Національний університет водного господарства та природокористування

На правах рукопису

Ткачук Олександр Андрійович

УДК 628.152

структурно-функціональне удосконалення систем подачі та розподілення води

05.23.04 – водопостачання, каналізація

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Рівне – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування (НУВГП) Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор, академік МАНЕБ Орлов Валерій Олегович, Національний університет водного господарства та природокористування, завідувач кафедри водопостачання та бурової справи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Тугай Анатолій Михайлович, Київський національний університет будівництва і архітектури, ректор, завідувач кафедри водопостачання.

доктор технічних наук, професор Душкін Станіслав Станіславович, Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри водопостачання, водовідведення та очистки води.

доктор технічних наук, професор Грабовський Петро Олександрович, Одеська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри водопостачання.

Провідна установа: Інститут гідротехніки та меліорації Української академії аграрних наук,

м. Київ.

Захист відбудеться “15” березня 2007 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 при Національному університеті водного господарства та природокористування за адресою: 33 , м. Рівне, вул. Соборна, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету водного господарства та природокористування за адресою: 33 , м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Реферат розісланий “26” січня 2007.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, канд. техн. наук, доцент В.П. Востріков

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Системи подачі і розподілення води (СПРВ) є найбільш фондоємкою та енергомісткою частиною сучасних систем водопостачання населених пунктів України. На початку ХХІ століття вони розвиваються інтенсивним шляхом, що передбачає раціональне використання існуючих фондів, природних та енергетичних ресурсів. У державних програмах розвитку водопровідно-каналізаційного господарства важливе місце відводиться впровадженню ресурсоощадних технологій, реконструкції та інтенсифікації роботи систем водопостачання.

Функціонування СПРВ в нинішніх умовах має свої характерні особливості, пов’язані із перманентними змінами їх параметрів, ринковими правилами господарювання, інтенсивним старінням і зношенням споруд і комунікацій. Існуючі методи техніко-економічних і гідравлічних розрахунків СПРВ не в повному обсязі, а інколи і суперечливо, враховують такі зміни, без їх статистичного аналізу. Традиційні схеми СПРВ орієнтовані на забезпечення максимально можливого водоспоживання і є, як правило, енергозатратними. Обґрунтування їх конструктивних та функціональних параметрів проводиться незалежно від рівнів забезпеченості подачі води, особливостей роботи в ринкових умовах та вимог ресурсоощадження.

В цьому аспекті актуальним є розвиток наукових основ з удосконалення систем подачі і розподілення води в умовах перманентних змін їх параметрів у процесі експлуатації, стохастичного характеру впливових факторів з метою надійного водозабезпечення та ресурсоощадження. Важливим є розроблення теоретичних основ стабільного водопостачання при змінних режимах водоспоживання на основі мінімізації сумарних втрат води та витрат електроенергії .

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з планами держбюджетних і госпдоговірних науково-дослідних робіт Національного університету водного господарства і природокористування (НУВГП), які формувались відповідно до державних галузевих програм. Серед них: Закон України “Про Загальнодержавну програму реформування і розвитку житлово-комунального господарства на 2004-2010 роки” (№ 1869-ІV від 24.06.04), “Галузева програма енергозбереження у будівельному комплексі та житлово-комунальному господарстві на 2001-2005р та на перспективу” (№ 96 від 9.10.01), “Розробити та науково обґрунтувати пропозиції до нормативів систем водопостачання в сільській місцевості” (державний реєстраційний номер 0105U004969).

Мета роботи полягає в розробленні теоретичних засад удосконалення систем подачі і розподілення води в умовах перманентних змін їх параметрів у процесі експлуатації, орієнтованих на ресурсоощадження та покращення їх економічних і технологічних показників.

Відповідно до поставленої мети визначено такі задачі досліджень:

- на основі експериментальних даних, отриманих при експлуатації і в результаті проведених досліджень діючих СПРВ, визначити ступінь впливу основних факторів на ефективність їх роботи і точність розрахунків;

- обґрунтувати стохастичну модель розбору й подачі води в СПРВ і на її основі розробити методику визначення статистично достовірних величин розрахункових витрат води;

- встановити величини параметрів залежності для визначення розрахункових витрат води за ступенями забезпеченості її подачі для різних категорій споживачів і СПРВ;

- розробити математичну модель техніко-економічних розрахунків водоводів і водопровідних мереж з урахуванням стохастичних змін у режимах їх функціонування, параметрів надійності та роботи в ринкових умовах;

- на основі отриманої техніко-економічної моделі розробити та дослідити аналітичні методи інженерних розрахунків і встановити їх адекватність;

- запропонувати зміни та доповнення до існуючих методів визначення економічно вигідних діаметрів труб водоводів і водопровідних мереж;

- провести теоретичні дослідження з визначення нових і вдосконалення існуючих структурних схем СПРВ за умов ресурсоощадження та покращення їх економічних і технологічних показників із врахуванням зміни їх параметрів у процесі експлуатації;

- обґрунтувати доцільність нових конструктивних схем СПРВ населених пунктів для характерних умов їх функціонування.

Об’єкт досліджень – перманентні процеси формування функціональних характеристик систем подачі і розподілення води населених пунктів.

Предмет досліджень – гідравлічні, техніко-економічні параметри та показники надійності систем подачі і розподілення води, особливості їх моделювання та методи розрахунків.

