № 5, 1991.