автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Научное обоснование мероприятий защиты протяженных напорных водоводов крупных диаметров при переходных процессах и сбросе промысловых вод

к* О*

-уосдо^ский государственный университет а ц рл" природообустройства

На правах рукописи

Аль-Мафапани гази

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ЗАЩИТЫ ПРОТЯЖЕННЫХ НАПОРНЫХ ВОДОВОДОВ КРУПНЫХ ДИАМЕТРОВ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ И СБРОСЕ ПРОМЫВНЫХ ВОД

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедрах «Насосы и насосные станции» и «Сельскохозяйственное водоснабжение» Московского государственного университета прнродообустройства

Научные руководители:

к.т.н., доцент Д.С. Бегляров, к.т.н., старший научный сотрудник А.Н. Рожков

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор В.И. Виссарионов, к.т.н., профессор М.А. Сомов

Ведущая организация: Всероссийский научный исследовательский

институт систем орошения и сельскохозяйственного водоснабжения ВНИИ «Радуга»

Защита состоится «15» декабря 1998 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета К. 120.16.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, МГУП, ауд. 201/1, корпус 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан «.А1 » кеЯд/гХ 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук

И.М. Евдокимова

Общая характеристика работы Актуальность. В последнее время в связи с недостаточной мощностью местных водоисточников или неудовлетворительным качеством их воды, в практике водоснабжения получило развитие строительство протяженных водоводов крупных диаметров. Подобные системы имеются во многих зарубежных странах (Великобритания, США, Франция, ФРГ, Саудовская Аравия и ДР-)-

Одной из наиболее крупных и протяженных систем водоснабжения является система "Днепр-Донбасс-Харьков". Имеются такие системы водоснабжения и в России (г.г. Анапа, Владивосток, Екатеринбург, Набережные Челны; Троицкий групповой водопровод Краснодарского края; Восточная система в Московской области, ряд групповых водопроводов в сельскохозяйственных районах).

В настоящее время осуществляется проектирование Южной водопроводной системы г. Москвы и городов Московской области из Приокского месторождения подземных вод. Общая протяженность водоводов проектируемой системы около 140 км с диаметром труб 2000 мм.

Эти системы должны отвечать определенным требованиям надежности и экологической безопасности. Это достигается в первую очередь защитой водоводов от недопустимых повышений давлений, возникающих при гидравлических ударах, вызываемых выключением насосных агрегатов, и при опорожнении ремонтных участков, а также изъятием остаточного хлора из сбрасываемых вод при проведении дезинфекции трубопроводов.

В тоже время опыт проектирования и эксплуатации подобных объектов выявил ряд особенностей, связанных с защитой систем водоподачи от гидравлических ударов, с опорожнением ремонтных участков сложного профиля и большой длины, а также со сбросом промывных вод при дезинфекции водоводов.

Во-первых, на протяженных водоводах, как правило, требуется установка большого количества противоударной арматуры.

Во-вторых, при выборе мер защиты трубопроводов таких крупных диаметров, как диаметр 2000 мм, необходимо учитывать, что относительная толщина S/D их стенок и прочностной запас небольшие. В связи с этим к срабатыванию противоударных средств на трубопроводах крупных диаметров предъявляются повышенные требования.

В тоже время выбор средств защиты для протяженных водоводов крупных диаметров систем водоснабжения весьма ограничен.

В настоящее время, как правило, используются предохранительные сбросные устройства и клапаны для впуска воздуха (КВЗВ). Существующие конструкции предохранительных сбросных устройств открываются при повышении давления сверх заданного и запаздыванием.

Поэтому в последнее время все большее применение находят разрывные мембраны из тонколистовых металлов, которые практически срабатывают мгновенно при минимальном превышении давления. Данной работой предусматривалось изучение эффективности действия мембран на подобных объектах.

Выбор средств защиты систем водоподачи от гидравлического удара необходимо производить на основании расчетов переходных процессов. В настоящее время, для этих целей, как правило, применяется методика расчета, разработанная на кафедре «Насосы и насосные станции» МГУП (автор д.т.н. К.П. Вишневский).

Однако, данной методикой не было предусмотрено применение в качестве средства защиты водоводов от гидравлического удара разрывных мембран. Также следует отметить, что существующая программа расчета не предусматривает включе-

ние в исходные данные большого количества противоударной арматуры.

В связи с этим возникла необходимость в дальнейшем усовершенствовании существующей методики путем разработки и включения в алгоритм и программы для ПЭВМ блоков, позволяющих проводить расчеты с учетом использовании разрывных мембран и установки на водоводах большого количества противоударной арматуры.

Другой особенностью протяженных водоводов крупного диаметра систем водоснабжения является проектирование ремонтных участков для их опорожнения. Эта проблема осложняется тем, что необходимо сбросить большой объем воды за ограниченное время.

