EKSPLOATACJA ZAWORÓW REDUKCYJNYCH Z UWZGLĘDNIENIEM ROLI SYSTEMU WIZUALIZACJI DANYCH NA PODSTAWIE DOŚWIADCZEŃ BPK SP. Z O.O.

Transkrypt

1 EKSPLOATACJA ZAWORÓW REDUKCYJNYCH Z UWZGLĘDNIENIEM ROLI SYSTEMU WIZUALIZACJI DANYCH NA PODSTAWIE DOŚWIADCZEŃ BPK SP. Z O.O. mgr inż. Ewelina Kilian 1 Streszczenie: W artykule przedstawiono zagadnienia związane z codzienną eksploatacją reduktorów ciśnienia sterowanych własnym medium z opcjonalnym wykorzystaniem sterowania czasem lub przepływem. Ponadto wykazano rolę właściwej analizy danych pomiarowych systemu wizualizacji jako skutecznego narzędzia do monitoringu pracy zaworów redukcyjnych i zarządzania siecią wodociągową. Słowa kluczowe: reduktor ciśnienia; monitoring sieci wodociągowej, zarządzanie siecią wodociągową; eksploatacja sieci wodociągowej; eksploatacja reduktorów ciśnienia 1. Wprowadzenie Miasto Bytom nie posiada własnych ujęć wody pitnej dla celów zaopatrzenia w wodę socjalną i bytową. Z tego też powodu całość wody zakupywana jest od Górnośląskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów S.A. Na terenie miasta zlokalizowane są 53 studnie zakupowe zasilające 496,71 km sieci wodociągowej, będące własnością Bytomskiego Przedsiębiorstwa Komunalnego Sp. z o.o. (BPK). Konieczność zakupu całości wody przekłada się na cenę 1 m 3 i powoduje skierowanie celu Spółki na racjonalne wykorzystywanie każdej zakupionej kropli. Takie podejście wymaga wdrażania działań skierowanych na walkę ze stratami wody oraz optymalizacją pracy sieci. Podjęta praca jest o tyle trudna że dotyczy rejonów związanych z aktywną eksploatacją górniczą, przejawiającą się m. in. zwiększoną liczbą naprężeń ścinających w gruncie, osiadaniem terenu, tąpaniami czyli dewastacją terenu zabudowanego i infrastruktury podziemnej. Pomimo tak wielu utrudnień, średni 1 Bytomskie Przedsiebiorstwo Komunalne Sp. z o.o., Bytom; Pl. Kościuszki 11, tel. +48 (032) wew. 114, ewelina.kilian@bpk.pl

2 poziom strat wody w Bytomiu za rok 11 wyniósł 18,0% (różnica między zakupem i sprzedażą wody bez odliczenia wody na cele technologiczne). W latach , zgodnie z zamysłem ówczesnego Zarządu, w głównych studniach zakupowych miasta rozpoczął się montaż zdalnie sterowanych przepustnic służących do regulacji ciśnienia w sieci. Sterowanie przepustnicami odbywało się poprzez zdalne ustawianie odpowiedniego stopnia otwarcia przepustnicy w zależności od wartości ciśnienia na wyjściu ze studni. Parametry pracy poszczególnych przepustnic zadawane były ze stanowiska dyspozytorskiego wyposażonego w system wizualizacji i sterowania SCADA. Tego rodzaju regulacja cechowała się bardzo dużą bezwładnością układu (dyspozytor przepustnica), powodującą znaczne wahania ciśnienia na sieci (do 1,5 bar), obniżając jej trwałość i w bezpośredni sposób wpływając na ilość, częstość występowania i wydajność awarii (Rys. 1). ciśnienie [bar] 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, komora SW2 punkt krytyczny Rys. 1. Profile zmian ciśnienia przy regulacji zdalnie sterowaną przepustnicą Sytuacja była o tyle niekorzystna że w większości dotykała rejonów sieci zbudowanych ze starych stalowych i żeliwnych rurociągów, których łączny udział w strukturze materiałowej sieci wynosił ok 65%. Obecny udział poszczególnych materiałów w strukturze sieci oraz jej wiek został przedstawiony na rys. 2 i 3.

3 Rys. 2. Procentowy udział materiałów w strukturze sieci wodociągowej Rys. 3. Procentowy udział długości w strukturze wiekowej sieci Chęć uporania się z błędnymi założeniami istniejącego systemu regulacji ciśnienia oraz konieczność ograniczania strat wody, wynikająca z założeń projektu Poprawa gospodarki wodno-ściekowej na terenie gminy Bytom skłoniła BPK do poszukiwania innego rozwiązania przynoszącego zamierzone efekty. Takim rozwiązaniem okazały się zawory redukcji ciśnienia sterowane hydraulicznie. Przeprowadzona inwentaryzacja studni zakupowych wykazała że w jednej ze studni rejonu Śródmieście, znajdował się już zawór redukcyjny, nieeksploatowany ponad lat, ponieważ nie spełniał zamysłu dawnej regulacji ciśnienia. Ponadto w 4 innych miejscach napotkano zainstalowane sprężynowe zawory redukcyjne (Rys. 4) znajdujące zastosowanie przede wszystkim w ciepłownictwie. Wspomniane zawory, w pewnym stopniu zapewniały obniżenie wartości ciśnienia na sieci wodociągowej, lecz nie były one wolne od wad których nie posiadają zawory hydrauliczne. Szybkozmienna charakterystyka rozbiorów na sieci wodociągowej uniemożliwiała utrzymanie za zaworem stałej wartości ciśnienia nastawianej mechanicznie jako stopień napięcia sprężyny (Rys. 5).

