Ćwiczenie 8

BADANIE MODELU SIECI WODOCIĄGOWEJ

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z praktycznym działaniem modelu pompowni oraz zasilanej przez nią sieci wodociągowej. Podczas ćwiczenia przeprowadzane jest m.in. badanie charakterystyki pompowni, rejestracja ciśnień i wydatków w wybranych punktach sieci bezawaryjnej lub z symulowaną awarią oraz badania charakterystyki hydrantu przy poborze wody z jednego lub z dwóch hydrantów jednocześnie.

2. Wprowadzenie teoretyczne

2.1. Elementy systemu wodociągowego

System wodociągowy jest to zespół urządzeń technicznych i budowlanych służących do poboru wody z naturalnych źródeł, jej uzdatnienia oraz rozprowadzenia w odpowiedniej ilości i wymaganym ciśnieniu do mieszkańców miast i wsi, przemysłu oraz do celów przeciwpożarowych. Rolę tę spełniają następujące elementy: ujęcia wody, pompownie, stacje uzdatniania, zbiorniki, urządzenia hydroforowe, sieć wodociągowa. Na rys. 8.1. pokazano schemat takiego systemu zawierający ww. elementy.

Rys. 8.1. Schemat systemu wodociągowego (1 - ujęcie wody, 2 - stacja pomp I stopnia, 3 - stacja uzdatniania i oczyszczania, 4 - zbiorniki wyrównawcze, 5 - stacja pomp II stopnia, 6 - wieża ciśnień, 7 - hydrofornia, 8 - sieć wodociągowa, 9 - rozbiór wody)

Lokalizacja poszczególnych elementów w terenie oraz ich wzajemne usytuowanie, zależy od warunków naturalnych, ekonomicznych i przyjętych rozwiązań. Nie zawsze też w systemie wodociągowym muszą występować wszystkie wyżej wymienione elementy. Prawidłowe funkcjonowanie systemu wodociągowego wymaga współpracy poszczególnych elementów. W zależności od sposobu dostarczania wody ze stacji pomp II stopnia do sieci wodociągowej można wyróżnić:

1. wodociąg grawitacyjny, w którym jest wykorzystywane ciśnienie spływowe wody,

2. pompowy zwykły, w którym woda ze stacji pomp II stopnia jest bezpośrednio dostarczana do odbiorcy,

3. pompowo-hydroforowy, w którym woda ze stacji pomp II stopnia jest dostarczana do odbiorcy za pośrednictwem hydroforu.

1. Pompownie wodociągowe i przeciwpożarowe

Pompownie wodociągowe są to obiekty budowlane wyposażone w zespół pomp służących do miejscowego podnoszenia wody w celu uzyskania wymaganych warunków przepływu wody w systemie wodociągowym. Składnikiem pompowni jest zbiornik czerpalny wody, przystosowany do poboru wody przez pompy.

Pompownie w systemie wodociągowym można podzielić na:

1. I stopnia, zlokalizowane na ujęciach wody,

2. II stopnia zlokalizowane na stacjach uzdatniania,

3. III stopnia zlokalizowane na sieci wodociągowej.

Wydajność pompowni i wysokość podnoszenia pomp ustala się stosownie do zadań przewidzianych dla pompowni w systemie wodociągowym, określających wielkość dostawy wody i wysokość wymaganego ciśnienia, z uwzględnieniem przyjętego cyklu pracy urządzeń wodociągowych. Nominalna wydajność pompowni odpowiada umownie maksymalnej przepustowości urządzeń pompowni, to jest sumarycznej wydajności równolegle pracujących pomp roboczych, bez uwzględnienia pomp rezerwowych.

Ogólną wydajność pompowni wyznacza się najczęściej ze wzoru:

(8.1)

gdzie: Q_{d max} - maksymalne zapotrzebowanie na wodę wraz z potrzebami własnymi w czasie jednej doby,

T - liczba godzin pracy pomp w czasie jednej doby.

Drugim podstawowym parametrem charakteryzującym pracę pompowni jest wysokość podnoszenia pomp. Całkowita (użyteczna) wysokość podnoszenia pomp (H_p) jest równa sumie geometrycznej wysokości podnoszenia, wysokości strat hydraulicznych w rurociągach i wysokości ciśnienia dyspozycyjnego u odbiorcy, czyli:

[m] (8.2)

gdzie: ΔH_str - wysokość strat ciśnienia,

H_gp - geometryczna różnica wysokości (patrz str.),

H_dysp - dyspozycyjna wysokość ciśnienia (ciśnienie u odbiorcy).