Предельную длину ремонтных участков водоводов систем водоснабжения определяют исходя из требований надежности и ущерба, вызванном сокращением подачи воды.

В соответствии СНиП 2.04.02-84, при прокладке водоводов в две линии или более в случае отключения одного водовода либо его участка подача воды на объект может быть снижена на хозяйственно-питьевые и производственные нужды по аварийному графику. Это требование определяет условия разделения водоводов на ремонтные участки. При этом диаметры устройств для впуска воздуха и выпуска воды должны обеспечивать опорожнение участков водоводов в течение не более 2 часов без образования в них опасного вакуума, приводящего к разрушению трубопровода. Необходимо также учитывать, что клапаны для впуска воздуха могут срабатывать как при опорожнении, так и при гидравлических ударах, и их пропускная способность должна отвечать условиям обоих случаев.

До настоящего времени расчет опорожнения проводился без учета гидравлического сопротивления водовода и устройств для впуска воздуха, влияния рельефа местности, без определе-

ния изменения давления по профилю во время сброса. Как показала практика, существующие способы расчетов дают приемлемые результаты лишь при длине ремонтных участков не более 1... 1,5 км.

В связи с этим возникла необходимость в разработке метода расчета опорожнения ремонтных участков, учитывающего указанные выше особенности, и программы для ПЭВМ, позволяющих оперативно на основе многовариантных расчетов времени опорожнения определять диаметры устройств для выпуска воды и впуска воздуха, обеспечивающих безопасный сброс.

Одной из особенностей на системах водоснабжения с протяженными водоводами крупного диаметра является сброс большого количества промывных вод при проведении плановой дезинфекции трубопроводов.

После очистки и промывки трубопроводы водоснабжения подлежа г дезинфекции хлорированием при концентрации активного хлора 75... 100 мг/л с временем контакта хлорной воды в трубопроводе 5...6 часов или при концентрации 40...50 мг/л с временем контакта не менее 24 ч. Концентрация активного хлора назначается в зависимости от степени загрязнения трубопровода.

После окончания контакта хлорную воду необходимо сбрасывать в канализацию или водоем. Сброс хлорной воды в канализацию нарушает биологические процессы очистки сточных вод и выводит из строя очистные сооружения. Сброс хлорной воды в водоемы с высокой концентрацией хлора также не допустим, так как это приводит к нарушению основных функций экосистемы. Хлорная вода вызывает разрушение сообщества водных организмов, замедление и прекращение фотосинтетической аэрации и биологического самоочищения водоема, выход в воду вторичных загрязнений. Качество воды водоема резко ухудшается. Другим неблагоприятным фактором является

образование хлорорганических соединений, обладающих мутагенным и канцерогенным действием.

Таким образом, прежде чем осуществлять сброс хлорной воды после окончания контакта, необходимо предусмотреть меры по изъятию остаточного хлора. В качестве таких мер может быть разбавление водой до концентрации активного хлора 2...3 мг/л или дехлорирование химическими и физическими методами. Выбор метода по изъятию остаточного хлора должен производиться с учетом стоимости и количества сбрасываемой воды, а также места сброса.

Разбавление сбрасываемой хлорной в оды на протяженных водоводах крупного диаметра нецелесообразно из-за высокой стоимости. В тоже время проблема дехлорирования сбрасываемой воды химическими или физическими методами в настоящее время не имеет практического решения как в отечественной, так и зарубежной практике.

В связи с этим возникла необходимость в выборе метода и разработке технологии дехлорирования сбрасываемых вод из ремонтных участков водоводов.

Целью работы являлось:

- создание методики, позволяющей обоснованно применять разрывные тонколистовые мембраны для защиты от гидравлического удара протяженных водоводов крупных диаметров;

- создание методики расчета опорожнения ремонтных участков, учитывающей влияние гидравлического сопротивления водовода и арматуры, рельефа местности и позволяющей обоснованно выбирать диаметры выпусков и клапанов для впуска воздуха;

- выбор метода и разработка технологии дехлорирования сбрасываемых вод при проведении дезинфекции трубопроводов.