4 32 StrzBytPrzedszkole 52 m Linia Nazwa miejsca Pomiar Jednostki StrzBytPrzedszkole Pressure m :00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 03:00 06:00 09:00 pia 14 paz 11 21:00 (godz:min) Rys. 4.Reduktory ciepłownicze pracujące na bytomskiej sieci wodociagowej Rys. 5. Praca reduktora ciepłowniczego Od 09 roku BPK rozpoczęło modernizację studni (z montażem reduktorów ciśnienia) stosując jako kryterium modernizacji wybór tych studni, których przebudowa pozwoli wypracować największy zysk z tytułu ilości oszczędzonej wody. Napotkane problemy związane z nieprawidłowym montażem armatury (Rys. 6) oraz różnorodnością stosowanych urządzeń, pozwoliły wypracować schemat podstawowego wyposażenia studni (Rys. 7). Ponieważ w już istniejących obiektach bardzo często nie dysponowano odpowiednią ilością miejsca dla zabudowy min by-pass u oraz zaworów: napowietrzająco - odpowietrzającego oraz napowietrzającego, zaprezentowany schemat stanowi wymagane minimum wyposażenia. W projektach nowych studni redukcyjnych uwzględniane są już dodatkowe wytyczne. Rys.6.Studnia redukcyjna - przykład złego montażu Rys. 7. Schemat wzorcowej studni redukcyjno zakupowej

5 W chwili obecnej BPK zajmuje się eksploatacją 28 zaworów redukcyjnych. Trzyletnie doświadczenie w pracy z reduktorami udowodniło że eksploatacja zaworów nie kończy się w chwili ich montażu i uruchomienia. Mnogość zjawisk występujących na sieci wodociągowej pokazała jak ważna jest znajomość współpracy zaworów między sobą czy z poszczególnymi elementami systemu dystrybucji wody. W celu zapewnienia kontroli pracy zamontowanych reduktorów, każdą studnię redukcyjną wyposażono w urządzenia do monitoringu, zbierające informacje o ciśnieniu na wejściu do reduktora, na wyjściu z reduktora oraz o wartości przepływu. Dane z urządzeń za pomocą sieci GSM spływają każdego dnia na serwery BPK, gdzie poddawane są codziennej analizie. Poniżej przedstawiono stadium przypadków pracy reduktorów ciśnienia zarejestrowanych przez system monitoringu BPK. 2. Praca reduktora ze zbyt małą redukcją ciśnienia Większość producentów zaworów redukcyjnych podaje w kartach katalogowych urządzeń wartość minimalnej wymaganej redukcji ciśnienia, która przeważnie oscyluje w granicy ok. 0,5-1,0 bara. Na wielkość przywołanego parametru w dużej mierze wpływa rodzaj sprężyny użytej w zaworach pilotowych, a dokładniej zakres stopnia redukcji ciśnienia. Na rys. 8 przedstawiono pracę reduktora z wartością redukcji ciśnienia ok 0,4 bara (wartość wymagana przez producenta min 1 bar). Tak mała redukcja ciśnienia przy przepływach rzędu ok 0 m 3 /h przy reduktorze DN1 związana jest z pracą reduktora z niemal całkowitym otwarciem. Taka sytuacja jest o tyle problematyczna, że podczas nagłych, zwiększonych rozbiorów może dojść do zaklinowania dysku reduktora oraz jego pracę przy pełnym otwarciu bez względu na wartość rozbiorów. Niestabilny przebieg linii ciśnienia przejawiający się min różnicą ciśnienia między dniem a nocą wysokości ok 0,7 bara oraz spadki ciśnienia powodowane zwiększonym rozbiorem wody, świadczą o niepoprawnej pracy zaworu i wręcz jego bezużyteczności do momentu zmiany nastaw wartości ciśnienia wyjściowego w badanym miejscu.

6 0 SW14 Wyzwolenia m 80 Linia Nazwa miejsca SW14 Wyzwolenia SW14 Wyzwolenia Pomiar Jednostki Pressure m Przeplyw1 m3 {m3/hr} Sumowanie Nie Suma, 1 godziny m :00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 wto 13 mar 12 12:00 (godz:min) Rys. 8. Praca reduktora z minimalną redukcją ciśnienia 3. Praca reduktora przy minimalnym nocnym przepływie Wraz z przebudową sieci wodociągowej jednej z dzielnic Bytomia, z powodu dużej różnicy wysokości między źródłem zasilania a najniżej położonymi punktami, zdecydowano się na zabudowę studni redukcyjnej. Pomimo uzyskanych zadawalających parametrów pracy nowej sieci, urządzenia do monitoringu pracy reduktora zarejestrowały wahania ciśnienia w godzinach nocnych (Rys. 9). Powodem zaistniałej sytuacji jest praca zaworu redukcyjnego przy minimalnej wartości przepływu wynoszącej w zasilanej strefie ok 1m 3 /h. Zgodnie z danymi katalogowym, niestabilność pracy dotyczy wartości do 5% otwarcia reduktora i związana jest z tzw. skokiem zaworu, którego stosunkowo małe otwarcie powoduje stosunkowo duży wzrost przepływu w stosunku do zapotrzebowania. Ponadto należy uwzględnić pracę sprężyny zaworu pilotowego, która w badanym reduktorze z powodu swoich rozmiarów może nie posiadać możliwości płynnej regulacji przy tak niskiej wartości przepływu. Krupiñskiego2 4.6 Bar Linia Nazwa miejsca Krupiñskiego2 Pomiar Jednostki Cisnienie Bar :00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 czw 26 sie 12:00 (godz:min) Rys. 9. Praca reduktora przy minimalnym nocnym przepływie 4. Zamknięcie reduktora ciśnienia Podczas normalnej pracy reduktorów ciśnienia możemy mieć do czynienia z sytuacją związaną z samoczynnym zamknięciem zaworu. Przyczyną takiego

