Совершенствование методов оценки и повышения надежности обеспечения потребителей водой в централизованных системах водоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Душин Алексей Сергеевич

• Душин Алексей Сергеевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Душин Алексей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ, УРОВЕНЬ ИХ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ

1.1. Особенности и проблемы функционирования эксплуатируемых систем водоснабжения, анализ существующего водопотребления, динамика его изменения

1.2. Нормирование и оценка показателей надежности водообеспечения

1.3. Существующие подходы повышения надежности водообеспечения. Обзор литературы

1.4. Общая и содержательная постановка задачи оценки и повышения надежности эксплуатируемых и проектируемых систем водоснабжения

1.5. Основные выводы по главе

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ ВОДООБЕСПЕЧЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ВОДОЙ

2.1. Вероятностное описание процесса водопотребления

2.2. Вероятностное описание режимов работы СПРВ, анализ показателей надежности

2.3. Технико-экономическое сравнение систем водоснабжения при требуемом уровне обеспечения надежности потребителей

2.4. Основные выводы по главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МЕТОДИКИ ПО ОЦЕНКЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СПРВ В УСЛОВИЯХ МНОГОРЕЖИМНОСТИ ЕЕ РАБОТЫ

3.1. Математическая модель функционирования СПРВ, учитывающая многорежимность ее работы и обеспечивающая адекватность оценки режимов и процессов, происходящих в СПРВ

3.2. Вероятностные показатели готовности и безотказности снабжения водой потребителей и детерминированные уровни снижения объемов водообеспечения в аварийных ситуациях

3.3. Новый подход к оценке вероятностных и детерминированных показателей надежности обеспечения водой каждого потребителя

3.4 Выявление участков, не позволяющих обеспечить надежное функционирование системы подачи и распределения воды

3.5. Методика повышения эксплуатационной надежности эксплуатируемых, реконструируемых и развивающихся СПРВ

3.6. Технико-экономическое сравнение систем водоснабжения, рассчитанных согласно существующей и предлагаемой методик

3.7. Основные выводы по главе

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ И ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ И ПРОЕКТИРУЕМЫХ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

4.1. Алгоритмы и программный комплекс для оценки и повышения надежности подачи воды потребителям

4.2. Реализация предлагаемой методики по оценке и повышению надежности эксплуатируемых систем водоснабжения. Примеры практической апробации

4.3. Основные выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

1

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов оценки и повышения надежности обеспечения потребителей водой в централизованных системах водоснабжения»

Актуальность темы исследования.

Степень благоустройства любого населенного пункта или города, а также здоровье и благополучие их жителей напрямую зависят от качества воды подаваемой потребителям и бесперебойности работы систем водоснабжения. Переход на централизованные системы забора воды из подземных и поверхностных источников, организация ее очистки и обеззараживания, создание закрытой трубопроводной системы транспорта и распределения воды, существенно повысили надежность и безопасность ее потребления. Вместе с тем проблемы, связанные с сохранением первоначальных значений безотказности, долговечности, ремонтопригодности трубопроводов и транспортирующих сооружений, а главное способности системы водоснабжения подавать воду потребителям в расчетном количестве и качестве, отвечающим санитарным требованиям и нормам остаются не решёнными.

Проведенный анализ существующих систем подачи и распределения воды (СПРВ) показал, что эксплуатационные показатели надежности обеспечения потребителей водой не в полной мере соответствуют требуемым значениям, которые регламентируются в СП31.13330.2012. При этом в нормативных документах представлены только детерминированные нормы пониженного снабжения водой потребителей в аварийных ситуациях, хотя потребления воды и возникновение аварийных ситуаций являются случайными процессами.

Существующие подходы и методы оценки надежности работы СПРВ так же ориентированы на детерминированные значения пониженного расхода потребления воды в случае выхода из строя одного из возможных участков трубопроводной системы (ординарные потоки отказов). Как следствие, при проектировании СПРВ не рассматривается фактическая картина функционирования системы водоснабжения, что неизбежно приводит либо к

завышению или занижению диаметров трубопроводов и параметров насосного оборудования.

Очевидно СПРВ следует рассчитывать на различные режимы функционирования, которые должны формироваться на основе комплексных вероятностных процессов потребления воды и возникновения аварийных ситуаций в сети и на сооружениях. Для этих целей необходимо разработать подходы и методы моделирования совместных процессов функционирования СПРВ и режимов потребления воды, определить влияние их на качество работы системы, сформировать нормативную базу по детерминированным и вероятностным показателям надежности потребления воды и разработать методы обоснования параметров СПРВ, обеспечивающие выполнения этих показателей.

Указанная проблема и связанные с ней задачи являются актуальными и важными для жизнедеятельности городов и населенных мест и составляют предмет исследования настоящей работы.

Степень разработанности темы исследования.

Огромный вклад в развитие теоретических и практических основ расчета режимов функционирования и оценки надежности эксплуатации СПРВ внесли такие известные ученые, как Н.Н. Абрамов, Л.А., Шопенский, М.И. Алексеев, А. Г. Евдокимов, О.Г. Примин, Н.Н. Новицкий, С.Н. Карамбиров, А.Д. Тевяшев, Ю.А Ильин, Е.М. Гальперин, Г.П. Небольсин, Ю.А. Ермолин и др. Особое внимание заслуживают работы А.Г. Евдокимова, в которых предложены для прогнозирования в режиме реального времени подходы к моделированию процессов отбора воды. Также заслуживают внимания труды А.С. Вербицкого в решении задач по изучению природы возникновения отказов и их моделирования. В области исследования надежности систем водоотведения следует отметить работы М.И. Алексеева, Ю.А. Ермолина. В работах С.Ю. Игнатчика, А.Я. Найманова, Л.Г. Дерюшева предложены для проектной практики конкретные подходы повышения надежности систем водоснабжения и водоотведения. Появление ЭВМ и развитие математического моделирования стимулировали

разработку новых подходов и методов. В этом направлении заслуживают внимания работы А.М. Курганова, Н.У. Койды, В.М. Брябрина, Н.Н. Новицкого, В.Р. Чупина. Накопленный методический опыт, значительные объемы статистики по режимам потребления воды и аварийным ситуациям способствуют переоценки и совершенствованию моделей функционирования СПРВ. Возрастающие требования к надежности и эффективности работы СПРВ вызывают необходимость дальнейшего проведения исследований и развития вероятностных методов расчета СПРВ.

Научная гипотеза диссертационного исследования.

Для оценки надежности СПРВ и ее элементов общепринято использовать в качестве основных показатели - вероятность безотказной работы (Р) и коэффициент готовности (Кг) Эти показатели в большей мере относятся к надежности работы самой системы водоснабжения, хотя главной ее задачей является обеспечение каждого потребителя водой в требуемом количестве и качестве. По определенным показателям система водоснабжения может быть надежной, а требования потребителей могут быть не обеспечены. Поэтому предлагается оценивать эксплуатационную надежность потребления воды на основе построения математических моделей функционирования СПРВ с учетом вероятностных составляющих потребления воды и структурного изменения системы водоснабжения вследствие возникновения и восстановления аварийных ситуаций.

Объектом исследования является СПРВ населенных пунктов, городов и промышленных предприятий.

Предметом исследования являются комплексные вероятностные модели водопотребления и функционирования систем подачи и распределения воды населённых мест, на основе которых оценивается уровень эксплуатационной надежности обеспечения водой каждого потребителя.

