CC BY
26
Оригинальная статья / Original article УДК 628.144.2
DOI: https://d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2019-4-790-803
Оптимизация параметров новых и реконструируемых систем подачи и распределения воды с учетом бесперебойного водоснабжения потребителей
© В.Р. Чупина, А.С. Душинь
аИркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия ьООО «Сетевая компания «ИРКУТ», г. Иркутск, Россия
Резюме: Системы подачи и распределения воды являются важнейшими сооружениями в инфраструктуре современного города. От состояния, эффективности и надежности функционирования данных систем зависят здоровье и благополучие населения. Содержание в исправном состоянии, обеспечение надежности функционирования систем подачи и распределения воды требуют значительных финансовых вложений. Вопросы повышения надежности обеспечения потребителей водой и создание условий для устойчивой работы элементов систем подачи и распределения воды являются актуальными и требуют безотлагательных решений. Цель настоящей работы - на основе моделей функционирования систем водоснабжения усовершенствовать методику оптимизации параметров систем подачи и распределения воды с учетом требований надежности обеспечения потребителей водой. Предложена методика повышения эксплуатационной надежности систем подачи и распределения воды на основе оптимизации резервирования и реконструкции существующих участков систем подачи и распределения воды. Сущность предлагаемой методики заключается в том, что по вариантам безаварийного и аварийных режимов работы систем подачи и распределения воды (при ординарном потоке отказов) по каждому часу рассчитывается потокораспределение. Определяются показатели надежности обеспечения водой каждого потребителя. С помощью мероприятий (изменение диаметров на участках сети, напора насосных станций, устройства перемычек) показатели надежности доводятся до уровня нормируемым значениям. Таким образом, определяется структура и параметры систем подачи и распределения воды, обеспечивающие надежность водоснабжения потребителей при любых авариях и нарушениях в сети. Полученные на основе разработанной методики структуры и параметры систем подачи и распределения воды, по сравнению с применением существующей методикой проектирования, обеспечивают требуемые показатели надежности снабжения потребителей водой. Обосновывается технико-экономическая эффективность предлагаемой методики.
Ключевые слова: водоснабжение, система подачи и распределения воды, нефиксированный отбор воды, вероятностный характер водопотребления и возникновения аварийных ситуаций, вероятность безотказного снабжения потребителей водой, коэффициент готовности обеспечения потребителей водой, оптимизация работы системы подачи и распределения воды
Информация о статье: Дата поступления 02 сентября 2019 г.; дата принятия к печати 01 октября 2019 г.; дата онлайн-размещения 31 декабря 2019 г.
Для цитирования: Чупин В.Р., Душин А.С. Оптимизация параметров новых и реконструируемых систем подачи и распределения воды с учетом бесперебойного водоснабжения потребителей. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2019;9(4):790-803. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2019-4-790-803
Parameter optimisation for new and reconstructed systems of water supply and distribution for ensuring consumer's uninterrupted water supply
Victor R. Chupin, Aleksey S. Dushin
Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia LLC "Network company" IRKUT», Irkutsk, Russia
Abstract: Water supply and distribution systems are the most important structures in the infrastructure of a contemporary city. The health and well-being of the population largely depends on the state, effectiveness and reliability in the functioning of these systems. Maintenance in good condition and ensuring the reliability of the functioning of the water supply and distribution systems requires significant financial investments. The
Том 9 № 4 2019
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 790-803 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 9 No. 4 2019 _pp. 790-803
ISSN 2227-2917 790 (pR|NT)
' 90 ISSN 2500-154X (ONLINE)
issues of increasing the reliability in providing consumers with water and creating conditions for the stable operation of water supply and distribution system elements appear to be relevant and require urgent solutions. Based on functioning models of the water supply systems, the aim of this work involves the improvement of the methodology for optimising the parameters of water supply and distribution systems with the consideration of the reliability requirements for providing consumers with water. A technique is proposed for increasing the operational reliability of water supply and distribution systems, based on optimising the reservation and reconstruction of existing sections in water supply and distribution systems. The essence of the proposed method consists of the flow distribution calculated for each hour for every option of trouble-free and emergency operation in the water supply and distribution systems (with an ordinary flow of failures). The reliability indicators of water supply for each consumer are determined. With the aid of measures (changing diameters on network sections, pressure of pumping stations, jumper devices), reliability indicators are brought to the level of normalised values. Thus, the structure and parameters of water supply and distribution systems are determined ensuring the reliability of consumer's water supply in the case of any accidents and violations in the network. In comparison with the application of the existing design methodology, the structures and parameters of water supply and distribution systems obtained on the basis of the developed methodology provide the required reliability indicators of consumer's water supply. The technical-and-economic efficiency of the proposed methodology is substantiated.
Keywords: water supply, water supply and distribution system, non-fixed water selection, probabilistic nature of water consumption and occurrence of emergency situations, probability of trouble-free water supply to consumers, availability factor of water supply to consumers, optimization of the water supply and distribution system
Information about the article: Received September 02, 2019; accepted for publication October 01, 2019; avail-able online December 31, 2019.