7 zachowania jest przebijanie ciśnienia pomiędzy z założenia zamkniętymi rejonami zasilania z różnymi wartościami ciśnienia dyspozycyjnego. Znajomość tego zjawiska okazała się już nie raz bardzo cenna przy regulacjach przeprowadzanych na sieci BPK. Na rys. można zaobserwować zwiększone i niestabilne ciśnienie w godzinach nocnych oraz brak przepływu przez reduktor. Przyrost wartości ciśnienia wynosił ok 1,5 bar. Powodem zaistniałej sytuacji była otwarta zasuwa DN0 na 1 obrót. W ciągu dnia wzrost ciśnienia nie był obserwowany z powodu wyrównywania się ciśnienia po obu stronach zasuwy. Rys. 11 przedstawia lokalizację: studni redukcyjnej, niedomkniętej zasuwy oraz studni zasilającej badany obszar w godzinach nocnych. Odległość pomiędzy obiema studniami wynosi ok 6 km. Ponad to należy pamiętać że chwilowe zamknięcie zaworu redukcyjnego może wystąpić w momencie zaistnienia uderzenia hydraulicznego zarówno przed jak i za zaworem. ZabrzanskaKosynierow 80 m Linia Nazwa miejsca ZabrzanskaKosynierow ZabrzanskaKosynierow ZabrzanskaKosynierow Pomiar Jednostki Pressure m Pressure m Przeplyw1 m3/hr m3/hr :00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 sro 26 sty 11 00:00 (godz:min) Rys.. Zamknięcie reduktora ciśnienia spowodowane przebijaniem ciśnienia z innego rejonu Rys.11. Lokalizacja studni i niedomkniętej zasuwy 5. Współpraca reduktorów połączonych równolegle poprawna praca Na rys. 12 przedstawiono usytuowanie dwóch studni zakupowych, zasilanych z tej samej magistrali DN00 będącej własnością GPW, wyposażonych w reduktory ciśnienia DN1 i DN0 zasilające równolegle jeden wydzielony rejon sieci.

8 Rys. 12. Usytuowanie reduktorów ciśnienia DN1 i DN0 wraz ze strefą zasilaną przez reduktory Właściwą współpracę reduktorów próbowano uzyskać na drodze doświadczalnej, nastawiając odpowiednie wartości redukcji ciśnienia na poszczególnych zaworach. Usytuowanie reduktora ciśnienia DN0 ok 7m wyżej od reduktora DN1 oraz jego stosunkowo duża wydajność w porównaniu z reduktorem DN1, powodowały przekraczanie wartości nastawy mniejszego. Dopiero kilkukrotne korekty nastaw zaworów redukcyjnych pozwoliły osiągnąć współpracę obu reduktorów (Rys. 13). Zawór DN1 pracował z mniej więcej stałą wydajnością w ciągu całej doby a zawór DN0 otwierał się w ciągu dnia i dosilał sieć proporcjonalnie do wielkości rozbiorów. Nierównomierny przebieg linii ciśnienia na wyjściu z reduktorów był powodem przeprowadzenia kolejnych regulacji. Tym razem zmniejszono nastawy ciśnienia na reduktorze DN1 oraz wyregulowano zawory szybkości reakcji. Podjęte działania pozwoliły uzyskać stabilniejszy przebieg linii ciśnienia, zmniejszyły wartość przepływu przez reduktor DN1 oraz pozwoliły na ciągłą pracę reduktorów w ciągu całej doby. Docelowo postanowiono wydzielić dwa odrębne rejony, zasilane z poszczególnych reduktorów w celu ograniczenia wielkości strefy wyjściowej, usprawnienia działań diagnostycznych, zróżnicowania i dostosowania wartości ciśnienia dyspozycyjnego do występujących potrzeb a w konsekwencji obniżenia wartości minimalnego nocnego przepływu.