Целью исследования является разработка методики оценки и повышения эксплуатационной надёжности СПРВ населённых мест для обеспечения оптимальных условий их эксплуатации, развития и реконструкции.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- произведена оценка фактического потребления воды в жилом секторе с учетом уменьшающегося удельного водопотребления;

- разработана модель функционирования СПРВ, учитывающая вероятностные свойства процессов потребления воды и аварийных ситуаций;

- реализована методика оценки надежности подачи воды потребителям на основе моделирования совместных процессов потребления воды, возникновения и ликвидации аварийных ситуаций;

- показана эффективность предлагаемой методики оценки эксплуатационной надежности СПРВ по сравнению с существующими подходами в проектной и эксплуатационной практике;

- разработаны и реализованы в виде программного продукта подход и методика повышения эксплуатационной надежности СПРВ на основе оптимизации резервирования участков и сооружений систем водоснабжения.

Научная новизна работы:

- впервые предложена математическая модель функционирования СПРВ, учитывающая вероятностные свойства процессов отбора воды потребителями, возникновения и ликвидации аварийных ситуаций в сети и на сооружениях;

- на основе разработанных моделей функционирования СПРВ предложены вероятностные показатели готовности и безотказности снабжения водой потребителей и детерминированные уровни снижения объемов подачи воды потребителям в аварийных ситуациях;

- на основе математической модели функционирования СПРВ, принципов распределения потоков в гидравлических сетях с нефиксированными отборами

воды разработана новая методика оценки надежности обеспечения водой каждого потребителя;

- на основе гидравлических и оптимизационных моделей предложена новая методика повышения эксплуатационной надежности СПРВ;

- разработаны новые алгоритмы и программа для ЭВМ по оценке и повышению надежности обеспечения водой потребителей в эксплуатируемых и развивающихся СПРВ.

Теоретическая и практическая значимость.

Заключается в развитии вероятностных моделей функционирования СПРВ и комплексном рассмотрении процессов потребления воды и возникновения отказов и их ликвидации. В итоге проведенных исследований разработаны новая методика и программный комплекс для ЭВМ по оценке и повышению надежности СПРВ, который может применяться при решении следующих задач:

- формировании программы развития инженерной инфраструктуры городов и населенных мест, разработке их перспективных схем водоснабжения и водоотведения;

- оценки различных вариантов развития СПРВ, отвечающих требованиям экономичности и надежности обеспечения потребителей водой;

- выборе приоритетных мероприятий в инвестиционных программах предприятий коммунального комплекса.

Методы и методология исследования.

Методы теории вероятности, математической статистики и случайных процессов для анализа данных водопотребления; расчетно-аналитические методы теории гидравлических цепей, теории надежности для оценки надежности подачи воды потребителям. Теоретической базой представлены труды специалистов в области водоснабжения, эмпирической базой - наблюдение и различные описания.

Положения, выносимые на защиту.

- математическая модель функционирования СПРВ, обеспечивающая комплексный учет вероятностных свойств процесса отбора воды потребителями и возникновения аварийных ситуаций, что дает наиболее адекватную оценку режимам эксплуатации СПРВ;

- вероятностные показатели готовности и безотказности снабжения водой каждого потребителя в СПРВ и детерминированные уровни снижения объемов потребления воды в аварийных ситуациях;

- новый подход к оценке вероятностных и детерминированных показателей надежности обеспечения водой каждого потребителя.

- новая методика повышения надежности эксплуатируемых, реконструируемых и развивающихся СПРВ;

- алгоритмы и программа для оценки и повышения надежности подачи воды потребителям.

Степень достоверности полученных результатов. Базируется на сборе статистических материалов, их обработке современными вероятностно-статистическими методами, использовании вычислительной техники, сопоставлении, анализе параметров функционирования СПРВ г. Иркутска.

Апробация результатов работы.

Постановка задач, целей исследования, полученные результаты представлены в ИГТУ (2008 г.) на научно-практической конференции «Инженерное оборудование населенных мест и зданий», математические модели функционирования СПРВ нашли свое отражение в материалах научно-практической конференции «Инвестиции. Строительство. Недвижимость: новые технологии и целевые приоритеты развития-2020», разработанные методики по оценке надежности СПРВ, выводы изложены на научно-технической конференции, посвященной памяти академика РАН С.В. Яковлева (март 2021 г.).

Личный вклад автора состоит: в определении целей, задач необходимых исследований, составлении научных положений, выносимых на защиту, их

апробации, обосновании математических моделей, методик расчёта, направленных на повышение экономичности, надежности функционирования СПРВ, в разработке, получении и практическом внедрении результатов исследований.

Публикации по результатам исследований.

Материал исследований, положенных в основу работы, нашел свое отражение в 16-ти публикациях, 13 статей из которых в журналах, рекомендованных ВАК, 1 статья - SCOPUS.

Результаты работы внедрены в следующих проектах.

При составлении плана мероприятий по реконструкции систем подачи и распределения воды микрорайона г. Иркутска, при разработке перспективных схем водоснабжения. Расчетный годовой эффект от внедрения мероприятий (в ценах 2021 года) составил 267 000 рублей в год для района ИРКУТСК-2, с протяженностью сетей - 54,5 км.

Структура и объем диссертации.

Состав работы: введение, 4 главы, заключение, библиографический список из 163 позиций, 2 приложения. Работа изложена на 160 страницах, включает в себе 95 схем, 108 рисунков, 42 таблицы.

Основное содержание работы.

Введение обоснована актуальность темы, ее разработанность, отображены цели, задачи исследования, научная новизна.

В первой главе представлен обзор существующих литературных источников, дана характеристика современных СПРВ, методов их проектирования и эксплуатации. Обоснована необходимость получения фактических значений водопотребления, исследована динамики его изменения во времени. Сформулирована постановка целей и задач исследования.

Вторая глава посвящена вероятностному описанию процесса водопотребления на основе методов математической статистики и законов

распределения случайных величин, вероятностному описанию режимов работы СПРВ на основе существующих и предлагаемых показателей надежности.

Третья глава посвящена разработке вероятностной модели водопотребления и распределения потоков в сети, разработке метода оценки и повышения надежности водообеспечения потребителей в эксплуатируемых СПРВ.

В четвертой главе дано описание разработанной программы для ЭВМ по оценке и повышению надежности подачи воды потребителям, обобщены результаты исследования фактического водопотребления при возникновении аварий на водопроводных сетях по г. Иркутска, составлен пример практической апробации предложенного метода на реальной сети г. Иркутска (СПРВ микрорайона Иркутск-2).

В основных выводах и предложениях представлен итог по проделанной диссертационной работе, сформированы основные выводы и рекомендации.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ, УРОВЕНЬ ИХ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ

1.1. Особенности и проблемы функционирования эксплуатируемых систем

водоснабжения, анализ существующего водопотребления, динамика его

изменения

Качественное оказание услуг водоснабжения потребителей является основной задачей коммунальных служб. Независимо от изношенности СПРВ, изменений ее структурного состояния потребитель должен получать воду в требуемом количестве и установленными в соответствии с режимом параметрами. Выполнение поставленной задачи требует от коммунальных служб большого количества труда, времени, финансовых вложений. Разработка методик, которые позволили бы создавать системы, соотвествующих требуемому уровню надежности при минимальных вложениях, приобретает особую актуальность. Такие разработки возможны только на основе анализа процесса водопотребления, исследования процесса формирования режимов транспортировки воды потребителям.

В свою очередь, формирование режимов работы СПРВ является результатом изменения потребностей в воде абонентов, которое имеет целенаправленнй и стохастический характер.

Факторы целенаправленного характера:

- ремонтные работы;

- мероприятия по реконструкции систем;

- подключение (отключение) потребителей;

Факторы стохастического характера:

- отборы воды из СПРВ;

- износ, старение оборудования, аварии в СПРВ;

- пожары, на которые требуются дополнительные объемы воды из СПРВ.

