а. Связь отдельных элементов системы водоснабжения в отношении расходов

После того как будет принят (или задан) режим водопотребления, может быть установлен режим подачи воды и режим работы отдельных сооружений системы водоснабжения.

Все эти сооружения должны быть рассчитаны, в частности, на работу в сутки максимального водопотребления (т. е при 5маКс)
Насосные станции должны подавать за сутки полный суточный расход воды объектами.

Рассмотрим связь между режимом работы отдельных элементов водопровода на примере простейшей схемы городского водопровода, приведенной на рис. II. 1 Здесь вода подается от одной насосной станции второго подъема. Башня расположена в начальной точке сети. Предположим, что рассматриваемая сеть не имеет других источников питания. Пусть режим расходования воды городом в течение суток задан графиком водопотребления /, приведенным на рис. II.4, а.
Водопроводная сеть подает воду непосредственно к водоразборным устройствам, через которые население получает воду. Следовательно, режим работы сети в целом определяется режимом водоразбора и может характеризоваться тем же графиком водопотребления.

График работы насосной станции второго подъема должен назна-чаться в зависимости от принятого графика водопотребления. Однако это не значит, что график подачи воды может или должен в точности совпадать с графиком ее расходования. При подаче воды насосами определенной производительности в отдельные часы суток количество поданной воды не будет совпадать с количеством израсходованной.

Предположим, что в рассматриваемом случае на насосной станции второго подъема установлены два насосных агрегата (не считая запасных), из которых первый работает один в период с 0 до 4 ч, подавая за час 2,5% суточного расхода (максимального); второй вступает в работу в 4 ч и работает (вместе с первым) до 24 ч; оба агрегата вместе подают за час 4,5% суточного расхода. График работы насосной станции (график подачи) представлен на рис. II.4, а пунктирной линией 2. Для выяснения режима работы отдельных элементов водопровода удобно совместить на одном чертеже график подачи 2 и график потребления 1. Линия 3 обозначает здесь среднечасовой расход за сутки. Из графика видно, что за сутки насосы подают такое же количество воды, какое расходуется городом: (2,5-4)+ (4,5-20) = 100%. Однако в отдельные часы суток количество подаваемой воды не равно количеству расходуемой воды (больше или меньше его). При рассмотрении совмещенных графиков подачи и потребления воды легко уяснить роль водонапорной башни. В часы, когда подача воды насосами превышает потребление ее городом (например, от 4 до 6 ч), избыток воды подается в башню.

Если насосы подают количество воды, равное QEI, а город потребляет количество воды, равное Q, то разность QH—Q поступает в это время в башню (рис. II.5, а). В часы, когда потребление превышает годачу (например, от 7 до 12 ч), недостающее количество воды, равное Q—Qa, подается из башни (рис. 115, б).
Таким образом, водонапорная башня компенсирует несовпадение режимов подачи и потребления воды в отдельные часы суток, аккумулируя избыток подаваемой воды в одни часы и восполняя недостачу воды в другие часы.

В § 15 дается способ вычисления требуемой регулирующей емкости бака водонапорной башни (или напорнорегулирующего резервуара) при помощи совмещения графиков подачи и потребления. Ясно, что чем ближе кривая подачи будет совпадать с кривей потребления, тем меньше будет требуемая регулирующая емкость бака и, следовательно, тем меньше будет стоимость башни. Практически для приближения кривой подачи к кривой потребления можно увеличить число
ступеней графика подачи, но это вызовет увеличение числа агрегатов насосной станции.
В современных водопроводах, имеющих обычно водонапорные башни, число ступеней графика работы насосных станций второго подъема (т. е. число его различных расчетных ординат) обычно колеблется в пределах от одной (для малых водопроводов) до трех (для больших водопроводов).
В некоторых производственных водопроводах потребление воды в течение суток происходит настолько равномерно, что устройство налорно-регулирующих емкостей вообще не требуется.

При использовании центробежных насосов при любом графике водопотребления насос может подавать воду в сеть, не имеющую аккумулирующих емкостей (башен или резервуаров).

Однако использование безбашенных систем оказывается экономичным только при относительно небольших значениях коэффициента часовой неравномерности расхода воды. В противном случае в безбашенных системах возрастает стоимость энергии в связи с необходимостью подавать воду при завышенных по сравнению с требуемым напорах.