9 m Regulacja m :00 12:00 16:00 :00 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 :00 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 :00 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 czw 3 mar 11 08:00 (godz:min) Rys. 13. Regulacja współpracy reduktorów pracujących równolegle (reduktor DN1: linia zielona przepływ, linia granatowa ciśnienie; reduktor DN0: linia różowa przepływ, linia czerwona ciśnienie) niepoprawna praca Przekazanie do eksploatacji sieci wodociągowej przebudowanej w ramach Funduszu Spójności (realizacja projektu Poprawa gospodarki wodno-ściekowej na terenie gminy Bytom w latach 04-11) wiązało się w pierwszej kolejności z przeprowadzeniem badań parametrów sieci oraz współpracy dwóch reduktorów połączonych równolegle. Uzyskane wyniki pomiarów (Rys. 14) stały się motorem do podjęcia natychmiastowych działań zmierzających do poprawy sprawności pracy sieci. Krupiñskiego2 5.8 Bar Linia Nazwa miejsca Krupiñskiego2 Orzegowska_ Pomiar Jednostki Cisnienie Bar Cisnienie Bar :00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 sob 14 sie 12:00 (godz:min) Rys. 14. Niewłaściwa praca reduktorów pracujących równolegle W pierwszej kolejności przystąpiono do czyszczenia reduktorów. Wewnątrz obydwóch napotkano rdzawe naloty na gnieździe zbudowanym ze stali nierdzewnej (Rys. 15). Nierówności powierzchni gniazda uniemożliwiały

10 płynną pracę dysku zaworu, utrudniając jego ruch. Ponad to siatka filtra zamontowanego przed jednym z reduktorów wypełniona była opiłkami PE porośniętymi błoną biologiczną (Rys. 16). Narośl ograniczała przekrój siatki filtracyjnej o ok. połowę, zaburzając i ograniczając przepływ przez filtr i reduktor. Współpraca dwóch reduktorów zasilających mały szczelny odcinek sieci, powodowała znaczne wahania ciśnienia szczególnie, w godzinach nocnych, będące dwa razy większe w porównaniu do wahań ciśnienia w ciągu dnia (Rys. 14). Przywołane utrudnienia, skutecznie zaburzały współpracę zaworów redukcyjnych do momentu wyeliminowania przyczyn mechanicznych (czyszczenie reduktorów i filtrów) oraz podziału badanej sieci na dwie odrębne strefy zasilania. Rys.15. Zardzewiałe gniazdo reduktora Rys. 16. Zanieczyszczenie filtra 6. Sterowanie pracą reduktora Oferowane na rynku sterowniki dają możliwość sterowania pracą reduktora utrzymując zadaną wartość ciśnienia w określonych godzinach doby lub modulując ciśnienie w zależności od wartości przepływu. Poniżej omówione zostały poszczególne rodzaje regulacji. Podczas rozważań na temat sterowników nastaw reduktorów, należy zwrócić uwagę na piloty zaworów redukcyjnych a dokładnie na ich sprężyny. Na rys. 17 przedstawiono sprężyny zastosowane w reduktorach różnych producentów tej samej średnicy. Okazuje się bowiem że w zależności od producenta reduktora i jego średnicy użyta sprężyna albo jest różna w różnych średnicach reduktorów lub taka sama dla wszystkich dymensji, a wartość ciśnienia na które wykonane są poszczególne sprężyny (grubość sprężyny) wpływa na efektywność regulacji ciśnienia reduktora za pomocą sterownika. Wiadomym jest że sprężyna o mniejszym przekroju, dużo łatwiej będzie poddawała się regulacji oraz regulacja ta będzie płynniejsza. Przy grubej (większy przekrój) sprężynie i dodatkowo szybkozmiennych przepływach reakcja reduktora będzie gwałtowniejsza i powodująca skoki ciśnienia.

11 Rys. 17. Porównanie wielkości zaworów pilotowych oraz odpowiadających im sprężyn 7. Sterowniki zewnętrzne reduktorów ciśnienia Doświadczenia BPK ze stosowania sterowników nastaw reduktorów, pokazały że sterowania zewnętrznego reduktorem nie można zastosować wszędzie. Ograniczenia te wynikają zarówno z technicznych właściwości urządzeń jak i z ograniczeń stawianych przez sam system dystrybucji wody. Zastosowanie sterowania zewnętrznego zdeterminowane jest specyfiką zasilanego rejonu tj. pojemnością buforową zasilanej strefy, wymaganą wartością ciśnienia dyspozycyjnego oraz obecnością zakładów przemysłowych jak i ważnych ze społecznego punktu widzenia obiektów np. szpitali. Sterowanie czasem Do chwili obecnej w BPK udało się zbadać pracę dwóch rodzajów sterowników nastaw reduktorów: mechanicznego i pneumatycznego. Sterowniki posiadały możliwość zadawania odpowiednich nastaw ciśnienia wyjściowego w zdefiniowanych przedziałach czasowych. W zależności od zastosowanego rozwiązania zyskiwano dodatkową funkcjonalność w postaci alarmów wysyłanych za pomocą smsów, rejestracji danych oraz możliwością nastawiania kilku scenariuszy. Na rys. 18 i 19 przedstawiono pracę reduktorów sterowanych zgodnie z zadanymi nastawami czasowymi. Na rys. 19 uwzględnione zostały również pomiary ciśnienia w krytycznym punkcie sieci, zasilanym przez reduktor. Po przebiegu linii ciśnienia, można zaobserwować zmiany poszczególnych nastaw reduktora. Ponad to można zauważyć, że pomimo dużego spadku ciśnienia występującego w krytycznym punkcie sieci, reduktor stale utrzymuje zadane ciśnienie.

