Надежность систем водоснабжения и водоотведения

Надежность является одним из важнейших свойств, которым должны обладать системы водоснабжения и водоотведения.

Надежность систем ВиВ города — комплексная характеристика, функционально определяющая работоспособность всех конструктивных звеньев, входящих в его состав: трубопроводов, оборудования трубопроводов (запорная, предохранительная арматура и пр.), сооружений на сети. Системы ВиВ должны быть запроектированы и устроены так, чтобы они удовлетворяли при нормальной работе (будучи полностью исправными) требованиям потребителей воды и чтобы уровень обеспечения потребителей не падал ниже установленного допустимого предела при возникновении в них любых возможных неисправностей. Указанное снижение уровня обеспечения абонентов может быть выражено в снижении количества подаваемой воды, снижении давления в критических точках водопроводной сети, ухудшении качества подаваемой или отводимой воды, изливе сточных вод на поверхность земли и т.д.

Начальным этапом работ по повышению надежности систем ВиВ является сбор первичной информации о них. К этой информации предъявляются следующие требования [5]:

полнота — наличие всех сведений, необходимых для оценки и анализа надежности как системы в целом, так и отдельных ее элементов;

достоверность — понятие, отражающее правильность сведений;

однородность — свойство информации, обеспечивающееся, если собираемые сведения отражают режим работы системы, условия эксплуатации, данные о ремонте, квалификации обслуживающего персонала и т.д. Она предполагает разделение признаков (событий), при которых происходят неисправности, на группы, обладающие одним и тем же свойством;

дискретность — требование, необходимое в связи с тем, что надежность системы характеризуется набором показателей и для их расчета приходится иногда использовать одно и то же сообщение, но связанное с разными признаками, при которых возникает неисправность. Так, показатели надежности элементов, составляющих системы, и система в целом могут быть оценены по информации о надежности элементов. При несоблюдении требований дискретности информация может быть использована только однократно, а для определения других показателей должна собираться заново;

своевременность — основа для принятия корректирующих решений относительно процесса изготовления оборудования и постройки систем ВиВ. Необходимость выполнения этого условия вытекает из назначения собираемой информации;

непрерывность — создание непрерывного потока достоверной информации о работе и неисправностях системы водоснабжения в процессе ее эксплуатации; является одним из основных требований к системе организации учета и сбора данных о надежности.

Время наблюдений и сбора информации о надежности в целом систем ВиВ в условиях их эксплуатации можно ограничить временем, достаточным для проявления характерных отказов всех элементов систем (три года).

Для получения достоверной информации должен быть организован инструктаж работников, ведущих записи в журналах наблюдений.

Важным элементом работы по сбору информации о надежности системы ВиВ является изъятие отказавших деталей арматуры и оборудования для последующего анализа причин их отказов.

Прежде всего это относится к такому быстроходному оборудованию, как насосы и электродвигатели.

Критерием, определяющим минимальное число объектов наблюдений, является погрешность в определении показателей надежности. Однако на начальном этапе наблюдения, при отсутствии данных по законам распределения показателей надежности систем ВиК, минимальное число объектов наблюдений N следует определять так называемым непараметрическим методом по принятым значениям доверительной вероятности (3 и вероятности безотказной работы ДО- По табл. 1.1 находят минимальное число объектов наблюдения [5].

Таблица 1.1

Зависимость минимального числа объектов наблюдения от вероятности безотказной работы и доверительной вероятности

К основным показателям надежности трубопроводов относятся:

• ?i(t) — интенсивность отказов, 1/год -км;
• — среднее время восстановления (ликвидации аварии),ч;

Т — наработка на отказ (среднее время работы участка трубопровода между отказами), лет;

P(t) — уровень надежности — вероятность безотказной работы

в пределах заданного времени эксплуатации /;

Q(t)= 1 — ДО — вероятность отказа.

Вероятности отказа и безотказной работы выражаются в долях единицы или процентах.

Интенсивность отказов участка трубопровода характеризует плотность вероятности возникновения отказа в рассматриваемый момент времени (т.е. риск появления отказа). Интенсивность от-

казов участков трубопроводов определяется по результатам сбора и статистической обработки эксплуатационных данных об отказах:

где п — количество отказов (аварий с раскопкой) участков трубопроводов из определенного материала и определенного диаметра за период времени эксплуатации /; ^ Д — суммарная

длина всех участков трубопроводов каждого диаметра и материала.

Для трубопроводов сетей ВиВ города в качестве математической модели, описывающей закон распределения потока отказов их участков и позволяющей на практике прогнозировать число отказов и вероятность их возникновения, принимается простейший поток случайных событий, описываемый законом Пуассона [5,6].