Выполнение поставленной цели было связано с решением следующих задач:

- усовершенствование существующей методики расчета переходных процессов для случаев, учитывающих сброс воды через мембраны, с разработкой алгоритма расчета и реализацией его в программе для ПЭВМ;

- расчетно-теоретические исследования случаев переходных процессов при сбросе воды через мембраны с использованием усовершенствованной методики расчета;

- разработка методики расчета опорожнения ремонтных участков с подготовкой алгоритма расчета и реализацией его в программе для ПЭВМ;

- расчетно-теоретические исследования различных случаев опорожнения водоводов;

- анализ современных методов и способов по изъятию остаточного хлора в воде;

- экспериментальные гидравлические исследования по дехлорированию воды с получением необходимых данных для создания опытной передвижной установки для дехлорирования сбрасываемых вод;

- разработка технологии дехлорирования сбрасываемых вод из ремонтных участков водоводов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- сформулирована математическая модель гидравлических переходных процессов в напорных системах водоподачи, учитывающая сброс воды через разрывные тонколистовые мембраны при увеличении давления сверх заданного;

- для возможности практического решения задач внесены дополнения в существующую методику расчета переходных процессов, позволяющие проводить расчеты с большим количе-

вом противоударной арматуры и при использовании в качест-средства защиты разрывных мембран;

- разработана методика расчета опорожнения ремонтных астков водоводов, учитывающая влияние рельефа местности, ммарного сопротивления трубопроводов, устройств и армату-I, и определяющая величину возможного вакуума по профи- получены экспериментальные данные, позволяющие

зработать опытную передвижную установку по дехлорирова-[Ю сбрасываемых вод при дезинфекции трубопроводов.

Практическая цепиость работы заключается в следую-

зм:

- реализация предложенной математической модели в юграммном комплексе для ПЭВМ, позволяет проводить расче-I переходных процессов в напорных системах водоподачи при яользовании в качестве средства защиты разрывных мем->ан;

- реализация предложенной методики расчета опорожне-щ ремонтных участков водоводов, позволяет определять диа-;тры устройств для выпуска воды и впуска воздуха, обеспечи-ющих безопасный сброс за ограниченное время;

- использование результатов экспериментальных иссле->ваний позволило разработать опытную передвижную уста->вку для дехлорирования сбрасываемых вод при дезинфекции >убопроводов;

- использование технологических решений по дехлориро-1нию сбрасываемых вод исключает опасное воздействие на :ружающую природную среду.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены проекте Южной водопроводной системы г. Москвы.

Апробация работы. Результаты исследований и основные »ложения диссертации докладывались на научно-технической

конференции МГУП в 1997 году, международной конференции в Дамасском государственном университете (Сирийская Арабская Республика).

Публикации. По теме диссертации имеются 2 публикации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 87 страниц машинописного текста и 27 рисунков. Список литературных источников насчитывает 94 наименования.

Содержание работы

В первой главе дается обзор состояния исследуемых вопросов.

Рассматриваются переходные процессы, возникающие в напорных системах водоподачи. Приводятся уравнения, описывающие неустановившееся движение воды в трубопроводах, и отмечается, что впервые они были получены Н.Е. Жуковским.

Указывается, что дальнейшее развитие теории гидравлических переходных процессов получило в результате работ, выполненных А. Алиеви, А. Бержероном, О. Шнидером, М.А. Мостковым, А.А Суриным, И.А. Чарным, Л.А. Мошниным, Г.И. Кривченко, Н.Д. Картвелишвили, А.Г. Джваршейшвили, В. Стритером, Д. Фоксом, Р. Пармакяном, Е. Евангелиста, H.H. Аршеневским, В.М. Алышевым, К,П. Вишневским, B.C. Дикарев-ским, Б.Ф. Лямаевым, Д.Н. Смирновым.

Приводятся способы решения уравнений переходных процессов в напорных системах водоподачи.

Отмечается, что в настоящее время наибольшее распространение для численного решения получил метод характеристик. В России чаще всего для решения используются методики расчета, разработанные Б.Ф. Лямаевым и К.П. Вишневским.

В данной работе для проведения расчетов использовалась етодика, разработанная на кафедре "Насосы и насосные станин" МГУП д.т.н. К.П. Вишневским, так как она, а также про-рамма для различных ЭВМ позволяют проводить расчеты раз-ичных случаев переходных процессов с учетом применения азличных средств защиты трубопроводов от гидравлических да ров.

Рассматривается решение уравнений, описывающих неус-ановившееся движение воды с использованием модификации (етода характеристик, при котором неизвестные значения на-оров Н и скоростей движения воды V при переходных процес-ах определяются в сечениях, примыкающих к расчетным тонам напорной системы водоподачи.

Рассматривается алгоритм расчета, составленный в соот-ететвии с разработанной методикой, который условно можно годразделить на три части.

В первой части осуществляется ввод исходных данных и [ереработка их к виду, необходимому для проведения расчетов, ,о второй - происходит непосредственный расчет переходного [роцесса, а в третьей - вывод результатов расчета и анализ, пределяющий переход к следующему варианту или к оконча-:ию расчетов.

Приводятся различные средства защиты от недопустимых говышений давлений, возникающих при переходных процессах га напорных системах водоподачи.

Дается классификация этих средств защиты и указывается, акие из этих средств защиты возможно использовать на протя-кенных водоводах крупного диаметра систем водоснабжения.

