Постановлением Правительства Российской Федерации №87 [1] впервые установлены указания по количественной оценке мероприятий, обеспечивающих надёжность функционирования линейных объектов. В печати можно встретить вопросы о методиках оценки надёжности подобных систем. Частичные разъяснения по ним приведены в материалах [2–4], однако для практического подхода к решению подобных задач по обеспечению бесперебойного функционирования систем подачи воды необходимы знания в области теории надёжности и математической статистике [5–7].

Требования проектирования систем подачи сточных воды определяются в соответствии с СП 32.13330–2018 [8], которые воспринимаются и трактуются далеко не однозначно. В частности, противоречия возникают по степени обеспеченности подачи воды и классификации насосных станций по категориям. Утверждается (п. 8.1.1 СП 32 [8]), что насосные станции систем водоотведения подразделяются на три категории по надёжности действия, а ниже (п. 8.2.6 СП 32 [8]) уточняется, что «…число напорных трубопроводов от насосных станций любой категории надёжности действия необходимо принимать на основании технико-экономических расчётов с учётом возможности устройства аварийного выпуска (перепуска), регулирующей ёмкости, использования аккумулирующей вместимости подводящей сети, допускаемого снижения водопотребления согласно СП 31.13330.2012».

Отметим, что в СП 31.13330.2012 [9] насосные станции классифицируются не по категориям надёжности, а по категориям «степени обеспеченности подачи воды». Следовательно, и канализационная насосная станция, как последовательный элемент системы водоотведения, должна удовлетворять конкретным условиям подачи воды. Число её напорных трубопроводов должно приниматься не произвольно, а не меньше двух для первой категории. Если возникают отказы на водоводах, то последствия от их неработоспособности не должны сказываться на безопасности окружающей среды согласно требованиям, которые определены №7-ФЗ [10] и Водным кодексом РФ [11].

Исследования по регулирующим аварийным ёмкостям, канализационным сетям [12, 13] актуальны, но они не решают задачу охраны окружающей среды при наличии условий допустимости аварийного сброса неочищенных сточных вод в водоёмы и на поверхность земли.


Рис. 1. Схемы системы подачи воды по водоводам m = 2 с ремонтными участками n (а — при нормальном режиме; б — при отключении одного ремонтного участка)

Увеличение пропускной способности водоводов системы подачи воды в период устранения причины их аварийности принято обеспечивать за счёт устройств переключения между ремонтными участками (рис. 1) либо увеличением числа водоводов. Очевидно, что количество ремонтных участков n на каждом водоводе должно не назначаться, а рассчитываться. По сей день, для сокращения времени, при расчётах количества n пользуются табличными значениями, которые составлены с учётом логических заключений, изложенных в справочной и учебной литературе [14, 15].

При их составлении допускалось следующее (рис. 1): длина ремонтного участка каждого водовода l = L/n, где L — длина водовода, n — количество ремонтных участков; Q — подача воды по водоводам составляет; сопротивление каждого участка оценивается параметром s, а всего водовода — S = sn.

Предусматривалось, что необходимое количество ремонтных участков n принимается в зависимости от количества водоводов m и значения S:

где Q — подача воды, м³/с; h = iH — потери напора H, м; i — гидравлический уклон (удельные потери напора на единицу длины).

Предполагая распределение потоков воды в системе водоводов по схеме рис. 1 и условие (1), принимаем следующие допущения:

при нормальной работе системы:

при аварийной ситуации, когда подача воды Qав по водоводам m = 2, с ремонтными участками (n — 1):

соотношение сопротивлений водоводов Sав.сис/Sсис при подаче воды по водоводам m = 2 в аварийной и нормальной ситуации равно:

Если: n = 2, то a = 2,5; n = 3, то a = 2; n = 5, то a = 1,6; n = 10, то a = 1,3 и т. д., при m ≠ 2:

Вполне очевидно, что вывод формул (4) и (5) искажён из-за принятия условия о постоянстве s каждого ремонтного участка водоводов для различных режимов подачи воды (s ≠ sав, где sав — сопротивление дублирующего участка при отключении одного из n на ремонт).

Принятое допущение s = sав приводит не только к искажению оценок n в несколько раз, но влияет и на теоретические подходы построения графиков совместной работы насосов и водоводов. Предварительное определение расчётных параметров проектируемой системы подачи воды возможно только при соблюдении законов о подобии движения реальной жидкости. Главное положение этих законов заключается в необходимости выполнения условий геометрического, кинематического и динамического подобия.

Применительно к рассматриваемому случаю подачи воды системой (рис. 1), изменение подобия движения жидкости по участкам n оценивается с помощью критерия динамического подобия Эйлера [16]:

то есть, если меняется скорость v или расход Q на участке водовода, то на подобном ему участке указанные параметры должны меняться в полном соответствии. Движение же потоков воды по схеме рис. 1 будет меняться не однозначно.

