Надежность функционирования систем подачи и распределения воды (СПРВ)

В редакции СНиПа 2.04.02.84* представлены в основном мгновенные показатели надежности, в качестве которых приняты величины напора и расхода (общего и в участках) в сети. Нормальное нормированное значение напора зависит от этажности застройки, а расхода от количества водопотребителей, нормы и режима водопотребления ряда местных особенностей. Минимальное допустимое нормированное значение напора устанавливается абсолютной величиной (10 м), а расхода относительной (размер снижения не более 30 - 50% от нормального).

Для оценки стабильности функционирования системы необходимо использовать интегральные показатели надежности:

• среднее в течение года время нормального уровня качества функционирования системы (Т_н). В этот момент в водопроводную сеть подается расчетный расход, а во всех узлах обеспечивается напор не ниже требуемой величины;
• среднее в течение года время сниженного до определенного уровня качества функционирования (Т_с). В этот период происходит снижение уровня качества функционирования по сравнению с нормальным в допустимых нормативными документами пределах;
• среднее в течение года время, когда уровень качества функционирования будет ниже допустимого по нормативным документам (Т_а).

Этот показатель является производным и определяется как

Т_а=1 - (Т_Н + Т_с).

Нормальная работа кольцевой водопроводной сети гарантируется только при пол­ностью исправной водопроводной сети, т.е. Т_н> Т₀, где Т₀ - среднее в течение года вре­мя нахождения объекта в исправном состоянии. Нижняя граница надежности Т_н - Т₀имеет место, когда отключение любого участка водопроводной сети приводит к сниже­нию давления более величины минимального требуемого в одном и том же месте (так называемой диктующей точке). Если же некоторая часть отключений не понижает давления в диктующей точке, то Т_н> Т₀.

Для технико-экономического сравнения вариантов системы подачи и распределе­ния воды (СПРВ) целесообразно ввести показатель, связанный с выходным эффектом. В качестве такого показателя за некоторый интервал времени могут быть приняты раз­ные показатели работы СПВР, например, количество поданной потребителю воды. При соблюдении нормативных требований лучший вариант будет иметь минимальную сто­имость единицы выходного эффекта.

В качестве такого выходного эффекта предложено количество недоданной потреби­телю воды. В этом случае расчетные затраты на предотвращение недоотпуска 1 м³ воды помогут определить стоимость повышения надежности. Выходной эффект определен как полезный результат, полученный при эксплуатации системы за данный интервал времени. В нашем случае уменьшение недоданной потребителю воды в течение года выступает как полезный результат, характеризующий ее надежность.

Частота отключения участка из-за аварии в течение года равна λ * L,следователь­но, недоданное количество воды из-за отключения участка длиной Lв течение года λ • L• q• t,г де q- недоданное количество воды при отключении участка; t - время функ­ционирования системы при данном режиме водопотребления.

Если имеется несколько режимов водопотребления, при которых не хватает требу­емого давления в узлах и недодается необходимое количество воды, то для каждого ре жима определяется величина λ • L• q• t и затем они суммируются за год. При сравнении вариантов допустимо сопоставление выходного эффекта при одном режиме.

В процессе функционирования водопроводная система может находиться в исправном состоянии, в состоянии с одним отключенным участком, с двумя одновременно отключенными участками и т.д., т.е. в общем случае с k одновременно отключенными участками.

Граф состояний системы

При имеющихся в большинстве случаев на практике значениях λ (0,5-0,93 1/км*год) и μ = 1/t_p (t_p=1-3 суток - время восстановления), а также нормах ЖКХ РФ, по которым на обслуживание 50 км трубопроводов предусматривается одна бригада рабочих в 5-6 человек, отдельные системы имеют следующие значения.

Характеристики состояния системы

Из таблицы видно, что среднее время или вероятность нахождения системы в подмножестве состояний Е₁ существенно больше, чем в подмножестве Е₂ и т.д. С другой стороны, количество состояний в отдельных подмножествах значительно отличается, так как с увеличением числа одновременно отключенных участков резко повышается число таких состояний, учитывая всевозможные сочетания разных участков. Если рассматривать район, содержащий, например, 50 участков, то всего состояний с одним отключенным участком будет  50, с двумя  1225, с тремя 19 600 и т.д.

