Możliwości i efekty rozwiązania sterowania ciśnieniem w sieci wodociągowej

Transkrypt

1 Możliwości i efekty rozwiązania sterowania ciśnieniem w sieci wodociągowej mgr inż. Ewelina Kilian Politechnika Śląska w Gliwicach Bytomskie Przedsiębiorstwo Komunalne Sp. z o. o. Streszczenie Zgodnie z zapisami Ustawy z dnia 7 czerwca 2001 r. o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzeniu ścieków, zadaniem przedsiębiorstw wodociągowo - kanalizacyjnych jest dostarczanie wody do odbiorców w sposób ciągły o odpowiedniej jakości i pod wymaganym ciśnieniem. Już na etapie projektowania pojawia się zagadnienie odpowiedniego wyregulowania/zaprojektowania rozkładu ciśnień w sieci wodociągowej w celu zapewnienia dostawy wody do każdego odbiorcy. Zróżnicowana pod względem wysokości powierzchnia terenu oraz zróżnicowana zabudowa mogą przyczynić się do konieczności zastosowania urządzeń do podnoszenia bądź obniżania ciśnienia. Zastosowanie urządzeń do regulacji ciśnienia przynosi najlepsze efekty jeśli związane jest z wydzielaniem zamkniętych rejonów sieci, zasilanych z jednego punktu z indywidualne zadaną wartością ciśnienia. Strefowanie sieci wodociągowej pozwala znacząco poprawić bilans wodny przedsiębiorstw ograniczając ilość bezpowrotnie traconej wody pod warunkiem wyposażenia ważniejszych punktów w monitoring parametrów sieci oraz skoordynowaniu działań diagnostycznych. W referacie przedstawiono możliwości regulacji ciśnienia sieci wodociągowej poprzez jego obniżanie w ramach zaawansowanego zarządzania ciśnieniem [1]. Wprowadzenie Odpowiednia regulacja ciśnienia sieci wodociągowej jest warunkiem koniecznym dla prawidłowej pracy systemu dystrybucji wody. Pozwala zarówno zapewnić wymagane ciśnienie gospodarcze u odbiorców jak również wyeliminować miejsca przekroczeń dopuszczalnej wartości 6,0 bar. Dodatkowym wymiernym efektem staje się obniżenie ilości bezpowrotnie traconej wody, oraz zmniejszenie awaryjności sieci. Idea obniżania strat wody poprzez odpowiednią regulację ciśnienia polega na ograniczaniu nadmiernego obciążenia sieci ciśnieniem, którego wartość jest proporcjonalna do wydajności wycieków. Regulacja ciśnienia związana jest zarówno z podwyższaniem jak i obniżaniem ciśnienia. W celu podwyższania i utrzymania odpowiedniej wysokości ciśnienia stosowano/stosuje się: pompownie współpracujące ze zbiornikami otwartymi, hydrofornie, wieże ciśnień i docelowo pompownie z falownikami mogące współpracować z regulatorami (zaawansowana regulacja). W referacie omówiono możliwości i efekty regulacji ciśnienia sieci wodociągowej poprzez jego obniżanie. Możliwości regulacji ciśnienia sieci wodociągowej poprzez obniżanie W celu regulacji ciśnienia sieci wodociągowej poprzez jego obniżanie stosowane są następujące urządzenia: przymknięte zasuwy i przepustnice, przepustnice sterowane zdalnie, zawory redukcyjne sprężynowe, zawory redukcyjne hydrauliczne mogące współpracować ze sterownikiem zewnętrznym. Regulacja ciśnienia sieci wodociągowej za pomocą zasuw, przepustnic, zaworów redukcyjnych sprężynowych nie jest odpowiednim rozwiązaniem.

