Systemy produkcji i dystrybucji wody

Rozdział 2 Systemy produkcji i dystrybucji wody Cyrkulacja wody pomiędzy naturalnym środowiskiem i światem technologicznym przechodzi procesy: dostarczania, przemysłowego i domowego zużycia oraz oczyszczania (rys. 2.1). Woda DOSTARCZANIE (DYSTRYBUCJA) Woda uzdatniona ŚRODOWISKO NATURALNE UŻYTKOWNICY PRZEMYSŁOWI I INDYWIDUALNI OCZYSZCZANIE Ścieki Woda Rys. 2.1. Cyrkulacja wody użytkowej Analizowany jest pierwszy z tych procesów. Typowo, dwa rodzaje systemów, składających się na proces dostarczania, brane są pod uwagę: retencyjny system wodny, system zaopatrzenia. 16

Wodne systemy retencyjne mogą być rozważane jako część środowiska. Typowo obejmują kilka dużych zbiorników, razem z rzekami, na których są zbudowane. Ich zasadniczą rolą jest zapewnienie ciągłości dostarczania wody, mimo sezonowego charakteru zmian ilości dostępnej wody, oraz ochrony przeciwpowodziowej. Dynamika tych systemów mierzona jest miesiącami, a horyzont czasowy dla decyzji sterowania może być mierzony w latach (Brdyś, Ulanicki, 1994). Rozwój bazujących na rzekach projektów jest wyjątkowo istotny w rejonach podatnych na susze. Zbiorniki retencyjne zapobiegają ucieczce wody z obszarów przezeń obejmowanych. Głównym celem zarządzania zasobami wodnymi są: dostarczanie wody, kontrola powodziowa i jakość wody. Pobory wody ze zbiornika są kontrolowane przez rozlewnie oraz śluzy. Dopływ do zbiorników retencyjnych jest uzależniony od warunków pogodowych, a one ze swej natury są trudne do przewidzenia. Projektowanie pojemności zbiorników (Clark i in., 1977) bazuje na ocenie skumulowanej różnicy pomiędzy odpływem, a dopływem dla wybranego okresu. Dla dużych zbiorników może być wymagany okres rzędu kilku lat. Do przeprowadzanych obliczeń wykorzystywane są gromadzone dane historyczne. Źródła to punkty interakcyjne pomiędzy systemem zaopatrzenia, a systemem retencyjnym. Studnie (podziemne źródła) mogą być traktowane jako naturalne zbiorniki i w konsekwencji jako część systemu retencyjnego. System zaopatrzenia dostarcza czystą wodę dla przemysłu oraz użytkowników indywidualnych. Woda jest pobierana z rzek, zbiorników lub ze studni. Następnie jest poddawana procesowi oczyszczania w stacjach uzdatniania wody (SU), przy użyciu procesów fizycznych i chemicznych. Czysta woda jest przechowywana w zbiornikach, z których jest pompowana do sieci wodociągowej. W systemie wodociągowym wyróżnia się zwykle podsystemy funkcjonalne. W pracy (Brdyś i Ulanicki, 1994) w systemie wodociągowym wyróżnia się dwa zasadnicze elementy: podsystem zasilania (ang. supply subsystem) i podsystem dystrybucji wody (ang. distribution subsystem). Podsystem zasilania (ujmowanie, transport wody surowej, uzdatnianie i dostarczanie) obejmuje zwykle źródła wody (studzienne, powierzchniowe), sieć rurociągów łączących te ujęcia ze stacjami uzdatniania wody, stacje uzdatniania wody, zbiorniki magazynujące wodę uzdatnioną, sieć rurociągów magistralnych doprowadzających uzdatnioną wodę do podsystemu dystrybucji. 17

Podsystem dystrybucji wody obejmuje sieć rurociągów dystrybucyjnych oraz rozmieszczone w wybranych jej punktach pompownie wody (ewentualnie hydrofornie) i zbiorniki magazynujące wodę. Dla zakresu przedmiotowego dogodnie jest wyróżnić w tych podsystemach następujące procesy (rys. 2.2): proces ujmowania wody ujęcia wody, rurociągi transportujące wodę surową oraz zbiorniki do gromadzenia wody surowej, proces uzdatniania wody stacje uzdatniania wody, proces dostarczania wody rurociągi magistralne transportujące wodę uzdatnioną do sieci jej dystrybucji, zbiorniki gromadzące wodę uzdatnioną, proces dystrybucji wody sieć rurociągów dystrybucyjnych doprowadzających wodę do jej użytkowników, lokalne zbiorniki wody uzdatnionej. ŹRÓDŁO 1 ŹRÓDŁO 2. Stacja uzdatniania 1 Stacja uzdatniania 2. Stacja uzdatniania M SIEĆ MAGISTRALNA SIEĆ DYSTRYBUCYJNA ODBIORCY ŹRÓDŁO M Rys. 2.2. Struktura systemu produkcji i dystrybucji wody Z punktu widzenia sposobu wykorzystania wody wodociągowej można wyróżnić trzy rodzaje systemów wodociągowych (Mielcarzewicz, 2000; Szpindor, 1998): systemy ogólnego przeznaczenia - zaopatrują w wodę wszystkich użytkowników, tj. ludność, rolnictwo, zakłady przemysłowe, zakłady usługowe, rekreację i turystykę, systemy częściowo rozdzielcze - poprzez niezależne układy zaopatrują w wodę odbiorców komunalnych (ludność) i odbiorców przemysłowych, systemy rozdzielcze uwzględniają, w ramach dostarczania wody na cele komunalne, odrębne dostarczanie wody na cele konsumpcyjne i gospodarcze. 18

