Niezawodność funkcjonowania systemów zaopatrzenia w wodę

Transkrypt

1 ŁUKASIK Zbigniew 1 KUŚMIŃSKA-FIJAŁKOWSKA Aldona 2 NOWAKOWSKI Waldemar 3 Niezawodność funkcjonowania systemów zaopatrzenia w wodę WSTĘP System zaopatrzenia w wodę (SZW) stanowi infrastrukturę przeznaczoną do oczyszczania, uszlachetniania i dostarczania wody dla ludności i przemysłu. Zaopatrzenie w wodę i odbiór ścieków jest jedną z najistotniejszych usług, która zapewnia sprawne funkcjonowanie społeczności oraz ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa państwa. W artykule autorzy przedstawili problematykę niezawodności funkcjonowania systemów zaopatrzenia w wodę na przykładzie miasta Tomaszowa Mazowieckiego. Wymieniona dyscyplina naukowa bada wszystkie uszkodzenia elementów i podsystemów SZW, które stwarzają zagrożenie i wymagają działań wyspecjalizowanych służb ratownictwa. 1. INFRASTRUKTURA WODOCIĄGOWA Infrastruktura wodociągowa Tomaszowa Mazowieckiego jest zróżnicowana pod względem materiałowym. Pierwsze wodociągi budowano z rur azbestowo cementowych, żeliwnych i stalowych. Przez ostatnie lata wycofywano z użytku wodociągi azbestowo cementowe i stalowe, zastępując je tworzywami sztucznymi i żeliwem sferoidalnym. Stan materiałowy infrastruktury wodociągowej przedstawiono w Tabeli 1, natomiast procentowy udział długości sieci poszczególnych średnic, do ogólnej długości sieci wodociągowej zestawiono w Tabeli 2 [3]. Tab. 1. Podział infrastruktury wodociągowej według materiału w roku 2013 [3] Lp. Materiał Długość [km] % 1 azbesto-cement 7,541 5,00 2 stal 0,058 0,04 3 żeliwo 72,820 48,28 4 PCV/PE 70,396 46,68 Razem 150, Tab. 2. Procentowy udział poszczególnych średnic infrastruktury wodociągowych [3] Lp. Średnica [mm] Długość [km] % 1 80/90 11,369 7, /110 85,068 56, /160 29,042 19, /225 12,819 8, ,587 1, /300 2,112 1, ,993 0, ,954 1, ,871 3,23 Razem 150, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki Radom ul. Malczewskiego 29. Tel: , z.lukasik@uthrad.pl 2 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki Radom ul. Malczewskiego 29. Tel: , a.kusminska@uthrad.pl 3 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki Radom ul. Malczewskiego 29. Tel: , w.nowakowski@uthrad.pl 752

2 2. MIARY AWARYJNOŚCI SIECI WODOCIĄGOWEJ W literaturze naukowo-technicznej niezawodność funkcjonowania systemów zaopatrzenia w wodę zdefiniowano w następujący sposób [2, 4]. Niezawodność funkcjonowania SZW stanowi właściwość polegającą na wypełnianiu przez niego zadań związanych z dostawą wody w odpowiedniej ilości, wystarczającym ciśnieniu i wymaganej jakości. Do oceny niezawodności systemów zaopatrzenia w wodę przyjmuje się następujące wielkości [3]: Wskaźnik gotowości K g K g T (1) T T T i T o są odpowiednio sumarycznym czasem sprawności (pracy) i sumarycznym czasem niesprawności (odnowy) w określonym czasie. Empiryczny parametr strumienia uszkodzeń (t) n( t, ( t) (2) N t n( t, - liczba uszkodzeń w przedziale czasu ( t, t - długość przedziałów na jaki podzielono okres obserwacji N - długość sieci. Empiryczna częstotliwość uszkodzeń sieci wodociągowej C r( t, C( t) (3) t C (t) - wskaźnik częstości zdarzeń r( t, - liczba uszkodzeń w przedziale czasu ( t, t - długość przedziałów, na jaki podzielono okres obserwacji. Średni czas bezawaryjnej pracy T E( T ) - wartość oczekiwana zmiennej losowej f (t) - gęstość zmiennej losowej o 0 T E( T ) tf ( t) dt (4) T Wartość czasu bezawaryjnej pracy T można oszacować na podstawie danych eksploatacyjnych, korzystając ze wzoru: k T tpi zt (5) i1 k - liczba okresów pracy obiektów uszkadzających się tp i - sumaryczny czas pracy w i -tym okresie pracy obiektów uszkadzających się t - długość okresu obserwacji z - liczba okresów pracy obiektów nie uszkadzających się, przy czym: T 753

