автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование обеспечения потребителей водой с учетом надежности водопроводных систем подачи и распределения воды в условиях Вьетнама

На правах рукописи

Фам Ха Хаи

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ВОДОЙ С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ ВОДОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ПОДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ В УСЛОВИЯХ ВЬЕТНАМА

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

11 ИиЯ 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2015

005564498

005564498

Диссертационная Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Дерюшев Леонид Георгиевич

Официальные оппоненты:

Карамбиров Сергей Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А.Тимирязева», профессор кафедры «Информационных технологий в строительстве». Чупин Виктор Романович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет», директор института «Архитектуры и строительства», заведующий кафедрой «Городское строительство и хозяйство».

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Научно-

исследовательский институт коммунального

водоснабжения и очистки воды» (ОАО «НИИКВОВ») г. Москва

Защита состоится «1» декабря 2015 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.138.10, созданного на базе ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, ул. Ярославское шоссе, д. 26, ауд. №9 «Открытая сеть»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» www.mgsu.ru

Автореферат разослан _ЛТ) 2015 года

Учёный секретарь диссертационного совета

Гогина Елена Сергеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Во Вьетнаме, в силу сложившихся тенденций по охране окружающей среды, сокращению запасов пресной воды, повышению санитарно-технического обслуживания населения страны питьевой водой и износа водопроводных сооружений, повысилась потребность в строительстве и восстановлении инженерной инфраструктуры (систем подачи и распределения воды, очистных и водозаборных сооружений). Оптимальность проектных решений строительства или реконструкции объектов водоснабжения оценивается по критерию приведенных затрат П=Е К+Э, учитывающему годовые капитальные (К) и эксплуатационные затраты (Э). Величина затрат Э складывается не только из плановых расходов на материалы, электроэнергию, топливо, заработную плату, но и затрат, которые возникают при отказах водопроводных сооружений. Отказы сооружений, как случайные события, обуславливают перерывы и снижение подачи воды ниже допустимых пределов. Общеизвестно, что устранение последствий от подобных событий (связанных с ухудшением санитарно-гигиенических условий жизни людей, с нарушением пожарной, градостроительной и экологической безопасности) требует материальных и трудовых затрат, многократно превышающих плановые. Исключение подобных нежелательных событий в период эксплуатации водопроводного объекта возможно, если на стадии его проектирования предусматриваются мероприятия необходимые для обеспечения заданного уровня надежности. Очевидно, что комплекс мероприятий по обеспечению надежности объекта должен быть оптимален и обоснован количественно. В связи с этим во Вьетнаме и России определены приоритеты направлений по совершенствованию проектной документации и требования к их содержанию. Во Вьетнаме за образец принимаются стандарты России, которые по уровню систематизации и взаимосвязи правил проектирования объектов не имеют' аналогов в мире.

Правительство РФ приняло Постановление от 16.02.2008 г. №87 «О составе разделов проектной документации и требования к их содержанию» и Постановление от 5 сентября 2013 г. №782 «О схемах водоснабжения и водоотведения», в которых приводятся указания о необходимости количественной оценки надежности проектируемых объектов. Одним из направлений совершенствования проектной документации является формирование количественных оценок надежности проектируемых и эксплуатируемых сооружений систем водоснабжения и водоотведения.

В действующих сводах правилах России и Вьетнама по проектированию водопроводных объектов требования по оценке надежности водопроводных сооружений отсутствуют по ряду причин:

- наличия предубеждений к применению методов теории надежности в практике проектирования систем водоснабжения;

- ведомственных ограничений по формированию ретроспективной информационной базы по отказам и восстановлению водопроводного оборудования и сооружений;

- отсутствия математического и программного обеспечения для обоснования моделей надежности водопроводных объектов.

Неудовлетворительное состояние методического и нормативного обеспечения в области надежности систем водоснабжения Вьетнама не означает, что государственные и частные компании страны не предусматривают мероприятий, направленных на повышение качества обеспечения потребителей водой. В соответствии с постановлением министерства строительства Вьетнама № 16/2()08/<31>ВХО от 31/12/2008г. «О разработке положений по обеспечению безопасности водоснабжения» комитеты городов, советы провинций и местные организации приняли активное участие в реализации намеченных мероприятий. Благодаря их усилиям достигнуты существенные успехи по бесперебойному обеспечению жителей Вьетнама питьевой водой. Выполнены первоочередные работы по реконструкции изношенных групповых трубопроводных систем. Тем не менее, несмотря на разнообразие мероприятий по совершенствованию систем водоснабжения Вьетнама, эти усилия не были должным образом классифицированы и оценены количественно.

Во Вьетнаме износ большей части городских трубопроводов превышает 50% и нарастает с каждым годом. Более половины трубопроводов выработали амортизационный срок и требуют полной замены. Утечки воды из водопроводных сетей достигли 40% . В сложившихся условиях возникла потребность в неотложных мерах по восстановлению водопроводных систем Вьетнама и оценке их оптимальности.

