ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Національний університет
водного господарства та природокористування
Косінов Василь Петрович
УДК 628.17 (628.153):519.17
ВДОСКОНАЛЕННЯ ВОДОПРОВІДНИХ МЕРЕЖ
З УРАХУВАННЯМ МІНЛИВОСТІ КРИТЕРІЇВ НАДІЙНОСТІ ТА ЕКОНОМІЧНОСТІ В ПРОЦЕСІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ
05.23.04 – водопостачання, каналізація
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Рівне – 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування (НУВГП) Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
ХОРУЖИЙ ПЕТРО ДАНИЛОВИЧ,
Інститут гідротехніки і меліорації
Української аграрної академії наук, м. Київ,
завідувач відділом сільськогосподарського
водопостачання та каналізації
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор
ПРОКОПЧУК ІВАН ТИМОФІЙОВИЧ,
Київський національний університет будівництва
і архітектури, професор кафедри водопостачання
кандидат технічних наук, доцент
НОВОХАТНІЙ ВАЛЕРІЙ ГАВРИЛОВИЧ,
Полтавський національний технічний університет
імені Юрія Кондратюка, доцент кафедри гідравліки,
водопостачання і водовідведення
Провідна установа – Харківська національна академія міського господарства
МОН України, кафедра водопостачання, водовідведення
та очищення вод.
Захист відбудеться “ 8” квітня 2005 р. о 12-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .104.01 при Національному університеті водного господарства та природокористування за адресою: 33000, м. Рівне, вул. Соборна, 11.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НУВГП за адресою: 33000, м. Рівне,
вул. Приходька, 75.
Автореферат розісланий “5” березня 2005 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, к.т.н., доцент Востріков В.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Водопровідні мережі й водоводи є спорудами у складі систем подачі й розподілу води (СПРВ) сучасних населених пунктів і вміщають елементи з різним конструктивним устроєм, технічним ресурсом та мають складну топологію. Такі трубопровідні системи повинні задовольняти вимогам надійного забезпечення всіх споживачів розрахунковими витратами води з необхідним напором при найменших витратах на будівництво й експлуатацію не тільки самих трубопроводів, що входять до їх складу, але й гідравлічно пов’язаних із ними водопровідних споруд. Проблеми забезпечення надійної й ефективної роботи трубопровідних систем пов`язані з тим, що вони працюють у надзвичайно складних умовах експлуатації, під впливом дії на них різноманітних факторів конструктивного, об`єктивного і суб`єктивного характеру. При цьому суттєво змінюються характеристики надійності й економічності всієї системи водопостачання.
Визначення надійності таких споруд потребує спеціальних досліджень та обробки статистичного матеріалу у значних обсягах, що не завжди можливо у зв’язку з недосконалістю існуючих методик реєстрації відмов та методів аналізу факторів, що впливають на їхнє виникнення й оцінку характеристик надійності. Одним із перспективних методів вирішення цієї проблеми є уточнення перевірених практикою залежностей характеристик надійності й економічності, створення модельних залежностей для прогнозування їх мінливості від термінів експлуатації окремих ділянок трубопроводів. Це дозволяє, залежно від потреби, змінювати конструктивні характеристики елементів трубопровідної системи, задавати оптимальний конструктивний устрій або режими її експлуатації, підвищуючи надійність і ефективність роботи в цілому.
Зв`язок роботи з науковими програмами, планами робіт. Робота продовжує дослідження, що проводились на кафедрі водопостачання та бурової справи Національного університету водного господарства та природокористування згідно із загально-кафедральним планом виконання держбюджетних і госпдоговірних робіт “Розробка нових та вдосконалення діючих споруд забору, очищення та транспортування води населених пунктів і промислових підприємств” та “Вдосконалення методів гідравлічних і техніко-економічних розрахунків водопровідних споруд” і “Впровадження результатів розробок у підготовку науково-педагогічних кадрів у навчальний процес”, в яких здобувач брав участь як виконавець (1999 – 2003 рр.).
Напрямок досліджень та основні інженерно-технічні заходи, запропоновані автором для впровадження на діючих системах водопостачання відповідають основним положенням постанови Кабінету Міністрів України “Про концепцію розвитку житлово-комунального господарства в Україні“ № 150 від 27.02.1995 р., наказу Державного Комітету України по житлово-комунальному господарству №65 від 1.07.1994 р. “Про затвердження Правил користування системами водопостачання та водовідведення в містах і селищах України”, закону України “Про енерго-збереження” від 1.07.1994 р. та іншим нормативним актам України.
Мета дослідженнь полягає в удосконаленні структурних схем і конструктивних особливостей водопровідних мереж на основі методів розрахунку, які б враховували мінливість критеріїв надійності й економічності залежно від термінів експлуатації окремих ділянок трубопроводів.
Задачі досліджень. Досягнення поставленої у дисертації мети вимагає вирішення таких задач:
1. Провести систематизацію всіх зафіксованих на окремих трубопровідних ділянках відмов за основними ознаками та факторами, які впливають на рівень показників надійності трубопроводів і економічності трубопровідних систем у цілому.
2. Отримати розрахункові залежності показників безвідмовності діючих водопровідних мереж і водоводів з урахуванням терміну їхньої експлуатації та категорій складності відновлення елементів, що відмовили. Перевірити й уточнити межі змін цих показників.
