что такое надежность системы водоотведения

Надежность систем водоснабжения

Под надежностью систем водоснабжения понимают их свойство выполнять функции водообеспечения потребителей, сохраняя во времени установленные эксплуа­тационные показатели в пределах, соответствующих заданным режимам и условиям эксплуатации.

Системы водоснабжения должны обеспечивать обслуживаемые объекты (города, промышленные и сельскохозяйственные предприятия) водой заданного качества в за­данных количествах, при поддержании требуемых напоров воды на всем тракте ее дви­жения: от водоприемников в водоисточнике до водоразборных устройств во внутренних водопроводах жилых зданий и промышленных предприятий. Выполнение всех предъявленных системе водоснабжения требований обеспечивает нормальный уровень качест­ва ее функционирования.

Для расчетов по оценке надежности различных устройств и элементов технических систем водоснабжения необходимо получение сведений об их фактической работе. Для стандартных изделий массового промышленного изготовления такие сведения получа­ют путем специально проводимых заводских испытаний задвижек, клапанов, пожарных кранов, насосов, электродвигателей и ряда других, механизмов и приборов.

Показатели надежности трубопроводов на водопроводной сети должны опреде­ляться для отдельных участков эксплуатируемых систем в результате длительных на­блюдений над их работой в процессе эксплуатации, фиксируя и обрабатывая статисти­ческие данные обо всех повреждениях и авариях. Для контроля, эксплуатации и плани­рования ремонтных работ полноценная система регистрации аварий и повреждений элементов системы является весьма важной.

Оценки надежности системы водоснабжения в целом, как и ее отдельных элемен­тов, имеют вероятностный характер. Численные показатели вероятности случайных со­бытий измеряются в долях единицы или в процентах.

П овышение надежности действующей системы водоснабжения достигают исполь­зованием высоконадежных и более долговечных труб, арматуры, установок электроза­щиты и др., резервированием этих элементов, эффективной организацией их эксплуата­ции и целенаправленным усовершенствованием систем управления процессами, проте­кающими в системе водоснабжения.

Системы водоснабжения относятся к многофункциональным, так как они должны обеспечивать не только подачу заданных количеств воды для различных категорий потребителей, но и требуемое ее качество и давление в точках отбора воды из системы.

За определенные периоды эксплуатации надежность этих систем может быть оценена отношением суммарной длительности периодов снижения качества функционирования к общему календарному сроку эксплуатации. При этом должна учитываться так же и глубина (степень) возможных снижений.

Существенное значение для оценки уровня надежности системы водоснабжения имеют также длительность и частота повторяемости периодов ухудшения функционирования.

Все системы водоснабжения, как промышленные, так и коммунальные, рассматриваются вместе и разбиты на три категории надежности:

II- величина допускаемого снижения подачи воды та же, что при I категории; длительность снижения подачи не должна превышать 10 сут. Перерыв в подаче воды или снижение подачи ниже указанного предела допускаются на время выключения поврежденных и включения резервных элементов или проведения ремонта, но не более чем на 6 ч;

Наиболее серьезное влияние на ухудшение работы систем водоснабжения могут иметь отказы источников водоснабжения, аварии водоприемных сооружений, прекращение подачи электроэнергии (в результате аварий в энергосистеме). Подобные события могут привести к отказам системы в целом.

Любая реальная система водоснабжения может пребывать в следующих основных (расчетных) состояниях:

Для каждой эксплуатируемой или запроектированной системы водоснабжении может быть численно оценено влияние отказов отдельных элементов и сооружений ил качество ее функционирования в целом, т.е. на процесс водообеспечения обслуживаемом объекта.

Источник

ВВЕДЕНИЕ. Надежность систем водоснабжения и водоотведения

Конспект лекций

Надежность систем водоснабжения и водоотведения.

Проф. МАЛЬЦЕВ А.И. РГОТУПС

Другими словами, под надежностью систем понимается их свойство выполнять функции водообеспечения, сохраняя во време­на установленные технологические показатели в пределах, соот­ветствующих заданным режимам и условиям эксплуатации, техни­ческого обслуживания и хранения.

Таким образом, физический смысл надежности состоит в спо­собности систем сохранять свои первоначальные технологические характеристики в процессе эксплуатации.

В то же время очевидно, что надежность систем зависит не только от продолжительности периода и условий эксплуатации, но и от того, какие функции выполняет система. Этипоказатели функционирования системы определяются рекомендациями нормативных документов по проектированию и строительству систем. Например, в СНИП 2.04.02-84 наряду с рекомендациями по определе­нию нормального уровня водообеспечения, указаны пределы его возможного снижения. С этой целью все системы водоснабжения в зависимости от вида потребителей подразделены на три катего­рии.

Элементы систем водоснабжения П категории, повреждения которых могут снижать подачу воды на пожаротушение, должны относиться к I категории.