Основным источником информации о техническом состоянии систем водоснабжения служат статистические данные о количестве повреждений и сроках службы составных их сооружений. По ним, зачастую экспертно, и принимаются решения о необходимости проведения реконструкции или капитального ремонта ведомственного объекта. Экспертные заключения не всегда могут быть объективны. Наличие методов оценки материальных и энергетических затрат по обеспечению мероприятий подачи и распределения воды потребителям позволит эффективно принимать инженерные решения. В этой связи можно допустить, что выбранные направления и цель исследований актуальны.

Степень разработанности диссертационного исследования. Настоящие исследования базируются на данных по эксплуатации сооружений и оборудования систем водоснабжения Вьетнама и России, результатах анализа нормативных документов по проектированию, строительству и эксплуатации водопроводных сооружений, фундаментальных теоретических положениях в области теории надежности систем водоснабжения и математической статистики, которые формировались учеными России и зарубежных стран.

На решении теоретических вопросов надежности водопроводных объектов акцентировалось внимание исследователей России, Вьетнама, Германии, Англии и других стран мира с 70-х годов прошлого столетия, но, как правило, не с системным подходом оценки надежности комплекса сооружений, а с обособленным элементным их рассмотрением. Отсутствие систематизации подобных исследования не позволило утвердить нормативные требования по надежности и обосновать критерии эффективности объектов водоснабжения.

Целью исследования является разработка и обоснование предложений по формированию требований надежности, эффективности систем подачи и распределения воды, которые послужили бы базой при составлении сводов правил по проектированию и строительству систем водоснабжения Вьетнама.

Достижение поставленной цели в диссертации предопределило решение следующих основных задачи:

1. Анализ условий функционирования и эксплуатации действующих систем подачи и распределения воды, нормативных требований по оценке надежности систем водоснабжения Вьетнама, на стадии проектирования и эксплуатации.

2. Сбор и анализ статистических данных о надежности сооружений и оборудования систем подачи и распределения воды Вьетнама.

3. Разработка математических моделей надежности сооружений систем подачи и распределения воды Вьетнама.

4. Оценка надежности сооружений систем подачи и распределения воды Вьетнама.

5. Выбор и обоснование критериев эффективности водопроводных объектов.

Объект исследования. Действующие системы подачи и распределения воды

Вьетнама, с учетом их специфики и условий эксплуатации.

Предмет исследования. Нормы и показатели надежности сооружений систем подачи и распределения воды Вьетнама, критерии эффективности водопроводных объектов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Обоснована математическая модель надежности системы подачи и распределения воды.

2. Обоснованы количественные показатели надежности труб и трубопроводов.

3. Получена количественная оценка надежности действующей системы подачи и распределения воды Вьетнама, насосных станций, насосных установок, трубопроводов.

4. Разработаны предложения по формированию требований надежности при проектировании и строительстве сооружений систем подачи и распределения воды Вьетнама.

5. Обоснованы предложения по нормированию расходов воды на тушение пожаров объектов с зонными системами водоснабжения.

6. Разработана методика оценки эффективности водопроводных объектов с учетом затрат на строительство и эксплуатацию, а также показателей их надежности.

Теоретическая значимость. Исследования нормативных документов, статистических данных и существующих математических моделей надежности водопроводных объектов позволили разработать модель надежности системы подачи и распределения воды. Обосновать, что надежность труб и трубопроводов необходимо оценивать показателями долговечности на этапах их изготовления, проектирования, строительства и эксплуатации.

Практическая значимость. Разработанные предложения по формированию нормативных требований надежности систем подачи и распределения воды, методики по оценке надежности водопроводных сооружений, позволят

объективно принимать оптимальные решения при проектировании и строительстве объектов водоснабжения Вьетнама. Внедрение предложений по нормированию расходов воды на тушение пожаров объектов с зонными системами водоснабжения повысит защиту населенных пунктов от пожаров.

Методология и методы исследования. Диссертационные исследования базируются на методологии решения задач с использованием методов математической статистики, теории вероятностей, математической теории надежности и исследования операций.

Внедрение результатов исследований: разработанные рекомендации по нормированию надежности, проектированию, строительству, эксплуатации систем водоснабжения внедрены в практику строительства и проектирования водопроводных объектов производственного объединения ООО «Члены Водоснабжения Дананга ОАХУАСО» г. Дананг Вьетнама.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Математическая модель и оценка надежности трубопровода.

2. Математическая модель и оценка надежности системы подачи воды Вьетнама.

3. Предложения по нормированию надежности при проектировании и строительстве систем подачи и распределения воды Вьетнама.