Многообразие факторов и их сочетание формируют многорежимной характер работы системы. Каждый такой режим формируется за счет вероятностного отбора воды потребителями и структурного состояния самой системы в текущий момент времени.

Основной причиной неравномерности отбора воды из СПРВ являются потребности: населения, связанные с бытовыми нуждами, образом жизни людей и их трудовой деятельностью, с погодными условиями и временем года, с появлением новых абонентов и др. Водопотребление, как случайный процесс, состоит из множества независимых отборов воды каждым потребителем. Механизмы формирования такого процесса, а также механизмы регулирования потребительского поведения абонентами сложно формализовать в виде определенных закономерностей и последовательностей. Никто не может указать населению сколько воды следует ему потреблять и в какое время. Отборы воды жителями многоквартирных жилых зданий являются неуправляемыми процессами.

Водопотребление во времени обладает следующими особенностями [50-54]:

- ежегодное изменение отборов воды в ходе эксплуатации, обоснованное изменением чиленности населения, улучшением благоустройства и качества сантехнического оборудования жилых домов;

- циклические (периодические) колебания суточных отборов, связанные с сезонными изменениями: температуры, погодных условий;

- колебания часовых отборов воды в сутках. Динамика суточного потребления отражает режим жизни населения, работы транспорта, работы промпредприятий.

Объемы потребляемой воды лежат в основе формируемого графика водопотребления и в целом режимов функционирования системы водоснабжения. Графики водопотребления постоянно изменяются, причем повторений практически не наблюдается. Хотя водопотребление, как случайный процесс, имеет свои устойчивые закономерности по дням недели, праздникам и в суточном разрезе, что позволяет спрогнозировать приближенный к фактическому график

водопотребления. Качество проведенного анализа будет влиять на степень указанного приближения. Таким образом, полученные графики режима водопотребления являются основой для расчета водопроводных сетей и сооружений и определяют стоимость строительства СПРВ и последующие эксплуатационные расходы.

Не точный прогноз водопотребления при проектировании и строительстве СПРВ может не обеспечить при эксплуатации оптимальные параметры режима работы системы и потребности абонентов в воде. Проблема может иметь серьезные последствия: возникают риски в подаче воды потребителям в требуемом количестве.

Одной из важнейших причин нарушения обеспечения потребителей водой могут быть и неучтенные расходы, и нерациональные составляюшие их потребления.

В отечественных литературных истониках показатель «нерациональные расходы воды» не существует, утечки воды из СПРВ представлены совместно с показателем «неучтенные расходы». В состав таких расходов включены: отборы воды на противопожарные нужды (чрезвычайные ситуации); расходы воды у абонентов ниже порога чувствительности установленных у них приборов учета; утечки воды при авариях и повреждениях трубопроводов и арматуры; скрытые утечки воды и т.д.

В качестве примера возникновения неучтенных расходов при работе системы водоснабжения, можно привести пример пожара, возникший в микрорайоне Иркутск-2 города Иркутска 6 декабря 1997 года. Падение самолета "Руслан" на жилой массив указанного микрорайона стало причиной возгорания строений на значительной площади. На тушение этого пожара по данным ведомостей работы насосных станций, потребовалось большое количество воды, что привело к падению давления до нуля на всасывающих трубопроводах насосных агрегатов НС II и IV подъема и была нарушена работа насосов из-за выхода из строя рабочих колес, разгерметизации агрегатов и т.д. Резкое увеличение разбора воды на нужды

пожаротушения привело к снижению до критических значений давления в остальных точках системы. Попытки отбора воды из СПРВ больше, чем она может обеспечить, сопровождаются снижением давления в сети и нарушением условий водопользования. В этом случае снижение качества снабжения - не результат неисправностей, повреждений СПРВ, а следствие того, что фактические потребности превысили возможности системы.

Прогнозирование режима водопотребления - достаточно сложная и ответственная задача при проектировании СПРВ. Если график водопотребления на производственные нужды может формироваться в соответствии с технологическим проектом предприятия, то составление прогноза режима водопотребления населенных мест, вызванных в основном бытовыми потребностями людей, включая вероятностные и непредвиденные ситуации (такие как пожары) сложно.

Прогнозирование возможных нагрузок, анализ состояния и поведения системы позволят избежать дополнительных затрат на ее реконструкцию в будующих периодах эксплуатации. Основой для прогнозирования может стать сбор статической информации о фактическом потреблении за предыдущие периоды времени, ее накопление и адаптация.

На сегодняшний день практически на каждом крупном предприятии по обслуживанию систем водоснабжения и водоотведения накоплены внушительные объемы статистических данных по режимам отборов воды из СПРВ. Такие данные можно использовать для описания процесса отборов воды, его вероятностного характера, и они помогают моделировать особенности хозяйственно-питьвого и производственного водопотребления.

В таблице 1.1.1 представлены адреса 95-ти жилых многоквартирных домов (район Рабочее, Радищево, Кировский район города Иркутска) с количеством населения 9688 человек. Дома этой группы находятся на обслуживании ООО «Восточное управление ЖКС» города Иркутска, оборудованы общедомовыми приборами учета холодной воды. В таблице 1.1.2 и на рисунке 1.1.1 приведена

статистическая информация по потреблению холодной воды выше указанной группой домов за период 01.06.2014 - 31.12.2014 года.

Таблица 1.1.1

Перечень жилых многоквартирных домов, находящихся в управлении ООО «Восточное управление ЖКС» города Иркутска, с установленными общедомовыми приборами учета холодной воды

