Lokalizowanie ubytków wody sieciowej w systemach ciepłowniczych

Transkrypt

1 Lokalizowanie ubytków wody sieciowej w systemach ciepłowniczych Przegląd stosowanych metod Dr inż. Maciej Chorzelski Maciej Dąbrowski dyplomant

2 GEOFON 1. Wyciek wody z rurociągu pod wpływem różnicy ciśnienia wywołuje falę akustyczną tzw. szum wycieku. 2. Wyciek jest punktowym źródłem dźwięku. 3. Od źródła punktowego fala rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach. 4. W jednorodnym ośrodku (jakim jest powietrze, czy grunt natężenie dźwięku jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od źródła dźwięku (miejsca wycieku). 2

3 GEOFON 5. Jeśli posiadamy czuły mikrofon i odpowiednio czułą aparaturę pomiarowa, to idąc wzdłuż trasy rurociągu możemy wyznaczyć miejsce, gdzie natężenie dźwięku jest największe. 6. Należy przypuszczać, że w pobliżu tego miejsca znajduje się miejsce wycieku (nieszczelność). 7. Dla wykonania pomiaru niezbędna jest znajomość dokładnej trasy rurociągu, z uwzględnieniem załamań i kompensatorów u-kształtowych. 3

4 8. Identyfikacja szumu wycieku. GEOFON 9. W zależności od różnicy ciśnienia, kształtu oraz rozmiaru nieszczelności otrzyma się różna charakterystykę szumu. 10. Tłumienie i zniekształcenia, zakłócenia. 11. To powoduje, że każdy szmer wycieku może być inny trudności w interpretacji. 4

5 GEOFON 12. Zalety metody: prostota, prosta aparatura, wysoka dokładność, możliwość badań z powierzchni gruntu, jedna osoba może prowadzić badania. 5

6 GEOFON 13. Wady: wymagane duże doświadczenie w badaniach, wskazany niezły słuch muzyczny, silny wpływ zakłóceń zewnętrznych mogą uniemożliwić wykrycie nieszczelności lub wykrywa się tylko najsilniejsze sygnały, nie da się wykryć nieszczelności, gdy ta jest w wodzie (zalany kanał) konieczność osuszenia kanału, co podnosi koszt badania. 6

7 Korelator akustyczny. 1. Zasada działania podobnie jak poprzednia metodazjawiska akustyczne. 2. Dla badania konieczny jest dostęp z obu końców do badanego odcinka rurociągu. 3. Zakłada się, że fala dźwiękowa w materiale rury rozchodzi się we wszystkich kierunkach z jednakową prędkością. 4. Prędkość fali w stali jest znacznie większa niż np. w tworzywach sztucznych (PP, PE, PEX). 7

8 Korelator akustyczny. 5. Tłumienie fali w tworzywach sztucznych jest silniejsze niż w stali. 6. Fala akustyczna (szum wycieku) może być słyszalny do około 1500 m od miejsca powstania. 7. Znając (lub zakładając) prędkość fali w badanym materiale i mierząc czasy dotarcia szumu do obu końców badanego odcinka można wyznaczyć położenie miejsca powstania szumu (miejsce wycieku). 8

9 Korelator akustyczny. 8. Przykładowo, jeśli czasy będą jednakowe, to miejsce przecieku leży w jednakowych odległościach od obu końców badanego odcinka (czyli w jego środku). 9. W rzeczywistości mierzymy różnicę czasu dotarcia sygnału do obu końców badanego odcinka. 10. Nieszczelność znajduje się w pobliżu tego końca badanego odcinka, do którego szum dotarł wcześniej. 9

10 Korelator akustyczny. 11. Odległość od tego końca wynosi: D=(L-v*τ)/2 [m] gdzie: L długość badanego odcinka [m]; ν- prędkość fal w materiale rury [m/s]; τ- różnica czasów dojścia sygnałów do odbiorników na końcach badanego odcinka [s]; D- odległość miejsca nieszczelności od końca rurociągu [m]. 10

11 Korelator akustyczny. 12. Zalety: dokładność metody. 13. Wady: konieczność dostępu do 2 komór ciepłowniczych wzrost ilości osób biorących udział w pomiarach, wzrost kosztów, silny wpływ korozji rurociągów na wyniki pomiarów, stała średnica na odcinku mierzonym, jeśli na odejściu jest wyciek to dostaje się zafałszowany wynik, połączenia kołnierzowe powodują zafałszowanie wyniku pomiaru. 11

