Ćwiczenie projektowe

Wodociągi i Kanalizacje

część A: Wodociągi

Prowadząca:
mgr. inż. Dagmara Dżugaj

Spis treści

1. Wstęp 3

2. Obliczenie charakterystycznych rozbiorów wody 3

I. Maksymalne dobowe zapotrzebowanie na wodę 3

II. Maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na wodę 3

III. Minimalne godzinowe zapotrzebowanie na wodę 3

3. Obliczenie maksymalnych i minimalnych rozbiorów wody 3

4. Obliczenie wydajności pompowni drugiego stopnia i zbiornika sieciowego. 4

I. Średnia wydajność pompowni 4

II. Maksymalna wydajność pompowni w czasie rozbioru maksymalnego godzinowego, 4

III. Minimalna wydajność pompowni w czasie rozbioru minimalnego godzinowego, 5

IV. Wydajność zbiornika podczas rozbioru maksymalnego, dm³/s 5

V. Wydajność zbiornika podczas rozbioru minimalnego, dm³/s 5

5. Obliczenie pojemności i wymiarów zbiornika sieciowego 5

I. Obliczenia pojemności użytkowej zbiornika sieciowego. 5

II. Objętość i wysokość pożarowa. 6

III. Objętość i wysokość martwa. 7

IV. Objętość i wysokość całkowita. 7

6. Opracowanie schematów obliczeniowych sieci wodociągowej dla Q_maxh oraz Q_minh. 7

7. Dobór średnic przewodów sieci wodociągowej. 7

8. Obliczenia hydrauliczne sieci wodociągowej dla Q_maxh oraz Q_minh. 8

9. Dobór pomp w pompowni II°. 8

Załączniki:

Rysunek 1 : Schemat obliczeniowy sieci wodociągowej dla rozbioru maksymalnego godzinowego

Rysunek 2: Schemat obliczeniowy sieci wodociągowej dla rozbioru minimalnego godzinowego

Rysunek 3: Wykres linii ciśnień po trasie P-10-6-7-2-1-Z

Wstęp

Celem ćwiczenia projektowego jest opracowanie projektu koncepcyjnego sieci wodociągowej, wg zadanej mapki nr 12.

Obliczenie charakterystycznych rozbiorów wody

Maksymalne dobowe zapotrzebowanie na wodę

$$Q_{\operatorname{max\ }d} = Q_{sr\ d} \bullet N_{d}\text{\ \ \ \ \ }\frac{m^{3}}{d}$$

gdzie:

Q_{śr d}- średnie dobowe zapotrzebowanie na wodę, m³/d

N_d- współczynnik nierównomierności dobowej zużycia wody podany w temacie,

$$Q_{\operatorname{max\ }d} = 13\ 900 \bullet 1,39 = 19\ 321\text{\ \ }\frac{m^{3}}{d}$$

Maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na wodę

$$Q_{\operatorname{max\ }h} = Q_{\text{max\ d}} \bullet \frac{N_{h}}{24}\text{\ \ \ \ \ }\frac{m^{3}}{h}$$

gdzie:

N_h- współczynnik nierównomierności godzinowej zużycia wody podany w temacie,

$$Q_{\operatorname{max\ }h} = 19\ 321 \bullet \frac{1,50}{24} = 1207,56\ \frac{m^{3}}{h} = 335,4\ \ \frac{\text{dm}^{3}}{s}$$

Minimalne godzinowe zapotrzebowanie na wodę

$$Q_{\operatorname{min\ }h} = \alpha \bullet \frac{Q_{sr\ d}}{100}\text{\ \ \ \ \ }\frac{m^{3}}{h}$$

gdzie:

α- minimalny procent zużycia wody z godzin pracy pompowni, zależny od N_h, α=1,5%

$$Q_{\operatorname{min\ }h} = 1,5 \bullet \frac{13\ 900}{100} = 208,5\ \frac{m^{3}}{h} = 57,9\ \ \frac{\text{dm}^{3}}{s}$$

Obliczenie maksymalnych i minimalnych rozbiorów wody

W tabeli nr 1 przedstawiono maksymalne i minimalne rozbiory wody w poszczególnych węzłach, na podstawie mapki nr 12, w załączeniu do projektu dostarczono poglądowe mapki dla minimalnego i maksymalnego godzinowego rozbioru wody.