В соответствие с определением надежности, если в результате каких-либо причин нарушается нормальное функционирование системы и происходит недопустимо длительный перерыв в подаче воды или снижение ее качества, то имеет место «отказ» системы. Причинами отказов могут быть самые различные случайные события: повреждения линий транспортирования воды (водоводов, магистралей сети), повреждения насосов, прекращение подачи электроэнергии на насосные станции, снижение уровня воды в источнике водоснабжения, загрязнение воды, тяжелые ледовые условия и т_.д_.

Основными и наиболее частыми причинами нарушений нормальной работы систем подачи и распределения воды являются аварий­ные повреждения отдельных сооружений или элементов и линий труб. Для быстрейшей ликвидации таких повреждений службы эксп­луатации водопроводов располагают аварийными бригадами, которые выезжают на место аварии и осуществляют требуемый ремонт.

Поскольку время возникновения отказов с момента начала работы систем водоснабжения, а также продолжительность ремонта оборудования этих систем являются случайными величинами, то численная оценка их надежности носит вероятност­ный характер и может быть получена путем расчета на основании теоретического анализа теории вероятностей и обработки статистических сведений, накопленных в ре­зультате эксплуатации названных оборудования и сооружений.

Основные направления развития теории надежности следующие:

1. Разработка методов количественного определения надежности и инженерных методов расчета ее показателей. Это математическая теория надежности.

2. Развитие методов сбора и обработки статистических данных о надежности. Работы в этом направлении послужили основой статистической теории надежности.

В настоящем пособии рассматриваются вопросы, относящиеся к первым двум пунктам, при этом основное внимание уделяется методам обработки статистики отказов, определению показателей надежности ремонтируемого и неремонтируемого оборудования, расчету показателей надежности сложных систем. Рассмотрены методы и примеры оценки эффективности работы основных водопроводных сооружений с учетом их надежности, а также даны рекомендации по обеспече­нию требуемого уровня надежности подачи воды. Следует отметить, что оценка надежности водопроводных и канализационных соору­жений имеет полную аналогию, т.е. для расчета надежности кана­лизационных сооружений используются аналогичные формулы и ме­тоды.

Рассматриваются также способы повышения надежности работы оборудования систем водоснабжения и водоотведения.

Источник

Коммунальный комплекс России

Ежемесячный деловой журнал

Свежий номер

Готовится к выпуску

Номер: 11 (209), ноябрь 2021
Размещение рекламы

Баннеры

Теория надежности в расчетах водопроводной сети

Евгений Гальперин,
кандидат технических наук, в прошлом – профессор кафедры водоснабжения и водоотведения Самарского архитектурно-строительного университета

Александр Стрелков,
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Водоснабжения и водоотведения» Самарского государственного технического университета

Надежность является важнейшим показателем уровня качества работы водопроводной сети. Это сознавали авторы первых редакций СНиПа по водоснабжению. В результате в этих документах появились требования в целях обеспечения надежности водоподачи сооружать для значимых объектов водоснабжения кольцевые водопроводные сети, лимитировать время их ремонта и др. В настоящее время в связи с появлением аппарата теории надежности выявилась недостаточность этих требований. Они не учитывают фактические условия работы водопроводной сети и не обеспечивают необходимый уровень ее надежности.

Теория надежности – наука, изучающая закономерности распределения отказов технических устройств и конструкций, причины и модели их возникновения. Изучает методы обеспечения стабильности работы объектов (конструкций, изделий, устройств, систем и т. п.) в процессе проектирования, производства, приемки, транспортировки, эксплуатации и хранения. Устанавливает и изучает количественные показатели надежности. Исследует связь между показателями эффективности и надежности.

В середине прошлого века общество столкнулось с проблемами в области надежности техники. В первую очередь – военной. Для разрешения возникших трудностей интуиции, здравого смысла и имеющегося на тот момент опыта оказалось недостаточно. В ответ на эти потребности общества была создана теория надежности.

Специалистами по расчету водопроводной сети была предпринята попытка применить аппарат теории надежности для повышения надежности водопроводной сети. С использованием накопленной статистики отказов были проведены исследования по определению параметра потока отказов (аварии) и восстановлению (ремонта) металлических трубопроводов.

В работе [1] приведены результаты обработки материала по эксплуатации водопроводов г. Москвы и еще четырех крупных городов СССР (Киев, Харьков, Запорожье, Ленинград). За основу были взяты технические отчеты московского водопровода, как содержащие наиболее полный материал по повреждению трубопроводов за последние 50 лет эксплуатации. Согласно результатам исследований [1] параметр потока отказов колеблется в пределах от 1,0 до 0,5 на 1 км в течение года (λ = 1 ÷ 0,5, 1/(км×год)). Близкие результаты получены другими исследователями.