Методи досліджень. Теоретичні – проводились із застосуванням методів математичного аналізу (диференційні та інтегральні обчислення), теорії ймовірності та математичної статистики (гіпотези, функції розподілу, методи кореляційного і регресійного аналізу, статистичне моделювання), числові методи (Ньютона, Гауса-Зейделя, релаксації). Експериментальні – ґрунтуються на результатах манометричних зйомок діючих СПРВ, визначення фактичних характеристик насосів, гідравлічних опорів труб, режимів водоспоживання і подачі води тощо. При цьому проводились вимірювання напорів (за допомогою зразкових манометрів МО, манометрів-самописців МТС 712 Ч та тензорних датчиків тиску), витрат води (стаціонарними та портативними ультразвуковими витратомірами “Взльот” i Panametriх, водолічильниками) енергетичних параметрів електродвигунів (приладом “Енергія-9”, ватметрами і амперметрами).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що на основі теоретичних та експериментальних досліджень обґрунтовано засади структурно-функціонального удосконалення систем подачі і розподілення води, орієнтованого на підвищення надійності водозабезпечення та ресурсоощадження в умовах перманентних змін їх параметрів у процесі експлуатації та з врахуванням стохастичного характеру впливових факторів.

Серед принципово нових підходів до вдосконалення систем подачі і розподілення води, які вперше виносяться на захист, такі:

- побудована математична модель техніко-економічних розрахунків СПРВ на основі оптимізації величин чистого дисконтованого доходу і з урахуванням перманентних змін основних впливових параметрів протягом всього терміну реалізації проекту, а саме, вартості електроенергії, коефіцієнтів корисної дії насосних агрегатів, розмірів і нерівномірності подачі води та кредитних ставок інвестицій;

- на основі розробленої математичної моделі вдосконалено аналітичні формули визначення економічно вигідних діаметрів труб, вперше отримано аналітичні залежності розрахунку оптимальних довжин мереж і продуктивності моноструктурних СПРВ та обґрунтовано доцільність влаштування СПРВ нового типу – із районуванням водопровідних мереж;

- встановлено вплив технічного стану елементів СПРВ, що характеризується показниками надійності, а саме коефіцієнтами готовності та імовірністю безвідмовної роботи, на імовірність розбору і величину рівнів забезпеченості споживачів водою;

- вперше на основі статистичного аналізу водорозбору визначено аналітичну функцію інтегрального розподілу витрат води, що встановлює адекватну залежність імовірності від коефіцієнтів нерівномірності водорозбору для характерних місцевих умов;

- отримали подальший розвиток основні положення із обґрунтування економічної доцільності конструктивних схем СПРВ; серед них такі: співвідношення між діаметрами водопровідних ліній, що прокладені в одному напрямі, повинні якнайбільше відрізнятись від одиничного значення; основну частину водопровідних ліній слід влаштовувати із мінімально допустимими діаметрами труб, а найбільш важливі магістралі – зі збільшеними економічно обґрунтованими діаметрами мінімальної довжини;

- визначено, що необхідними обставинами ефективного функціонування СПРВ, які знаходяться в умовах старіння і фізичного зношення, є зміна їх технологічних схем і режимів подачі води, орієнтованих на стабілізацію водопостачання із забезпеченням мінімальних нормованих напорів при змінних режимах подачі і розбору води.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено нові підходи до структурно-функціонального удосконалення систем подачі і розподілення води з урахуванням змін їх параметрів у процесі експлуатації і стохастичного характеру впливових факторів, що особливо актуально в нинішніх умовах інтенсивного старіння та зношення споруд, трубопроводів та обладнання;

- на основі отриманої математичної моделі техніко-економічних розрахунків водоводів і водопровідних мереж розроблено та досліджено адекватність аналітичних методів для інженерних розрахунків;

- запропоновано зміни та доповнення до існуючих методів визначення економічно вигідних діаметрів труб водоводів і водопровідних мереж;

- розроблено методику визначення статистично достовірних величин розрахункових витрат води і рекомендовано значення параметрів їх аналітичної залежності;

- запропоновано спрощений метод статистичного аналізу водорозбору в діапазоні його розрахункових величин імовірності та максимальних коефіцієнтів нерівномірності водоспоживання;

- встановлено, що розрахункові значення максимальних коефіцієнтів погодинної нерівномірності водоспоживання для сучасних СПРВ населених пунктів України відповідають рівням забезпеченості 0,001..0,01; рекомендовано числові значення рівнів забезпеченості добових і погодинних витрат води, що дають змогу науково обґрунтовано визначати розрахункові величини їх коефіцієнтів нерівномірності відповідно до місцевих умов водокористування на об’єкті та категорії системи водопостачання;

- для оцінки впливу аварійності та технічного стану СПРВ на відповідність їх конструктивних схем заданим рівням забезпеченості споживачів водою та надійності рекомендовано числові значення коефіцієнтів готовності, імовірності безвідмовної роботи та рівнів забезпеченості, які слід розглядати як нормативні величини для визначеної категорії СПРВ;

- розроблено рекомендації з удосконалення гідравлічних розрахунків СПРВ з урахуванням зміни їх параметрів у процесі експлуатації;

- обґрунтовано доцільність та масштаби районування діючих СПРВ.