Апробация работы

Теоретические и статистические результаты исследований обсуждались:

- на научно-практической конференции, посвященной памяти академика РАН С. В. Яковлева. Москва, МГСУ, 15-16 марта 2012 года. Тема доклада: «Совершенствование обеспечения потребителей водой с учетом надежности водопроводных сетей в условиях Вьетнама»;

- на пятнадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности» Москва. МГСУ, 25-27 апреля 2012 года. Тема доклада: «Повышение качества функционирования систем подачи и распределения воды в современных условиях Вьетнама»;

- в отделе водоснабжения «Института противопожарной обороны ВНИИ МЧС России (ВНИИПО)» г. Балашиха., ВНИИПО, 2014 г. Тема: «Предложения по нормированию расходов воды на тушение пожаров объектов с зонными системами водоснабжения».

Результаты работы внедрены в практику проектирования водопроводных объектов Вьетнама.

Основные результаты диссертации, опубликованы в шести работах, пять из которых опубликованы в изданиях перечня ВАК РФ.

Личный вклад соискателя заключается в организации сбора статистической информации по эксплуатации сооружений и оборудования систем водоснабжения Вьетнама, в обработке методами математической статистики и теории вероятностей полученных данных, в обосновании оценки надежности действующей системы подачи и распределения воды Вьетнама; в обосновании предложений по нормированию требований надежности при проектировании и строительстве сооружений систем подачи и распределения воды Вьетнама,

расходов воды на тушение пожаров объектов с зонными системами водоснабжения , в выборе показателей надежности труб и трубопроводов; в обосновании критерия эффективности объектов водоснабжения.

Достоверность и обоснованность научных положении, выводов и рекомендаций обеспечивается современными стандартами и правилами, которые применяются в рамках подготовки диссертационной работы, обеспечивающих необходимую точность выполнения оценок, а также апробацией и практическим внедрением результатов исследования.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 96 наименований, и приложений. Объем диссертации составляет 125 страниц основного текста, 29 рисунков, 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводятся результаты анализа нормативных требований по обеспечению бесперебойности подачи воды потребителям, которые регламентируются сводами правил (СП) по проектированию водопроводных сооружений, как в России1, так и во Вьетнаме'. В СП слово «надежность» исключено из текстов по регламентированию требований проектирования водопроводных сооружений. Но следует отметить, что понятие «надежность» включает свойство "безотказности", а, следовательно, и "бесперебойности" подачи воды, поэтому можно утверждать, что в действующих СП по сути регламентируются требования надежности водопроводных объектов. В то же время, эти требования не содержат указаний по обеспечению количественных критериев надежности сооружений, какие-либо методов количественной оценки качества функционирования объекта. Другими словами, в СП предусматривается нормирование надежности водопроводных систем и сооружений, но требование по их стандартной оценке при этом отсутствует. Разработка научно-обоснованной методики расчета показателей надежности водопроводных объектов является одной из необходимых практических задач, которая позволяет обоснованно принимать решения на стадии его проектирования, строительства или эксплуатации. Основоположник теории надежности систем водоснабжения H.H. Абрамов убедительно доказал, что надежность водопроводного объекта не абстрактный показатель, а критерий, по которому необходимо оценивать его качество функционирования на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации.

Как показали настоящие исследования, применение методик оценки надежности водопроводных сооружений на стадии их проектирования позволит

1 СП 31.13330.2012. Свод правил. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения «Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84» М„ 2012. - с.2-82.

2 TCVN 33-2006. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Water Supply - Distribution System and Facilities -Design Standard, (утв. от 17.03.2006 № 06/2006/QD-BXD) Vietnam.. 2006,- C.2-80.

исключать сложившиеся противоречия в требованиях СП 31.13330.2012 по нормированию количества резервных насосных агрегатов на насосных станциях в зависимости от их надежности, требований потребителей по бесперебойности подачи воды, схем переключений насосных установок, а также по нормированию расходов воды на тушение пожаров в зонных системах водоснабжения.

В примечании 2 табл. 1 п. 5.1 СП-8.13130.2009 , как дополнение к требованиям СП 31.13330.2012 указывается, что количество и нормы расхода воды на тушение пожаров в зонных системах водоснабжения необходимо принимать для каждой зоны отдельно, в зависимости от количества жителей проживающих в ней, а не всего города. И ниже, в примечании 4 п. 5.1 СП-8.13130.2009, указывается: «Для группового водопровода количество пожаров и расходы воды необходимо принимать в зависимости от общей численности жителей в населенных пунктах, подключенных к водопроводу». По сути, групповой водопровод это та же зонная система, только разделенная на элементы (зоны) не по принципу обеспечения допустимого давления в трубопроводах, а по признакам размещения на местности и условиям работы регулирующих емкостей, водоисточников и насосных станций. Расчеты показывают, что принятие расходов воды в системах зонного водоснабжения по существующим требованиям, занижает подачу воды на тушение пожаров в 2-3 раза и более. Только системный подход к нормированию условий и качества функционирования водопроводных сооружений, в рамках правил теории надежности, позволяет не допускать противоречивых решений на стадии проектирования объектов водоснабжения. На стадии эксплуатации водопроводных систем использование показателей надежности составных сооружений и оборудования позволяет ведомственной администрации обоснованно планировать объемы восстановительных работ, избегать аварийных ситуаций и находить ответы на следующие вопросы:

- какие критерии необходимы для программы восстановления объекта;

- как оценивать состояние объекта в соответствии с выбранными критериями;

- какая стратегия должна быть выбрана при выполнении восстановительных работ - планово-предупредительная или выжидательная, когда ремонт начинается в связи с возникшей необходимостью;

- какие методы использовать для восстановления - обновление или замену. Во второй главе приводится анализ существующих методов оценки и

моделей надежности систем подачи и распределения воды и обосновывается оптимальный из них.

С точки зрения теории надежности система подачи и распределения воды состоит из трех последовательных элементов: технологической системы насосной станции (ТСН), водоводов и распределительной сети. Показателем надежности каждой из i составляющих данной системы является Pt(t) - вероятность безотказной работы за время t.

Так как P(t) рассчитывается для экстремальных ситуаций в условиях установившегося режима эксплуатации системы подачи и распределения воды, допускается, что Pit) —> Р, const,

а для системы из последовательных элементов Р£= РгР2 Рз■

Если учесть, что каждое из составляющих сооружений системы подачи и распределения воды является сложным объектом, то, в свою очередь, оценка его надежности должна выполняться как для системы, состоящей из отдельных элементов. Это условие должно соблюдаться и при оценке надежности водоводов, труб и трубопроводов.

Традиционно надежность трубопровода связывали с его безотказностью, которая оценивалась следующими показателями X - интенсивностью отказов за интервал времени Аг = 1 год трубопровода удельной длины £ = 1 км, без привязки к понятию элемента системы. Та - средней наработкой на отказ. Виртуально элемент трубопроводной системы как-бы существует, но представить его невозможно или нет необходимости в этом.

Параметр трубопровода Л длиной Ь оценивался по зависимости:

Л = Ы, (1)

где X - интенсивность отказов, 1/год-км.

Здесь просматривается закономерность того, что с увеличением Ь -возрастает и Л.

Согласно нормативным требованиям по выбору показателей надежности объектов в технике (СП «Проектирование и строительство напорных сетей водоснабжения и водоотведения с применением высокопрочных труб из чугуна с шаровидным графитом») основным показателем надежности трубопровода должен быть Та, средний срок службы, т.е. показатель долговечности. Исторически сложилось, что во всех отчетных и плановых документах качество труб и трубопроводов оценивалось сроком службы Гсл. В соответствии с нормами амортизационных отчислений 3, на государственном уровне, сроки замены труб назначались с учетом показателя Гсл. для каждого вида трубопроводов. Если в качестве основного показателя надежности труб и трубопроводов принимать интенсивность отказов X, с размерностью 1/год-км, то потребительское свойство трубы невозможно будет оценить. Например, если длина трубопровода Ь = 5 км, Х= 0,5 ч-0,93 1/год-км, как это часто приводится в отчетной документации, тогда

Т — = 0,4 + 0,2 года; если Ь = 5 м, Та = 400 ч- 215 лет; если Ь = 1 м, - Т„ = 2000 ч° ЛЬ

1075 лет и т.д. Возникает вопрос, какой срок службы у данного трубопровода? Решить сложившееся противоречие можно, если надежность труб и трубопроводов оценивать по показателю долговечности - Гсл.. Из теории надежности известна теорема, согласно которой у объектов с большим числом последовательных элементов, отказы возникают по причине износа, средняя наработка на отказ и средний срок службы совпадают, т. е. время нахождения объекта в работоспособном состоянии объективно зависит от его качества. Возникновение же ситуаций, случайного воздействия (при нарушении правил строительства, стихийных бедствиях, взрывах, диверсиях и т. д.), при которых объект отказывает, непредсказуемо. Частота непредсказуемых ситуаций,

3 Нормы амортизационных отчислений на полное восстановление основных фондов народного хозяйства СССР // Постановление Совета Министров СССР 22 .10.1990 г.

очевидно, зависит от длины трубопровода. Но тогда целесообразно весь поток отказов разбивать на составляющие Я = \ + Я1, где \ - интенсивность отказов, обусловленная старением труб, Я1 - интенсивность отказов из-за ситуаций, которые не связаны с качеством труб. Потоки отказов второго вида не подчиняются законам теории вероятностей, они детерминированы. Чтобы их минимизировать предусматриваются специальные мероприятия: устанавливаются датчики контроля (как на трубопроводы с ППУ), предусматривается временное резервирование трубопроводов (допускается снижение подачи воды на время устранения неисправности) и т.д. По заключению инженеров Мосводоканала, результатам анализа статистических данных о ремонтах трубопроводов систем водоснабжения Вьетнама существует закономерность: «из общего числа повреждений аварии, в результате которых была прервана подача воды потребителям на недопустимое время, в среднем составляет не более 12 %». Поэтому если исходить не только из теоретических, но и практических соображений, то целесообразно надежность труб и трубопроводов оценивать показателем долговечности Тел.- средним сроком службы, а за элемент трубопровода принимать - ремонтный участок, смонтированный из однородных видов труб.