3. Встановити аналітичні залежності для імовірнісної оцінки мінливості лінійних витрат води на діючих і запроектованих ділянках трубопроводів водопровідних мереж, визначити основні фактори, від яких вони залежать та діапазон змінюваності.
4. Уточнити модельну залежність і вдосконалити методику для визначення економічного фактора спорудження та експлуатації трубопроводів, встановити діапазон зміни вхідних її параметрів, що впливають на визначення економічно доцільних діаметрів труб.
5. Розробити і впровадити науково й технічно обґрунтовані рекомендації з підвищення надійності й ефективності роботи діючих водопровідних мереж України.
Об’єктом досліджень є водопровідні мережі міст та сільських населених пунктів.
Предметом досліджень є критерії надійності й економічності трубопровідних систем та характер їхньої зміни з урахуванням термінів експлуатації.
Методи досліджень: анкетування, натурне обстеження роботи діючих водопровідних мереж міст та сільських населених пунктів України, статистична обробка та аналіз отриманих результатів із використанням основних положень теорії ймовірностей і математичної статистики, гідравлічні та техніко-економічні розрахунки водопровідних мереж.
Наукова новизна одержаних результатів:
- вперше узагальнено і систематизовано відмови на трубопровідних системах водопостачання за об’єктом дії, характером виявлення й факторами впливу на мінливість критеріїв надійності, зокрема на параметр інтенсивності відмов, за ступенем складності відновлення працездатного стану складових елементів, та за масштабом і видом шкоди, яку вони завдають;
- отримано аналітичні залежності для визначення параметра інтенсивності відмов трубопроводів від термінів їх експлуатації для трьох періодів роботи (пуско-наладка, нормальна експлуатація, інтенсивне старіння) та з урахуванням категорії складності відновлення елементів, які відмовили;
- запропоновано методику для оцінки мінливості лінійної витрати на ділянці діючої або нової, запроектованої водопровідної мережі та встановленні межі довірчого інтервалу змінюваності та низка основних факторів, що впливають на числові значення величини її математичного очікування лінійної витрати води ;
- уточнено математичну модель для визначення величини економічного фактора спорудження і експлуатації для ділянок водопровідної мережі, яка враховує широкий діапазон вхідних параметрів, що характеризують економічні умови будівництва та експлуатації трубопровідної системи у цілому і гідравлічно пов`язаних з нею водопровідних споруд водопостачання;
- установлено аналітичні залежності коефіцієнта нерівномірності споживання електроенергії як основного чинника економічної ефективності роботи водопровідної мережі від загального коефіцієнта нерівномірності водоспоживання для трубопроводів із різних матеріалів.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Теоретичні висновки роботи підтверджені за допомогою сучасних методів статистичної обробки експериментальних даних і у результаті порівняння адекватності розрахункових величин математичного очікування із прямими вимірюваннями величин лінійних витрат на діючих водопроводах низки міст України.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методику визначення і прогнозування мінливості числових величин показників надійності й економічної ефективності роботи водопровідних мереж у процесі експлуатації, що дає можливість проводити кількісну і якісну оцінку стану діючої трубопровідної системи та запропонувати практичні заходи для забезпечення її працездатності в майбутньому. Запропоновано методику забезпечення оптимального конструктивного устрою трубопровідних систем для визначення необхідної кількості водопровідного обладнання окремої трубопровідної ділянки, кільця чи цілої мережі. Удосконалена методика вибору економічних діаметрів труб при проектуванні нових або реконструкції діючих водопровідних мереж і водоводів, в залежності від існуючого рівня вартості споруд і обладнання. Розроблений спосіб підвищення надійності й ефективності роботи водопровідних мереж за допомогою районування розподільних трубопроводів, новизна якого підтверджена авторським свідоцтвом на винахід. Результати досліджень впроваджені при реконструкції діючих водопровідних мереж у низці міст України (Рівне, Львів, Нововолинськ, Шепетівка).
Особистий внесок здобувача. Виконано аналіз стану водозабезпечення населених пунктів України питною водою, енергозбереження у комунальному господарстві, а також існуючих методик оцінки надійності й економічної ефективності трубопровідних систем та способів їх підвищення; проведено анкетування, комплекс теоретичних і натурних досліджень роботи діючих СПРВ у низці міст України; удосконалено методику досліджень критеріїв надійності трубопровідних систем у залежності від режиму їх експлуатації; зроблено порівняльний аналіз математичного очікування лінійних витрат води на ділянках діючих водопровідних мереж із результатами їх прямого вимірювання; розроблено рекомендації із забезпечення оптимальної конструктивної будови та надійності водопровідних мереж; уточнено методику вибору економічних діаметрів труб водоводів і ліній водопровідних мереж в існуючих економічних умовах господарювання; розроблено рекомендації із упровадження результатів досліджень у виробництво і зроблено аналіз та розрахунки їх економічної доцільності і ефективності.
Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень дисертації апробовані на ювілейній науково-технічній конференції, присвяченій 70-річчю Рівненського державного технічного університету (м. Рівне, 1992 р.), Міжнародному конгресі “ЕТЕВК’99” (Ялта, 1999 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Актуальні проблеми водного господарства та природокористування”, присвяченій 80-річчю Українського державного технічного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне, 2002 р.), науково-практичній конференції „Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів, очистка природних і стічних вод” (м. Миргород, 2003 р.), та науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УІІВГ, РДТУ, УДУВГП (м.Рівне, 1990–2003рр.).
Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 13 праць, із них 7 статей у фахових виданнях (дві з них у співавторстві). Одержано 1 авторське свідоцтво на винахід.
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертацію викладено на 229 сторінках, у тому числі вона містить 148 сторінок основного тексту, 27 рисунків і 4 таблиці. Робота складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку літератури із 187 назв та додатків на 59 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі “Аналіз сучасного стану забезпечення надійності й ефективності роботи водопровідних мереж” розглянуто дійсний стан водозабезпечення в Україні. Обстеження діючих водопровідних мереж України показали, що спостерігається тенденція зростання довжини ліній мережі, які майже постійно перебувають в аварійному стані або спрацювали свій технічний ресурс. Зростають питомі витрати електроенергії на 1 м3 поданої води, що зумовлено як великими втратами води з водопровідної мережі, так і відсутністю ефективних заходів підвищення надійності трубопровідних систем.
У системах водного господарства наукові розробки в галузі надійності систем водопостачання проводились за такими напрямками: оцінка і прогнозування надійності забезпечення розрахункових витрат води з урахуванням мінливості водоспоживання при проектуванні нових і реконструкції діючих систем водопостачання; дослідження закономірностей виникнення відмов обладнання систем водопостачання та причин, що їх викликають; удосконалення схем систем подачі й розподілу води та трубопровідного обладнання; аналіз ризику виникнення відмов та оцінка обсягів наслідків від їхньої появи. Значний внесок у розробку теорії й практики вивчення проблем надійності систем водопостачання внесли М.М.Абрамов, М.П.Бєлозеров, Є.М.Гальперин, А.Г.Євдокімов, І.С.Егільський, Ю.О.Ільїн, Ю.М.Кузьмін, В.С.Макогонов, А.П.Меренков, А.Я.Найманов, В.Г.Новохатній, В.А.Петросов, О.Г.Примін, І.Т.Прокопчук, І.М.Рябченко, С.В.Сумароков, А.А.Ткач, М.О.Українець, П.Д Хоружий, А.В.Храменков та інші; а також деякі іноземні науковці: А Авербах, Р. Ісояма, Х.Кавакамі, Т.Катаяма, Р.Місра, С. Такада, Е.Дж.Хенлі, М.Шінозука та інші. На основі критичного аналізу опублікованих робіт по темі сформульовані задачі досліджень.
У другому розділі “Методика визначення критеріїв надійності водопровідних мереж та вибору основних факторів впливу на них” автором розроблена методика дослідження критеріїв надійності трубопровідних систем, яка дозволяє одержати уніфіковані дані про будь-яку СПРВ і відрізняється від раніше відомих методик тим, що при визначенні показників надійності, крім конструктивних характеристик трубопроводів (матеріал, діаметр труб, тип стикового з’єднання, довжина ділянок), враховуються ще й експлуатаційні ознаки (терміни експлуатації, межі зміни робочих тисків, лінійних витрат у трубопроводах та якість води). Автором у якості елемента трубопровідної системи була прийнята ремонтна ділянка трубопроводу. Це така його частина, що обмежена з обох боків двома засувками для відключення її з метою усунення відмови або для проведення планово-попереджувальних робіт. Крім того, для дослідження потоку відмов усі ділянки в складі трубопровідної системи запропоновано поділити на групи за спільними структурно-конструктивними та експлуатаційними ознаками: функціональна роль ділянки у складі трубопровідної лінії; режим експлуатації; рік укладання (пуску в експлуатацію); матеріал труб і арматури, фасонних частин; клас міцності труб; заходи для запобігання зменшення живого перерізу труб за рахунок заростання поверхні стінок труб та гідроізоляція зварних швів; діаметр труб; тип і конструкція стикового з’єднання; довжина і кількість ремонтних ділянок в складі трубопроводу, який досліджується.
У якості одиничного критерію надійності будь-якої ділянки трубопроводу прийнято середнє число відмов для трубопровідних ліній відповідного матеріалу й діаметра з урахуванням категорії складності відновлення елемента, що відмовив
, (1)
де ni,j- сумарна кількість всіх відмов і-тої категорії складності відновлення для j трубопроводів із загальною довжиною lj та відповідним діаметром труб, які виготовлені з одного матеріалу і з однотипним способом з’єднання за визначений період часу Тн.
Основними ж критеріями безвідмовності водопровідних мереж запропоновано вважати інтенсивність відмов (t) та ймовірність безвідмовної роботи цього обладнання протягом деякого періоду часу t (терміну напрацювання) Р(t).
Знаходження аналітичної й графічної залежності основних показників надійності для ділянок діючих водопровідних мереж запропоновано виконувати методом регресійного й кореляційного аналізу з вибором оптимальної нелінійної форми.
У цьому розділі дисертації також наведено методику для встановлення меж довірчого інтервалу змінюваності величини лінійної витрати q по ділянці трубопроводу, а також для визначення показників безвідмовності трубопровідної системи, яка складається із множини елементів з різними схемами розміщення та з’єднання.
