Диаметры самотечных и всасывающих трубопроводов определяют по рас­четному расходу при нормальном режиме работы водозабора и скорости дви­жения воды в трубах определяется по формуле (16):

где
- расчетный расход одной секции;

- допустимая расчетная скорость в трубопроводе (1табл. 2.2, 2.3).

Скорости в самотечных трубах должны быть проверены:

а) на незаиляемость транспортируемых по трубе диаметром D (м) мелкими наносами в количестве  (кг/м 3), имеющими средневзвешенную гидравлическую крупность  (м/с). (табл. 9):

, м/с, (17)

где
;

с - коэффициент Шези.

Незаиливающую скорость
можно также определить по формуле (18):

(18)

где = 8g/c 2 - коэффициент гидравлического трения.

Для частиц взвеси крупностью d = 1 мм с гидравлической крупностью

= 0,094 м/с значения следующие:

, м/с

б) на подвижность попадающих в водовод влекомых наносов крупностью мм:

, м/с (19)

1.7 Выбор способа и расчет системы промыва элементов

Хотя скорость в самотечных водоводах назначают больше незаиливающей, полностью исключить осаждение взвеси невозможно, поэтому пре­дусматрива­ется промыв трубопроводов.

Для обеспечения требуемой промывной скорости
необходимы расходы (
), превышающие нормальную работу самотечной линии. Для ряжевых фильтрующих водоприемников
для фильтров с приемом воды снизу вверх
для отверстий, расположенных в вертикальной плоскости и огражденных сороудерживающими решетками
для фильтрующих рыбозаградительных кассет, установленных в вертикальной плоскости
Промывка самотечной линии может быть прямой – при движении промывной воды от оголовка к ко­лодцу, обратной – движение промывной воды от колодца к оголовку и импульсной.

Для прямой промывки необходимо увеличить скорость движения воды в промывочных трубах уменьшением на время промывки число работающих са­мотечных линий. При выключении одной из двух линий и заборе того же коли­чества воды, которое забиралось до промывки, но через 1 самотечную линию, скорость промыва в трубе увеличивается в 2 раза; при выключении одной из трех самотечных труб скорости в двух промывочных трубопроводах увеличи­вается в 1,5 раза. При прямой промывке на время закрытия одной из линий ме­жду водоисточником и береговым колодцем создается определенный перепад уровней воды. Затем задвижка этой линии быстро открывается, и вода по ней с большей скоростью устремляется в береговой колодец, вынося из него все от­ложения, которые затем удаляются гидроэлеватором. Такой способ промывки осуществляется при больших уровнях водоисточника.

При обратной промывке самотечные линии соединяются промывными ли­ниями с напорными трубопроводами НС I. Линии 350 ÷ 600 мм и более 600 мм промываются водовоздушным или импульсным способом. Для этого в колодце на выходе из самотечной линии устанавливают герметически закрывающийся затвор. Перед ним подключают к линии напорную колонну высотой 6 ÷ 8 м и диаметром в 1,5 ÷ 3 раза больше диаметра промывной линии. Вверху в колонне с помощью патрубка подключают вакуум насос для создания в ней разряжения. Если в самотечной линии в период промывки закрыть затвор и создать в напор­ной колонне вакуум, вода поднимется в ней в соответствии степени разряжения уровня. При срыве вакуума в колонне находящаяся в ней вода устремляется в самотечную линию и образовавшимся током промывает отверстия оголовка. Промыв повторяют несколько раз и осуществляют в период низкого уровня воды в источнике. При расходах воды на промывку более 5%
применяют обратную водовоздушную промывку или импульсную, сжатым воздухом.

→ Системы водоотведения

Гидравлический расчет самотечных трубопроводов

Расчет самотечных трубопроводов заключается в определении их диаметра (или размеров коллектора, если он имеет не круглую форму), уклона и параметров их работы – наполнения и скорости. Обычно предварительно определяется расход, который является исходным для расчета. Расчет трубопроводов – не только гидравлическая задача. Полученные результаты должны удовлетворять технологическим и экономическим требованиям, о которых будет сказано ниже.