Tab. 1. Rozbiór wody w poszczególnych węzłach oraz poszczególnych odcinkach.

Węzeł/odcinek	udział %	Qmax dm^3/s	Qmin dm^3/s
1	3	10,1	1,7
1-2	4	13,4	2,3
2	5	16,8	2,9
3	4	13,4	2,3
3-4	6	20,1	3,5
4	10	33,5	5,8
4-5	7	23,5	4,1
5	8	26,8	4,6
5-6	6	20,1	3,5
6	7	23,5	4,1
6-7	9	30,2	5,2
7	6	20,1	3,5
7-2	4	13,4	2,3
6-8	4	13,4	2,3
8	3	10,1	1,7
8-9	5	16,8	2,9
9	4	13,4	2,3
6-10	3	10,1	1,7
10	2	6,7	1,2
RAZEM :	100	335, 4	57,9

Obliczenie wydajności pompowni drugiego stopnia i zbiornika sieciowego.

Średnia wydajność pompowni

$$Q_{psr} = \frac{Q_{\max d}}{T_{p}}\text{~\ \ \ }\text{dm}^{3}/s$$

gdzie:

Q_pśr – średnia wydajność pompowni, dm³/s

Q_maxd – maksymalne dobowe zapotrzebowanie na wodę, m³/d

T_p – czas pracy pompowni II stopnia, h/d

$$Q_{psr} = \frac{19\ 321}{24} = 805,04\ \frac{m^{3}}{h} = 223,62\frac{\text{dm}^{3}}{s}$$

Maksymalna wydajność pompowni w czasie rozbioru maksymalnego godzinowego, dm³/s

Q_pmax = 1, 1Q_psr dm³/s

Q_pmax = 1, 1223, 62 = 245, 98  dm³/s

Minimalna wydajność pompowni w czasie rozbioru minimalnego godzinowego, dm³/s

Q_pmin = 0, 9Q_psr dm³/s

Q_pmin = 0, 9223, 62 = 201, 26 dm³/s

Wydajność zbiornika podczas rozbioru maksymalnego, dm³/s

$$Q_{z(\max{h)}} = Q_{\max h} - Q_{\text{p\ max}},\ \ \ \ \ \frac{\text{dm}^{3}}{s}$$

$$Q_{z(\max{h)}} = 335,4\ - 245,98 = 89,42\frac{\text{dm}^{3}}{s}$$

Wydajność zbiornika podczas rozbioru minimalnego, dm³/s

$$Q_{z(\min{h)}} = Q_{\text{p\ min}} - Q_{\min h}\text{\ \ \ \ }\frac{\text{dm}^{3}}{s}$$

$$Q_{z(\min{h)}} = 201,26 - 57,9 = 143,36\ \frac{\text{dm}^{3}}{s}$$

Obliczenie pojemności i wymiarów zbiornika sieciowego

V_c = V_uz + V_p + V_m

gdzie:

V_uz-pojemność użytkowa, m³

V_p-zapas wody na cele przeciwpożarowe, m³

V_m-pojemność martwa, m³

Obliczenia pojemności użytkowej zbiornika sieciowego.

V_uz = 0, 01 • Q_maxd • %max    m³

gdzie:

V_uż- objętość użytkowa, m³

V_uz = 0, 01 • 19 321   • %max = 3951, 14  m³

Tab. 2. Obliczenie objętości użytkowej zbiornika górnego.

Godziny	Rozbiór wody %	Dostawa wody %	Dopływ %	Wypływ %	Pozostaje %
0-1	1,50	4,17	2,67		10,12
1-2	1,50	4,17	2,67		12,79
2-3	1,50	4,16	2,66		15,45
3-4	1,50	4,16	2,66		18,11
4-5	2,50	4,17	1,67		19,78
5-6	3,50	4,17	0,67		20,45
6-7	4,50	4,16		0,34	20,11
7-8	5,50	4,16		1,34	18,77
8-9	6,25	4,17		2,08	16,69
9-10	6,25	4,17		2,08	14,61
10-11	6,25	4,16		2,09	12,53
11-12	6,25	4,16		2,09	10,44
12-13	5,00	4,17		0,83	8,35
13-14	5,00	4,17		0,83	7,52
14-15	5,50	4,16		1,34	6,18
15-16	6,00	4,16		1,84	4,34
16-17	6,00	4,17		1,83	2,51
17-18	5,50	4,17		1,33	1,18
18-19	5,00	4,16		0,84	0,34
19-20	4,50	4,16		0,34	0
20-21	4,00	4,17	0,17		0,17
21-22	3,00	4,17	1,17		1,34
22-23	2,00	4,17	2,17		3,51
23-24 (0)	1,50	4,17	2,67		6,18
SUMA	100	100	19,2	19,2

