Ograniczenie wycieku każdego metra sześciennego wody to zysk szacunkowo ok. 1–1,5 kWh energii potrzebnej do wyprodukowania i transportu wody w systemie dystrybucji.
Artykuł kontynuuje temat poruszany w tekstach: „Straty wody i sposoby skutecznego ich ograniczania w systemach dystrybucji wody” („IB” nr 11/2013) oraz „Awarie w systemie dystrybucji wody”, cz. I i II („IB” nr 1 i 2/2014).
Przedsiębiorstwa wodociągowe w zależności od możliwości finansowych oraz innych aspektów ekonomicznych przyjmują różne strategie ograniczenia strat i zarządzania stratami wody. Sposoby zarządzania możemy podzielić na dwa typy – pasywne oraz aktywne.
Pasywny sposób zarządzania charakteryzuje się brakiem poszukiwania wycieków, naprawa awarii następuje po zgłoszeniu przez odbiorców. Skutkiem takiej polityki jest niewykrywanie większej części wycieków przez długi okres, szczególnym zagrożeniem jest sytuacja, gdy wyciek ma miejsce w gruncie nasiąkliwym i nie pojawia się na powierzchni. Podejście to jest popularne w dużych przedsiębiorstwach, zaletą jest niski koszt dziennego aktywnego wyszukiwania wycieków, ryzykiem zaś znaczne powiększenie strat. Na taki sposób zarządzania decydują się przedsiębiorstwa, gdzie koszt produkcji wody jest relatywnie niski, a koszt wykrywania wycieków wysoki.
Aktywny sposób zarządzania opiera się na monitorowaniu przepływów w sieci dystrybucji. Podstawą jest wcześniejszy podział na strefy (obszary pomiarowe), ciągły monitoring pozwala na szybką reakcję, gdy pojawiają się podwyższone wartości przepływów, następuje analiza oraz podjęcie działań w postaci odszukania oraz naprawy powstałej nieszczelności (rys. 1). Taki system działania zapewnia obniżenie straty wody i ciągłość dostawy.
Rys. 1 Przykład monitorowania i oceny minimalnych nocnych przepływów
Aktywne zarządzanie diagnostyką wymaga rozbudowy bazy monitoringu, doświadczenia personelu, dobrego strefowania sieci oraz stosowania urządzeń do aktywnej kontroli wycieków, takich jak korelator, geofon, stetofon,które pozwalają precyzyjnie i dokładnie określić miejsca wycieków.
Doświadczenia zakładów wodociągowych pokazują, że wprowadzanie monitoringu jest opłacalne i daje wymierne efekty ekonomiczne. Ograniczenie wycieku każdego metra sześciennego wody to zysk szacunkowo ok. 1,0–1,5 kWh energii potrzebnej do wyprodukowania i transportu wody w systemie dystrybucji [1]. Praktyka pokazuje również, że ciężko wykryć wycieki o intensywności mniejszej niż 0,5 m3/h km ze względów ekonomicznych. Pomiary prowadzone w strefach sieci dystrybucji wody pozwalają ocenić i oszacować wielkość poziomu straty oraz odnieść do wymiernych wielkości przepływającej wody, co daje możliwość oceny ekonomicznej poziomu strat danej strefy. Takie analizy pozwalają dystrybutorom wody na analizy, czy jest sens wykonania modernizacji oraz rehabilitacji przewodów tej sieci.
Rys. 2 Zintegrowany system zarządzania wyciekami wody
Szybkość napraw można podzielić na:
Szybkość detekcji wycieków (SDW): umożliwia zmniejszenie czasu trwania wycieków do kilku lub kilkunastu dni. Na podstawie monitoringu minimalnych nocnych przepływów (MNP) można stwierdzić, że wyciek formuje się przez jakiś okres, a potem się stabilizuje (rys. 3).
Rys. 3 Wstępna lokalizacja strat i wycieków wody – monitoring: testowanie nocnego przepływu
Straty w SDW wykrywane są przez analizę MNP, wyznacza się strefę wystąpienia prawdopodobnej awarii – wzrost nocnych przepływów za pomocą monitoringu przepływów.
Grupa pomiarowa przystępuje to testowania podobszaru przy użyciu loggerów (rys. 4).