For citation: Chupin VR, Dushin AS. Parameter optimisation for new and reconstructed systems of water supply and distribution for ensuring consumer's uninterrupted water supply. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2019;9(4):790-803. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2917-2019-4-790-803
Введение
Системы подачи и распределения воды (СПРВ) являются важнейшими сооружениями в инфраструктуре современного города, от состояния, эффективности работы и надежности функционирования которых зависят здоровье и благополучие населения [1-4]. Поэтому вопросы повышения надежности обеспечения потребителей водой и создание условий для устойчивой работы элементов СПРВ являются актуальными и требуют разработки соответствующего методического и программного обеспечения. Проведенный анализ существующих СПРВ указывает, что многие системы на сегодняшний день не отвечают требованиям надежности управляемости и экономичности. Главными причинами являются недостаточно обоснованные на проектном уровне решения по выбору структуры и параметров сетей и сооружений систем водоснабжения. Существующие методы расчета СПРВ, разработанные на основе СП 31.13330.20121, учитывают лишь детерминированные нормы пониженного снабжения потребителей водой при выходе из строя участка сети и не учитывают стохастическую природу возникновения аварийных ситуаций, водопотребления, требований по допустимым пределам снижения нормального снабжения водой потребителей и др. показатели надежности. Кроме этого, параметры СПРВ подбираются на режим максимального водопотребления (пиковые нагрузки) в безаварийном режиме эксплуатации. Однако, практика эксплуатации СПРВ показала, что вероятность возникновения максимальных нагрузок, время их действия очень малы по сравнению с общим временем работы системы за ее жизненный цикл. Очевидно, расчет системы СПРВ на максимальные нагрузки влечет за собой завышение ее параметров, нерациональное использование материальных и энергетических ресурсов (омертвление капиталовложений) и, как следствие, не обеспечивается «гибкость» управления и эффективность эксплуатации. Не учет вероятности возникновения аварийных ситуаций при оптимизации СПРВ по критерию приведенных расчетных затрат приводит к вырождению структуры сети в виде дерева с перемычками, имеющими минимальные диаметры. В итоге, при аварии на каком-либо из участков сети, система СПРВ не в состоянии обеспечить потребителей водой в требуемом количестве.
Для бесперебойной транспортировки воды потребителям структура сети должна быть такой, чтобы СПРВ могла функционировать не только в нормальных условиях, но и при любой аварийной
1 СП 31.13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения
Том 9 № 4 2019 ISSN 2227-2917
с. 790-803 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) Vol. 9 No. 4 2019 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2600-164X pp. 790-803_(online)
ситуации. Для формирования такой структуры заложить в проект резервные мощности, которые позволили бы в аварийных ситуациях обеспечивать заданный уровень надежности2. Резервирование потребует дополнительных и даже существенных затрат. Возникает задача их минимизации, в связи с чем возникает необходимость в развитии существующей методики оптимизации СПРВ.
Цель исследования - на основе моделей функционирования систем водоснабжения с учетом вероятностной природы водопотребления и возникновения аварийных ситуаций усовершенствовать методику оптимизации параметров СПРВ с учетом требований надежности обеспечения каждого потребителя водой в требуемом количестве.
Методы
Идея предлагаемой методики заключается в следующем. Каждый из анализируемых вариантов СПРВ (существующий, новый или реконструируемый) подвергается анализу на предмет обеспечения требований надежности с учетом вероятности водопотребления и возникновения аварийности сети. В случае не выполнения показателей надежности решается задача оптимального резервирования за счет устройства дополнительных перемычек и параллельных участков сети. Затем снова полученная структура сети подвергается оценки надежности и т.д., пока не будет происходить изменение в резервировании СПРВ.
В табл. 1 приведена статистическая вероятность объемов потребления холодной воды группой жилых домов (с населением 9680 чел.), обслуживаемых ООО «Восточное управление ЖКС» г. Иркутска за период с 1 июня по 31 декабря 2014 г. Например, расход 43 м3/ч в 2 ч ночи имеет вероятность 36%, а в 7 ч утра - уже 3%. На основе данных, приведенных в табл. 1, определяются статистические параметры: математические ожидания отборов воды, среднеквадратические отклонения отборов воды по каждому часу. В работах [5-9] подробно изложена методика расчета этих параметров.
Таблица 1
Гистограмма отборов воды группой жилых домов
Table 1
_Histogram of water withdrawals by a group of houses_
Рас Вероятность потребления воды, %, по часам суток
ход
воды, м /ч о OJ со -fr ю CD CO CO о - OJ со -fr ю CD со СП о OJ eg CN CN со CN
со со о о о - о о о о о о
со со - о - OJ о - о - -fr OJ - -
со - - CN -fr со OJ со со -fr ю ю со со - - -
со - -fr -fr -fr со о со СП OJ со со со -fr ю со -
со со CN Ю CO CO со ю OJ OJ -fr со со ю СП СП ю со
со со Ю ej CO CO ^ со OJ о со CN CN СП OJ ю со ю со -fr OJ со eg ^ -fr
со ю о - - -fr CO CO CO -fr CO CN со OJ о OJ о OJ со OJ со со CN со OJ со OJ OJ -fr со со со ej со со
со ю OJ -fr -fr -fr -fr СП CN о CN CN CO CO со OJ со СП OJ OJ eg со со со о OJ со OJ -fr ej СП CN
со ■t со СП со со CD CO CO со о OJ со о ю со - о - OJ со со СП со -fr
со -fr -fr OJ о OJ со со со OJ со CN CO о о - о о - - о CN
со со со -fr со СП OJ ю -fr CD ю -fr -fr - о со
со со со со со -fr
со OJ -fr -fr - -
Математическое ожидание отборов воды по часу t:
_ k
Q = IQ
int=1
где k — количество интервалов разбиения возможного потребления воды; Qt,
int — отбор воды в соответствующем интервале по часу t, м3/ч; ptint — вероятность возникновения данного расхода в интервале по часу t.
