CC BY
53
УЕБТЫНС
мвви
УДК 628.14:625.78
В.А. Орлов, И.А. Аверкеев
ФГБОУВПО «МГСУ»
ПОДДЕРЖАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ В УСЛОВИЯХ СОКРАЩЕННОГО ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЕСТРАНШЕЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Представлены результаты исследований по проведению автоматизированных гидравлических и технико-экономических расчетов кольцевых водопроводных сетей с учетом альтернативных методов реновации, моделированию работы сети при реальных диаметрах, а также со сквозным их уменьшением на 1 и 2 сортамента. Показано, что в условиях снижения водопотребления уменьшение диаметра трубопроводных сетей на 1 сортамент не приводит к ухудшению гидравлических характеристик трубопроводов, способствует повышению скоростей течения воды и не влияет на обеспечение требуемых норм пожаротушения.
Представлена методика определения оптимального варианта бестраншейной реновации трубопроводов и расчета годовой экономии электроэнергии.
Ключевые слова: трубопровод, автоматизированное проектирование, водопроводная сеть, бестраншейная реновация, гидравлическая модель, нормы пожаротушения.
В связи с прогнозируемым в близкой перспективе сокращением водопотребления в Москве (с 250 до 160 л/сут на одного жителя), связанным с мероприятиями по экономии питьевой и технической воды, рационализацией водопользования, закрытием и ликвидацией тех или иных крупных промышленных предприятий в черте города по причине их нерентабельности, актуальными становятся вопросы обеспечения и сохранения требуемых потребительских качеств транспортируемой воды в наружных городских и распределительных сетях с одновременным обеспечением установленных норм на пожаротушение [1, 2].
Снижение водопотребления приводит к негативным последствиям, связанным с малыми (0,01.. .0,3 м/с и менее) скоростями течения воды, т.е. практически к застаиванию воды на отдельных участках сети и тем самым к возможному ухудшению ее органолептических свойств, что выражается в появлении привкусов, неприятных запахов, мутности, цветности и т.д. [3, 4]. Одним из выходов из сложившегося положения может явиться уменьшение диаметров на распределительных сетях, например с 300 до 250 мм, что приведет к увеличению скоростей течения транспортируемой воды. На действующих водопроводных сетях данное мероприятие можно осуществить с использованием бестраншейных технологий ремонта, которые в подавляющем большинстве случаев содействуют сужению диаметров действующих трубопроводов за счет нанесения разнообразных внутренних защитных покрытий [5].
ВЕСТНИК
МГСУ-
Задачей анализа изменения гидравлических показателей (скоростей и напоров) в сети на отдельных ее участках явилось проведение гидравлических расчетов на образцовом объекте водопроводной сети. В качестве инструмента реализации гидравлических расчетов водопроводных сетей использована специальная автоматизированная программа, позволяющая проводить гидравлическое моделирование работы сети в случаях:
пожара (внешний + внутренний) на час максимального водопотребления при исходных диаметрах;
то же при сквозном уменьшении диаметров труб на 1 и 2 сортамента и сохранении материала труб (сталь или чугун).
Итогом исследований послужили результаты гидравлического моделирования трубопроводной сети на час максимального водопотребления при расчетном расходе на наружное + внутреннее пожаротушение соответственно 0+0 л/с (без пожара), 110 + 0, 110 + 40, 110 + 150, 110 + 300 л/с и оценка степени влияния различных ситуаций на гидравлические параметры при обеспечении требуемых норм водопотребления и пожаротушения. Гидравлическое моделирование осуществлялось с использованием автоматизированного комплекса Bentley Systems [6].
Гидравлическому моделированию подлежали варианты работы сети при реальных диаметрах, а также со сквозным их уменьшением на 1 и 2 сортамента. Общая схема водопроводной сети, приближенная к реальному образцовому объекту, приведена на рис. 1.
Рис. 1. Фрагмент схемы водопроводной сети исследуемого объекта с диаметрами и протяженностью участков (диаметр, мм — длина, м) и водопотреблением в точках — узлах сети, л/с
Результаты изучения динамики гидравлических показателей приведены на сводном графике изменения напоров в зависимости от расходов (рис. 2).