В целях упрощения гидравлических расчетов водоотводящих сетей движение воды в них условно принимается установившимся и равномерным. По поводу расчета самотечных трубопроводов существует две точки зрения.

По формуле (2.7) коэффициент Л (следовательно, и коэффициент С) зависят не только от относительной шероховатости, но и от числа Рейнольдса. Эта формула справедлива для всех трех областей турбулентного режима движения жидкости: областей гладкого, вполне шероховатого трения и переходной области между ними. Исследования показали, что трубопроводы водоотводящих сетей работают в области вполне шероховатого трения. Для возможных условий проектирования расчеты по формулам (2.1) – (2.3) и (2.6) – (2.7) дают практически одинаковые результаты.

Известно, что максимальный расход воды в трубах наблюдается при наполнении h/d= 0,95. Поэтому наполнение, большее этого значения, принимать нецелесообразно. Однако, расчетные наполнения рекомендуется принимать даже меньше этого значения по следующим двум причинам. Во-первых, при определении расчетных расходов не учитывается колебание расходов в пределах часа суток, когда может наблюдаться максимальный расход. А это колебание может быть и в меньшую, и в большую стороны. Во-вторых, вследствие неравномерности движения воды, наполнение в трубопроводе в отдельных местах может быть больше расчетного. В целях исключения подтопления трубопроводов при расчетных условиях наполнение в трубопроводах бытовой водоотводящей сети рекомендуется принимать не более 0,8.

В трубопроводах дождевых сетей (водостоках) полных раздельных систем водоотведения, а также в общесплавных трубопроводах и общесплавных коллекторах полураздельных систем водоотведения при расчетных условиях наполнение рекомендуется принимать равным 1, т. е. полным. Это объясняется тем, что расчетные условия в этих трубопроводах наблюдаются весьма редко – 1 раз в 0,25-10 лет. Таким образом, значительную часть времени эти трубопроводы также будут работать при частичном наполнении.

Содержащиеся в сточных водах нерастворенные примеси способны выпадать в осадок, уменьшать сечение трубопроводов и вызывать их полное засорение. Наиболее сложно транспортируются потоком воды минеральные примеси, обладающие большой плотностью. Транспортирование нерастворенных примесей потоком является следствием его турбулентности. При определенных малых скоростях взвешенные вещества осаждаются на дно и образуют плотный слой осадка. При достижении определенной скорости осадок приходит в движение, образуя слой осадка, имеющий форму непрерывных гряд, которые движутся в направлении потока, но с меньшей скоростью (рис. 2.4). Скорость, соответствующая началу движения осадка, называется размывающей. При дальнейшем увеличении скорости и достижении определенного значения весь осадок взвешивается турбулентным потоком, а трубопровод самоочищается. Скорость, соответствующая этому моменту, называется самоочищающей. Известно также понятие критической скорости. Эта скорость – соответствующая началу осаждения примесей (при уменьшении скорости) или полного самоочищения (при увеличении скорости). Расход сточных вод в водоотводящих сетях изменяется в широких пределах от определенного минимального до известного максимального, который принимается за расчетный. Обеспечить возможность транспортирования всех примесей потоком при любом расходе, в том числе и минимальном, не представляется возможным, так как в этом случае потребовалось бы прокладывать трубопроводы с большими уклонами, а это привело бы к их значительным заглублениям. В настоящее время расчет трубопроводов производится на условии поддержания труб в чистом состоянии при максимальном расчетном расходе. Таком образом, при минимальных расходах в трубопроводах допускаются отложения, но при достижении расчетного расхода трубопроводы должны самоочищаться. Поэтому при расчете широко используется понятие самоочищающая скорость. Это минимальная скорость, которая должна обеспечиваться в водоотводящих сетях при расчетном расходе.

Рис. 2.4. Схема непрерывного передвижения отложений в водоотводящей сети

Профессоры Н. Ф. Федоров и А. М. Курганов минимальную скорость, которую необходимо соблюдать в трубопроводах из условий самоочищения, называют незаиляющей.

Формула (2.11) учитывает крупность песка, который может содержаться в сточной воде. Изменение крупности песка может быть обусловлено видом сточных вод (бытовые, дождевые, производственные), совершенством покрытий проездов, особенностями их содержания и др.