2Алексеев М.И., Ермолин Ю.А. Надежность сетей и сооружений систем водоотведения: учеб. пособие. М.: АСВ, 2015. 200 с. ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
Том 9 № 4 2019
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 790-803 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 9 No. 4 2019 _pp. 790-803_
ISSN 2227-2917 7Q9 (PRINT)
' 92 ISSN 2500-154X (ONLINE)
Среднеквадратическое отклонение отборов воды по часу t:
,t =л Z (Qt,int - Qt)2 Pt,int •
int =1
Результаты расчета математических ожиданий и среднеквадратических отклонений отборов воды по каждому часу приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчета математического и среднеквадратического отклонения
отборов воды
Table 2
The results of the mathematical calculation and the standard deviation water sampling
T Часы суток
CD S S X <я CD Œ X О
£ 55 k ° О ч о CQ о сч fi ю to I-«. 00 а» о сч fi ю to I-«. 00 о о сч сч сч сч f> С4
Qt ю ю 5 OJ ■t со со ю ю со ю со о со со OJ со eg со со со CSD со со ю со ■t eg аэ ■t ю со eg со eg со
со со со СО со со со со со о ю со ю ю со ю со ю ю ю аэ ю со ю о со eg со ■t со СО со о со аэ ю аэ ю ю аэ ■t
■t со eg ю со о со о о со со со со ю ю о со OJ о 5 о со аэ со аэ со аэ аэ ■t аэ со eg со eg
ю ю со ю ю со со со со со со аэ аэ
Основные аспекты вероятностного моделирования отборов воды и возникновения аварийных ситуаций изложены в работах [10-12]:
Распределение отборов воды по узлам для каждого часа t будем рассматривать только в пре-
— 3
делах трехкратного среднеквадратического отклонения «3 сигма»: Qt -- нижний предел, м /ч;
Qt + t - верхний предел, м3/ч; Qср - средний отбор воды в течение суток, м3/ч.
На рис. 1 представлен диапазон возможных нагрузок потребления воды, на рис. 2 - изменения нагрузок потребления воды по сечениям.
Рис. 1. Диапазон возможных нагрузок потребления воды группой жилых домов по городу Иркутску за исследуемые сутки Fig. 1. Range of possible loads of water consumption by the group residential buildings
in the city of Irkutsk for the studied day
Том 9 № 4 2019 ISSN 2227-2917
Рис. 2. Изменения потребления воды группой жилых домов по городу Иркутску за исследуемые сутки по сечениям Fig. 2. Changes in water consumption by a group of houses in the city of Irkutsk for the studied day by section
На рис. 3 представлена схема водоснабжения, содержащая 6 узлов, 7 участков. Каждый узел представляет собой группу потребителей с отборами воды, указанными в табл. 1.
Рис. 3. Кольцевая схема системы водоснабжения Fig. 3. Ring scheme of water supply system
Принимаем время восстановления трубопровода Твс=24 ч; = 8760/24 = 365;
1 = 0,064 • D-0,8,
где D - диаметр трубопровода, м.
Результаты вычисления вероятности нахождения сети в безаварийном состоянии (стационарной вероятности рабочего состояния сети р0) и вероятности нахождения сети при отключении участков (ординарный поток отказов рав) представлены в табл. 3.
Адаптируя методику оценки надежности тепловых сетей [12] под нужды водоснабжения, авторами предлагается усовершенствование методики оптимизации резервирования и реконструкции существующих участков систем водоснабжения с учетом требований надежности обеспечения потребителей водой.
В основе методики оптимизации СПРВ лежит методика оценки надежности обеспечения потребителей водой вероятностными показателями, предложенная авторами в работах [10, 11]: Коэффициент готовности к обеспечению расчетного водоснабжения }-го потребителя; Вероятность безотказного снабжения }-го потребителя водой.