Отмечается, что существующие конструкции предохрани-•ельных устройств открываются при повышении давления верх заданного с большим запаздыванием.

Констатируется, что на протяженных водоводах крупных диаметров в качестве средств защиты, устанавливаемых по трассе, в настоящее время в основном можно использовать разрывные тонколистовые мембраны и клапаны для впуска и защемления воздуха (КВЗВ). Дается описание изготавливаемых в настоящее время разрывных тонколистовых мембран.

Далее описывается существующий метод расчета опорожнения ремонтных участков водоводов, выполняемый по формулам, предложенным A.A. Суриным.

Отмечается, что при расчетах не учитываются потери напора на гидравлические сопротивления в водоводе и в устройстве для впуска воздуха, а профиль ремонтного участка предлагается прямолинейным. Все это приводит к значительной неточности определения времени опорожнения, а также размеров устройств для впуска воздуха и выпуска воды.

Указывается на необходимость определения давления воды по длине водоводов крупного диаметра при сбросе воды.

Производится анализ существующих методов дехлорирования воды. Рассматриваются известные в мировой и отечественной практике физические и химические методы дехлорирования воды - соединениями серы, перекисью водорода, озоном, ультрафиолетовым облучением, аэрацией, железным купоросом, с помощью различных катализаторов, активным углем, а также с помощью сульфоугля.

Указываются достоинства и недостатки известных методов, предназначенных для использования непосредственно на территории очистных станций, где возможно разместить реагентное хозяйство и другое оборудование. Отмечается, что исследованиями, проведенными в МГУП и МосводоканалНИИпроекте доказана перспективность метода дехлорирования сульфоуглем.

В связи с этим делается вывод, что на протяженных водоводах крупного диаметра дехлорирование промывных вод

целесообразно осуществлять на передвижных установках с использованием сульфоугля. Этот метод позволит также исключить повторное загрязнение обрабатываемых вод, которое имеет место при использовании химических реагентов, что играет большое значение при сбросе этих вод в маломощные водоемы.

В результате проведенного обзора приняты основные направления исследований работы.

Во второй главе приводятся результаты расчетно-теоретических исследований переходных процессов на протяженных водоводах крупных диаметров.

Для возможности выполнения расчетов переходных процессов с учетом установки на трубопроводах разрывных мембран в существующую методику (автор К.П. Вишневский) были внесены изменения и дополнения.

Описываются разработанные дополнения к методике и соответственно к алгоритму, необходимые для расчетов переходных процессов при установке на водоводах разрывных мембран.

Методика расчета переходных процессов, связанных со сбросом воды через разрывные мембраны, разрабатывалась для случаев их установки в тупиковой и промежуточных точках.

Приводятся формулы для определения расхода и напора для этих случаев:

- при установке в тупиковой точке

<2;

т,1и7

2 дш5„

(— 12да'5„

+ 2 <Рщ-

4}

0,5

(1)

Я

2 да

при установке в промежуточной точке

4 да&„

Я.,,

(2)

0,5

,(3)

¿9aj

где a - скорость распространения волны изменения давления; g - ускорение свободного падения; со - площадь сечения водовода; z\ ~ отметка установки мембраны;

Sm - коэффициент гидравлического сопротивления мембраны: <Pi(i-i),i Wí(í+ii,í ~ волны изменения давления, подошедшие точке i в момент времени j от соседних точек i-1 и i+1.

Описывается алгоритм расчета переходных процессов щ установке на водоводах разрывных мембран, блок-схема koti poro представлена на рис. 1.

Рассматривается принятый порядок проведения расчета теоретических исследований, возможные вопросы исследовани обработка и оформление результатов исследований.

Рассматривается подготовка исходных данных, в том чи ле дополнительных, необходимых для проведения расчетов разрывной мембраной, которыми являются: признак у станов? мембраны; расстояние от начала водовода до места установ! мембраны; коэффициент гидравлического сопротивления ме! браны; давление при котором происходит разрыв мембраны.

Описывается принятая для проведения расчетно-теоретическ! исследований проектируемая в настоящее время Южная водопрово ная система (ЮВС) г. Москвы и Московской области.

Всего было проведено 60 вариантов расчетов переходнь процессов, вызываемых отключениями насосных агрегатов. Рассматривались в основном следующие случаи:

- трубопроводы не оборудованы средствами защиты гидравлического удара;

- трубопроводы оборудованы клапанами для впуска и з щемления воздуха КВЗВ;

- трубопроводы оборудованы КВЗВ и разрывными мембранами.

В качестве примера на рис. 2 и 3 приведены результаты исследований, проведенных для I очереди строительства ЮВС при подаче воды от скважин в резервуар насосной станции НС-1.