Układy pompowe większości pompowni wodociągowych składają się zazwyczaj z kilku pomp współpracujących równolegle na wspólnym rurociągu tłocznym. Uzyskanie w ten sposób nominalnej wydajności pompowni wiąże się z ustaleniem sumarycznej charakterystyki współpracujących pomp i łącznej ich wydajności. Zasady konstruowania charakterystyk dwóch pomp połączonych równolegle podano w ćwiczeniu nr 3 na str. 50 W podobny sposób ustala się parametry współpracy większej ilości pomp o jednakowych charakterystykach, których króćce tłoczne są podłączone równolegle do wspólnego rurociągu tłocznego. Równoległa współpraca pomp umożliwia regulację wydajności układu pompowego w ramach nominalnej wydajności pompowni poprzez odpowiednie ustalenie wydajności jednostkowej i liczby pomp roboczych oraz sterowanie ich pracą stosownie do potrzeb. Pompownia przeciwpożarowa powinna stanowić odrębną strefę pożarową (pomieszczenie, obiekt lub przestrzeń oddzielona od pozostałych w sposób uniemożliwiający przerzut ognia). W pompowni mogą być instalowane pompy elektryczne lub spalinowe. Pompy elektryczne powinny być zasilane odrębnym przewodem energetycznym. Jeżeli zapotrzebowanie wody do celów ppoż. przekracza 20 l/s, pompy powinny być zasilane z dwóch odrębnych sieci elektroenergetycznych, stanowiących podstawowe i rezerwowe źródło energii. W przypadku instalowania rezerwowych pomp spalinowych w pompowni należy przechowywać zapas paliwa pozwalający na 4 godzinną prac pomp przy pełnym obciążeniu. W pompowniach pracujących w systemie ciągłego podawania wody należy instalować co najmniej dwie pompy, z których jedna pełni rolę pompy rezerwowej. W przypadku zainstalowania w pompowni większej ilości pomp, rezerwowa pompa powinna posiadać parametry największej z pomp. Nie jest wymagane instalowanie pompy rezerwowej, gdy ogólne zapotrzebowanie na wodę do celów przeciwpożarowych nie przekracza 20 l/s oraz w przypadkach, gdy pompy pozostają w stanie gotowości (nie pracują w systemie ciągłym).

2. Sieć wodociągowa

Sieć wodociągowa składa się z przewodów, które ze względu na ich przeznaczenie oraz funkcję, którą pełnią w sieci dzielimy na:

1. tranzytowe (przesyłowe),

2. magistralne,

3. rozdzielcze (rozbiorcze).

Przewody tranzytowe są przeznaczone do transportu wody na znacznie odległości. Nie posiadają one odgałęzień ani nie dokuje się z nich rozbiorów wody. Służą do dostarczania wody ze stacji wodociągowej do przewodów magistralnych.

Przewody magistralne (magistrale wodociągowe) dostarczają wodę z przewodów tranzytowych do przewodów rozdzielczych.

Przewody rozdzielcze dostarczają wodę z przewodów magistralnych do punktów rozbiorów wody (podłączenia domowe, przemysłowe i inne punkty czerpalne).

W zależności od układu przewodów w sieci, ich geometrii oraz wzajemnych połączeń sieci wodociągowe dzielimy na:

1. pierścieniowe (obwodowe),

2. rozgałęzieniowe (promieniste),

3. mieszane

Na rys. 8.2, 8.3 i 8.4 przedstawiono przykładowe schematy ww. rodzajów sieci. Numerem 1 oznaczono przewody tranzytowe, numerem 2 przewody magistralne, a numerem 3 przewody rozdzielcze.

Rys. 8.2. Schemat sieci wodociągowej pierścieniowej

Rys. 8.3. Schemat sieci wodociągowej rozgałęzieniowej

Rys. 8.4. Schemat sieci wodociągowej mieszanej

W sieci rozgałęzieniowej lub promienistej poszczególne przewody tworzą odgałęzienia od przewodów magistralnych i nie są ze sobą połączone na końcach. Przepływ w każdym kierunku jest tylko jednokierunkowy. Jest to sieć hydraulicznie niekorzystna, gdyż wzdłuż poszczególnych rurociągów magistralnych nie połączonych ze sobą wzajemnie powstają znaczne spadki ciśnień, powodujące wystąpienie dużych różnic ciśnień w poszczególnych punktach sieci. Wymusza to stosowanie rurociągów magistralnych o większych średnicach. W przypadku awarii przewodu magistralnego znaczny obszar jednostki osadniczej może być pozbawiony wody.

W sieci obwodowej lub pierścieniowej poszczególne przewody tworzą zamknięte obwody. Przepływ w zamkniętym obwodzie - zwanym pierścieniem, może odbywać się w dowolnym kierunku, zależnie od rozkładu czynnych punktów czerpalnych. Jest to sieć hydraulicznie korzystna, gdyż połączenie przewodów magistralnych i rozdzielczych stwarza bardzo dobre warunki przepływu wody oraz wyrównanie ciśnień. W odróżnieniu od sieci otwartej, sieć zamknięta zapewnia ciągłość dostawy wody, która w razie awarii przewodu może dopłynąć do miejsca poboru inną drogą.

W praktyce spotyka się najczęściej układy mieszane, zwane siecią pierścieniowo - promienistą, przy czym dąży się do objęcia pierścieniem możliwie największego obszaru jednostki osadniczej, zasilając pojedynczymi odcinkami przewodów najdalsze rejony tego obszaru.

