Как дорого обходится эксплуатация изношенных водопроводных сетей? – анализ трех сценариев. Сычев О.Ф., канд. химических наук Аннотация В настоящей статье проводится численное изучение взаимосвязи между степенью износа водопроводных сетей и ростом расходов на их эксплуатацию. Процедура исследования является довольно сложной, в то время как выбор параметров всех элементов водопроводной сети, используемой для данного исследования, а также определение степени ее износа являются неоднозначными. Действительно, степень износа сети сильно зависит от природных условий залегания труб, состава воды, режима эксплуатации труб разных диаметров и разных районов и множества других факторов. Поэтому выбранные характеристики модельной водопроводной сети и параметры процессов ее старения выбирались таким образом, чтобы отразить реальное состояние сети типичного среднего города России. В силу неоднозначности того или иного выбора, все этапы расчетной процедуры, все параметры и предположения, положенные в основу данного конкретного исследования, описываются в статье максимально точно. Для большего соответствия с реальными сетями расчеты выполнены для трех сценариев развития процесса старения сетей: 1- оптимистического, 2- «реалистического» и 3- пессимистического. Поэтому результаты данного исследования будут полезны работникам водоканалов при оценке состояния конкретных сетей. Метод расчета. Все расчеты проводились с использованием программного комплекса (ПК) SibStream [1]. Программа имеет мощные средства для гидравлических расчетов и оптимизации водопроводных сетей любого размера и сложности. Актуальной для данной работы является способность ПК SibStream проводить расчеты в условиях, когда все узлыпотребители являются узлами с нефиксированным отбором (УНФО). Полноценные расчеты можно выполнять даже тогда, когда целые районы оказываются отрезанными от источников водоснабжения, а вся сеть распадается на несколько несвязанных между собой фрагментов. Возникновение таких ситуаций весьма вероятно в изношенных сетях с многочисленными утечками, хронически низким напором и частыми авариями, в результате которых и возникают районы, лишенные доступа к источникам водоснабжения. Методология расчетов принципиально допускает использование любой функциональной зависимости Q=Q(Pсв), где Pсв – свободный напор в узле. В настоящей версии программы реализованы УНФО двух типов – линейные и нелинейные [1, Руководство Пользователя]. ПК SibStream имеет развитые средства для моделирования работы сети за длительный промежуток времени, с учетом массовых утечек и эффектов зарастания внутреннего сечения трубопроводов. Все результаты представляются в удобном для дальнейшего анализа графическом виде. Описание вычислительной процедуры Размеры и общие характеристики модельной водопроводной сети В результате анализа данных водопроводным (в/п) сетям России, заимствованным из открытых источников на сайтах Водоканалов, было установлено, что город с населением 500 тыс. жителей имеет в/п сеть протяженностью 600 – 800 км. В данной работе принимается, что сеть такого города имеет протяженность 700 км. Общая протяженность трубопроводов с диаметром не выше 300 мм обычно превышает 60%. Как было нами показано ранее, износ и зарастание именно этих трубопроводов обусловливает общий перерасход электроэнергии в водопроводных сетях [2]. В сеть подается примерно 185 тыс. м3/сутки, или 2,14 м3/сек. Данные взяты из годовых отчетов одного из водоканалов. В качестве модельной сети специально построена водопроводная сеть, имеющая 597 узлов, 647 участков и общую протяженность трубопроводов равную 113 км. Тогда общий объем водопотребления следует уменьшить в (700/113) раз, пропорционально размеру сети до величины 185000×(113/700) ≈ 30000 м3/сутки, или ≈ 0,35 м3/с. Среднесуточное водопотребление модельной сети рассчитывалось следующим способом. Работа сети моделировалась за период равный одной неделе (3 дня рабочих + 2 дня выходных + 2 дня рабочих), а объем воды, потребленный за этот период, делился на 7. Уровень водопотребления Qi в узлах подбирался так, чтобы выйти на заданный уровень потребления. Итак, в модельной сети: ∑ 𝑸𝒊 ≅ 𝟐𝟏𝟐𝟕𝟒𝟑, 𝟐𝟒 м𝟑 (за неделю), или ∑ 𝑸𝒊 ≅ 𝟑𝟎𝟑𝟗𝟏 м𝟑 /сутки , или ∑ 𝑸𝒊 ≅ 𝟎, 𝟑𝟓𝟏 м𝟑 /сек Полученные значения хорошо соответствуют требуемым для хорошего пропорционального соответствия между реальной и модельной сетью. Отметим, что знак ≅ означает, что истинные значения в каждом расчете колеблются в соответствии с статистическим характером выбора количества и размеров коррозионных отверстий. Истинные значения величин изменяются в пределах 1% . Полная протяженность трубопроводов модельной сети составляет 113,05 км, из них 98,56 км (87,18%) занимают