Застосування запропонованих методів дає змогу ще на стадії проектування враховувати зміни параметрів СПРВ в процесі експлуатації, особливості, притаманні конкретним системам, та визначати відповідність їх схем нормативним показникам надійності і забезпеченості. Це створює належні умови для стабілізації водопостачання та ресурсоощадження у процесі функціонування СПРВ.

Результати досліджень, починаючи із 1990 року, впроваджуються в управліннях водопровідно-каналізаційного господарства міст Івано-Франківськ, Рівне, Ужгород, Краснодар (Росія), Кіровоград, Чернівці та інших, що підтверджується відповідними документами та науково-технічними звітами. Отримані в процесі досліджень дані на діючих водопроводах увійшли до Національної доповіді “Про якість питної води та стан питного водопостачання в Україні у 2003 році”. На основі розроблених методів проведена експертна оцінка і дана технологічна характеристика водопровідно-каналізаційних господарств міст Харківської області та тенденцій розвитку ТВО „Харківкомунпромвод”. Результати експертного висновку використані Корпорацією ОКО (Об’єднані Консультанти, м. Київ) під час розроблення обласної програми розвитку водопровідно-каналізаційного господарства (2004 р.). За результатами наукової роботи підготовлено методичні рекомендації “Визначення економічно вигідних діаметрів труб водоводів і водопровідних мереж”, які включено складовою частиною до виконання науково-технічної програми Держводгоспу України “Розробити та науково обґрунтувати пропозиції до нормативів систем водопостачання в сільській місцевості” (2005 р.).

Результати наукової роботи також впроваджено в навчальний процес при викладанні дисципліни “Водопостачання. Системи подачі і розподілення води” для студентів спеціальності 7.092600 “Водопостачання та водовідведення” в НУВГП та інших навчальних закладах України.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові положення, які виносяться на захист, отримані особисто автором дисертації в процесі багаторічної (1988-2006 рр.) роботи науковим керівником госпдоговірних тем. Автору належить теоретична частина досліджень, організація експериментів на діючих СПРВ, розроблення методів розрахунків. Збір статистичної інформації, проведення експериментів і обробку отриманих результатів автор проводив особисто і разом із виконавцями госпдоговірних тем та аспірантами кафедри. Спільні публікації та винаходи виникли як результат колективної праці однодумців і створювались з активною участю всіх зазначених співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення, розроблені методи та результати досліджень були оприлюднені та обговорені на міжнародних, регіональних і вузівських конференціях, семінарах і симпозіумах. Серед основних із них такі: науково-технічні конференції УІІВГ, УДАВГ, УДУВГП та НУВГП (1992..2006 рр), семінар „Сучасні проблеми водопостачання та знезараження стічних вод” (м. Рівне, 1997), міжн. наук.-практ. конф. „Сучасні проблеми підвищення екологічної безпеки та економічності роботи систем водопостачання і каналізації” (м. Трускавець, 2000), міжн. наук.-техн. конф. "Водне господарство: економіка, екологія, менеджмент" (м. Рівне, 2000), Міжн. наук.-техн. конф. "Актуальні проблеми водного господарства та природокористування" (м. Рівне, 2002), міжн. наук.-практ. конф. “Сучаснi проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” (м. Миргород, 2003, 2004, 2005), Міжн. конгреси “Екологія, технологія, економіка, водопостачання, каналізація” – “ЕТЕВК” (м. Ялта, 2003, 2005), 6-й та 7-й Міжн. конгреси “Вода: экология и технология” – “ЭКВАТЭК” (Росія, Москва, 2004, 2006), наук.-практ. конф. “Водне господарство: завдання в період реформування економіки і перспективи розвитку” (м. Київ, Держводгосп України, 2003), 1-й Міжн. наук.-практ. семінар “Методи підвищення ресурсу міських інженерних інфраструктур” (м. Харків, ХДУБА, 2004), наук.-практ. семінари центру реформування житлово-комунального господарства Івано-Франківської області (м. Івано-Франківськ, 2004..2006), семінар програми реформування тарифів та реструктуризації комунальних підприємств в Україні “Технічна та організаційна оцінка підприємств водопостачання та водовідведення” (Київ, 2004), 1-й Міжн. симпозіум „Водне і комунальне господарство України – шляхи вирішення проблеми” (Рівне, НУВГП, 2004), Міжн. наук.-практ. конф. “Наукові засади сталого розвитку водного господарства та меліорації земель в Україні” (Київ, ІГіМ, 2005), та “Сучасні проблеми водопостачання та водовідведення” (Одеса, ОДАБА, 2005).

Публікації. Основні наукові положення, методи, результати досліджень викладені в 62 роботах, пов’язаних з темою дисертації. Зокрема, у 34 статтях у науково-технічних і збірниках наукових праць: 17 – у виданнях матеріалів і тез Міжнародних конгресів, симпозіуму і конференцій, 4 – в інформаційних вісниках, 1 авторському свідоцтві на винахід СРСР, 1 патенті України, 3 посібниках і 2 довідниках. У фахових виданнях та прирівняних до них – 36 робіт, із них 22 – без співавторів.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, загальних висновків, списку літератури із 374 найменувань та додатків. Робота викладена на 285 сторінках тексту комп’ютерного набору і вміщує – 111 рисунків, 33 таблиці, 4 додатки на 28 сторінках. Всього – 358 сторінок.