ISSN 2227-2917 Том 9 № 4 2019 794 (PRINT) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 790-803 ' 94 ISSN 2600-164X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 9 No. 4 2019 _(ONLINE)_pp. 790-803
Таблица 3
Результаты вычисления вероятности нахождения сети в безаварийном состоянии и вероятности нахождения сети при отключении участков
Table 3
Results of calculating the probability of finding the network in an accident-free state _and the probability of finding the network when disconnecting sections_
Отключаемые участки L, м D, мм Л ЛТ Y 1+ y Pee=Y/n(1+ Y)
1-2 1500 300 0,1677 0,2515 365 0,00069 1,00069 0,00068
2-3 1500 200 0,2319 0,3479 365 0,00095 1,00095 0,00095
4-3 1500 200 0,2319 0,3479 365 0,00095 1,00095 0,00095
1-4 1500 300 0,1677 0,2515 365 0,00069 1,00069 0,00068
4-5 1500 200 0,2319 0,3479 365 0,00095 1,00095 0,00095
3-6 1500 200 0,2319 0,3479 365 0,00095 1,00095 0,00095
5-6 1500 200 0,2319 0,3479 365 0,00095 1,00095 0,00095
П(1+ Y) 1,00616
ро=1/П(1+ Y) 0,99388 0,00611
Коэффициент готовности к обеспечению расчетного водоснабжения j-го потребителя
п 1 24 С п \
к1 = П О+у )-1 • - / ^ [(0,5 ±ф(-3+а/ 3))+!у •(0,5 ±ф(-3+а/3)^
0 нефикс лтреб
] ,а,,г = У] ,а,,г
Вероятность безотказного снабжения j-го потребителя водой
(
Pj = exp
n n f 1 24
П (1 + ^ )"1 "I - e z, • lt •( T • 2- (1 - ( 0,5 ± Ф (-3 + «73 )))
i = 1 V ^^ i = 1
где у. = и .. ; I, - длина участка / трубопровода, км; А, - интенсивность отказа на участке /,
1/(км*год); д - интенсивность восстановления участка /, 1/год; as - сечения а.; - 0, ....,18; Т - продолжительность исследуемого периода, г; Ф(Х) - функция Лапласа (табличные величины).
Задача состоит в обосновании мероприятий, обеспечивающих выполнение требований СП 31.13330.2012 к надежности водоснабжения [13, 14].
При ее решении необходимо выполнение двух следующих условий:
- удовлетворение нормативным значениям вероятностных показателей надежности;
- обеспечение потребителей аварийной нормой воды во время восстановления отказов на участках резервируемой части сети.
Для каждого узла-потребителя расчетной схемы сети:
К1 ^КГ(нр) ; Р ^Рнорм); ] =1 ^ V?,
У]
где Кг (норм) = 0,99178 Р. (норм ) = 0,99998
Вероятностные показатели К и Р, а также детерминированный показатель(р™ , отражают
специфику резервирования водопроводной сети и позволяют организовать рациональный алгоритм построения ее структуры, удовлетворяющей требованиям надежности.
В нерезервированной водопроводной сети значения К выше, чем для тех же потребителей в сети с резервированием, а значения Р) - ниже.
При резервировании водопроводной сети:
- значения Р) увеличиваются;
- значения К уменьшаются, так как на расчетное водоснабжение потребителей влияет большее число элементов водопроводной сети (не только элементы, входящие в путь водоснабжения потребителя, но и элементы связанной с ним кольцевой части сети);
- при Р<Р(норм) объем резервирования должен увеличиваться до тех пор, пока Р) не достигнут нормативного значения, а К своего норматива еще не нарушат.
Том 9 № 4 2019 ISSN 2227-2917
Таким образом,
если в тупиковой сети Р>Р(норМ), резервирования сети не требуется,
если Pj<P(HopM), необходимо определить объем резервирования, обеспечивающий нормативные значение показателей Pj.
Если в водопроводной сети без резервирования (а также при увеличении объема резервирования сети) значения K оказываются меньше нормативного, это значит, что масштабы системы завышены и необходимо уменьшить радиус действия и общую длину сети от данного источника — либо введением дополнительного источника, либо переключением части потребителей на другие источники.
Рекомендации по обеспечению надежности водопроводных сетей [12, 15—17]
Расчет показателей надежности водоснабжения потребителей, их доведение до нормативных значений и обоснование требуемого объема резервирования водопроводных сетей выполняется с принятием ряда определенных решений на каждом этапе расчета. Рекомендации по обеспечению надежности водоснабжения потребителей разрабатываются в том случае, если расчетные значения показателей надежности для существующего состояния системы не соответствуют нормативным требованиям. Разработка выполняется в следующей последовательности:
1. На основе анализа характеристик надежности выявляются элементы сети с высокими значениями параметра потока отказов и времени восстановления. Для расчетов показателей надежности и выбора объема резервирования сети характеристики надежности элементов следует принимать с учетом принятых предложений, поскольку недопустимо низкий технический уровень сети компенсировать ее резервированием.
2. Разрабатываются рекомендации по улучшению характеристик надежности этих элементов (замена участков, повышение технической оснащенности АВС, увеличение численности ремонтного персонала, секционирование системы).
3. Рассчитываются новые значения показателей надежности водоснабжения потребителей, сравниваются с нормативными, проверяется выполнение условий
Kj — Кцнсм); Р - Р норм); k = J — Р?.
qj
4. Если нормативные значения не достигнуты, разрабатываются рекомендации по повышению значений показателей надежности в зависимости от того, какие из условий
— q ,
К^Кцнорм); Pj> Р(норм); q, k =-j- — V нарушаются.