На рис 2 показаны линии максимальных и минимальных напоров, построенные по окончательным результатам расчетов переходных процессов, а также продольный профиль водоводов ЮВС.

На рис. 3 приведены кривые изменения давления в точке напорной системы водоподачи, расположенной на расстоянии 2980 м от начальной, построенные по промежуточным результатам, то есть по текущим значениям переходного процесса.

Проведенные расчеты показали, что максимальное повышение давления при гидравлическом ударе при отсутствии средств противоударной защиты произошло в начале водовода, то есть в месте установки на напорном трубопроводе обратного клапана.

Максимальное повышение давления составило 1,78 МПа, то есть превысило рабочее 0,65 МПа в 2,7 раза (рис. 2).

Анализ результатов расчетов показал также, что во многих местах по длине трубопроводов образуются кавитационные разрывы сплошности потока.

Наиболее простым и дешевым способом противоударной защиты в этом случае является впуск воздуха с его последующим сжатием (защемлением).

Для этого в местах наиболее вероятных образований разрывов сплошности потока была предусмотрена установка четырех клапанов для впуска и защемления воздуха (рис. 2).

Результаты этого расчета показали, что впуск воздуха с его последующим сжатием уменьшает давление при переходном процессе: максимальное повышение давления произошло на

расстоянии 2980 м от начальной точки и составило 1,24 МПа, т есть превысило рабочее 0,57 МПа в 2,17 раза (рис. 3).

Установка КБЗВ в основном нормализует понижение давл< ния в напорных трубопроводах при .переходном процессе, но, уч! тывая остающиеся повышения давления, необходимо принят также еще и другие средства защиты от гидравлического удара.

Следующие расчеты были выполнены при установке в пс ниженных точках трубопроводов, то есть на расстоянии 2980 (место максимального повышения давления при применени КВЗВ) от начальной точки, разрывных мембран (рис. 2).

Давление, при котором разрушается мембрана, было прк нято равным 0,85 МПа. Приводятся сопоставительные расчет) для различных значениях гидравлического сопротивлени сбросной линии мембраны: 10 с2/м5, 4 с2/м5, 1 с2/м5.

Результаты расчетов показали (рис. 2 и 3), что при сброс воды при разрушении мембран имело место существенное сни жение давления.

Во всех трех случаях в начальной точке давление повы шалось до 0,95 МПа.

В месте установки разрывных мембран в первом случа (5=10 с2/м5) давление повысилось до 0,90 МПа, а во втором и третьем случаях давление повышалось до 0,85 МПа (5=4 с2/к и 1 с"/мг>).

Результаты расчетов показали также, что, несмотря на тс что при гидравлическом сопротивлении сбросной линии мем браны 1 с2/м5 объем сброшенной воды через нее в —1,5 раз больше, чем при гидравлическом сопротивлении 4 с2/м! уменьшение давления по всей длине трубопроводов практиче ски не было.

В связи с этим окончательно было принято гидравличе ское сопротивление сбросной линии равное 4 с2/м5.

На основании сопоставительных расчетов были выбраны и рекомендованы средства защиты от гидравлических ударов для всей Южной водопроводной системы г. Москвы.

Результаты расчетов гидравлических ударов показали, что значения давлений в водоводах при рекомендуемых средствах защиты не превышают допустимых.

Проведенные расчетно-теоретические исследования с использованием усовершенствованной методики показали возможность определения путем расчета оптимального коэффициента гидравлического сопротивления сбросной линии мембраны, позволяющей обеспечить снижение давления при переходном процессе до допустимых значений, а также установить влияние количества сбрасываемой воды на его повышение.

В третьей главе описываются расчетно-теоретические исследования опорожнения ремонтных участков водоводов.

Рассматривается предлагаемая методика расчета опорожнения ремонтных участков водоводов, учитывающая влияние рельефа местности, суммарного гидравлического сопротивления ,(КВЗВ, заполненной части участка водовода, выпуска и сбросного трубопровода).

Расчетная схема водовода, в отличие от принятых в существующих методиках, представляется в виде ломанной, каждый участок которой является прямолинейным отрезком, совпадающим с осью водовода. При определении объема расчетного участка его концами считаются точки пересечения уровней воды с осью участка водовода. Предусматривается использование сопротивления вместо коэффициента £ Суммарное сопротивление при опорожнении 5" складывается из следующих сопротивлений: - устройства впуска воздуха, - заполненной части участка водовода, Зв -выпуска, 5С - сбросного трубопровода,

Рассматриваются три случая опорожнения водовода: с выпуском в концевой точке, в промежуточной и с несколькими выпусками.

Процесс опорожнения участка водовода через выпуск расположенный в его концевой точке (рис. 4а), представляется в следующем в виде:

/

<й = — сЬ;, (5)

Я

н N0,5

• ■ (6)

где г - время опорожнения расчетного участка, с; / - площадь сечения водовода, м2; - расход воды, м3/с; х ~ продольная координата, отсчитываемая от начала участка, м; Я — напор, м; 5 - гидравлическое сопротивление, с2/м5.