У третьому розділі “Результати дослідження і прогнозування мінливості критеріїв надійності водопровідних мереж” на основі проведених автором досліджень діючих СПРВ у ряді міст України (Івано-Франківськ, Львів, Нововолинськ, Рівне, Ужгород, Красноперекопськ) розроблена загальна систематизація й класифікація факторів, які визначають мінливість критеріїв надійності трубопровідних систем водопостачання. Всі фактори і причини відмов окремих трубопроводів та їх систем було поділено на три великі класи: конструктивні, фактори об’єктивного характеру, фактори суб’єктивного характеру (рис. 1).
До „домінуючих” конструктивних факторів віднесено: матеріал, діаметр труб, тип стикового з’єднання, вид, кількість і розташування водопровідної арматури, фасонних частин і деталей, наявність антикорозійного покриття, глибина вкладання труб тощо. До цієї ж групи факторів слід віднести структурні особливості мережі: роль ділянки у топологічній структурі трубопровідної системи, наявність кільцювання, дублюючих, супроводжуючих ліній, байпасів, розподіл на ремонтні ділянки, а також наявність підключення до ділянки ємностей для збереження аварійних і регулюючих запасів води, підкачувальних насосних установок, свердловин тощо. До другого класу слід відносити фактори, які напряму не пов’язані з життєдіяльністю людини, а до третього такі з них, які обумовлюються участю людини в процесі створення та експлуатації трубопровідних систем (на стадії проектування та в процесі будівництва й експлуатації трубопровідної системи). На основі досліджень встановлено причинно-наслідковий зв’язок окремих груп факторів із показниками надійності трубопроводів, впливу факторів на процес виникнення й характер зміни потоку аварій та пошкоджень упродовж певного проміжку часу.
У цьому розділі також наведено систематизацію відмов за наступними ознаками: за об’єктом дії, за причинами виникнення та факторами впливу, за характером виявлення та строками дії на об’єкт, за характером та обсягами наслідків. Уперше автором наведено класифікацію відмов трубопровідних систем за складністю відновлення елементів, які відмовили (три категорії). Установлено закономірність змінюваності числових значень інтенсивності відмов упродовж усього терміну експлуатації ділянки трубопроводу., Це дало можливість досліджувати потік відмов водопровідних мереж і водоводів як відновлювальних елементів системи водопостачання упродовж трьох великих етапів їхньої експлуатації: пуско-наладка; нормальної експлуатації; інтенсивного старіння трубопроводу.
Для всіх вищевказаних етапів експлуатації трубопровідної ділянки отримані залежності для визначення параметра інтенсивності відмов л (te) в аналітичному вигляді.
а) Період пуско-наладки. Функція розподілу інтенсивності відмов від терміну експлуатації ((te)) може бути апроксимована графічною залежністю, яка наведена на рис. 2.
, (2)
де - інтенсивність відмов і-тої категорії складності відновлення водопровідної лінії (ділянки), що укладена з труб певного матеріалу і діаметра dy упродовж періоду пуско-наладки te, 1/км • рік; - коефіцієнт розподілу, який характеризує якість будівельно-монтажних робіт та гідравлічних випробувань трубопроводу,1/км • рік; - показник ступеню, який залежить від матеріалу та діаметра труб.
б) Період нормальної експлуатації. Функція розподілу параметра інтенсивності відмов у цей період може бути апроксимована залежністю гіперболічного виду (коефіцієнт кореляції r2=0,998) (рис. 3).
. (3)
де b2 i b3 –параметри розподілу.
У випадку гіпербола (3) наближається до асимптоти непр, де пр =1/b3. Для окремих ділянок діючих чавунних трубопроводів західного регіону України він за даними досліджень автора становить пр=5...8 1/км рік).
Установлено, що тривалість періоду нормальної експлуатації te=15…20 років і залежить від матеріалу труб, діаметра й рівня експлуатації трубопровідної системи та триває. Його початок співпадає з термінами завершення попереднього періоду (пуско-наладки). Для вирішення задачі пошуку невідомих коефіцієнтів b2 і b3 встановлено їхній фізичний зміст та визначено числові значення шляхом лінеаризації рівняння (3).
в) Період інтенсивного старіння. Функція розподілу параметра інтенсивності відмов водопровідних ліній мережі й водоводів для періоду “інтенсивного старіння” може бути апроксимована кривою нормального закону з коефіцієнтом кореляції r2 = 0,992 (рис. 4).
, (4)
де 2 і - відповідно дисперсія і середнє квадратичне відхилення інтенсивності; mt – математичне очікування інтенсивності відмов; - максимальне числове значення інтенсивності, яке спостерігалося для ділянки трубопроводу упродовж періоду нормальної експлуатації, 1/км • рік.
Досвід експлуатації, аналіз натурного обстеження діючих трубопровідних систем показує, що вплив фактора “зношування” і “старіння” стає визначальним для характеристик надійності роботи об’єкта тільки після 18…20 років його експлуатації (для прикладу, чавунні труби вступають у такий етап своєї експлуатації вже після 20 років безперервної роботи).
У цей період, як правило, виконуються капітальні ремонти, пов’язані із заміною окремих ділянок труб, арматури, фасонних частин, перемонтування стикових з’єднань. Це в кінцевому результаті можна вважати повним відновленням трубопроводу, або його окремої ділянки.
Таким чином, весь термін експлуатації трубопроводу (його ділянки) є циклічним із точки зору аналізу функції розподілу параметра потоку відмов із деяким періодом напрацювання Те = 30...35 років.