Основний зміст роботи

У першому розділі зроблено критичний аналіз сучасного стану, проблем проектування та розрахунків СПРВ населених пунктів.

Зазначено, що в останнє десятиліття спостерігається скорочення об’ємів поданої і реалізованої води в системах водопостачання населених пунктів України, що обумовлено інтенсивним старінням і зношеністю споруд, трубопроводів та обладнання, зростанням витрат на підготовку і подачу води та впровадженням ресурсоощадних технологій, а також низькими запасами природних вод.

Системи подачі і розподілення води як основна частина систем водопостачання (найбільша за масштабами, вартістю і витратами на подавання води) перебувають у складному динамічному стані, що пов’язано із старінням і змінами характеристик насосних агрегатів, водопровідної арматури, труб, зниженням показників надійності та перманентними змінами робочих режимів, які обумовлені характером водоспоживання населеного пункту, вимушеними графіками подачі води, аваріями на водопровідній мережі та потоками інших зовнішніх факторів. Удосконалення діючих СПРВ на сучасному етапі носить енерго- і водоощадний характер і проводиться в кількох напрямах: реновація трубопроводів та використання сучасного насосного обладнання; автоматизований контроль та управління роботою СПРВ; зонування і оперативний розподіл потоків води. Важливо, що останній напрям передбачає не тільки удосконалення конструктивних схем СПРВ але й застосування обох попередніх.

Наукові основи розрахунків і влаштування СПРВ започатковані в роботах В.Г. Лобачева, М.М. Андріяшева, Н.Н. Абрамова, Л.Ф. Мошніна. Значний внесок у їх розвиток зробили відомі вітчизняні та іноземні вчені В.Г. Ільїн, В.П. Сироткін, А.Я. Ласіс, Н.У. Койда, Г.Е. Кікачейшвілі, О.О. Білан, А.Г. Євдокімов, С.В. Сумароков. На сучасному етапі плідно працюють П.Д. Хоружий, І.Т. Прокопчук, В.А. Петросов, М.М. Гіроль, В.Г. Новохатній, І.М. Рябченко, Е.М. Гальперін, І.І. Глуховський, С. Денчев, Б.С. Лезнов, М.А. Сомов, В.Р. Чупин, М.Ю. Юдін, Е. Барсан, Г. Ігнат, П. Пелівановський, З. Веліановський, Л. Maйс, Р. Фурнес та інші.

Відзначено, що незважаючи на значні досягнення існуючі методи розрахунків СПРВ мають істотні недоліки: розрахункові витрати води визначаються незалежно від заданих рівнів забезпеченості та категорій СПРВ; не враховуються зміни впливових параметрів в процесі експлуатації та залежність відборів води від напорів; точність розрахунків не відповідає точності вихідних даних; техніко-економічні розрахунки проводяться без врахування показників надійності та стохастичних змін в режимах роботи СПРВ. Методи реконструкції (структурних змін) та інтенсифікації (покращення експлуатаційних показників) СПРВ або не ув’язані між собою, або не враховують стохастичних змін впливових факторів. Їх реалізація, забезпечуючи вирішення поставлених вузькопланових задач, призводить іноді до погіршення функціональних показників СПРВ в цілому.

Сучасна комп’ютерна техніка та існуючі спеціалізовані програмні комплекси (WaterCAD, EPANET, ZuluHydro та інші) дозволяють проводити високопродуктивні гідравлічні розрахунки СПРВ з максимальним врахуванням їх особливостей і сервісом для користувачів. Вони орієнтовані на ГІС-технології, що створює умови для якісного і швидкого формування вихідних даних шляхом імпортування файлів з інших ГІС-моделей. Однак незважаючи на вагомі позитивні сторони їм притаманні такі основні недоліки: не враховуються зміни величин вузлових відборів від напорів у вузлах, існують значні проблеми з врахуванням змін параметрів в процесі експлуатації та з точністю оптимізаційних розрахунків, які не мають належного математичного апарату. Крім того, при проведенні гідравлічних розрахунків використовуються ті формули і параметри для них, що відповідають нормативній базі країни, де розроблена програма. Вирішення цих завдань потребує серйозного аналізу існуючих методів моделювання СПРВ і розроблення нових теоретичних підходів.

Показано, що найбільш перспективні напрямки удосконалення СПРВ, які динамічно розвиваються, орієнтовані на моделювання їх стану і режимів роботи. В їх основу покладено математичні моделі СПРВ, які включають системи лінійних і нелінійних рівнянь, що моделюють конструктивні, гідравлічні, технологічні та економічні залежності між окремими елементами СПРВ та їх робочими параметрами, модельні рівняння для режимів водоспоживання, прогнозування змін параметрів у процесі експлуатації тощо. Повнота і достовірність моделі СПРВ, залежно від поставлених задач (перевірочні чи оптимізаційні розрахунки), повинна оцінюватись результатами натурних досліджень, статистичними даними режимів їх роботи, а в окремих випадках відповідністю числовим методам розрахунків.

У цьому розділі сформульовано мету, завдання і напрямки досліджень з удосконалення СПРВ. Зазначено їх орієнтування на поєднання структурних змін із покращенням функціональних показників СПРВ.