Относительно времени ремонта имеется значительно меньше исследований, и их результаты сильно отличаются в зависимости от конкретных условий производства. На основе московского опыта рекомендуется пользоваться средним расчетным временем восстановления 26±2 часа. К сожалению, дальнейшее полезное использование элементов теории надежности в вопросе усовершенствования проектирования и расчета водопроводной сети остановилось. Этому обстоятельству способствовал ряд причин.

Противоречие требований и реалий
Первая из причин заключалась в том, что результаты проведенных исследований не были проанализированы и из них не извлекли полезных выводов. Если λ ≈ 1, 1/(км×год), то даже в небольшой сети, имеющей, например, 200 км труб, в течение года произойдет
200 аварий. Если предположить, что время ликвидации последствии одной неисправности равно одним суткам, то рассчитывать на исправное состоянии сети все время в течение года нереально. В то же время действующие нормы [2] при расчете водопроводных сетей рекомендуют принимать их в исправном состоянии. Налицо противоречие между нормативными требованиями и реалиями жизни.

Как разрешается это противоречие? Опыт научил проектировщиков, что если устанавливать диаметры труб в соответствии с существующими методиками и технико-экономическими расчетами, водопроводная сеть будет ненадежна. Потребителю в таком виде она не нужна, и он вскоре потребует ее реконструкции. Поэтому проектировщики сразу повышают надежность сети, увеличивая ее диаметры против расчетных, создавая тем самым резерв пропускной способности. Характерным примером такой практики может служить решение по обеспечению надежности водоснабжения заводской площадки ВАЗа в Тольятти: соорудить вокруг нее кольцо из двух параллельно проложенных водоводов d = 1000 мм каждый. Следует отметить, что в ходе эксплуатации этих водоводов из-за низких скоростей движения воды в них возникла проблема с застоем воды.

Тот факт, что в реальных условиях водопроводная сеть исправной практически не бывает, и скорости движения в трубах значительно меньше рекомендуемых методиками технико-экономического расчета, на основе фактических данных был высказан сравнительно давно [3; 4].
Рассмотрим график на рис. 1. Дни, в которые была отключена труба, на нем выделены черным цветом. В том случае, если время отключения составляло менее суток, при построении графика оно было принято равным одним суткам. За 2014 г. в этой части сети было произведено 82 отключения. В графике на рис. 1 соответственно 82 строчки. В неисправном состоянии рассматриваемая сеть находилась 139 дней, то есть 38% годового периода.

Статистические данные об условиях функционирования водопроводной сети убедительно свидетельствуют, что водопроводная сеть при существующих параметрах потока отказа и восстановления находиться постоянно в исправном состоянии практически не может.

В результате создания резерва пропускной способности трубопроводов за счет увеличения их диаметров, скорость движения воды в реальных водопроводных сетях существенно уменьшается по сравнению с экономической. Согласно [5] «гидравлические расчеты, выполненные на ЭВМ с использованием математической модели для водопроводной сети ряда микрорайонов Москвы, показали наличие низких скоростей движения воды по трубопроводам в течение суток – в основном от 0,01 до 0,2 и реже 0,3 м/с. Расчеты совпали с данными натурных измерений скоростей. Для магистральной водопроводной сети города также отмечено увеличение количества трубопроводов, работающих со скоростью 0,2–0,5 м/с».

В свое время был выполнен гидравлический расчет водопроводной сети г. Зеленограда (Московская область) для периода максимального часового водопотребления по существующему положению и при назначении диаметров труб на основании технико-экономических расчетов при той же структуре сети и величине узловых отборов. Результаты расчета представлены на рис. 2.

В нем по оси ординат показан процент суммарной длины труб определенного диаметра, а по оси абсцисс интервалы скоростей, с которыми вода движется в этих трубах. Выше линии ординаты указано существующее в то время положение (В-1), ниже линии ординат – результаты расчета при назначении диаметров на основе технико-экономических расчетов (В-2). В В-1 отключение участка водопроводной сети практически не приводит к снижению. Аналогичные действия в В-2 приводили к понижению свободного напора в сети по сравнению с требуемой величиной.

На территории Зеленограда находилось 10 водоснабжающих узлов, имеющих насосные станции II-го подъема с резервуарами. Установка на них оперативных резервных насосов позволила бы компенсировать понижение свободного напора при отключении участков в варианте В-2. Сравнение вариантов В-1 и В-2 показало, что В-2 по приведенным затратам экономичнее и требует в 1,82 раза меньше металла (в то время трубы из пластика только начали появляться).

Показатели надежности
Вторым обстоятельством, затрудняющим полезное использование аппарата теории надежности в соответствующих расчетах водопроводной сети, является отсутствие у многих специалистов по ее расчету ясности в вопросе, что такое надежность водопроводной сети.

