Zalety i wady obniżania ciśnienia w sieci wodociągowej przy wykorzystaniu zasuwy, przepustnicy z napędem mechanicznym i zaworu redukcyjnego

Zarządzanie ciśnieniem poprzez utrzymanie jego optymalnej technicznie wartości z jednoczesną stabilizacją jest w przedsiębiorstwach wodociągowych jednym z najważniejszych zadań strategii obniżania awaryjności sieci i w efekcie strat wody.

Generalnie wszystkie metody redukcji ciśnienia w sieciach i instalacjach wodociągowych opierają się na zjawisku miejscowej straty hydraulicznej, opisywanej przekształconym równaniem Bernoulliego dla cieczy rzeczywistej:

gdzie: p₁ – ciśnienie przed elementem dławiącym [Pa], p₂ – ciśnienie za elementem dławiącym [Pa], γ_w – ciężar właściwy wody dla określonej temperatury [kg/tm•s)²], Z – bezwymiarowy współczynnik straty miejscowej, zależny od stopnia otwarcia elementu dławiącego, v_śr – prędkość średnia (zazwyczaj mierzona za elementem dławiącym) [m/s], g – przyspieszenie ziemskie [m/s²].

Rys. 1 Profile ciśnienia w sieci nieregulowanej (miasto A)

Z powyższego równania wynikają dwa bardzo ważne wnioski praktyczne:

– wysoka wartość wymaganej redukcji ciśnienia powoduje konieczność bardzo niskiego stopnia otwarcia elementu dławiącego (wysoka wartość współczynnika Z);

– w przypadku zmiennych przepływów (co jest zjawiskiem naturalnym w sieciach wodociągowych) dla utrzymania stałego ciśnienia za elementem dławiącym wymagana jest ciągła zmiana współczynnika Z (otwarcie/ przymknięcie elementu dławiącego). Oznacza to, że np. 10-krotna zmiana wartości przepływów (rozbiory nocne – rozbiory dzienne) powoduje konieczność 100-krotnej zmiany współczynnika Z.

Z tych powodów metody regulacyjne redukcji ciśnienia można podzielić na:

– metody ze stałą nastawą elementu dławiącego (zasuwy/przepustnice),

– metody ze zmienną nastawą elementu dławiącego:

–   zasuwy/przepustnice/zawory suwakowe z napędem,

–   zawory regulowane przepływającą wodą.

W artykule przedstawiono zalety i wady związane z redukowaniem wartości ciśnienia w wyniku jej regulacji:

– poprzez dławienie zasuwą o stałym stopniu otwarcia,

– poprzez dławienie przepustnicą z napędem,

– poprzez zastosowanie reduktorów sprężynowych,

– przy zastosowaniu zaworów redukcyjnych hydraulicznych (regulowanych przepływającym medium).

Wszystkie przedstawione przypadki pochodzą z praktyki zawodowej autora.

Fot. 1 Oryginalny stopień otwarcia zasuwy DN150 stosowanej do redukcji ciśnienia o 1,0 bar (fot. autora)

Zmiany ciśnienia w sieci wodociągowej pozbawionej regulacji

Sieci wodociągowe charakteryzują się naturalną nierównomiernością rozbiorów wody dzień-noc, wynikającą z aktywności życiowej odbiorców. Dla sieci o dużej liczbie zasilanych odbiorców (np. miasta) współczynnik nierównomierności może wynosić od kilku do kilkunastu, dla sieci o małej liczbie odbiorców (wsie) – przekraczać wartość sto. Efektem jest wysoka wartość ciśnienia w godzinach minimalnych rozbiorów (nocnych) i niższa w godzinach maksymalnych rozbiorów (dziennych/pożarowych). Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne dla sieci o dużym zróżnicowaniu wysokościowym.

Przykład profili ciśnienia dla sieci nieregulowanej pokazuje rys. 1.

Jak wynika z wykresu, w nocy ciśnienie jest wyższe o ok. 2,5 bara w stosunku do godzin dziennych. Efektem braku regulacji jest więc m.in. podwyższona awaryjność sieci oraz większe wycieki przez nieszczelności w godzinach nocnych. Z powyższych powodów dla takich sieci wymagana jest regulacja ciśnienia, szczególnie w przypadku punktów o jego najwyższej wartości (przekraczającej 6,0 barów).