2.4. Sieć wodociągowa przeciwpożarowa. Hydranty zewnętrzne

Sieć wodociągowa przeciwpożarowa jest to każda sieć wodociągowa wyposażona w hydranty zewnętrzne, z której pobiera się wodę do gaszenia pożaru. Sieć przeciwpożarową buduje się jako sieć wodociągową obwodową. Dopuszcza się budowę sieci rozgałęzieniowej poza obszarami miejskimi i tam gdzie zapotrzebowanie na wodę do celów przeciwpożarowych nie przekracza 20 dm³/s. Minimalne średnice przewodów wodociągowych, na których mogą być instalowane hydranty zewnętrzne powinny wynosić:

1. DN 100 w sieci obwodowej,

2. DN 150 w sieci rozgałęzieniowej i odgałęzieniach sieci obwodowej.

Sieci wodociągowe powinny umożliwiać jednoczesne pobieranie wody z dwóch sąsiednich hydrantów zewnętrznych, jeśli zapotrzebowanie na wodę do gaszenia pożaru przekracza 20 dm³/s. Hydranty zewnętrzne są to specjalnej konstrukcji zawory wbudowane w sieć wodociągową przeciwpożarową, przeznaczone do pobierania z tej sieci wody do celów przeciwpożarowych. Zgodnie z normą należy stosować hydranty zewnętrzne nadziemne. Jeśli stanowią one utrudnienie ruchu dopuszcza się stosowanie hydrantów podziemnych. W sieciach wodociągowych przeciwpożarowych stosowane są następujące wielkości hydrantów:

1. DN 80 i DN 100 naziemne,

2. DN 80 podziemne.

Generalnie należy stosować hydranty zewnętrzne o średnicy DN 80. Przy zapotrzebowaniu wody do gaszenia pożaru przekraczającym 30 dm³/s stosuje się hydranty o wielkości DN 100.

Przy ciśnieniu nominalnym 0,2 MPa natężenie wypływu wody z hydrantów powinno wynosić:

1. 10 dm³/s nadziemny i podziemny DN 80,

2. 15 dm³/s nadziemny DN 100.

Hydranty zewnętrzne powinny być rozmieszczone wzdłuż dróg i ulic oraz przy ich skrzyżowaniach. Odległość pomiędzy hydrantami nie powinna przekraczać 150 m. Poza obszarami miejskimi odległość między hydrantami powinna być dostosowana do gęstości zabudowy. Minimalna odległość hydrantu od obiektu chronionego powinna wynosić 5 m (zadymienie, promieniowanie cieplne).

Szczegółowe wymagania dla sieci wodociągowej przeciwpożarowej zawarte są w PN-B-02863 „Ochrona przeciwpożarowa budynków. Przeciwpożarowe zaopatrzenie wodne. Sieć wodociągowa przeciwpożarowa” z listopada 1997 r.

2.5. Obliczanie sieci obwodowych

Do obliczeń sieci wodociągowych obwodowych stosuje się zazwyczaj metodę Crossa, zwaną również metodą kolejnych przybliżeń, której założenia opierają się na dwóch podstawowych prawach Kirchoffa:

1. Suma dopływów do węzła równa się sumie odpływów z węzła

(8.3)

Przy sumowaniu przyjmuje się dopływy do węzła za dodatnie, a odpływy za ujemne.

2. Algebraiczna suma strat ciśnienia w każdym zamkniętym obwodzie (oczku) równa się zero

(8.4)

Przy sumowaniu przyjmuje się stratę ciśnienia za dodatnią, jeżeli ruch wody odbywa się zgodnie z kierunkiem przyjętym za dodatni (wskazywany przez strzałkę - rys. 8.5) . W przeciwnym przypadku jej wartość przyjmuje się za ujemną. Na rys. 8.5 pokazano schemat prostej sieci obwodowej składającej się z dwóch oczek.

Rys. 8.5. Schemat obliczeniowy sieci obwodowej (na podstawie [1])

Do obliczeń przyjęto następujące dane:

Q - całkowity wydatek wody wpływającej do węzła 1 sieci w dm³/s,

l_i - długość i-tego odcinka w m,

d_i - średnica rury, z której zbudowany jest i-ty odcinek w m,

q_i - rozbiór w i-tym węźle.

W celu wyznaczenia wartości wydatków Q_i w poszczególnych odcinkach sieci, można posłużyć się zależnościami (8.3) i (8.4). Otrzymamy wówczas następujący układ równań:

węzeł 1:

węzeł 2:

węzeł 3:
(8.5)

węzeł 4:

obwód 1:

obwód 2:

Dodając dwa ostatnie równania stronami i uwzględniając, że
, gdzie S_i - znana oporność i-tego odcinka sieci w s²m^-5 , układ równań (8.5) można zapisać w postaci:

(8.6)

Po rozwiązaniu układu równań (8.6) otrzymujemy pięć wartości szukanych wydatków Q_i, gdzie
i = 1 ... 5. Ujemna wartość wydatku oznacza, że kierunek przepływu jest odwrotny do założonego.

Podana wyżej metoda analityczna obliczania sieci obwodowych może mieć zastosowanie tylko do sieci obwodowych o niewielkiej liczbie obwodów. Przy większej liczbie oczek rozwiązanie analityczne praktycznie staje się niemożliwe. Stosuje się wówczas najczęściej metodę Crossa, zwaną również metodą kolejnych przybliżeń, której opis zamieszczono poniżej. W tej metodzie zakłada się przedziały prędkości wody w magistrali i w odgałęzieniach. Najczęściej przyjmuje 1,3 m/s - 2 m/s dla magistrali i 0,5 m/s - 1 m/s w odgałęzieniach. Dane wejściowe oraz wyniki kolejnych przybliżeń zapisujemy w tabeli 8.1. Kolejne oczka oddzielamy od siebie linią pojedynczą, a kolejne przybliżenia linią podwójną.

Tabela 8.1. Wzór tabelki obliczeniowej do wyznaczania parametrów sieci obwodowej metodą Crossa

Nr oczka	Nr odcinka	L [m]	D [mm]	Q [ ]	I [‰]	Δh [m]		ΔQ [ ]	v [ ]

Procedura postępowania w metodzie Crossa:

1. Numerujemy oddzielnie wszystkie oczka i węzły sieci. Zakładamy kierunki przepływu we wszystkich obwodach zgodne z ruchem wskazówek zegara jako dodatnie.