У другому розділі обґрунтовуються теоретичні засади, методи та методики досліджень, теоретичні основи аналізу, математичного моделювання та оптимізаційних розрахунків СПРВ.

Представлено підсистеми рівнянь, що є базовими для математичного моделювання та гідравлічних розрахунків СПРВ. Вказано на необхідність ідентифікації параметрів кожної моделі СПРВ результатами натурних досліджень (гідравлічних опорів труб, характеристик насосів, манометричних зйомок, водорозбору тощо). Визначено методологічні засади структурно-функціонального удосконалення СПРВ, яке слід трактувати як обґрунтування конструктивних змін у їх схемах на основі оптимізації експлуатаційних показників в умовах перманентних перемін впливових факторів.

Для обліку постійних змін в технічному стані споруд і трубопроводів проведено моніторинг на основі розроблених електронних кадастрів СПРВ. Їх реалізація на водопроводах міст Івано-Франківська і Краснодара дозволила більш точно і повно врахувати перманентні зміни стану, основних параметрів та недоліки в процесі експлуатації СПРВ.

Статистичною оцінкою експериментальних даних залежно від завдань, що вирішувались, передбачалось: вибір закону розподілу, допустимість (чи неможливість) об’єднання двох експериментальних вибірок, узгодженість аналітичних функцій з експериментальними даними. В роботі використовувалися ті дані, достовірність яких відповідає сучасним нормам математичної статистики, кореляційного та регресійного аналізу.

У третьому розділі наводяться результати теоретичних досліджень із створення математичної моделі техніко-економічних розрахунків, яка покладена в основу обгрунтування структурних змін СПРВ та їх функціональних показників.

Оцінку економічної ефективності при реалізації проектів в умовах ринкової економіки слід визначати з врахуванням життєвого циклу капіталу на основі комплексу показників, які визначаються залежно від стадії проекту та мети оцінки. Основним серед них є чистий дисконтований дохід (Чдд), який визначається за формулою

, (1)

де t і Т - окремі роки і загальний термін реалізації проекту (t = 0...Т);

е - норма прибутку, кредитна ставка або коефіцієнт дисконтування;

Pt - чистий грошовий потік у t–му періоді (році), який є різницею між сумою прибутків Пt і витрат Вt.

Показано, що величина чистого дисконтованого доходу при функціонуванні СПРВ буде найбільшою, якщо дисконтовані сумарні витрати на початок реалізації проекту Вн будуть найменшими. В розрахунках СПРВ капітальні і поточні затрати без повторного рахування однакових витрат повинні включати будівельну вартість (капітальні затрати) Кt та змінні частини витрат, що є складовими тарифу на воду: амортизаційні відрахування Ваt та вартість електроенергії на підняття і транспортування води Велt. Це означає, що, зокрема, для визначення економічно вигідних діаметрів труб водоводів і мереж функція мети Вн для пошукового аргументу (dек) матиме вигляд

, (2)

де aі, bі та б - параметри аналітичного виразу питомої вартості прокладання трубопроводів, які уточнено за укрупненими показниками вартості водоводів і водопровідних мереж відповідно до нинішніх цін;

Set - параметр (рис. 1), який може визначатись за принципом послідовного додавання або за отриманою формулою його аналітичного аналога

; (3)

di і li - діаметр і довжина і-ї ділянки водопровідних мереж чи водоводів, м;

Ра - частка амортизаційних нормативних відрахувань від будівельної вартості Кн;

уt - вартість 1 кВт-год електроенергії в t-му році, грн;

Иt - тривалість роботи системи протягом t-го року, год;

Нг, QНС.ф і зф - геометрична висота підняття води, м, подача, м3/с, і коефіцієнт корисної дії насосів в ф–ї години;

k, m і - параметри у формулі втрат напору в трубах;

qі. ф і хі. ф - витрати води, м3/с, і коефіцієнт ролі і-ї ділянки у витратах енергії на транспортування води для ф-ї години.

В результаті диференційного математичного аналізу функції мети Вн (2) отримано аналітичну формулу для визначення економічно вигідних діаметрів труб водоводів і водопровідних мереж, що має загальний вигляд

, (4)

де Еі - параметр, що враховує показники вартості будівництва та експлуатації трубопроводу в початковий період (при t = 0) на і-й ділянці

; (5)

kqt.i - узагальнений коефіцієнт відносного завантаження і-ї ділянки, що враховує зміни всіх впливових факторів

(6)

уt і уо - вартість 1 кВт-год електроенергії для t-го року і в початковий період, грн;

зр і зф - коефіцієнти корисної дії насосних агрегатів, відповідно, розрахунковий і для ф-ї години, частки одиниці;

та - коефіцієнти зміни відносної подачі насосної станції та і-ї ділянки для ф-ї години, які в межах одного року відповідають коефіцієнтам нерівномірності і ;

Qср.НС. о - середня за рік подача води насосної станції, м3/с.

Для практичного визначення параметра Еі отримано числові значення показників вартості будівництва та експлуатації трубопроводів (в цінах 2002 р). У разі їх непропорційних змін, а в основному це стосується тарифів на електроенергію уо та будівельної вартості трубопроводів, вони можуть бути враховані відповідними перевідними коефіцієнтами.