Rys. 2 Profile ciśnienia w sieci regulowanej zasuwą (miasto B)

Redukcja ciśnienia przy zastosowaniu zasuwy o stałym stopniu otwarcia

Regulacja ciśnienia polegająca na przymykaniu elementu regulacyjnego (zasuwy) jest najprostszą i powszechnie stosowaną metodą redukcji, charakteryzującą się jednak niską jakością regulacji i koniecznością wysokiego stopnia zdławienia zasuwy (fot. 1). Jej podstawową wadą są niepożądane efekty w sytuacjach skrajnych – w czasie rozbiorów minimalnych (nocnych) i maksymalnych (dziennych/pożarowych). W czasie rozbiorów minimalnych ciśnienie wejściowe jest redukowane przez zasuwę w minimalnym stopniu, powodując jego nadwyżkę w punktach sieci najniżej położonych. Natomiast przy rozbiorach maksymalnych strata ciśnienia może być tak znacząca, że powoduje nieakceptowaną przez odbiorców (zbyt niską) wartość ciśnienia w punktach sieci najwyżej położonych. Przykład profili ciśnienia w sieci regulowanej silnie zdławioną zasuwą pokazuje wykres na rys. 2. Jak wynika z wykresu, dla punktów zlokalizowanych przed zasuwą (H1, H2) zmiany wartości ciśnienia są nieznaczne, natomiast dla punktów za zdławioną zasuwą – bardzo wysokie, powodujące wręcz chwilowy brak możliwości korzystania z wody, np. w punkcie H5. Powoduje to konieczności codziennego „kręcenia” zasuwą, co jest wysoce problematyczne w eksploatacji. Z tego powodu redukcja ciśnienia zasuwą powinna być stosowana tylko w sytuacjach awaryjnych – nie nadaje się ona do codziennej eksploatacji.

Dodatkowym efektem wysokiego stopnia zdławienia zasuwy jest przyspieszony proces niszczenia serca lub korpusu zasuwy, prowadzący końcowo do braku możliwości jej szczelnego zamknięcia. Przykład całkowicie zniszczonego wnętrza korpusu zasuwy pokazuje fot. 2.

Fot. 2 Uszkodzenie korpusu zasuwy DN100 stosowanej do redukcji ciśnienia o 5,0 barów (fot. autora)

Redukcja ciśnienia przy zastosowaniu przepustnicy z napędem mechanicznym

Poprawę jakości regulacji można uzyskać przez zastosowanie – zamiast zasuwy o stałym stopniu otwarcia – przepustnicy wyposażonej w napęd mechaniczny, sterowany lokalnie lub zdalnie. Niestety wadą podstawową tego rozwiązania jest konieczność zapewnienia zasilania napędu, dlatego w większości znanych autorowi przypadków rozwiązanie to stosowane jest w pompowniach wody. Dodatkowym problemem jest znacząca różnica między czasem zmiany ciśnienia w sieci, spowodowanej zmianą rozbiorów, a czasem reakcji napędu na tę zmianę. Przykład takiej sytuacji dla sterowania siecią wodociągową co 15 minut pokazuje wykres na rys. 3.

Rys. 3 Profile ciśnienia w sieci regulowanej zdalnie przepustnicą z napędem mechanicznym (miasto A)

Na wykresie widać wyraźnie niestabilny profil ciśnienia za dławioną przepustnicą – wahania ciśnienia są rzędu 4,0 barów. Niestabilność ciśnienia powodowała wysoką awaryjność sieci dla tego regionu i częste skargi mieszkańców na niskie ciśnienie. Jednocześnie podobnie jak przy redukcji ciśnienia zasuwą proces ten wymaga niskiego stopnia otwarcia (zazwyczaj do 10%). W efekcie niewielka regulacja (zmiana ciśnienia rzędu 0,1-0,2 bara) może spowodować bardzo wysoką zmianę przepływu – z 70 do 140 m³/h (rys. 4). Dodatkowym problemem jest fakt, że przepustnice stosowane do redukcji ciśnienia przy niskim stopniu otwarcia charakteryzuje przyspieszone zużycie uszczelnień i serca przepust- nicy, skutkujące brakiem możliwości jej szczelnego zamknięcia. Część producentów proponuje jako rozwiązanie konstrukcję uszczelnienia metal -metal, jednak lepszym rozwiązaniem w takim przypadku jest zastosowanie tzw. zaworów suwakowych.

Końcowo ten typ regulacji również nie jest wskazany dla sieci z wysoką dynamiką rozbiorów.