2. Wpisujemy do kolumny 1 tab. 8.1. numer oczka, do kolumny 2 numery odcinków w oczku oraz do kolumny 3 odpowiadające im długości L i średnice D. Numery odcinków wpisujemy w kolumnie 2 w formacie i - j, gdzie i,j - numery węzłów sieci, które łączy dany odcinek. Czynności te wykonujemy dla wszystkich obwodów w sieci.

3. Zakładamy wydatki Q w poszczególnych odcinkach sieci, tak aby było spełnione jednocześnie I równanie Kirchoffa (8.3). Obliczamy średnią prędkość przepływu w przewodzie z zależności:

(8.7)

Sprawdzamy, czy spełniony jest warunek prędkości dla magistrali lub odgałęzienia w zależności

od funkcji jaką spełnia dany odcinek w sieci. Jeżeli tak, to wpisujemy wartości Q i v odpowiednio

w kolumnach 5 i 10 tab. 8.1. Ze znakiem ujemnym liczy się przepływ, którego kierunek w

obwodzie jest przeciwny do ruchu wskazówek zegara.

4. Z nomogramu Manninga dla przyjętej średnicy przewodu, oraz założonego wydatku i prędkości

przepływu (magistrala czy odgałęzienie) odczytujemy wartość spadku hydraulicznego I w ‰.

Odczytaną wartość wpisujemy w kolumnie 6 tab. 8.1.

5. Obliczamy wysokość straty ciśnienia w przewodzie ze wzoru Δh = I·L/1000 i zapisujemy ją w

kolumnie 7 tab. 8.1.

6. Obliczamy wartość wyrażenia Δh/Q i zapisujemy ją w kolumnie 8 tab. 8.1. Jest ona zawsze dodatnia, ponieważ wysokość strat oraz wydatek mają te same znaki.

7. Obliczamy uwzględniając znaki sumę wysokości strat
   (kolumna 7) oraz sumę
   

(kolumna 8) dla każdego pierścienia. Wpisujemy obliczone wartości na dole kolumny 7 i 8

tab. 8.1.

8. Obliczamy wartość poprawki Crossa ΔQ_j dla każdego obwodu wg następującej zależności:

(8.8)

Wpisujemy wartość obliczonej poprawki do kolumny 9 tab. 8.1.

9. Modyfikujemy założone wydatki dodając do poprzednich wartości wartość obliczonej poprawki

Crossa odpowiadającej danemu obwodowi. Przy obliczaniu odcinków wspólnych dla dwóch

obwodów do poprawki wynikającej z obliczeń jednego obwodu dodajemy ze znakiem

przeciwnym poprawkę otrzymaną z obliczeń drugiego obwodu. Oddzielamy podwójną linią

poprzednio wyznaczone wartości i zaczynamy kolejne przybliżenie przez wpisanie nowych

wartości wydatków do kolumny 5 tab 8.1. przepisując jednocześnie bez zmian wartości z kolumn

1÷4.

10. Powtarzamy czynności opisane w punktach 4÷7. Sprawdzamy czy

(8.9)

gdzie: Δh_dop = 0,5÷1 m - wartość dopuszczalnego maksymalnego odchylenia sumy strat wysokości ciśnienia w obwodzie od wartości zerowej (odchylenie od warunku zawartego w II prawie Kirchoffa) przyjmowanego przy konwencjonalnych metodach obliczeń.

Jeżeli warunek (8.9) jest spełniony dla wszystkich obwodów w sieci, wówczas kończymy obliczenia przyjmując do dalszych rozważań ostatnie wartości wydatków i prędkości przepływu.

2.6. Zasady modelowania hydraulicznego sieci wodociągowych

2.6.1. Wprowadzenie

Modelowanie hydrauliczne sieci wodociągowych opiera się na teorii podobieństwa mechanicznego. Teoria ta umożliwia jakościowy i ilościowy opis zjawiska rzeczywistego na podstawie pomiarów przeprowadzonych na podobnym zjawisku, odbywającym się w innej, najczęściej mniejszej skali i zwanym zjawiskiem modelowym. Podstawą teorii podobieństwa mechanicznego jest zachowanie podobieństwa geometrycznego. Biorąc pod uwagę dwa geometrycznie podobne układy: rzeczywisty R o naturalnych wymiarach i modelowy M o wymiarach zmniejszonych, zachowanie podobieństwa geometrycznego zachodzi, gdy dla dwu dowolnie podobnych odcinków o długości L_R i L_M, spełniona jest zależność:

(8.10)

gdzie: k_L - stosunek podobieństwa liniowego.

Dla modelowania przepływów płynów lepkich podstawowe znaczenie ma prawo Reynoldsa, które brzmi: „W dwóch podobnych przepływach cieczy rzeczywistych, w których siły tarcia wewnętrznego wywierają decydujący wpływ na przebieg zjawiska, liczba Reynoldsa ma tę samą wartość”.

W idealnym modelu sieci wodociągowej powinno więc być zachowane prawo podobieństwa Reynoldsa o postaci [1]:

(8.11)

gdzie: v - średnia prędkość przepływu [m/s],

D - średnica przewodu [m],

ν - współczynnik lepkości kinematycznej [m²/s].