Рис. 2. Динамика изменения расходов и напоров в период моделирования при различных диаметрах водопроводных сетей
Согласно диаграмме на рис. 2 можно констатировать, что давление в сети при всех рассмотренных «пожарных ситуациях» независимо от величины скорости течения составляет более 10 м лишь для реальных диаметров (5 столбцов наружного и внутреннего пожара выше отметки минимально требуемого давления 10 м водяного столба в период пожара). В случае сквозного уменьшения диаметров на 1 сортамент давление вблизи узла отбора пожарного расхода уменьшается до 10 м водяного столба при скоростях течения, превышающих 2,08 м/с (случай с расходом 110 + 300 л/с), а при уменьшении на 2 сортамента — при скоростях, превышающих 1,65 м/с (расходы 110 + 40 и 110 + 150 л/с). Данные результаты свидетельствуют о том, что при одновременных внешнем и внутреннем пожаре при сквозном уменьшении диаметров на 1 сортамент требования пожаробезопасности гарантированы для случая внешнего+внутреннего пожаров с расходами не более — 110+150 л/с, а при уменьшении диаметров на 2 сортамента — 110 + 0 л/с.
Полученные результаты позволяют предположить, что в период реновации ветхих трубопроводов с использованием бестраншейных технологий протягивания в старые трубы новых меньшего диаметра или наложением внутренних защитных покрытий, которые уменьшают диаметры исходных трубопроводов не более чем на 1 сортамент, добиться двойного эффекта: восстановить пропускную способность трубопроводов, исключив утечки за счет ликвидации дефектов, и обеспечить требуемые нормы на пожаротушение с увеличением скоростей течения воды на участках трубопроводов. Кроме того, реновация трубопроводных сетей различными методами позволяет достичь экономического эффекта, выражающегося в сокращении расхода электроэнергии на погонный метр трубопровода при транспортировке воды [7, 8].
ВЕСТНИК
Для определения экономического эффекта реновации стального трубопровода диаметром 300 мм альтернативными бестраншейными методами проведен технико-экономический расчет с использованием ряда ресурсосберегающих технологий, приведенных в табл. 1 [9].
Табл. 1. Перечень технологий бестраншейного ремонта трубопроводов, материалов защитных покрытий, возможного процента сужения диаметра, эквивалентной шероховатости k и удельного сопротивления А как функции диаметра ё
Технологии восстановления трубопровода Ремонтный материал трубы (защитного покрытия) Процент сужения диаметра 300 мм / новый диаметр, м Диапазон значений шероховатости k, мм Значение для ремонтного материала А = f(d), с2/м6
1. Набрызговая технология (толщина слоя 4 мм) ЦПП 2,66 / 292 0,08411 ...0,0865 0,0006d-5-3081 = = 0,413
2. Протаскивание деформированных труб (Полилайнер, толщина слоя 4,5 мм) ПЭ 80 3 / 291 0,0127 .0,0145 0,0004d-5-7276 = = 0,47
3. Протаскивание предварительно сжатых труб (10 % сжатие трубы 315 мм) при SDR 11 (а) ПЭ 80 19,93 / 240,2 0,0127 .0,0145 0,0004d-5-7276 = = 1,412
То же (при SDR 17) (б) ПЭ 80 13,02 / 260,94 0,0127 .0,0145 0,0004d-5-7276 = 0,878
То же (при SDR 21) (в) ПЭ 80 10,45 / 268,64 0,0127 .0,0145 0,0004йГ5-7276 = = 0,743
То же (при SDR 26) (г) ПЭ 80 8,44 / 274,68 0,0127 .0,0145 0,0004d-5-7276 = = 0,655
То же (при SDR 50) (д) ПЭ 80 4,4 / 286,8 0,0127 .0,0145 0,0004d-5-7276 = = 0,511
4. Технология нанесения полимерных рукавов (толщина слоя 10 мм) Полимерный рукав 6,66 / 280 0,0125 .0,0144 0,0007d-5-2791 = = 0,58
5. Технология нанесения полимерных покрытий центробежным набрызгом (толщина слоя 11,5 мм) Полимерное покрытие 7,66 / 277 0,071706 .0,0756 0,0016d-4-9055 = = 0,87
Примечание. ЦПП — цементно-песчаное покрытие; ПЭ 80 — тип полиэтиленовой трубы; SDR — отношение диаметра к толщине стенки. Значение А для стальной трубы при всех вариантах рассчитывается по формуле А = 0,0017d~5,1716 = 0,86.
