%C6wiczenie%208.doc

Ćwiczenie 8

BADANIE MODELOWE SIECI WODOCIĄGOWEJ

1. Cel i zakres ćwiczenia

              Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z  działaniem modelu pompowni i zasilanej przez nią sieci wodociągowej. Podczas ćwiczenia przeprowadzane jest m.in. badanie charakterystyki pompowni, rejestracja ciśnień i wydatków w wybranych punktach sieci bezawaryjnej lub z symulowaną awarią oraz badania charakterystyki hydrantu przy poborze wody  z jednego lub z dwóch hydrantów jednocześnie.

2.    Wprowadzenie teoretyczne

2.1. Elementy systemu wodociągowego

System wodociągowy jest to zespół urządzeń technicznych i  budowlanych służących do poboru wody z naturalnych źródeł, do jej uzdatnienia oraz do rozprowadzenia w odpowiedniej ilości i przy wymaganym ciśnieniu do mieszkańców miast i wsi, przemysłu oraz  dla celów przeciwpożarowych. Role te spełniają następujące elementy: ujęcia wody, pompownie, stacje uzdatniania, zbiorniki, urządzenia hydroforowe, sieć wodociągowa. Na rys. 8.1. pokazano schemat  systemu wodociągowego zawierającego ww. elementy.

Rys. 8.1. Schemat systemu wodociągowego (1 – ujęcie wody, 2 – stacja pomp I stopnia, 3 – stacja uzdatniania i oczyszczania, 4 – zbiorniki wyrównawcze, 5 – stacja pomp II stopnia, 6 – wieża ciśnień, 7 – hydrofornia, 8 – sieć wodociągowa,  9 – rozbiór wody)

Lokalizacja poszczególnych elementów w terenie oraz ich wzajemne usytuowanie zależą od naturalnych warunków terenowych, warunków ekonomicznych i przyjętych rozwiązań technicznych. Nie zawsze w systemie wodociągowym muszą występować wszystkie wyżej wymienione elementy. Prawidłowe funkcjonowanie systemu wodociągowego wymaga współpracy poszczególnych obiektów. W zależności od sposobu dostarczania wody ze stacji pomp II stopnia do sieci wodociągowej można wyróżnić:

a)      wodociąg grawitacyjny, w którym jest wykorzystywany spływ wody pod działaniem siły grawitacji,

b)      pompowy zwykły, w którym woda ze stacji pomp II stopnia jest dostarczana do odbiorcy,

c)      pompowo-hydroforowy, w którym woda ze stacji pomp II stopnia jest dostarczana do odbiorcy za pośrednictwem hydroforu.

2.2. Pompownie wodociągowe i przeciwpożarowe

Pompownie wodociągowe są to obiekty budowlane wyposażone w zespół pomp służących do podnoszenia wody w celu uzyskania wymaganych warunków jej przepływu w systemie wodociągowym. Jednym z elementów pompowni jest zbiornik czerpalny wody, przystosowany do poboru wody przez pompy.

Pompownie w systemie wodociągowym można podzielić na:

a)      I stopnia, zlokalizowane na ujęciach wody,

b)      II stopnia, zlokalizowane na stacjach uzdatniania,

c)      III stopnia, zlokalizowane na sieci wodociągowej.

Wydajność pompowni i wysokość podnoszenia pomp ustala się stosownie do zadań przewidzianych dla pompowni w systemie wodociągowym, określających wielkość dostawy wody i wysokość wymaganego ciśnienia, z uwzględnieniem przyjętego cyklu pracy urządzeń wodociągowych. Nominalna wydajność pompowni odpowiada umownie maksymalnej przepustowości urządzeń pompowni, to jest sumarycznej wydajności równolegle pracujących pomp roboczych, bez uwzględnienia pomp rezerwowych.

Ogólną wydajność pompowni wyznacza się najczęściej ze wzoru:

                                                                                    (8.1)

gdzie: Qd max – maksymalne zapotrzebowanie na wodę w czasie jednej doby, m3

T      – czas pracy pomp w czasie jednej doby , h.

