ВВЕДЕНИЕ. Надежность систем водоснабжения и водоотведения;

Конспект лекций

Надежность систем водоснабжения и водоотведения.

Проф. МАЛЬЦЕВ А.И. РГОТУПС

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 надежность систем водоснабжения и водоотведения — это комплексный показатель, харак­теризующий систему как безотказную, долговечную, ремонтопри­годную, способную выполнять заданные функции, т.е. подавать (отводить) воду в расчетном количестве и качестве, отвечающим санитарным нормам.

Другими словами, под надежностью систем понимается их свойство выполнять функции водообеспечения, сохраняя во време­на установленные технологические показатели в пределах, соот­ветствующих заданным режимам и условиям эксплуатации, техни­ческого обслуживания и хранения.

Таким образом, физический смысл надежности состоит в спо­собности систем сохранять свои первоначальные технологические характеристики в процессе эксплуатации.

В то же время очевидно, что надежность систем зависит не только от продолжительности периода и условий эксплуатации, но и от того, какие функции выполняет система. Этипоказатели функционирования системы определяются рекомендациями нормативных документов по проектированию и строительству систем. Например, в СНИП 2.04.02-84 наряду с рекомендациями по определе­нию нормального уровня водообеспечения, указаны пределы его возможного снижения. С этой целью все системы водоснабжения в зависимости от вида потребителей подразделены на три катего­рии.

Для систем, обеспечивающих водой потребителей I категории, допускается снижение обеспечения на 30% от нормального уров­ня водопотребления в течение 3 суток, а для потребителей П и Ш категорий соответственно на 10 и 15 суток. Кроме того, допускается перерыв в подаче воды потребителям I категории не более, чем на 10 мин, П категории – не более, чем на 6 ч, Ш категории — не более 24ч.

Согласно нормативным документам, категории систем водо­снабжения определяются следующими условиями: объединенные хо­зяйственно-питьевые и производственные водопроводы населенных пунктов с числом жителей в них более 50 тыс.человек следует относить к 1категории; от 5 до 50 тыс.человек — ко П категории, менее 5 тыс. человек – к III категории.

Элементы систем водоснабжения П категории, повреждения которых могут снижать подачу воды на пожаротушение, должны относиться к I категории.

В соответствие с определением надежности, если в результате каких-либо причин нарушается нормальное функционирование системы и происходит недопустимо длительный перерыв в подаче воды или снижение ее качества, то имеет место «отказ» системы. Причинами отказов могут быть самые различные случайные события: повреждения линий транспортирования воды (водоводов, магистралей сети), повреждения насосов, прекращение подачи электроэнергии на насосные станции, снижение уровня воды в источнике водоснабжения, загрязнение воды, тяжелые ледовые условия и т_.д_.

Основными и наиболее частыми причинами нарушений нормальной работы систем подачи и распределения воды являются аварий­ные повреждения отдельных сооружений или элементов и линий труб. Для быстрейшей ликвидации таких повреждений службы эксп­луатации водопроводов располагают аварийными бригадами, которые выезжают на место аварии и осуществляют требуемый ремонт.

Поскольку время возникновения отказов с момента начала работы систем водоснабжения, а также продолжительность ремонта оборудования этих систем являются случайными величинами, то численная оценка их надежности носит вероятност­ный характер и может быть получена путем расчета на основании теоретического анализа теории вероятностей и обработки статистических сведений, накопленных в ре­зультате эксплуатации названных оборудования и сооружений.

Основные направления развития теории надежности следующие:

1. Разработка методов количественного определения надежности и инженерных методов расчета ее показателей. Это математическая теория надежности.

2. Развитие методов сбора и обработки статистических данных о надежности. Работы в этом направлении послужили основой статистической теории надежности.

3. Изучение физических причин отказов, влияния старения и прочности материалов на надежность, исследование физико -химических процессов, обусловливающих надежность технических устройств. Это физическая теория надежности.

