Проектирование системы объединенного хозяйственно-противопожарного водопровода населенного пункта и железнодорожной станции

Введение. Актуальность и цели курсового проектирования

Системы водоснабжения являются краеугольным камнем современной городской и промышленной инфраструктуры, обеспечивая базовые потребности человека и стабильность технологических процессов. Их надежность и эффективность напрямую влияют на качество жизни населения, санитарно-эпидемиологическую обстановку и экономическое развитие территорий. Проектирование таких систем — сложная инженерная задача, требующая комплексного подхода и точных расчетов.

Ключевая проблема, рассматриваемая в данном курсовом проекте, заключается в необходимости создания объединенной системы водопровода, которая бы одновременно и бесперебойно удовлетворяла разнородные нужды. С одной стороны, это хозяйственно-питьевые потребности жителей населенного пункта, а с другой — специфические производственные нужды крупного инфраструктурного объекта, такого как железнодорожная станция. Кроме того, система должна гарантированно обеспечивать подачу расчетного расхода воды на цели наружного пожаротушения, что является абсолютным приоритетом для безопасности.

Целью настоящей курсовой работы является разработка проекта объединенного хозяйственно-противопожарного водопровода для условного населенного пункта и расположенной в нем железнодорожной станции на основе нормативных требований СНиП.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие конкретные задачи:

1. Проанализировать исходные данные по объекту проектирования.
2. Выполнить расчет водопотребления для всех групп потребителей (население, промышленность, полив).
3. Определить расчетные расходы воды на противопожарные нужды.
4. Проанализировать суточную и часовую неравномерность водопотребления.
5. Разработать и обосновать принципиальную схему водопроводной сети.
6. Выполнить гидравлический расчет кольцевой водопроводной сети.
7. Подобрать основное технологическое оборудование: насосы и водонапорную башню.
8. Составить спецификацию оборудования и материалов.

Структура работы отражает логическую последовательность инженерного проектирования. Начиная с анализа исходных данных, мы последовательно переходим к расчетам расходов, гидравлическому моделированию сети и, наконец, к подбору конкретного оборудования, что позволяет создать целостный и технически обоснованный проект.

Раздел 1. Анализ исходных данных и общая характеристика объекта

Основой для любого проекта служат исходные данные, которые определяют все последующие инженерные решения. В рамках данной работы рассматривается населенный пункт с прилегающей к нему железнодорожной станцией. Генеральный план объекта представляет собой жилую застройку различной этажности и промышленную зону.

Характеристика жилой застройки:

Жилой сектор представлен зданиями с разной степенью благоустройства, что напрямую влияет на нормы водопотребления. Для корректного расчета необходимо классифицировать застройку. Например, для зданий, оборудованных внутренним водопроводом и канализацией, но без ванн, норма водопотребления составляет 125-160 л/сут на человека. Для зданий с ваннами и централизованным горячим водоснабжением этот показатель значительно выше — 230-350 л/сут. Общая численность населения является ключевым параметром для определения суммарного хозяйственно-питьевого расхода.

Характеристика промышленных объектов:

Главным промышленным потребителем является железнодорожная станция. Ее водопотребление складывается из нескольких составляющих:

• Хозяйственно-питьевые нужды рабочих: Рассчитываются на основе числа сотрудников в максимальную смену с нормой 25 л/смену на человека.
• Расход на душевые: Зависит от количества рабочих, пользующихся душами после смены, и санитарной характеристики производственных процессов. Норма составляет 45 л/смену на одного человека.
• Технологические нужды: Включают обмывку подвижного состава, заправку тепловозов и другие специфические операции, расходы на которые определяются по технологическим регламентам.

Источник водоснабжения:

В качестве источника водоснабжения принята река. Важнейшими характеристиками источника являются его гарантированный дебит (минимальный расход воды в самый засушливый период), который должен с запасом покрывать все потребности, и его санитарное состояние. Расположение водозаборных сооружений относительно потребителей определяет протяженность водоводов и, как следствие, гидравлические потери.

Сводные исходные данные для удобства расчетов представлены в таблице:

Исходные данные для проектирования

Параметр	Значение
Численность населения	[Пример: 15 000 человек]
Степень благоустройства	Централизованное ГВС, ванны
Количество рабочих ж/д станции (макс. смена)	[Пример: 450 человек]
Источник водоснабжения	Река, расположенная в 2 км от объекта

Раздел 2. Определение расчетных расходов воды для всех групп потребителей

Первым и ключевым этапом расчетов является определение суммарного водопотребления. Расчет ведется раздельно для каждой группы потребителей в соответствии с нормами СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения».