Równocześnie powinno być zachowane w odniesieniu do ciśnień prawo podobieństwa Eulera o postaci [1]:

(8.12)

gdzie: p - ciśnienie w przewodzie sieci [N/m²],

ρ - gęstość wody [kg/m³].

Jednocześnie powinien być zachowany zależność między wysokością strat hydraulicznych a natężeniem przepływu w rurociągu [ ]:

(8.13)

gdzie: Δh - wysokość strat hydraulicznych [m],

Q - natężenie przepływu [m³/s].

Przy założeniu jednakowej chropowatości względnej przewodów rzeczywistych i modelowych oraz jednakowej lepkości przepływającej przez nie cieczy, układ modelowy powinien spełniać warunek :

(8.14)

gdzie: L - długość odcinka przewodu [m].

Indeksy we wzorach (8.10) - (8.14) oznaczają odpowiednio R - układ rzeczywisty, M - układ modelowy.

Jednoczesne dotrzymanie wszystkich warunków podobieństwa jest bardzo trudne lub nawet niemożliwe, gdyż albo wymiary modelu będą bardzo duże, albo potrzebne będą takie prędkości przepływu, których uzyskanie w zamkniętym układzie sieci jest bardzo trudne. Dlatego też w praktyce stosuje się rozwiązania kompromisowe, które w rozsądnych granicach pozwalają na podstawie uzyskanych parametrów modelu wyznaczyć odpowiednie parametry sieci rzeczywistej.

2.6.2 Modelowa sieć wodociągowa

Przyjęto, że wielkości ciśnień i spadki ciśnień w przewodach sieci modelowej będą porównywalne z ich odpowiednikami w sieci rzeczywistej. Założono, że długości przewodów modelowych L_M będą zmniejszone 600 razy (k_L=600) w stosunku do rzeczywistych L_R, czyli:

(8.14)

natomiast średnice modelowe D_M będą zmniejszone 12,5 razy (k_D=12,5) w stosunku do średnic przewodów rzeczywistych D_R , czyli (np. średnicy przewodu na stanowisku równej 10 mm odpowiada w rzeczywistości rura o średnicy 125 mm):

(8.15)

Straty ciśnienia w przewodach modelowych Δh_{str M} i rzeczywistych Δh_{str R} obliczano z ogólnej zależności o postaci:

(8.16)

gdzie:

- oporność hydrauliczna przewodu [s²/m³],

D - średnica przewodu w [m],

- współczynnik strat liniowych dla rur hydraulicznie gładkich wg Blassiusa,

- liczba Reynoldsa.

Przy założeniu, że ν_R = ν_M na podstawie (8.11) skala podobieństwa natężeń przepływu powinna być równa:

(8.17)

Z kolei przy założeniu, że λ_R = λ_M (słuszne dla rur gładkich ze względu na warunek 8.11) na podstawie warunku (8.12) po uwzględnieniu (8.15) skala podobieństwa natężeń przepływu powinna być równa:

(8.18)

Na koniec skala podobieństwa natężenia przepływu wyznaczona z warunku (8.14) ma postać

(8.19)

Dla przyjętych skal długości i średnic wartości wyznaczone na podstawie (8.17), (8.18) i (8.19) są odpowiednio równe:

Biorąc pod uwagę, że założenie o równości strat liniowych w przewodzie modelowym i rzeczywistym (λ_R = λ_M) nie jest słuszne ze względu na większą chropowatość przewodów w sieci rzeczywistej, co powoduje, że λ_R > λ_M. Wynika stąd, że wartość skali k_Q^" otrzymana w drugim przypadku będzie praktycznie mniejsza od wartości 22,5. Ostatecznie biorąc pod uwagę przede wszystkim pierwsze dwa warunki podobieństwa przyjęto ostatecznie skalę natężenia przepływu k_Q = 15, czyli:

(8.20)

Natężenia przepływu w sieci modelowej są 15 razy mniejsze niż w sieci rzeczywistej.

Na podstawie warunku podobieństwa Eulera (8.12), przy założeniu, żę ρ_R = ρ_M można wyznaczyć wartość skali ciśnień zgodnie z wyrażeniem:

(8.21)

Należy zdawać sobie sprawę z tego, że sieć modelowa jest pewnym przybliżeniem rzeczywistej sieci wodociągowej. Nie jest spełniony przykładowo warunek podobieństwa chropowatości ścianek wewnętrznych. Z pewnym przybliżeniem zachowuje ona podobieństwo skali ciśnień, strat ciśnienia, natężeń przepływu i długości w stosunku do rzeczywistej sieci wodociągowej.

3. Stanowisko pomiarowe

3.1. Wprowadzenie

Do analizy pracy systemu wodociągowego wykorzystano typowy system zaopatrzenia w wodę. W szczególności zwrócono uwagę na samą sieć wodociągową jako główny element systemu. Dla potrzeb laboratoryjnego stanowiska pomiarowego przyjęto założenia typowej, niewielkiej, rzeczywistej sieci wodociągowej. Sieć taka mogłaby obsługiwać małą miejscowość lub osiedle. Obliczona w ten sposób sieć stała się wzorem do modelowania sieci w skali laboratoryjnej. Ustalono, że model sieci będzie odzwierciedleniem sieci rzeczywistej w skali 1 : 600 oraz, że ciśnienia i spadki ciśnień będą zbliżone. Dobrano odpowiednie średnice przewodów wykonane z instalacyjnych rur miedzianych. Opracowane stanowisko laboratoryjne składa się z trzech podstawowych elementów: zbiornika wody, pompowni i modelowej sieci wodociągowej. Do dodatkowego wyposażenia stanowiska należą wodomierze i ciśnieniomierze, służące do odczytywania wyników pomiarowych. Na rys. 8.6 pokazano ogólny schemat stanowiska.