При исследовании надежности технологических систем (ТСН) насосных станций было установлено, что вероятность безотказной работы P(t) технологической системы (ТСН) насосной станции с практической достоверностью можно оценивать, применяя метод интегральных уравнений для восстанавливаемой системы со скользящим резервированием (А.Д. Соловьева). Этот метод позволяет, при допущении постоянства X—>со и и для каждого элемента системы ТСН на интервале времени [f, t+т], при t—>00, где со и ц — параметр потока отказов и интенсивность восстановления элемента, определять значением целевой функции Р(т) на таком отрезке времени [t, t+т], на котором ее отказ имеет наибольшую вероятность, а Р(т) -> min.

Модель надежности ТСН можно представить в виде схемы (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема надёжности ТСН при условии: X =соп51, |л=соп$1:, г= 1, т> 1, п> 1 Элементом системы ТСН является насосная установка (рисунок 2).

Рисунок 2. Элемент системы ТСН - насосная установка Система ТСН непрерывно работает на отрезке времени [0, г] и восстанавливается одной ремонтной единицей г= 1. Среднее время восстановления элемента Тв. Ремонтная единица может восстанавливать не более 1 элемента за время т. В момент г, система включается в работу: т элементов функционируют, п элементов, находясь в холодном резерве, ждут своей очереди. В момент времени С, + Дс, когда один элемент отказывает, включается в работу резервный элемент, а отказавший элемент ставится на восстановление. Система функционирует, но ее надежность снижается на величину ЛР,.

В третьей главе приведены результаты обработки статистических данных о надежности оборудования и сооружений систем подачи и распределения воды городов Вьетнама. Основным источником информации о надежности технологического оборудования систем ТСН (данные о наработках между отказами, о времени восстановления, о режимах работы и т.д.) являются данные по эксплуатации этого оборудования на действующих насосных станциях систем водоснабжения. Нормативная информация по надежности оборудования насосных станций (электродвигателей, запорной арматуры, насосов) весьма ограничена. Остановки насосной установки на ремонт принято классифицировать как плановые и внеплановые (внезапные). При сборе искомой информации отмеченная классификация принималась как условная, не влияющая на формирование выборок из генеральной совокупности статистических данных. За отказ насосной установки принималось событие, при котором она останавливалась на вынужденный ремонт. Ремонт считается вынужденным, если при восстановлении насосной установки заменяются ее детали и узлы, или, если остановка насосной установки на ремонт возникла из-за необходимости изменения конструктивных параметров ее оборудования.

Собранные данные о надёжности оборудования и сооружений систем подачи и распределения воды Вьетнама обрабатывались методами математической

статистики. Проверка однородности данных проверялась по критерию

-(2)

наол — -7 ' 4 '

иР,2,

где р] = — ^ . - оценка вероятности попадания в / -й разряд; — 1 '"

= —1 - оценка вероятности попадания в г -й ряд;

г!* , - число данных из; -го ряда, попавших в] -й разряд;

п - объем выборки; а - уровень значимости; т - число рядов; К - число разрядов.

Нулевая гипотеза, Н„ о распределении наработки между отказами насосной установки (элемента ТСН) по закону Вейбулла проверялась по критериям Барглетта А/ и Фишера ^ с уровнем значимости а =0,05. На рисунке 3 приведен пример графика плотности распределения наработки между отказами элемента ТСН по закону Вейбулла

ч6-1 (х-с)"

а\ а

(3)

- показатель масштаба:

где а = — Чь S_

С = X — аК1 Kh, чь b

Большова в зависимости от асимметрии

4

f(t) х Ю-4

- среднее квадратическое отклонение = Xг от Т0 = X;

- показатель сдвига;

- коэффициенты, принимаемые по таблице Большова4;

- показатель формы, принимаемый по таблице

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 и часов Рисунок 3. Плотность распределения наработки между отказами элемента ТСН. Насосная станция № 1, г. Дананг

4 Большой Л.Н. Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. - М.. "Наука". 1965. - 417.

^Р'-Щ^Р'-х)

С большей погрешностью, чем первая, может быть принята гипотеза о нормальном законе распределения наработки между отказами элемента ТСН. Доверительный интервал генеральной средней наработки между отказами элемента ТСН определялся по неравенству

(4)

где Ь - критерий Стьюдента, при уровне значимости а = 0,05 и степени свободы К - N-1.