Величины Я и Б зависят от расстояния между рассматриваемым сечением и начальной точкой расчетного участка водовода

Н = Нн- гх, (7)

^ = Ах, (8)

где Ни и ¿>и - начальные значения напора и суммарного сопротивления при опорожнении; г - уклон расчетного участка водовода; А — удельное сопротивление расчетного участка водовода, с2/м6.

Для решения системы уравнений (5) и (6) и определения времени опорожнения каждый участок водовода разбивается на К равных частей. Тогда

= (9)

К

где Ьп - длина п-го участка.

Время опорожнения для каждого т-го сечения п-го участка определяется по выражению:

^71,171 + 1 ~

+ 0,5

/п

/п

н.

\0,5

(±Г,

71, ТП

(Ю)

(И)

н.

П,™ = Яя -

(12)

'п,тп~~п АпГП<1х, (13)

где Нп - срабатываемый напор на отметке начала п-го участка;

- суммарное сопротивление заполненного водовода с начала п-го участка; гп - уклон п-го участка водовода; т=0, 1, 2, ... , К

Расчет этого случая осуществляется в соответствии с разработанной программой "Сброс 1", блок-схема которой приведена на рис. 5.

При выпуске воды в промежуточной точке водовода (рис. 46) расчет осуществляется в два этапа. На первом этапе полагается, что вначале опорожняется более высокая ветвь водовода (индекс 1 на рис. 46) до тех пор, пока отметка уровня воды в ней не станет равной отметке воды во второй более низкой ветви водовода (индекс 2 на рис. 46). До этого момента расчет осуществляется по схеме, описанной выше. Как только отметка уровня воды в первой ветви сравняется с уровнем воды во второй ветви, начинается совместное опорожнение обеих ветвей. За время вЛ объем воды через обе ветви составит

<21сИ = Ъ<1х, (14)

= /2сгх. (15)

Соотношение между расходами в ветвях водовода будет

равно

(¿2 _ ©2^2

р

(16)

При расчете учитывается, что расход воды через выпуск и сбросную линию составит

=(¡¿1+0), (17)

а потери напора в них будут равны

(£в+£сХ1+/?)2<^. (18)

Уравнение напора в первой ветви при совместном опорожнении имеет вид

(19)

где

^=(£„+5,.)+ (53 + ^X1 +/О*. (2°)

Подставив в (11) 31п1т вместо 5'Г1)Щ, получим систему уравнений для расчета времени совместного опорожнения двух ветвей водовода, аналогичную случаю опорожнения через концевой выпуск. Расчет этого случая осуществляется в соответствии с разработанной программой "Сброс 2", блок схема которой приведена на рис. 6.

Для случая, представленного на рис. 4в, опорожнение водовода на первом этапе происходит совместно через оба водо-выпуска до тех пор пока уровень воды не сравняется с максимальной отметкой водовода после промежуточного водовыпуска. Процесс опорожнения водовода в этом случае представляется в

следующем виде:

Ях = (5Л + + (£В1 + 5С1)д,2, (21)

Н2 = (5Л + (22)

«З^Ог+Зз. (23)

где Н) и Яг - срабатываемые напоры для промежуточного и концевого выпусков; Б-п и $тз - сопротивление первого и третьего участков водоводов; Зщ и б'дг - сопротивление первого (промежуточного) и второго (концевого) водовыпусков; и

- сопротивления первой и второй сбросных линий; <21, <Эг и 'Эз ~ расходы на участках 1, 2, 3.

Решения уравнений (21), (22), (23) позволяет найти время

Д° границы раздела (максимальная отметка после промежуточного водовыпуска). Для расчета этого случая разработана программа "Сброс 3", блок схема которой приведена на рис. 7. Далее опорожнение водовода осуществляется на двух отдельных участках с промежуточным и с концевым водовыпуском. Расчет этих участков осуществляется по описанным выше методикам.

В распечатке окончательных результатов расчета приводится полное время опорожнения, величины скоростей движения воды по всему участку, рекомендуемые диаметры клапанов для впуска воздуха и изменение давления по профилю водовода при заданных размерах водовыпуска и сбросной линии.

Рассматриваются расчетно-теоретические исследования, выполненные с использованием разработанных методик. Описываются ремонтные участки на ЮВС, принятые для проведения этих исследований. Для различных расчетных схем приводится порядок подготовки исходных данных, включающих: характеристики трубопроводов, устройств для впуска воздуха и выпуска воды и рельефа местности.