В условиях реновации старых трубопроводов без разрушения путем протягивания в них новых труб меньшего диаметра или нанесения защитных оболочек наиболее значимым элементом исследований может рассматриваться вариант оценки снижения гидравлического сопротивления реконструируемых участков труб с определением технико-экономической эффективности по сокращению затрат электроэнергии на транспортировку воды [10].
Расчет эффективности реновации для оптимизации потокораспределения и фактическому сокращению затрат электроэнергии на подачу воды представляет собой весьма сложную задачу в условиях протяженной и разветвленной трубопроводной сети города. Это объясняется тем, что после изменения гидравлического сопротивления на определенных участках сети, где были осуществлены работы по реновации, может измениться направление потоков. В этом случае доказать реальный эффект восстановительных работ становится трудно. Отсюда для определения фактического эффекта бестраншейной реновации предлагается следующий путь. Он основан на определении экономии энергоресурсов при транспортировании воды по восстановленному трубопроводу по сравнению со старым при неизменных параметрах потока по линии до и после ремонтно-восстановительных работ. Причем в качестве вариантов реновации берутся только те технологии, при которых достигается положительный эффект, заключающийся в уменьшении гидравлических сопротивлений трубопроводов после реновации независимо от степени сужения диаметра исходного трубопровода.
Годовая экономия электроэнергии ДЭ, кВтч/м, за счет уменьшения гидравлического сопротивления после операций по реновации трубопровода и, следовательно, уменьшения потерь напора по длине трубопровода, подсчиты-вается по следующей базовой формуле:
где Q — расход подаваемой трубопроводом воды, м3/с; пнас и пдвиг — соответственно коэффициенты полезного действия соответственно насоса и электродвигателя; 24 — количество часов работы насоса в сутки, ч; 365 — количество дней в году; Астар и Анов — соответственно коэффициенты удельного сопротивления старого и нового трубопроводов, с2/м6.
Используя базовую формулу, можно подсчитать экономический эффект для альтернативных случаев реновации старых стальных трубопроводов новыми, приведенными в табл. 1 с исключением вариантов технологий с заведомо отрицательным эффектом в плане увеличения гидравлических сопротивлений внутренних стенок трубопроводов после операций восстановления трубопровода.
Таким образом, к рассмотрению (см. табл. 1) могут быть представлены технологии 1, 2, 3 (в, г, д) и 4, которые позволяют достичь экономии электроэнергии при транспортировке воды на 1 м длины восстановленного трубопровода диаметром 300 мм при его реновации за счет уменьшения удельного сопротивления соответственно: в 0,86/0,413 = 2,08 раза (1 технология), 0,86/0,47 = = 1,83 раза (2 технология), 0,86/0,743 = 1,16 раза (технология 3в), 0,86/0,655 =
ВЕСТНИК
= 1,31 раза (технология 3г), 0,86/0,511 = 1,68 (технология 3д) и 0,86/0,58 = = 1,48 раза (4 технология).
Результаты расчетов при исходном значении расхода транспортируемой воды 0,076 м3/с, обеспечивающем скорость течения в трубопроводе 1 м/с, показали возможность достижения следующих показателей годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода ЛЭ1м и экономического эффекта в денежном выражении (табл. 2).
Табл. 2. Сравнительные показатели годовой экономии электроэнергии ДЭ1м на единицу длины трубопровода и экономии денежных средств Э при использовании альтернативных технологий реновации
Номер и название технологии восстановления трубопровода ДЭ, , кВт'ч/м 1м' Э, млн р.