Rys. 8.6. Ogólny schemat stanowiska pomiarowego

3.2. Pompownia

Do zasilania modelowej sieci wodociągowej wykorzystano zestaw hydroforowy o oznaczeniu ZH-CR3.4.50MPR. Zestaw ten składa się z trzech pomp o nominalnej wydajności każdej z pomp wynoszącej 4 m³/h. Są to pompy pionowe wielostopniowe. Charakterystyki przepływu pojedynczej, dwóch i trzech równolegle podłączonych pomp przedstawiono na rys. 8.7.

Rys. 8.7. Charakterystyki przepływowe jednej (1), dwóch (2) i trzech pomp (3) w zestawie hydroforowym ZH-CR3.4.50MPR

Rys. 8.8. Schemat blokowy pompowni

Schemat blokowy pompowni zamieszczono na rys. 8.8. Pompownia składa się z zestawu trzech równolegle współpracujących pomp P1, P2 i P3, z których jedna zawsze stanowi czynną rezerwę urządzenia hydroforowego. Sterowanie napędem pomp jest realizowane przez specjalne urządzenie elektroniczne zamontowane w szafie sterowniczej SS. Wszystkie pompy zestawu wyposażone są w armaturę odcinającą na przewodzie ssawnym i tłocznym oraz zwrotną na przewodzie tłocznym pompy. Wszystkie pompy połączone są do kolektora ssawnego i tłocznego urządzenia. Kolektory ssący i tłoczny wykonane są z miedzianych przewodów instalacyjnych. Na kolektorze ssawnym znajduje się wakuometr sprężynowy M1, który służy do pomiaru ciśnienia ssania. Na kolektorze tłocznym montowane są stalowe zbiorniki ciśnieniowe z membraną kauczukową NP1 i NP2, separujące wodę od wstępnie sprężonego powietrza oraz manometr sprężynowy M2 i przepływomierz elektromagnetyczny PZ z wyjściem analogowym. Są one połączone z szafą sterowniczą, na wyświetlaczu której można odczytać aktualne wartości ciśnienia tłoczenia w mH₂O i wydatku w m³/h . Zestaw jest dodatkowo wyposażony w czujnik poziomu lustra cieczy w zbiorniku CP. Zestaw hydroforowy jest połączony z siecią za pomocą dwóch przewodów, na których zamontowano zawory kulowe ZK1 i ZK2.

Wszystkie podzespoły zestawu montowane są na wspólnej konstrukcji nośnej wykonanej z blach i kształtowników stalowych, zabezpieczonej przed korozją powłoką cynkową. Konstrukcja ustawiona jest na wibroizolatorach ograniczających przenoszenie ewentualnych drgań. Urządzenia sterujące i aparatura elektryczna zestawu zamontowana jest w rozdzielni elektryczno-elektronicznej. Rozdzielnia przeznaczona jest do zasilania energią elektryczną pomp, urządzenia sterującego i innych elementów wykonawczych z trójfazowej sieci energetycznej 3×380 V, 50 Hz.

W zestawie hydroforowym pompy połączone są równolegle, włączane i wyłączane przez sterownik mikroprocesorowy na podstawie sygnałów z czujników pomiarowych, będących na wyposażeniu urządzenia. Sterownik utrzymuje zadaną wartość ciśnienia (przedział ciśnień) w kolektorze tłocznym, niezależnie od rozbioru wody i ciśnienia na ssaniu, zmienia kolejność pracy pomp, kontroluje, zabezpiecza i sygnalizuje sprawność ruchową całego urządzenia i poszczególnych pomp. W opisanym zestawie hydroforowym wykorzystano sterownik mikroprocesorowy MRP przystosowanym do współpracy z przetwornicą częstotliwości tzn. z regulacją prędkości obrotowej jednej z pomp. Zastosowanie przetwornicy częstotliwości daje możliwość łagodzenia rozruchu agregatu pompowego, co przyczynia się do zmniejszenia uderzeń hydraulicznych i elektrycznych w układzie. W zestawie zastosowano automatyczny przełącznik kolejności pracy pomp umożliwiający zmniejszenie częstotliwości włączeń poszczególnych pomp oraz równomierne zużycie wszystkich pomp (łącznie z pompą rezerwową). Zastosowanie przełącznika oznacza, że rezerwowa pompa w zestawie jest rezerwą czynną pracującą zawsze przemiennie z pozostałymi pompami zestawu. Jednak w przypadku awarii jednej z pomp urządzenie hydroforowe będzie pokrywać maksymalne zapotrzebowanie na wodę w obiekcie. Dla zapewnienia prawidłowych warunków pracy, silniki elektryczne pomp zestawu hydroforowego wyposażone są fabrycznie w zabezpieczenia zwarciowe, termiczne i przed zanikiem fazy.