Rys. 4 Przykładowe rozstawienie loggerów w strefie i lokalizacja wycieku
Badanie natężenia szumów za pomocą loggerów daje możliwość wstępnej lokalizacji miejsca wycieku. Loggery są to urządzenia mierzące wartości natężenia szumów, najczęściej nocnych, występujących w sieci wodociągowej (fot. 7 i 8). Dźwięk zbierany jest przez mikrofon stacjonarny, rzadziej przez hydrofon, wzmacniany i zapamiętywany. Zebrane pomiary przesyłane są do komputera i poddawane analizie matematycznej. Loggery to małe urządzenia, zainstalowanie ich w hydrancie podziemnym umożliwiają skrzynki hydrantowe. Oczywiście im więcej loggerów, czyli więcej punktów pomiarowych w sieci, tym lepiej. Zasada poszukiwań opiera się na tym, że przeciek przy stałym ciśnieniu (w godzinach nocnych) daje stałe natężenie szmeru. Pozostałe hałasy mają przypadkowy rozkład natężenia.
Godziny nocne to także czas, gdy szumy pochodzące od ruchu ulicznego są minimalne. Jeżeli przeciek znajduje się blisko czujnika (loggera, peralogu), to wartości natężenia poszczególnych próbek szmeru są bliskie pewnemu stałemu, wąskiemu zakresowi wartości natężenia (natężenia szmeru przecieku). Im wyższa wartość natężenia szmeru przecieku, tym przeciek powinien znajdować się bliżej czujnika. Czas pomiarów wynosi przeciętnie dwie godziny w nocy z interwałem 1 s.
Tylko równoczesna analiza akustyczna zarejestrowanego szumu i jego częstotliwości umożliwia skuteczne i jednoznaczne zlokalizowanie wycieku. Jest to szczególnie ważne przy kontroli rurociągów z PE i PVC, które posiadają ograniczoną zdolność przenoszenia dźwięku. Analiza częstotliwości może być w tym przypadku jedyną alternatywą.
Fot. 1 Zestaw urządzeń firmy Palmer, typ Permalog +
Metoda korelacji szmeru za pomocą korelatora
Wskazane miejsce testuje się w celu znalezienia miejsca poszukiwanego wycieku. Następnie przeprowadza się kontrolę za pomocą urządzeń mobilnych, takich jak geofon czy korelator. Zastosowanie korelatora daje już dość dokładną lokalizację miejsca wycieku. Metoda korelacji szmeru przecieku opiera się na analizie rozchodzenia się szmeru przez badany odcinek rury. Sygnał szmeru od przecieku dociera do czujników umieszczonych na końcach rury w różnych chwilach (rys. 5).
Rys. 5 Zasada lokalizacji wstępnej z korelatorem
Korelując oba odebrane sygnały, możemy dokładnie określić różnice w czasie docierania sygnałów do obu czujników, a stąd można określić miejsce wypływu wody. W skład korelatora wchodzą: dwa mikrofony stacjonarne i hydrofony, dwa nadajniki ze wzmacniaczami i filtrami, cyfrowe urządzenie obliczeniowe – komputer (fot. 3–5).
Bardzo dużą rolę przy pracy z tego typu urządzeniami odgrywa doświadczenie operatora, w jaki sposób ustawi parametry filtracji i korelacji, jak zinterpretuje wyniki. Niestety metoda ta jest obarczona pewnymi błędami wywołanymi sygnałami zakłócającymi od sieci wodociągowej, ruchu ulicznego, innych instalacji oraz błędami wynikającymi z samej metody.
Fot. 2 Zestaw Sebalog® do strefowego wykrywania wycieków
Błędy wynikające z własności sieci są bardzo często nie do wyeliminowania:
– nieprecyzyjny opis odcinka; bardzo często w skład badanego odcinka wchodzą pododcinki lub tzw. wstawki z innych materiałów, co nie jest odnotowywane często w dokumentacji, tym samym podaje się wówczas błędne dane do pulpitu korelatora;
– wyciek na odgałęzieniu; szum od przecieku będzie się rozprzestrzeniał wzdłuż rozgałęzienia oraz wzdłuż badanej rury. W wyniku korelacji wyciek zostanie zlokalizowany w miejscu podłączenia rur;
– zwężenie przekroju przepływu, zamknięty zawór, zasuwa lub łuk na rurociągu; w każdym z tych przypadków powstają gwałtowne turbulencje przepływu wody, a to z kolei jest źródłem szumów o widmie przybliżonym do widma przecieku (można wtedy sprawdzać, czy zasuwa, zawór są do końca otwarte);
– w przypadku zarośnięcia rur należy przeprowadzić badanie rozchodzenia się prędkości dźwięku w rurze, używając także sprzętu korelacyjnego;
– sieć wodociągowa przenosi różne dźwięki występujące w jej otoczeniu, może się zdarzyć sytuacja, że jakieś źródło drgań mechanicznych wytwarza szum o częstotliwościach przypominających widmo przecieku; lepsze korelatory potrafią wyeliminować te zakłócenia przez filtrację sygnałów;
– ogólny brak danych o terenie, dokumentacja sieci jest często obarczona błędem, a czasem danych po prostu nie ma.