12 1 SWFrancuska SW2 Linia Statystyka Nazwa miejsca Pomiar Jednostki Sumowanie Linia Nazwa miejsca Pomiar Jednostki Sumowanie SWFrancuska Flow m3 {m3/hr} Suma, 1 godziny SW2 Cisnienie Bar Nie Max SWFrancuska Outlet m Nie SW2 Przeplyw m3 {m3/h} Suma, 1 godziny Min SWFrancuska Outlet m Nie Brzezinska45 Cisnienie Bar Nie Sred SWFrancuska Outlet m Nie Bar m Odchylenie standardowe SWFrancuska Outlet m Nie 16 m3 m Spadek :00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 sob 21 sie 00:00 (godz:min) 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 1 pon 19 gru 11 12:00 (godz:min) Rys.18. Sterowanie czasem sterownik Rys.19. Sterowanie czasem sterownik pneumatyczny mechaniczny Początkowo dane generowane przez sterownik pneumatyczny wydawały się bardzo nieczytelne, ponieważ do zobrazowania pracy reduktora służyły 3 linie oznaczone jako ciśnienie min, max i śr. Z powodu występującej w niektórych przypadkach dużej różnicy w wysokości między liniami ciśnienia max i min, postanowiono zbadać który przebieg jest najbliższy rzeczywistej wartości ciśnienia. W tym celu zamontowano dodatkowy rejestrator, z wysoką częstotliwością rejestracji i zapisu. Zgodnie z rys. uzyskano informacje że rzeczywista wartość ciśnienia posiada przebieg najbliższy linii oznaczonej jako ciśnienie min. Uzyskane informacje okazały się bardzo przydatne i pozwoliły na niedublowany pomiary ciśnienia na wyjściu z reduktora, w miejscach w których zastosowano sterowanie pracą reduktorów :00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 :00 12:00 14:00 16:00 18:00 :00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 :00 12:00 14:00 ndz 26 gru :00 (godz:min) Rys.. Porównanie przebiegu linii ciśnienia zarejestrowanych przez sterownik i rejestrator (linie różowa i zielona ciśnienia sterownik; linia seledynowa ciśnienie rejestrator) Problemy eksploatacyjne: - sterownik mechaniczny Jednym z napotkanych problemów podczas testów sterownika mechanicznego był brak zmiany nastaw pomiędzy scenariuszem weekendowym i tygodniowym, przez cały okres czasu pracy sterownika. W taki oto sposób,

13 nocna niedzielna niska nastawa, utrzymywana była jeszcze w poniedziałek w godzinach rannych. - sterownik pneumatyczny Bardzo często przy eksploatacji sterowników posiadających możliwość rejestracji i archiwizacji danych, stosuje się zapis z częstotliwością ok min w celu m. in. oszczędności baterii. Takie postępowanie bardzo upraszcza obraz współpracy sieci z reduktorem (Rys. 21). Stosunkowo duża wartość odchylenia standardowego między linią ciśnienia max i min (w porównaniu do już zaobserwowanych) spowodowała chęć otrzymania weryfikacji danych. Z tego powodu zamontowano na pierwszym hydrancie za studnią redukcyjną dodatkowy rejestrator ciśnienia z częstotliwością zapisu co sek. Linia niebieska obrazuje zmiany ciśnienia, zarejestrowane przez rejestrator. Pomimo wygładzonej linii ciśnienia otrzymanej ze sterownika (linia różowa) w rzeczywistości w godzinach nocnych reduktor w krótkich okresach czasu otwierał się i zamykał powodując wahania ciśnienia rzędu 1,4 bara. Powodem takiej sytuacji było nieodpowiednie wyregulowanie zaworu szybkości reakcji który bardzo szybko otwierał i zamykał zawór główny oraz wzajemne zakłócanie reduktorów zasilającego DN1 oraz zasilanego DN2, który z powodu swoich rozmiarów, minimalnej redukcji ciśnienia oraz pracy przy minimalnej wartości przepływu powodował niestabilność sieci zarówno za jak i przed sobą. Dodatkowym powodem pulsacyjnej pracy reduktora mogły być poduszki powietrza w zasilanym rejonie sieci wodociągowej. 75 m SW14H Cisnienie metrow metrow :00 :00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 :00 12:00 14:00 16:00 18:00 :00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 :00 pia maj 11 18:00 (godz:min) Rys. 21. Porównanie danych zarejestrowanych przez sterownik i rejestrator (linia różowa, linia zielona wartości ciśnień zarejestrowane przez sterownik; lina granatowa odchylenie standardowe pomiędzy wartościami min i max; linia niebieska pomiar ciśnienia na hydrancie) Dodatkowym efektem obniżania ciśnienia w określonych godzinach doby (zazwyczaj nocą) jest zmniejszenie poziomu strat wody. Przykładowo zastosowanie obniżania ciśnienia w godzinach nocnych na 5 godz. o 1 bar na