трубы диаметром не выше 300 мм (D ≤ 300). Общая схема модельной сети представлена на Рис. 1. E B F C A D G Рис. 1. Схема модельной водопроводной сети Насосная станция Насосная станция (НС) состоит из двух одинаковых параллельных насосов. Схема подключения насосов и их напорно- расходные характеристики (НРХ) приведены на Рис. 2 и 3. Модельная сеть была специально оптимизирована так, чтобы все насосы работали с высоким КПД и напором, а все потребители в любой момент времени получали достаточное количество воды под необходимым нормативным напором. При оптимизации считалось, что все трубы являются стальными, новыми с Keq=0,1. Для оптимизации модельной сети использовалась стандартная процедура оптимизации ПК SibStream [1]. Графики напора H(T) и КПД (T) представлены на Рис 4, 5 соответственно. Рис. 2. Схема подключения насосов НС/А КПД НРХ Рис. 3. Напорно-расходные характеристики насосов № 2 и № 685 Рис. 4. Напор насосов № 2 и № 685 по часам за неделю Рис. 5. КПД насосов№ 2 и № 685 по часам за неделю Эквивалентная шероховатость и эквивалентный диаметр труб Все трубы модельной сети являются стальными. В начале эксплуатационного периода для всех труб выбрана эквивалентная шероховатость Keq = 0.1, как для новых стальных труб. В процессе эксплуатации шероховатость увеличивается, а внутреннее сечение труб сокращается вследствие нарастания различных отложений на стенках труб. Влияние этих эффектов на снижение пропускной способности трубопроводов учитываются в рамках методики, предложенной в работе [3]. Так, в настоящих расчетах принято, что эквивалентная шероховатость Keq увеличивается в течение первых 5 лет линейным образом до значения 3 мм, а далее остается постоянной (Рис. 1). Keq 3 мм 0,1 мм 5 лет Годы экспл. Снижение пропускной способности трубопроводов вследствие возникновения нарастаний на стенках труб учитывается с помощью введения понятия эквивалентного диаметра (по аналогии с эквивалентной шероховатостью) [3]. Для трех сценариев используются три линейные формулы, с помощью которых рассчитывается эквивалентный диаметр Deq в зависимости от срока эксплуатации 𝑻, 𝟎 ≤ 𝑻 ≤ 𝟐𝟓 (лет). Сценарий 1, оптимистический. Снижение первоначального диаметра D0 на 5% после 25 лет эксплуатации. 𝑻 𝑫𝒆𝒒 = 𝑫𝟎 (𝟏 − 𝟎. 𝟎𝟓 × 𝟐𝟓) (1) Сценарий 2, «реалистический». Снижение первоначального диаметра D0 на 10% после 25 лет эксплуатации. 𝑻 𝑫𝒆𝒒 = 𝑫𝟎 (𝟏 − 𝟎. 𝟏𝟎 × 𝟐𝟓) (2) Сценарий 3, пессимистический. Снижение первоначального диаметра D0 на 15% после 25 лет эксплуатации. 𝑻 𝑫𝒆𝒒 = 𝑫𝟎 (𝟏 − 𝟎. 𝟏𝟓 × 𝟐𝟓) (3) Учет массовых утечек из коррозионных отверстий В процессе эксплуатации водопроводных сетей из стальных труб на их стенках обычно возникает множество сквозных коррозионных отверстий (СКО). При этом заранее трудно прогнозировать количество и размеры этих отверстий на трубах разных материалов, диаметров, сроков и условий эксплуатации. В программе SibStream [2, Руководство пользователя, Приложение 1] учет этих факторов предлагается производить с помощью регрессионных уравнений второго порядка, параметры которых определяются с помощью регрессионного анализа на базе результатов массовых измерений технического состояния трубопроводов. В настоящем исследовании для труб всех типов, диаметров и районов залегания используется единые формулы (4, 5) для расчета количества N(T) и диаметров d(T) коррозионных отверстий в зависимости от времени Т. 𝑵(𝑻) = 𝒏𝟏 𝑻 + 𝒏𝟐 𝑻𝟐 (4) 𝒅(𝑻) = 𝒅𝟏 𝑻 + 𝒅𝟐 𝑻𝟐 (5) Коэффициенты n1, n2, d1, d2 подбирались таким образом, чтобы после 25 года обеспечить 10% потерь воды за 1 неделю (сценарий 1), 35% (сценарий 2) и 50% (сценарий 3). При этом в расчетах после 25 года учитывалось как зарастание труб, так и увеличение эквивалентной шероховатости в соответствии с вышеизложенной методикой. Указанные проценты потерь вычислялись относительно потребляемой за неделю воды 212743,24 м3 при T=0. Так как точная подгонка коэффициентов регрессионных уравнений не имеет принципиального значения, то выбранные коэффициенты n1, n2, d1, d2 обеспечивают значения потерь 10.1%, 34% и 50,3% для сценариев 1, 2 и 3 соответственно. При этом только для первого сценария выполнялись процедуры подбора коэффициентов для обоих регрессионных уравнений 3, 4. Для сценариев 2 и 3 подбирались только коэффициенты d1, d2. Прямыми численными экспериментами нами показано, что точное количество СКО не имеет принципиального значения. Решающее значение имеет принадлежность отверстий тому или иному участку, а также общая площадь всех СКО. Поэтому соответствующий последним сценариям процент потерь подгонялся посредством вариации коэффициентов уравнения (5). Это значительно облегчает процедуру подбора коэффициентов без заметного изменения результатов. Далее