1. Хозяйственно-питьевые нужды населения

Расход воды для жилого сектора определяется как произведение численности жителей на удельную норму водопотребления. Расчет выполняется для среднего и максимального суточного потребления.

2. Нужды промышленных предприятий (ж/д станция)

Суммарный расход для станции включает:

• Расход для рабочих: (Число рабочих) × (Норма на человека).
• Расход для душевых: (Число пользующихся душем) × (Норма на 1 человека).
• Производственные нужды: Рассчитываются отдельно по технологическим картам.

3. Полив территории

Расход воды на полив зеленых насаждений, проездов и площадей учитывается только в летний период и рассчитывается исходя из площади полива и установленных норм.

4. Противопожарные нужды

Это критически важный расчет, определяющий максимальную производительность сети. Расход на наружное пожаротушение зависит от категории зданий по пожарной опасности и их строительного объема. Для населенного пункта с числом жителей более 10 тыс. человек расчетное количество одновременных пожаров принимается равным двум. Суммарный расход на пожаротушение складывается из расхода на два одновременных пожара и максимального хозяйственно-питьевого потребления.

Итоговые данные по водопотреблению сводятся в таблицу.

Сводная таблица суточных расходов воды, м³/сут

Потребитель	Среднесуточный расход, м³/сут	Максимально-суточный расход, м³/сут
Население	[Расчетное значение]	[Расчетное значение]
Ж/д станция	[Расчетное значение]	[Расчетное значение]
Полив территории	[Расчетное значение]	[Расчетное значение]
Итого	[Суммарное значение]	[Суммарное значение]

Раздел 3. Анализ и расчет режимов водопотребления

Суточное водопотребление не является постоянной величиной. Оно колеблется в течение суток, достигая пиков утром и вечером, и снижаясь до минимума ночью. Этот фактор необходимо учесть для правильного подбора насосов и расчета объема регулирующих емкостей. Для этого вводятся коэффициенты неравномерности.

• Коэффициент суточной неравномерности (Kсут_макс): Показывает отношение максимального суточного потребления к среднему. Обычно его значение составляет 1.1–1.3.
• Коэффициент часовой неравномерности (Kч_макс): Показывает отношение максимального часового расхода в сутки максимального водопотребления к среднему часовому расходу за те же сутки. Его значение может достигать 2.5–3.0, особенно для промышленных предприятий с четким графиком смен.

Анализ режимов водопотребления выполняется в несколько этапов:

1. Строится отдельный график часового водопотребления для жилого сектора.
2. Строится график часового водопотребления для железнодорожной станции, который имеет ярко выраженные пики, связанные с началом и концом смен и технологическими операциями.
3. Путем сложения этих двух графиков получается суммарный график водопотребления населенного пункта.

Именно этот итоговый график позволяет определить максимальный и минимальный часовые расходы, которые должна обеспечивать система. Максимальный часовой расход является исходной величиной для гидравлического расчета сети, а разница между подачей насосной станции и текущим потреблением определяет динамику наполнения и опорожнения водонапорной башни.

Раздел 4. Выбор и обоснование схемы водопроводной сети

Схема водопроводной сети — это ее конфигурация на местности. Существует два основных типа сетей: тупиковая и кольцевая.

Тупиковая схема представляет собой древовидную структуру, где вода движется к потребителю только по одному пути. Она дешевле в прокладке, но крайне ненадежна: любая авария на участке оставляет без воды всех последующих потребителей. Кольцевая схема, в свою очередь, предполагает создание замкнутых контуров, благодаря чему вода может поступать к любой точке как минимум с двух направлений. Это значительно повышает надежность системы, позволяя отключать отдельные участки на ремонт без прекращения водоснабжения остальных.

Для проектируемой объединенной системы, обслуживающей как жилой сектор, так и ответственный промышленный объект, выбор однозначно делается в пользу кольцевой схемы.

Процесс разработки схемы включает следующие шаги:

• На генеральный план наносятся трассы магистральных и распределительных трубопроводов, которые образуют замкнутые кольца, охватывающие всю территорию.
• Определяется диктующая точка сети. Это наиболее невыгодная с гидравлической точки зрения точка, обычно самая удаленная от насосной станции и/или расположенная на наибольшей геодезической отметке. Именно для этой точки необходимо обеспечить требуемый свободный напор.
• На плане обосновывается размещение насосной станции II подъема и водонапорной башни. Башню, как правило, стремятся разместить на самой возвышенной части территории.
• Вся сеть разбивается на расчетные участки, а места их соединений (точки отбора воды) нумеруются как узлы. Эта схема становится основой для следующего этапа.