' qJ
Одним из основных мероприятий (в случае если при выполнении условий Kj > КГ(норМ) все или часть условий Pj > Р(норм) не выполняются), является введение или увеличение объема резервирования сети путем устройства аварийных перемычек, дублирования участков сети, увеличения диаметров водопроводов, увеличения располагаемого напора на насосных станциях. Диаметры перемычек следует выбирать по наибольшему диаметру смежных участков сети. Для вариантов резервирования моделируются и рассчитываются послеаварийные гидравлические режимы, соответствующие отказам элементов кольцевой части сети, и проверяется, обеспечиваются ли потребители во время лик— q k
видации отказов нормой аварийной подачи воды q k — pk. Выполнение ограничений
J qJ
— q k
q k =-^JL- — pk означает, что диаметры реконструируемых существующих и новых проектируемых
J qp
участков сети и располагаемый напор на насосных станциях достаточны. Если выполняются не все
— q k
ограничения q k — pk, необходимо рассмотреть увеличение диаметров на некоторых участ-
J qJ
ках кольцевой части сети и, возможно, располагаемого напора на насосных станциях. Для «перекладки» в первую очередь выбираются участки с максимальными удельными потерями давления. Если в системе без резервирования или при увеличении объема резервирования кольцевой сети коэффициент готовности оказывается меньше нормативного (не выполняются условия Kj > КГ(норм)), а возможности замены участков и снижения времени восстановления исчерпаны, это значит, что масштабы системы завышены и необходимо уменьшать радиус действия и общую длину сети от данного источника. Это может быть достигнуто либо введением дополнительного источника, либо переключением части потребителей на другие источники.
5. Моделируется выполнение рекомендаций по повышению показателей надежности и вновь
ISSN 2227-2917 Том 9 № 4 2019 796 (PRINT) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 790-803 ' 96 ISSN 2500-154X Proceedings of Universales. Investment. Construction. Real estate Vol. 9 No. 4 2019 _(ONLINE)_pp. 790-803
полученные оценки показателей надежности сравниваются с нормативными значениями. Разработка рекомендаций, моделирование и анализ результатов выполняются последовательными итерациями до тех пор, пока будет найден оптимальный вариант программы мероприятий, позволяющий в перспективе повысить надежность водоснабжения потребителей до требуемого нормативами уровня. Окончательным решением должны стать мероприятия, обеспечивающие выполнение требований СП 31.13330.2012 к надежности водоснабжения с минимальными при этом приведенными затратами. Методика определения диаметров участков СПРВ
1) для определения диаметров участков в качестве расчетных принимаются, не максимально возможные отборы воды узлами j, а математические ожидания отборов узлами j в час максимального
—max
водопотребления Q. (наиболее вероятные отборы в час максимального водопотребления);
2) рассчитывается потокораспределение по вариантам безаварийного и аварийных режимов работы СПРВ по этим отборам, вычисляются расходы по участкам xmax;
3) по каждому рассчитанному варианту по расходам ХГ" на участках определяются диаметры
участков D, производится их фиксация;
4) по окончании расчета потокораспределения по вариантам по каждому участку образуется диапазон возможных значений диаметров [Dmin, ..., Dmax], принимаются наибольшие значения, т.е. Dmax;
Результаты и их обсуждение
Варианты вычисления диаметров участков СПРВ изложены на примере.
_ — . . m ax
Для получения нагрузки использованы данные табл. 1 и рис. 1 Q j - пиковая нагрузка каж-
3 -m ax
дого узла составляет ~ 88 м /час, а Q . - математическое ожидание отбора в час максимального
потребления каждого узла составляет ~ 64 м3/час, использована схема, указанная на рис. 3.
Рассмотрены комбинации по вычислению диаметров участков СПРВ по 3-м вариантам: Вариант 1 (существующий). Традиционным способом по максимально возможным отборам при максимальном режиме водопотребления (пиковые нагрузки) при безаварийном режиме работы СПРВ по начальному потокораспределению подбор диаметров участков СПРВ;
Вариант 2 (завышенный). По максимально возможным отборам при максимальном режиме водопотребления (пиковые нагрузки) при безаварийном и аварийных режимах работы по начальным потокораспределениям определение диаметров участков, их фиксация, выбор наибольших значений;
Вариант 3 (предлагаемый). По математическим ожиданиям отборов при максимальном режиме водопотребления при безаварийном и аварийных режимах работы по начальным потокораспределениям определение диаметров участков, их фиксация, выбор наибольших значений. Результаты вычисления диаметров участков СПРВ по вариантам представлены:
- вариант 1 (существующий) в табл. 4, ст. 2; табл. 7, ст. 3;
- вариант 2 (завышенный) в табл. 4, ст. 10; табл. 7, ст. 4;
- вариант 3 (предлагаемый) в табл. 5, ст. 10; табл. 7, ст. 5.
Таблица 4
Предварительное потокораспределение по максимальным нагрузкам в час максимального водопотребления при возможных отключениях участков
Table 4
Preliminary flow distribution for maximum loads in the hour of maximum water consumption in case of possible disconnections of sections
Наименование участков Значения отборов по отключаемым участкам, м3/ч
безаварийный 1-2 2-3 1-4 4-3 4-5 3-6 5-6 max
ст. 1 ст. 2 ст. 3 ст. 4 ст. 5 ст. 6 ст. 7 ст. 8 ст. 9 ст. 10
1-2 154 - 88 440 220 220 132 176 440
2-3 66 88 - 352 132 132 44 88 352
1-4 286 440 352 - 220 220 308 264 440
4-3 66 220 132 132 - 132 44 88 220
4-5 132 132 132 44 132 - 176 88 176
3-6 44 44 44 132 44 176 - 88 176
5-6 44 44 44 44 44 88 88 88
Том 9 № 4 2019 ISSN 2227-2917
Таблица 5
Предварительное потокораспределение по математическим ожиданиям отборов в час максимального водопотребления при возможных отключениях участков
Table 5
Preliminary flow distribution according to mathematical expectations of selections per hour of max_imum water consumption in case of possible disconnections of sections_
Наименование участков Значения отборов по отключаемым участкам, м3/ч
безаварийный 1-2 2-3 1-4 4-3 4-5 3-6 5-6 max
ст. 1 ст. 2 ст. 3 ст. 4 ст. 5 ст. 6 ст. 7 ст. 8 ст. 9 ст. 10
1-2 112 - 64 320 160 160 96 128 320
2-3 48 64 - 256 96 96 32 64 256
1-4 208 320 256 - 160 160 224 192 320
4-3 48 160 96 96 - 96 32 64 160
4-5 96 96 96 32 96 - 128 64 128
3-6 32 32 32 96 32 128 - 64 128
5-6 32 32 32 32 32 64 64 - 64
Для данного примера при вычислении капитальных затрат на строительство СПРВ по трем вариантам использован НЦС 81-02-14-20173. Нормативы цен на строительство участков СПРВ по каждому значению диаметра представлены в табл. 6.