14 jednej ze studni zakupowych miasta, obniżyła wartość minimalnego nocnego przepływu o ok. 4m 3 /h. W okresie roku daje wartość 7 0 m 3 ilości zaoszczędzonej wody. Należy jednak pamiętać aby podczas zastosowania tego rodzaju regulacji zmiany nastaw ciśnienia zorganizować stosunkowo łagodnie (jako rozłożone w kilkuminutowym okresie czasu). Takie postępowanie pozwoli skutecznie eliminować uderzenia hydrauliczne, mające zgubne skutki dla sieci wodociągowej. Sterowanie przepływem Sterowanie pracą reduktora na podstawie zarejestrowanej, chwilowej wartości przepływu uznawane jest za jedno z najnowocześniejszych rozwiązań sterowania pracą reduktora. Na rys. 22 przedstawiono przykład pracy reduktora sterowanego wartością przepływu. m 42 m Qmin sro 15 czw 16 pia 17 sob 18 ndz 19 pon wto 21 sro 22 czw 23 pia 24 sob 25 ndz 26 pon 27 wto 28 sro 29 czw pia 31 sob 1 ndz 2 pon 3 15 gru (dni miesiaca) Rys. 22. Modulacja ciśnienia na wyjściu z reduktora za pomocą wartości przepływu (linia różowa ciśnienie za reduktorem ; linia seledynowa przepływ). 8 6 Przy podjęciu decyzji o ustawieniu sterownika w trybie sterowania przepływem, pamiętać należy o zorganizowaniu pracy sterownika z wodomierzem o odpowiedniej wadze impulsu. Odpowiednio częste impulsowanie pozwala na stosunkowo płynna regulację ciśnienia za reduktorem. Doświadczenia przeprowadzone w BPK pokazały że impulsowanie o wartości 1m 3 nie jest właściwym do tego rodzaju regulacji. Nawet przy pracy z wodomierzem DN0 o wartości impulsowania 0,1m 3 sterownik nie pozwalał na ustawienie rejestracji częściej niż co min. Użycie określonej wagi impulsu determinuje czas w którym sterownik odczytuje wartość przepływu i zadaje wartość ciśnienia. W wypadku sterowania reduktorem w zależności od wartości przepływu najbardziej sensownym rozwiązaniem wydaje się użycie przepływomierza lub wodomierza z wyjściem optoelektroniczny.

15 Należy mieć świadomość że w momencie sterowania przepływem pozbawiamy się możliwości analizy wartości minimalnego nocnego przepływu zasilanej strefy (Rys. 22). Powodem takiej sytuacji jest fakt że dla różnych wartości przepływu ustawiana jest różna wartość ciśnienia. Wydajność awarii jest zmienna i zależna od chwilowej nastawy ciśnienia. W opisanej sytuacji bardzo ważną rolę pełni kąt nachylenia krzywej zależności przepływu od ciśnienia wprowadzanej do sterownika którego wartość wynika z analizy pracy sieci w najbardziej niekorzystnym punkcie. Im kąt ten ma większą wartość tym większa będzie amplituda zmienności ciśnienia na wyjściu z reduktora przy zmiennym przepływie i w porównaniu do krzywej o mniejszym nachyleniu. Szybko zmienne rozbiory na sieci, przykładowo w godzinach nocnych mogą powodować wahania ciśnienia (nawet do 0,5 bara) na sieci spowodowane nagłym otwieraniem i zamykaniem reduktora (Rys. 23). SW16 Piekarska 33 m Linia Nazwa miejsca SW16 Piekarska Pomiar Jednostki Pressure m :00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 sob 11 gru 12:00 (godz:min) Rys. 23. Praca reduktora sterowanego przepływem w godzinach nocnych 8. Współpraca reduktorów ciśnienia ze zdalnie sterowaną przepustnicą W 11 roku na drodze postępowania awaryjnego udało się dokonać modernizacji kolejnej studni zakupowej Bytomia - SW4. Przebudowa 580m sieci spowodowała poprawę warunków hydraulicznych w całym rejonie zasilania studni. W kilku miejscach pojawił się problem związany z przekroczeniami dopuszczalnej wartości ciśnienia i wybijaniem zaworów bezpieczeństwa. Modernizacja przedmiotowej studni polegała na wymianie zdalnie sterowanej przepustnicy która z powodu awarii szafy sterowniczej (utrata programu przez sterownik) nie była sterowalna na hydrauliczny reduktor ciśnienia. Do momentu rozpoczęcia modernizacji, zespół pogotowia ręcznie zmieniał stopień otwarcia przepustnicy, utrzymując w ciągu dnia wartość ciśnienia 4,0 bar a w nocy przymykając przepustnicę. Niestety podjęte działania nie przyniosły zamierzonych efektów oraz skutkowały skargami odbiorców z powodu niewłaściwej pracy urządzeń tj. piecyki gazowe. Jedynym wyjściem z sytuacji stało się dosilenie studni SW4 na której nastawiono stały stopień otwarcia przepustnicy przez inną studnię wyposażoną w reduktor ciśnienia. Na