№ адрес № адрес № адрес

1 5-й Армии 12 33 Зеленый мкр. 24 65 Николаева ул. 11

2 5-й Армии ул. 20 34 Зеленый мкр. 25 66 Петрова пер. 42

3 5-й Армии ул. 48. уз. 1 35 Зеленый мкр. 26 67 Пионерский пер. 8

4 5-й Армии ул. 48. уз. 2 36 Зеленый мкр. 30 68 Подаптечная ул. 12

5 5-й Армии ул. 50 37 Зеленый мкр. 34 69 Пугачева пер. 5

6 5-й Армии ул. 69 38 Зеленый мкр. 35 70 Радищева ул. 186. уз. 1

7 Авиаторов пр. 13 39 Зеленый мкр. 4 71 Российская ул. 1

8 Баррикад ул. 137 40 Зеленый мкр. 7 72 Российская ул. 14А

9 Баррикад ул. 141 41 Зеленый мкр. 8 73 Российская ул. 2

10 Баррикад ул. 189 42 Зимняя ул. 1А 74 Российская ул. 23

11 Баррикад ул. 54Ж 43 Иосифа Уткина ул. 75 Российская ул. 2А -1

12 Баррикад ул. 54И 44 Канадзавы ул. 1 76 Российская ул. 2А -2

13 Баррикад ул. 54Л 45 Карла Либкнехта ул. 4 77 Сарафановская ул. 81. уз. 1

14 Баррикад ул. 54М 46 Карла Либкнехта ул. 45А 78 Сарафановская ул. 81. уз. 3

15 Баррикад ул. 54О 47 Карла Либкнехта 79 Советская ул. 115А. 1

16 Волочаевский пер. 2 48 Карла Либкнехта 80 Советская ул. 119

17 Гаврилова ул., 2А 49 Карла Либкнехта 81 Советская ул. 73А

18 Гагарина б-р., 70А 50 Карла Маркса ул. 82 Сухэ-Батора ул. 13А

19 Гагарина б-р., 72 51 Киевская ул. 19А 83 Ударника ул. 7

20 Горького ул. 17А 52 Киевская ул. 27 84 Франк-Каменецкого ул. 2

21 Горького ул., 40А 53 Кооперативный пер. 2 85 Франк-Каменецкого ул. 30

22 Декабрьских Событий ул. 65 54 Красноярская ул. 55 86 Халтурина ул. 26

23 Декабрьских Событий ул. 85 уз. 1 55 Лапина ул. 16 87 Халтурина ул. 4. уз. 2

24 Декабрьских Событий ул. 86 уз. 2 56 Ленина ул. 15 88 Черемховский пер. 6Б

25 Детская ул. 35 57 Ленина ул. 19 89 Черского ул. 16

26 Дзержинского ул. 29 58 Ленская ул. 1А 90 Чкалова ул. 6

27 Дзержинского ул. 60Е 59 Марата ул. 13 91 Шапошникова ул. 2

28 Желябова ул. 11 60 Марата ул. 15 92 Щедрина ул. 2

29 Желябова ул. 3 61 Марата ул. 2 93 Ямская ул. 20

30 Зеленый мкр. 1 62 Напольная ул. 122 94 Ямская ул. 37

31 Зеленый мкр. 10 63 Некрасова ул. 5 95 Ямская ул. 51

32 Зеленый мкр. 19 64 Нестерова ул. 30

Таблица 1.1.2

Гистограмма потребления воды группой жилых многоквартирных домов г. Иркутска в сутки за период 01.06.2014 - 31.12.2014 года

СО Е о п о V© оо оч о п О оо оч о п п п п п

00 00 о о - о о - о о

СП 00 - - о - <М - - - - СП - <м -

00 г- <М - <М СП СП <М «ч ^ г- <М - о

сп г- СП СП «ч о\ о\ 00 00 о\ 00 ^ 00 о\ «ч «ч

00 ю <м о\ о\ 00 СП ^ «ч о\ ю 00 00 00 ю <м

СП ю <М <м 00 <М СП ^ СП <м о\ <М ю СП «ч СП «ч <М г- <М <М СП

00 ич о <м <М о\ о\ СП ю СП 00 <М <М <М о <м о\ <М <М СП о\ <М <М <М <м «ч СП <м СП <М СП 00 СП 00

СП ич 00 СП ич «ч о\ <м <М 00 <М СП <М СП 00 <м <М СП о\ <М 00 <М <М г- г- <М <М «ч <М о\ гч 00

00 ^ 00 00 г- г- г- 00 о\ <М г- «ч - - - СП о\ г- 00

СП ^ ич <м <м г- сн г- <М 00 <М СП СП <м о - - о - о -

00 СП г-^ 00 СП о\ <м г-«ч «ч - -

СП СП <м СП о\ 00 <М

00 <м СП <М -

Изменение удельного потребления холодной воды на 1 человека по указанной группе домов за период 01.06.2014 - 31.12.2014 года представлена на рисунке 1.1.1.

5з 9

=г

с 5

Рисунок 1.1.1 Изменение удельного часового потребления холодной воды на 1 человека от группы жилых многоквартирных домов г. Иркутска в сутки за период 01.06.2014 - 31.12.2014 года (выходные, рабочие дни) Величины отборов воды в различные часы суток имеют существенный разброс, что в пределах каждого часа формирует различные значения статистических параметров, обуславливающие случайный характер водопотребления. Наиболее ожидаемый график (матиматическое ожидание), представлен в таблице 1.1.2 желтым цветом. Наблюдается несущественный

разборос от наиболее вероятного пониженного водопотребления ночью и значительный разборос по отборам при повышенном потреблении днем.

Неравномерность использования воды по часам суток на промышленные потребности зависит от технологического процесса производства, его особенностей, количества смен работы предприятия в сутки. Некоторые производственные предприятия, использующие воду для охлаждения, расходуют воду в течение суток весьма равномерно [129, 157].

График потребления воды из городской СПРВ на технические (технологические) нужды производственных предприятий принимается в зависимости от режима работы самого предприятия.

Пример водопотребления производственным предприятием представлен на гистограмме в таблицах 1.1.3 и 1.1.4.

Таблица 1.1.3

Гистограмма водопотребления Иркутским Авиационным заводом - ПАО

«Корпорация «Иркут» (основная территория) в 2009 году

СО о ^ч п о «л оо оч о ^ч ^ч ^ч п ^ч о ^ч ^ч «л ^ч ^ч ^ч оо ^ч оч ^ч о п ^ч П п п о п

230 240 1

220 230 1 1 1 1 1

210 220 1 1 1 2 1

200 210 1 2 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2 2

190 200 1 1 1 1 1 2 3 3 1 1

180 190 1 1 2 1 3 5 2 1 2 2 1 1 2 1 1 1 1 1

170 180 1 1 2 2 5 5 3 1 4 1 1 1 1 1

160 170 3 1 1 2 2 3 4 1 1 3 1 2 1 1 2

150 160 1 3 3 2 2 1 2 2 4 1 2 2 1 2 2 1 2 2 4 1

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Душин Алексей Сергеевич, 2023 год

источник

Рисунок 1.1.20 СПРВ с тремя узлами Отбор воды системой будет представлять собой сумму отборов отдельных узлов Q = Q1 + Q2 + Q3 с учетом их совместных вероятностных составляющих.

3 3

Отбор воды системой составляет: Qcnpв = £ QJM П^м .

]=1 j=l

Для выше представленной схемы образуются комбинации, представленные в таблице 1.1.8.

Таблица 1.1.8

Комбинации отборов воды из системы, состоящей из трех узлов

номер п/п комбинации отбор при комбинациях, максимал отбор при комбинациях, минимал вероятность распределения

1 ^1,1 + + Qзд) * * * Р3,1 90+90+90= =270 25+25+25= =75 0,10,10,1= =0,001

2 (Ql,1 + Q2,2 + Qзд) • Ри * Р2,2 • Р 90+90+100= =280 25+25+35= =85 0,10,10,8= =0,008

3 (Ql,1 + Q2,3 + Qзд) * Р,1 * Р2,3 * Р,1 90+90+110= =290 25+25+45= =95 0,10,10,1= =0,001

4 (01,2 + ^^2,1 + Qзд) * Р,2 * Р2Д * Р,1 90+100+90= =280 25+35+25= =85 0,10,80,1= =0,008

5 (Ql,2 + 02,2 + 03,l) • Pl,2 • P2,2 • P3,: 90+100+100= =290 25+35+35= =95 0,10,80,8= =0,064

6 (01,2 + 02,3 + 03,l) • Pl,2 • P2,3 • P3, 90+100+110= =300 25+35+45= =105 0,10,80,1= =0,008

7 (Ql,3 + 02,1 + 03,l) • Pl,3 • Pu • Pu 90+110+90= =290 25+45+25= =95 0,10,10,1= =0,001

8 (01,3 + 02,2 + 03,1) • P1,3 ^ P2,2 ^ P3,1 90+110+100= =300 25+45+35= =105 0,10,10,8= =0,008

9 (01,3 + 02,3 + 03,l) • Pl,3 • P2,3 • P3, 90+110+110= =310 25+45+45= =115 0,10,10,1= =0,001

1 (01,1 + 02,1 + 03,2) • Pl,1 • P2,1 • P3,2 100+90+90= =280 35+25+25= =85 0,80,10,1= =0,008

2 (01,1 + 02,2 + 03,2) • Pl,1 • P2,2 • P32 100+90+100= =290 35+25+35= =95 0,80,10,8= =0,064

3 (01,1 + 02,3 + 03,2) • Pl,1 • P2,3 • P?,2 100+90+110= =300 35+25+45= =105 0,80,10,1= =0,008

4 (01,2 + 02,1 + 03,2) • Pl,2 • Pu ^ P3,2 100+100+90= =290 35+35+25= =95 0,80,80,1= =0,064