Для условий, при которых вычислена таблица, среднее время нахождения системы н состоянии с одним выключенным участком (полагая длину одного участка 1,0 км) со­ставит для первой строки таблицы 0,1109/50 = 0,0022 года, или около 20 часов, с двумя од­новременно выключенными участками 0,0138/1225 = 0,00001 года, или около 6 минут, с тремя одновременно выключенными участками 0,0017/19600 = 8,7-10^-8 года и т.д.

Процесс СПРВ может быть представлен как ряд состояний, через которые система последовательно проходит под влиянием изменений условий работы. Эти переходы мо­гут быть плавными (например, в результате изменения водопотребления) или скачкооб­разные в результате отключения участка для ремонта из-за аварии или вклю­чения участка в работу после восстановления.

График процесса функционирования водопроводной сети с переменным числом одновременно отключенных участков

Время между отдельными скачкообразными переходами определяется периодом безаварийной работы или временем восстановления, в течение которого ранее отклю­ченный участок отремонтирован и он включается в работу. Очевидно, время восстанов­ления не может быть меньше некоторой величины, за которую можно в действительно­сти выполнить ремонт. Для первой строки таблицы время ремонта было принято одни сутки, или 24 часа. Время нахождения системы с одним отключенным участком ориен­тировочно составит 46,5 суток, или 12,7% годового периода. Эта величина несколько больше вычисленной, так как при ее определении не принималась во внимание ситуа­ция, при которой ранее отключенный участок еще не был отремонтирован, а в этот мо­мент отказал другой участок, время, в течение которого одновременно от­ключены два участка, входит в период Т₂.

Приведет ли отключение конкретного i-го участка (i = 1,..., n) или одновременное отключение нескольких участков к снижению нормального уровня качества функциони­рования в водопроводной сети и каким обратом оно произойдет (в одном и том же ме­сте или в разных местах), может быть установлено только моделированием условий ее работы в этих ситуациях или же, другими словами, определением потокораспределения при отключенных участках с вычислением свободных напоров во всех узлах. Использование современной вычислительной техники позволяет решить данную задачу.

При этом можно определить, относится ли время моделируемого состояния к периоду Т_н  , Т_с или Т_а.

Для решения таких задач можно воспользоваться программой гидравлического технико-экономического расчета СПВР, по результатам работы которой можно определить Т_н Т_с или Т_а для системы.

При определении времени Т_н, Т_с или Т_а заведомо было принято, что СПВР, содержащая до 50 участков, каждый длиной приблизительно 1 км, при одновременном отключении двух и более участков находится в периоде Т_а.

В действительности такая ситуация не обязательна: может быть ряд состояний, при которых одновременное отключение двух и более участков не приведет к состоянию отказа, а время нахождения в этих состояниях должно быть отнесено к периоду Т_с или же Т_н. Логично предположить, что таких состояний будет относительно мало, поэтог пренебрежем ими при определении величин Т_н, Т_с и Т_а.

Соотношение Т_н>Т₀ означает, что в подмножестве Е₁ имеются такие состоянии которых в диктующей точке сохраняется давление не ниже минимального требуемого.

В каких состояниях из подмножества Е₁ давление в узлах сети будет достаточна (т.е. время нахождения в таких состояниях относится к периоду Т_н), в каких станет и же минимального требуемого, но не менее 10 м (время нахождения в таких состоя и и относится к периоду Т_с), а в каких давление в некоторых узлах станет меньше 10 м (время нахождения в таких состояниях относится к периоду Т_а), может быть определенно в  результате гидравлического расчета по имеющейся программе.

На практике для анализа периода Т₁ с помощью ЭВМ проводят серию гидравилических расчетов кольцевой водопроводной системы с нефиксированными узловыми oпорами. В каждом расчете при максимальном водопотреблении отключается один из участков. В результате расчета выделяются узлы, в которых недостает напора, номера отключенного участка и т.д. 

В процессе ремонта, при отключенном участке, в результате уменьшения водопотребления будет происходить повышение (или восстановление) свободного напора в узлах с недостатками напора.

Восстановление напора при понижении водопотребления происходит вследствие одновременного протекания двух процессов: 

• перемещения рабочей точки на кривой Q - Н насосов из-за уменьшении подачи воды;
• уменьшения потерь напора в участках водопроводной сети.

Восстановление напора при понижении водопотребления до требуемой величины может происходить частично или полностью.

Если восстановление происходит частично, то в течение всего времени проведен ремонта часть потребителей не будет получать воду, т.е. время нахождения системы в течение года с некоторым недостатком напора составит ∑ , где t_p- время восстановления или ремонта.