В соответствии с ГОСТом [6] надежность определяется как «свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и транспортирования». Из определения следует, что для водопроводной сети показатель надежности должен выражаться временем обеспечения водой потребителя в нормальном режиме или сниженным, по сравнению с нормальным, в допустимых по нормативам пределах. При нормальном режиме у потребителя обеспечивается требуемый свободный напор и расчетный расход, тогда как при сниженном свободный напор в сети должен быть не менее 10 м, а снижение расчетного расхода допускается не более чем на 30%.

Надежность является комплексным показателем, который формируется единичными показателями ее свойств: безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью, сохраняемостью. Каждое свойство характеризуется рядом показателей. Комплексный показатель надежности определяется несколькими ее свойствами одновременно.

Например, такой показатель надежности как коэффициент технического использования определяется «отношением математического ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период» [6]. Очевидно, в процессе определения коэффициента технического использования участвуют такие единичные свойства надежности как безотказность и ремонтопригодность. Если отвлечься от строгой математической формулировки, то коэффициент технического использования водопроводной сети представляется отношением, в знаменателе которого – некий интервал времени, а в числителе – часть этого интервала, в период которого она полностью обеспечивала потребителей водой под требуемым напором и расчетным расходом. Теперь посмотрим, как в технической литературе трактуется надежность водопроводной сети.
В [7] утверждается, что «к основным показателям надежности участка трубопроводов относятся:

Все перечисленные здесь «основные показатели надежности» являются единичными показателями, а трубопровод – ремонтируемым изделием, надежность которого должна определяться комплексным показателем, сочетающим свойства безотказности и ремонтопригодности. С помощью перечисленных показателей нельзя определить, сколько времени трубопровод будет выполнять свою функцию на определенном интервале времени, то есть установить его надежность. Очевидно, изложенное в учебнике не дает представления, что такое надежность трубопровода и как использовать так называемые основные показатели для того, что бы ее определить.

Нормативные ошибки
Посмотрим, как вопросы надежности водопроводной сети отражены в нормативном документе [1]. Пункт 11.6 гласит: «При выключении одного участка (между расчетными узлами) суммарная подача воды на хозяйственно-питьевые нужды по остальным линиям должна быть не менее 70% расчетного расхода, а подача воды к наиболее неблагоприятно расположенным местам водоотбора – не менее 25% расчетного расхода воды, при этом свободный напор должен быть не менее 10 м».

Продемонстрируем, как это выглядит на примере водопроводной сети, изображенной на рис. 3. Предположим, что условия водоснабжения в узле 1 определяют надежность сети. При неисправности участка 10 он отключается, и в узле 1 возникает нехватка требуемого напора. Все или часть потребителей в нем оказываются без воды. Проходит некоторое время, участок 10 восстановлен, водоснабжение узла 1 нормальное. Через некоторый промежуток времени отказал участок 7, и вновь в узле 1 – нехватка требуемого напора и связанные с этим проблемы.

При отключении участка 10 длиной L10 км в течение года возникнет λ × L10 отказов в сети и, соответственно, столько же перерывов в нормальной подаче воды в узел 1. В течение года в узле 1 произойдет λ × ∑Li перерывов в подаче воды, где i – номер участка, выключение которого из работы приводит к понижению напора в узле 1 ниже требуемой величины или к прекращению подачи воды всем или части потребителей в узле 1. Если предположить, что в среднем время ремонта трубопровода будет составлять t суток, то в узле 1 потребитель будет испытывать недостаток воды в течение года

Нельзя исключить вероятность того, что отключение любого участка сети и водоводов от водопитателей приведет к снижению свободного напора в узле 1 ниже требуемой величины. Надежность водопроводной сети, изображенной на рис. 3, будет определяться как отношение (365 – t × λ × ∑Li)/365.

Представляет интерес установление численного значения надежности водопроводной сети, изображенной на рис. 3. Если принять среднюю длину участка сети 800 м, суммарную длину трубопроводов водопроводной сети на рис. 1 (вместе с водоводами) можно полагать 15 км. Согласно [7] на российских водопроводах параметр потока отказов

В г. Самаре λ ≈ 1, 1/(км×год), время ремонта трубопровода составляет в среднем двое суток. Следует иметь в виду, что Самара – город миллионщик, водопроводно-канализационное хозяйство которого эксплуатирует опытный многотысячный коллектив. В более мелких населенных пунктах уровень эксплуатации ниже. Будем полагать t = 2,25, λ = 1,25, тогда (365 – t × λ × ∑Li)/365 ≈ 0,88 годового периода. При этом в узле 1 потребитель может более 42 суток в течение года не получать воду. То есть в среднем – более трех суток в месяц или почти еженедельно.

В 2008 г. Министерство регионального развития РФ издало приказ № 48, подписанный тогдашним министром Дмитрием Козаком [8]. В Приложении № 1 «Показатели и индикаторы для проведения мониторинга выполнения производственных и инвестиционных программ в сфере водоснабжения» указан показатель, который определяется как «отношение количества часов представления услуг к количеству дней в отчетном периоде» [8, пп. 1.2.3 и 2.1.3]. Недостаток этого показателя в том, что его числитель и знаменатель даны в разных единицах времени. Если принять для них одинаковые единицы времени, то получится такой показатель надежности как коэффициент технического использования.