5 (01,2 + 02,2 + 03,2) • P1,2 • P2,2 • P3,2 100+100+100= =300 35+35+35= =105 0,80,80,8= =0,512

6 (01,2 + 02,3 + 03,2 ) • P1,2 • P2,3 • P3,2 100+100+110= =310 35+35+45= =115 0,80,80,1= =0,064

7 (01,3 + 02,1 + 03,2) • Pl,3 • Pu ^ P3,2 100+110+90= =300 35+45+25= =105 0,80,10,1= =0,008

8 (01,3 + 02,2 + 03,2 ) • P1,3 • P2,2 • P3,2 100+110+100= =310 35+45+35= =115 0,80,10,8= =0,064

9 (01,3 + 02,3 + 03,2) • P1,3 • P2,3 • P3,2 100+110+110= =320 35+45+45= =115 0,80,10,1= =0,008

1 (01,1 + 02,1 + 03,3) ^ P,1 ^ P2,1 ^ P3,3 110+90+90= =290 45+25+25= =95 0,10,10,1= =0,001

2 (01,1 + 02,2 + 03,3) ^ Pl,1 ^ P2,2 • P 110+90+100= ,3 =300 45+25+35= =105 0,10,10,8= =0,008

3 (01,1 + 02,3 + 03,3) ^ Pl,1 ^ P2,3 • P3,3 110+90+110= =310 45+25+45= =115 0,10,10,1= =0,001

4 (01,2 + 02,1 + 03,3) ^ Pl,2 • P2,1 • P3,3 110+100+90= =300 45+35+25= =105 0,10,80,1= =0,008

5 (01,2 + 02,2 + 03,3 ) • P1,2 • P2,2 • P3,3 110+100+100= =310 45+35+35= =115 0,10,80,8= =0,064

6 (01,2 + 02,3 + 03,3 ) • P1,2 • P2,3 • P3,3 110+100+110= =320 45+35+45= =125 0,10,80,1= =0,008

7 (01,3 + 02,1 + 03,3) ^ Pl,3 • P2,1 • P3,3 110+110+90= =310 45+45+25= =115 0,10,10,1= =0,001

8 (01,3 + 02,2 + 03,3 ) * Р1,3 * Р2,2 * Р3,3 110+110+100= =320 45+45+35= =125 0,10,10,8= =0,008

9 (01,3 + 02,3 + 03,3 ) * Р1,3 * Р2,3 * Р3,; 110+110+110= =330 45+45+45= =135 0,10,10,1= =0,001

всего 1,00

В данном случае к = 33 = 27 комбинаций.

Просуммировав вероятности распределения по интервалам отборов образуется интервальное распределение отборов из сети (таблица 1.1.9).

Таблица 1.1.9

Распределение вероятности совместных отборов воды тремя узлами

комбинации

От

Ошгп

вероятность распределения

^Д + ^^2,1 + Qзд) * Ри * Ад * Р

3,1

270

75

0,001

(Ql,1 + Q2,2 + Qзд) * Р,1 * Р2,2 * Р3,1 +

+ (01,2 + 02,1 + 03,1) * Р1,2 * Р2,1 * Р3,1 + + (01,1 + 02,1 + 03,2 ) * Р1,1 * Р2,1 * Р3,2

280

85

0,008+0,008+0,008= =0,024

(01,1 + 02,3 + 03,1) * Р1,1 * Р2,3 * Р3,1 + + (01,2 + 02,2 + 03,1) * Р1,2 * Р2,2 * Р3,1 + + (01,3 + 02,1 + 03,1) * Р1,3 * Р2,1 * Р3,1 + + (01,1 + 02,2 + 03,2) * Р1,1 * Р2,2 * Р3,2 + + (01,2 + 02,1 + 03,2) * Р1,2 * Р2,1 * Р3,2 + + (01,1 + 02,1 + 03,3) * Р1,1 * Р2,1 * Р3,3

290

95

0,001+0,064+0,001+ +0,064+0,064+0,001=0,195

(01,2 + 02,3 + 03,1 ) * Р1,2 * Р2,3 * Р3,1 + + (01,3 + 02,2 + 03,1) * Р1,3 + (01,1 + 02,3 + 03,2) * Р1,1

+ (01,2 + 02,2 + 03,2) * Р,2

+ (01,3 + 02,1 + 03,2) * Р1,3 + (01,1 + 02,2 + 03,3) * Р,1 + (01,2 + 02,1 + 03,3 ) * Р1,2 * Р2,1 * Р3,3

Р * Р +

1 2,2 Р3,1 +

Р *Р +

Р2,3 Р3,2 +

Р *Р +

Р2,2 Р3,2 +

Р *Р +

Р2,1 Р3,2 +

Р *Р +

Р2,2 Р3,3 +

300

105

0,008+0,008+0,008+0,512+ +0,008+0,008+0,008=0,560

(01,3 + 02,3 + 03,1) Р1,3 Р2,3 Р3,1 + + (01,2 + 02,3 + 03,2 ) * Р1,2 * Р2,3 * Р3,2 +

+ (01,3 + 02,2 + 03,2 ) * Р1,3 * Р2,2 * Р3,2 +

+ (01,1 + 02,3 + 03,3) Р1,1 Р2,3 Р3,3 +

310

115

0,001+0,064+0,064+0,001+ +0,064+0,001=0,195

+ (01,2 + 02,2 + 03,3) ■ P1,2 * P2,2 ' P3,3 + + (01,3 + 02,1 + 03,3) * ^1,3 * A,1 * ^3,3

(01,3 + 02,3 + 03,2) ■ P1,3 ■ P2,3 ■ P3,2 + + (01,2 + 02,3 + 03,3) * P1,2 * P2,3 * P3,3 + + (01,3 + 02,2 + 03,3 ) * P1,3 * P2,2 * P3,3 320 125 0,008+0,008+0,008= =0,024

(01,3 + 02,3 + 03,3 ) * P1,3 * P2,3 * P3,3 330 135 0,001

Распределение вероятности совместных отборов воды узлами в графическом виде представлено на рисунках 1.1.21 и 1.1.22.

265 - 275 - 285 - 295 - 305 - 3 15- 325 - 70 - SO - 90 - I ОО - МО Л 20 - I ЗО

2 7"5 285 295 305 3 15 325 335 ЗО 90 1 ОО 1 Ю 120 1 ЗО 1 40

даипазоны отборов даипазоны отборов

Рисунки 1.1.21, 1.1.22 Распределение вероятности совместных отборов воды по интервалам при максимальном и минимальном водопотреблении тремя узлами

Среднесуточный часовой расход для трех узлов суммарный составляет 75-3=225 м3/час.

Из расчета исключены отборы с очень маленькой вероятностью 0,001 и 0,024 (как невозможные).

Для схемы с совместными отборами 3-х узлов коэффициент неравномерности отбора воды на источнике:

ктах = О /О л = 310/225 = 1,38 и к™ = О. /О „ = 95/225 = 0,42

неравн -^тах час,среднесут ' неравн г^тт ■£---час,среднесут 9

Максимальный и минимальный коэффициенты неравномерности стремятся к единице.

Таким образом система, состоящая из трех узлов с одинаковыми отборами и вероятностями распределения этих отборов, будет иметь следующие показатели (рисунок 1.1.23).

Рисунок 1.1.23 СПРВ с тремя узлами

При сохранении заданных отборов в узлах и их свойств вероятностного распределения расходы воды по участкам, транспортирующим воду к этим узлам, имеют размеры совместных отборов узлов с учетом комбинирования их вероятностных составляющих. Таким образом, принцип формирования вероятностных расходов на сети представлен.

т т

Отбор воды из любой системы составляет: = £ • ^ ,

1=1 ' }=1 '

где т - количество потребителей.