Для визначення узагальненого коефіцієнта відносного завантаження ділянок kqt.i проведено детальний аналіз взаємозв’язків впливових факторів у формулі 6. Встановлено, що цей коефіцієнт визначається із виразу

, (7)

де kД.і - коефіцієнт завантаження і-ї ділянки, що визначається як відношення витрат води на ділянці до подачі насосною станцією для розрахункового випадку до середнього водоспоживання в початковий період;

хі. - усереднений коефіцієнт ролі і-ї ділянки у витратах енергії на транспортування води, який із врахуванням надійності і взаємозаміни ділянок доцільно приймати рівним хі = 1/ni = const (ni - кількість ниток трубопроводів визначеного перетину на їх конструктивній схемі);

- коефіцієнт, що враховує зміни впливових факторів і визначається за формулою 8 або її аналітичними аналогами 9…12

;(8)

, (9)

де kqу, kqз, kqt i kqК - коефіцієнти впливу змін вартості електроенергії, коефіцієнтів корисної дії насосів, розмірів водоспоживання, що визначаються відповідними параметрами ау, аз і аt, та нерівномірності подачі води залежно від коефіцієнтів для насосної станції та ділянки ;

kqе – коефіцієнт впливу величин кредитних ставок, залежить від параметра і визначається за формулою 11;

kqТ – коефіцієнт впливу строків реалізації проекту, залежить від параметра і визначається за формулою 12;

– коефіцієнт, що враховує зміну множника з величиною кредитної ставки е = 0,16 при Т = 25 років;

– те саме, з фактичною величиною кредитної ставки е;

;(10)

;(11)

.(12)

Порівняння результатів розрахунків за числовим методом (формула 8) та аналітичним (формули 9..12) показує, що останній цілком придатний

для практичного використання. При різних величинах впливових параметрів значення в узагальненому коефіцієнті відносного завантаження ділянок, визначені аналітичним методом, практично не виходять за межі відхилень їх величин у серіях обчислень цих коефіцієнтів числовим методом і не перевищують ±2% (рис. 2).

Аналогічним чином отримано функції мети для оптимізації інших елементів СПРВ (насосних станцій підкачок, районних мереж тощо). Вони є математичними моделями для їх оптимізаційних розрахунків. Зокрема встановлено, що при влаштуванні схем водоводів і водопровідних мереж у СПРВ завжди доцільно влаштовувати основну частину водопровідних ліній з мінімально допустимими діаметрами, а найбільш важливі магістралі – із збільшеними економічно обґрунтованими (формула 4) мінімальної довжини. Найбільш економічним є той варіант, в якому співвідношення між діаметрами водопровідних ліній, що прокладені в одному напрямку, якнайбільше відрізняються від одиничного значення. Це дає підоснову для влаштування СПРВ нового типу – із районуванням водопровідних мереж.

Проведений на основі отриманих математичних моделей аналіз дозволив визначити основні положення конструктивності та економічної доцільності влаштування СПРВ за найбільш поширеними їх схемами. Показано, що при визначенні схем живлення СПРВ першочергово слід враховувати нормативні вимоги і технічні обмеження, а оптимізаційні розрахунки мають місце тільки при технічній рівнозначності можливих варіантів подачі води. Вони орієнтовані на визначення варіанту із мінімальною величиною дисконтованих на початок будівництва витрат або найменшим строком окупності залежно від найбільш впливових факторів та місцевих умов (планів мереж, розташування водоспоживачів, рельєфу тощо).

У четвертому розділі наведено результати досліджень та аналізу змін конструктивних параметрів СПРВ в процесі експлуатації.

Оцінка точності розрахунків за формулами, для яких величини коефіцієнтів і показників степеня рекомендуються чинними нормативами, показала значну розбіжність (до 62 %) у значеннях гідравлічних ухилів водопровідних труб із різних матеріалів. Показано, що для гідравлічних та оптимізаційних розрахунків СПРВ у широкому діапазоні параметрів водопровідних труб (d = 100..1600 мм, V = 0.25..1.4 м/с, Ks = 1.0..10.0) цілком придатні (з точністю ± 5 %) спрощені одночленні формули із рекомендованими для них величинами коефіцієнтів і показників степеня, а також уточненою формулою прогнозування збільшення їх гідравлічних опорів.

На основі власних багаторічних обстежень і досліджень роботи діючих водопровідних насосних станцій у містах Рівне, Ужгород, Кіровоград, Івано-Франківськ, Коломия, Долина та інших (всього понад 50 станцій у 20 населених пунктах) та літературних даних встановлено, що зміни характеристик насосних агрегатів можна віднести до одного із трьох типів:

- тип 1 – відносна стабільність напірної і погіршення енергетичних характеристик, що зумовлено дефектами у механічній частині насосних агрегатів (підшипниках, сальниках, електродвигунах); при цьому гідравлічна частина насосів залишається, практично, без суттєвих змін;

- тип 2 – відносна стабільність енергетичної Q-N і погіршення напірної Q-Н характеристики, що викликано змінами у гідравлічній частині насосів: кавітація робочих коліс, корозія і забруднення коліс та корпусів;

- тип 3 - погіршення як напірної Q-Н, так і енергетичних Q-N та Q-з характеристик зумовлено як змінами у механічній, так і гідравлічній частинах насосів; на практиці спостерігаються найчастіше.