в таблицах результатов процент потерь воды вычислялся относительно реального потребления за тот же период, поэтому при T=25 значение процента потерь имеет иное значение. Каждое СКО сечением Si (i=1,2,..) в расчетах учитывается как УНФО с нелинейной зависимостью водопотребления Qi (в данном случае свободного истечения из отверстия) от свободного напора Hi в данной точке : Qi S i 2 gH i – формула Торричелли. Все коррозионные отверстия на трубе располагаются равномерно, через равные интервалы. Как показали численные эксперименты, точная локализация каждого СКО не имеет принципиального значения и практически не сказывается на общем объеме рассчитываемых утечек. Принципиально важной является лишь общая площадь сечения коррозионных отверстий на трубе. Это обстоятельство используется в программе SibStream для сокращения времени расчетов в режиме учета массовых утечек [1, Руководство Пользователя]. В заключение данного раздела отметим, что параметры модельной сети подбирались таким образом, что воспроизвести в миниатюре реальную российскую водопроводную сеть. Все результаты по расходам и перерасходам воды, электроэнергии и т.п., с учетом реального состояния каждой сети, можно переносить на реальную сеть с коэффициентом K = Размер реальной сети / Размер модельной сети. Выполненный анализ трех сценариев процессов старения сетей дает дополнительную информацию для более точного (опорная «вилка» значений) соотнесения процессов старения реальной сети и модельной. Результаты и обсуждение В Таблицах 1, 2, 3 представлены результаты моделирования процесса старения водопроводной сети за 25 лет. Все рассчитанные значения относятся к периоду в одну неделю работы сети. Таблица 1. Сценарий 1, оптимистический. Период моделирования – 1 неделя. T, лет 1 Э/энергия, Потребление квт. час. воды, м3 2 3 Потери воды, м3 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 62022 61956 61886 61820 61759 61705 61699 61690 61685 61683 61679 61681 61685 61694 61705 61723 61751 61787 61783 61851 61902 61971 62091 62097 62247 62428 0 0 0 0,96 16,41 50,37 143,60 162,56 289,50 471,91 624,02 915,51 1230,05 1724,94 2226,86 2988,54 3871,5 5055,53 5286,65 7197,53 8635,61 10518,12 13856,32 14209,64 18461,48 23342,95 212732,85 212102,47 211342,94 210591,55 209874,43 209196,97 209069,56 208943,64 208810,25 208671,38 208531,62 208379,51 208226,62 208058,38 207899,93 207699,32 207518,59 207286,91 207117,22 206852,06 206596,87 206321,94 205892,67 205742,17 205263,52 204737,24 Таблица 2. Сценарий 2, «реалистический». Период моделирования – 1 неделя. T, лет 1 Э/энергия, Потребление квт. час. воды, м3 2 3 Потери воды, м3 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 62022 61952 61873 61795 61722 61660 61645 61641 61633 61631 61653 61653 61705 61693 61753 61849 61994 61995 62092 62182 62495 62867 63371 63511 63973 64510 0 0 212732,85 212065,12 212203,45 210310,23 209427,44 208552,50 208274,07 207968,67 207659,89 207330,51 206944,18 206576,47 206106,22 205718,12 205236,66 204640,69 203964,00 203422,44 202713,16 202005,30 200922,79 199766,81 198404,73 197367,09 196121,31 194510,22 5,72 41,61 186,08 346,95 768,50 1087,22 1604,75 2745,79 3416,43 5376,29 5816,20 7855,81 10825,56 15128,37 16190,24 19666,82 22922,49 31257,34 38292,04 47355,03 50880,78 60220,11 71301,42 Таблица 3. Сценарий 3, пессимистический. Период моделирования – 1 неделя. T, лет 1 Э/энергия, Потребление квт. час. воды, м3 2 3 Потери воды, м3 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 62022 61948 61856 61766 61681 61607 61585 61565 61561 61563 61559 61560 61600 61650 61802 61846 61850 62172 62286 62883 63251 63720 63987 64351 65477 65762 0 0 0 8,40 86,37 343,21 686,20 1125,63 1985,98 3055,56 4143,44 5446,23 7620,39 9935,33 15251,25 17921,11 22146,86 29306,33 33114,33 44059,95 51655,48 62141,39 69444,24 77722,21 99682,50 107103,63 212732,85 212007,65 211022,26 209962,83 208882,06 207787,36 207310,93 206811,77 206251,29 205661,20 205010,60 204319,60 203546,83 202743,15 201592,58 200664,54 199554,98 198139,53 196979,63 194930,31 193370,23 191325,65 189307,55 187723,19 182832,86 180134,03 Как видно из результатов расчетов, приведенных в Табл. 1-3, при возрастании срока эксплуатации T уровень водопотребления в сети монотонно снижается, а объем утечек монотонно возрастает. При этом расход электроэнергии изменятся относительно слабо. Это вызвано тем обстоятельством, что изначально водопроводная сеть была хорошо оптимизировано, а ее уровень водопотребления примерно соответствовал максимуму КПД (Рис. 3, 4, 5). Однако, если реальная сеть изначально далека от оптимальных показателей, то резкое снижение КПД насосов и значительный перерасход электроэнергии