В настоящем пособии рассматриваются вопросы, относящиеся к первым двум пунктам, при этом основное внимание уделяется методам обработки статистики отказов, определению показателей надежности ремонтируемого и неремонтируемого оборудования, расчету показателей надежности сложных систем. Рассмотрены методы и примеры оценки эффективности работы основных водопроводных сооружений с учетом их надежности, а также даны рекомендации по обеспече­нию требуемого уровня надежности подачи воды. Следует отметить, что оценка надежности водопроводных и канализационных соору­жений имеет полную аналогию, т.е. для расчета надежности кана­лизационных сооружений используются аналогичные формулы и ме­тоды.

Рассматриваются также способы повышения надежности работы оборудования систем водоснабжения и водоотведения.

Цель данного пособия — облегчить студентам усвоение материала перед выполнением контрольной работы.

Повышение надежности систем водоснабжения

При проектировании любого объекта учитывается множество факторов, которые в дальнейшем будут влиять на сам процесс строительства, оказывать воздействие на сооружение в ходе его эксплуатации. Кроме того, проектирование включает использование самых разных решений, которые повышают эффективность инженерных и технических систем, надежность работы объекта при его эксплуатации, увеличивают сроки эксплуатации, а также способствуют снижению затрат средств на строительство и общее водо-, тепло-, электропотребление, что крайне важно в условиях ограниченности как природных, так и экономических ресурсов.

Современные инженерные системы являются сложным комплексом технических решений. В целом современное инженерное сооружение можно считать объектом, пространство которого насыщено инженерными системами и элементами. Их объединение в единое целое является довольно сложной задачей. Огромное значение имеет их расположение и монтаж, которые в конечном итоге во многом определяют финансовую составляющую проектируемого объекта.

Выбор оптимальных решений важен как при проектировании систем водоснабжения, так и и водоотведения [3].

Проектирование закладывает основу создаваемых объектов и выполняется поэтапно, каждый этап подлежит согласованию с соответствующей организацией.

Проблема обеспечения надлежащего количества и качества воды является одной из наиболее важных и имеет глобальное значение.

Расчеты специалистов показывают, что ежегодный прирост безвозвратного водозабора воды составляет 4–5 %. При сохранении существующих темпов прироста населения и объемов производства человечеству грозит реальная опасность исчерпания пресноводных запасов воды. Данный факт свидетельствует о том, что необходимо сократить расход воды с помощью разработки новых методов технических решений при проектировании систем водоснабжения и водоотведения.

Существующая практика создания инженерных систем демонстрирует возрастающее внимание к уровню их эффективности [1].

Сокращение затрат и сроков на разработку и согласование проектных решений и их реализацию в ходе выполнения строительно-монтажных работ обеспечивает применение модульных решений в проектной и строительной практике.

Комплектные канализационные насосные станции (КНС), ставшие приоритетным решением водоотведения (канализования) за последние 5–10 лет, выпускаются готовыми к непосредственной установке в систему канализации. При наличии источника электроснабжения и возможности подать в резервуар сточную воду монтажа готовой к эксплуатации КНС может быть завершено через три недели строительно-монтажных и пусконаладочных работ.

Потребление этого типа изделий завоевывает все большую популярность. С учетом возрастающих требований к экологии в мегаполисах использование КНС позволяет исключить загрязнение окружающей среды. Повышающийся интерес проектных и строительно-монтажных организаций к КНС на базе стеклопластиковых резервуаров показывает перспективность данного направления в канализовании [4].

Примером внедрения модульных решений в проектную и строительную практику является применение модульных автоматизированных насосных станций (МАНС) для повышения давления (напора) в сетях внутреннего водопровода жилых, административных и производственных зданий.

При использовании МАНС предусматривается автоматическое подключение (отключение) рабочих насосных агрегатов (по схеме параллельной их работы) в соответствии с текущими условиями водопотребления (изменения расхода воды). В системах водоснабжения жилых и общественных зданий (относящихся к пространственным системам водоснабжения) считается правилом управление работой МАНС по критерию поддержания постоянного давления. Для обеспечения необходимого уровня энергоэффективности и плавности регулирования подачи при постоянном напоре (исходя из критерия поддержания постоянного давления при управлении работой насосов), с учетом характера эксплуатации МАНС в системах водоснабжения зданий, обязательно применение частотного регулирования привода насосных агрегатов [5].

Совмещение вопросов энергоэффективности и модульного проектирования инженерных систем в полной мере обеспечивается в случае применения в качестве основополагающего подхода при разработке и оценке таких систем методологии анализа стоимости жизненного цикла.