Przyjęto wysokość użytkową h_uż =5 m.

$$D = \sqrt{\frac{4 \bullet V_{uz}}{\pi \bullet h_{uz}}} = \sqrt{\frac{4 \bullet 3951\ }{\pi \bullet 5}} = 31,72m$$

gdzie:

D- średnica zbiornika, m

Przyjęto D_rz=32 m

Rzeczywista pojemność użytkowa:

$$V_{uz} = \frac{\pi \bullet {D_{\text{rz}}}^{2}}{4} \bullet h_{uz} = \frac{\pi \bullet 32^{2}}{4} \bullet 5 = 4021,24\ \ m^{3}$$

Objętość i wysokość pożarowa.

Objętość pożarową przyjmuje się na podstawie liczby mieszkańców.

Liczbę mieszkańców obliczono ze wzoru:

$$LM = \frac{Q_{srd}}{q_{j}} = \frac{13\ 900}{0,15} = 92\ 667\ \ mieszkancow$$

gdzie:

q_j- średnie zapotrzebowanie na wodę na mieszkańca, przyjąć 0,15 m³/d

Objętość pożarową Vp przyjmuje się wg tabeli niezbędnej wydajności wodociągu lub zapasu wody w zbiornikach na cele przeciwpożarowe do zewnętrznego gaszenia pożarów dla jednostek osadniczych (PN-71/B-02864) dla wartości liczby mieszkańców jednostki osadniczej poniżej 100 000. Objętość pożarowa V_p = 400 m³.

Znając objętość pożarową, można wyliczyć wysokość pożarową h_poż:

$$h_{poz} = \frac{4 \bullet V_{poz}}{\pi \bullet {D_{\text{rz}}}^{2}} = \frac{4 \bullet 400}{3,14 \bullet 32^{2}} = 0,5\ \ m$$

Objętość i wysokość martwa.

Wysokość martwą przyjęto h_m= 0,4 m , natomiast objętość martwa wynosi:

$$V_{m} = h_{m} \bullet \frac{\pi \bullet {D_{\text{rz}}}^{2}}{4} = 0,4 \bullet \frac{\pi \bullet 32^{2}}{4} = \ \ 321,7m^{3}$$

1. Objętość i wysokość całkowita.

V_c = V_uz + V_poz + V_m = 4021, 24  + 400 + 321, 7 = 4742, 9  m³

h_c = h_uz + h_poz + h_m = 5 + 0, 5 + 0, 4 = 5, 20   m

Opracowanie schematów obliczeniowych sieci wodociągowej dla Q_maxh oraz Q_minh.

Na podstawie obliczonych wydajności źródeł zasilania (pompowni II stopnia i Na podstawie obliczonych wydajności źródeł zasilania (pompowni II stopnia i zbiornika zapasowo –wyrównawczego) oraz wielkości poboru wody z poszczególnych węzłów i odcinków sieci (tabela nr 1) sporządzono schematy obliczeniowe sieci wodociągowej dla rozbiorów maksymalnego godzinowego i minimalnego godzinowego:

Rys. 1. Schemat obliczeniowy sieci wodociągowej dla rozbioru maksymalnego godzinowego

Rys. 2. Schemat obliczeniowy sieci wodociągowej dla rozbioru minimalnego godzinowego

Dobór średnic przewodów sieci wodociągowej.

Q_obl = Q_k + α • q

gdzie:

Q_k- natężenie przepływu wody na końcu odcinka obliczeniowego, dm³/s

q- rozbiór wody na odcinku

α- współczynnik zależny od rodzaju sieci, α=0,55

Średnice przewodów dobrano dla większego przepływu obliczeniowego (dla Średnice przewodów dobrano dla większego przepływu obliczeniowego (dla rozbioru maksymalnego godzinowego lub dla rozbioru minimalnego godzinowego) na podstawie nomogramu dla rur PE SDR17, kierując się następującymi zaleceniami dotyczącymi prędkości:

dla d ≤ 300 mm; v = 0,6 ÷ 0,9 m/s

dla d > 300 mm; v = 0,9 ÷ 1,5 m/s

Tab. 3. Dobór średnic przewodów wodociągowych.