12 Korelator akustyczny. Poszukiwanie przecieku przy użyciu dwupunktowej korelacji 12

13 Poszukiwanie przecieku przy użyciu trzypunktowej korelacji 13

14 Światłowodowy pomiar temperatury. 1. Wzdłuż rurociągu należy ułożyć światłowód. 2. Wyciek powoduje wzrost temperatury otoczenia, w tym temperatury światłowodu. 3. Wzdłuż światłowodu wiązka światła ulega rozproszeniu (tzw. rozproszenie Ramana). Można wtedy wyróżnić dwa pasma częstotliwości (tzw. pasmo stokesowskie i antystokesowskie). 14

15 Światłowodowy pomiar temperatury. 4. Pasma te w odmienny sposób reagują na zmianę temperatury światłowodu. 5. Silnej zmianie ulega pasmo antystokesowskie. 6. Poprzez pomiar natężenia obu pasm można określić wielkość lokalnego wzrostu temperatury. 7. Poprzez pomiar czasu propagacji wstecznej można precyzyjnie określić miejsce, gdzie temperatura światłowodu uległa zmianie. 15

16 Światłowodowy pomiar temperatury. 8. Obecne rozwiązania pozwalają na określenie co 1 m lokalnej temperatury światłowodu. 9. Jeden reflektometr pozwala na pomiar odcinka do 60 km. 10. Czułość metody pomiaru temperatury pozwala na wykrycie miejsca przecieku o natężeniu przepływu od 1 dm3/h. 11. Problemem jest ułożenie w istniejącym kanale światłowodu. 16

17 Światłowodowy pomiar temperatury. 12. Koszt samego światłowodu jest niewielki ( około 20 PLN/m). 12. Metoda jest nowa, dlatego też brak jest informacji jak to działa w praktyce (w chwili obecnej metoda oferowana na rynku niemieckim). 17

18 Schemat instalacji światłowodowej do lokalizowania przecieku (źródło: Vogel, B., Cassens, C., Graupner, A., & Trostel, A. (2011). Leakage detection systems by using Distributed Fiber Optical Temperature Measurement) 18

19 Georadar. 1. Urządzenie mierzy własności warstw gleby (przenikalność magnetyczną i przenikalność elektryczna). 2. Własności te mierzy się poprzez emisję fali elektromagnetycznej i analizę fali odbitej. 3. Odbicie fali następuje na granicy ośrodków o różnych własnościach (różny grunt, różna wilgotność gruntu etc.). 19

20 Georadar. 4. Dla poprawnego przeprowadzenia badania konieczne jest zebranie możliwie dużej ilości informacjo o rurociągu i jego otoczeniu. 5.Istotna jest znajomość: trasy rurociągu, jego zagłębienia, rodzaju gruntu (rodzimy i zasypka), właściwości gruntu suchego i zawilgoconego. 6. Po pomiarach wykonuje się analizę otrzymanych profili, co wymaga dużego doświadczenia. 20

21 Georadar. 7. Pomiary zakłócają otaczające obiekty (budynki, tory kolejowe i tramwajowe), pola elektromagnetyczne gdyż mogą zakłócać pole wytwarzane przez urządzenie w trakcie badań. 8. Zmienne własności gruntu mogą uniemożliwić poprawna interpretację -czyli roboty ziemne w pobliżu rurociągu, prowadzone kiedyś naprawy sieci etc. mogą wpłynąć na jakość pomiaru, a tym samym uniemożliwić lokalizację wycieku. 9. Zawilgocenie gruntu może wystąpić w innym miejscu niż wyciek z rurociągu. 21

22 Profil gruntu przed powstaniem przecieku (źródło: Eyuboglu, S., Mahdi, H., & Al-Shukri, H. Detection of water leaks using ground penetrating radar. Little Rock: Department of Applied Science University of Arkansas at Little Rock.) 22

23 Profil gruntu 4 minuty po powstaniu przecieku (źródło: Eyuboglu, S., Mahdi, H., & Al-Shukri, H. Detection of water leaks using ground penetrating radar. Little Rock: Department of Applied Science University of Arkansas at Little Rock.) 23