Самоочищающая скорость зависит и от коэффициента шероховатости п, так как важным источником турбулентности потока является шероховатость русла. Если в трубопроводах имеется осадок в виде гряд, то коэффициент и~0,025. Если трубопровод чист, то л~0,014. По формуле (2.11) самоочищающая скорость в первом случае меньше, чем во втором. Первый случай определяет условия самоочищения, а второй – критические условия (условия, исключающие осаждение взвешенных веществ). Формула (2.11) позволяет определять как самоочищающую скорость, так и критическую. Они различны, так как различны шероховатости русел. Но условия турбулентности в описанных двух случаях практически одинаковы.

Содержащиеся в сточных водах песок и другие минеральные примеси являются абразивными материалами, истирающими стенки трубопроводов в результате транспортирования жидкости. При этом интенсивность истирания пропорциональна скорости потока, движущегося в трубе. Поэтому на основании многолетнего опыта эксплуатации водоотводящих сетей установлены максимально допустимые скорости, равные 4 м/с – для неметаллических труб и 8 м/с – для металлических.

Расчет трубопроводов по формулам (2.1) – (2.4) или другим чрезвычайно сложен. Методы решения различных задач по расчету трубопроводов изложены в специальной литературе.

При проектировании водоотводящих сетей требуется выполнять й расчеты большого числа отдельных участков трубопроводов с различными условиями проектирования. Их расчет производится путем применения тех или иных упрощающих приемов, при которых используются разработанные таблицы, графики, номограммы, различные обобщенные параметры и др.

В настоящее время для расчета самотечных трубопроводов используют различные таблицы, к числу которых относятся таблицы А. А. Луки-1 ных и Н. А. Лукиных (Таблицы для гидравлического расчета канализационных сетей и дюкеров по формуле акад. Н. Н. Павловского. – М.: Стройиздат, 1987) и Н. Ф. Федорова и Л. Е. Волкова (Гидравлический расчет канализационных сетей. -Л.: Стройиздат, 1968). Первые составлены по формулам (2.1) – (2.4), вторые -по формулам (2.6) и (2.7).

Значения расхода сточных вод д и скорости их движения v в трубах d=2Q0 мм

В табл. 2.4 приведена краткая выдержка из первых таблиц для трубопровода диаметром 200 мм. Таблицы содержат значения расхода и скорости при различных наполнениях от 0,05 до 1,0 для всех возможных в инженерной практике диаметров и уклонов труб.

При проектировании водоотводящих сетей предварительно определяют расход. Уклон трубопровода принимают с учетом уклона поверхности земли и руководствуясь экономическими соображениями (минимальными объемом земляных работ и стоимости строительства). Расчет трубопроводов по описанным таблицам сводится к подбору диаметра трубопровода, обеспечивающего пропуск расхода при наполнении, соответствующем самоочищающей скорости.

Этот расчет весьма прост и удобен. Однако для него требуются таблицы большого объема, которые издаются отдельными книгами. Они Должны быть «под рукой» у каждого проектировщика. В то же время, изданные таблицы не охватывают всех возможных в инженерной практике Диаметров и уклонов трубопроводов и параметров их работы.

Аналогично ведется расчет по графикам и номограммам. Он требуют кропотливой работы. В инженерной практике ими пользуются реже.

Выберем сечение 1-1 по свободной поверхности жидкости в резервуаре А, сечение 2-2 - по свободной поверхности жидкости в резервуаре В (рис. 7). Плоскость сравнения совместим с сечением 2-2.

Рисунок 7 - Схема к расчету диаметра самотечного трубопровода

Составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2:

В данном случае:

Так как уровни в резервуарах А и В постоянны, то скоростные напоры и равны нулю.

Подставив все значения в уравнение Бернулли (7.1), получим:

Потери напора:

При установившемся режиме уровни в резервуарах постоянны, тогда расход жидкости через самотечный трубопровод равен. Следовательно, средняя скорость жидкости в самотечном трубопроводе:

Подставляя выражение (7.3) с учетом (7.4) в (7.2), получим:

Решение уравнения (7.5) выполним графоаналитическим методом. Задаваясь значением диаметра самотечного трубопровода, построим график зависимости потребного напора

Число Рейнольдса:

Следовательно, режим течения турбулентный. Тогда коэффициент потерь на трение по длине определяем по формуле Альтшуля:

где: - шероховатость чугунных (бывших в употреблении) труб.