Odc.	Przepływy dla Qmax h	Przepływy dla Qmin h	d	Qmax h	Qmin h
	Qp	Qk	q	Qobl	Qp
	dm^3/s	dm^3/s	mm	m/s	‰
Z-1	89,4	89,4	0	89,4	143,4
1-2	79,3	65,9	13,4	73,3	147,4
3-4	33,5	13,4	20,1	24,5	5,8
4-5	36,9	13,4	23,5	26,3	10,4
5-6	33,5	13,4	20,1	24,5	18,5
4-7	103,9	103,9	0	103,9	5,3
6-7	118,5	88,3	30,2	104,9	166,6
7-2	49,1	35,7	13,4	43,1	152,6
6-8	53,7	40,3	13,4	47,7	9,2
8-9	30,2	13,4	16,8	22,6	5,2
6-10	239,3	229,2	10,1	234,8	200,1
10-P	246	246	0	246	201,3

2. Obliczenia hydrauliczne sieci wodociągowej dla Q_maxh oraz Q_minh.

Dane ogólne	Przepływy	Przybliżenie pierwsze	Przybliżenie drugie	Wyniki końcowe	Przepływy wyrównane	Rzędne, m n.p.m.
Obwód	Węzeł	d, mm	l, m	Qp, dm3/s	Qk, dm3/s	q, dm3/s	0,55∙q, dm3/s
	6
		450	305	118,5	88,3	30,2	16,61
	7
		355	330	103,9	103,9	0	0,00
	4
		225	395	36,9	13,4	23,5	12,93
	5
		225	435	33,5	13,4	20,1	11,06
	6
SUMA
	P
		560	355	246	246	0	0,00
	10
		500	255	239,3	229,2	10,1	5,56
	6
	7
		450	225	49,1	35,7	13,4	7,37
	2
		400	170	79,3	65,9	13,4	7,37
	1
		400	120	89,4	89,4	0	0,00
	Z
	6
		315	190	53,7	40,3	13,4	7,37
	8
		225	330	30,2	13,4	16,8	9,24
	9
	4
		225	255	33,5	13,4	20,1	11,06
	3

Dane ogólne	Przepływy	Przybliżenie pierwsze	Wyniki końcowe	Przepływy wyrównane	Rzędne, m n.p.m.	Węzeł
Obwód	Węzeł	d, mm	l, m	Qp, dm3/s	Qk, dm3/s	q, dm3/s
	6
		450	305	166,6	161,4	5,2
	7
		355	330	5,3	5,3	0
	4
		225	395	10,4	6,3	4,1
	5
		225	435	18,5	15	3,5
	6
SUMA
	P
		560	355	201,3	201,3	0
	10
		500	255	200,1	198,4	1,7
	6
	7
		450	225	152,6	150,3	2,3
	2
		400	170	147,4	145,1	2,3
	1
		400	120	143,4	143,4	0
	Z
	6
		315	190	9,2	6,9	2,3
	8
		225	330	5,2	2,3	2,9
	9
	4
		225	255	5,8	2,3	3,5
	3

Dobór pomp w pompowni II°.

Na podstawie wyników hydraulicznych obliczeń sieci wodociągowej dokonano doboru pomp w pompowni II˚, których zadaniem będzie tłoczenie wody do odbiorców.

Dane:

• wydajność pompowni przy rozbiorze Q_maxh:

Q_pmax = 245,98 dm³/s =885,53 m³/h,

• wydajność pompowni przy rozbiorze Q_minh:

Q_pmin = 201,26 dm³/s =724,54 m³/h,

• rzędna linii ciśnienia w pompowni przy rozbiorze Qmaxh:

Rz_Qmaxh = 98,02 m npm ,

• rzędna linii ciśnienia w pompowni przy rozbiorze Qminh:

Rz_Qminh = 105,64 m npm,

• rzędna dolnego zwierciadła wody w zbiorniku dolnym:

Rz_wd= Rt-1,50m=63,1-1,5=61,6 m npm,

• rzędna górnego zwierciadła wody w zbiorniku dolnym:

Rz_wg = Rt+0,50m=63,1+0,5=63,6 m npm,

• strata ciśnienia w pompowni przy rozbiorze Q_maxh:

Δh_pmax= 2,5 m

Strata ciśnienia w pompowni zależy od jej wydajności:

Δh_pmax = k_p + Q_pmax ²,  m

k_p-współczynnik oporności przewodów i armatury w pompowni

$$k_{p} = \frac{{\Delta h}_{\text{pmax}}}{{Q_{\text{pmax\ }}}^{2}} = \frac{2,5}{{0,24598}^{2}} = 41,32\frac{s^{2}}{m^{5}}$$

Δh_pmin = k_p + Q_pmin ² = 41, 320, 20126² = 1, 67 m

W celu doboru pomp należy obliczyć ich wysokości podnoszenia przy rozbiorze Q_maxh oraz Q_minh. Przy rozbiorze Q_maxh występuje minimalna wysokość podnoszenia pomp H_pmin, natomiast przy rozbiorze Q_minh - maksymalna wysokość podnoszenia pomp H_pmax.

Obliczenie wysokości podnoszenia pomp przy rozbiorze Q_maxh:

H_pmin = Rz_Qmaxh + Δh_pmax − Rz_wg = 98, 02 + 2, 5 − 63, 6 = 36, 92 m.

Obliczenie wysokości podnoszenia pomp przy rozbiorze Q_minh:

H_pmax = Rz_Qminih + Δh_pmin − Rz_wd = 105, 64 + 1, 67 − 61, 6 = 45, 71 

Obliczone wysokości podnoszenia pomp przedstawiono na poniższym schemacie. Wartości podane na tym schemacie są takie same jak na wykresie linii ciśnień(rys. 6).

W niniejszym opracowaniu założono, że w pompowni będą pracować trzy pompy połączone równolegle. Poniżej obliczono wydajności jednej pompy.

• wydajność pompowni przy rozbiorze Q_maxh:

$$Q_{1pmax} = \frac{Q_{\text{pmax}}}{4} = \frac{245,98\ }{4} = 61,5\frac{\text{dm}^{3}}{s} = 221,38\frac{m^{3}}{s}$$

• wydajność pompowni przy rozbiorze Q_minh:

$$Q_{1pmin} = \frac{Q_{\text{pmin}}}{4} = \frac{201,26\ \ }{4} = 50,3\frac{\text{dm}^{3}}{s} = 181,13\frac{m^{3}}{s}$$

Obliczenie średniej wydajności Q_1psr oraz średniej wysokości podnoszenia H_psrjednej pompy:

$$Q_{1psr} = \frac{Q_{1pmax} + Q_{1pmin}}{2} = \frac{61,5 + 50,3\ }{2} = 55,9\frac{\text{dm}^{3}}{s} = 201,24\frac{m^{3}}{s}$$

$$H_{psr} = \frac{H_{\text{pmax}} + H_{\text{pmin}}}{2} = \frac{\ 45,71 + 36,92\ }{2} = 41,32m$$

Z katalogu pomp przemysłowych przyjęto 4 pompy typu 125PJM200 firmy LFP. Na wykresie doboru pomp (rys. 7) przedstawiono pole pracy pompy 125PJM200 oraz naniesiono punkty P1 oraz P2, których współrzędne odpowiadają wydajności oraz wysokości podnoszenia jednej pompy przy rozbiorze Q_maxh (P1) i rozbiorze Q_minh (P2). Charakterystyka przyjętej pompy musi przechodzić pomiędzy tymi punktami. Współrzędne charakterystyki tej pompy zestawiono w tabeli 6.

Tab.6. Zestawienie współrzędnych charakterystyki pompy 125JM200.

Nr punktu na wykresie	1	2	3	4	5	Uwagi
Qp,  m^3/h	80	120	160	200	240	Do sporządzenia charakterystyki jednej pompy
4Qp,  m^3/h	320	480	640	800	960	Do sporządzenia charakterystyki trzech pomp
Hp,  m	47	46	45	41	36	Do sporządzenia charakterystyki jednej pompy

Na rysunku 7. narysowano również charakterystykę 3 pomp typu 125PJM200 połączonych równolegle oraz naniesiono punkty P3 oraz P4, których współrzędne odpowiadają wydajności oraz wysokości podnoszenia dwóch pomp przy rozbiorze Q_maxh (P3) i rozbiorze Q_minh (P4).