16 rys. 24 przestawiono współpracę przepustnicy z zaworem redukcyjnym. W godzinach nocnych nadwyżka ciśnienia powodowała wzrost ciśnienia za reduktorem powyżej wartości nastawy i jego zamknięcie (brak przepływu) czyli zasilanie połączonego rejonu odbywało się wyłącznie ze studni SW4. W ciągu dnia główne zasilanie odbywało się przez studnię wyposażoną w reduktor ciśnienia a studnia SW4 jedynie dosilała połączony obszar z w przybliżeniu stosunkowo stałą wartością przepływu. SW4 G³owackiego m 1 Linia Nazwa miejsca SW4 G³owackiego SW4 G³owackiego SW3 Krakowska SW3 Krakowska Pomiar Pressure Przeplyw1 Pressure Przeolyw1 Jednostki m m3 {m3/hr} m m3 {m3/hr} Sumowanie Nie Suma, 1 godziny Nie Suma, 1 godziny m :00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 sro 23 lut 11 00:00 (godz:min) Rys. 24. Współpraca reduktora z przepustnicą (przepustnica: linia zielona przepływ, linia niebieska ciśnienie; reduktor: linia czerwona przepływ, linia granatowa ciśnienie) 9. Przypadki eksploatacyjne zanieczyszczenie filtra instalacji sterującej Przebieg linii ciśnienia na wyjściu z reduktora informuje o charakterystyce pracy zaworu oraz pozwala na zaobserwowanie sytuacji związanych z jej zaburzeniami. Do jednej z takich sytuacji można zaliczyć zanieczyszczenie filtra instalacji sterującej, przejawiające się w następujący sposób: - wzrost przebiegu linii ciśnienia z powodu zwiększonych strat podczas przepływu wody przez przytkany filtr instalacji sterującej, jako wypadkowa ciśnienia wejściowego i wyjściowego, nad membranę zaworu głównego kierowana jest niższa wartość ciśnienia co w konsekwencji powoduje zwiększanie w czasie stopnia otwarcia reduktora. Na rys. 25. przedstawiono moment płukania zanieczyszczonego filtra. Wartość ciśnienia ustalona po wypłukaniu, jest wartością nastawioną na śrubie regulacyjnej nastaw ciśnienia zaworu. Wartość przed płukaniem wynika z przytkania filtra instalacji sterującej; - falowanie linii ciśnienia (Rys. 26) tego rodzaju zjawisko spotykane jest przede wszystkim w przypadku filtrów samoczyszczących, które zawierają wewnątrz filtra dużo ziarenek piasku.

17 0.0 Bar SW17_Legionow Przeplyw m3 {m3/h/h} Suma, 1 godziny płukanie m m SW16 Piekarska Pressure m cze 11 (tygodnie) mar 11 (tygodnie) Rys. 25.Wzrost linii ciśnienia spowodowany Rys. 26. Niestabilny przebieg linii ciśnienia zatykaniem filtra instalacji sterującej spowodowany zanieczyszczeniem filtra instalacji sterującej Bardzo ważną rolę w eksploatacji filtra instalacji sterującej odgrywa średnica oczek użytej siatki determinująca częstość jego czyszczenia (Rys.27). Mała średnica oczek (wynikająca z konstrukcji zaworu sterującego prędkością reakcji reduktora) użyta w jednym z rodzajów eksploatowanych zaworów powoduje konieczność czyszczenia filtra min raz na 2 miesiące. Reduktory ciśnienia wyposażone w filtry samoczyszczące, pomimo ich nazwy, również wymagają czyszczenia (Rys. 28). Niestety czyszczenie tego rodzaju z filtrów jest o tyle problematyczne że wymaga całkowitego zamknięcia dopływu wody. Brak obejścia reduktora może wiązać się albo z brakiem zasilania wydzielonego rejonu sieci na czas czyszczenia albo z koniecznością zmiany kierunku zasilania. Rys. 27. Zanieczyszczony filtr instalacji Rys.28.Zanieczyszczony filtr samoczyszczący sterującej zamarznięcie rurki sterownika nastaw reduktora Miesiąc luty z powodu nagłego i znacznego spadku temperatur zebrał owocne żniwo na bytomskiej sieci wodociągowej w postaci zwiększonej ilości awarii, uszkodzonej armatury w obiektach nieogrzewanych i o dziwo problemów z eksploatacją reduktorów ciśnienia. Rys. 29 przedstawia pracę reduktora ciśnienia sterowanego czasem za pomocą sterownika pneumatycznego. Sterownik pneumatyczny utrzymuje zadaną wartość ciśnienia

18 na podstawie sprzężenia zwrotnego z odczytem wartości ciśnienia za reduktorem. Odczyt wartości ciśnienia odbywa się za pośrednictwem plastikowej rurki doprowadzającej wodę z instalacji do wewnętrznego przetwornika ciśnienia sterownika. Bardzo małe zagłębienie studni w której pracuje reduktor, jej stosunkowo małe wymiary, spowodowały spadek temperatury i zamarznięcie wody w opisanej rurce. Zwiększenie objętości wody po zamarznięciu zostało odczytane przez sterownik jako wzrost ciśnienia za reduktorem powodując zamknięcie zaworu. Telefony odbiorców o braku wody, spowodowały reakcję służb BPK, które otworzyły reduktor i wyłączyły sterownik. Do momentu ustąpienia mrozów, reduktor pracował ze stałą mechaniczną nastawą ciśnienia utrzymywaną hydraulicznie. 15 m3 m Zamarznięcie :00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 sro 1 lut 12 00:00 (godz:min) Rys. 29. Zamarznięcie rurki sterownika nastaw reduktora rozerwany zawór instalacji sterującej Kolejną sytuacją nietypową zaobserwowaną podczas eksploatacji zaworów redukcyjnych był rozerwany zawór instalacji sterującej (Rys. ). W czasie awarii zaworu system monitoringu nie zarejestrował żadnych zmian parametrów sieci. Opisana sytuacja pokazuje jak ważne jest przeprowadzanie rutynowych kontroli obiektów monitorowanych. Całkowite rozerwanie zaworu na wejściu do instalacji sterującej spowodowałoby puszczenie na sieć ciśnienia ok 6 bar oraz możliwe uszkodzenie reduktora. Rys.. Pęknięty zawór instalacji sterującej

