Regulacja ciśnienia ma bardzo istotne znaczenia oraz ogromny wpływ na eksploatację, warunki pracy sieci oraz jej żywotność. Każdy wodociąg poddawany jest oddziaływaniom zewnętrznym, takim jak: nieregularne rozbiory, zmienne ciśnienie (w tym uderzenia hydrauliczne), niekontrolowane wycieki.
Wpływ regulacji ciśnienia na straty wody
Regulacja ciśnienia ma bardzo istotne znaczenia oraz ogromny wpływ na eksploatację, warunki pracy sieci oraz jej żywotność. Każdy wodociąg poddawany jest oddziaływaniom zewnętrznym, takim jak: nieregularne rozbiory, zmienne ciśnienie (w tym uderzenia hydrauliczne), niekontrolowane wycieki.
Praca systemów wodociągowych powinna cechować się również niską energochłonnością.
Takie nowoczesne podejście do regulacji ciśnienia w celu automatyzacji oraz ograniczenia strat wody z wycieków i nieszczelności rozwiązywane jest najczęściej za pomocą zaworów regulacyjnych ZRC (zawory regulacji ciśnienia).
Rozwiązywanie problemów regulacji ciśnienia
Rozwiązań problemu redukcji ciśnienia jest kilka, nie wszystkie są jednak efektywne oraz dają wymierne korzyści. Można podzielić sposoby regulacji na:
Regulację zaworami redukującymi ciśnienie z różnymi opcjami sterowaniadzień/noc lub z dwoma szczytami dziennymi i jednym nocnym. Wyróżniamy tu różne budowy i typy zaworów redukcyjnych, np. zawór sprężynowy (konstrukcja tego zaworu jest niedostosowana do pracy w sieciach wodociągowych, gdzie występują duże i szybkie wahania godzinowe), takie częste i nierównomierne rozbiory wody powodują niestabilną pracę oraz wahania ciśnienia. Dobrym i efektywnym rozwiązaniem jest zastosowanie regulacji przez zawór hydrauliczny, pozwalający na regulację i stabilną pracę, a wielkość rozbiorów nie ma znaczenia.
Modulację ciśnienia zasilania sieci:ciśnienie w sieci możemy również regulować w pompowni sieciowej, zmieniając częstotliwość obrotów silnika pompy za pomocą falownika lub regulując liczbą działających pomp. Drugie rozwiązanie jest mniej popularne, ponieważ współczesne pompownie działają w układzie modułów równo obciążonych; zadanie to jest bardziej skomplikowane, ponieważ aby osiągnąć wymagany zakres regulacji ciśnienia w istniejącej pompowni, trzeba ją zmodernizować, co wiąże się ze sporymi nakładami finansowymi.
Awaria na przyłączu wody – pęknięcie obwodowe rury stalowej
Sterowanie ciśnieniem zasilania punktu krytycznegoto jedno z najbardziej efektywnych i optymalnych rozwiązań.
Jednym z najczęściej niestety stosowanych w praktyce sposobów regulacji ciśnienia jest też przymykanie zasuw lub przepustnic. Ta metoda rozwiązuje problem tylko pozornie – przez dławienie przepustnicy lub zasuwy. Takie rozwiązanie powoduje przy niskim ciśnieniu podwyższenie, a przy wysokim ciśnieniu obniżenie ciśnienia, problemem jest mała elastyczność zastosowanego rozwiązania i w zasadzie można powiedzieć brak regulacji.
Badania prowadzone w latach 90. pod kierownictwem prof. E. Mielcarzewicza wykazały, iż ograniczenie maksymalnego ciśnienia w sieci o ok. 10–40% oraz jego wahań dobowych zmniejszyło stopień uszkodzeń o ok. 30–60% zarówno przewodów magistralnych, jak i rozdzielczych, co istotnie wpływa na poziom i ograniczenie strat w sieci. Badania oparto na danych z wieloletniej eksploatacji sieci przed ograniczeniem ciśnienia i po ograniczeniu ciśnienia, i jego wahań godzinowych. Pozostałe inne czynniki i warunki pracy nie ulegały znaczącym zmianom, co pozwala wnioskować, że największy właśnie wpływ miała regulacja ciśnienia oraz jego stabilizacja [1].