Fot. 3 Przykładowy zestaw urządzeń do skutecznego wykrywania wycieków
Oprócz błędów metoda korelacji szmeru ma dodatkowe wady:
– urządzenia są drogie;
– korelator wymaga obsługi przeszkolonej i doświadczonej osoby, zarówno przy samej lokalizacji, jak i interpretacji wyników;
– dokładność wyniku zależy od właściwych danych podawanych do urządzenia, chcąc uniknąć błędu, mierzy się odcinek i przeprowadza pomiar prędkości dźwięku, co wydłuża czas poszukiwań;
– urządzenia mają słabą wrażliwość na niskie temperatury, choć np. firma SEBA oferuje mikrofony pracujące do temperatury –55ºC;
– urządzenia słabo lokalizują wycieki na rurach z tworzyw sztucznych.
Fot. 4 Korelator Microcorr Digital – wynik pomiaru na ekranie
Zaletami korelacji są:
– niezależność wyników od natężenia szmeru przecieku, głębokości posadowienia przewodu i kondycji operatora;
– możliwość pracy w dzień (dobra eliminacja zakłóceń metodami cyfrowymi);
– dość duża dokładność lokalizacji przecieku;
– powtarzalność wyników;
– duża szybkość, niska pracochłonność lokalizacji miejsca przecieku.
Metodę korelacji najlepiej łączyć z metodą osłuchiwania rurociągu stetofonem wyposażonym w geofon, można w ten sposób doprecyzować miejsce wycieku.
Dodatkowo czujniki mogą być ustawiane jako rejestratory szumów, co będzie szczególnie pomocne przy lokalizacji wycieków „cichych”. Innym udogodnieniem jest możliwość automatycznego obliczenia prędkości dźwięku w nieznanej rurze – istotne w warunkach gdy nie są dostępne podstawowe dane o rurze (średnica, materiał itp.). Możliwe jest to dzięki opcji trzeciego czujnika i nadajnika. Ważne jest też, że istnieje możliwość aktualizacji programowych bezpośrednio ze strony internetowej producenta, co eliminuje na jakiś czas zakup nowszych urządzeń tego typu. Co więcej, zestaw czujników z pulpitem oraz oprogramowanie może obejmować (na życzenie klienta) geofon.
Fot. 5 Korelator Correlux P-1 – wynik pomiaru na ekranie
Korelator nie jest magicznym pudełkiem, dzięki któremu można znaleźć każdy wyciek, szum musi być słyszalny na obu nadajnikach, by korelacja osiągnęła zamierzony efekt. Nigdy nie należy wykonywać wykopu, zanim nie potwierdzi się pozycji wycieku np. za pomocą geofonu.
Korelator cyfrowy składa się z czujników i nadajników cyfrowych, słuchawek podłączonych do stacji bazowej, pozwalających na odsłuchiwanie szumu wycieków wykrywanych przez nadajniki, oraz oprogramowania umożliwiającego dobór filtrów i analizy częstotliwości. Duży ekran PC ułatwia przeprowadzenie prezentacji graficznych, które ukazują się w postaci okna programu korelatora.
Fot. 6 Awaria rurociągu PEHD
Ocena kosztów aktywnej kontroli wycieków (AKW)
Testowanie stopniowe to wartościowanie strat wody z wycieków w poszczególnych podstrefach przez odcięcie dopływu wody w okresie nocnym. Można obliczyć i określić poziom strat z wycieków, a następnie podjąć działania np. w postaci rehabilitacji przewodów. Można przedstawić charakterystykę kosztów w aktywnej kontroli wycieków oraz w szybkiej detekcji wycieków (SDW).