В теоретическом плане подход основан на учете стоимости жизненного цикла оцениваемого комплекса оборудования (инженерной системы) и предусматривает минимизацию совокупных затрат на строительство (реконструкцию), эксплуатацию и завершение использования. В общем виде стоимость жизненного цикла оборудования (инженерной системы) может быть описана следующей зависимостью:

LCC = CIC + CIN + CE + CO + CM + + CS + CENV + CD’+ ,

где LCC – стоимость жизненного цикла;

CIC – начальные затраты (цена приобретения оборудования с сопутствующими принадлежностями);

CIN – затраты на монтаж оборудования и ввод в эксплуатацию (включая пуско-наладку и обучение персонала);

CE – затраты на электроэнергию (для функционирования системы, включая привод, средства управления, и любые дополнительные устройства);

CO – оплаты труда персонала, обеспечивающего текущее обслуживание системы;

CM – затраты на сервисное обслуживание и ремонт (регулярный сервис и плановый ремонт);

CS – затраты на непроизводственные потери (простои оборудования вне эксплуатации);

CENV – компенсация на устранение последствий от воздействия на окружающую природную среду (загрязнения от работы основного и вспомогательного оборудования);

CD – затраты на ликвидацию и утилизацию (включая восстановление окружающей среды и ликвидацию вспомогательного оборудования);

К/Тсл – амортизационные отчисления;

К – капитальные вложения;

Тсл – нормативный срок службы.

Значительная величина в стоимости жизненного цикла оборудования составляет затраты на электроэнергию и техническое обслуживание [2].

Анализ тенденций и потребностей в области систем водоснабжения и водоотведения жилых и общественных зданий (основанный на рассмотрении применяемого инженерного оборудования, в том числе насосных станций, систем управления, автоматизации и диспетчеризации) позволил определить ряд проектных решений, применение которых позволит существенно сократить стоимость жизненного цикла таких систем. Наиболее актуальной является разработка следующих типовых решений:

– насосные системы хозяйственно-питьевого водоснабжения для жилых и общественных зданий;

– насосные системы противопожарного водоснабжения для жилых и общественных зданий;

– насосные системы водоотведения жилых и общественных зданий;

– использование тепловых насосов (вода-вода, воздух-вода и т.д.) в жилых и общественных зданиях, в том числе для обеспечения горячего водоснабжения;

– водоразборные сооружения для подачи воды в жилые, общественные и производственные здания;

– реконструкция повысительных насосных станций жилых и общественных зданий;

– модульные совмещенные насосные станции объединенных нужд хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения;

– автоматизация, диспетчеризация и контроль инженерного оборудования жилых и общественных зданий с использованием передачи данных по коммуникационным системам и организации единого рабочего диспетчерского пункта на базе персонального компьютера.

На данный момент на рынке представлено значительное количество различных инженерных решений и оборудования, в том числе с применением зарубежного опыта, которые определяют подходы по подбору и использованию при проектировании инженерного оборудования, применяемого при организации систем водоснабжения и водоотведения. Решения базируются на современных принципах и требованиях к инженерным системам с учетом представленного на рынке оборудования и опыта его эксплуатации.

Нормальная работа систем внутреннего водоснабжения и канализации является важным фактором комфортности местопребывания людей, а в ряде случаев – и их безопасности (при совмещении с системой противопожарного водоснабжения). Оснащение системы инженерным оборудованием должно осуществляться с учетом имеющихся нормативных требований к обустройству жилых и общественных зданий. Отсутствие единых (общеустановленных) стандартов в данном направлении инженерного оснащения приводит к неопределенности требований технических заказчиков, отсутствию критериев должного уровня работы оборудования, ошибкам на различных этапах при подборе и его использовании в проекте. Последствиями существующего положения являются нарушения в вопросах безопасности и их функциональные недостатки, означающие необоснованное (неэффективное) расходование ресурсов и, следовательно, несоблюдение требований закона [1].

С учетом возросших требований к качеству жилья и уровня используемых водоразборных систем и оборудования в жилых и общественных зданиях необходимо определение уровня соответствующих эргономических параметров. Кроме основных параметров водопотребления (расход, напор и качество воды), также следует отметить необходимость однозначного определения вопросов обеспечения и контроля уровня звукового давления как в помещениях зоны размещения монтажа инженерного оборудования, так и в примыкающих к нему помещениях.