Rys. 4 Profil zmian ciśnienia i przepływu dla przepustnicy sterowanej lokalnie

Redukcja ciśnienia przy zastosowaniu reduktorów sprężynowych

Reduktory sprężynowe z powodu ich relatywnie niskiej ceny są chętnie stosowane do regulacji sieci wodociągowych. Niestety, ich jakość regulacji jest również niska w przypadku dużej dynamiki rozbiorów wody (notowanej w sieciach zaopatrujących mieszkalnictwo) czy przy chwilowych wysokich poborach wody (rejestrowanych w przemyśle). Przykłady profili ciśnienia dla takich przypadków pokazują wykresy – rys. 5 i 6.

Wyniki pomiarów pokazują zmiany redukowanego ciśnienia w zakresie 3,5-5,0 barów w okresach dzień-noc (pomimo stałej nastawy wyjściowej 4,5 bara) oraz szybkozmienną pulsację ciśnienia w okresach kilkuminutowych. Zmienność ta spowodowana jest charakterystyką pracy sprężyny zaworu. Podobna sytuacja występowała dla odbiorcy przemysłowego – pomiary również wskazały na problem z możliwością utrzymania stabilnego ciśnienia za zaworem sprężynowym – gwałtowny pobór wody przez odbiorcę (wynikający z jego technologii produkcji) powodował bardzo wyraźne spadki ciśnienia za zaworem, a szybkość reakcji zaworu była niewystarczająca. Jedyną zaletą zastosowania zaworu jest zredukowanie wpływu odbiorcy na pracę zasilającej go sieci wodociągowej – intensywne rozbiory nie powodują spadków ciśnienia w zasilającej sieci.

Z podanych powodów zastosowanie zaworów sprężynowych w sieciach o wysokiej dynamice rozbiorów nie jest wskazane.

Rys. 5 Profil ciśnienia za reduktorem sprężynowym (strefa miejska, miasto C)

Rys. 6 Profil ciśnienia za reduktorem sprężynowym (odbiorca przemysłowy, miasto D)

Redukcja ciśnienia przy zastosowaniu reduktorów hydraulicznych

Zawory hydrauliczne sterowane przepływającym medium to połączony zawór główny (zazwyczaj grzybkowy) z siłownikiem sprężynowo-membranowym (tzw. pilotem zaworu). Pilot zaworu jest podstawowym składnikiem instalacji sterującej zaworem głównym, a funkcja zaworu zależy od rodzaju zastosowanego pilota lub kombinacji pilotów. Przez zastosowanie różnego rodzaju pilotów można uzyskać różne funkcje regulacyjne, np.:

– utrzymanie stałego ciśnienia za zaworem (zawór redukcyjny);

– utrzymanie stałego ciśnienia przed zaworem (zawór priorytetu);

– zabezpieczenie przed gwałtownym wzrostem ciśnienia (zawór przeciw- uderzeniowy);

– utrzymanie stałego przepływu (zawór z wbudowaną kryzą mierniczą);

– łagodne uruchomienie/zatrzymanie pomp;

– napełnianie/opróżnianie zbiorników wody i wiele innych.

Przykład zaworu hydraulicznego redukcji ciśnienia pokazuje fot. 3. Reduktory hydrauliczne charakteryzuje bardzo wysoka jakość regulacji ciśnienia. Przykładem jest profil ciśnienia w sieci jednej z dzielnic miasta A, w której wymieniono przepustnicę regulacyjną (profil ciśnienia – rys. 2) na zawór hydrauliczny (rys. 7).

Fot. 3 Przykład hydraulicznego reduktora ciśnienia (fot. autora)

Rys. 7 Profile ciśnienia w sieci regulowanej reduktorem hydraulicznym (miasto A)

Praca reduktora hydraulicznego przewymiarowanego

Podstawowym warunkiem prawidłowej pracy reduktorów ciśnienia, sterowanych przepływającym medium, jest ich poprawny dobór i zabezpieczenie przed zanieczyszczeniami mechanicznymi.

Przewymiarowanie reduktora (stosowane często przez projektantów w myśl zasady: średnica rury równa średnicy reduktora) powoduje w większości przypadków jego pracę w niekorzystnym zakresie, przy czym szczególnym problemem jest utrzymanie ciśnienia dla minimalnych rozbiorów. Zawór hydrauliczny, pracując na granicy całkowitego zamknięcia, jest wrażliwy na minimalne zmiany ciśnienia za reduktorem – przy jego wzroście zamyka się całkowicie, przy spadku – powtórnie otwiera. Przykład takiej pracy reduktora pokazuje rys. 8.