Розрахунки параметрів інтенсивності відмов трубопровідних ліній з урахуванням термінів їх експлуатації можна виконувати як за допомогою сучасної комп’ютерної техніки, так і при використанні розроблених автором номограм.
Дослідження автора показали, що для будь-якої ділянки трубопровідної системи можна визначити деякий інтервал змінюваності лінійної витрати води J,q, який з достатнім для практичних розрахунків ступенем довіри характеризує ймовірність появи на ній витрати qр із відносною похибкою , що не перевищуватиме 10 %. Таким чином, лінійна витрата qр з імовірністю P = 99,73% буде очікуватись на трубопровідній ділянці, якщо вона знаходиться в межах довірчого інтервалу J0,99,m
. (5)
Математичне очікування лінійної витрати може бути прийняте для ділянок діючих трубопроводів, що укладені з труб одного і того ж діаметра dу і матеріалу виготовлення труб. Так, наприклад, для металевих труб із dу = 400 мм математичне очікування приймає числове значення: а) для сталевих: =150,71...168,29 л/с; б) для чавунних: =144,46...173,3 л/с.
Встановлено, що на мінливість математичного сподівання впливають такі фактори: різні строки уведення в дію СПРВ і окремих ділянок водопровідної мережі з певним матеріалом труб і діаметром, що суттєво впливає на стан внутрішніх стінок труб і розміри живого перерізу труб; роль ділянки трубопроводу, яку вона відіграє у загальному перерозподілі потоків води для діючої водопровідної мережі; категорія системи водопостачання і ступінь забезпечення споживачів водою; економічні умови будівництва нової і експлуатації діючої СПРВ та регіональні фактори формування цін на електроенергію.
У четвертому розділі “Розробка й упровадження основних методів підвищення надійності та ефективності роботи водопровідних мереж” показано, що оптимальним рішенням при проектуванні нових та експлуатації діючих трубопровідних систем водопостачання вважається таке, при якому буде забезпечене виконання вимог нормативної надійності подачі води споживачам при мінімальних будівельних та експлуатаційних витратах. Така задача вирішується при мінімізації функції мети:
, (6)
де n – кількість ділянок водопровідної мережі; li – довжина і-тої ділянки, м; Ci – вартість спорудження одиниці довжини даної ділянки, грн./м; t – кількість насосних станцій, що живлять водопровідну мережу; Qj – розрахункова витрата води j-ої насосної станції, м3/с; j – к.к.д. j-ої насосної станції; Hг.j – геодезична висота водопід`йому насосів для j-ої насосної станції; hj – алгебраїчна сума втрат напору від точки приєднання водоводів j-ої насосної станції до мережі у напрямку до “диктуючої” точки водопровідної мережі; j – коефіцієнт, що враховує нерівномірність витрачання електроенергії на протягом розрахункового періоду для j-ої насосної станції; Eн – нормативний коефіцієнт ефективності капіталовкладень; f – вартість насосної станції, що припадає на 1 кВт встановленої потужності, грн. /кВт; r – коефіцієнт запасу потужності насосного обладнання; P1 і P2 – сума амортизаційних відрахувань і відрахувань на поточний ремонт в % від будівельної вартості відповідно трубопроводу і насосної станції.
Вирішення рівняння (6) можна віднести до класу задач нелінійного математичного програмування. Цю задачу можна сформулювати так: мінімізація функції мети виду при наступних обмеженнях:
, (7); , (8); , (9); , (10); , (11).
де Hi –фактичний напір у поточній і-й вузловій точці водопровідної мережі, м; Нмакс..і і Нмін.і -відповідно максимальний і мінімальний напори в цій же точці, м; Qj – кількість води, що подається в мережу j -ю насосною станцією,м3/с; t – загальна кількість таких насосних станцій; Qp – сумарне розрахункове водоспоживання у населеному пункті, м3/с; Qд.j – можлива продуктивність водного джерела, м3/с; ik - гідравлічні похили для кожної k- ї ділянки мережі, м; і макс., і мін - відповідно максимальне і мінімальне значення похилу, м; - сумарна подача всіх насосних станцій у мережу протягом періоду відновлення елементів мережі, що відмовили, м3/с; Qм.мін.- - мінімально припустиме водоспоживання з водопровідної мережі, м3/с.
У цьому розділі також викладено шляхи підвищення надійності та ефективності водозабезпечення споживачів. Для цього запропоновано районовану СПРВ для населеного пункту (рис.5).
Відмінною ознакою запропонованої системи подачі й розподілу води є поділ розвідної водопровідної мережі на ізольовані райони з живленням від кільцевої магістральної мережі через вузли регулювання.
Вузол регулювання фактично поєднує у собі такі дві основні функції: камери регулювання, контролю витрат і напору води, яку передбачено подавати в кожний район; насосної станції підкачування, яка підтримує необхідні напори у відповідному районі розподільної мережі (передбачається тільки у разі необхідності).
У випадку виникнення відмови у роботі однієї з магістральних ліній, постачання району розподільної мережі водою відбувається через вузол регулювання, розміщений на іншій магістральній лінії (ремонтній ділянці). Це дозволяє запобігти обмеженню подачі води в зазначений район. При цьому спрощується обслуговування й проведення ремонтно-відновлювальних робіт на магістральній і розподільній мережі.