Приказ № 48 зарегистрирован в Минюсте РФ 27.06.2008, он опубликован 11.08.2008 в [9]. Этот приказ и его приложения являются результатом работы большого коллектива специалистов, и рекомендуемый в нем комплекс показателей охватывает достаточно полно область водоснабжения, но ни Минрегион, ни его приемник Минстрой не проявили настойчивости и воли во внедрении его в жизнь. Вместо этого появился приказ № 162 Министерства строительства и ЖКХ РФ, в котором «показателем надежности и бесперебойности водоснабжения является количество перерывов в подаче воды… в расчете на протяженность водопроводной сети в год (ед./км)» [10, п. 5].

Во-первых, хотелось бы отметить, что плодить множество документов, в которых одно указание противоречит другому – признак плохого управления. Во-вторых, показатель, предложенный Минстроем, является негодным. Для того, что бы это доказать, рассмотрим две системы водоснабжения, в которых этот показатель одинаковый. В первой системе большинство аварий вызывает перерыв в подаче воды у одних и тех же потребителей, во второй системе – у разных. Очевидно, надежность первой системы ниже, чем второй, хотя предложенный показатель одинаков. Кстати, в приказе № 48 Минрегиона присутствует такой же показатель, только он определяет не надежность, а аварийность. Вообще, при наличии развитой теории надежности, придумывать что-то доморощенное, «свое» – признак невысокой квалификации.

Выводы
1. Отсутствие в нормативных документах показателя надежности водопроводной сети приводит к неэффективному использованию средств. По России в целом эти потери составляют ежегодно миллиарды рублей и десятки тысяч тонн зарытых в землю малоэффективных трубопроводов.
2. Следует порекомендовать Минстрою РФ внимательнее отнестись к подбору кадров, занимающихся разработкой нормативно-технической документации, не путающих понятия «надежность» с «аварийностью».
3. Необходимо безотлагательно включить показатель надежности в нормативную базу проектирования объектов систем водоснабжения.
4. Требуется повысить уровень подготовки инженеров в способах обеспечения надежности водопроводной сети. Достигать этого следует не только резервированием пропускной способности трубопроводов (что ныне имеет место), но и использованием более эффективных методов: созданием оперативного резерва насосного оборудования на насосных станциях, временным резервированием и т.д.

Источник

Расчет надежности, безопасности и инвестиционной эффективности сети водоотведения

Аннотация

Приведены основные положения методики расчета надежности и безопасности транспортировки сточных вод на очистку при снижении инвестиционных затрат за жизненный цикл на примере сети водоотведения жилого городка, строящегося в поселке Осиновая Роща Ленинградской области. При технико-экономическом обосновании проектного решения системы отведения сточных вод определяются вероятностные показатели надежности для каждого элемента сети, затем вероятностные и параметрические показатели надежности сети. Далее, сравнивая указанные показатели, проводят выбор варианта устройства сети.

В поселке Осиновая Роща Ленинградской области строится жилой городок. Сети водоотведения подключаются к эксплуатируемой сети поселка, имеющей древовидную разветвленную структуру [1]. В соответствии с требованиями к охране окружающей среды, для обеспечения надежности и безопасности транспортировки сточных вод необходимо технико-экономическое обоснование проектного решения при снижении инвестиционных затрат за жизненный цикл сети водоотведения строящегося жилого городка.

Рассмотрим основные положения методики расчета надежности и безопасности транспортировки сточных вод. Согласно ГОСТ [2], надежность определяется как «…свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах… способность выполнять требуемые функции…». Безопасность – «…свойство объекта при эксплуатации… не создавать угрозу для окружающей среды, жизни и здоровья людей…». В данном случае объектом является разветвленная древовидная сеть водоотведения (рис. 1), которая рассматривается как система, состоящая из технологически взаимосвязанных элементов (участков труб с колодцами). Для этих элементов потребность в техническом обслуживании, прочистке, ремонте и санации является случайной величиной, зависящей от продолжительности и условий эксплуатации.

Для каждого элемента сети водоотведения определяются:

вероятностныепоказатели надежности – интенсивность отказов (заявок) λ_i и интенсивность ремонтов (обслуживания) μ_i – по накопленной при эксплуатации информационно-аналитической базе данных [3], содержащей паспорта участков, информацию по числу аварий и засоров на них, условиям и срокам эксплуатации, или по данным фирм-изготовителей и др.;

технологическийпоказатель надежности – расход q_i, отводимый по участку, – по результатам гидравлического расчета или диагностики эксплуатируемой сети.