становятся неизбежными. После 25 лет эксплуатации уровень потребления собственно сети снизился на 3.8, 8.5 и 15,3% для сценариев 1, 2 и 3 соответственно. Эти усредненные данные, однако, нуждаются в дополнительном исследовании. Так, насосная станция А работает с достаточно высоким КПД, по крайней мере в часы основного водопотребления. Однако при этом, от сценария к сценарию, доля собственно водопотребления снижается, а постоянно растет доля потерь. Нами был выполнен выборочный анализ водопотребления во всех отмеченных на карте зонах. Было установлено, что по мере возрастания срока эксплуатации T напор постоянно снижается по мере удаления от насосной станции А. Многие зоны сети, особенно периферийные E, F и G начинают испытывать хронический недостаток напора, особенно в часы пикового потребления. Свободный напор в этих зонах падает на 10-20 м. а уровень потребления снижается в 1,3 (сценарий 1) и 3 раза (сценарий 3). Этот факт легко объясняется тем, что между НС А и периферией возникает все большее количество паразитных потребителей, которые отнимают воду у собственно потребителей и которые не были учтены при оптимизации исходной сети. Другая существенная причина – снижение пропускной способности магистралей вследствие зарастания труб. Таким образом, несмотря на видимое из таблиц 1-3 благополучие по расходу электроэнергии, водопроводная сеть с возрастом начинает быстро терять свои лучшие функциональные качества. Трубы начинают зарастать, увеличивается их шероховатость и все больше нарастают прямые потери воды. В этих условиях многим потребителям придется постоянно жить в условиях хронической нехватки воды, а жители верхних этажей смогут получать воду только в ночные часы, когда отключаются потребители, расположенные ближе к НС А. Ясно, что такое положение вещей не устроит жителей этих районов, которые рискуют оказаться совсем отрезанными от источников воды. Восстановление функциональности водопроводных сетей можно проводить разными способами. Наиболее правильный и естественный – это планомерный ремонт с постепенной заменой металлических трубопроводов пластмассовыми, способными работать 50-100 лет без потери функциональности. Работы в этом направлении должны быть хорошо организованы, так как необходимо не просто заменять трубы в прежних магистралях, а практически заново спроектировать сети с учетом новых и перспективных застроек. При этом магистрали новых районов могут быть спроектированы практически заново, по новым направлениям, то есть с учетом новых реалий. Для этого необходимо: 1. Создать адекватную гидравлическую модель действующей водопроводной сети. При создании гидравлической модели особое внимание следует уделять главным магистралям, которые сохранят свою структуру в перспективе. В последнюю очередь надо создавать модель периферийных районов сети, состоящих преимущественно из предельно изношенных труб небольших диаметров. Как правило, эти сети проектировались давно, и уже не учитывают реалий новых застроек. С нашей точки зрения, для таких районов гораздо полезнее будет полностью отказаться от старой схемы и заново спроектировать районную сеть, опираясь преимущественно на схему расположения водопотребителей, чем на структуру старой сети. При хорошей организации работ на всех уровнях задача создания работоспособной гидравлической модели для города из 500 тыс. жителей может быть решена в течение 3-5 лет. 2. С помощью гидравлической модели разработать наименее затратные варианты модернизации и оптимизации сетей, учитывающие перспективные застройки на ближайшие 15-25 лет. Отметим, что такое проектирование будем тем эффективнее и экономичнее в практическом исполнении, чем адекватнее и точнее является гидравлическая модель. Только тогда, и при наличии адекватного программного обеспечения, проектировщики могут просчитать множество вариантов и выбрать действительно самый лучший и дешевый для практического воплощения в конкретных экономических, географических и прочих условиях. 3. Практические работы следует спланировать так, чтобы они давали быстрый и заметный экономический эффект [4]. По мнению экспертов, однако, время для такого планового варианта уже упущено [5-8]. Степень износа большинства водопроводных сетей России превышает 70%, поэтому в настоящее время события развиваются по сценарию, близкому к нашему сценарию 3. Функциональность сетей лишь частично поддерживается за счет бесконечного латания металлических трубопроводов. Эта процедура слабо замедляет общий процесс деградации сетей [5, 8], поэтому для поддержания функциональности сетей приходится постоянно увеличивать расход воды и электроэнергии путем установки дополнительных насосов и насосных станций. Для оценки уровня дополнительных затрат в настоящей работе моделируется схема восстановления функциональности сети посредством установки дополнительных насосных станций. В нашем же модельном исследовании восстановление функциональности сетей во всех зонах возможно двумя способами: 1. Установит на станции А более мощные насосы, обеспечивающие больший напор при больших потоках. Данный способ представляется, однако, наименее удачным. Прямыми численными экспериментами нами было показано, что увеличение напора на станции А приводит лишь к росту потребления во всех промежуточных узлах-потребителях, а периферийные зоны слабо ощущают рост напора на удаленной от них станции. 