Kanalizacja podciśnieniowa – cz. II

Wymiarowanie tej kanalizacji wciąż jest przedmiotem dyskusji.

Firmy zasłaniają się tajemnicą i nie dołączają do dokumentacji obliczeń. Autor tego tekstu usiłował się dowiedzieć, dlaczego tak się dzieje, i uzyskał odpowiedź, że strona polska nie dopominała się o taką dokumentację (sic!). Również nie uzyskano odpowiedzi na pytanie, dlaczego w jednych projektach rurociągi ułożone są zgodnie z ułożeniem A, a w innych B (rys. 6, część I, „IB” nr 3/2011). Na pytanie, jak wpływa średnica na sprawność sieci, nie uzyskano odpowiedzi. Na pytanie, jak wpływa wysokościowe zorientowanie studzienka – stacja pompowo–próżniowa, otrzymano odpowiedź: tego firmy też nie liczą.

 

W 2004 r. Komisja Specjalna ATV ds. Kanalizacji Podciśnieniowej podała nowe kryterium wymiarowania [5]. Wywodzi się ono ze stosunku powietrze/ścieki. Autor zastosował tę metodę do zwymiarowania tej samej sieci co w materiałach ATV z 1992 r. Wynik był dokładnie ten sam jak przy metodzie z 1992 r. Również kryterium stosunku powietrze/ścieki okazało się kryterium zryczałtowanym. Samo kryterium jest niejasne, stosunek ten zależy bowiem od podciśnienia w stacji podciśnieniowej, wydatku zaworu (o którym materiały ATV nie wspominają) oraz czasu otwarcia zaworów. Określenie „stosunek powietrze/ścieki” sugeruje, że oba media są zasysane równocześnie, a tak nie jest. Jedynie zawór Schluffa zasysa równocześnie powietrze i ścieki, gdzie takie kryterium miałoby sens.

 

Tab.Wyniki obliczeń wg wytycznych polskich, niemieckich i amerykańskich [7]

Rodzaj metody	Średnica przewodu d [mm]	Objętość zbiornika próżniowego Vz[m3]	Wydajność pomp próżniowych Qpp[dm3/s]	Wydajność pomp ściekowych QPS[dm3/s]
Niemiecka (ATV)	80	20	0,115	0,04
Amerykańska (EPA, AIRVAC)	100	3,08	33,23	4,2

 

Według EPA (Airvac) minimalna manometryczna wysokość ssania w stacji próżniowej, równa 5,5 m sł. wody, powinna pokonać sumę różnic między rzędną dna rury w lokalnie najwyższym punkcie a stacją próżniową (suma wysokości takich „zębów piły”), powiększoną o stratę hydrauliczną na długości tego odcinka oraz o wielkość minimalnego podciśnienia utrzymującego zawór w stanie zamkniętym – czyli od 1,5 do 2,0 m sł. wody [2]

 

I * L + Σ h_strat + (1,50–2,0)

≤ 5,5 m sł. wody

 

Dla pewnej analizowanej sieci Σ h_strat wynosi 6,27 m (wg profilu podłużnego powykonawczego), co przy długości sieci 942 m (dla poszczególnych średnic odpowiednio Ø 90 – L = 189 m, Ø 110 – L = 296 m, Ø 160 – L = 457 m) i pomierzonego ssania w końcowym zaworze 3,43 l/s powinno dać wg Airvac

 

I * L+ Σ h_strat = (189 * 0,017 + 296 * 0,0062 + 457 * 0,00099) + 6,27 m =

= 13,76 + 6,27 m = 20,03 m

 

Jest to wartość większa od kryterium Airvaco 14,54 m od kryterialnego 5,5 m,czyli sieć nie powinna pracować, a jednak pracowała bez problemu.

 

Charakter przepływu, jego cykliczność i absolutna stochastyczność nie pozwalają na jednoznaczne matematyczno-fizyczne opisanie. Co nie oznacza, że nie należy szukać przybliżonych metod ujmujących rzeczywiste warunki pracy zaworu w sposób pozwalający na obliczenie jego wydatku, a tym samym określenie, ile ścieków wpływa w system. Kluczem jest zdefiniowanie, jaki jest wydatek zaworu, w chwili gdy on pracuje, i jak nań wpływają średnice, odległości, podciśnienie w stacji i jego zorientowanie wysokościowe.