При обосновании проектного решения, в отличие от участка, показателинадежностисети (вероятность нахождения ее в произвольный момент времени t в работоспособном, в частично неработоспособном, в неработоспособном состоянии; объем стока, отводимого на очистку) и показателибезопасностисети (риск чрезвычайной ситуации, объем сброса загрязненной сточной воды) рассчитываются по математическим моделям.

Выбор указанных показателей обусловлен тем, что они взаимосвязаны между собой и позволяют прогнозировать объем и трудоемкость работ при техническом обслуживании и ремонтах, потери сточной воды при транспортировке на очистку. Применяя их, определяется распределение за жизненный цикл интенсивности получения доходов (или расходов) от инвестиционного строительного проекта при сравнении по инвестиционной эффективности рассматриваемых вариантов устройства реконструируемой сети. Критерием выбора указанных показателей является соответствие их «…режимам и условиям эксплуатации сети…», а также требованию к расчетному расходу Q_рас(t) стока, отводимого, например за год, без угрозы для здоровья людей и окружающей среды.

При определении указанных показателей под работоспособным понимается состояние сети, когда отводимый расход Q_с (или объем сточных вод, отводимый за время t, например, за год) соответствует требованиям проектной документации, т. е. Q_с(t) = Q_рас(t). Под частичнонеработоспособным понимается состояние сети, при котором сточные воды транспортируются в неполном объеме, например по причине аварии, прочистки, технического обслуживания или санации одного или нескольких участков, при этом Q_рас(t) > Q_с(t) > 0. Под аварийным состоянием i-го участка понимается событие, когда отводимый им расход q_i ав = 0 или не соответствует расчетному расходу (q_i ав = αq_i, где 1 > α > 0). Под неработоспособным понимается состояние сети, при котором Q_с(t) = 0 или Q_с(t) 3 /год. При этом общая длина участков труб диаметром 150 мм равна 5086 м (58%), диаметром 200 мм – 683 м (8%), диаметром 250 мм – 703 м (8%), диаметром 300 мм – 1283 м (15%), диаметром 400 мм – 724 м (8%), диаметром 500 мм – 233 м (3%). Проектный расход сточной воды q_i на участках изменяется в пределах 0,15–171,1 л/с.

При определении вероятностных показателей надежности λ_i и μ_i учитывался опыт эксплуатации (по базе данных) сетей водоотведения населенных пунктов с численностью жителей до 10 тыс. чел., общей протяженностью труб диаметром 100–500 мм более 1 тыс. км. Классификация обследованных трубопроводов приведена на рис. 2.

Для обработки статистической базы данных на основе теоретических положений, рассмотренных в работах А. Н. Колмогорова, Б. В. Гнеденко, Ю. К. Беляева и др., разработан алгоритм. В его основу положено нахождение частоты отказов w_i * (∆t), приходящихся на 1 км трубопровода определенного диаметра. Выбор в качестве расчетной величины частоты отказов w_i * (∆t) вместо вероятности отказа (аварии или засорения) объясняется тем, что при ее определении учитываются все участки и колодцы сети, эксплуатируемые в интервале времени ∆t. При этом:

где N_i(∆t) – количество элементов (например, протяженность участков сети определенного диаметра) в интервале ∆t; n_i * (∆t) – количество аварий или засорений, имевших место за время ∆t.

Применяя указанные формулы, при известной длине сети и диаметре труб определены вероятностные показатели надежности для всех 398 участков сети: λ_уч = λ_к + λ_il и μ_уч = 8760/Т. Отдельные результаты расчета λ_уч и μ_уч с учетом засорения труб и восстановления колодцев приведены в таблице (на примере участков главной магистральной сети из асбестоцементных труб).

Навторомэтапе определяются вероятностные показатели надежности и безопасности сети. За расчетный принят режим эксплуатации, когда аварии и засорения устраняются по мере их появления. При этом элементы матрицы, описывающей случайный процесс перехода сети в возможные состояния, удовлетворяют условиям:

В соответствии с матрицей переходов, математическая модель случайного процесса изменения состояния сети из n участков представлена в виде:

где j – номер работоспособного, частично неработоспособного или неработоспособного состояния сети, 0 ≤ j ≤ m; m – число (состояний) уравнений; λ_j, μ_j – интенсивность аварий, ремонта сети при ее нахождении в j-ом состоянии; P_j(t) – вероятность нахождения сети в j-ом состоянии в произвольное время расчетного периода эксплуатации t. Здесь при j = 0, когда сеть находится в работоспособном состоянии:

получены формулы, по которым определяется вероятность нахождения сети в произвольный момент расчетного периода эксплуатации:

в работоспособном состоянии, когда все участки транспортируют сток

в частично неработоспособном состоянии, когда один из участков сети не отводит поступающий к нему расход сточных вод

в частично неработоспособном состоянии, когда одновременно несколько участков, например два участка сети под номером k, j, не отводят поступающий к ним расход сточных вод

где n – число участков проектируемой (эксплуатируемой) сети;

и прогнозировать отводимый сетью расход Q_с(t) (или сброс сточных вод), например за год, а также вид и трудоемкость работ при техническом обслуживании и ремонтах для расчета затрат на эксплуатацию за жизненный цикл.