Zastosowanie zaworów regulujących ciśnienie ZRC powoduje utrzymanie stałego poziomu ciśnienia w ciągu doby. W godzinach nocnych, gdy w sieci jest ono największe ze względu na relatywnie niski rozbiór, praca zaworu jest najistotniejsza. Za sterowanie pracą odpowiedzialny jest sterownik zewnętrzny (pneumatyczny, hydrauliczny, mechaniczny). Zasada działania podanych sterowników polega na kontroli ciśnienia wyjściowego za reduktorem, porównanie z zadanym ciśnieniem w odpowiednim profilu sterowania i regulacji; w przypadku gdy odchylenie przekracza zadaną wartość, następuje modyfikacja przez zawór pilotowy reduktora ciśnienia. Każdy reduktor ciśnienia musi być zabezpieczony na wypadek awarii lub uszkodzeń. Wyróżnić możemy zabezpieczenie w przypadku uszkodzenia przetwornika ciśnienia (np. w przypadku zamarznięcia), sterownik mechaniczny i pneumatyczny zamykają zawór główny. Sterownik hydrauliczny zamyka i otwiera w takim przypadku zawór aż do momentu osiągnięcia ustawionego mechanicznie minimalnego lub maksymalnego ciśnienia. Bardzo ważnym momentem eksploatacji zaworów redukcyjnych jest rozruch początkowy, każdy sterownik powinien być regulowany indywidualnie ze względu na różnorodność sieci oraz indywidualne warunki pracy. Regulacja ciśnienia może być realizowana na kilka sposobów.
W pierwszym najprostszym rozwiązaniu ciśnienie redukowane jest w miejscu zasilania strefy przez zawór regulacyjny (ZRC). Zawór ma za zadanie utrzymać zadane ciśnienie wyjściowe w newralgicznym punkcie strefy, najczęściej tam gdzie ciśnienie jest najniższe. Wartość ciśnienia ustala się, sumując straty miejscowe oraz na długości w czasie maksymalnego rozbioru (trwa on kilka godzin), a przez większość czasu sieć pracuje pod nadmiernym ciśnieniem, co potęguje ryzyko wystąpienia strat wody. Rozwiązaniem praktycznym jest zastosowanie zaworu ZRC, dodając urządzenie sterownicze, które umożliwia zmianę ciśnienia na odpływie w zależności od zmiany przepływu lub czasu.
Rys. 1 Korzyści ze stosowania regulacji ciśnienia [5]
Z praktyki wynika, że sterownik dwuzakresowy (możliwość nastawy dwóch wartości ciśnienia) jest łatwy i tani w eksploatacji. Bardziej skomplikowane urządzenie pozwala zaoszczędzić na stratach wody, jednak jest znacznie droższe, jak i również eksploatacja takiego urządzenia jest trudniejsza i bardziej kosztowna, a okres zwrotu poniesionych nakładów finansowych znacznie dłuższy. Nowe rozwiązanie techniczne to zastosowanie nowoczesnego sterownika do zaworu ZRC, który pozwala na sterowanie zbiornikiem (poziomem wody w zbiorniku), sterowanie ciśnieniem w zależności od przepływu lub czasu, reaguje na wielkość przepływu. Praca takiego urządzenia jest możliwa w różnych opcjach:
– czasowa w cyklu dobowym, gdy nie ma możliwości zasilania elektrycznego, ustalenie pracy na podstawie danych zarejestrowanych przed instalacją zaworu w danym miejscu;
– sygnał impulsowy z przepływomierzem nie wymaga zasilania elektrycznego.