При этом вероятность того, что в течение интервала времени t произойдет п отказов участка трубопровода оценивается выражением

п

Вероятность того, что в интервале времени / не будет ни одного отказа участка трубопровода длиной I, определяется по формуле

РЦ)=е~^х‘¹.

Распределение времени безотказной работы участка трубопровода длиной Ь описывается следующим выражением:

XL

Т=P(t)dt

о

Продолжительность восстановления (ремонта) участков трубопроводов сети описывается выражением

F(t) = 1 где m =--интенсивность восстановления.

При наличии достаточных статистических данных о фактическом времени восстановления участков трубопроводов значение /_в определяется по формуле

где / — продолжительность восстановления /-го участка сети.

Надежность сложной механической системы следует оценивать как для системы в целом, так и по составляющим систему элементам. С этой целью систему следует условно разбить на группы элементов с таким расчетом, чтобы количество возможных отказов внутри каждой группы было минимальным.

Например, для систем водоснабжения такими группами являются:

• • водоприемные сооружения подземных вод;
• • водоприемные сооружения на поверхностных источниках;
• • трубопроводы;
• • запорно-регулирующая арматура;
• • насосное оборудование;
• • электрооборудование, автоматика и приборы контроля;
• • водонапорные башни и резервуары;
• • очистные сооружения;
• • здания и вспомогательные сооружения.

При выборе номенклатуры показателей надежности необходимо учитывать, что надежность систем ВиВ характеризуется безотказностью, ремонтопригодностью и долговечностью. Основным методическим документом, регламентирующим выбор показателей надежности, является «Инструкция по созданию информационной базы подсистемы технической эксплуатации водопроводно-канализационных сетей в условиях функционирования АСУ». (М.: Минжилкомхоз РСФСР, АКХ, 1983.)

Для оценки надежности систем ВиВ в целом достаточно следующих показателей [4, 5]:

• Коэффициент готовности — вероятность того, что система ВиВ будет работоспособна в произвольно выбранный момент времени:

• Коэффициент технического использования, характеризующий одновременно безотказность и ремонтопригодность системы:

/

сум

/с ум + / рем + t обсл

где /_сум — суммарная продолжительность производительной работы за период наблюдения; /₀бслИ /_рем — время, затраченное соответственно на техническое обслуживание и ремонт.

• Наработка на отказ — показатель безотказности:

где N— число систем, за которыми ведется наблюдение; //—наработка на отказ /-й системы.

• • Среднее время восстановления — показатель ремонтопригодности:
  • 1 ^п

T_K=-t Ь,

ntt

где /_в, — среднее время восстановления /-го отказа.

• Ресурс (гамма-процентный) /_у — показатель долговечности. Выражение для гамма-процентного ресурса в общем случае имеет вид:

У

100'

Это означает, что с вероятностью Р ресурс, равный /₇, имеет у процентов действующих систем ВиК. Число у, таким образом, является регламентированной вероятностью.

Например, если установлен 90%-ный ресурс между капитальными ремонтами в виде Д/₇)=10 000 ч, то 90% оборудования данного типа, смонтированного в системе водоснабжения, отработает безотказно в течение 10 000 ч и лишь 10% оборудования потребует ремонта ранее установленного срока.

Надежность работы самотечной водоотводящей сети характеризуется частотой образования засоров и количеством осадка в трубопроводах, вызывающим необходимость в их профилактической прочистке, а также увеличение трудовых затрат на основные операции по обслуживанию сетей [6,7].

Отказ — это событие, после которого система перестает выполнять свои функции. Неудовлетворительная работа, отказ или авария системы приводят к изливу неочищенных сточных вод на поверхность и их поступлению в водоемы. Это нарушает их санитарный режим, ухудшает качество питьевой воды и может вызвать эпидемию.

Продолжительность восстановления зависит от характера повреждения, места аварии и его удаленности от центра обслуживания, характера грунтов и уличных покрытий, глубины укладки труб, их диаметра и типа стыков, а также квалификации рабочих.

Факторами, влияющими на частоту образования засоров, являются в первую очередь диаметр, уклон и наполнение трубопроводов.

Исследование интенсивности отказов трубопроводов сети показало, что она подчиняется уравнению [8] в зависимости:

а) от диаметров трубопроводов сети:

л Л 1 _ •

б) уклона трубопроводов сети:

В

*г’

где А и В — эмпирические коэффициенты, зависящие от уровня эксплуатации; пит — показатели степени, зависящие соответственно от вида города и диаметра трубопроводов; //, — диаметр /'-го участка трубопровода; — уклон /-го участка трубопровода.

Интенсивность отказов для водоотводящей сети в целом имеет вид:

610⁴ 4² \% Ji