Вычислим по формуле (7.5) величину потребного напора для пропуска расхода при значении диаметра самотечного трубопровода:

Так как полученное значение, то последующие значения диаметра нужно уменьшать.

Проведем аналогичные расчеты для ряда других значений диаметра. Результаты расчетов сведем в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты расчета потребного напора

По данным таблицы 2 строим график зависимости (рис. 8) и по значению определяем диаметр самотечного трубопровода.

Рисунок 8 - График зависимости

По графику получаем.

ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕТИ

При установившемся режиме работы установки, когда расход в системе трубопровода не изменяется со временем, развиваемый насосом напор равен потребному напору установки

Тогда, согласно формуле (4.2), потребный напор установки:

Давление сети:

Построим характеристику сети, используя зависимости (8.1) и (8.2) и методику определения потерь напора, изложенную в п.2.

Зададимся расходом.

Определим средние скорости, режим течения и коэффициенты сопротивления трения для каждого участка трубопровода.

Для трубопровода всасывающей линии диаметром:

число Рейнольдса:

Следовательно, во всасывающей линии режим течения турбулентный.

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Следовательно, в трубопроводе диаметром режим течения турбулентный.

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Следовательно, в трубопроводе диаметром режим течения турбулентный.

Потери напора во всасывающей линии

где: - потери напора на трение по длине;

Местные потери напора;

и - соответственно коэффициент сопротивления трения и сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии.

Определим коэффициент гидравлического сопротивления по формуле Альтшуля:

Для всасывающей линии местные сопротивления:

всасывающая коробка с обратным клапаном с коэффициентом сопротивления;

задвижка (при полном ее открытии).

Получаем:

Вычислим потери напора во всасывающей линии:

Аналогичным образом определим потери напора в нагнетательной линии:

Так как режим течения в нагнетательной линии на всех участках турбулентный, а область гидравлического сопротивления переходная, то коэффициенты сопротивления трения определим по формуле Альтшуля:

Местные сопротивления нагнетательной линии:

два поворотных колена с коэффициентом сопротивления

регулировочный вентиль с коэффициентом сопротивления

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

на участке трубопровода диаметром:

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

на участке трубопровода диаметром:

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

расходомер Вентури с коэффициентом сопротивления

Вычислим потери напора в нагнетательной линии:

Общие потери напора в трубопроводе:

Потребный напор установки:

Давление сети:

Проведем вычисления для других значений расхода. Результаты вычислений сведем в таблицу 3.

напор трубопровод насосный резервуар

Таблица 3 - Результаты расчетов для построения характеристики сети

В основе гидравлических расчетов безнапорных (самотечных) трубопроводов лежит условие соблюдения установившегося равномерного движения воды в трубах по двум основным формулам:

• формула неразрывности потока

• формула Шези

где q — расход жидкости, м 3 /с; ω — площадь живого сечения, м 2 ; V — скорость движения жидкости, м/с; R — гидравлический радиус, м; i — гидравлический уклон (равный уклону трубы при установившемся равномерном движении); С — коэффициент Шези, зависящий от гидравлического радиуса и шероховатости смоченной поверхности трубопровода, м 0,5 /с.

Основная трудность при проведении гидравлических расчетов заключается в определении коэффициента Шези.

Рядом исследователей предложены собственные универсальные формулы (эмпирические или полуэмпирические зависимости), в той или иной степени описывающие зависимость коэффициента Шези от гидравлического радиуса, величины шероховатости стенок трубопровода и других факторов:

• формула Н, Н. Павловского:

где п — относительная шероховатость стенки трубы; для определения показателя степени у используется формула

у=2,5·√n-0,13-0,75·√R·(√n-0,1)

• формула А. Маннинга:

• формула А. Д. Альтшуля и В. А. Лудова для определения у.

у=0,57-0,22·lgC

• формула А. А. Карпинского:

у=0,29-0,0021·С.