Zawór sprzężony jest ze strefowym przepływomierzem, do zaprogramowania potrzebne są rzeczywiste wartości ciśnienia i przepływu w miejscu instalacji oraz w punkcie krytycznym sieci. Informacje te potrzebne są do określenia granicznego progu minimalnego przepływu, wprowadza się je do sterownika. Wartości maksymalne oraz minimalne ciśnienia ustawia się za pomocą śruby regulacyjnej. Bieżące wartości przepływu z wodomierza impulsowego porównywane są z progiem wartości granicznej, gdy wartość ta jest większa, sterownik kieruje przepływ w instalacji na zawór sterujący, który ustala maksymalną wartość ciśnienia na odpływie. Gdy rzeczywisty przepływ jest mniejszy od zaprogramowanego, sterownik kieruje przepływ do zaworu sterującego, który ustala minimalną wartość ciśnienia na odpływie z zaworu ZRC.
Rozwiązania dobierane są indywidualnie ze względu na różnorodność sieci, materiałów, topografii terenu i charakterystyki pracy sieci (różne ciśnienia pracy sieci).
Stosowanie zaworów ZRC powoduje obniżanie strat średnio w zakresie 15–50% wartości strat, stabilizuje ciśnienie w newralgicznych miejscach sieci, powoduje automatyczną pracę oraz zwrot poniesionych nakładów finansowych [5, 6].
Wysokość ciśnienia oraz jego zmienność w ciągu doby znacząco wpływają na natężenie wypływu z nieszczelności, pęknięć oraz innych uszkodzeń przewodów.
Natężenie wypływu wody przez otwór o zadanej średnicy dla ciśnienia 0,6 MPa jest znacznie większe niż dla ciś-nienia 0,2 MPa. Przy stałym ciśnieniu wypływ rośnie proporcjonalnie ze wzrostem pola powierzchni otworu (rys. 2).
Ograniczenie ciśnienia pozwala znacznie zmniejszyć wypływ wody z nieszczelności, czyli straty wody do gruntu, pozwala też chronić przewody. Dużym problemem są uszkodzenia wydatkujące z intensywnością poniżej 0,5 m /h, praktycznie są nie do wykrycia. Istotny wpływ ma właśnie regulacja ciśnienia na obniżenie wypływu z takich rozszczelnień i uszkodzeń.
Aby sprawdzić możliwość wpływu ciśnienia na wielkość strat, możemy dokonać obliczenia według wzoru:
gdzie: V1 – nowy poziom strat wody w m3/h, V0 – początkowy poziom strat wody w m3/h, P1 – nowa średnia wysokość ciśnienia operacyjnego w m słupa H2O, P0 – początkowa średnia wysokość ciśnienia operacyjnego w m słupa H2O, N1 – wykładnik, przyjmuje się go dla pojedynczego wycieku 0,5, dla sieci gdzie występują straty do gruntu 0,5–2,5, dla sieci o zróżnicowanym materiale – 1.
W większości przypadków potrzebna jest głębsza analiza do określenia danego współczynnika [5].
Rozpatrując wpływ ciśnienia na straty wody, trzeba wziąć pod uwagę problem inkrustacji, osadów korozyjnych oraz innych odkładających się w przewodach. W czasie eksploatacji przekrój przewodu się zwęża, wzrasta oporność przepływu oraz ciśnienie, co powoduje podniesienie poziomu strat. Po zwiększeniu ciśnienia w sieci może nastąpić zerwanie inkrustacji oraz wleczenie osadów. Oderwane elementy mogą odsłonić pęknięcia oraz wżery korozyjne, które dodatkowo zwiększają poziom strat i awarii. Często na końcówkach sieci w takiej sytuacji pojawia się wtórne zanieczyszczenie, zwiększona mętność spowodowana zerwaniem osadów z inkrustacji, odbiorcy najczęściej zgłaszają dany problem przedsiębiorstwu, które w takiej sytuacji zmuszone jest przepłukać sieć, a co za tym idzie zwiększyć poziom niezafakturowanej wody, czyli poziom strat własnych.
