Введение к работе
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-1
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-
ниє 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 иди 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-
4 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 подлежат 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
5 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 воды 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-
7 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-
у,
- получены экспериментальные данные, позволяющие
зработать опытную передвижную установку по дехлорирова
но сбрасываемых вод при дезинфекции трубопроводов.
Практическая цешгость работы заключается в следую-2м:
реализация предложенной математической модели в юграммном комплексе для ПЭВМ, позволяет проводить расче-i переходных процессов в напорных системах водоподачи при лользовании в качестве средства защиты разрывных мем->ан;
реализация предложенной методики расчета опорожне-m 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-іваний позволило разработать опытную передвижную уста->вку для дехлорирования сбрасываемых вод при дезинфекции іубопроводов;
использование технологических решений по дехлориро-інию 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
8 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.