3.3. Obwodowa sieć wodociągowa

Modelowa sieć wodociągowa jest siecią zamkniętą, składającą się z dziewięciu obwodów. Jej schemat w rzucie aksonometrycznym pokazano na rys. 8.9. Przewody w sieci wykonane są z rurek miedzianych o odpowiednio dobranych średnicach wewnętrznych. Łączenie przewodów w węzłach wykonane jest za pomocą trójników, łączonych z przewodami za pomocą połączeń kielichowych lutowanych. W każdym punkcie czerpania wody oznaczonym kolejnym numerem na schemacie znajduje się ciśnieniomierz pomiarowy wyskalowany w MPa oraz zawór kulowy ZKW, połączony z przewodami trójnikiem za pomocą połączenia gwintowego. Takie rozmieszczenie ciśnieniomierzy pozwala na obserwację zmian wysokości ciśnienia w sieci. Umieszczenie zaworu w punkcie poboru wody umożliwia sterowanie rozbiorem wody poprzez jego włączanie i wyłączanie lub ewentualne ograniczenie. Przy otwartym zaworze woda jest odprowadzana z sieci za pomocą przewodów z tworzywa sztucznego do zbiornika ZB o pojemności 90 dm³. Nad zbiornikiem z wodą zamontowanych jest siedem wodomierzy skrzydełkowych, umożliwiających pomiar ilości przepływającej wody pobieranych z poszczególnych węzłów. Każdy wodomierz posiada swój numer zgodny z numerem węzła, do którego jest podłączony. Pomiar czasu przepływu określonej ilości wody np. 1 litra (pełny obrót wskazówki skali odpowiadającej 0,0001 m³) lub 10 litrów (pełny obrót wskazówki skali odpowiadającej 0,001 m³) umożliwia wyznaczenie wydatku lub tzw. rozbioru wody w określonym punkcie sieci. Sieć modelowa posiada również zamontowane na przewodach zawory kulowe ZKA1÷ZKA13, których selektywne zamknięcie umożliwia symulację pojedynczej lub szeregu awarii polegających na wyłączeniu części sieci z użytkowania.

Rys. 8.9. Ogólny schemat modelu sieci wodociągowej w płaskim

4. Przebieg ćwiczenia

4.1. Określenie charakterystyki pompowni

Przy założeniu, że zestaw hydroforowy został uruchomiony i znajduje się w stanie normalnej pracy w celu określenia charakterystyki pompowni należy wykonać następujące czynności:

1. zamknąć zawory kulowe ZK1 i ZK2 na przewodach zasilających sieć wodociągową,

2. otworzyć zawór regulacyjny bocznika ZR,

3. dla różnych położeń zaworu ZR na wyświetlaczu szafy sterowniczej SS odczytać aktualne wartości wydatku Q w [m³/h] i ciśnienia p w [mH₂O] i zapisać je odpowiednio w kolumnach 2 i 4 tab. 8.2,

4. pomiaru dokonać dla minimum dziesięciu różnych wartości wydatku, zagęszczając punkty pomiarowe przy większych wydatkach,

5. przeliczyć wartości wydatku Q z [m³/s] na [dm³/s].

Tabela 8.2. Wzór tabelki pomiarowo-wynikowej do określania charakterystyki pompowni

L.p.	Q	Q	H [mH2O]

4.1. Określenie rozkładu ciśnień i wydatków w sieci wodociągowej

W celu określenia rozkładu ciśnień i wydatków w modelowej sieci wodociągowej należy wykonać następujące czynności:

1. otworzyć zawory na przewodach zasilających sieć wodociągową ZK1 i ZK2,

2. zamknąć zawór ZR bocznika,

3. otworzyć trzy zawory kulowe na sieci wodociągowej, wskazane przez prowadzącego ćwiczenie,

4. zapisać w tab. 8.3. numery punktów sieci, w których zostały otwarte zawory,

5. uruchomione zostaną wyznaczone punkty poboru wody. Odczytać i zanotować w tab. 8.3 wielkości ciśnień wskazywanych przez ciśnieniomierze kontrolne w [MPa].

6. przy użyciu stopera zmierzyć i zanotować natężenia przepływu na odpowiednich wodomierzach (czas przepływu 10 [dm³] przy większych wydatkach lub 1 dm³ przy mniejszych wydatkach). Zmierzoną objętość V w [dm³] oraz czas t w [s] zanotować w tab. 8.3,

7. otworzyć dwa kolejne zawory na sieci wodociągowej,

8. zapisać w pierwszym wierszu tab. 8.3. numery punktów sieci, w których zawory kulowe są otwarte,

9. wykonać pomiary wg pkt d ÷f dla pięciu rozbiorów wody. Wyniki zanotować w tab. 8.3,

10. zasymulować awarię sieci poprzez zamknięcie odpowiedniego zaworu lub zaworów umieszczonych na przewodach sieci wskazanych przez prowadzącego. Wykonać pomiary wg punktów d ÷f dla pięciu rozbiorów wody. Wyniki zanotować w tabeli nr 8.3,

11. obliczyć wartości wydatku Q wg zależności:

[dm³/s] (8.22)

i zapisać je w odpowiednim wierszu tab. 8.3.

Tabela 8.3. Wzór tabelki pomiarowo-wynikowej do określania rozkładów wydatku i ciśnień w sieci

Nr punktu pomiarowego	Badanie I			Badanie II
		p [MPa]	V [dm^3]	t [s]	p [MPa]	V [dm^3]	t [s]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

4.2. Określenie charakterystyki przepływowej hydrantu przeciwpożarowego

W celu wyznaczenia charakterystyki przepływowej hydrantu przeciwpożarowego należy wykonać następujące czynności:

1. otworzyć zawory kulowe ZK1 i ZK2 na przewodach zasilających sieć wodociągową,.