Drugim podstawowym parametrem charakteryzującym pracę pompowni jest wysokość podnoszenia pomp. Całkowita (użyteczna) wysokość podnoszenia pomp (Hp) jest równa sumie geometrycznej wysokości podnoszenia,  wysokości strat hydraulicznych w rurociągach i wysokości ciśnienia dyspozycyjnego u odbiorcy, czyli:

   ,  m                                                        (8.2)

gdzie:               DHstr – wysokość strat ciśnienia, m

Hg     – geometryczna różnica wysokości, m

Hdysp – dyspozycyjna wysokość ciśnienia u odbiorcy, m.

Układy pompowe większości pompowni wodociągowych składają się zazwyczaj z kilku pomp połączonych równolegle podających wodę do wspólnego kolektora tłocznego. Uzyskanie nominalnej wydajności pompowni wiąże się z ustaleniem sumarycznej charakterystyki współpracujących pomp i łącznej ich wydajności. Zasady konstruowania charakterystyk dwóch pomp połączonych równolegle podano w ćwiczeniu nr 3 na str. 50 W podobny sposób ustala się parametry współpracy większej liczby pomp o jednakowych charakterystykach, których króćce tłoczne są podłączone równolegle do wspólnego rurociągu tłocznego. Równoległa współpraca pomp umożliwia regulację wydajności układu pompowego w ramach nominalnej wydajności pompowni poprzez odpowiednie ustalenie wydajności jednostkowej i liczby pomp roboczych oraz sterowanie ich pracą stosownie do potrzeb. Pompownia przeciwpożarowa powinna stanowić odrębną strefę pożarową (pomieszczenie, obiekt lub przestrzeń oddzielona od pozostałych w sposób uniemożliwiający przerzut ognia). W pompowni mogą być instalowane pompy elektryczne lub spalinowe. Pompy elektryczne powinny być zasilane odrębnym przewodem energetycznym. Jeżeli zapotrzebowanie wody do celów ppoż. przekracza

20 dm3 /s, pompy powinny być zasilane z dwóch odrębnych sieci elektroenergetycznych, stanowiących podstawowe i rezerwowe źródło energii. W przypadku instalowania rezerwowych pomp spalinowych w pompowni należy przechowywać zapas paliwa pozwalający na 4 godzinną prac pomp przy pełnym obciążeniu. W pompowniach pracujących w systemie ciągłego podawania wody należy instalować co najmniej dwie pompy, z których jedna pełni rolę pompy rezerwowej. W przypadku zainstalowania w pompowni większej liczby pomp, rezerwowa pompa powinna posiadać parametry największej z pomp. Nie jest wymagane instalowanie pompy rezerwowej, gdy ogólne zapotrzebowanie na wodę do celów przeciwpożarowych nie przekracza 20 dm3/s oraz w przypadkach, gdy pompy pozostają w stanie gotowości (nie pracują w systemie ciągłym).

2.3. Sieć wodociągowa

Sieć wodociągowa składa się z przewodów, które ze względu na ich przeznaczenie, jaką pełnią w sieci dzielimy na:

a)      tranzytowe (przesyłowe),

b)      magistralne,

c)      rozdzielcze (rozbiorcze).

Przewody tranzytowe są przeznaczone do transportu wody na znacznie odległości. Nie posiadają one odgałęzień ani nie dokuje się z nich rozbiorów wody. Służą do dostarczania wody ze stacji wodociągowej do przewodów magistralnych.

Przewody magistralne (magistrale wodociągowe) dostarczają wodę z przewodów tranzytowych do przewodów rozdzielczych.

Przewody rozdzielcze dostarczają wodę z przewodów magistralnych do punktów rozbiorów wody (podłączenia domowe, przemysłowe i inne punkty czerpalne).

              W zależności od układu przewodów w sieci, ich geometrii oraz wzajemnych połączeń sieci wodociągowe dzielimy na:

a)      pierścieniowe (obwodowe),

b)      rozgałęzieniowe (promieniste),

c)      mieszane

Na rys. 8.2, 8.3 i 8.4 przedstawiono przykładowe schematy ww. rodzajów sieci. Numerem 1 oznaczono przewody tranzytowe, numerem 2 przewody magistralne, a numerem 3 przewody rozdzielcze.