У розділі наведено також методику визначення оптимальної кількості конструктивних елементів трубопровідної ділянки, трубопроводу або кільця. Вона відрізняється від інших врахуванням деяких непрямих характеристик трубопроводу, в тому числі кількості підключених водоспоживачів та місцевих умов прокладання трубопровідної ділянки .
У випадках, коли розрахунки кількісних показників конструктивності необхідно виконувати “за кільцями”, враховано, що кільце являє собою замкнений контур, який становить ту чи іншу геометричну фігуру. В цьому випадку окрема трубопровідна ділянка становить одне ребро такої фігури.
Кількість пожежних гідрантів у кільці може бути визначена так
, (12)
де p - кількість сторін (ребер) j- кільця; nвер.j - кількість вершин геометричної фігури j- кільця.
Число ремонтних ділянок у складі j- кільця
. (13)
У п’ятому розділі „Зміна економічних показників водопровідних мереж з урахуванням мінливості критеріїв надійності” наведена уточнена методика визначення вартості будівництва трубопроводів, яка враховує інфляційні процеси при розрахунках величин капітальних вкладень на будівництво СПРВ, а також сейсмічність даного району.
Питому вартість будівництва трубопроводу діаметром dу слід визначати за формулою
, (14)
де aф, bф – показники, що визначають питому вартість трубопроводу з діаметром dу і приведені до сучасних умов виконання будівельно-монтажних робіт; К9 і К10 – коефіцієнти, що враховують відповідно інфляційні процеси при розрахунках величини капіталовкладень і сейсмічність району.
Для водопровідних мереж і водоводів обчислені параметри aф і bф для труб, що мають різний діаметр dу та матеріалів виготовлення, враховуючи місцеві умови їх будівництва.
На основі проведених досліджень встановлено тісний зв’язок між номінальною добовою продуктивністю насосної станції Qном.доб та величиною одноразових капіталовкладень на її спорудження СБМР (рис. 6, а) і обладнання Соб (рис.6, б).
Аналітично ці залежності можуть бути виражені такими рівняннями:
, (15)
, (16)
Ці залежності мають прогнозний характер і дозволяють визначати вартість основних фондів для будь-яких продуктивностей Qном.доб насосної станції.
При виборі економічно доцільного діаметра трубопроводу економічний фактор Е слід визначати за формулою
, (17)
де Мd – параметр, який залежить від матеріалу, діаметра й призначення трубопроводу; r – коефіцієнт запасу потужності насосно-силового обладнання; - к.к.д. насосних агрегатів; Fн і Gн – параметри, що враховують відповідно будівельну вартість насосної станції, нерівномірність споживання та вартість електроенергії на подачу води.
У дисертації обчислено числові значення параметрів Мd, Fн , Gн для різних умов будівництва й експлуатації СПРВ. Формула (17) є універсальною, оскільки вона враховує фактичні тарифи на електроенергію та вартість основних фондів, що мають чітко виражений регіональний характер, а також реальний стан оцінки вартості основних фондів та обладнання діючих насосних станцій.
Для здійснення практичних розрахунків проведено уточнення граничних економічних витрат води Qгр для будь-якої ділянки водопровідної мережі (за матеріалом і діаметром труб), наведено спеціальні таблиці та побудовано за ними номограми. Це дозволяє з достатньою точністю визначати економічно доцільні діаметри труб, враховуючи регіональний характер зміни величини економічного фактора Е, ґрунтуючись на гарантованій (з 95 % рівнем забезпеченості) лінійній витраті води по ділянці трубопроводу.
За результатами досліджень нерівномірності водоспоживання й подачі води насосами у ряді міст України, встановлено залежність коефіцієнта нерівномірності споживання електроенергії 0 від загального коефіцієнта нерівномірності водоспоживання Кзаг.
. (18)
Для виконання практичних розрахунків у дисертації наведено таблицю з числовими значеннями г0 для труб із різних матеріалів та для великого діапазону змінюваності коефіцієнта Кзаг.
Упроваджено результати наукових досліджень на діючих СПРВ у низці населених пунктів України (Рівне, Львів, Шепетівка, Нововолинськ), що дало значний економічний і соціальний ефект. Так, наприклад, оптимізація реконструкції СПРВ при забезпеченні економічної ефективності трубопровідних систем водопостачання дозволила знизити аварійність трубопроводів на 20 %, зменшити втрати води та споживання електроенергії на насосних станціях, що живлять водопровідну мережу на 15 %.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в удосконаленні структурних схем і конструктивних особливостей водопровідних мереж шляхом врахування встановлених закономірностей мінливості критеріїв надійності і економічності залежно від термінів експлуатації окремих трубопроводів, а також оптимізацією конструкцій водопровідних вузлів та районуванням розподільних мереж..