19 pęknięta sprężyna zaworu sterującego Podczas uruchamiania reduktora, zamontowanego w wyłączonej z eksploatacji studni, okazało się że nie można uzyskać stabilnej pracy zaworu (Rys. 31). Zaistniała sytuacja wpłynęła na podjęcie decyzji o przeprowadzeniu czyszczenia serwisowego reduktora. 7,00 6,00 5,00 pressure [bar] 4,00 3,00 2,00 1,00 0, Rys. 31. Praca reduktora z pękniętą sprężyną zaworu pilotowego Po rozebraniu pilota zaworu redukcyjnego okazało się, że powodem niestabilnej pracy jest pęknięta sprężyna zaworu pilotowego (Rys. 32). Wymiana sprężyny przywróciła poprawną pracę reduktora. Rys. 32. Pęknięta sprężyna zaworu pilotującego. Zarządzanie siecią wodociągową na przykładzie dzielnicy Szombierki Na rys. 33 przedstawiono organizację planowanej zmiany podziału sieci wodociągowej dzielnicy Szombierki. W chwili obecnej zasilanie dzielnicy obywa się za pośrednictwem studni zakupowej oznaczonej na rys. 33 numerem 1 zaopatrzonej w reduktor ciśnienia.

20 Konieczność utrzymywania wysokiej wartości ciśnienia na wyjściu z reduktora (5,0 bar), wynika z: zachowania odpowiedniej wartości ciśnienia na wejściu do reduktorów w zasilanych podstrefach w celu umożliwienia utrzymania minimalnej redukcji ciśnienia. Lokalizacja reduktorów zaznaczona została zielonymi punktami. problemu nieuregulowania odpowiedzialności za dostawę wody ciepłej do kondygnacji wyższych od 5 piętra pomiędzy administracjami budynków a PEC, do których w chwili obecnej dostarczana jest woda bezpośrednio z sieci wodociągowej (sytuacja dotyczy wyłącznie wody ciepłej woda zimna zasila wyższe kondygnacje za pośrednictwem zestawu pompowego). Brak możliwości zmiany nastawy reduktora w studni 1 powoduje jego chwilową bezużyteczność (ciśnienie wejścia jest równe ciśnieniu wyjścia). Występująca sytuacja na sieci wodociągowej, powoduje konieczność przeorganizowania struktury zasilania oraz redukcji ciśnień. Sytuacja przestrzenna, oraz ukształtowanie dzielnicy Szombierki, pozwala na zmianę sposobu jej zasilania, oddając zasilanie południowej części dzielnicy studni numer 2. Po wyjaśnieniu sytuacji z administracjami oraz PEC możliwym stanie się obniżenie wartości ciśnienia dyspozycyjnego w studni 1 nawet do wartości 3,5 bara a przez zmniejszenie rejonu zasilania, poprawi się skuteczność działania brygad diagnostycznych, zapewniona zostanie lepsza niezawodność dostaw wody oraz jakość świadczonych usług. Rys. 33. Strefowanie sieci wodociągowej dzielnicy Szombierki

21 Na rys. 34 przedstawiono efekty wstępnych regulacji przeprowadzonych w południowej części dzielnicy Szombierki. Dzięki wydzieleniu 2 odrębnych stref zasilania z różnymi wartościami redukcji ciśnienia, udało się wyeliminować problem przekroczeń wartości ciśnienia, zmieniając jego wartość w krytycznych punktach z 7,0 na 4,5 bara. 7.5 Bar :00 08:00 12:00 16:00 :00 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 :00 00:00 04:00 08:00 12:00 wto 24 sie 04:00 (godz:min) Rys. 34. Regulacje na sieci dzielnicy Szombierki Przedstawiony przykład planowania zarządzania siecią wodociągową miał na celu zobrazowanie wewnętrznych zależności całego systemu dystrybucji wody oraz trudności w jego organizacji. Reorganizacja struktury zasilania danego obszaru sieci, powinna być działaniem przemyślanym, poprzedzonym kampanią pomiarową krytycznych punktów sieci oraz parametrów pracy zainstalowanych urządzeń. 11. Podsumowanie Przytoczone przykłady pokazują jak ważną rolę w eksploatacji reduktorów ciśnienia odgrywa ich poprawny dobór, serwisowanie oraz umiejętne zarządzanie ich pracą, w celu budowy zoptymalizowanego i niezawodnego systemu dystrybucji wody. Literatura Materiały własne Bytomskiego Przedsiębiorstwa Komunalnego Sp. z o.o. EXPLOITATION OF PRESSURE REDUCING VALVES WITH CONSIDERATION OF THE ROLE OF DATA VISUALISATION SYSTEM CASE STUDY FROM BPK SP. Z O.O. Sumary: This paper presents issues related to the daily operation of the pressure reducing valves hydraulic controlled. It also demonstrates the role of proper analysis of measurement data from telemetry system as an effective tool in monitoring pressure reducing valves and water supply management. Key words: pressure reducing valves; water supply network management, operation of water supply