Как показано на примере рассматриваемой сети из асбестоцементных труб, формулы (3) позволяют определять продолжительность эксплуатации t (рис. 3), после которой вероятностные показатели надежности можно рассчитывать по простым формулам [5]:

В таблице приведены результаты расчета по формуле (4в) вероятности K_гj чн 1 нахождения сети из асбестоцементных труб в произвольный момент эксплуатации в j-ом состоянии, когда i-й участок не отводит поступающий к нему расход сточных вод.

При расчете риска чрезвычайной ситуации Р чс (t) в качестве таковой принято неработоспособное состояние сети, при котором из-за аварийного отключения участков Y-го фрагмента перед канализационной насосной станцией городской сток не отводится, т. е. Q_с(t) = 0. Для определения риска появления чрезвычайной ситуации случайный процесс изменения состояния Y-го фрагмента, состоящего из трех участков (λ_1,2 при D = 400 мм, λ₃ при D = 500 мм), описывается матрицей переходов, элементы которой <λ_ij> удовлетворяют условиям:

где j – номер состояния фрагмента, 0 ≤ j ≤ m; m – число уравнений; λ_j – интенсивность аварий (заявок на ремонт) фрагмента в j-ом состоянии; P_j(t) – вероятность нахождения фрагмента в j-ом состоянии. При j = 0 фрагмент находится в работоспособном состоянии, а интенсивность его аварий:

При λ₁ = 0,049, λ₂ = 0,002, λ₃ = 0,019 1/год по формуле (6) определяется риск появления чрезвычайных ситуаций в течение года: Р чс (t) = 0,02. На рис. 4 представлена зависимость риска чрезвычайных ситуаций и вероятности появления других, частично неработоспособных, состояний Y-го фрагмента перед канализационной насосной станцией от продолжительности жизненного цикла сети.

Натретьемэтапе определяются параметрические показатели надежности и безопасности сети. Для расчета параметрическогопоказателянадежности сети – расхода стока Q_с(t), отводимого на очистку, матрица переходов ее в различные состояния (λ_ij, μ_ij) дополняется вектором расчетных расходов q_с, отводимых сетью в j-ом состоянии при отключении одного или нескольких участков:

где j – номер возможных состояний сети; _j, μ_j – интенсивность аварий, ремонта сети при ее нахождении в j-ом состоянии; Q_j(t) – расход стока, который отводится сетью при условии, что в начале расчетного периода она находилась в j-ом состоянии.

Решение уравнения (7) может выполняться численным и аналитическим методами [4]. Зная, согласно уравнениям (3), среднюю продолжительность пребываения сети во всех состояниях, при начальных условиях

получены следующие формулы для определения среднего расхода стока, отводимого сетью на очистку за время t:

в работоспособном состоянии

в частично неработоспособном состоянии, когда, например, один из участков сети под номером i не отводит поступающий к нему расход сточных вод

Как показано на примере рассматриваемой сети из асбестоцементных труб, производные по времени от полученных формул (8) позволяют определять продолжительность эксплуатации t (рис. 5), после которой расход стока Q_с(t), отводимого сетью на очистку в различных состояниях, можно вычислять по простым формулам:

где Q_с(t) – расход стока, отводимого сетью на очистку при нахождении ее в течение расчетного периода эксплуатации t в работоспособном состоянии; Q_сj чн 1 (t) – то же, в j-ом состоянии, когда i-й участок не отводит поступающий к нему расход; Q_с чн 1 (t) – то же, во всех частично неработоспособных состояниях за время t.

В таблице приведены результаты расчета по формуле (9б) расхода стока Q_сj чн 1 (t), отводимого сетью, когда i-й участок не отводит поступающий к нему расход сточных вод. Установлено, что для всей сети Q_с чн 1 (t) = 529 145 м 3 /год.

Для расчета параметрическогопоказателябезопасности сети – объема сброса (утечки) Q_сбр(t) неочищенной сточной воды в окружающую среду – матрица переходов ее в различные состояния (λ_ij, μ_ij) дополняется вектором расходов (таблица), которые не отводятся сетью при нахождении ее в j-ом состоянии из-за отключения на ремонт, прочистку, техническое обслуживание одного или нескольких участков:

где j – номер возможных состояний сети; λ_j, μ_j – интенсивность аварий, ремонта сети при ее нахождении в j-ом состоянии; Q_сбрj(t) – сбрасываемый расход (утечки) неочищенной сточной воды в окружающую среду при условии, что в начале расчетного периода сеть находилась в j-ом состоянии.