Zmiany ciśnienia w sieci powodowane są zarówno zmiennym rozbiorem dobowym, jak również uderzeniami hydraulicznymi powodowanymi przez zamykanie i otwieranie zasuw, włączanie pomp, uruchamianie odcinków po awariach itp. Gwałtowne zamknięcie bądź otwarcie przekroju przewodu powoduje nagły wzrost ciśnienia, które rozchodzi się falowo w przewodzie, wzrost ciśnienia na ściankach powodują pęknięcia, wysunięcia rury z kielicha.
Rys. 2 Natężenie wypływu przez otwór ostrobrzeżny [1]
Podsumowanie
Z analizy kilkunastu systemów dystrybucji wody wynika, że największy wpływ na straty wody mają awarie stalowych przewodów sieci wodociągowej. Zaniechanie wymiany sieci wodociągowej prowadzi do odczuwalnego zwiększenia awaryjności i strat wody. Poprzez wymianę rur i armatury sieci wodociągowej można uniknąć wielu wycieków, nad którymi bardzo trudno w wielu przypadkach zapanować. W miarę postępu wymiany sieci, a zwłaszcza przyłączy wodociągowych, jak wynika z analiz w różnych miastach, odczuwa się wyraźne obniżenie poziomu strat wody w systemie wodociągowym do pewnego poziomu.
Mając na uwadze koszty działań redukujących straty wody, wymiana, odnowa – rehabilitacja – przewodów sieci wodociągowej jest najdroższa. Niemniej jednak jest działaniem nieuniknionym i zwykle nie wykonuje się jej w odniesieniu do całości sieci, lecz do wybranych fragmentów wytypowanych jako najbardziej awaryjnych.
W celu ograniczania strat wody w systemie dystrybucji czy też konkretnej strefy zasilania niezbędne jest podejście systemowe do tego problemu.
W pierwszym etapie należy dokładnie i rzetelnie wykonać bilans wody, opierając się na wynikach pomiarów z monitoringu przepływów, następnie wykonać obliczenia wskaźników technicznych, przechodząc do wyznaczenia ekonomicznego poziomu wycieków. Ustalenie powyższych wielkości jest nieocenioną pomocą dla typowania działań do aktywnej kontroli wycieków (AKW), naprawczych czy też inwestycyjnych.
Monitoring w systemie dystrybucji wody jest głównym narzędziem związanym z dokładnym określeniem wielkości poziomu strat wody. Wyniki z monitoringu dostarczają informacji niezbędnych do oceny przepływów nocnych, sterowania i regulacji ciśnienia w sieci wodociągowej oraz pozwalają na ocenę przekroczenia stanów awaryjnych.
Niestety ujawnienie wszystkich nieszczelności w sieci za pomocą monitoringu, szczególnie tych małych wycieków, jest w praktyce niemożliwe. Z tego powodu równolegle do monitoringu duże znaczenie w obniżaniu poziomu strat wody ma AKW, w ramach której dokonywane są przeglądy wyznaczonych obszarów sieci wodociągowej za pomocą urządzeń, takich jak: rejestratory przepływów ze zdalnym przekazem danych, permalogi, geofony oraz korelatory.
Natomiast planując w szerszym aspekcie regulację pracy systemu dystrybucji wody, należy pamiętać o zgubnym działaniu wysokiego ciśnienia oraz jego nagłych wahaniach.Korzystnym rozwiązaniem powinna być budowa systemu zarządzania ciśnieniem. Niezawodne dostarczanie wody powinno być oparte na komunikacji pompowni lub reduktorów ciśnienia z charakterystycznymi punktami sieci, wyposażonymi w przetworniki ciśnienia. W takim przypadku pompownie i zawory redukcyjne nie będą pracować na sztywnych nastawach, ale mogą dostosowywać wysokość ciśnienia, w określonych granicach, do aktualnych rozbiorów. Zakładając powyższe, w łatwy sposób można minimalizować ciśnienie w godzinach nocnych, nie wywołując niepożądanych nagłych jego zmian, co często prowadzi do wywołania uderzenia hydraulicznego i awarii – strat wody.