3 n - jest liczbą badanych obiektów m - liczba uszkadzających się obiektów. z n m (6) Średni czas odnowy T o To no (7) n o - liczba odnów w badanym okresie T 0 czas trwania awarii Czas trwania awarii (czas odnowy) jest sumą czasu oczekiwania na naprawę T ) i czasu właściwej naprawy ( T n ) : T o ocz n ( ocz T T (8) W procedurze wykrywania lokalizacji i napraw uszkodzeń przewodów sieci wodociągowych istotną rolę odgrywa podział na trzy okresy: T p czas powiadomienia: średni czas upływający od wystąpienia przecieku wody do powiadomienia o nim pogotowia wodociągowego T l czas lokalizacji: średni czas, jaki upływa od zgłoszenia awarii do wyłączenia wody lub rozpoczęcia naprawy połączonego z wyłączeniem wody (uwzględniając również czas potrzebny na zlokalizowanie uszkodzenia) T n czas naprawy: średni czas mierzony od rozpoczęcia naprawy do jej zakończenia [1, 5]. Empiryczna intensywność odnowy (t) n( t, ( t) (9) n( t) t n( t, - liczba odnów, których czas trwania należy do przedziału ( t, n (t) - liczba odnów, których czas trwania jest niemniejszy niż t t - długość przedziałów, na jaki podzielono okres obserwacji. 3. STRUMIEŃ USZKODZEŃ INFRASTRUKTURY WODOCIĄGOWEJ Z przeprowadzonych obliczeń dla infrastruktury wodociągowej z podziałem na rodzaj sieci, średnicę i materiał otrzymano wyniki parametru uszkodzeń (Tabela 3 i 4) [3]. Tab. 3. Parametr strumienia uszkodzeń infrastruktury wodociągowej [3] Rok Δt [rok] n(t,t+δt) [uszk] N [km] ω[uszk/km*rok] ,670 0, ,819 0, ,966 0, ,282 0, ,012 0, ,182 0, ,962 0, ,003 0, ,592 0, ,227 0, ,816 0,

4 Rys. 1. Parametr strumienia uszkodzeń infrastruktury wodociągowej [3] Największe wartości parametru strumienia uszkodzeń infrastruktury wodociągowej, wynoszące 0,7661 i 0,7255 uszk/km * rok, obliczono dla roku odpowiednio: 2003 i Porównując wartości z Tabeli 3 do wartości wskaźników europejskich, które wynoszą 0,2 0,5 uszkodzeń na kilometr w ciągu jednego roku, można zaobserwować, że tylko wartości z lat 2008 i 2013 mieszczą się w tej normie. Pozostałe wartości parametrów strumienia są za wysokie. W latach parametr strumienia uszkodzeń wykazuje tendencję spadkową, lecz później nagle wzrasta i na przełomie trzech następnych lat utrzymuje się na podobnym poziomie. Tab. 4. Parametr strumienia uszkodzeń w zależności od rodzaju materiału w roku 2012 [3] materiał Δt [rok] n(t,t+δt) [uszk.] N [km] ω[uszk/km*rok] żeliwo ,231 0,4292 azbesto-cement ,622 4,1754 stal 1 1 0,217 4,6083 PE/PCV ,314 0,0433 Rys. 2. Wartość parametru strumienia uszkodzeń w zależności od rodzaju materiału w roku 2012 [3] Materiały, z których zbudowana jest sieć wodociągowa miasta Tomaszowa Mazowieckiego, mają różne wskaźniki niezawodności (Tabela 4). Największą wartość parametru strumienia uszkodzeń wynoszącą 4,6083 uszk/km * rok odnotowano dla sieci wodociągowych wykonanych ze stali. 755