Systemy wodociągowe mogą być również klasyfikowane ze względu na ich zasięg terytorialny (Mielcarzewicz, 2000; Szpindor, 1998). Z tego punktu widzenia można wyróżnić: systemy lokalne - zaopatrują w wodę mieszkańców jednej miejscowości albo jej części, lub zakłady przemysłowe, systemy centralne - zaopatrują w wodę dużą aglomerację miejską i okoliczne miejscowości, systemy grupowe - zaopatrują w wodę kilka miejscowości, systemy okręgowe (regionalne) - zaopatrują w wodę obszar, na którym występuje wiele aglomeracji miejsko-przemysłowych, miejscowości i zakładów przemysłowych. W rozważanym problemie nie czyni się założeń odnośnie zasięgu terytorialnego rozważanych systemów wodociągowych. Tym niemniej można stwierdzić, że najpełniejszego wykorzystania jej wyników należy spodziewać się w systemach mających cechy najbliższe systemom centralnym. Ostatnim z używanych kryteriów klasyfikacji systemów wodociągowych jest ich struktura hydrauliczna (Mielcarzewicz, 2000; Szpindor, 1998). Z tego punktu widzenia wyróżnia się: systemy wodociągowe grawitacyjne, pompowe i mieszane, systemy wodociągowe o jednym i wielu źródłach zasilania, systemy wodociągowe o jednej i wielu strefach ciśnieniowych. Systemy dostarczania wody posiadają szereg cech wspólnych (Brdyś, Ulanicki, 1994), które są istotne z punktu widzenia sterowania procesami operacyjnymi: dość prosta struktura sieci rurociągów magistralnych z ograniczoną liczbą połączeń, rurociągi o dużej średnicy do transportu dużych ilości wody, duże stacje pomp złożone z wielu pomp, przeważnie wysokiego podnoszenia; oddziaływanie z częścią dystrybucji, które może być modelowane jako zapotrzebowanie przewidywane z dobrą dokładnością, przepływy w sieci rurociągów magistralnych są często pomijalnie wrażliwe na zmiany poziomów wody w zbiornikach. 19

Następujące cechy systemów dystrybucji wody są istotne (Brdyś, Ulanicki, 1994) z punktu widzenia sterowania procesami operacyjnymi: skomplikowana struktura sieci rurociągów z setkami połączeń i wieloma pętlami, w obrębie sieci można wyróżnić tzw. strefy ciśnieniowe zawierające jeden zbiornik dla utrzymania dostaw i podtrzymania ciśnienia, zmiany poziomu wody w zbiorniku mogą mieć istotny wpływ na przepływy i ciśnienia w systemie. System dystrybucyjny może być sklasyfikowany jako system pierścieniowy, system rozgałęźny (rys. 2.3) albo jako ich kombinacja (Gabryszewski, 1973). a) zbiornik 3 b) zbiornik 3 q 12 2 q 23 q24 d 4 4 q 12 2 q 23 q24 d 4 4 1 źródło p 12 q 26 6 q 65 q 25 q 45 5 d 5 1 źródło p 12 q 26 6 d 6 q 25 5 d 5 Rys. 2.3. Przykład sieci typu: a) pierścieniowego, b) rozgałęźnego Systemy typu pierścieniowego mają tą zaletę, że woda do dowolnego punktu może być dostarczana przynajmniej z dwóch źródeł (kierunków). Wadą natomiast jest charakteryzujący je wyższy od systemu rozgałęźnego koszt budowy. Woda jest przesyłana rurociągami grawitacyjnie lub przy użyciu pomp. System wodociągowy, poza zapewnieniem dostawy wody w wymaganej ilości, musi zapewnić odpowiednią wartość ciśnienia w punkcie poboru wody. Wielkością hydrauliczną, której wartość powinna mieścić się w pewnym przedziale to tzw. ciśnienie na poziomie przyłączy poszczególnych odbiorców. Ciśnienie to należy odróżniać od tzw. ciśnienia czerpalnego (wylotowego) czyli ciśnienia w punkcie odbioru wody (na zaworze czerpalnym). Wartość ciśnienia na poziomie przyłączy określana jest na ogół jednolicie dla obszarów o jednolitym charakterze zabudowy przy wzięciu pod uwagę m.in. wysokości zabudowy i wymagane wartości ciśnienia czerpalnego. W przypadkach, gdy różnice terenowe pomiędzy poszczególnymi obszarami odbioru wody są tak duże, że w niektórych z tych obszarów występowałyby zbyt duże ciśnienia, 20