Rys. 8.2. Schemat pierścieniowej sieci wodociągowej

Rys. 8.3. Schemat rozgałęzieniowej sieci wodociągowej

Rys. 8.4. Schemat mieszanej sieci wodociągowej

W sieci rozgałęzieniowej (promienistej) poszczególne przewody tworzą odgałęzienia od przewodów magistralnych i nie są ze sobą połączone. Przepływ odbywa się jednokierunkowo. Jest to sieć hydraulicznie niekorzystna, gdyż wzdłuż poszczególnych rurociągów magistralnych nie połączonych ze sobą wzajemnie powstają znaczne spadki ciśnień, powodujące wystąpienie dużych różnic ciśnień w poszczególnych punktach sieci. Wymusza to stosowanie rurociągów magistralnych o większych średnicach niż średnice rurociągów tworzących odgałęzienia. W przypadku awarii przewodu magistralnego znaczny obszar jednostki osadniczej może być pozbawiony wody.

W sieci obwodowej (pierścieniowej) poszczególne przewody tworzą zamknięte obwody, czyli pierścienie. Przepływ w pierścieniu może odbywać się w dowolnym kierunku, zależnie od rozkładu czynnych punktów czerpalnych. Jest to sieć hydraulicznie korzystna, gdyż połączenie przewodów magistralnych i rozdzielczych stwarza bardzo dobre warunki dla przepływu wody oraz wyrównania ciśnień. W odróżnieniu od sieci otwartej, sieć zamknięta zapewnia ciągłość dostawy wody, która w razie awarii przewodu może dopłynąć do miejsca poboru inną drogą.

W praktyce spotyka się najczęściej układy mieszane, zwane sieciami pierścieniowo – promienistymi, przy czym dąży się do objęcia pierścieniem możliwie największego obszaru jednostki osadniczej, zasilając pojedynczymi odcinkami przewodów najdalsze rejony tego obszaru.

2.4. Sieć wodociągowa przeciwpożarowa. Hydranty zewnętrzne

Sieć wodociągowa przeciwpożarowa jest to sieć wyposażona w hydranty zewnętrzne, z której pobiera się wodę do gaszenia pożaru. Sieć przeciwpożarową buduje się jako sieć wodociągową obwodową. Dopuszcza się budowę sieci rozgałęzieniowej poza obszarami miejskimi i tam, gdzie zapotrzebowanie na wodę do celów przeciwpożarowych nie przekracza 20 dm3/s. Minimalne średnice przewodów wodociągowych, na których mogą być instalowane hydranty zewnętrzne powinny wynosić:

a)      100 mm w sieci obwodowej,

b)      150 mm w sieci rozgałęzieniowej i odgałęzieniach sieci obwodowej.

Sieci wodociągowe powinny umożliwiać jednoczesne pobieranie wody z dwóch sąsiednich hydrantów zewnętrznych, jeśli zapotrzebowanie na wodę do gaszenia pożaru przekracza 20 dm3/s. Hydranty zewnętrzne są to specjalnej konstrukcji zawory wbudowane w sieć wodociągową przeciwpożarową, przeznaczone do pobierania z tej sieci wody do celów przeciwpożarowych. Zgodnie z normą należy stosować hydranty zewnętrzne naziemne. Jeśli stanowią one utrudnienie ruchu dopuszcza się stosowanie hydrantów podziemnych. W sieciach wodociągowych przeciwpożarowych stosowane są następujące hydranty:

a)      DN 80 i DN 100 naziemne,

b)      DN 80 podziemne.

Generalnie należy stosować hydranty zewnętrzne o średnicy DN 80. Przy zapotrzebowaniu wody do gaszenia pożaru przekraczającym 30 dm3/s stosuje się hydranty o wielkości DN 100.

Przy ciśnieniu nominalnym 0,2 MPa na hydrancie natężenie wypływu wody  powinno wynosić:

a)      10 /s (naziemny i podziemny DN 80),

b)      15 l/s (naziemny DN 100).