Для кожного із типів змін характеристик насосних агрегатів спостерігається зниження коефіцієнтів корисної дії (ККД) насосів, які найбільш повно характеризують зміни енергетичних параметрів і є одним із показників оптимальності функціонування СПРВ. Швидкість зниження ККД насосів різна (для насосів типів “К” і “Д” - від 2 до 5 % за рік), безпосередньо пов’язана із тривалістю та умовами експлуатації (від технічного до людського фактору) і визначається на основі експертної оцінки для конкретних насосів або тих, що працюють в аналогічних умовах.

Показано, що зміни конструктивних параметрів основних елементів СПРВ визначають їх технічний стан і СПРВ в цілому та характеризуються показниками надійності: коефіцієнтами готовності або імовірності безвідмовної роботи. Для СПРВ, які належать до відновлювальних технічних систем безперервної дії в умовах, коли потоки “відмов-відновлення” набувають стаціонарного характеру, рівень їх надійності слід визначати за коефіцієнтами готовності Кг або безвідмовної роботи СПРВ Кб.р. Їх величини досить просто визначаються за статистичними даними диспетчерських служб Водоканалів. Для діючих СПРВ визначено, що вони становлять: при повній перерві в подачі води – 0,90..0,98; при зниженні подачі води до 30 % – 0,50..0,85.

У свою чергу, технічний стан трубопроводів і споруд суттєво впливає на імовірність розбору води в СПРВ і величину рівнів забезпеченості споживачів водою. Враховуючи, що імовірність водорозбору не може перевищувати технічну надійність системи, їх розрахункові величини знаходяться в такій залежності одна від одної

(13)

де Рр, Кг.р і Ро.р – розрахункові величини імовірності водорозбору, коефіцієнта готовності (безвідмовної роботи СПРВ) і рівня забезпеченості.

Проведений аналіз для діючих СПРВ міст України (Івано-Франківськ, Ужгород, Чернівці, Трускавець, Коломия, Калуш та інших, всього понад 15 СПРВ) показав, що їх надійність нижча від розрахованої на основі діючих нормативів. Особливо це стосується систем водопостачання І-ї категорії забезпеченості споживачів водою при аналізі допустимого зниження подачі води понад 30 %. Такий стан вимагає нових конструктивних та технологічних рішень щодо підвищення надійності СПРВ. На основі оцінки впливу потоків аварійності та технічного стану СПРВ на надійність і відповідності їх конструктивних схем заданим рівням забезпеченості споживачів водою визначено числові значення коефіцієнтів готовності та рівнів забезпеченості. Вони рекомендуються як нормативні для визначеної категорії СПРВ (табл., с.19).

У п’ятому розділі розглянуто запропоновану модель розбору і подачі води на діючих СПРВ, метод та результати їх статистичного аналізу.

З’ясовано, що для сучасних діючих СПРВ населених пунктів України характерним є зміна структури розбору води, зокрема, явище зростання витоків і нераціональних відборів води. Рекомендовано новий метод моделювання водорозбору, що дозволяє на основі аналізу статистичних даних визначати розрахункові витрати води відповідно до заданого рівня забезпеченості. Отримано аналітичну функцію інтегрального розподілу витрат води, що встановлює адекватну залежність імовірності водорозбору Р від коефіцієнтів його нерівномірності К із врахуванням найбільш характерних місцевих факторів у режимах подачі і розбору води

(14)

де б – параметр, що залежить від дисперсії у2 функції щільності розподілу витрат води;

а, b і c - коефіцієнти, що залежать від виду інтегральної кривої розподілу та її зміщення (асиметрії) і визначаються шляхом апроксимації статистичних даних.

В процесі перевірок з’ясовано, що структура формули 14 дає змогу адекватно описувати розподіли витрат води, що мають місце на діючих СПРВ сучасних населених пунктів. Для цього була складена комп’ютерна програма в середовищі Turbo Pascal, що дозволило провести математичну обробку значного експериментального матеріалу. На рис. 3 наведено найбільш характерний графік інтегрального розподілу витрат води та величини отриманих шляхом апроксимації параметрів у формулі 14. Там само показані коефіцієнти кореляції R2 між експериментальними та розрахунковими даними, а також їх середні квадратичні відхилення Скв.

Перевірки показали, що навіть при значних відхиленнях від нормального закону розподілу витрат води, структура рекомендованої аналітичної формули 14 цілком придатна для подальшого статистичного аналізу водорозбору та витрат поданої води. При цьому графіки з розподілом витрат води, наближеним до нормального, характерні для умов повного забезпечення споживачів водою. Зміщення графіків характерно для випадків явних порушень у роботі системи водопостачання або користування комунальним водопроводом. Так, при зміщенні графіків вправо зафіксовано зниження вільних напорів у споживачів і, як наслідок, недоподачі їм води, а при зміщенні вліво - нераціональне водоспоживання в будівлі. Двопіковий графік може відображати зміну погодинних витрат води, вимірюваних для кожної години доби, або витрат при великих витоках води. Менший пік належить до нічних годин (витоків води), а більший – до денних (з переважаючим раціональним водоспоживанням).