Результаты вычисления диаметров участков по вариантам представлены в табл. 7
Таблица 6
Обоснование цены строительства участков СПРВ
Table 6
Justification of the cost of construction of sections of the water supply and distribution system
Диаметр, мм Глубина заложения, м Обоснование НЦС Норматив цены, тыс. руб/км
100 3 14-03-003-02 4 697,69
125 3 14-03-003-06 5 355,47
150 3 14-03-003-10 5 225,63
200 3 14-03-003-14 6 146,74
250 3 14-03-003-18 6 968,37
300 3 14-03-003-22 7 447,04
350 3 14-03-003-26 9 003,48
400 3 14-03-003-30 9 601,76
500 3 14-03-003-34 12 398,75
600 3 14-03-003-37 16 159,77
700 3 14-03-003-02 19 926,62
800 3 14-03-003-02 23 938,89
900 3 14-03-003-02 27 968,65
1000 3 14-03-003-02 36 783,03
1200 3 14-03-003-02 36 783,03
Надежность водоснабжения потребителей представлена узловыми показателями.
Распределение коэффициента готовности к обеспечению расчетного водоснабжения у-го потребителя К по вариантам представлено графически на рис. 4.
Распределение вероятности безотказного снабжения у-го потребителя водой Ру по вариантам представлено графически на рис. 5.
Согласно рис. 4 и 5 надежность обеспечения водой потребителей по предлагаемому варианту значительно выше, чем по существующему.
3НЦС 81-02-14-2017 Сборник № 14. Наружные сети водоснабжения и канализации._
ISSN 2227-2917 Том 9 № 4 2019 790 (PRINT) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 790-803 ' 98 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 9 No. 4 2019 _(ONLINE)_pp. 790-803
Результаты вычисления диаметров участков по вариантам The calculation results of diameters of the sections on options
Таблица 7 Table 7
Длина участка, км Диаметры по вариантам, мм
Показатель 1 2 3
(существующий) (завышенный) (предлагаемый)
ст. 1 ст. 2 ст. 3 ст. 4 ст. 5
участок 1-2 1,50 250 400 300
участок 2-3 1,50 150 400 300
участок 4-3 1,50 150 250 250
участок 1-4 1,50 300 400 300
участок 4-5 1,50 200 250 200
участок 3-6 1,50 125 250 200
участок 5-6 1,50 125 200 150
Капитальные затраты, тыс. руб. 62 587 83 786 70 243
Эксплуатационные затраты на электроэнергию, тыс. руб. г 349 148 193
Приведенные затраты З, тыс. руб. 7859 10201 8622
Размер ущерба Е, тыс. руб. 6,29 0 2,59
1
0,998 0,996 0,994 0,992 0,99 0,988 0,986
llllki
K1
существующий
K2
K4
КЗ узлы
завышенный предлагаемый
К5 Кб
нормируемый
Рис. 4. Распределение коэффициента готовности к обеспечению расчетного
водоснабжения j-го потребителя Kj Fig. 4. Distribution of the coefficient of readiness to provide settlement the water supply of the j-th consumer Kj
Рис. 5. Распределение вероятности безотказного снабжения j-го потребителя водой Pj Fig. 5. Probability distribution of trouble-free supply of j-th consumer with water Pj
Том 9 № 4 2019 ISSN 2227-2917
с. 790-803 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 799
Vol. 9 No. 4 2019 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X
pp. 790-803 (online)
Вычисление показателей эффективности по вариантам
Эффект предлагаемой методики можно оценить сравнением приведенных затрат при заданном уровне обеспечения надежности R (доведением показателей надежности до уровня нормируемым значениям путем изменения параметров сети, изменения эксплуатационных затрат) [17].
3 (R) + E (R) = 1 (E + fc) • K +
Сэ •
102 • КПДН
•ЕЕ б.
• H • о
a,t 11 a,t ' о
Е Е Е (Q7% - бфа:: )• оо
1+
t=1 j =1 a = 0
ЕЕЕбРОб • оо)
t=1 j =1 а = 0
где Е(Н) - ущерб от недоподачи воды потребителям, тыс. руб.; З(Н) - приведенные затраты к рассматриваемому промежутку времени, тыс. руб:
3(R) = (Е + /с) • К + Сэ • Эг ; ^ - доля отчислений на амортизацию, ремонт и обслуживание сети; К - капитальные затраты по прокладке участков сети при каждом а^варианте, руб. (определяются по нормативам цен строительства НЦС 81-02-14-2017); Е - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений (в строительстве ~ 12 %); - количество перекачиваемой воды на источнике при а-сечении по часу t, л/с; Нбt - высота подъема воды на источнике при а^сечении по часу t, м; Nдн - число дней работы в течении года, дни; с6- вероятность б - интервала; КПДнс - коэффициент полезного действия насоса, %; Сэ - тариф за электроэнергию, руб./кВтч.