Таблица форма оформления расчетов

Если во время ремонта при снижении водопотребления произойдет полное восста­новление свободного напора до минимального требуемого, то потребитель при этом пол­ностью сможет получать необходимое количество воды. Следовательно, время нахожде­ния системы с недостатком напора в этом случае будет меньше времени ремонта t_p.

Установить, какое время во время ремонта потребитель полностью будет получать воду, можно на основе анализа графика водопотребления. Определить, происходит пол­ное или частичное восстановление напора при понижении водопотребления, можно с помощью гидравлического расчета водопроводной системы с нефиксированными узло­выми расходами при соответствующем водопотреблении. При этом достаточно провес­ти несколько расчетов при, например, минимальном и среднем водопотреблении с от­ключением участка, вызывающего наибольшую нехватку напора в узлах.

«Правилами предоставления коммунальных услуг», разработанными на основе за­кона «О защите прав потребителей», определено, что перерывы в водоснабжении допу­стимы продолжительностью до 8 часов в течение месяца, т.е. за год это составит 4 сут, или 0,989 годового периода. Эти требования к исполнителям коммунальных услуг рас­пространяются на всей территории России независимо от ведомственной принадлежно­сти, форм собственности и организационно-правовой формы.

Однако в вопросе о надежности водоснабжения могут существовать и другие оцен­ки. Так, надежность характеризуется количеством перерывов в нормальном уровне качества функционирования CПPB и длительностью каждого, например, не более 10 часов. Количество перерывов нормального водоснабжения равно λ∑L не зависит от суточ­ной неравномерности, так как величина к определяется по данным эксплуатации за много лет. При этом отпадает необходимость дифференцировать время максимального и минимального водопотребления, так как обычно самые высокие требования к инженерным сооружениям предъявляются в период их максимальной нагрузки, в нашем слу­чае это будет период максимального водопотребления.

Вычисленные значения Т_н Т_с, Т_а позволяют оценить надежность водоснабжения проектируемой системы. Обычно высоконадежные системы выполняют свои функции в полном объеме (98-99%) времени работы. Следовательно, если Т_н< 0,98-0,99, то необходимо предусмотреть мероприятия по повышению надежности водоснабжении проектируемой СПРВ.

Они заключаются в создании в системе разных видов резервирования, с помощью которых можно компенсировать ухудшение условий работы водопровода при возникно­вении в нем неисправности.

Наиболее эффективным и действенным путем увеличения надежности работы кольцевых СПРВ в этом случае является создание условий, при которых обеспечивавается нормальный уровень снабжения потребителя водой при отключении одного участка (L= 1,0 км) на 50 км функционирующих трубопроводов. При условиях Т_н > T₀ + T₁ , нижняя граница надежности составит 0,86.

Она оказывается менее 0,98 годового периода при времени восстановления двое и трое суток.

При этом имеются следующие резервы повышения надежности:

• за счет сокращения времени ремонта. Среднее время восстановительных работ и течение трех суток - признак их низкой организации, которая требует улучшения и сокращения сроков ремонта;
• существенным оказывается время, в течение которого одновременно отключены два участка сети, что позволяет организовать в один и тот же момент ремонтные рабо­ты в разных местах двумя бригадами. Как показывают расчеты, при λ = 0,93 и t_p= 2 су­ток восстановительные работы, выполняемые двумя бригадами, позволяют получить Т₀ + Т₁ = 0,973, т.е. приблизиться к 0,98.

В процессе расчета надежности кольцевой водопроводной сети не исключено, что некоторые состояния из подмножества Е₁ для нормального обеспечения потребителя водой потребуют создания дорогостоящих сооружений и устройств. В таком случае це­лесообразно рассмотреть возможность отнесения времени пребывания системы в этом состоянии к периоду Т_с или Т_а.

Известно, что резервирование создается избыточностью того или иного рода. Цель резервирования - обеспечить отказоустойчивость водопроводной системы, т.е. сохра­нить се работоспособность, когда возникает отказ (одного участка длиной в 1 км на 50 км трубопроводной сети).

В связи с тем, что в период выключения некоторых участков гидравлическое сопро­тивление сети возрастает, необходимо предусмотреть возможность подачи воды под не­сколько большим напором, чем при режиме нормального функционирования (обеспе­чить гак называемый форсированный режим работы) для поддержания в ней требуемых свободных напоров.

Вернуться к списку