 

Dodatkowo za celowością poszukiwania takich metod przemawiają wpisy zarówno w Polskiej Normie prPN-EN 1091, jak i w wytycznych ATV: Norma niniejsza określa minimalne wymagania projektowe, które nie zawierają w sobie zwartych wytycznych projektowych. Każdy system musi być zaprojektowany indywidualnie na podstawie parametrów wybranego systemu (prPN-EN 1091 [14]) i dalej: Projekty o specjalnych warunkach, z samej ich natury, nie mogą być wymiarowane wg procedur zryczałtowanych. Jakiekolwiek odstępstwo od procedur zryczałtowanych powinno być technicznie uzasadnione i usprawiedliwione (op.cit.).

 

To zastrzeżenie jest niejasne. Co to znaczy „projekty o specjalnych warunkach”, kto i na jakiej podstawie ma je określać i jakie to „techniczne warunki mogą uzasadniać i usprawiedliwiać” odstępstwo od procedur zryczałtowanych? W przedstawionym przykładzie ATV wielu odcinków nie obejmują parametry wyspecyfikowane w wytycznych ATV i już z tego powodu „global procedure can not be applied” („procedury zryczałtowane nie mogą być zastosowane” – op.cit.).

Ta sama myśl wyrażona jest w punkcie 5.3.3 Hydro-pneumatic layout – najnowszych wytycznych A116 (2004) [5].

 

Rys. Porównanie podciśnienia w przewodzie instalacji badawczej [8] z podciśnieniem obliczonym przez autora

 

Uwaga o tym, aby w takich wypadkach zwracać się do firm, które oferują systemy kanalizacji podciśnieniowej, nie jest przekonująca. Można spotkać bowiem systemy kanalizacji podciśnieniowej tej samej firmy z całkiem innym układem kształtu pilastego w poszczególnych sieciach, przy tej samej długości odcinków i odległości od stacji próżniowej, czy też układy w tych samych warunkach, zwymiarowane przez różne firmy w zgoła odmienny sposób [7].

 

W tabeli podany jest przekonujący dowód na to, do jakich rozbieżności prowadzą różne metody obliczeń [7].

Średnice dla tego samego przykładu różnią się o 47%, zbiorniki o 526%, a wydajność pomp próżniowych o 2870%.

Już te liczby dyskwalifikują metody zryczałtowane. Proste porównanie pomiędzy maksymalnymi średnicami Airvac (Ø225 [3]), Iseki (Ø280), Roevac (Ø180) czy Schluff (Ø180), w porównywalnych instalacjach, pokazuje różnicę w wymiarowaniu średnic. A im większa objętość sieci, tym większe zużycie energii elektrycznej. Kolektor Ø280 miał długość 1552 m.

 

Autor opracował metodę obliczeniową [10, 11], którą weryfikował na dwóch instalacjach Roedigera. Metoda ta uwzględnia takie oczywiste elementy, jak położenie wysokościowe zaworu, jego odległość od stacji pompowo-próżniowej, jego wydatek oraz średnice.

 

W wypadku gdy zasysanie powietrza wynosi do 10%, a przekroje poprzeczne rurociągów nie są zbyt duże w stosunku do ilości zasysanej wody (ścieków), straty ciśnienia są tylko kilka procent większe aniżeli przy przepływie jednofazowym [9].W materiałach ATV lub przykładzie internetowym Schluffa próbuje się problem zwiększenia strat załatwić jednym współczynnikiem 1,5. Dla celów porównawczych odpowiadałoby mu zmniejszenie ciężaru właściwego mieszaniny wody i powietrza do wielkości 0,796 zamiast 0,9996.