24 Profil gruntu 22 minuty po powstaniu przecieku (źródło: Eyuboglu, S., Mahdi, H., & Al-Shukri, H. Detection of water leaks using ground penetrating radar. Little Rock: Department of Applied Science University of Arkansas at Little Rock.) 24

25 Georadar. 10. Większa dokładność lokalizacji uzyskiwana jest dla nowych wycieków. 11. Wydaje się, że metoda może być bardziej przydatna do ustalania przebiegu sieci niż do wykrywania miejsc nieszczelności, zwłaszcza w przypadku sieci kanałowych. 25

26 1. Jest to tzw. metoda penetracyjna. Gaz znacznikowy. 2. Jako czynnika wykrywającego używa się gazu znacznikowego. 3. Dla wykonania badania należy badany odcinek opróżnić z wody i napełnić wspomnianym gazem znacznikowym lub mieszanina gazów ze wspomnianym gazem znacznikowym. 4. Poszukujemy miejsc o zwiększonej koncentracji gazu znacznikowego są to miejsca wycieków. 26

27 Gaz znacznikowy. 5. Stosowane gazy: Wodór (najczęściej w mieszaninie z azotem- poniżej dolnej granicy wybuchowości) Hel możliwość badania instalacji przemysłowych podczas pracy (nie wchodzi w żadne reakcje), Gazy szlachetne i promieniotwórcze. 6. Zalety: Bardzo duża czułość, pozwala wykrywać najmniejsze nieszczelności, Duża szybkość badania. 27

28 7. Wady: Gaz znacznikowy Konieczność bezpośredniego dostępu do urządzenia (np. zbiornik ciśnieniowy) lub instalacji (np. przemysł chemiczny); Budowa kanałowej sieci ciepłowniczej znacząco ogranicza zastosowanie metody- nawet wykrycie na powierzchni zwiększonego stężenia gazu znacznikowego nie oznacza, że zlokalizowaliśmy przeciek w rurociągu ale że zlokalizowaliśmy nieszczelność w kanale!!! 28

29 7. Wady c.d.: Gaz znacznikowy Zbyt wysoka czułość gdyż wodór i hel to gazy o najmniejszych cząstkach, a więc mogące przenikać przez najmniejsze nieszczelności, w tym np. połączenia gwintowane i kołnierze (zakłócenia od króćców manometrycznych i termometrycznych, oraz od wszystkich połączeń kołnierzowych ). 29

30 Robot z kamerą do inspekcji kanałów. 1. W sieciach kanałowych z kanałami nie przełazowymi nie ma możliwości wizualnej inspekcji rurociągów. 2. Można próbować wykonać to zadanie przy pomocy robota/łazika specjalnej konstrukcji. 3. Robot może być wyposażony w kamerę wideo, kamerę na podczerwień, silne źródło światła, czujnik wilgotności i temperatury powietrza. 4. Na zdjęciach z kamery wideo można wykryć miejsca nieszczelności czy zawilgocenia. 30

31 Robot z kamerą do inspekcji kanałów. 5. Kamera na podczerwień może potwierdzić, że to wyciek wody z rurociągu, a nie przeciek obudowy kanału. 6. Podobnie czujniki wilgotności i temperatury powietrza w kanale. 7. Wymagany jest dostęp do komór, aby można było wprowadzić robota do kanału. 8. Pracą robota steruje operator- powinien być w komorze, skąd steruje (przewodowo) pracą robota i uważa, aby nie uległ on zakleszczeniu. 31

32 9. Wady metody: Robot z kamerą do inspekcji kanałów. drogi sprzęt, możliwość zakleszczenia się robota- konieczność rozkopania kanału dla jego wydobycia; mała prędkość badania (kilkaset metrów dziennie), zaangażowanie kilku osób w badanie, metoda tylko dla sieci kanałowych. 32

33 10. Zalety: duża dokładność badania; Robot z kamerą do inspekcji kanałów. duża pewność, że wykop trafi na przeciek, możliwość wykrycia nawet najmniejszych przecieków, badanie nawet gdy nie wykryje przecieku pozwala na ocenę stanu badanego odcinka sieci (badanie prewencyjne); robot może, jeśli odcinek jest przejezdny pomóc w ułożeniu światłowodu. 33