2. Установить дополнительные насосные станции в непосредственной близости от периферийных зон E, F и G. В этом случае даже маломощные НС способны компенсировать нехватку напора в этих зонах, так как между ними и потребителями не пролегают длинные магистрали с потребителями средних зон и многочисленными паразитными «потребителями» – СКО. Кроме того, при таком подходе мы фактически получаем в расчетах нижнюю границу уровня дополнительных расхода воды и электроэнергии. Поэтому для дальнейшего анализа был выбран именно этот способ восстановления функциональности трубопроводов. Дополнительные НС в зонах E, F и G (Рис. 6) состоят из одного насоса со специально подобранными линейными напорно расходными характеристиками: H(Q) = const и КПД(Q) = const = 90%. Такой выбор характеристик насосов обеспечивает неизменный напор и высокий КПД при любом расходе Q, что облегчает процедуру подбора этих насосов для сценариев 1, 2 и 3. Кроме того, этот выбор позволяет оценить нижнюю границу дополнительных расходов электроэнергии. Дополнительная насосная станция и схема ее подключения к сети показаны на Рис. 7. Обратный клапан 690 отсекает поток от сети к насосу, когда напор в узле 515 превышает напор насоса 688. E B F C A D G Рис. 6. Схема модельной водопроводной сети с новыми насосными станциями НС/E и НС/G E Рис. 7. Схема насосных станций НС/E и НС/G. Узел 635- бак, участок 688- насос, участок 690- обратный клапан. Участок 691 соединят НС с узлом сети 515. В таблицах 4, 5 и 6 (см. внизу) представлены результаты расчетов по трем сценарием для сети с новыми насосными станциями. Значение напора насосов насосных станций НС/E и НС/G подбирается отдельно для каждого сценария. Многочисленные расчеты показали, что первоначальная функциональность водопроводной сети полностью не восстанавливается даже при напоре H=60 м, равном максимальному напору насосов НС/А. Поэтому конкретное и минимальное значение Н для каждого сценария подбиралось так, чтобы в среднем за 7 выше перечисленных дней при T=25 вернуть уровень водопотребления сети к исходному (T=0) значению. Расчеты начинаются с 11 года эксплуатации, когда уже проявляются эффекты износа сетей. Годовые потери вычислялись посредством умножения на 52 количества рассчитанных недельных расходов. Для оценки годовых потерь в таблицах выбраны следующие значения для стоимости воды и электроэнергии: стоимость 1 кВт ч =1,5 руб; стоимость 1 м3 воды = 20 руб. Значения последних столбцов вычисляются по формулам: (Потери Э/э, стоимость) = [Э/э А + Э/э Е + Э/э G – 62022] × 1.5 (Потери воды, стоимость) = [(Потребление в сети – 212733) + Потери в сети] × 20 Всего = (Потери Э/э, стоимость) + (Потери воды, стоимость) Здесь следует обязательно отметить, что, несмотря на подключение НС/E и НС/G, в часы пикового потребления многие узлы сети вновь оказываются в условиях нехватки напора (в пределах 5-15 м), а их потребление снижено на 10-30%. Многочисленные эксперименты с переориентацией магистрали 691 (Рис. 6, 7) непосредственно вглубь сети показали, что в полной мере водоснабжение многих узлов так и не удалось восстановить. По-видимому, разбалансировка сети относительно первоначальных оптимальных характеристик, вызванная многочисленными СКО и процессами зарастания труб, имеет столь сложный характер, что не поддается коррекции столь простыми и относительно недорогими способами. 5000 4500 4000 Расходы, тыс. руб 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Срок эксплуатации, лет Сценарий 1 Сценарий 2 Сценарий 3 Рис. 8. Рост дополнительных расходов за 1 неделю на эксплуатацию изношенной модельной водопроводной сети. Сценарий 1 – оптимистический, сценарий 2- «реалистический», сценарий 3- пессимистический. На Рис. 8 представлены в графическом виде результаты расчетов в Таблицах 4-6. Из диаграммы ясно видно, как стремительно возрастают эксплуатационные расходы, если не проводить планомерной политики по реконструкции сетей, а пытаться поддерживать их функциональность за счет накачивания дополнительной воды. Расточительность такого подхода более впечатляюще выглядит на следующей диаграмме 9, где представлены аналогичные расходы уже за год для водопроводной сети города на 500 тыс. жителей. Данные из Таблиц 4-6 пересчитывались путем умножения на коэффициент 52×(700/113)≈322. Здесь 1 год = 52 недель, 700/113 – выше определенный коэффициент перехода от модельной сети к реальной. 