 

Lockhard i Martinelli [1, 4] zamiast współczynnika poprawkowego zmieniali współczynnik strat tarcia, uważając, iż dla celów inżynierskich jest to wystarczające. Takie podejście jest bardziej przekonujące i przyjęto je przy empirycznej weryfikacji metody autora wymiarowania już chociażby z tego powodu, że mamy różne formy ułożenia rurociągów, a tym samym różne wpływy strat.

 

Do obliczeń strat hydraulicznych (w schemacie Bernoulliego) Airvac stosuje zmodyfikowaną formułę Hazena-Williamsa opracowaną dla przepływu mieszaniny powietrza i wody w stosunku 1:2 [2].

 

Amerykańska agencja ochrony środowiska stosuje podejście użyte przez autora, ale bezpośrednio, a nie w zryczałtowanej formie.

 

Autor zastosował tę metodę do sprawdzenia zmian ciśnienia w instalacji badawczej dr. M. Kalenika [8]. W artykule tym oraz w obliczeniach firm brak informacji o wydatku zaworu oraz o wysokościowym usytuowaniu zaworu w stosunku do zbiornika podciśnieniowego. Niemniej jednak wprowadzono do programu komputerowego schemat podany na rys. 3 [8] i przeliczono go dla tych samych podciśnień w zbiorniku podciśnieniowym, jakie występują w [8]. Przy uwzględnieniu różnicy wysokości i założeniu, że zbiornik jest 2,5 m niżej niż zawór A, wynik autora jest zgodny z pomiarami [8].

 

Procedury zryczałtowane muszą prowadzić do zwiększania się średnicy kolektora, w miarę zbliżania się do stacji próżniowej, z tego względu, że implicite sumują przepływ ścieków w kierunku stacji podciśnieniowej. Wiele obliczeń autora oraz pomiarów w terenie wykazało, że nie jest to konieczne, a nawet jest niepotrzebne. Aby uzyskać w miarę równomierny wydatek zaworów w sieci, odcinek najbliższy stacji próżniowej powinien mieć nawet mniejszą średnicę. W jednej badanej sieci kolektor najbliższy stacji pompowo-próżniowej miał średnicę 280 mm. Podczas gdy w innych sieciach o porównywalnej wielkości średnica ta wynosiła 180 mm lub 160 mm.

 

Metodę tę zastosował autor do analizy sieci systemu kanalizacji podciśnieniowej, która ma, według niego, zbyt duże średnice. Dokonano analizy, jak pracowałaby sieć, gdyby największe średnice były inne. Zrobiono to dla najbardziej odległego zaworu (miał najmniejszy wydatek sekundowy).

 

W pierwszym obliczeniu zmieniono jedynie odcinek przy stacji próżniowej ze Ø 160 mm na Ø 140 mm. Nie miało to żadnego wpływu na wydatek zaworu.

W drugim obliczeniu zmieniono wszystkie średnice ze 140 mm na 125 mm.Wydatek zaworu zmniejszył się jedynie w granicach od 1,56% do 2% (odpowiednio dla największego i najmniejszego podciśnienia w stacji pompowo-próżniowej).

W trzecim obliczeniu zmieniono wszystkie średnice ze 125 mm na 110 mm. Wydatek zaworu zmniejszył się w granicach od 5,86% do 6,0% (odpowiednio dla największego, średniego i najmniejszego podciśnienia).

 

Wydatek sekundowy zaworów mimo zmniejszenia jego sekundowego wydatku zapewniałby odpowiednie odsysanie zaworów.

 

W obliczeniach wg wymiarowania autora przyjmuje się, że to, ilu mieszkańców przypada na dany odcinek sieci, nie ma znaczenia. Jego wpływ przejawiać się będzie w częstotliwości włączeń danego zaworu – im więcej ludzi na studzienkę lub studzienki, tym częstotliwość włączeń większa. Przy założeniu stałej pojemności zbiornika z zaworem odsysającym częstotliwość ta będzie zmienna w ciągu dnia zgodnie z nierównomiernością zrzutu ścieków przez dane gospodarstwo.