Оптимальное значение соответствует минимуму функции min(З(R)+Е(R)) Для обеспечения потребителей водой с надежностью не ниже нормируемых значений (Р(норм)= 0,99998, К(норм) = 0,99178, обозначим R) необходимо при указанных капиталовложениях увеличивать эксплуатационные расходы (повышение установленной мощности электродвигателей насосов). Эффект от расчета сети по предлагаемому методу (в денежном, относительном выражении) можно получить путем сопоставления приведенных затрат по существующей и предлагаемой методикам. Результаты представлены в табл. 8 и на рис. 6.
Результаты вычисления приведенных затрат (З) по вариантам при заданной надежности обеспечения потребителей R
Results of calculation of the reduced costs (C) on options _at the given reliability of providing consumers R_
Таблица 8
Table 8
t=1 a = 0
Показатель Вариант
1 (существующий) 2 (завышенный) 3 (предлагаемый)
капитальные затраты К, тыс. руб. 62 587 83 786 70 243
К • Е, тыс. руб. 7 510,44 10 054,32 8 429,16
эксплуатационные затраты на электроэнергию, тыс. руб. год 1 739 148 238
приведенные затраты З(R), тыс. руб. (показатель эффективности) 9 249 10 202 8 667
Приведенные затраты З(R) при заданном уровне надежности R, тыс. руб., по вариантам представлен на рис. 6.
10 ООО
<¿ 8 000 о.
и
J 60Ю
ST
4 ООО 2 000
1 739
7510
10 054
238
8 429
существующий завышенный предлагаемый
варианты
■ капитальные затраты "эксплуатационные затраты
Рис. 6. Распределение приведенных затрат З(R) при заданном уровне надежности R по вариантам Fig. 6. Distribution of reduced costs C(R) at a given level of reliability R by variants
ISSN 2227-2917
(PRINT) ISSN 2600-164X (ONLINE)
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate
Том 9 № 4 2019
с. 790-803 Vol. 9 No. 4 2019 pp. 790-803
В данном случае эффект может составить 9 249 - 8 667 = 582 тыс. руб. в год (6,3%).
Предлагаемая методика позволяет разыграть варианты безаварийного и аварийных режимов работы СПРВ с учетом частоты их появления, определив показатели надежности К Pj, подобрать параметры сетей (диаметры), определить необходимость в строительстве перемычек, способных обеспечить качественным водоснабжением потребителей с оптимальными при этом затратами Па ^т'т при К > КГ(НорМ)', Ру > Р(н0рм) - оптимальный выбор параметров сети.
На основе предложенной методики составлен пример практической апробации на реальной сети г. Иркутска. Проведена оценка надежности водообеспечения потребителей, выявлены в плане обеспеченности водой наиболее уязвимые потребители, определены участки, оказывающие наибольшее влияние на качество обеспечения.
Выводы
Предлагаемая методика, по отношению к существующей, позволяет создать системы, обеспечивающие надежное водоснабжение каждого потребителя, в том числе удаленного, с более высокими показателями эффективности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ильин Ю.А. Расчет надежности подачи воды. М.: Стройиздат, 1987. 320 с.
2. Гальперин Е.М. Надежностные расчеты кольцевых водопроводных сетей // Водоснабжение и санитарная техника. 2003. № 3. С. 26-29.
3. Ступина Л.А., Чупин В.Р. Проблема нормирования надежности водоснабжения потребителей в задачах проектирования систем транспорта воды // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Киев: УМК ВО. 1989. С. 171-174.
4. Абрамов Н.Н. Надежность систем водоснабжения. М.: Стройиздат, 1979. 232 с.
5. Шопенский Л.А., Юрьева И.П. Построение расчетных графиков водопотребления // Водоснабжение и санитарная техника. 1985. № 11. С.25-27.
6. Шопенский Л.А. Аналитическое описание режимов водопотребления и построения расчетных графиков. Сб. научных трудов. Вып. I. М.: ОНТИ ЦНИИЭП инженерного оборудования, 1975.
7. Карамбиров С.Н. Математическое моделирование систем подачи и распределения воды в условиях многорежимности и неопределенности. Монография. М.: МГУП, 2004. 197 с.
8. Пугачев В.С. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Наука, 1979. 496 с.
9. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. 573 с.
10. Чупин Р.В., Душин А.С. Оценка надежности обеспечения потребителей водой // Водоснабжение и санитарная техника. 2017. № 12.
С. 35-44.
11. Чупин В.Р., Душин А.С. Оценка надежности обеспечения потребителей водой. Разработка показателей надежности водоснабжения потребителей // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2019. № 3 (30). С. 578-593.
12. Сеннова Е.В., Кирюхин С.Н. Методика и алгоритм расчета надежности тепловых сетей при разработке схем теплоснабжения городов. М.: ОАО «Газпром промгаз», 2013.