Для убедительности рассмотрим следующий пример. Допустим, что главная насосная станция системы водоотведения первой категории должна подавать расчётный расход воды Q = 406,75 л/с при статическом напоре Нст = 39,7 м по водоводам из труб ВЧШГ на расстояние 3700 м тремя рабочими насосными агрегатами марки ABS AFP2002 DN200, D = 450 мм.

В целях предотвращения сброса избыточного количества поступающих неочищенных сточных вод из аварийного колодца в водоём или на поверхность земли населённого пункта при аварийной ситуации (возникновение неисправности трубопроводов, в том числе их повреждения) предусматривается совершенствование системы подачи воды с применением следующих мероприятий:

  • установка на насосной станции насосных агрегатов с частотным регулированием подачи воды и запасом мощности;
  • устройство водоводов с ремонтными участками, установка насосных агрегатов с частотным регулированием подачи воды и запасом мощности.

Анализ результатов расчётов и построения графиков совместной работы насосов и водоводов показал (рис. 2, 3), что система способна обеспечить 100% подачу воды за счёт дублирования водоводов и введения устройств переключения между ремонтными участками. Насосные агрегаты принимаются с запасом параметров: подачи Q, напора H, мощности N.


Рис. 2. Схемы и параметры (Q, h, v) системы подачи воды по водоводам (m = 2) с ремонтными участками n [для расчётных случаев: а — при нормальном режиме (m = 2); б — при аварийном режиме (m = 2–1); в — при аварийном режиме (m = 2, n = 2–1, то есть три рабочих + один резервный насосный агрегат); г — при аварийном режиме (m = 2, n = 3–1)]

При нормальном режиме расчётная подача воды Q обеспечивается по двум водоводам (m = 2) со снижением частоты вращения рабочего колеса каждого насоса с nч1 = 1480 об/мин. до nч2 = 1352 об/мин. и потребляемой мощности насосов (рис. 2а и 3). Энергетические параметры Q, H и N пересчитываются с соблюдением закона подобия центробежных насосов по формулам пропорциональности [16]:

где nч — частота вращения рабочего колеса.

В случае аварии на одном из водоводов расчётная подача воды Q не обеспечивается даже за счёт предельного увеличения частоты вращения n рабочих колёс насосов или подключения в работу резервных насосных агрегатов (рис. 2б, 3). При наличии двух ремонтных участков на водоводах расчётная подача воды Q обеспечивается в аварийной ситуации за счёт отключения на ремонт одного из участков (n — 1), подключения в работу одного резервного насоса и восстановления частоты вращения рабочих колёс насосов до первоначальной величины nч (рис. 2в, 3), причём при отслеживании точного соответствия их паспортных параметров рабочим (Qпас = Qраб, Hпас = Hраб, Nпас = Nраб). Более убедительна схема подачи 100% воды по двум водоводам (m = 2) с тремя (n = 3) ремонтными участками и частотой вращения рабочего колеса каждого насоса nч = 1473,85 об/мин. (рис. 2 г. и 3).


Рис. 3. График совместной работы насосов и водоводов системы подачи воды первой категории с параметрами элементов [m = 2, диаметр водоводов D = 450 мм; n = 5 (три рабочих + два резервных насосов марки ABS AFP2002 DN200, D = 450 мм с частотным регулированием)]

Из результатов расчёта количества ремонтных участков на водоводах для обеспечения требуемой подачи 100% Q видно, что отмеченные выше предпосылки по оценке пропускной способности системы подачи воды подтверждаются. Подобные расчёты выполнялись автором при реконструкции и проектировании систем водоснабжения и водоотведения городов Уфы, Пензы и Москвы.

Хотелось бы отметить, что системы водоснабжения и водоотведения равнозначны для потребителей по обеспечению их жизнедеятельности, а также параметрам подачи и отвода воды. В этой связи классифицироваться они должны по правилам, соответствующим законам РФ, а уровни их надёжности — по единым методам [5–7]. Если система должна подавать 100% воды, то и оценивать надо эту способность, а не рассчитывать подачу воды системой при заданных показателях надёжности её элементов.

Статистические данные по качеству воды поверхностных источников водоснабжения свидетельствуют [17], что воды 70% рек и озёр России потеряли потребительские свойства для целей питьевого водоснабжения. Чтобы восстановить качество воды поверхностных и подземных источников водоснабжения, необходимо запретить сброс неочищенных сточных вод в водоёмы, шахтные колодцы и скважины. Никакие аварийные регулирующие ёмкости не могут принять многочасовой, а чаще многосуточный сброс сточных вод.

Заключение

1. Анализ аналитических и экспериментальных исследований оценки подачи воды по водоводам насосами на объектах городов центральной части Российской Федерации показал, что определение количества ремонтных участков на водоводах необходимо выполнять методом итераций, с использованием графоаналитических методов расчёта кольцевых трубопроводных систем.

2. Требования по функционированию сооружений систем водоснабжения и водоотведения необходимо нормировать в полной взаимосвязи с условиями подачи и отвода воды для потребителей единого объекта.

3. Оценка надёжности сооружений систем водоснабжения и водоотведения должна выполнятся по единым классическим методам теории надёжности, применяемым во всём мире.