Выполненные проверки статистического материала позволили допустить у потока отказов элементов ТСН наличие свойств стационарности

limto(0=^r

Оценки параметров потока отказов элементов ТСН

Таблица 1.

Город № насосной станции Параметр потока отказов насосной установки ш ■ 10-4[1/час|

Дананг 1 3,45

2 2,71

Хошимин 1 4,44

2 3,05

среднее по выборке 3,41

Гипотеза о законе распределения времени восстановления элемента ТСН выдвигалась на стадии построения гистограмм. Анализ статистических данных по восстановлению элементов ТСН показал, что функция плотности распределения времени восстановления каждого элемента v(x) имеет минимум при г = 0, имеет максимум и стремиться к нулю при т —» <». Такой особенностью обладает распределение Эрланга 2-го порядка, у которого плотность распределения

у(т) = (4г/гв2)-ехр(-2г/Гв), (5)

а вероятность времени восстановления определяется по формуле

V (г) = J (4г/гв2 ) • ехр(-2г/Гв)^г. (6)

о

Пример гистограммы плотности распределения времени восстановления элемента ТСН после отказа приведен на рисунке 4, а интервальные значения времени восстановления Тв в таблице 2.

Рисунок 4. Плотность распределения времени восстановления элемента ТСН после отказа. Насосная станция № 1, г. Дананг

Таблица 2.

Интервальные оценки времени восстановления элемента ТСН

Город № насосной станции Оценки времени восстановления после отказа. Оценки времени простоя на профилактике

Т в.ниж Т 1 в.верх Т в.пр.ниж т в.пр.верх

Дананг 1 142 172 110 134

Хошимин 2 91 131

среднее по выборке 134 158 106 130

Т > Т в ' в.пр

В четвертой главе на примере объекта водоснабжения г. Дананга изложена методика оценки надежности системы подачи и распределения воды.

Поскольку система подачи и распределения воды состоит из трех модулей, соединенных последовательно, то искомая оценка надежности выполняется по формуле:

^(0 = ^(0-(7) где />£ (7) =/](/)■ я2 (?) • /> (?) - оценки надежности технологической системы насосной станции (ТСН), водоводов и распределительных сетей.

Модуль или система водоводов резервируется. Резерв может быть нагруженным или ненагруженным. В системах жилищно-коммунального водоснабжения для водоводов чаше применяется нагруженный резерв. Если система имеет два параллельных водовода (рисунка 5 «а»), то

— -

1 1

Р, (0= Р2( г) =е~л"> II

а)

б)

Рисунок 5. Системы водоводов: а) с двумя трубопроводами; б) с тремя трубопроводами ее средняя наработка на отказ может оцениваться по формуле

Т0 = ]РВЛ = ]е'^Л + ]-]= - + —- '

+

(В)

При условии, что трубопроводы системы одинаковы, то средняя наработка на отказ системы водоводов будет равна

2 1113

т0=—

(9)

X 2Х X 2Х 2Х Аналогично, для системы водоводов из трех одинаковых трубопроводов, работающих параллельно (рисунок 5 «б»)

^ 1 1 1 11

(II)

X 2Х ЗХ 6Х

Для систем водоводов, работающих параллельно и состоящих из трех неодинаковых трубопроводов:

Рв (») = 1 - ^ (0 Го = 1 - (1 - ~ - е*)

1

I

1

1

(12) (13)

Наконец, для системы водоводов из п одинаковых трубопроводов, работающих параллельно

Рв(г) = 1-^(0Го=1-(1-^')(1-^')...(1-е-Х»') (14)

г0=-+—+—+...— (15)

X 2Х ЗХ пХ

Из литературы известно, что оценка надежности распределительной кольцевой сети со структурой типа «к из /г» с некоторым приближением может быть получена по формуле

Р = л(р;*;П) = 1 >'(1-РГ.

Ык V '

что эквивалентно

Р = Н(р;к;п) =---[хк~х(1 - х)п~кеЬс ,

(16)

(17)

где Р - целевая функция надежности системы;

к - число работоспособных элементов из п . Метод в общем виде изложен для случая, когда элементы системы равно -надежны и их отказы независимы. Значения Р рассчитываются на ЭВМ и требуют специальных навыков. Кроме того эти расчеты нельзя признать эффективными по достоверности оценки Р и затратам времени (например, оценка P(t) =0,7 вероятности безотказной работы кольцевой сети г. Норильска за время 1,5 месяца). Если подходить к решению задачи с практической точки зрения, то в первую очередь необходимо учесть следующие факты.

Во-первых, водопроводная кольцевая распределительная сеть строится и эксплуатируется таким образом, чтобы при отключении любого ремонтного участка сети снижение подачи воды потребителям системы не превышало нормируемых пределов (на стадии проектирования это проверяется гидравлическими расчетами).