Приводятся примеры расчетов при различных размерах водовыпусков и сбросных линий. Показано, что анализ сопоставительных расчетов позволяет обеспечить оптимальный выбор размеров устройств для впуска воздуха и выпуска воды при заданном ограничении по времени опорожнения.

Предложена схема установки по впуску воздуха в трубопроводы крупных диаметров систем водоснабжения.

Приводятся результаты расчетов по существующей методике, сопоставления которых показывают, что время опорожнения по приближенному методу явно занижено.

Отмечается, что окончательный выбор оптимальных размеров КВЗВ необходимо осуществлять на основании сопоставительных расчетов по опорожнению ремонтных участков и гидравлического удара системы.

Указывается, что разработанные методики были использованы при проектировании ремонтных участков на ЮВС.

В четвертой главе дано описание экспериментальных исследования по дехлорированию воды методом фильтрации через сульфоутоль и излагается предлагаемая технология по дехлорированию сбрасываемых вод из водоводов.

Целью эксперимента являлось определение ряда гидравлических данных и показателей, требуемых для проектирования передвижной установки по дехлорированию сбрасываемых вод.

В первую очередь определялась взаимосвязь таких параметров как концентрация активного хлора на входе и выходе скорость фильтрирования, высота загрузки (сульфоугля), ее расширение и эффективность дехлорирования. При этом необходимо было учитывать, что из условия транспортированш высота загрузки установки ограничена, но она однако, должш исключить проскок хлора.

Описывается методика проведения экспериментов. Иссле дования проводились на Московской водопроводной воде с до бавлением в нее определенного количества активного хлора 1 виде гипохлорита натрия с получением концентрации в исход ной воде 38...60 мг/л.

Фильтрование осуществлялось снизу вверх на стеклян ных колонках с высотой загрузки 1 м. При исследованиях ско рость фильтрирования изменялась в пределах от 4,5 до Юм/» Отбор проб производился через установленные промежутк времени и анализировался на остаточный активный хлор йоде метрическим методом. Результаты исследование обрабатыва лись статистическими методами.

По экспериментальным данным строилась зависимость эффективности дехлорирования от количества пропущенной воды. Результаты экспериментов показали, что при данных условиях эффективность дехлорирования не ниже 99%.

Приводятся также результаты экспериментов по динамике дехлорирования в тех же условиях, но с большей скоростью фильтрирования: У=25...30 м/ч.

Экспериментально подтверждено, что при кратковременной работе (до 10 часов) можно осуществлять дехлорирование и с большей скоростью без снижения эффективности.

Далее определялась зависимость эффективности дехлорирования воды с использованием сульфоугля от длительности работы колонок. Испытания в течении 30 дней на данной установке также подтвердили эффективность дехлорирования этим методом, которая была не меньше 98%.

Приводятся результаты экспериментов по определению расширения сульфоугля от скорости фильтрации и степени измельчения сульфоугля в процессе дехлорирования.

Отмечается, что в соответствии с результатами экспериментальных исследований была разработана опытная передвижная установка по дехлорированию сбрасываемых вод при дезинфекции трубопроводов.

Эта установка показана на рис. 8. На прицепе серийного производства размещается дехлоратор, представляющий собой резервуар размерами 3000x1700x1700 мм, гуммированный изнутри резиной, на дне которого размещается трубчатая распределительная система большого сопротивления и слой поддерживающий загрузки из гравия, поверх которого укладывается сульфоуголь высотой 1 м. Рекомендуемая скорость фильтрации 10 м/ч. Расширение загрузки (сульфоугля) при этой скорости составит »50%. Хлорная вода из дезинфицируемого трубопрово-

да подается в дехлоратор, где осуществляет движение снизу вверх. При этом в "кипящем" слое из сульфоугля (высотой «1,5 м)происходит освобождение от активного хлора. Очищенная вода отводится по сбросным желобам в боковой карман и далее в сбрасываемый трубопровод.

Рассматриваются технические решения по подключению передвижной установки к ремонтным участкам.

Заключение

Выполненный обзор современного опыта строительства протяженных водоводов крупных диаметров привел к выводу о необходимости:

- усовершенствования существующей методики расчета переходных процессов;

- разработки методики расчета опорожнения ремонтных участков;

- выбора метода и разработки технологии дехлорирования сбрасываемых вод при проведении дезинфекции трубопроводов.

В работе сформулирована математическая модель гидравлических переходных процессов в напорных системах водопо-дачи, учитывающая сброс воды через разрывные тонколистовые мембраны при увеличении давления сверх заданного вследствие выключения насосных агрегатов. Для возможности практического решения задач внесены дополнения в существующую методику расчета переходных процессов, позволяющие проводить расчеты при использовании в качестве средства защиты разрывных тонколистовых мембран и с большим количеством противоударной арматуры. Проведенные расчетно-теоретические исследования с использованием усовершенствованной методики показали эффективность действия разрывных тонколистовых мембран, а также возможность определения

влияния гидравлического сопротивления сбросной линии мембраны и выбора оптимального диаметра мембраны. По результатам расчетов разработаны рекомендации по защите напорных водоводов Южной водопроводной системы г. Москвы от недопустимых повышений давлений при переходных процессах.