2. zamknąć zawór ZR bocznika,

3. otworzyć wszystkie zawory kulowe umieszczone na przewodach sieci (układ bezawaryjny), otworzyć wyznaczone przez prowadzącego zawory kulowe ZKW (od czterech do sześciu) umieszczone w określonych węzłach sieci (otrzymanie określonego rozkładu rozbiorów wody w sieci). Przynajmniej dwa z nich powinny być sąsiadujące ze sobą. Te dwa wybrane punkty w sieci potraktować jako hydranty przeciwpożarowe zewnętrzne,

4. dla kilkunastu różnych położeń jednego z wybranych zaworów od jego pełnego otwarcia do całkowitego zamknięcia odczytać z manometru wartości ciśnienia p₁ i p₂ oraz zmierzyć czas wypływu objętości wody (1 lub 10 litrów) z tego punktu. Zapisać zmierzone wartości w tab. 8.4. Umożliwia to uzyskanie docelowo charakterystyki wypływu wody z zaworu hydrantowego H_R=f(Q_R) w rzeczywistej sieci wodociągowej przy jednoczesnej pracy obydwu hydrantów przeciwpożarowych.

5. zamknąć zawór kulowy przy jednym z hydrantów, co będzie odpowiadało pracy pojedynczego hydrantu. Wykonać czynności opisane w punkcie e). Wyniki zapisać w tab. 8.4.

6. obliczyć wartości wydatku Q_M w dm³ /s wg zależności:

[dm³/s] (8.23)

i zapisać je w kolumnie 5 tab. 8.4.

7. przeliczyć wartości wydatku w sieci modelowej Q_M na wartości wydatku Q_R w sieci rzeczywistej wg zależności:

[dm³/s] (8.24)

gdzie: k_Q = 15

i zapisać je w kolumnie 6 tab. 8.4.

8. przeliczyć wartości ciśnienia w sieci modelowej p_M na wartości wysokości ciśnienia H_R w sieci rzeczywistej wg zależności:

[m] (8.25)

gdzie: k_p = 9,2·10^-3

γ = 10⁴ N/m³ - ciężar właściwy wody,

i zapisać je w kolumnie 7 tab. 8.4.

Tabela 8.4. Wzór tabelki pomiarowo-wynikowej do określania charakterystyki przepływowej hydrantu przeciwpożarowego

L.p.	V [dcm^3]	t [s]	pM [MPa]	QM	QR	HR [mH2O]

5. Opracowanie sprawozdania

Opracowanie sprawozdania składa się z następujących etapów:

1. Na podstawie wyników zestawionych w tab. 8.2. wykonać na papierze milimetrowym wykres przedstawiający charakterystykę pompowni H = f (Q), gdzie H w mH₂O a Q w dm³/s. Wcześniej należy dokonać odpowiedniego przeliczenia wartości wydatków i wpisania wartości do kolumny 3 tab. 8.2.

2. Na podstawie wyników zestawionych w tab. 8.3. na planie aksonometrycznym modelu sieci wodociągowej (rys. 8.10) nanieść w przyjętej skali odcinki odpowiadające wartościom ciśnień i wydatków (ciśnienia powyżej płaszczyzny sieci, a wydatki poniżej płaszczyzny sieci) w poszczególnych punktach pomiarowych dla trzech serii pomiarowych:

1. przy trzech rozbiorach bez awarii,

2. przy pięciu rozbiorach bez awarii,

3. przy pięciu rozbiorach z awarią.

W miarę możliwości wszystkie przypadki umieścić na jednym wykresie, wyróżniając je kolorami. Przykładowy plan aksonometryczny sieci z naniesionymi odcinkami przedstawiono na rys. 8.9.

3. Na podstawie wyników zestawionych w tab. 8.4. na papierze milimetrowym wykreślić charakterystyki wypływowe H_R =f (Q_R) zaworu hydrantowego otrzymane podczas pracy pojedynczego hydrantu oraz jednoczesnej pracy obydwu hydrantów.

Rys. 8.10. Przykładowy rzut aksonometryczny sieci z naniesionymi wartościami ciśnień i wydatków

6. Przykładowe pytania

1. Naszkicować obwodową sieć wodociągową. Podać I i II prawo Kirchoffa dla wybranego węzła i oczka sieci.

2. Podać definicję i wymienić podstawowe elementy systemu wodociągowego.

3. Omówić metodę obliczania obwodowych sieci wodociągowych przy pomocy metody kolejnych przybliżeń Crossa.

4. Pompownia wodociągowa i jej podstawowe parametry.

5. Omówić współpracę równoległą dwóch jednakowych pomp. Posłużyć się odpowiednim wykresem.

6. Podać, omówić i naszkicować rodzaje stosowanych sieci wodociągowych.

7. Podać wymagania dla hydrantów zewnętrznych stosowanych w sieciach wodociągowych.

8. Podać ogólne zasady modelowania sieci wodociągowych.

9. Wymienić i omówić podstawowe elementy stanowiska pomiarowego w ćwiczeniu 8.

10. Wymienić wielkości fizyczne mierzone w ćwiczeniu i podać przyrządy, przy pomocy których jest dokonywany pomiar.

---