Результаты представленного механизма снижения нервномерности потребления можно наблюдать графически на рисунке 1.1.24.

2

£ | 1-6 1

0,5 О

о 2. ^ а>

•

•- • Кн-макс > Кн-ми н • среднее

количество узлов

Рисунок 1.1.24 Зависимость изменения неравномерности водопотребления от

потребителей

Неравномерность отбора воды каждого из узлов 1, 2, 3 будет составлять:

- максимальный - 1,51;

- минимальный - 0,28.

Использование вероятностного метода путем перебора возможных комбинаций для больших схем практически невозможно. Вариантов комбинаций множество. Построение их указанным способом требует слишком больших затрат труда и времени. Увеличение количества потребителей на каждую единицу многократно увеличивает число комбинаций. Соответственно, для использования вероятностного метода необходим другой подход.

Расчет параметров работы кольцевых сетей значительно сложнее, поскольку связан с перераспределением потоков, транспортирующих воду потребителям, причем перераспределение это зависит от множества параметров сети.

Разрешение этой задачи отражено в литературе [22, 23, 24, 107].

Одной из последних разработок является вероятностное описание режимов работы сети с использованием ковариационных матриц (КМ). В диссертационной работе Вантеевой О.В. [22] описание каждого режима представлено функцией плотности распределения вероятностей р(Я,фя), при Я - случайный вектор параметров режима (давлений и расходов и др.); фя - параметры распределения.

фк = {Я, С,}, где Я - математическое ожидание параметров режима, Ся -ковариационная матрица параметров режима. Задача моделирования режима состоит в определениир(Я,фя) при известных распределениях отборов) и их

зависимости в виде уравнений потокораспределения. Математическое ожидание неизвестных параметров режима у является функцией уравнений потокораспределения при граничных условиях х (отборов).

Я =

X

V у у

' х_ ^

у (X)

(1.1.10)

Определение границ случайных отклонений искомых параметров от их математических ожиданий производится с использованием аналитических выражений:

" Св С С СвР ' Св СвМ-'А/у1 СдМ-

С, = С*в Сх Ср = (/')-1 АТМ -1Св (/')4 АТМ-'СдМ- А/) -1 (/') -1 АТМ АСдМ-1 , (1.1.11)

С С СРх Ср _ М -1Сд МчСеМчА(/;)-1 МлСйМ-1

где Сд - известная КМ узловых отборов; Ср - КМ узловых давлений; Сх -КМ расходов на ветвях; Свх = СхвТ - КМ узловых расходов и расходов на ветвях;

Т Т

СРв = СвР - КМ узловых давлений и расходов; СРх = СхР - КМ узловых давлений

и расходов на ветвях. М = А(/X)-1 АТ - симметричная невырожденная матрица Максвелла.

При вычислении матрица Сд рассматривают диагональной, а нагрузки потребителей принимаются независимыми величинами.

соу(д., в() = о^ для у = г, соу(д., д) = 0 для у ф г.

Рассмотрен на примере вариант кольцевой сети, представленной на рисунке 1.1.25.

Рисунок 1.1.25 СПРВ кольцевой структуры СПРВ кольцевой структуры состоит из 4 участков п и 4 узлов т по 10000 потребителей каждый (представлены ранее). Согласно метода Эрланга каждый узел имеет параметры дчас,среднесут=75 м3/час, дтш=113,2 м3/час, матожидание в час наибоьшего потребления составляет 100,8 м3/час (28 л/с), ^иегага=1,51, ^=4,47, Од= б2=20,01, где а - среднеквадратическое отклонение, Од - дисперсия. Матрица CQ

°Й1Д 00 0 1 0,002 - ^61,1 0 0 0

0 Од2,2 0 0 0 0,002 - ив2 2 0 0

д = 1 0 0 Ов33 0 0 0 0,002 - иеъ ъ 0

0 00 Ов4,4 _ 0 0 0 0,002 - ив4,4 ^

0,002 -10000 0 0 0 1 20,01 0 0 0

0 0,002 -10000 0 0 0 20,01 00

0 0 0,002 -10000 0 0 0 20,01 0

0 0 0 0,002 -10000] 0 0 0 20,01

По наиболее вероятным нагрузкам по часу ? (например, по часу максимального водопотребления) выполняется потокораспределение. Расходы воды по участкам п:

Xl-2=149,85 м3/час; X2-з=49,05 м3/час; Xl-4=151,32 м3/час; X4-з=50,52 м3/час. В дальнейших расчетах используются матрицы инциденции участков I и узлов]. Обозначим участки:

участки 1 1-2 2-3 1-4 4-3 0-1

обозначения 1 2 3 4 5

Составление матрицы инциденции:

.] / 1 1 2 3 4 5

1 1 0 1 0 -1

2 -1 1 0 0 0

3 0 -1 0 -1 0

4 0 0 -1 1 0

Составление транспортированной матрицы инциденции:

АТ =

1/ .1 1 2 3 4

1 1 -1 0 0

2 0 1 -1 0

3 1 0 0 -1

4 0 0 -1 1

5 -1 0 0 0

Если представить, что, /(х,Д) - Х1 Нг, то /'(х1 ,а1) = 281х1, при

8 - 0.001735 • ¡г / ф5,3, где ¡1 - длина участка /, м; Ф - диаметр участка /, м;

Н - перепад напора на участке /, м.

Представим, что участок от источника к узлу 1 имеет протяженность 1 м и диаметр 1000 мм, таким образом, чтобы 8 ^ 0.

Результаты по определению 81 по участкам I отображены в таблице 1.1.10

Таблица 1.1.10

Результаты по определению сопротивлений участков сети с 4 узлами

1 участок 81

1 1-2 6,9988

2 2-3 13,489

3 1-4 8,5639

4 3-4 11,9239

5 0,00001

Построение квадратной матрицы /'(Х ,а1)

0,00029 0 0

0 336,276 0

0 0 1979,996

0 0 0

0 0 0

Построения обратной матрицы (/ '(хг ,аг))-

(А Г1 Ч

3444,7739 0 0 0,002974

0 0 0

407,485 0 0 1699,386

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0

0,000505

0 0 0

0 0 0

0 0,002454 0 0 0 0, 000588

Построение матрицы Максвелла

М = Л(/1 Г Лт =1

3444,779 -0,002974 0 -0,002454

-0,002974 0,0034788 -0,000505 0

0 -0,000505 0,0010935 -0,0005884

-0,002454 0 -0,0005884 0,0030425

Обратная матрица Максвелла

'0,00029 0,00029 0,00029 0,00029

0,00029 310,711 160,178 30,9799

0,00029 160,178 1103,31 213,388

0,00029 30,9799 213,388 369,946

(М)-1 =1

Определение отклонений напоров по узлам

= М^[м-1СвМ- ]

0,000~

ар 2 0,437

аР3 1,407

ар 4, 0,533 _

4,6798"

2-3 2,1922

4,7111

4-3 , 2,3976_

Определение отклонений расходов по участкам

£ = (Л ')-1 лтМ% => [(/;)-1 ЛтМ-См- Л(/;)-1 ]:

Определив среднеквадратические отклонения расходов по участкам, по математическим ожиданиям и средним расходам на участках можно вычислить коэффициенты неравномерности расходов на каждом участке.

Учитывая, что отклонения расходов воды на участках, также как и отборы узлами, соответствуют правилам «3 сигма», то можно представить следующие результаты вычислений (таблица 1.1.11).