1600 1400 Расходы, млн. руб 1200 1000 800 600 400 200 0 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Срок эксплуатации, лет Сценарий 1 Сценарий 2 Сценарий 3 Рис. 9. Рост дополнительных расходов за 1 год на эксплуатацию изношенной водопроводной сети (примерно 3700 узлов, 4000 участков, общая протяженность 700 км). Сценарий 1 – оптимистический, сценарий 2- «реалистический», сценарий 3- пессимистический. Из графиков на Рис. 9 видно, что даже при оптимистическом сценарии процессов старения водопроводных сетей дополнительные расходы могут достигать огромных величин, исчисляемых сотнями миллионов рублей в год. Полученные величины, конечно, носят оценочный характер, однако, тем не менее, они отражают реальное состояние дел в большинстве водопроводных сетей России. Так, взятая нами за основу водопроводная сеть города на 500 тыс. жителей потребляет 185 тыс. м3 воды. Уровень потерь в сети составляет 35%, т.е. примерно 65 тыс. м3/сутки, а в денежном эквиваленте – 1295 тыс. руб./сутки. За год объем потерь составляет 1295*365 = 472,675 млн. руб., что хорошо соответствую нашим оценкам для некоторого сценария, промежуточного между нашими оптимистическим и «реалистическим» сценариями. Таблица 4. Сценарий 1, оптимистический. Период моделирования – 1 неделя. НС/E и НС/G: H=const=40 м Т лет 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Э/энергия НС, квт*ч А E G 61005 60747 60771 60817 60897 60999 61195 61278 61640 61999 62854 1809 1832 1866 1904 1943 1982 2049 2099 2206 2324 2469 188 201 218 235 257 282 313 340 396 430 512 Подано воды НС, м3 A E G 197239 197546 198509 199851 201972 204470 209454 211810 220772 226981 240143 14942 15136 15413 15724 16052 16374 16928 17339 18222 19196 20398 1549 1657 1800 1944 2124 2326 2584 2808 3273 3552 4230 Потребл. в сети, м3 212422 212367 212299 212216 212113 211992 211786 211619 211290 210872 210313 Потери в сети, м3 948 1751 3064 4944 7674 10818 16819 19978 30616 38497 54097 Потери тыс. руб/неделю Э/энергия Вода Всего 1,470 1,137 1,250 1,401 1,613 1,862 2,303 2,543 3,330 4,097 5,720 12,740 27,700 52,600 88,540 141,080 201,540 317,440 377,280 583,460 732,720 1033,540 14,210 28,837 53,850 89,941 142,693 203,402 319,743 379,823 586,790 736,817 1039,260 Таблица 5. Сценарий 2, «реалистический». Период моделирования – 1 неделя. НС/E и НС/G: H=const=50 м Т лет 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Э/энергия НС, квт*ч А E G 59562 59616 59725 59967 60262 60875 61544 62367 63395 65120 66375 3905 3965 4061 4150 4324 4465 4798 5158 5822 6468 7909 1452 1484 1528 1608 1719 1833 1958 2208 2453 2963 3428 Подано воды НС, м3 A E G 181425 182989 185726 191619 199179 210279 221173 236290 252537 278242 300726 25806 26200 26836 27422 28571 29508 31705 34085 38472 42742 52267 9592 9803 10093 10626 11358 12112 12935 14585 16207 19577 22647 Потребл. в сети, м3 212499 212377 212199 211937 211464 210836 209789 208394 205998 203854 198488 Потери в сети, м3 3963 6255 10096 17369 27284 40703 55663 76205 100856 136346 176787 Потери тыс. руб/неделю Э/энергия Вода Всего 4,346 4,565 4,938 5,555 6,425 7,727 9,417 11,567 14,472 18,793 23,535 74,580 117,980 191,240 331,460 520,300 776,120 105,378 1437,320 1882,420 2549,340 3250,840 78,926 122,545 196,178 337,015 526,725 783,847 1063,197 1448,887 1896,892 2568,133 3274,375 Таблица 6. Сценарий 3, пессимистический. Период моделирования – 1 неделя. НС/E и НС/G: H=const=60 м Т лет 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Э/энергия НС, квт*ч А E G 41448 44550 46050 56051 59113 59488 60509 61660 63377 65423 67247 8888 8798 8792 8896 8946 9109 9542 9889 10592 10948 12526 6853 6725 6665 6658 6700 6581 6736 6803 7274 7476 7953 Подано воды НС, м3 A E G 132325 136982 146050 156415 172044 181588 205205 225139 253285 284233 320112 48938 48444 48413 48983 49260 50155 52542 54455 58325 60283 68977 37732 37027 36697 36658 36890 36236 37089 37457 40049 41162 43788 Потребл. в сети, м3 212466 212242 211783 211019 209721 208269 205109 201351 196863 190223 178859 Потери в сети, м3 6170 9852 19017 31676 48113 59351 89367 115339 154432 196084 253647 Потери тыс. руб/неделю Э/энергия Вода Всего -7,250 -2,924 -0,773 14,375 19,106 19,734 22,148 24,495 28,832 32,738 38,556 118,060 187,220 361,340 599,240 902,020 1097,740 1634,860 2079,140 2771,240 3471,480 4395,460 110,810 184,296 360,567 613,615 921,126 