На базе указанных и других аналогичных зависимостей построены таблицы гидравлического расчета и номограммы, которые позволяют инженерам-проектировщи- кам проводить гидравлический расчет безнапорных сетей и каналов из различных материалов. Расчет безнапорных самотечных трубопроводов рекомендуется производить с использованием известной формулы Дарси — Вейсбаха:

i=λ/4R · V 2 /2g

где λ — коэффициент гидравлического трения; g — ускорение свободного падения, м/с 2 .

Коэффициент Шези можно определить как:

Наиболее апробированными и лучше других согласующимися с опытными данными, из отмеченных ранее формул, полученных отечественными исследователями, являются формулы Н. Н. Павловского. Справедливость этих формул подтверждена и проверена инженерной практикой, и не вызывает сомнений возможность дальнейшего их использования для гидравлического расчета безнапорных сетей из керамики, бетона и кирпича, т. е. тех материалов, где коэффициент шероховатости п составляет порядка 0,013-0,014, а также полимерных с определенными поправочными коэффициентами.

Современные тенденции широкого использования новых труб из различных материалов (в том числе полимерных) в период ремонта и реконструкции старых сетей приводят к тому, что водоотводящая сеть городов из года в год становится все более разнородной, что сказывается на трудностях оценки гидравлических показателей, а также на затруднении эксплуатации, так как для каждого разнородного участка трубопровода должны применяться соответствующие методы обслуживания (например, прочистки и т. д.).

Для трубопроводов из новых материалов на сегодняшний день пока нет строгих гидравлических зависимостей изменения коэффициентов С и λ, Более того, каждый производитель новых типов труб обнародует свои, подчас необъективные критерии оценки гидравлической совместимости труб из различных материалов. Задача еще более усугубляется, когда таких материалов много и каждый из них находит свою нишу при ремонте сетей. В результате появляется некое подобие сети с «заплатками». Это не исключает гидравлического дисбаланса, т. е. возможных негативных тенденций, связанных с подтоплением в местах стыковки труб или на определенных расстояниях от мест стыковки.

Таким образом, проектировщику на каждый вид материала трубопровода или защитного покрытия желательно иметь унифицированные зависимости изменения гидравлических характеристик, т. е. результаты натурных экспериментов по определению коэффициентов Шези, Дарси и других параметров труб из различных материалов. Отсюда в качестве вывода надо констатировать значимость проведения экспериментальных гидравлических исследований. Полученные в период экспериментов на одном диаметре опытные значения коэффициента Шези могут являться критерием приближенного гидравлического подобия для перехода на другие диаметры.

При движении нефти, давление в ней падает, причем, чем выше скорость движения, тем больше потери давления на единицу длины трубопровода. Если абсолютное давление нефти P при этом достигает значения равного ДНП при данной температуре P S , то в данном месте потока наблюдается интенсивное парообразование и выделение газов, что может привести к кавитационным процессам или нарушению сплошности потока. Течение жидкости в описанном случае может быть самотечным расслоенным или иметь более сложную (пробковую) структуру, в которой порции жидкости чередуются с парогазовыми пузырями.

Самотечное расслоенное течение является разновидностью безнапорного течения, при котором жидкость движется неполным сечением под действием силы тяжести, причём остальная часть сечения трубы занята парами этой жидкости. Участки, на которых возникают указанные течения, называются самотечными. При этом давление в парогазовой полости самотечного участка остаётся практически постоянным и равным ДНП нефти. Стационарные самотечные участки могут существовать только на нисходящих участках трубопровода. Начало каждого самотечного участка, которое всегда совпадает с одной из вершин профиля, называется перевальной точкой, причём таких точек может быть несколько. Однако отметим, что не всегда самая высокая точка трассы является перевальной (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3. Перевальной точка и расчетная длина нефтепровода

Из рис. 5.3. видно, что причиной появления самотечных участков может быть снижение расхода в трубопроводе, обусловленное снижением давления в начальном сечении с p ” н до p н (переход на пониженный режим перекачки). Однако при возврате к прежнему давлению не удаётся достичь прежнего значения расхода, так как образовавшиеся парогазовые скопления создают дополнительное сопротивление, а процесс их растворения продолжается длительное время. Таким образом, возврат к прежнему расходу будет осуществлён в течение достаточно продолжительного периода времени.