AKW:
KDAKW + KSAKW = MIN Koszty
KDAKW – koszty detekcji w aktywnej kontroli wycieków
KSAKW – koszty strat wody w aktywnej kontroli wycieków
SDW:
KDSDW + KSSDW + KMSDW = MIN Koszty
KDSDW – koszty detekcji w szybkiej detekcji wycieków
KSSDW – koszty strat wody w szybkiej detekcji wycieków
KMSDW – koszty monitoringu w szybkiej detekcji wycieków
Zależności:
KDAKW > KDSDW; KSAKW > KSSDW [2]
Aby proces redukcji strat wody był opłacalny finansowo, należy obliczyć optymalny poziom strat, poniżej którego dalszy proces ich redukcji jest nieopłacalny z ekonomicznego punktu widzenia. Według organizacji IWA ekonomiczny poziom wycieków to taki, kiedy koszt redukcji strat wody nie przekracza wartości wody traconej [1].
Fot. 7 Zestaw urządzeń do dokładnej lokalizacji wycieków wody – korelator cyfrowy
Zaleca się stopniowe wprowadzanie procesu redukcji strat wody poprzez monitoring sieci wodociągowej, tak aby pracownicy przedsiębiorstwa mogli zdobyć niezbędne doświadczenie. Walki ze stratami wody nie należy zaczynać od zakupu drogiego sprzętu, lecz od dokładnego przeanalizowania bilansów wody, kosztów krańcowych wody, typowych kosztów naprawy wycieku [2]. Optymalny poziom wycieków (OPW) ulega ciągłej zmianie, dlatego konieczne jest regularne obliczanie jego wartości. Wartość OPW jest zależna od zastosowanego kosztu krańcowego: krótko- lub długoterminowego. Wartość przy zastosowanym koszcie krańcowym długoterminowym powinna być niższa, a ewentualne zyski w aspekcie długoterminowym większe. Optymalny poziom wycieków można obliczyć i osiągnąć trzema metodami [2]: dopasowania krzywych arytmetycznych; półoperacyjną – BABE; operacyjną.
Rys. 6 Ekonomiczny poziom wycieków, EPW [3]
Krok po kroku – lokalizacja wycieków:
– pomiar strefowy umożliwia określenie stref, w których sieci z dużymi wyciekami są zidentyfikowane; później lokalizacja wstępna pomaga w wyznaczeniu odcinków sieci, na której są uszkodzenia;
– lokalizacja wstępna jest przeprowadzana przy użyciu czułych mikrofonów bądź loggerów szumu, umożliwia zawężenie obszaru poszukiwań wycieku do uszkodzonych odcinków sieci;
– lokalizacja punktowa umożliwia znalezienie miejsca wycieku we wcześniej określonym odcinku sieci; do jej przeprowadzenia stosuje się geofony.
Fot. 8 Efekt lokalizacji wycieku na założonej opasce uzyskany za pomocą korelatora
Szybkość napraw, monitoring
Dla szybkości napraw zasadnicze znaczenie mają:
– ocena szczelności sieci w strefach;
– dobór strategii i ukierunkowań działań;
– optymalizacja regulacji ciśnień w strefach;
– uzyskanie rzeczywistych danych do zbudowania realnego modelu hydraulicznego sieci wodociągowej.
dr inż. Florian G. Piechurski
Instytut Inżynierii Wody i Ścieków
Politechnika Śląska Gliwice
Śląska Izba Budownictwa
Literatura
1. H. Hotloś, Ilościowa ocena wpływu wybranych czynników na parametry i koszty eksploatacji sieci wodociągowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007.
2. S. Speruda, Optymalny poziom strat wody z wycieków w sieci wodociągowej, Akademia strat wody WaterKEY, Warszawa 2011.
3. S. Speruda, R. Radecki, Ekonomiczny poziom wycieków, Translator S.C.
4. A. Lambert, R. McKenzie, Practical Experience in using the Infrastructure Leakage Index, Paper to IWA Conference Leakage Management – A Practical Approach, Cyprus 2002.
5. VAG – Guidelines for water loss reduction. A fokus on pressure management.
6. Yi WuZheng i in., Water loss reduction, Bentley Institute Press, Pennsylvania 2011.
Wykorzystane zostały materiały firmowe: Inter Global, Seba Poland, Złote Runo.