1. Набрызговая технология (толщина слоя 4 мм) 30,01 7,2
2. Протаскивание деформированных труб (Полилайнер, толщина слоя 4,5 мм) 26,177 6,4
3. Протаскивание предварительно сжатых труб (10 % сжатие трубы 315 мм) при SDR 21 (в) 7,85 1,91
То же (при SDR 26) (г) 13,76 3,3
То же (при SDR 50) (д) 23,42 5,7
4. Технология нанесения полимерных рукавов (толщина слоя 10 мм) 18,79 4,57
Расчетные данные, приведенные в последнем столбце (величина Э, млн р.), получены путем предположения, что при общей протяженности восстанавливаемых трубопроводов, например, порядка 100 км (100000 м) в год и усредненной стоимости 1 кВт-ч электроэнергии для крупных промышленных предприятий в РФ 2,43 р./кВт-ч (по данным Института проблем естественных монополий за 2012 г.), экономия в денежном выражении при наиболее оптимальном варианте восстановления старых трубопроводов (нанесение цемент-но-песчаных покрытий) может составить Э = 105^2,43^30,01 = 7292430 р., или свыше 7,2 млн р.
Выводы. 1. Проведенные исследования показали, что в условиях снижения водопотребления уменьшение диаметра трубопроводных сетей на 1 сортамент не приводит к ухудшению гидравлических характеристик трубопроводов, способствует повышению скоростей течения воды и не влияет на обеспечение требуемых норм пожаротушения.
2. Представлена методика определения оптимального варианта бестраншейной реновации трубопроводов на базе расчета годовой экономии электроэнергии ДЭ, кВтч/м, и определения ее денежного эквивалента.
Библиографический список
1. Иванов Е.Н. Противопожарное водоснабжение. М. : Стройиздат, 1987. 297 с.
2. Сомов М.А., Журба М.Г. Водоснабжение. Т. 1. Системы забора, подачи и распределения воды. М. : Изд-во АСВ, 2008. 262 с.
3. Храменков С.В. Стратегия модернизации водопроводной сети. М. : Стройиздат, 2005. 398 с.
4. СНиП 2.04.02—84 (2002). Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
5. Орлов В.А., Михайлин А.В., Орлов Е.В. Технологии бестраншейной реновации трубопроводов. М. : Изд-во АСВ, 2011. 143 с.
6. БорисовД.А. Bentley Systems — моделирование и эксплуатация наружных сетей водоснабжения и канализации // САПР и графика. 2009. № 5. С. 64—68.
7. Орлов В.А., Шлычков Д.И., Коблова Е.В. Сравнение методов бестраншейной реновации трубопроводов в сфере энергосбережения // Водоснабжение и канализация. 2011. № 1-2. С. 84—88.
8. Выбор оптимального метода бестраншейной реновации безнапорных и напорных трубопроводов / В.А. Орлов, С.П. Зоткин, Е.В. Орлов, А.В. Малеева // Экология урбанизированных территорий. 2012. № 2. С. 27—31.
9. Храменков С.В., Примин О.Г. Проблемы и пути снижения потерь воды // Водоснабжение и санитарная техника. 2012. № 11. С. 10—14.
10. ЛезновБ.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. М. : Энергоатомиздат, 2006. 359 с.
Поступила в редакцию в феврале 2013 г.
Об авторах: Орлов Владимир Александрович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-36-29, [email protected];
Аверкеев Илья Алексеевич — аспирант кафедры водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-36-29, ilji4.msk@ gmail.com.
Для цитирования: Орлов В.А., Аверкеев И.А. Поддержание оптимальных гидравлических параметров работы водопроводных сетей в условиях сокращенного во-допотребления путем использования бестраншейных технологий // Вестник МГСУ. 2013. № 4. С. 113—120.
V.A. Orlov, I.A. Averkeev
MAINTENANCE OF OPTIMUM HYDRAULIC PARAMETERS OF OPERATION OF WATER SUPPLY NETWORKS USING TRENCHLESS TECHNOLOGIES IN THE CONTEXT OF REDUCED WATER CONSUMPTION
In the nearest future, water consumption rate is to be reduced to 160 litres per person per day in Moscow. Water consumption reduction can cause reduction of the water flow velocity, deterioration of organoleptic properties of the water and cause flavours, odours, turbidity and colourity. The solution may consist in the narrowing of the network diameter, especially in those sections that need urgent renovation, including trenchless renovation. It will accelerate the flow velocity and ensure pre-set sanitary and hygienic properties of the water. However, narrower diameters can affect fire water flows that constitute the subject matter of this research.