 

Wiele pomiarów autora oraz obserwacji, wykonanych na instalacjach Roevac (Roediger) i Airvac, wykazało, że czas zasysania powietrza (zwykle ustalany metodą prób i błędów, co czasami zajmuje tygodnie) jest w przybliżeniu równy czasowi opróżnienia zaworu. Oznacza to, że najbardziej odległy zawór, zasysający mniejszą ilość ścieków na sekundę, wymaga dłuższego czasu zasysania powietrza (jest to konsekwencja mniejszego podciśnienia w miarę oddalania się od stacji próżniowej). Z pomiarów i obserwacji wynika, że stosunek czasu napowietrzenia/czasu odessania powinien oscylować wokół 1,0. Parametr ten jest mierzalny. Taki przypadek, całkiem niezamierzony, występuje w zaworach Schluffa, które zasysają powietrze i ścieki równocześnie, co sprawia, że stosunek czasu napowietrzenia/czasu odessania jest równy 1. Stosunek powietrza/wody powinien zwiększać się w miarę oddalania się od stacji próżniowej. Dzieje się tak dlatego, że im dalej od stacji pompowo-próżniowej, tym wydatek zaworu mniejszy, czas odessania większy. Dane zamieszczone w artykule [3], dotyczące badań instalacji z zaworami systemu Airvac, wskazują, że wyniki pomiarów czasu pracy zaworów są zgodne z wynikami wg metody obliczeniowej niżej podpisanego.

 

Wnioski

1. Przyjmowanie dowolnych wielkości przepływu a nieuwzględnianie hydrauliki układu nie daje się ani merytorycznie, ani formalnie uzasadnić. Prowadzi to do sprzecznych z rzeczywistością wniosków.

2. Metoda opracowana przez autora [10, 11] pozwala w przybliżeniu zarówno rozwiązać zagadnienie obliczania hydrauliki poszczególnych zaworów oraz ich kombinacji, jak też sprawdzić i wybrać lokalizację stacji próżniowo-pompowej [11]. W badaniu jednej instalacji Airvac różnice pomiędzy obliczeniem wydatku kilku zaworów a pomiarem były zbyt duże. Okazało się przy bliższej analizie, że adresy i numery tych zaworów były błędnie wpisane do dokumentacji, a tym samym do programu komputerowego. Po korekcie wyniki obliczeń były już zgodne z pomiarem.

3. Analiza równoczesności włączeń zaworów wykazała, że zgodnie z przybliżonym modelem autora niektóre zawory nie będą nigdy pracować równocześnie, przy danej konfiguracji i kombinacji zaworów oraz podciśnieniu w stacji próżniowej. Innymi słowy taki zawór będzie oczekiwał na inną kombinację, w której będzie mógł zadziałać z innym zaworem lub gdy będzie pracować sam (przy pracy samodzielnej będzie zawsze działał). Realizacja praw Kirchhoffa [10, 11] jest bowiem spełniona przy ściśle zdefiniowanym dlań podciśnieniu w sieci, wytwarzanym przez stację, różnym dla każdej kombinacji [10, 11]. Taki wypadek czasami jest interpretowany jako zanik podciśnienia [6]. Jako remedium proponuje się na odległych końcach sieci instalowanie zaworów napowietrzających (powszechnie używanych w systemie Roevac). Zawór napowietrzający, w chwili włączenia się, radykalnie zmienia podciśnienie w otoczeniu pracującego zaworu i podczas takiej zmiany niezbędne w tej kombinacji podciśnienie jest osiągane. Ciągłe zmiany podciśnienia w stacji próżniowej oraz w sieci występują z natury rzeczy i są zjawiskiem nieuniknionym oraz warunkiem niezbędnym sprawnego działania instalacji. To samo dotyczy propagacji fali podciśnieniowej przy włączeniu zaworu. Obliczenia wykazały, że im mniejsza pojemność zaworu (studzienki), tym lepiej dla prawdopodobieństwa równoczesnych włączeń, które wówczas znacząco maleje. Prawdopodobnie to było powodem, dla którego pojemności retencyjne zaworów stawały się coraz mniejsze, a tym samym zwiększały sprawność całego systemu.