1117,474 1657,008 2103,635 2800,072 3504,218 4434,016 Графики роста потерь для трех сценариев, представленные на Рис. 9 являются центральными в данной работе. В ходе работы мы старались в максимальной степени приблизить характеристики модельной сети к характеристикам реальной водопроводной сети России, чтобы облегчить процедуру сопоставления расчетных и реальных данных. Все же отметим, что в модельной сети относительно мало длинных и разветвленных тупиковых магистралей, тогда как в реальных сетях их бывает значительно больше. Однако именно такие магистрали в наибольшей степени подвержены зарастанию и коррозии. Поэтому в реальных сетях уровень общих потерь может быть только выше, чем в исследованной нами модельной сети. Кроме того, в расчетах для труб большого диаметра (D > 300 мм) учитывается только эффект зарастания и увеличения эквивалентной шероховатости, а утечки не учитывались. В трубах большого диаметра редко возникают застойные зоны, поэтому они в меньшей степени, чем трубы малых диаметров, подвержены язвенной коррозии. Однако вполне возможное возникновение коррозии в таких трубах только увеличит общие потери. Дополнительные насосные станции E и G всегда обладают высоким КПД = 90%. Это позволяет оценить нижнюю границу расходов электроэнергии, потому что реальные насосные станции всегда будут менее эффективными. Впрочем, прямые расходы электроэнергии дают лишь малый вклад и общую сумму дополнительных расходов. В своих оценках мы старались оценить нижнюю границу уровня дополнительных расходов, поэтому на практике расходы могут быть выше, и намного выше. Как видно из таблиц 4-6, основные дополнительные затраты обусловлены преимущественно большим и все более нарастающим объемом утечек из стареющих сетей. Поэтому мы скептически относимся к попыткам добиться радикального сокращения эксплуатационных затрат за счет манипулирования режимами работы насосных станций. Некоторое снижение напора в ночные часы все же может снизить уровень утечек, однако диапазон маневрирования напором будет весьма невелик, так как это может привести к радикальному снижению напора у многих реальных потребителей, для которых именно ночные часы являются временем относительного благополучия. Таким образом, изношенная сеть загоняет своих хозяев в своеобразные тиски, с одной стороны не допуская снижения уровня текущих расходов на свое поддержание, а с другой – постоянно требуя увеличения этих расходов. При этом нынешний темп ремонта 1-3% в год уже не спасает положение [5-8], когда темпы разрушения сетей в несколько раз превышают темпы ремонта. Положение может спасти только программа радикальной модернизации водопроводной сети города, с использованием самых современных технологий и материалов. Интересно будет сопоставить уровень ежегодных потерь с стоимость строительства новых магистралей из пластиковых труб. Типичные цены на трубы из полиэтилена марки ПЭ 100 приведены в таблице ниже (заимствовано на сайте http://tehstroi.ru компании «Техстрой» одного из крупнейших производителей полимерных труб в России ). Наружный диаметр, мм 50 110 160 250 Цена за 1 метр трубы в руб. с НДС. SDR 26 SDR 21 SDR 17 6,3 атм. 8 атм. 10 атм. 34,21 157,85 336,82 810,37 41,03 196,79 412,39 991,54 49,94 240,13 501,27 1222,76 Исходя из данных графиков на Рис. 9, на 25 году эксплуатации имеем следующие значения перерасходов для сети из 4000 участков: сценарий 1 - 122 млн. руб/год; сценарий 2: 466 млн. руб/год; сценарий 3: 677 млн. руб/год. Если принять стоимость прокладки 1 погонного метра (м/п) трубопроводов малых диаметров (D ≤ 300 мм) равной 12 тыс. руб. вместе со стоимостью трубы, то тогда легко рассчитать, что на эти деньги можно заново построить за 1 год примерно: сценарий 1 – 10 км., сценарий 2- 38 км., сценарий 3- 56 км. Этот результат означает, что если для реконструкции сетей будут выделены достаточные начальные средства, то при грамотно спланированной работе экономический эффект можно получить очень быстро. Для этого все работы, на основе точной гидравлической модели сетей, следует начинать с периферийных районов, где имеется много предельно изношенных водоводов малых диаметров [4]. Полиэтиленовые трубы малых диаметров являются самыми дешевыми по цене и по стоимости трубоукладки, но обеспечивают резкое снижение объема потерь воды в сети и, следовательно, быстрый экономический эффект. Одновременно можно проводить эффективные мероприятия по реальному снижению расходов электроэнергии на насосных станциях. Сэкономленные таким образом средства можно уже направлять на расширение работ по модернизации сетей и постепенной замене труб больших диаметров [4]. В завершение данной работы мы хотели бы сделать одно замечание, касающееся гидравлической модели изношенных водопроводных сетей. Помимо сведений о локализации узлов сети и всех ее технических элементов, гидравлическая модель должна включать в себя базу данных, содержащую следующие сведения: 1. Графики суточного водопотребления для всех потребителей, отдельно для рабочих и выходных дней, летних и зимних. 