The authors provide the research findings based on the automated hydraulic, technical and economic analysis of loop water supply systems performed through the employment of alternative renovation methods, modeling of a water supply network on the basis of existing diameters and on the basis of diameters reduced by grades 1 and 2. It is proven that water consumption reduction accompanied by the pipeline diameter reduction by one grade doesn't cause deterioration of any hydraulic properties; rather, it
ВЕСТНИК AI-iMt.
4/2013
accelerates the water flow velocity and doesn't cause any failure to comply with effective water supply norms applicable to fire extinguishing.
The authors present their original method of identification of the optimal option for trenchless renovation of pipelines and their analysis of annual energy savings.
Key words: pipeline, automated design, water supply system, trenchless renovation, hydraulic model, fire extinguishing norms.
References
1. Ivanov E.N. Protivopozharnoe vodosnabzhenie [Fire Prevention Water Supply]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1987, 297 p.
2. Somov M.A., Zhurba M.G. Vodosnabzhenie. T. 1. Sistemy zabora, podachi i raspre-deleniya vody [Water Supply. Vol 1. Systems of Water Intake, Delivery and Distribution]. Moscow, ASV Publ., 2008, 262 p.
3. Khramenkov S.V. Strategiya modernizatsii vodoprovodnoy seti [Strategy for Water Supply Network Modernization]. Moscow, Stroyizdat Publ., 2005, 398 p.
4. SNiP 2.04.02—84 (2002). Vodosnabzhenie. Naruzhnye seti i sooruzheniya [Construction Norms and Rules 2.04.02—84 (2002). Water Supply. External Networks and Structures].
5. Orlov V.A., Michelin A.V., Orlov E.V. Technologic bestransheynoy renovatsii trubopro-vodov [Technologies for Trenchless Renovation of Pipelines]. Moscow, ASV Publ., 2011, 143 p.
6. Borisov D.A. Bentley Systems — modelirovanie i ekspluatatsiya naruzhnykh setey vodosnabzheniya i kanalizatsii [Bentley Systems: Modeling and Operation of External Water Supply and Sewage Networks]. SAPR i grafika [CAD and Graphics]. 2009, no. 5, pp. 64—68.
7. Orlov V.A., Shlychkov D.I., Koblova E.V. Sravnenie metodov bestransheynoy renovatsii truboprovodov v sfere energosberezheniya [Comparison of Methods of Trenchless Renovation of Pipelines in the Context of Energy Saving]. Vodosnabzhenie i kanalizatsiya [Water Supply and Sewage]. 2011, no. 1-2, pp. 84—88.
8. Orlov V.A., Zotkin S.P., Orlov E.V., Maleeva A.V. Vybor optimal'nogo metoda bestransheynoy renovatsii beznapornykh i napornykh truboprovodov [Choice of the Optimal Method of Trenchless Renovation of Free-flow and Pressure Pipelines]. Ekologiya urbanizirovannykh territoriy [Ecology of Urbanized Lands]. 2012, no. 2, pp. 27—31.
9. Khramenkov S.V., Primin O.G. Problemy i puti snizheniya poter' vody [Water Loss Reduction: Problems and Solutions]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Engineering]. 2012, no. 11, pp. 10—14.
10. Leznov B.S. Energosberezhenie i reguliruemyy privod v nasosnykh i vozdukhodu-vnykh ustanovkakh [Energy Saving and Adjustable Drive of Pumping Stations and Blower Installations]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2006, 359 p.
About the authors: Orlov Vladimir Aleksandrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; orlov950@yandex. ru; +7 (499) 183-36-29;
Averkeev Il'ya Alekseevich — postgraduate student, Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7 (499) 183-36-29.
For citation: Orlov V.A., Averkeev I.A. Podderzhanie optimal'nykh gidravlicheskikh para-metrov raboty vodoprovodnykh setey v usloviyakh sokrashchennogo vodopotrebleniya putem ispol'zovaniya bestransheynykh tekhnologiy [Maintenance of Optimum Hydraulic Parameters of Operation of Water Supply Networks Using Trenchless Technologies in the Context of Reduced Water Consumption]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 4, pp. 113—120.