2. Вперше узагальнено і систематизовано відмови на трубопровідних системах водопостачання за об’єктом дії, характером виявлення й факторами впливу на мінливість критеріїв надійності (зокрема на параметр інтенсивності відмов), за ступенем складності відновлення працездатного стану складових елементів, та за масштабом і видом шкоди, яку вони завдають;
3. Установлено, що мінливість критеріїв надійності водопровідних мереж і водоводів визначається такими групами факторів: конструктивні; фактори, напряму не пов`язані з життєдіяльністю людини та фактори, які обумовлені участю людей у процесі створення і експлуатації систем водопостачання. При цьому, домінуюче впливають на рівень показників надійності трубопроводів та їхніх елементів конструктивні характеристики трубопроводу ( матеріал і діаметр труб, тип стикового з’єднання, кількість конструктивних елементів у складі ділянки трубопроводу, кільця, або всієї трубопровідної системи, структурна роль ділянки у складі трубопровідної системи, наявність антикорозійного покриття внутрішньої та зовнішньої поверхні стінок труб). Важливими є і експлуатаційні параметри (термін експлуатації, границі зміни робочих тисків та лінійних витрат води на ділянках трубопроводів, якість води);
4. Отримано у аналітичному вигляді (2), (3), (4) модельні залежності для визначення і прогнозування параметра інтенсивності відмов для діючих металевих водопровідних мереж і водоводів від терміну їх експлуатації відповідно для трьох періодів роботи (пуско-наладка, нормальна експлуатація, інтенсивне старіння) із урахуванням категорії складності відновлення елементів, що відмовили.
5. Установлено, що аналітична залежність для оцінки мінливості лінійної витрати на ділянці діючої або нової, запроектованої водопровідної мережі має вигляд нормального закону розподілення. З достовірністю =0,95 математичне очікування лінійної витрати буде належати деякому довірчому інтервалу, границі якого визначаються за залежністю виду (5).
6. Уточнено модельну залежність для визначення економічного фактора та отримано її в аналітичному вигляді (17). Визначено діапазон зміни вхідних її параметрів.
7. Удосконалено методику вибору економічно-доцільних діаметрів труб для водоводів і ліній водопровідної мережі на основі застосування уточненої автором модельної залежності для визначення економічного фактору та величин граничних економічних витрат, які враховують фактичний рівень вартості будівництва та експлуатації не тільки окремих ділянок трубопровідної системи, але й гідравлічно пов’язаних із нею водопровідних споруд (у першу чергу, живильних насосних станцій);
8. Установлено аналітичну залежність коефіцієнта нерівномірності споживання електроенергії від коефіцієнта загальної нерівномірності водоспоживання виду (18) з її узагальненням для різних матеріалів труб. Визначено діапазон зміни цього коефіцієнта для шести діючих водопровідних систем водопостачання населених пунктів України;
9. Розроблено спосіб підвищення конструктивної, структурної й технологічної надійності та економічної ефективності роботи нових, запроектованих та діючих водопровідних мереж за допомогою районування розподільних трубопроводів, що дозволяє знизити енергозатрати на подачу води, зменшити витоки та виконувати моніторинг водовідбору води з мережі.
10. Результати наукових досліджень і рекомендації по реконструкції діючих водопровідних мереж з метою підвищення надійності й ефективності роботи СПРВ упроваджені у низці міст та населених пунктів України (Рівне, Львів, Шепетівка, Нововолинськ), що дало значний економічний і соціальний ефект, а саме зменшення собівартості 1 м3 поданої води на 20%, зменшення витрат електроенергії на 15%.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. П.Д.Хоружий, О.А.Ткачук, В.П.Косінов. Про розрахунок кількості конструктивних елементів водопровідних мереж та водоводів з метою визначення їх надійності // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. - Респ. міжвідомчий науково-технічний збірник. - Львів, 1993. - Випуск 20. - С. 90-97 (Автором дисертації особисто проведено теоретичні дослідження по темі статті, а також отримані в аналітичній формі розрахункові формули для визначення оптимальної кількості конструктивних елементів для ремонтної ділянки, трубопроводу, трубопровідного кільця та водопровідної мережі в цілому).
2. Косінов В.П. Врахування економічних факторів спорудження і обладнання насосних станцій, що живлять водогони і водопровідні мережі / /Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Збірник наукових праць. - Рівне, Рівненський державний технічний університет, 2001. - С. 259-265.
3. Косінов В.П.Вплив конструктивних та експлуатаційних факторів на надійність та економічність спорудження водопровідних мереж і водогонів // Вісник Рівненського державного технічного університету. Збірник наукових праць. - Рівне, 2001. - Випуск 4(11). - С. 108-115.
4. Косінов В.П. Врахування економічного фактору будівництва та експлуатації трубопровідних систем при виборі економічно-доцільного діаметра труб // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування. Збірник наукових праць. - Рівне, 2002. - С. 88-95.
5. Система подачи и распределения воды: А.с. 1118754, МКИ Е 03 В 7/ 04/ П.Д.Хоружий, А.А.Ткачук, В.П.Косинов, А.К.Бандура (СССР). - № 1691487 А1, Заявлено 12.05.89, опубл. 15.11.91, Бюл. № 42. - 4 с.(Автором дисертації проведений патентний пошук по темі винаходу, розроблено і обґрунтовано методику вибору місця для облаштування вузлів регулювання на водопровідній мережі, запропоновані конструктивні рішення таких вузлів).
6. Косінов В.П.Прогнозування змінюваності параметра інтенсивності відмов водопровідних ліній мережі і водоводів з урахуванням термінів їх експлуатації та складності відновлення ушкоджених елементів//Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. -Збірник наукових праць. -Рівне, 2003.-Вип. 28.- С. 83-89.
7. Косінов В.П.Встановлення залежності висотних габаритів робочої камери водопровідного колодязя від конструктивних характеристик водопровідного вузла//Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування. -Збірник наукових праць. -Рівне,2004.-Вип. 1 (25).- С. 125-135.