Проведена математична обробка отриманого статистичного матеріалу на діючих СПРВ дозволила встановити залежності основних параметрів у формулі 18 від загальних показників водорозбору. Зокрема, це – залежність коефіцієнтів б від дисперсії розподілу витрат води уq (для коефіцієнтів нерівномірності К – від коефіцієнтів варіації Сv - рис. 4) та математичних сподівань витрат води .

Вони вказують на пряму залежність параметрів б від коефіцієнтів варіації Cv (рис. 4) і фактичну відсутність кореляційного зв’язку інших параметрів у формулі 14 від отриманих коефіцієнтів варіації Cv, асиметрії Сs та середніх витрат води . Тому для практичних розрахунків параметри a, b і c слід визначати на основі наявного статистичного матеріалу, що відповідає характерним умовам конкретної діючої СПРВ, її окремої зони чи груп споживачів.

Якщо розподіл витрат води наближений до нормального, то допустимо застосування спрощеного варіанту формули 14 із a = 1, b = c = 0. При цьому залежність імовірності водорозбору від коефіцієнтів його нерівномірності визначається тільки параметром б, який, у свою чергу залежить від величини коефіцієнта варіації Cv і може розраховуватися за формулою

(15)

На рис. 4 ця залежність показана тонкою пунктирною лінією. Вона проходить через гущу експериментальних даних, практично збігається із лініями їх трендів і є статистично значимою. Вибіркова перевірка точності розрахунків за формулою 14 та її спрощеним варіантом (із a = 1, b = c = 0) в діапазоні розрахункових величин імовірності водорозбору Рр = 0,95..0,99 показала, що розбіжність між отриманими величинами імовірності Р становить 0,1..1,5 %. Очевидно, що така точність розрахунків не виходить за межі відхилень експериментальних даних від ліній їх трендів.

Це дало можливість запропонувати для практичного застосування спрощений метод статистичного аналізу водорозбору в діапазоні розрахункових величин його імовірності (Рр = 0,95..0,99) та максимальних коефіцієнтів нерівномірності, які слід визначати за формулою

, (16)

де Ро - задана величина розрахункової забезпеченості водорозбору.

Проведений аналіз нерівномірності водоспоживання для населених пунктів показав явну залежність коефіцієнтів погодинної нерівномірності від величин добових витрат води (продуктивності СПРВ) і рівнів забезпеченості подачі води. Для визначення цих коефіцієнтів (рис. 5) отримано аналітичну залежність

, (17)

де а і b - коефіцієнти, які залежать від заданих величин забезпеченості Pо і можуть розраховуватися за отриманими емпіричними формулами.

У результаті проведених досліджень встановлено, що фактичні розрахункові значення коефіцієнтів погодинної нерівномірності водоспоживання Кгод.макс для сучасних СПРВ населених пунктів України відповідають рівням забезпеченості Ро = 0,001..0,01. Вони є вищими за фактичні та реально досяжні показники надійності. Для визначення розрахункових добових і погодинних витрат води рекомендовано як нормативні їх значення (табл.) залежно від категорії СПРВ.

Рекомендовані як нормативні величини часу зниження подачі води Тзн, коефіцієнтів готовності Кг.р та рівнів забезпеченості Ро.р

Категорія | Зниження подачі води | Рівні забезпеченості

Ро.р для витрат води

до 30 % | на 30..100 %

Тзн(30), діб | Кг.р | Тзн(30..100), год | Кг.р | добових | погодинних

1 | 3 | 0,90 | 6 | 0,99 | 0,01 | 0,005

2 | 10 | 0,75 | 12 | 0,98 | 0,03 | 0,01

3 | 15 | 0,60 | 24 | 0,97 | 0,04 | 0,015

Проведені перевірки показали, що отримані залежності цілком придатні для статистичного аналізу, математичного моделювання подачі і розподілення води та прогнозування розрахункових витрат відповідно до заданих рівнів імовірності та забезпеченості водорозбору. При цьому основними розрахунковими параметрами для математичного моделювання водорозбору в СПРВ повинні бути: функції експериментального розподілу витрат води та їх аналітичні аналоги, середнє розрахункове значення витрат, розрахункові рівні забезпеченості та відповідні їм коефіцієнти нерівномірності водоспоживання.

Для моделювання водорозбору з метою проведення гідравлічних та оптимізаційних розрахунків СПРВ запропоновано методику формування вузлових відборів при складанні їх розрахункових схем. Виявлено, що при розрахунках діючих СПРВ, для яких сформована інфраструктура водорозбору з відомим розташуванням водопровідних ліній, невключених до розрахункової моделі, значно підвищується точність кінцевих результатів. У порівнянні із методикою формування вузлових відборів на основі рівномірної інтенсивності водорозбору із ділянок водопровідної мережі ці уточнення становлять 3..20%.

У шостому розділі надано обґрунтування основних способів удосконалення конструктивних схем СПРВ.

Для встановлення оптимальних розмірів моноструктурних схем, які є складовою частиною будь-яких СПРВ і найбільш поширеними для невеликих населених пунктів, визначено аналітичні характеристики їх водопровідних мереж. Перевірки показали їх придатність для практичних розрахунків і простоту застосування, що є суттєвим при оптимізації систем подачі та розподілення води. Величини параметрів узагальнених характеристик просто визначаються за результатами натурних досліджень або розрахунків сумісної роботи споруд СПРВ числовими методами. Наведено приклади розрахунків