Во-вторых, распределительные сети ремонтируются ремонтными бригадами. Количество ремонтных бригад назначается в таком количестве, чтобы на каждую ремонтную бригаду не выпадало восстановление сразу двух элементов сети (ремонтных участка). Количество магистралей, примыкающих к одному

Если допускать, что поток отказов ремонтных участков в распределительной сети обладает свойством ординарности, то рассматривая узел с магистралями по схеме, как это представлено на рисунке 6, не сложно убедиться, что вероятность отказа одного или двух элементов, выходящих из узла, в момент занятости ремонтной бригады восстановлением одного из трех или двух ремонтных участков будет ничтожно мала,(1- /5в(г))<0,01 .

Например, рассмотрим трубопроводную систему, смонтированную из труб одного вида (чугунных, стальных, или полимерных). Показатели надежности труб: срок службы - Тсл = Т„= 50 лет, интенсивность отказов - А,=2,3'10-6 1/ч.

1. Вероятность отказа подсистемы, у которой: вода поступает в узел и отводится по трем участкам (элементам):

7>1 + -и-1 = 11= " б=797 101 ч,

° X 2Х ЗХ 6Х 6-2,3-10 допустим, что время занятости ремонтной единицы восстановлением трубопровода т= 24 часа

^ (г) = 1 ■- Рй (() =:1-е* = 1-е^19™1}24 = 1 - 0,99997 =0,00013

ЛЬЕН ТЬЕУ

1РОМЫШЛЕННАЯ ЗОНА

; ТУ НАСЕЛЕННЫЙ

СЕВЕРО-ЗАПАД «ИЕННЫЙ ПУНКТ

ХАН МОСТ

ХАЙ ЧАУ

CHAU к РАЙОН

ХАНЬ СОН ПУНКТ

ХУЕ ТРУНГ

ПУНКТ

MGU H AN H 9 РАЙОН'

ЮЖНЫЙ

Деленный ^тункт

ХОА хынг

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЗОНА

2. Для случая, когда вода поступает в узел и отводится по двум участкам (элементам):

2 1113 3

■ = 652173,9 ч,

X 21 X 21 21 2-2,3-10"6

FB (0 = 1- PR {t) = l-e~h=l- HV652173'9>24 = 1-0,99996 = 0,00014 В этой связи можно допустить, что вероятность безотказной работы распределительной сети P(j) > 0,99.

Эти расчеты подтверждаются практикой и нормативными требованиями по проектированию кольцевых сетей. Уже на стадии их проектирования закладывается условие бесперебойности подачи воды потребителям при отключении одного из кольцевых участков, которое проверяется методами гидравлического расчета сети.

Изложенный метод расчета надежности водопроводных сооружений можно использовать на практике сравнительно просто и достаточно эффективно. В этом можно убедиться при оценке надежности системы подачи и распределения воды г. Дананга со схемой, представленной на рисунке 7.

ЛЬЕН ТЬЕУ РАЙОН

xi а

НАСЕЛЕННЫЙ ПУНКТ

АЭРОПОРТ О С _

г ■йЕнныИ ПУНКТ

J Дананг

л J

У t. IhOUSTRIAL Z0KE t

4-, КРАСНЫЙ JE ст ос/ :

H ПРНЧЯСКАЯ ДЕРЕВНЯ

Рисунок 7. Система групповых водопроводов г. Дананга.

- 181. Вероятность безотказной работы системы ТСН, г. Дананг, состоящей из 4 рабочих и 2 резервных элементов, у которых со =3,45-10~4 1/ч, Т„ = 172 ч:

шшГ (4-3,45-10-4-172)2

/>(г) = 1-0,148—!—-£- = 1-0,148---— = 1 - 0,0041 = 0,996

а! 2

2. Вероятность безотказной работы водоводов, г. Дананг

^628 Б^од^

1^691 Р=1200^ Ь = 2,6 км ; однотипные элементы; Т„ - Тсп - 50 лет =4,38 -105 ч;

Л= — =---= 2,2810~б км/ч

Гсл 438000

время восстановления элемента т=72 часа;

У Т0 = — =---— = 657895 ч = 75 лет

Т 2-2,28-10

1 1 =1,52-Ю-6 1/км-ч

657894 1

Оценка вероятности безотказной работы системы водоводов

Рв(Г) = е-А^ = е-0.00000152.72 =а999

3. Вероятность безотказной работы распределительной сети, г. Дананг принимается Ррс (г)=0,99

4. Тогда искомая вероятность безотказной работы системы подачи и распределения воды, г. Дананг будет равна

РХ (t) = pi (f) • р2 (0 • /з (0 = 0,996 • 0,999 • 0,99 = 0,98.