2 Obniżanie ciśnienia za pomocą zasuw i przepustnic polega na zwiększaniu miejscowej straty ciśnienia (poprzez zmniejszenie stopnia otwarcia zasuwy lub przepustnicy) przy przepływie wody przez przeszkodę. W godzinach małych rozbiorów następuje wyrównanie ciśnienia po obu stronach zasuwy. Tego rodzaju regulacja w godzinach nocnych nie przynosi żadnego efektu i jest kosztowna energetycznie. Regulacja ciśnienia za pomocą zdalnie sterowanych przepustnic cechuje są najczęściej dużą bezwładnością układu przepustnica dyspozytor, co w efekcie może skutkować dużymi chwilowymi wahaniami ciśnienia sieci rzędu nawet 40 m. sł. w. przy szybko zmiennych rozbiorach (Rys. 1). Stosując tego rodzaju regulację osłabieniu ulega struktura sieci, co bezpośrednio przekłada się na jej awaryjność. Ponad to z powodu możliwych chwilowych zaników ciśnienia u odbiorców może wpływać na negatywny wizerunek przedsiębiorstwa. Na rys. 1 przedstawiono porównanie pracy zdalnie sterowanej przepustnicy i hydraulicznego zaworu redukcji ciśnienia. Zastosowanie regulacji za pomocą przepustnicy w badanym punkcie nie ma uzasadnienia i nie przynosi żadnych efektów. Ciśnienie przed i za przepustnicą posiada prawie identyczną wartość w ciągu całej doby, a sama regulacja powoduje wyłącznie spadki ciśnienia. Widoczna jest różnica w przebiegu linii ciśnienia po zamontowaniu zaworu redukcyjnego, linia ciśnienia przebiega niezmiennie na zadanej wartości 4,0 bary :00 Zdalnie sterowana przepustnica, Hydrauliczny reduktor ciśnienia Ciśnienie za przepustnicą; m Przepływ; m3/h Ciśnienie przed reduktorem; m Ciśnienie za reduktorem; m : : : : : : : : : :00 Rys. 1. Porównanie pracy zdalnie sterowanej przepustnicy i hydraulicznego zaworu redukcji ciśnienia. Konstrukcja zaworów redukcyjnych sprężynowych, niedostosowana do specyfiki pracy sieci wodociągowej (duże chwilowe zmienności rozbiorów), powoduje niestabilną pracę urządzenia oraz wahania ciśnienia rzędu 1,0-1,5 bara (Rys. 2) [2].

3 Ciśnienie; m : : : : : : : : :00 Rys. 2. Praca zaworu redukcyjnego sprężynowego W chwili obecnej najlepszymi urządzeniami służącymi do regulacji ciśnienia sieci wodociągowej są hydrauliczne reduktory ciśnienia. W reduktorach medium sterującym i sterowanym jest przepływająca woda, co wpływa na dokładność ich pracy i bezwładność. Zastosowanie zaworów redukcyjnych do sterowania ciśnienia sieci wodociągowej pozwala precyzyjnie nastawić i utrzymać zadaną wartość ciśnienia. Bardzo ważne jest aby przeprowadzić właściwy dobór reduktora uwzględniając wymaganą redukcję ciśnienia oraz rozpiętość przepływów. Nie można dopuścić żeby zawór redukcyjny pracował przez większość czasu z 10% stopniem otwarcia, ponieważ w takiej sytuacji każde większe rozbiory będą powodowały wahania ciśnienia czyli tz klapanie reduktora i problemy z kawitacją przy małych, nocnych rozbiorach. Praca zaworu przy 90% stopniu otwarcia również nie jest wskazana. Istnieje duże prawdopodobieństwo zaklinowania się dysku zaworu w pozycji całkowitego otwarcia zaworu, ponad to może pojawić się problem z zapewnieniem odpowiedniej ilości wody na cele gaszenia pożaru. W przypadku dużej redukcji ciśnienia i małych wartości przepływu, konieczne może stać się zastosowanie odpowiednich urządzeń zabezpieczających przez zjawiskiem kawitacji lub zastosowanie reduktorów współpracujących szeregowo. W chwili obecnej na polskim rynku dostępne są reduktory ok. 10 producentów, różnią się one starannością wykonania oraz jakością zastosowanych materiałów. W czasie wyboru zaworu redukcyjnego warto zwrócić uwagę na konstrukcję zaworu szybkości reakcji, zastosowaną sprężynę w zaworze pilotowym reduktora, średnicę oczek siatki w filtrze instalacji sterującej, konstrukcję zaworu pilotowego i instalacji sterującej. W celu utrzymania sprawności zaworów redukcyjnych i niezawodności ich pracy konieczne jest przeprowadzanie serwisowego sprawdzania zaworów. Na Rys 3 i 4 przedstawiono wnętrze serwisowanego zaworu redukcyjnego i dysk zaworu zniszczony przez kawitację. Rys. 3. Serwis zaworu redukcyjnego Rys. 4. Dysk zaworu wyżłobiony przez kawitację