После того как будет принят график водопотребления и в соответствии с ним намечен график работы насосной станции второго подъема, определяется режим работы всех элементов водопровода, непосредственно связанных с насосной станцией. Так, для рассматриваемой системы режим работы сети определяется полностью заданным режимом водоразбора; режим работы водовода совпадает с режимом работы насосной станции второго подъема; режим работы башни и емкость ее бака определяются совместным влиянием режимов подачи воды насосами второго подъема и потребления воды городом.
Насосная станция первого подъема в своей работе связана с водоприемными и очистными сооружениями. Размеры этих сооружений зависят от количества воды, проходящей через них в единицу времени. Это количество будет тем меньше, чем больше часов в сутки они будут работать. Поэтому для уменьшения стоимости водоприемных и очистных сооружений насосная станция первого подъема должна работать возможно большее число часов в сутки. На станциях средних и крупных водопроводов практически всегда имеет место круглосуточная и равномерная работа насосов первого подъема, а следовательно, и водоприемпых и очистных сооружений.

Резервуар чистой воды разграничивает две группы элементов системы водоснабжения, режим работы одной из них определяется режимом работы насосной станции первого подъема, а режим работы другой — режимом работы насосной станции второго подъема. Поступление воды в резервуар с очистных сооружений соответствует режиму работы насосов первого подъема, а забор воды из него производится в соответствии с режимом работы насосов второго подъема. Очевидно, что резервуар чистой воды должен иметь некоторую регулирующую емкость, которая может быть легко определена путем совмещения графиков (рис. II.6) подачи воды насосами первого подъема (линия /) и забора Воды насосами второго подъема (линия II).

б. Связь отдельных элементов системы водоснабжения в отношении создаваемых и требуемых напоров
Для полного понимания работы системы водоснабжения необходимо уяснить связь между ее отдельными элементами не только в отношении расходов, но и в отношении напоров.

Насосные станции должны подавать воду потребителю в требуемом количестве и под требуемым напором.
Разбор воды большинством потребителей происходит на некоторой высоте над поверхностью земли, поэтому в водопроводной сети должно
быть обеспечено давление, необходимое для подъема воды на указанную высоту. Например, для подачи воды в верхние этажи здания (рис. II.7) в городской водопроводной сети необходимо иметь внутреннее давление р (измеряемое для простоты у поверхности земли), достаточное для подъема воды до наивысшей водоразборной точки и ее излива, а также для преодоления всех сопротивлений на ее пути от городской сети до точки излива. Иными словами, пьезометрическая высота в точке ответвления от городской сети (измеряемая от поверхности земли) должна равняться сумме геометрической высоты подъема воды (над этой точкой) и суммарной потери напора на пути движения воды.

При помощи гидравлического расчета могут быть получены величины h и /ги и, следовательно, может быть найдена величина свободного напора Нсв, требуемого в данной точке сети наружного водопровода.
При расчете городского водопровода расчетную величину Нсв принимают различной для отдельных районов в зависимости от расчетной этажности их застройки.
Строительные нормы и правила дают следующие величины требуемого свободного напора Нсв в сети водопровода населенных мест: при одноэтажной застройке #СБ=10 м; при двухэтажной застройке #св = = 12 м и при большей этажности плюс 4 м на каждый следующий этаж.
Во всех точках водопроводной сети при работе водопровода в обычное время (при отсутствии пожара) должен быть обеспечен напор не меньше указанных значений Ясв.

На рис. П.8 изображен вертикальный продольный разрез рассмотренной выше системы водоснабжения (см. рис. 11.1), на котором схематически показано положение пьезометрических линий для момента максимального водоразбора. Рисунок позволяет установить связь между элементами системы водоснабжения в отношении напоров. Наиболее неблагоприятно расположенными в отношении напора оказываются точки, дальше всего отстоящие от башни и имеющие наибольшие геодезические отметки. В этих точках будут самые низкие пьезометрические отметки (вследствие падения напора в сети от источника питания до этих конечных точек) и самые малые величины располагаемогосвободного напора.