Раздел 5. Гидравлический расчет водопроводной сети

Гидравлический расчет — самый трудоемкий и ответственный этап проектирования. Его цель — определить диаметры труб на всех участках сети, чтобы обеспечить подачу требуемого количества воды под необходимым напором при экономически обоснованных скоростях.

Методика расчета кольцевой сети включает следующие шаги:

1. Определение расчетных расходов: Для каждого узла сети определяется узловой расход (вода, отбираемая непосредственно в данной точке), а для каждого участка — путевой расход (вода, разбираемая по его длине).
2. Предварительное распределение потоков: Задаются начальные направления и величины потоков воды по всем участкам колец так, чтобы для каждого узла соблюдался баланс притока и оттока.
3. Расчет потерь напора: Для каждого участка по формуле Дарси-Вейсбаха или с помощью гидравлических таблиц (например, таблиц Шевелева) вычисляются потери напора. При этом скорости движения воды должны находиться в рекомендуемом диапазоне 0.7–1.5 м/с для обеспечения экономичности и предотвращения заиливания.
4. Увязка колец: Проверяется основное условие для замкнутого контура: алгебраическая сумма потерь напора по часовой и против часовой стрелки должна быть равна нулю (с допустимой невязкой). Если условие не выполняется, расходы в кольцах корректируются, и расчет повторяется. Этот итерационный процесс продолжается до достижения сходимости (например, по методу Лобачева-Кросса).
5. Определение окончательных параметров: По итогам увязки определяются окончательные диаметры труб, скорости воды и потери напора для режима максимального водопотребления.

После этого выполняется проверочный расчет сети на случай пожара. К расходу в диктующей точке добавляется пожарный расход, и система проверяется на способность обеспечить подачу воды с сохранением минимально допустимого свободного напора на нужды пожаротушения.

Раздел 6. Проектирование насосной станции и регулирующей емкости

Результаты гидравлического расчета дают ключевые параметры для подбора оборудования: требуемую производительность насосной станции и необходимый напор.

Подбор насосов для станции II подъема:

Рабочая точка насосной станции определяется ее подачей (Q), равной максимальному часовому расходу воды, и напором (H), который должен компенсировать все гидравлические потери в сети и обеспечить требуемый свободный напор в диктующей точке. По этим параметрам (Q и H) по каталогам производителей подбираются насосные агрегаты. Обычно устанавливают несколько рабочих насосов и один или два резервных. Для визуализации совместной работы строится график характеристик сети и насосов, пересечение которых и определяет фактическую рабочую точку.

Расчет водонапорной башни:

Водонапорная башня выполняет несколько функций: создает стабильный напор в сети, выравнивает работу насосной станции и хранит запасы воды. Ее полный объем складывается из трех составляющих:

• Регулирующий объем: Компенсирует разницу между постоянной подачей насосов и переменным водопотреблением в течение суток. Рассчитывается на основе интегрального графика водопотребления.
• Противопожарный объем: Неприкосновенный запас, гарантирующий тушение пожара в течение 10 минут до выхода насосной станции на пожарный режим.
• Аварийный объем: Запас на случай кратковременного отключения электроэнергии или аварии на водоводе.

Высота башни определяется из условия, что уровень воды в ней должен быть достаточным для создания минимально необходимого свободного напора в диктующей точке сети даже в час максимального водопотребления.

Раздел 7. Составление спецификации оборудования и материалов

На заключительном этапе все принятые в проекте решения систематизируются в виде единой спецификации, которая является основным документом для заказа материалов и проведения строительных работ. Спецификация должна быть максимально детализированной и включать следующие разделы:

1. Трубы:

Составляется таблица с перечнем всех используемых трубопроводов с указанием материала (например, сталь, чугун, ПВХ), диаметра, толщины стенки и общей протяженности по каждому типоразмеру.

2. Фасонные части и арматура:

Перечень включает все соединительные элементы и арматуру, необходимую для монтажа и эксплуатации сети:

• Отводы, тройники, переходы, муфты.
• Задвижки (для отключения участков).
• Вантузы (для удаления воздуха из верхних точек сети).
• Пожарные гидранты с указанием мест их установки.