4 Hydrauliczne zawory redukcji ciśnienia pozwalają na utrzymanie stałej wartości ciśnienia sieci wodociągowej w ciągu całej doby. W celu zniwelowania niepotrzebnej nadwyżki ciśnienia występującej w godzinach zmniejszonych rozbiorów, konieczne jest zastosowanie zewnętrznych sterowników do współpracy z zaworami. Wyróżniamy trzy rodzaje sterowników: mechaniczny, pneumatyczny i hydrauliczny, których nazwa wywodzi się od medium służącego do sterowania zaworem [2]. Montaż sterowników polega na wprowadzeniu modyfikacji zaworu pilotowego. Uruchomienie sterownika wymaga wyboru trybu sterowania ciśnieniem: 1. Sterowanie wg profilu czasu Regulacja polega na zadaniu określonej wartości ciśnienia dla poszczególnych godzin doby. Wartości ciśnienia w poszczególnych przedziałach czasu dobiera się indywidualnie dla każdej wydzielonej strefy, uwzględniając charakterystykę rozbiorów i wymaganą wartość ciśnienia dyspozycyjnego w najniekorzystniej usytuowanym punkcie sieci. Zastosowanie regulacji ciśnienia wg profilu czasu bardzo często wydaje się być rozwiązaniem wystarczającym. Gwarantuje ono zmniejszenie wydajności wycieków w godzinach nocnych oraz daje możliwość obserwacji wartości minimalnego nocnego przepływu, którego znajomość jest wymagana dla podejmowania skoordynowanych działań związanych z wykrywaniem awarii. 2. Sterowanie wg profilu przepływu Sterowanie wg profilu przepływu polega na wprowadzeniu do sterownika funkcji zależności wymaganej wartości ciśnienia od przepływu (dostosowanej do specyfiki danego rejonu sieci). Za pośrednictwem wodomierza lub przepływomierza do sterownika dostarczana jest informacja o chwilowej wartości przepływu i na tej podstawie zadawana jest odpowiadająca jej wartość ciśnienia. W przypadku wzrostu przepływu ponad zadaną max wartość wprowadzona jest zadana max wartość ciśnienia lub w przypadku innego sterownika, ciśnienie podwyższane jest do momentu osiągnięcia przez pilot położenia ograniczonego wysokością wkręcenia ogranicznika. Są to pewnego rodzaju zabezpieczenia przez wystąpieniem dużej awarii gdzie wzrost ciśnienia powoduje wzrost jej wydajności. Przy zastosowaniu sterowania wg profilu przepływu, utrudnione stają się działania diagnostyczne, ponieważ wartość minimalnego nocnego przepływu jest zmienna. Wzrost przepływu powoduje nastawę wyższego ciśnienia a to powoduje wzrost wydajności awarii itd. Ograniczeniem mogą okazać się wymagania sprzętowe związane z dostarczeniem do sterownika informacji na temat chwilowej wartości przepływu. Tego rodzaju sterowanie znakomicie sprawdza się dla sieci o małych zdolnościach buforowych tz dla rurociągów w których występują duże spadki ciśnienia podczas przepływu wody. Zaawansowane sterowanie ciśnieniem [2] Do najbardziej zaawansowanego sterowania zaworami redukcji ciśnienia należy zaliczyć specjalne systemy sterujące oparte na samo uczących się algorytmach. Oprogramowanie, gromadzi dane na dedykowanych serwerach ze sterowników zaworów redukcyjnych i rejestratorów umieszczonych w krytycznych punktach sieci. Inteligentny system na podstawie otrzymywanych z rejestratorów danych uczy się charakterystyki sieci i tworzy indywidualny algorytm zgodnie z którym sterowane są sterowniki zaworów redukcyjnych. Komunikacja pomiędzy rejestratorami, sterownikiem zaworu redukcyjnego i oprogramowaniem odbywa się za pomocą GSM. Różnica pomiędzy samouczącym się algorytmem a regulacją ciśnienia za pomocą przepływu polega na tym że we wprowadzonej ręcznie w sterowniku zależności ciśnienia od przepływu nie ma możliwości automatycznego uwzględnienia zmian charakterystyki rozbiorów spowodowanych porami roku lub np. zamknięciem fabryki, budową nowego osiedla mieszkalnego. Ogranicza to możliwość optymalizacji ciśnienia sieci wodociągowej pod kątem najefektywniejszego ograniczania strat wody.