Разработана методика расчета опорожнения ремонтных участков с выпуском в конце, в промежуточной точке и несколькими выпусками, положенная в основу программы "Сброс" для персональных компьютеров. Предложенная методика наиболее приемлема для водоводов большой протяженности и крупных диаметров, так как учитывает влияние рельефа местности, суммарное сопротивление аэрационного клапана, заполненной части участка водовода, выпуска и сбросного трубопровода, а так же определяет величину возможного вакуума по профилю и позволяет обеспечить выбор оптимального диаметра устройств при заданном ограничении по времени опорожнения. Предложено окончательный выбор оптимальных размеров КВЗВ осуществлять на основании сопоставительных расчетов по опорожнению ремонтных участков и гидравлических ударов в напорных системах водоподачи. С помощью разработанных методик и программ подготовлены рекомендации по оснащению ремонтных участков выпусками и КВЗВ на Южной водопроводной системе г. Москвы. Предложена схема установки устройств по впуску воздуха в трубопроводы систем водоснабжения крупных диаметров.

Наиболее перспективным методом дехлорирования сбрасываемых вод в технологическом, экономическом и экологическом отношениях является метод дехлорирования сульфоуглем. Полученные результаты гидравлических исследований позволили разработать опытную передвижную установку для дехлорирования сбрасываемых промывных вод. Опытная установка рекомендована для использования на Южной водопроводной

системе г. Москвы. Предложены технологические решения по дехлорированию сбрасываемых промывных вод из водоводов с использованием передвижной установки.

По содержанию диссертации опубликованы следующие работы:

1. Гидравлический расчет устройств для впуска воздуха и выпуска воды при опорожнении водоводов // Современные проблемы водного хозяйства и природообустройства: Тезисы докладов научно-технической конференции МГУП. М.: МГУП, 1.9.97, с. 87.

2. Метод расчета опорожнения водоводов // Водоснабжение и санитарная техника, 1997, №6, с. 20...22 (в соавторстве).

Присваивание Фц^Фким-

Чтение признаков противоударной арматуры

нет

Расист граничных шачсшЛ

напора Ну расхода через мембрануОш.ц волны изменения напора уц

Расчет граничных значений | напора Нц |

расхода через хемирану Отл] волн гомсксгаи напора п од |

Рис. 1. Блок -схема расчета переходных процессов при установки на трубопроводах разрывных мембран.

Ни

■ 210

12 П 10 9 87654321 0

Рис 2 Продольный профиль по трассе волоподачилинии максимальных и минималънък напоров без средств защити н при установке КВЗВ и разрывных мембран:

1-продольный профиль по трасс? зодопславл {очерелп зодо-ухорз ЮВС.

2- пьезометрическая линяя напоров срисТЗшюнарном режиме, ЗиЗ-Нмахс к Нмин без средств зашгги.

4к4Жмзгес и Нмкн с №3?й;

5н5 -Нмахс и Нмин с КВЗВ и мембраной ¿¡и.

Рис 3 Изменения давлении в водоводах ЮВС на рассгоянии29А0 м от

начальной га«и при отключении насосов : 1-давление в водоводе без средств защиты, 2-давление в водоводе с КВЗВ; Здааление в водоводе с КВЗВ и разрывными мембранами (5=4 с7 и1), 4-дааление а водоводе с КВЗВ и разрывными мембранами 10 с1/«/).

Рис.Расчетные схем« для определения времени опорожнения водоводов

/, 2, 3 - участки водоюдов; — диаметр выпуска

асды и сбросной Линии; /Сдр м длина выпуска воды и сбросной линии -^расчетная схема используемая ранее.

Рис. 5 -Блок схгма программы расчега споро;кн«ния вояовола через концевой выпуск.

Вася исссшшх данных.

Рис. 6.Блок-схема программы расчета опорожнения водовода через промежуточный аодоаыпуск.

Рис. 7 Блек схема программы расчета опорожнения водовпда через промскутзчньй и концевой гыпускл.

1-Х

-I -.11

Нг-//—

9"

1

<*>с •1'. • /»V

:• *. ''. '• :

ч

1 ТТ/ы, « п ?- ГА -

г ^ С*Л0ртг*р 9000*000 *'Г0О,

3

ь

£ ( £ "и .

X га/» А .

#

? Рас* о даъбр.

А»

//

гг

/а

»

'Г

«/К

Рис. в . Схема передвижной установки дехлорирования воды пуд-1500