5 Podobna sytuacja jest dla azbesto-cementu, gdzie parametr strumienia uszkodzeń wynosi 4,1754 uszk/km * rok i też znacznie przewyższa parametr uznany za normę 0,2 0,5 uszk/km * rok. Rozpiętość parametru strumienia uszkodzeń w zależności od rodzaju materiału jest znaczna. Sieć zbudowana z żeliwa i z tworzyw sztucznych mieści się w parametrach uznanych za normę, zdecydowanie najniższą wartość wyliczono dla tworzyw sztucznych, która wynosi 0,0433 uszk/km * rok (Rysunek 2). W Tabeli 5 przedstawiono obliczenia parametru strumienia uszkodzeń sieci dokonanych według średnicy rur. Możemy tu zauważyć, że średnice od mm wcale nie ulegały uszkodzeniom w badanym roku Sieć o średnicy 100 mm, aż 54 razy ulegała uszkodzeniom, a wartość parametru uszkodzeń wynosi 0,635 uszk/km * rok, natomiast dla rur o średnicy 500 mm parametr strumienia uszkodzeń wynosił 0,339 uszk/km * rok (Rysunek 3) [3]. Tab. 5. Parametr strumienia uszkodzeń w zależności od średnicy infrastruktury wodociągowej w roku 2012 [3] średnica Δt [rok] n(t,t+δt) [uszk.] N [km] ω[uszk/km*rok] 80/ ,311 0, / ,082 0, / ,440 0, / ,820 0, ,587 0, / ,112 0, ,993 0, ,954 0, ,871 0,205 Rys. 3. Parametr strumienia uszkodzeń w zależności od średnicy infrastruktury wodociągowej w roku 2012 [3] WNIOSKI Podstawowym zadaniem systemu zaopatrzenia w wodę jest zaspakajanie potrzeb wodnych ludności i przedsiębiorstw. Ciągły wzrost długości infrastruktury wodociągowej związany jest ze wzrostem standardu życia społeczności i postępem technicznym. Awarie infrastruktury wodociągowej powodują znaczne zakłócenia w życiu codziennym mieszkańców, a także zakładów przemysłowych. 756

6 Każdy przeciek i awaria powodują straty wody, aby ograniczyć straty wody w sieci trzeba najpierw poznać ich przyczyny. Pierwszym etapem jest dokonanie diagnozy sytuacji eksploatacyjnej wodociągu, przeanalizowanie struktury sieci i zastosowanych rozwiązań, dokonania wizji lokalnej w terenie oraz określenia parametrów i wskaźników charakterystycznych wodociągu. Badania terenowe pozwalają ocenić parametry sieci i dokonać diagnozy oraz przyjąć odpowiednie założenia naprawcze infrastruktury. Niezawodność funkcjonowania systemów zaopatrzenia w wodę, jako element infrastruktury w świetle współczesnych zagrożeń cywilizacyjnych staje się ważnym zagadnieniem i wymaga stałego ulepszania, a także sprawnych działań służb ratowniczych. Streszczenie System zaopatrzenia w wodę stanowi infrastrukturę przeznaczoną do oczyszczania, uszlachetniania i dostarczania wody dla ludności i przemysłu. Zaopatrzenie w wodę i odbiór ścieków jest jedną z najistotniejszych usług, która zapewnia sprawne funkcjonowanie społeczności oraz ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa państwa. Problematykę niezawodności funkcjonowania systemów zaopatrzenia w wodę w artykule autorzy przedstawili na przykładzie miasta Tomaszowa Mazowieckiego. Niezawodność funkcjonowania systemów zaopatrzenia w wodę, jako element infrastruktury w świetle współczesnych zagrożeń cywilizacyjnych staje się ważnym zagadnieniem i wymaga stałego ulepszania, a także sprawnych działań służb ratowniczych. Abstract The water supply infrastructure is designed for cleaning, processing and water supply for the population and industry. Water supply and sewage disposal is one of the most important services that ensures the smooth functioning of the community and is crucial for the security of the stat. Problems of reliability of water supply systems in the article the authors present the example of the city Tomaszów Mazowiecki. Reliability of water supply systems, as part of the infrastructure in the light of contemporary threats of civilization are becoming important issues and require continuous improvement, and efficient rescue operations. BIBLIOGRAFIA 1. Denczew S., Niezawodność funkcjonowania i niezawodność bezpieczeństwa systemów zaopatrzenia w wodę na przykładzie starego miasta Warszawy. Warszawa Dzienis L., Królikowski A., Wodociągi i kanalizacje wiejskie. Białystok Karwat D., Analiza sieci wodociągowej na przykładzie miasta Tomaszowa Mazowieckiego. Praca magisterska promotor: dr inż. Aldona Kuśmińska-Fijałkowska, UTH Radom Wieczysty A., Niezawodność systemów wodociągowych i kanalizacyjnych T.1 Teoria niezawodności i jej zastosowanie Cz. 1 Skrypt do przedmiotu: Optymalizacja systemów zaopatrzenia w wodę i usuwania ścieków. Kraków