34 Odcinkowe badanie sieci 1. Woda jest cieczą nieściśliwą (przy ciśnieniach stosowanych w ciepłownictwie). 2. Nawet niewielki jej ubytek w zamkniętym układzie (naczynie ciśnieniowe wypełnione woda i dobrze odpowietrzone, odcinek sieci wypełniony wodą i dobrze odpowietrzony) wywołuje znaczące spadki ciśnienia. 3. Zamykając odcinek sieci badamy szybkość spadku ciśnienia. 34

35 Odcinkowe badanie sieci 4. Jeśli przez przynajmniej 15 minut wskazanie manometru jest stałe bądź uległo jedynie nieznacznej zmianie, wówczas dany odcinek można uznać jako szczelny. 5. Jeśli nie- zachodzi duże prawdopodobieństwo istnienia przecieku na badanym odcinku. 6. Należy wówczas przeprowadzić szczegółowe badania odcinka mające na celu wskazanie dokładnej lokalizacji nieszczelności. 35

36 Odcinkowe badanie sieci 4. Jeśli przez przynajmniej 15 minut wskazanie manometru jest stałe bądź uległo jedynie nieznacznej zmianie, wówczas dany odcinek można uznać jako szczelny. 5. Jeśli nie- zachodzi duże prawdopodobieństwo istnienia przecieku na badanym odcinku. 6. Należy wówczas przeprowadzić szczegółowe badania odcinka mające na celu wskazanie dokładnej lokalizacji nieszczelności. 36

37 7. Zalety: prostota, Odcinkowe badanie sieci nie jest wymagany specjalistyczny sprzęt, metodyka przeprowadzania pomiaru bardzo prosta oraz szybka, może być wykonywana przez pracowników podczas wykonywania codziennych prac eksploatacyjnych, nie generuje znaczących strat związanych z przesyłem i sprzedażą ciepła z uwagi na krótki czas badania. 37

38 8. Wady: silnie zależy od szczelności zaworów, Odcinkowe badanie sieci wymagana informacja o pionowym położeniu rurociągu, wymaga sprawnych manometrów, konieczność dostępu do komór, nie określa punktu występowania nieszczelności. 38

39 Termowizja 1. Każdy obiekt o temperaturze wyższej od zera absolutnego emituje promieniowanie podczerwone. 2. Natężenie emitowanego promieniowania jest tym wyższe, im wyższa jest temperatura danego obiektu. 3. Jeśli w sieci ciepłowniczej nastąpi wyciek wody sieciowej, z uwagi na jej parametry nastąpi wzrost temperatury gruntu w pobliżu miejscu wycieku. 4. Wykonując zdjęcia trasy sieci ciepłowniczej przy użyciu kamery termowizyjnej możliwe jest wskazanie miejsc na powierzchni o podwyższonej temperaturze. 39

40 5. Zalety: dokładność, nieinwazyjność. 6. Wady: Termowizja duża wrażliwość na warunki pogodowe, analizując wyniki badania nie jest możliwe stwierdzenie przyczyny wzrostu temperatury gruntu nad powierzchnią rurociągu, wzrost ten może być spowodowany np. uszkodzeniem izolacji. 40

41 Zdjęcia termowizyjne miejsc rurociągów z wadliwą izolacją (źródło: 41

42 Mapa termowizyjna sieci ciepłowniczej (źródło: 42

43 Inne metody: 1. Barwienie wody sieciowej zielonym barwnikiem spożywczym. 2. Monitoring przepływu (bilans masy wody w odcinku rurociągu, lub w obszarze zasilania). 3. Obserwacja wizualna sieci. 4. Kontrola ilości wody uzupełniającej w źródle. 43

44 Zabarwiona woda w Kanałku Wilanowskim sygnalizująca istnienie nieszczelności sieci ciepłowniczej (źródło: 44

45 Metody stosowane w krajowych systemach ciepłowniczych 1. Gorące podziękowania dla państwa, za wypełnienie ankiety, którą rozsyłaliśmy w czerwcu b.r. 2. Odpowiedziało ponad 30% przedsiębiorstw. 3. Najpopularniejsze metody to: kontrola ilości wody uzupełniającej, obserwacja wizualna, badanie odcinkowe, geofon. 45

46 Dziękuję Państwu za uwagę. 46