4. W metodach ATV, EPA, Roevac, Schluff wymiarowanie sieci nie zależy od podciśnienia w stacji próżniowej. Jedynym powodem, dla którego system działa,  jest podciśnienie w stacji próżniowej, czego te metody w ogóle nie biorą pod uwagę.

5. Kanalizacja podciśnieniowa wymaga starannego wykonania i eksploatacji. Znane są narzekania użytkowników na działanie niektórych instalacji. Dochodzi do tego, że niektórzy inwestorzy zamieniają sieci kanalizacji podciśnieniowej na sieci kanalizacji ciśnieniowej bez względu na to, że średnice kanalizacji podciśnieniowej są zbyt duże dla kanalizacji ciśnieniowej. Zdarza się, że instalacje jednego systemu po kilku latach ich eksploatacji są rozbudowywane innym systemem zaworów. Czasami współpraca z dostawcą systemu nastręcza trudności. Tam gdzie eksploatator (nie musi być inżynierem) jest utalentowanym elektrykiem i zechce poświęcić trochę czasu na dokładne zapoznanie się z instrukcją obsługi, kanalizacja podciśnieniowa może wykazać pełnię swoich zalet.

 

 

dr inż. Jacek Myczka

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

 

 

Bibliografia

1. A.D. Altszył, P.G. Kisielew, Gidrawlika i aerodynamika, Osnowy Mechaniki Żidkosti, Moskwa 1975.

2. J. Bień, M. Cholewińska, Kanalizacja podciśnieniowa i ciśnieniowa, skrypty Politechniki C zęstochowskiej, 12. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 1995.

3. A. Ćwiek, M. Kalenik, Badania eksploatowanej sieci kanalizacji podciśnieniowej w systemie AIRVAC,„Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 3/2005.

4. Entwurf eines Arbeitspapiers: Unterdruckentwässerung – Planungs-, Bau-und Betriebsgrundsätze – ATV, „Korrespondez Abwasser” nr 2/85.

5. Besondere Enwässerungsverfahren Unterdruckentwässerung – Druckentwässerung, Regelwert Abwasser-Abfall DK 628.2:628.143.2-98 – Arbaitsblatt A116, 1992 oraz 2004.

6. J. Jedlitschka, Vakuumentwässerung, Documentation I – European Water Pollution Control Association, 1987.

7. M. Kalenik, A. Kanclerz, Krytyczny przegląd metod wymiarowania systemów kanalizacji podciśnieniowej, III Ogólnopolska Konferencja Szkoleniowa „Sieci kanalizacyjne, pompownie i oczyszczalnie ścieków na terenach niezurbanizowanych”, Piła – Bydgoszcz 15–17 maja 2000.

8. M. Kalenik, Hydrauliczne warunki działania kanalizacji podciśnieniowej, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 4/2004.

9. R. Krug, Abflussverhältnisse in Druckluftgespülten Leitungen mit mehreren Hoch- und Tiefpunkten, „Korrespondenz Abwasser” nr 1/1986.

10. J. Myczka, Dimensioning of Under-Pressurized Wastewater Disposal Systems, „Korrespondenz Abwasser” nr 4/1999.

11. J. Myczka, Obliczeniowe aspekty wymiarowania średnic kanalizacji podciśnieniowej, „Inżynieria Rolnicza” nr 8/2001.
Uwaga: w artykule 1 równanie „zagadnienia trzech studzienek” jest błędnie przekształcone – poprawna forma:

12. R. Schluff, Bemessung und Konstruktion der Unterdruckentwässerung – Enwässerungstechnik im Umbruch – Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft Band 140, 1997.

13. R. Schluff, Entwicklung eines Schmutzwasserkanasationssystems zur Förderung eines Schmutzwasser-Luft-Gemisches über grössere Enfermumgen und Höhen für die Abwasserbeseitigung im ländlichen Raum, 02-WA8732 – kwiecień 1989.

14. prPN-EN 1091:1996 Zewnętrzne systemy kanalizacji podciśnieniowej.