8. Косінов В.П.Вплив інтенсивності відмов водопровідних ліній на їх надійність //Матеріали ювілейної науково-технічної конференції присвяченої 70-річчю УІІВГ.-Рівне,1992,Видавництво УІІВГ.- С.9-10.
9. Хоружий П.Д., Косинов В.П. Определение параметра интенсивности отказов реконструируемых водопроводных сетей и водоводов по статистическим данным, УІІВГ. - Рівне, 1992. - Деп. в ІНТЕІ, 1.04.92 № 408-Ук 92.
10. Косінов В.П.,Поліщук Н.В.Визначення кількості конструктивних елементів трубопроводів непрямим методом// Матеріали ювілейної науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу та студентів інституту, присвяченої 50-річчю перемоги у Великій Вітчизняній війні. Тези доповідей, Рівне, Видавництво УІІВГ,1995.-Частина 2.- С.16,а.
11. Косінов В.П.Прогнозування зміни параметра інтенсивності відмов трубопроводів в залежності від термінів їх експлуатації //Актуальні проблеми водного господарства. Збірник наукових статей. - Рівне, Видавництво Української державної академії водного господарства,1997.-Том 2.- С. 67-70.
12. Косинов В.П., Хоружий П.Д. Вопросы экономичности и надежности работы систем подачи и распределения воды // Екологія, технологія, економіка водопроводу та каналізації. Збірка доповідей міжнародного конгресу “ЕТЕВК’99”, - Крим, Ялта, 1999, - С. 232-234 (Автором дисертації розроблено основні положення доповіді та проведено перевірку адекватності отриманої математичної моделі оптимальної СПРВ на діючому водопроводі м. Рівне).
13. Косінов В.П. Дослідження конструктивної надійності трубопровідної системи шляхом визначення кількості конструктивних елементів, що входять до її складу // Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистка природних і стічних вод. Труди науково-практичної конференції (м. Миргород).-К.:Товариство „Знання” України,2003,- С. 43-47.
АНОТАЦІЯ
Косінов В.П. Вдосконалення водопровідних мереж з урахуванням мінливості критеріїв надійності та економічності в процесі експлуатації. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 – водопостачання, каналізація. – Національний університет водного господарства та природокористування, Рівне, 2004.
На основі теоретичних і експериментальних досліджень отримано розрахункові залежності для визначення і прогнозування показників надійності й працездатності діючих водопровідних мереж і водоводів з урахуванням терміну їх експлуатації, а також імовірнісного прогнозування мінливості лінійних витрат води по ділянках діючих трубопроводів. За результатами досліджень уточнена методика визначення економічно доцільних діаметрів труб водоводів і ліній водопровідних мереж на основі економічного фактора, що враховує фактичні умови будівництва і експлуатації СПРВ з урахуванням отриманої аналітичної залежності для коефіцієнта нерівномірності споживання електроенергії.
Ключові слова: водовід, водопровідна мережа, насосна станція, витрата води, показники надійності, параметр інтенсивності відмов, економічний фактор.
А Н Н О Т А Ц И Я
Косинов В.П. Усовершенствование водопроводных сетей с учетом изменчивости критериев надежности и экономичности в процессе эксплуатации. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 – Водоснабжение, канализация. – Национальный университет водного хозяйства и природопользования, Ривне (Украина), 2004.
В диссертационной работе на основании теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости параметра интенсивности отказов трубопроводов от срока их эксплуатации в аналитической форме для трех этапов их эксплуатации (пуско-наладка, нормальная эксплуатация, интенсивное старение), а также вероятносного прогнозирования изменяемости линейных расходов воды по участкам действующих трубопроводов.
Разработана общая систематизация и классификация факторов, определяющих надежность трубопроводных распределительных систем водоснабжения, а также влияющих на численные значения величин математического ожидания линейных расходов воды по действующим трубопроводам.
Уточнена методика технико-экономического расчета водопроводных сетей и водоводов, в которой предложен универсальный способ расчета экономического фактора строительства и эксплуатации СПРВ, учитывающего фактические тарифы на электроэнергию и стоимости основных фондов трубопроводной системы и питающих ее насосных станций, которые имеют четко выраженный региональный характер.
Установлена тесная взаимосвязь между номинальной суточной производительностью насосной станции и величинами одноразовых капиталовложений на ее сооружение и оборудование (реальной стоимостью основных фондов действующих насосных станций). Полученные аналитические зависимости имеют прогнозный характер и позволяют определять стоимость основных фондов насосной станции для любых производительностей.
С целью повышения надежности и экономической эффективности СПРВ путем оптимизации потокораспределения в сети и уменьшения утечек воды из нее при обеспечении расчетных напоров и при уменьшении затрат на строительство и эксплуатацию СПРВ разработана районированная водопроводная сеть, новизна и эффективность которой подтверждена авторским свидетельством на изобретение.
Отличительной особенностью предложенной системы подачи и распределения воды является разделение распределительной водопроводной сети на изолированные районы с питанием от кольцевой магистральной сети через узлы регулирования.
Узел регулирования фактически объединяет в себе две основные функции: камеры регулирования, контроля расходов и напоров воды, которую предполагается подавать в каждый из районов сети; насосной станции подкачки, которая в случае