Для определения величины расчетного напора, который необходима создать в начале сети, следует выбрать «критическую» точку сети, наиболее неблагоприятную как в отношении ее геодезической отметки, так и в отношении удаленности от источника питания. Пусть на рис. II.8 такой критической точкой будет точка а (с отметкой z), наиболее возвышенная из конечных точек сети. Отложив в этой точке величину требуемого (в зависимости от этажности) свободного напора ЯСБ, получим расчетную пьезометрическую отметку для критической точки сети z--HCB- Требуемая величина ЛСБ должна быть обеспечена в точке а в любой момент работы сети, включая, как указано, момент максимального водоразбора, при котором потери напора Yh на всех участках от башни до критической точки сети будут иметь максимальную величину. Пьезометрическая линия, характеризующая падение напора в сети
в часы максимального водоразбора, показана схематически на рис. П.8 в виде линии бй.

В точке б должен быть создан такой напор Не, чтобы при максимальном уклоне пьезометрической линии напор в точке а не падал ниже заданной величины Нсъ. Напор Н§ обеспечивается расположением дна бака водонапорной башни на соответствующей высоте.
По схеме рис. II.8 легко установить связь между напорами в отдельных характерных точках системы.
Очевидно, что
Отсюда может быть определена расчетная высота башни, т. е. высота расположения дна бака башни над поверхностью земли:
Яб = Ясв + 2/i — (гб — г).

Расположив башню на возможно более высокой отметке ZQ, получим при имеющихся отметках снабжаемой водой территории наибольшую величину ZQ—z, а следовательно, минимальную величину #б, т. е. наименьшую высоту (и наименьшую стоимость) башни. Поэтому водонапорную башню следуе1 стремиться располагать на высоких отметках. В частности, если в результате расчета будет получена величина #6^0, то вместо башни устраивают напорный резервуар, расположенный на поверхности земли (или частично заглубленный в землю). Такие резервуары всегда будут значительно дешевле, чем башня с той же емкостью бака.
На рис. II.9 схематически показано изменение расположения пьезометрической линии при изменении уровня воды в баке башни и изменении величины водоразбора. При минимальном наполнении бака и максимальной потере напора в сети, соответствующей моменту наибольшего водоразбора, пьезометрическая линия займет положение ба.

Если к моменту максимального водоразбора бак полон, пьезометрическая линия будет занимать положение 6а.
При изменении величины водоразбора и, следовательно, величины 2/i пьезометрическая линия будет поворачиваться вокруг точки б или 6 (или вокруг промежуточных точек в зависимости от уровня воды в баке) и занимать различное положение вплоть до горизонтального, которое наступит при прекращении водоразбора Все новые положения пьезометрической линии, показанные на рис. II.9, дают большие величины свободного напора в конечной точке, чем расчетное положение, принятое на рис. II.8.
Необходимо иметь в виду, что максимальные величины свободных напоров в сети не должны превосходить определенных пределов. Они устанавливаются в зависимости от материала и типа труб и условий эксплуатации сети. В соответствии с указаниями СНиП свободный напор в сетях хозяйственно-питьевых водопроводов не должен превосходить 60 м.

На рис. II.8 схематически показана также пьезометрическая линия для водовода, подающего воду от насосной станции второго подъема до башни. При этом расчетным положением пьезометрической линии, диктующим величину напора насосов, будет такое, при котором конечная точка пьезометрической линии располагается на высоте максимального уровня воды в баке башни, а величина потерь напора в водоводе къ соответствует максимальному количеству воды, подаваемой насосами по графику работы насосной станции.
Напор, создаваемый насосами (показываемый манометром на напорном патрубке насоса), будет1:
Ян = (2б - ZH) + (#6 + Но) + Лв,
где zH— отметка оси насоса;
Н0— расчетная высота бака башни.

Следует отметить, что насосы, выбранные для подачи расхода Qu на высоту #н (т. е. при наивысшем уровне воды в баке башни), при более низких уровнях будут работать под меньшими напорами и подавать большие количества воды. Следовательно, действительный график подачи воды будет несколько отличаться от запланированного (при условии постоянного расчетного напора).
Можно также установить зависимость между напором #H-i, создаваемым насосами станции первого подъема, и свободным напором, который необходимо обеспечить у очистных сооружений (см. рис. II.8) с учетом отметок местности и потерь напора в трубах.
Установленная таким образом связь между отдельными элементаи системы водоснабжения, представленной на рис. П.1, полностью характеризует режим ее работы при изменении водоразбора в случае нормального водопотребления. При пожарах условия работы водопровода значительно меняются (см. § 13).