3. Оборудование насосной станции:

Представляется спецификация на основное и вспомогательное оборудование:

1. Насосные агрегаты (марка, подача, напор, мощность электродвигателя).
2. Всасывающие и напорные трубопроводы обвязки.
3. Запорная и обратная арматура.
4. Система автоматического управления (шкаф управления).

4. Строительные конструкции:

Включаются материалы для строительства водопроводных колодцев, камер переключений и фундамента насосной станции.

Заключение. Основные результаты и выводы по проекту

В ходе выполнения курсового проекта была решена комплексная задача по разработке объединенной системы хозяйственно-противопожарного водоснабжения для населенного пункта и железнодорожной станции. Поставленная во введении цель была полностью достигнута.

На основе анализа исходных данных и нормативных требований были получены следующие ключевые результаты:

• Рассчитаны суммарные суточные и часовые расходы воды для всех потребителей с учетом режимов неравномерности.
• Обоснована и спроектирована надежная кольцевая схема водопроводной сети, обеспечивающая бесперебойную подачу воды.
• Выполнен полный гидравлический расчет сети, по результатам которого определены оптимальные диам��тры труб для всех участков (от [минимальный диаметр] до [максимальный диаметр] мм).
• Проведен проверочный расчет, подтвердивший работоспособность системы в чрезвычайном режиме пожаротушения.

На основе расчетов было подобрано основное технологическое оборудование:

Насосная станция II подъема укомплектована насосами марки [Пример: Д 200-90] с производительностью [значение] м³/ч и напором [значение] м. Общий объем водонапорной башни составляет [значение] м³, а ее высота — [значение] м.

Таким образом, можно сделать вывод, что спроектированная система водоснабжения полностью и с необходимым запасом надежности обеспечивает потребности населенного пункта и железнодорожной станции во всех режимах эксплуатации. Проект выполнен в строгом соответствии с действующими нормативными документами, такими как СНиП 2.04.02-84, и может служить основой для разработки рабочей документации.

Список использованных источников и Приложения

При выполнении проекта использовалась нормативная, учебная и справочная литература. Основополагающими документами являлись:

1. СНиП 2.04.02-84* Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
2. СНиП 2.04.01-85* Внутренний водопровод и канализация зданий.
3. Абрамов Н.Н. Водоснабжение: Учебник для вузов. — М.: Стройиздат, 1982.
4. Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий / Под ред. Н.И. Ласкова. — М.: Стройиздат, 1980.
5. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб / Под ред. Ф.А. Шевелева. — М.: Стройиздат.
6. Каталоги насосного оборудования.

Графическая часть проекта, детализирующая принятые решения, представлена в следующих приложениях:

• Приложение А: Генеральный план системы водоснабжения с нанесением трасс водоводов, сети и расположения основных сооружений.
• Приложение Б: Аксонометрическая расчетная схема водопроводной сети с указанием номеров узлов, длин и диаметров участков.
• Приложение В: Продольный профиль по диктующему направлению сети с указанием геодезических отметок, напоров и пьезометрической линии.
• Приложение Г: Схемы и конструкции типовых водопроводных колодцев (с установкой гидранта, задвижек, вантуза).
• Приложение Д: План и разрезы насосной станции II подъема с компоновкой основного и вспомогательного оборудования.

Список используемой литературы

1. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1965. 136 с.
2. СНиП 2.04.01-85. Внутренний водопровод и канализация зданий. Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. 56 с.
3. Балыгин В. В., Крыжановский А. Н. НАСОСЫ: Каталог-справочник. — Новосибирск: НГАСУ, 1999. – 97 с.
4. Шевелев Ф. А., Шевелев А. Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб: Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1984. 116 с.
5. Абрамов Н. Н. Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1982, 440 с.
6. Расчет водопроводных сетей: Учебное пособие для вузов/ Н. Н. Абрмов., М. М. Поспелога, М. А. Сомов и др. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1983. 278 с.
7. Водоснабжение и канализация на железнодорожном транспорте / Под ред. В. С. Дикаревского. М.: Транспорт, 1903. 279 с.
8. Водоснабжение населенного пункта и железнодорожной станции: Метод. указ. по выполнению курсовой работы. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 1990. – 67 с.
9. Водоснабжение населенного пункта и железнодорожной станции: Метод. указ. по выполнению курсовой работы / Сост. Кунц К. Л., Ким И. Л. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2014. – 50 с.