Растворения парогазового скопления происходит, если скорость потока достаточна для отрыва и уноса парогазовых пузырьков из нижней части газовой полости вниз по течению, при этом по мере удаления от самотечного участка давление жидкости возрастает и пузырьки схлопываются, вызывая кавитацию. Это может привести к значительной вибрации трубопровода и сопровождается повышенным уровнем шума. При дальнейшем увеличении скорости потока до определённого значения скопление страгивается с места и выносится потоком целиком (единой пробкой) и может достичь резервуара на конечном пункте нефтепровода. Сопровождающий это явление гидравлический удар приводит к повреждению резервуаров и их оборудования.

Наличие самотечных участков приводит к увеличению давления в начале трубопровода, а значит требует более высоких затрат энергии на перекачку. Если продлить линию гидравлического уклона за самотечным участком до начального сечения, то можно определить p ’ н , которое необходимо для перекачки нефти с тем же расходом по трубопроводу тех же длины и диаметра, но без самотечных участков. Из рис. 2.3. видно, что p ’ н < p н .

Перекачку с той же производительностью, но без самотечных участков можно организовать при увеличении давления в конце трубопровода до p Ф . Разница полезного и требуемого давления может быть использована, например, для привода небольшой электростанции (проект такой электростанции разработан для нефтепровода Тихорецк–Новороссийск в районе нефтебазы «Грушовая» ).

При появлении самотечного участка между промежуточными НПС, участки МН до и после перевальной точки перестают быть гидравлически связанными. Если по какой-либо причине производительность участка после перевальной точки возрастет, а на начальном участке будет сохраняться на прежнем уровне, давление на всасывании перекачивающей станции следующей за перевальной точкой начнет снижаться и может достигнуть нижнего допустимого предела.

Повышенное содержание в нефти сернистых соединений может вызвать ускоренное протекание коррозионных процессов на внутренней поверхности стенки трубы над свободной поверхностью жидкости.

При гидравлическом расчете трубопровода с самотечными участками уравнение (5.11) преобразуется к следующему виду

, (5.15)

где L р – расчётная длина МН, за которую принимается расстояние от начального пункта до ближайшей перевальной точки, м;

z ’ =(z П –z Н ) – разность геодезических отметок перевальной точки и начального пункта, м;

p y =(P s –P a ) – упругость паров нефти, которая может быть как положительной, так и отрицательной, Па. Однако как правило для нефтей (при p y <0) согласно третьим членом в уравнении (5.15) пренебрегают.

Рассмотрим течение жидкости за перевальной точкой (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Течение жидкости за перевальной точкой

Линия гидравлического уклона на самотечном участке проходит параллельно профилю трубопровода на расстоянии p y /( g ), откуда следует, что гидравлический уклон на самотечном участке равен тангенсу угла наклона профиля трубопровода к горизонту i =tgα п .

Так как согласно уравнению (5.1)

то скорость движения жидкости на самотечном участке w больше скорости течения жидкости на заполненных участках трубопровода w 0 поскольку при том же расходе площадь S , занятая жидкостью на самотечном участке меньше площади полного сечения трубы S 0 . Отношение указанных площадей

называется степенью заполнения сечения трубопровода, которую в зависимости от отношения гидравлического уклона полностью заполненного участка к гидравлическому уклону самотечного участка

можно определить по одной из следующих аппроксимационных зависимостей, приведённых в таблице 5.3 .

Таблица 5.3

Протяжённость самотечного участка можно определить графически или выразив из уравнения Бернулли для участка AK (см. рис. 5.4)

Геодезическую отметку конца самотечного участка z A можно определить, зная z П и координаты ближайшей точки трассы x и z x , из простых геометрических соотношений

Подставляя уравнение (5.17) в (5.16) и выражая l с.у. получим

. (5.18)

Для нахождения перевальной точки достаточно определить избыточное давление в каждой вершине профиля, начиная с конца: если p <p y , то вершина является началом самотечного участка, с учётом этого находятся избыточные давления в следующих вершинах. Ближайшая к началу нефтепровода вершина, являющаяся началом самотечного участка, и будет перевальной точкой.