5 Efekty sterowania ciśnieniem sieci wodociągowej Zastosowanie sterowania ciśnieniem z wykorzystaniem hydraulicznych zaworów redukcji ciśnienia daje wiele niepodważalnych korzyści. Możliwość utrzymania stałego i stabilnego ciśnienia bezpośrednio przekłada się na liczbę awarii, żywotność sieci oraz niezawodność dostaw wody do odbiorców. Obniżanie wartości ciśnienia dyspozycyjnego do poziomu konkretnych chwilowych potrzeb zasilanego rejonu skutecznie ogranicza wartości strat wody (poprzez zmniejszenie wydajności szczególnie małych, trudnych do wykrycia wycieków). W tab. 1. przedstawiono wskaźniki wyznaczone dla przedsiębiorstwa wodociągowo kanalizacyjnego miasta Górnego Śląska. Od 2009r. w ramach działań podjętych w celu ograniczania strat wody, w głównych studniach zasilających miasto zamontowane zostały zawory redukcyjne. Wielkości strat wody zmniejszyły się o ok. 9 m 3 /d/km (w porównaniu do 2008 r.), sumarycznie dla okresu czasu daje to wielkość ok. 5 mln m 3 zaoszczędzonej wody. Biorąc pod uwagę uwarunkowania badanego przedsiębiorstwa oraz analizując dotychczasową wartość wskaźnika ILI, w celu dalszego ograniczania strat wody wymagana jest kontynuacja zadań związanych z redukcją i stabilizacją ciśnienia sieci wodociągowej. Tab. 1. Wskaźniki strat wody badanego przedsiębiorstwa wodociągowo - kanalizacyjnego Rok ILI Intensywność uszkodzeń; awarie/km Straty; m3/d/km ,87 1,35 18, ,99 2,21 14, ,74 1,60 11, ,29 1,00 8, ,52 1,20 9,06 Na Rys 5 przedstawiono efekty zastosowania sterownika zaworu redukcyjnego sterowanego wg. profilu czasu. W ramach pracy sterownik w godzinach 23:30 7:00 obniżał ciśnienie z wartości 4,6 bara na 4,0. Efektem zastosowania sterownika na 7,5h w ciągu doby było obniżenie ilości wtłaczanej wody do sieci wodociągowej zasilanej przez studnię o ok. 100 m3/d. W skali roku daje wartość ok m 3 zaoszczędzonej wody Woda wtłoczona do sieci; m3/d Montaż sterownika zaworu redukcyjnego sty-12 lut-12 mar-12 kwi-12 maj-12 cze-12 lip-12 sie-12 wrz-12 paź-12 lis-12 gru-12 sty-13 lut-13 mar-13 kwi-13 maj-13 cze-13 lip-13 sie-13 Rys. 5 Efekty zastosowania sterownika zaworu redukcyjnego pracującego wg profilu czasu

6 Podsumowanie Regulacja ciśnienia sieci wodociągowej jest jedną z najważniejszych składowych strategii ograniczania strat wody sieci wodociągowych. W celu intensyfikacji podjętych działań zmierzających do ograniczania ilości bezpowrotnie traconej wody ważny staje się odpowiedni wybór rodzaju urządzeń regulujących oraz późniejsze utrzymanie ich poprawnej pracy. Współpraca systemów regulacji ciśnienia, monitoringu oraz podjęcie ukierunkowanych działań diagnostycznych przynosi wiele niepodważalnych korzyści w postaci zysków finansowych oraz społecznych dla przedsiębiorstw wodociągowo kanalizacyjnych. Literatura 1. Lambert A. O: International report on water losses managment and techniques. Water Science & Technology; Water Supply, 2, Kilian E, Koral W.: Problemy sterowania hydraulicznymi zaworami redukcji ciśnienia przy zastosowaniu regulatorów zewnętrznych; Napędy I Sterowanie Nr 3 (167) 2013, str I2O Intelligent Water Control; Project Profile, Portsmouth Water, Emsworth DMA, Instalation Date: 1 st August 2008