Объем сброса определяется решением уравнения (10) численным или аналитическим методом [4; 6; 7]. Для аналитического расчета получены простые формулы:

где Q_сбр чн 1 (t) – общий объем сброса стока во всех частично неработоспособных и неработоспособных состояниях сети; Q_сбрj чн 1 (t) – то же, в j-ом состоянии, когда i-й участок отключен; Q_сбрkj чн 2 (t) – то же, в j-ом состоянии, когда два участка отключены.

В отличие от повседневных режимов эксплуатации объем сброса Q_сбр чн (t) сточных вод при чрезвычайных ситуациях определяется [5] в зависимости от интенсивности μ_чс и продолжительности tработ по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций с требуемой доверительной вероятностью, например δ ≥ 0,95. На рис. 9 для Y-го фрагмента (перед канализационной насосной станцией) рассматриваемой сети из асбестоцементных труб показано, в каких пределах может изменяться Q чс _сбр(t) при чрезвычайных ситуациях.

Четвертыйэтап включает расчеты по обоснованию выбора варианта устройства сети, обеспечивающего надежность отведения воды по первой категории при снижении расходов за жизненный цикл инвестиционного строительного проекта. На стадии технико-экономического обоснования сравнение проводилось для двух вариантов устройства сети из асбестоцементных (дешевых) и пластмассовых (дорогих, но более надежных) труб. При этом расчет показателей надежности и безопасности для варианта сети с применением пластмассовых труб выполнялся в вышеуказанной последовательности.

Сравнение вероятности нахождения сети из различных материалов в течение года в работоспособном состоянии K_г(t) приведено на рис. 10, по риску Р чс (t) появления чрезвычайной ситуации – на рис. 11. Сравнение показало, что при применении асбестоцементных труб вероятность нахождения сети в произвольный момент расчетного периода эксплуатации t в работоспособном состоянии K_г(t) = 0,87, в частично неработоспособном состоянии K_г чн 1 (t) = 0,11. Риск появления чрезвычайной ситуации в течение года Р чс (t) = 0,02 и за жизненный цикл Р чс (t) = 0,34. Для сети из пластмассовых труб вероятность ее нахождения в работоспособном состоянии K_г(t) = 0,91, в частично неработоспособном состоянии K_г чн 1 (t) = 0,08. Риск появления чрезвычайной ситуации в течение года Р чс (t) = 0,01 и за жизненный цикл Р чс (t) = 0,17.

По результатам сравнения сделан вывод, что оба варианта устройства сети соответствуют требованиям надежности по первой категории – K_с(t) ≥ 0,95. В случае применения асбестоцементных труб годовой расход стока, отводимого сетью в частично неработоспособном состоянии, составляет Q_сj чн 1 = 529 145 м 3 /год, при использовании пластмассовых труб он снижается до 397 592 м 3 /год. При применении пластмассовых труб сброс неочищенных сточных вод Q_сбр(t) снижается с 92 826 до 67 634 м 3 /год, время нахождения сети в течение года в частично неработоспособном и неработоспособном состояниях – с 1150 до 780 ч.

С учетом полученных показателей надежности и безопасности рассматриваемых вариантов устройства сети выполнено сравнение их по эффективности инвестиционного строительного проекта за жизненный цикл. В качестве этого показателя принят чистый дисконтированный расход на строительство и эксплуатацию за жизненный цикл до 20 лет. Расчет выполнен при ставке дисконтирования 8% в случае собственного финансирования инвестиционного строительного проекта и 15% при кредитном финансировании банком или иностранным инвестором. При этом для сети из асбестоцементных труб (первый вариант) инвестиционная деятельность составила 27,5 млн. руб. при эксплуатационных затратах 20,2 млн. руб/год, для сети из пластмассовых труб (второй вариант) соответственно 31,9 млн. руб. при эксплуатационных затратах 15,5 млн. руб/год.

Результаты расчета распределения чистого дисконтированного расхода за жизненный цикл приведены на рис. 14. Инвестиции на строительство из более дорогих пластмассовых труб в начальном периоде инвестиционного строительного проекта (кривая 6) окупаются с экономией 25–42 млн. руб., в последующие периоды операционной деятельности (кривая 8) – за счет снижения трудоемкости работ по техническому обслуживанию и ремонту, а также уменьшения сброса неочищенных стоков.

Выводы

Разработанный метод позволяет выполнять расчет для технико-экономического обоснования проектного решения по обеспечению надежности, безопасности и снижению инвестиционных затрат за жизненный цикл при реконструкции сетей водоотведения с учетом требований к охране окружающей среды. Инвестиции (на примере рассматриваемой сети) на внедрение проектного решения позволят снизить чистый дисконтированный расход за жизненный цикл на 42 млн. руб. при ставке дисконтирования собственного финансирования 8% и на 25 млн. руб. при ставке дисконтирования финансирования инвестором 15%.

Источник