Na efekty działania monitoringu duży wpływ mają zastosowane urządzenia, właściwie lub niewłaściwie wybrane punkty pomiaru, a także sposób podłączenia tych urządzeń oraz wykorzystanie tych danych do bezpośredniej wnikliwej analizy. Stałemu monitoringowi nie musi podlegać cały system dystrybucji. Część sieci może być sprawdzana pod względem przepływu i ciśnienia za pomocą dostępnych przenośnych rejestratorów, które pozwalają na weryfikację informacji mieszkańców, np. o niskim ciśnieniu w sieci, lub umożliwiają znalezienie rejonu o zbyt wysokim ciśnieniu i ewentualnych awariach.
Prowadząc opisane działania, można doprowadzić do ograniczenia poziomu strat nawet do PWS (procentowy wskaźnik strat) = 8–10%, co jest bardzo dobrym wynikiem potwierdzonym już w kilku krajowych systemach dystrybucji.
Dla uzyskania w pełni rzetelnego bilansu strat należy w jednej strefie wprowadzić wodomierze z radiowym odczytem.Pozwoli to całkowicie wykorzystać monitoring do analizy ekonomicznego poziomu strat. Po wprowadzeniu tych odczytów należy ustalić progi alarmowe w monitorowanej strefie. Należy prowadzić działania w celu ewidencjonowania odczytów odbiorców podejrzanych o manipulacje przy poborze wody.
Trzeba wprowadzić zasadę wymiany odcinków sieci o wskaźniku uszkodzeń (awaryjności) l > 0,5 uszk./km rok, co pozwoli na wymianę tych najbardziej awaryjnych rur stalowych.
Należy rozważyć opracowanie procedur i uporządkowanie rodzaju wykonywanych prac przez poszczególne oddziały wydziału eksploatacji sieci, uporządkować sposób organizacji prac poszczególnych brygad. Uporządkować i usprawnić przepływ informacji w poszczególnych wydziałach, których dane są niezbędne do podejmowania trafnych decyzji dla ograniczenia strat wody. Zaproponowane grupy wskaźników powinny zostać wdrożone w pierwszej kolejności w strefach wyposażonych w monitoring i zdalny – radiowy – odczyt wodomierzy.
Należy przyznać, że osiągane wyniki obniżenia start mogą być zadowalające, jednak zaprzestanie inwestycji i działań organizacyjnych w celu ich ograniczenia może doprowadzić do zmiany tendencji obniżenia poziomu strat.
Wnioski
1. Podejmowane działania dotyczące ograniczenia strat wody powinny być prowadzone jednocześnie jako działania organizacyjne, remontowe modernizacyjne oraz inwestycyjne.
2. Niezbędne są inwestycje i zakup sprzętu oraz wyodrębnienie grupy pracowników zajmujących się problemem strat wody na różnych szczeblach struktury organizacyjnej przedsiębiorstwa i zarządzania.
3. Bez prawidłowo wykonanego monitoringu przepływu, ciśnienia i dokładnych pomiarów z możliwością przekazu tych danych nie można mówić o poprawnej ocenie strat wody.
4. Bardzo małe wycieki na sieci wodociągowej (poniżej 0,2–0,5 m3/h km) są bardzo trudne do wykrycia. Zdecydowano (m.in. ze względów ekonomicznych) określić poziom wycieków w sieci wodociągowej dla dobrze utrzymanego systemu dystrybucji, którego dalsze zmniejszanie w przeciętnych warunkach nie ma już sensu.
dr inż. Florian G. Piechurski
Instytut Inżynierii Wody i Ścieków
Politechnika Śląska Gliwice
Śląska Izba Inżynierów Budownictwa
Literatura
1. H. Hotloś, Ilościowa ocena wpływu wybranych czynników na parametry i koszty eksploatacji sieci wodociągowych, Oficyna Wydawnicza Politech-niki 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.