За последние годы произошли существенные изменения в подходе к подбору инженерного оборудования (в т.ч. в плане исключения избыточности параметров) и в техническом уровне доступности оборудования. Разработка оптимальных решений при разработке проектов строительства и реконструкции требует наличия методического и технического (диагностического) обеспечения.

Основные исходные требования, которые должны предъявляться к проектным решениям: энергоэффективность, актуальность (использование инновационной составляющей), должная степень автоматизации и автономности, надежность, обеспечение качественных услуг для потребителей, технико-экономическая обоснованность и целесообразность (с учетом полного цикла эксплуатации инженерных систем и всех сопутствующих затрат).

При разработке документации необходимо обеспечить общую структуру подачи информации: исходные данные (условия, при которых целесообразно применять решение); общее описание (пояснение выгоды применения решения); инструкция по проработке решения под конкретную задачу (основные характеристики оборудования, особенности подбора, оформление документации); варианты применения решения, включая основные схемы функционирования.

Разработка и внедрение в практику современных проектных решений – это реальный путь, обеспечивающий совмещение вопросов энергоэффективности и модульного построения инженерных систем в ходе проектирования и строительства.

Для реализации основных особенностей систем водоснабжения зданий повышенной комфортности c массовым пребыванием людей при разработке проектной документации, по сравнению с современной практикой проектирования систем, необходимо выполнять многовариантное проектирование, анализируя надежность, функциональность, ресурсосбережение на всех этапах проектирования.

На начальных стадиях проектирования необходимо обеспечить не только водный, но и водохозяйственный и энергетический баланс здания, которое по количеству и разнообразию потребителей сопоставимо с крупным микрорайоном обычной застройки. В балансе следует подробно рассмотреть потребности в воде с выделением питьевой, хозяйственной, технологической, противопожарной потребностей. Анализ нескольких вариантов балансов с использованием оборотных, последовательных схем водоснабжения, утилизации тепловых ресурсов, возобновляемых источников энергии позволит оптимизировать состав систем, нагрузки на них, снизить общее водо-, тепло-, электропотребление.

Для повышения надежности целесообразно разделять системы различного назначения, так как надежность специализированных систем обычно выше, чем универсальных [5].

Все насосные агрегаты и другое оборудование должны иметь системы автоматизации, диспетчеризации и управления с возможностью ручного и дистанционного управления. Желательно эти системы интегрировать в автоматизированную систему управления зданием.

Размеры помещения для размещения насосных агрегатов, трубопроводов, водопроводной арматуры, электрических щитов силового оборудования и автоматики необходимо определять в соответствии с нормативными документами, а также с учетом удобств эксплуатации инженерного оборудования, расположенного в помещении насосной станции.

Шум и вибрация в помещениях здания от насосных агрегатов (кроме пожарных) не должны превышать допустимых значений, установленных в санитарных нормах.

Для обеспечения бесперебойной подачи воды необходимого качества потребителям в течение длительной эксплуатации внутридомовых систем (более 50 лет) при изменяющихся параметрах внутренних и наружных водопроводных сетей необходимо повышать надежность систем по герметичности. В связи с большим количеством мест водоразбора на надежность системы по герметичности значительное влияние оказывает качество и долговечность уплотнительных элементов. На гидравлическую надежность системы водоснабжения большое влияние оказывают потери воды, которые перегружают водопроводные сети и сооружения, в результате чего часть высокорасположенных потребителей не получает воду. Борьба с потерями воды и рациональное ее использование повышают общую гидравлическую надежность системы [3].

Энергосбережение в водоснабжении и водоотведении должно строиться на основе следующих мероприятий: учет водоподачи, затрат на энергоснабжение и сокращение их потерь; сокращение количества непроизводительного ручного труда (сокращение численности обслуживающего персонала); повышение КПД технологического оборудования за счет энергосберегающих технологий; создание автоматизированных информационных систем сбора данных и управления инженерными сетями и объектами; оперативность и оптимальность управления технологическими объектами; информированость общественности о результатах реализации мероприятий по энерговодосбережению.