13. Дерюшева Н. Л., Дерюшев Л. Г. О нормировании надежности и производительности сооружений систем водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 11. С. 48-51.
14. Найманов А. Я. Особенности оценки надежности кольцевой водопроводной сети // Водоснабжение и санитарная техника. 2006. № 12. С. 11-16.
15. Чупин Р.В., Мелехов Е.С. Развитие теории и практики моделирования и оптимизации систем водоснабжения и водоотведения. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 323 с.
16. Чупин В.Р., Малевская М.Б. Выработка рекомендаций по минимизации последствий от аварийных ситуаций в системах водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. 1994. № 4. С. 8-9.
17. Чупин Р.В., Мелехов Е.С. Развитие теории и практики моделирования и оптимизации систем водоснабжения и водоотведения. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 323 с.
REFERENCES
1. Il in YuA. Calculation of reliability of water supply. Moscow: Stroiizdat 1987; 320 p. (In Russ.).
2. Galperin EM. Reliability Calculations for Ring Water Supply Systems. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika = Water Supply and Sanitary
Technique. 2003;8:26-29. (In Russ.). 3. Stupina LA, Chupin VR. The problem normiro-vaniya nadezhnosti vodosnabzheniya potrebitelei v zadachakh proektirovaniya, the system of transport vody. Metodicheskie voprosy issledovaniya
Том 9 № 4 2019 ISSN 2227-2917
nadezhnosti bol'shikh system energetiki = Methodological issues of reliability research of large energy systems. Kiev: UMK VO; 1989. p. 171-174 (In Russ.).
4. Abramov NN. Reliability of water supply systems. Moscow: Stroyizdat; 1979. 232 p. (In Russ.).
5. Shopenskii LA, lur'eva IP. Plotting of the calculated water consumption graphs. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika = Water Supply and Sanitary Technique. 1985;11:25-27. (In Russ.).
6. Shopenskii LA. Analytical description of the modes of water consumption and estimated construction schedules. Collection of scientific works. Iss. I. Moscow: ONTI TsNIlEP inzhenernogo obo-rudovaniya, 1975.
7. Karambirov SN. Mathematical modeling of water supply and distribution systems under multimode and uncertainty conditions. Moscow: MGUP, 2004; 197 c.
8. Pugachev VS. Probability theory and mathematical statistics. Moscow: Nauka, 1979; 496 p.
9. Kremer NSh. Probability theory and mathematical statistics. Moscow: YuNITI-DANA, 2004; 573 p.
10. Chupin VR, Dushin AS Assessment of the customer water supply reliability. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika = Water Supply and Sanitary Technique. 2017;12:35-44. (In Russ.).
11. Chupin VR, Dushin AS. Assessment of the reliability of water supply to consumers: water supply
reliability indicators. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitelstvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2019;9(3):578-593. (In Russ.).
12. Sennova EV, Kiryukhin SN. Method and algorithm for calculating the reliability of heat networks in the development of schemes teplosnabzheni-yagorodov. Moscow: OAO «Gazprom promgaz», 2013. (In Russ.).
13. Deryusheva NL, Deryushev LG. On standardization of reliability and capacity of water supply systems. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika = Water Supply and Sanitary Technique. 2011;11:48-51. (In Russ.).
14. Naymanov AYa. Features of Reliability Evaluation of Ring Water Supply System. Water Supply and Sanitary Technique. 2006;12:11-16. (In Russ.).
15. Chupin RV, Melekhov ES. Development of theory and practice of modeling and optimization of water supply and sanitation systems. Irkutsk: ISTU Publishing House, 2011; 323 p. (In Russ.).
16. Chupin VR, Malevskaya MB. Development of recommendations to minimize the consequences of emer-gencies in water supply systems. Water Supply and Sanitary Technique. 1994;4:8-9. (In Russ.).
17. Chupin VR, Malevskaya MB. Development of recommendations to minimize the consequences of emer-gencies in water supply systems. Water Supply and Sanitary Technique. 1994;4:8-9. (In Russ.).
Критерии авторства
Чупин В.Р., Душин А.С., имеют равные авторские права. Чупин В.Р. несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Сведения об авторах
Чупин Виктор Романович,
доктор технических наук,
профессор кафедры городского строительства
и хозяйства,
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия,
e-mail: chupinvr@istu.edu
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5460-4780
Contribution
Chupin V.R., Dushin A.S., have equal author's rights. Chupin V.R bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.
Information about the authors
Victor R. Chupin,
Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Urban Development and Municipal Economy, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia, e-mail: chupinvr@istu.edu ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5460-4780
ISSN 2227-2917 Том 9 № 4 2019 802 (PRINT) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 790-803 802 ISSN 2600-164X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 9 No. 4 2019 _(ONLINE)_pp. 790-803
Душин Алексей Сергеевич,
инженер-строитель,
ООО «Сетевая компания «ИРКУТ»,
664020, г. Иркутск, ул. Авиастроителей, 28А,
Россия,
Ие-таИ: a.s.dushin@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7307-5167
Aleksey S. Dushin,
Civil engineer,
LLC "Network company" IRKUT»,
28A Aviastroiteley St., Irkutsk 664020, Russia,
He-mail: a.s.dushin@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7307-5167
Том 9 № 4 2019 ISSN 2227-2917