Данная оценка позволяет в дальнейшем при выполнении мероприятий по совершенствованию системы подачи вода принимать во внимание условие: П —» min, при ^,с (т)>0,98. Очевидно, если обеспеченность уровня воды в источнике водоснабжения назначается в пределах Р > 0,97, то надежность системы, обеспечивающей подачу воды потребителю, не должна быть ниже установленного предела.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1.В результате выполненных исследований обоснована и впервые была получена оценка надежности системы подачи и распределения воды жилого объекта Вьетнама.

2. Сформулированы требования по оценке эффективности водопроводных сооружений и систем подачи воды, которые необходимы при выполнении традиционных расчетов приведенных затрат и количественных показателей надежности объекта, т.е.

ГС1

п=к+£э,.,

;=1

где: П - приведенные затраты;

К - капитальные затраты;

Тсл - срок службы объекта

3. Обоснована математическая модель надежности системы подачи и распределения воды, которая объединяет насосную станцию 2-го подъема, водоводы и распределительные сети как последовательные элементы единой системы.

4. Обоснованы показатели надежности труб и трубопроводов.

Основным свойством надежности трубопроводов является долговечность. Впервые методами математической статистики и теории надежности определена установившаяся в практике связь планируемых сроков отчислений на восстановление трубопроводных систем из различных видов труб и сроков их службы.

5. Внесены предложения по изменению требований надежности при проектировании объектов систем водоснабжения Вьетнама, которые обосновывались бы не описанием принятых мероприятий, а количественной оценкой.

Предлагается, уровень надежности системы водоснабжения (ее технологической части) оценивать показателем Р (?) - вероятностью безотказной работы за экстремальный интервал времени

Нижний уровень надежности действующей системы подачи воды Вьетнама равен Р (?) >0,95.

6. Обоснованно, что при зонном водоснабжении расход воды на наружное пожаротушение и количество одновременных пожаров следует принимать в зависимости от общей численности жителей в населенных пунктах, подключенных к водопроводу. Подачу воды необходимо обеспечить для каждой зоны, а количество пожаров в ней принимать в зависимости от числа жителей, проживающих в зоне.

7. Предлагается в своде правил по проектированию систем водоснабжения в разделе по насосным станциям п. 8.3 СП 31.13330-12 дополнить: "В насосных станциях для группы насосов одного назначения, подающих воду в одну и ту же сеть или водоводы, количество резервных агрегатов следует рассчитывать и принимать с учетом их показателей надежности и условий восстановления".

Рекомендация и перспективы дальнейшей разработки: Результаты исследований могут быть использованы в качестве методологии по составлению отчетной документации эксплуатации оборудования и сооружений систем водоснабжения, формированию банка данных, необходимых для оценки показателей надежности водопроводных объектов Вьетнама. Статистические оценки надежности действующих сооружений могут послужить базой для обоснования нормативных требований по проектированию систем подачи и распределения воды и обеспечению их оптимальных уровней надежности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Фам Ха Хай. Формирование нормативных требований к системам водоснабжения Вьетнама /Дерюшев Л. Г., Фам Ха Хай, Дерюшева Н. Л.// Вестник МГСУ. 2014. - №1. - С.125-133. ■

2. Фам Ха Хай. Нормирование требований надежности систем водоснабжения Вьетнама /Дерюшев Л. Г., Фам Ха Хай, Дерюшева Н. Л.// Вестник МГСУ 2014. -№9. - С.7-21.

3. Фам Ха Хай. Нормирование расходов воды на наружное пожаротушение строений в населенных пунктах с зонным водоснабжением /Дерюшев Л. Г., Дерюшева Н. Л., Фам Ха Хай// Вестник МГСУ 2014. - №11. - С. 7-13.

4. Фам Ха Хай. О нормировании надежности труб и трубопроводов /Дерюшев Л.Г., Фам Ха Хай. // Вестник РУДН. - 2015. - №3. - С. 60-68.

5. Фам Ха Хай. О вентиляции и гидрозатворах внутренней системы канализации. /Дерюшева Н. Л., Дерюшев Л. Г., Сапухин А. А., Фам Хай Ха.// Водоснабжение и санитарная техника. - 2013. - №6. - С. 64-68.

Публикации в различных сборниках:

1. Фам X. X. Совершенствование обеспечения потребителей водой с учетом надежности водопроводных сетей в условиях Вьетнама /Фам X. X., Дерюшев Л. Г.// Яковлевские чтения: сборник докладов научно-практической конференции, посвященной памяти академика РАН С. В. Яковлева. - М. МГСУ. - 2012. - С. 234239.

CpaM Xa ХсиХ

\J I \1 Mfy Slí _ |>1шю <e¿ ivvulfu

ФОРМАТ 60x84 1/16.

2,55 п.л.

Тираж 100 экз.

Опечатано в Типографии Издательства МИСИ-МГСУ. Тел. (499) .183-67-92, (499) 183-91-44, (499) 183-91-90 129337, Ярославское шоссе, д. 26, корпус 8.