Hydranty zewnętrzne powinny być rozmieszczone wzdłuż dróg i ulic oraz przy ich skrzyżowaniach. Odległość pomiędzy hydrantami nie powinna przekraczać 150 m. Poza obszarami miejskimi odległość między hydrantami powinna być dostosowana do gęstości zabudowy. Minimalna odległość hydrantu od obiektu chronionego powinna wynosić 5 m (promieniowanie cieplne).

Szczegółowe wymagania dla sieci wodociągowej przeciwpożarowej zawarte są w PN-B-02863 „Ochrona przeciwpożarowa budynków. Przeciwpożarowe zaopatrzenie wodne. Sieć wodociągowa przeciwpożarowa” z listopada 1997 r.

2.5.  Obliczanie sieci obwodowych

Do obliczeń sieci wodociągowych obwodowych stosuje się zazwyczaj metodę Crossa, będącą metodą kolejnych przybliżeń, której założenia opierają się na dwóch podstawowych prawach Kirchoffa:

1.       Suma dopływów do węzła równa się sumie odpływów z węzła, zatem w węźle sieci:

                                                                                                                                                 (8.3)

      gdzie: Qi – i-te natężenie przepływu dopływające do węzła lub z niego odpływające

                 n   – liczba wszystkich dopływów do danego węzła i odpływów z danego węzła

Przy sumowaniu dopływy do węzła przyjmuje się jako dodatnie, a odpływy jako ujemne.

2.       Algebraiczna suma wysokości strat ciśnienia w każdym zamkniętym obwodzie (oczku sieci) równa się zeru

                                                                                                                                                     (8.4)

     gdzie: Dhj - wysokość straty ciśnienia w j-tym przewodzie oczka sieci

                  k    –  liczba wszystkich przewodów w oczku sieci

      Przy sumowaniu przyjmuje się stratę ciśnienia za dodatnią, jeżeli ruch wody odbywa się zgodnie z kierunkiem przyjętym za dodatni (wskazywany przez strzałkę - rys. 8.5) . W przeciwnym przypadku jej wartość przyjmuje się za ujemną. Na rys. 8.5 pokazano schemat prostej sieci obwodowej składającej się z dwóch oczek.

Rys. 8.5. Schemat obliczeniowy sieci obwodowej (wg [1])

Przyjmijmy następujące oznaczenia:

Q – całkowite natężenie przepływu wody wpływającej do węzła 1 sieci (w dm3/s),

li  – długość i-tego odcinka (w m),

di – średnica rury, z której zbudowany jest i-ty odcinek (w m),

qi – rozbiór w i-tym węźle (w dm3/s).

              W celu wyznaczenia wartości wydatków Qi na poszczególnych odcinkach sieci, można posłużyć się zależnościami (8.3) i (8.4). W przypadku sieci naszkicowanej na rys. 8.5 otrzymamy następujący układ równań:

węzeł 1:   

węzeł 2:   

węzeł 3:                                                                                                            (8.5)

węzeł 4:   

obwód I:  

obwód II:  

Dodając dwa ostatnie równania stronami i uwzględniając, że , gdzie Si - znana oporność i-tego odcinka sieci w ms2/dm6 , układ równań (8.5) można zapisać w postaci:

                                                                                       (8.6)

Po rozwiązaniu układu równań (8.6) otrzymujemy wartości szukanych wydatków Qi
(i = 1 ... 5). Ujemna wartość wydatku oznacza, że kierunek przepływu jest odwrotny do założonego.

Podana wyżej analityczna metoda obliczania sieci obwodowych może mieć zastosowanie tylko do sieci  o niewielkiej liczbie obwodów. Przy większej ich liczbie stosuje się najczęściej metodę Crossa,, której opis zamieszczono poniżej. W metodzie tej zakłada się przedziały prędkości wody w magistrali i w odgałęzieniach. Najczęściej przyjmuje się 1,3 m/s ¸ 2 m/s dla magistrali i 0,5 m/s ¸ 1 m/s w odgałęzieniach. Dane wejściowe oraz wyniki kolejnych przybliżeń zapisujemy w tabeli 8.1.

Tabela  8.1. Wzór tabelki obliczeniowej do wyznaczania parametrów sieci obwodowej metodą Crossa