2. Графики суточного колебания пьезометрических напоров в большинстве узлов сети. 3. Графики работы всех насосов водопроводных станций. 4. Толщина отложений δ на стенках труб разных диаметров, материалов и сроков эксплуатации. 5. Эквивалентная шероховатость Кэфф для труб разных диаметров, материалов и сроков эксплуатации. Только данные такого рода, составляющие сущность собственно гидравлической модели, и позволяют выполнять качественные гидравлические расчеты, пригодные для составления адекватных проектов модернизации водопроводной сети. Только такая гидравлическая модель позволит выбрать из множества вариантов те, которые сразу дадут ощутимые результаты. Однако, как показало проведенное здесь небольшое исследование, наличие в сети большого количества коррозионных отверстий может существенно повлиять на точность оценки всех параметров гидравлической модели. В первую очередь это касается точности оценок δ и Кэфф для всех участков сети, потому что оба этих параметра зависят от значений потоков в трубе и перепадов давлений на их концах, т.е. от тех величин, на которые непосредственно влияют массовые утечки из коррозионных отверстий. А влияние это, как было показано выше, вполне сопоставимо с основными процессами, происходящими в сетях, и имеет свойство усиливаться год от года. Поэтому, на наш взгляд, все-таки очень важно принимать во внимание массовые утечки, хотя их учет в рамках той или иной теоретической методики может сильно усложнить всю схему построения гидравлической модели. В одной из следующих статей мы подробно обсудим эту проблему в рамках разработанной в проекте SibStream методики построения гидравлической модели водопроводной сети. В настоящей работе мы провели исследование трех сценариев развития процессов старения водопроводных сетей. Все расчеты проводились на примере небольшой модельной сети, конструктивно подобной типичной водопроводной сети России. Было показано, что процессы деградации водопроводных сетей разрушают все рабочие характеристики изначально оптимально спроектированной сети. При этом даже частичное восстановление ее функциональности во всех узлах и районах требует затраты огромных средств, сравнимых с затратами на строительство новых сетей. По результатам исследования были сделаны следующие выводы: 1. При возникновении многочисленных утечек в водопроводных сетях происходят сильные и трудно устранимые изменения ее эксплуатационных характеристик. Установка дополнительных насосных станций не способна восстановить функциональность сети для все узлов- потребителей. 2. Подключение к сети дополнительных нагнетательных мощностей приводит к огромным дополнительным расходам воды и электроэнергии. 3. Дополнительные расходы обусловлены преимущественно объемом утечек из сети, и в малой степени – ростом расходов электроэнергии на насосных станциях. 4. Изменение режимов работы насосов в различное время суток не способно радикально снизить потери воды в изношенных сетях и, поэтому, снизить общие потери. 5. При составлении планов модернизации следует опираться на гидравлическую модель, в максимальной степени отражающую техническое состояние всех участков водопроводной сети во всех ее районах. 6. Все работы по восстановлению водопроводных сетей следует начинать с замены труб малых диаметров (D<300 мм), которые являются наиболее изношенными. Это позволит быстро и радикально снизить потери воды в сети и реально уменьшить расходы электроэнергии на насосных станциях. Литература 1. Программный комплекс SibStream: http://ofs-sibstream.ru/ 2. Сычев О.Ф. Износ водопроводных сетей и динамика роста затрат электроэнергии на их эксплуатацию. // http://townwater.ru 3. Хямяляйнен М.М., Юдин М.Ю. Комплексные гидравлические расчеты системы подачи воды Санкт-Петербурга // Водоснабжение и санитарная техника, 2006, № 9, с. 22-24. 4. Сычев О.Ф. Модернизация водопроводных сетей- с чего начинать? // http://townwater.ru 5. И.И. Першин. Что впереди: выход из кризиса или техногенная катастрофа? //Водоснабжение и санитарная техника, № 11, 2005, с. 44-47. 6. В.С. Ромейко Еще раз о трубопроводах жилищно - коммунального комплекса России. //Трубопроводы и экология, № 1, 2002 г. 7. В.С. Ромейко Почему буксует реформа ЖКХ или "где зарыта собака"? //Трубопроводы и Экология, № 3, 2002. 8. Л.А. Бобылев. В плену дырявых трубопроводов. //Трубопроводы и экология, № 4, 2004, с. 10.