Таблица 1.1.11

Результаты вычислений параметров расходов воды по участкам

участки б* Х1 Х1 +3 бХг Хср,1 Кн = (Х1 +3 бхг')/ Хср,1

1-2 4,6798 149,851 163,890 112,12 1,4617

2-3 2,1922 49,051 55,628 37,12 1,4985

1-4 4,7111 151,319 165,452 112,88 1,4607

4-3 2,3976 50,519 57,712 37,88 1,4975

Вероятность принадлежности г-го параметра режима Хк заданному диапазону ,^]намомент времени 4 [22]:

(Хгк - Хгк )

Рк =

ж 1ехр Г

>сСх,

'гк (1.1.12)

хгк — параметр режима на момент времени 4; хгк - математическое ожидание хгк; <7гк - среднеквадратичное отклонение (с.к.о.)хгк; ргк - вероятность; Vг,уг -верхняя и нижняя границы заданного диапазона значений хгк

Один из основных показателей допустимости и рациональности режима -наличие и величина избыточного давления в узлах потребления, где Ртреб -минимально допустимое значение давления [61-63].

Результаты вычислений приведены в таблице 1.1.12.

Таблица 1.1.12

Результаты расчета обеспечения узлового давления

Узел у Р, Р, - Р, + 3<гр ртреб р(Р. > Ртреб)

1 40,00 0 40,00 40,00 20 1,000

2 33,00 0,437 31,689 34,311 20 1,000

3 19,51 1,407 15,289 23,731 20 0,367

4 31,44 0,533 29,841 33,039 20 1,000

На рисунке 1.1.26 приведен пьезометрический график, иллюстрирующий диапазон возможного распределения давления по трассе сети, который не может быть получен в рамках детерминированного подхода.

Рисунок 1.1.26 Пьезометрический график от источника узел 1 до узла 3.

Из таблицы 1.1.12 видно, с какой вероятностью потребитель (узел № 3) будет испытывать дефицит расхода.

Метод значительно облегчает процесс определения вероятностных параметров (граничных условий). Однако при оценке надежности обеспечения потребителей водой не дает возможности сопоставления промежуточных значений параметров с пониженными аварийно-допустимыми отборами, т.е. полной оценки.

Влияние возникающих на участках отказов на работу СПРВ.

СПРВ являются системами длительного действия. Качество функционирования СПРВ во время эксплуатации может претерпивать изменения. Причины этому: как изменения требуемых объемов воды, ее динамики, так вероятностные возникновения аварий на сетях, вызывающие изменения структуры сети.

Во время эксплуатации СПРВ подвержена самым разнообразным нагрузкам: постоянным (давление от грунта, а также собственный вес трубопровода), временным (давление воды, воздействие деформаций грунта). Сочетание нагрузок по своей природе носит вероятностный характер. Нарушения нормальной работы сооружений, входящих в состав СПРВ, неизбежно вызывает снижение качества снабжения потребителей водой.

Основными причинами возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации сетей водоснабжения, вследствие которых происходит разгерметизация трубопроводов, являются: ветхость сетей, оборудования, нарушения технологических регламентов обслуживания, технические ошибки обслуживающего персонала, отключение электроэнергии, террористические акты, стихийные бедствия. Немало важно отметить влияние сейсмоактивности и ее случайный характер их возникновения.

В период эксплуатации сетей водоснабжения могут произойти механические повреждения трубопроводов при производстве земляных работ, потеря прочности сварных стыков.

Возможными последствиями аварий, которые могут привести к возникновению опасностей для населения и окружающей среды, являются:

- неконтролируемый выход (разлив) воды, как фактор непосредственного нанесения ущерба окружающей среде (механическое воздействие на геологическую среду с образованием провалов) и имуществу (зданиям и сооружениям);

- потеря функции водоснабжения, как фактор ухудшения условий жизнедеятельности потребителей.

Аварии на участках сети могут привести к частичному или полному отказу работы сети и оборудования.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния элемента сети или сети в целом.

Для иллюстрации примера влияния отказов на работу СПРВ на рисунке 1.1.27 представлена разветвленная схема, состоящая из трех узлов.

Рисунок 1.1.27 Схема СПРВ

Каждый участок сети обладает своей вероятностью отказа Г[. Очевидно, что

наиболее удаленные потребители будут в большей группе риска по качеству обеспечения.

Например, отборы воды по узлу 1 (в пересчете на 1 человека) представлены на рисунке 1.1.28.

ц, л/час на одного человека 22,49 21,68 20,67 19,78 18,84 17,93 17,02 16,10

3 1 1

3 1 1

2 3 3 1 1

1 3 4 4 1 1 6

4 5 9 5 2 1 1 1 1 6 15

2 1 10 21 5 6 6 3 1 1 6 11 15 30 1

7 3 11 7 11 12 9 7 4 3 4 14 25 27 37 5 1

15,19 14 8 22 17 16 15 14 15 15 12 20 ин 1 59 1 |56| щ 23

14,28 35 5 26 31 21 21 27 22 12 19 39 | га у Г | 62 4

13,37 3 43 37 47 49 43 46 36 27 34 49 63 | 161 1 66 59 58 |5

12,45 12 1 И 38 , 62 1 51 51 52 | 70 68 51 47 49 39 72 | 13

11,54 1 Л 33 и Н7 54 53 71 74 86 | 1 66 | | 69 62 48 32 27 15 45 | 30

10,63 2 2 65 1 1 32 ы 78 1 58 51 59 51 59 1 81 ы 67 1 45 37 31 24 23 16 31

9,71 6 4 36 45 53 24 25 40 35 36 49 39 39 34 25 23 15 6 1 19 75

8,80 9 10 42 37 31 12 15 20 22 25 39 40 29 22 10 9 1 1 12 64

7,89 16 1 1 1 6 35 15 23 7 8 5 9 12 11 17 11 11 7 3 3 2 8 53

6,98 46 7 3 2 2 9 36 23 7 1 3 7 5 3 6 5 6 3 1 2 23

6,06 56 11 7 5 6 21 26 11 5 1 1 2 3 2 1 1 1 8

5,15 58 18 6 3 7 24 18 10 1 1 8

4,24 49 28 13 5 10 36 19 9 1 1 1 10

3,32 52 38 33 24 28 54 21 2 1 1 1 1 1 2 4

2,41 38 89 81 70 76 Пб 14 1 5

1,50 28 101 117 132 121 62 4

0,59 18 71 103 116 104 43 5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рисунок 1.1.28 Гистограмма суточного распределения отборов воды узла 1. Качество обеспечения узла 1, запитанного напрямую от источника, высокое. Отборы воды по узлу 2 (в пересчете на 1 человека) представлены на рисунке 1.1.29.

1 1 2

2 2 3 1 1

2 5 7 1 1 3

1 1 8 13 5 5 5 3 1 1 1 4 4 7

2 3 11 7 10 6 7 7 2 1 1 5 8 11 11 1

4 9 18 17 12 12 10 3 9 8 11 21 31 21 25 7

11 5 20 28 18 14 23 7 8 12 21 41 38 32 31 11 1

18 28 35 38 32 20 31 14 21 25 33 45 48 41 41 53 67 37 21 1

5 19 35 44 42 42 47 43 21 38 45 41 47 58 65 51 69 35 Я 44 71 3

13 22 40 51 49 44 53 51 26 45 48 45 | 1 67 9

23 35 51 57 || 61 63 || 61 53 52 51 39 | 1 61 54 61 43 21

1 36 | 1 48 1 | 65 28 46 63 69 85 || 33 | 1 69 51 41 41 43 31 63 35

2 2 65 45 79 21 18 28 36 45 82 73 43 41 21 23 25 20 42 46

5 4 43 27 41 9 9 6 23 28 48 29 28 23 17 15 14 11 27 67

8 10 36 29 15 1 4 9 9 9 38 15 16 11 9 9 5 7 21 51

15 1 1 1 6 31 12 7 1 2 5 3 10 11 9 7 8 5 2 3 13 35

38 6 2 2 4 8 21 13 3 1 2 6 4 5 4 5 2 1 1 7 24

54 10 6 5 6 21 19 10 1 1 2 3 3 2 1 1 1 2 19

56 16 6 3 7 24 25 3 1 1 1 2 1 1 2 1 11

48 26 12 5 10 36 19 1 1 1 1 1 1 1 1 7

53 37 31 24 28 54 9 1 1 2

37 87 80 70 76 7 1

26 102 118 132 121 62 7 1

17 72 101 116 104 43 7 1

22,49 21,68 20,67 19,78 18,84 17,93 17,02 16,10 15,19 14,28 13,37 12,45 11,54 10,63

9,71 8,80 7,89 6,98 6,06

5,15 4,24 3,32

2,41

1,50 0,59

6 7

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

24

Рисунок 1.1.29 Гистограмма суточного распределения отборов воды узла 2

Качество обеспечения узла 2 несколько ниже узла 1. Здесь будет иметь влияние вероятность возникновения аварии на участке 1-2 и понижение параметров давления воды при транспортировке по этому участку.

1

2

3

4

5

8

9

Отборы воды по узлу 3 (в пересчете на 1 человека) представлены на рисунке 1.1.30.

ц, л/час на одного человека 22, 21, 20, 19, 18, 17, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9,

1 1 2

2 2 3 1 1

2 5 7 1 1 3

1 1 8 13 5 5 5 3 1 1 1 4 4 7

2 3 11 7 10 6 7 7 2 1 1 5 8 11 11 1

4 9 18 17 12 12 10 3 9 8 11 21 31 21 25 7

11 5 20 28 18 14 23 7 8 12 21 41 38 32 31 11 1

18 28 35 38 32 20 31 14 21 25 33 45 41 41 37 21 1

5 19 35 44 42 42 47 43 21 38 45 41 | 48 Т 47 1 53 51 35 | 3

13 | 22 | 40 51 49 Гб1 44 | 53 бТ1 61 51 53 26 45 | 48 45 1 67 1 58 1 67 69 1 44 1 9

1 23 35 1 51 Г"| "521 51 39 | Гб1 54 65 61 43 71|| 21

2 2 36 48 65 76 28 46 63 69 85 33 1 69 51 41 41 43 31 63 || 35

5 4 65 45 79 21 18 28 36 45 82 73 43 41 21 23 25 20 42 46

8 10 43 27 41 9 9 6 23 28 48 29 28 23 17 15 14 11 27 67

15 1 1 1 6 36 29 15 1 4 9 9 9 38 15 16 11 9 9 5 7 21 51

38 6 2 2 4 8 31 12 7 1 2 5 3 10 11 9 7 8 5 2 3 13 35

54 10 6 5 6 21 21 13 3 1 2 6 4 5 4 5 2 1 1 7 24

56 16 6 3 7 24 19 10 1 1 2 3 3 2 1 1 1 2 19

48 26 12 5 10 36 25 3 1 1 1 2 1 1 2 1 11

53 37 31 24 28 54 19 1 1 1 1 1 1 1 1 7

37 87 80 70 76 9 1 1 2

26 102 118 132 121 62 7 1

17 72 101 116 104 43 7 1

1 2

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рисунок 1.1.30 Гистограмма суточного распределения отборов воды узла 3

Качество обеспечения узла 3 ниже узла 1 и узла 2. Влияние вероятности возникновения аварии на участках 1-2, 2-3 и понижение параметров давления воды при транспортировке по обоим участкам.

Зависимость между отказами участков и СПРВ в целом от времени можно представить следущими законами распределения: нормальным, экспоненциальным, биномиальным, Рэлея, т-распределентем, Вейбулла, логарифмическим и др.

В теории надежности чаще всего используются распределения, соответствующие нормальному и экспоненциальному законам.

При нормальной эксплуатации поведение отдельных элементов и СПРВ в целом можно описать экспоненциальным законом [24, 61 - 63].

50

3

ч

период нормальной эксплуатации

период период

приработки износа

О Тп время( Тн Тр

Рисунок 1.1.28 Зависимость интенсивности отказов элементов от срока

эксплуатации

Согласно графика, указанного на рисунке 1.1.28, весь интервал времени можно представить тремя участками. В соответствии с первым участком, функция А^) имеет повышенные значения: вскоре после начала работы выходят из строя элементы со скрытыми дефектами. Первый период - период приработки. Второй период - период нормальной работы. Последний период — период старения. Для этого периода характерен рост опасности отказа.

Законы распределения времени возникновения отказов, как правило, описывают надежность сложной системы лишь на конкретных участках времени ее работы. На участке приработки время возникновения отказов можно описать У-распределением, законом Вейбулла, на участке нормальной работы — экспоненциальным законом, а на участке старения — в соответствии нормальным законом распределения.

1.2. Нормирование и оценка показателей надежности водообеспечения

Случайные совпадения неблагоприятных факторов составляют природную основу возникновения отказов. Случайность отказа состоит в случайности его наступления: времени его возникновения, месте расположения события. Комбинация этих количественных составляющих определяют надежность элементов и системы в целом. Надежность обеспечения потребителей тоже имеет количественную оценку. Путем соспоставления с нормируемыми значениями (принятым по нормативным документам) можно судить о качестве этого обеспечения.

Существующие нормативные документы, затрагивающие вопрос обеспечения надежности, описывающие подходы, методы ее оценки, основываются на детерминистическом подходе [122, 123, 124].

Согласно п. 11 приказа п 162/пр от 4 апреля 2014 года значения показателя надежности и бесперебойности централизованных систем водоснабжения характеризуются количеством перерывов в подаче воды, произошедших в результате аварий, повреждений Ка/п в расчете на протяженность водопроводной сети в год, Ьсети (ед./км).

К

П = *100%

ь

сети

Такой подход не учитывает структуру СПРВ, невозможно оценить качество обеспечения водой отдельных потребителей.

Критерии надежности водоподачи сформулированы СП 31.13330.2012 (СНиП 2.04.02-84) [123] и пока действует этот документ должны соблюдаться. Однако в нормативных документах [123] проблемы надежности освещены не в полном объеме, нет предписывающих материалов по методам расчета, учитывающих требования надежности, как СПРВ в целом, так и ее элементов; слабый акцент на требования по допустимым пределам нарушений снабжения водой.

Недостатки СНиПа носят принципиальный, основополагающий характер, приводящие к проектированию кольцевых водопроводных сетей низкой надежности - потребитель в таких сетях более месяца в течение года может нормально не получать воду. Существующие надежностные нормативные требования СНиП не обладают необходимой полнотой, т.е. при выполнении всех требований действующего СНиПа не гарантируется получение надежной кольцевой водопроводной сети. Действующий СНиП предусматривает расчет условий функционирования кольцевой водопроводной сети (КВС) только в полностью исправном состоянии, в то время как значительное время КВС функционирует в неисправных состояниях.

В существующих нормативных документах отображены мгновенные показатели надежности, с помощью которых осуществляется оценка отдельных состояний СПРВ. Мгновенные показатели не в состоянии оценить время нахождения объекта в отдельных состояниях, а также не в состоянии оценить стабильность его функционирования.

Такая водопроводная сеть потребителей не удовлетворяет, и поэтому реальные водопроводные сети проектируют, руководствуясь интуицией и здравым смыслом. Найти на практике водопроводную сеть, созданную в соответствии с действующим СНиПом, невозможно. Скорости движения воды в трубах реальных водопроводных систем в 2-4 раза меньше рекомендуемых в нормативных документах и научных разработках. Таким образом, создается избыточность пропускной способности водопроводной сети, которая на практике обеспечивает необходимую надежность подачи воды.