konieczny jest podział całego obszaru odbioru wody na strefy ciśnieniowe i zastosowanie takich rozwiązań układu transportu, które zapewnią nie przekraczanie wartości maksymalnych ciśnienia na poziomie przyłączy. Różne rozwiązania układów strefowych systemów wodociągowych można znaleźć w pracy (Miecarzewicz, 2000). Podsumowując możemy stwierdzić, że przedmiotem zainteresowania są systemy, które dostarczają wodę dla użytkowników domowych i przemysłowych. Woda surowa pozyskiwana jest z rzek, zbiorników retencyjnych (zasoby powierzchniowe) lub ze studni głębinowych (zasoby podziemne). Woda surowa podlega na ogół uzdatnieniu w stacjach uzdatniania przy pomocy procesów fizycznych, chemicznych lub biologicznych. Woda uzdatniona może być gromadzona w zbiornikach i stamtąd, lub bezpośrednio ze stacji uzdatniania, jest pompowana do sieci rurociągów dystrybucyjnych. Woda transportowana jest w rurociągach pod działaniem grawitacji lub pomp tłoczących. Sieci dystrybucyjne mogą mieć różną strukturę; zwykle zapewniają zasilanie w wodę użytkowników z więcej niż jednego źródła. Istotną częścią systemu dystrybucji mogą być lokalne zbiorniki wody i pompownie. 2.1. Charakterystyka elementów systemu zaopatrzenia w wodę 2.1.1. Rurociągi Z transportem wody wiążą się nieodłącznie straty energii podczas przepływu. Podczas przepływu wody w rurociągu powstają dwa rodzaje strat: spowodowane oporami przepływu wzdłuż rurociągów prostoliniowych, spowodowane zmianami kierunku lub warunków przepływu. Pierwsze z tych strat noszą nazwę strat tarcia lub strat na długości, drugie-strat miejscowych. Charakterystyka strat tarcia. Straty tarcia h f dla warunków przepływu nieściśliwego w rurociągu zależą od właściwości cieczy takich jak, gęstość ρ i lepkość µ, charakterystyk przepływu takich jak, średnia prędkość v (bądź natężenie przepływu q), charakterystyk rurociągu takich jak długość L i średnica wewnętrzna D oraz charakterystyk chropowatości rurociągu (Bhave, 1991; Mays, 2000, Larock i in., 2000). 21

Charakterystyka strat lokalnych. Straty lokalne h l są wyrażane w zależności od średniej prędkości przepływu wody, bądź średniego natężenia tego przepływu: v 1 2g 2gA gdzie: K l - współczynnik strat lokalnych, v - średnia prędkość wody w przekroju rurociągu, A - pole przekroju wewnętrznego rurociągu, Q - średnie natężenie przepływu wody w przekroju rurociągu, g - przyspieszenie ziemskie. 2 2 hl = Kl = Kl Q (2.1) 2 Oszacowania wartości współczynnika strat lokalnych publikowane są w szeregu monografii (Bhave, 1991; Mays, 2000; Larock i in., 2000; Grabarczyk, 1997; Gabryszewski, 1973). 2.1.2. Pompy i układy pompowe Pompy i układy pompowe służą w systemach wodociągowych do przenoszenia wody z poziomu niższego na poziom wyższy lub przetłaczania wody z obszaru o ciśnieniu niższym do obszaru o ciśnieniu wyższym, przy czym praca związana z przenoszeniem lub przetłaczaniem wody wykonywana jest kosztem energii doprowadzanej z zewnątrz (Grabarczyk, 1997). Energia zewnętrzna jest najczęściej energią elektryczną. Działanie pompy polega na wytworzeniu różnicy ciśnień między jej stroną ssawną i stroną tłoczną. Rodzaje i struktury układów pompowych przedstawione są w monografiach z zakresu hydrauliki systemów wodociągowych (Gabryszewski, 1973; Grabarczyk, 1997; Mays, 2000; Walski i in., 2001). gdzie: Charakterystyka pomp określana jest trzema krzywymi charakterystycznymi: charakterystyką przepływu, podającą zależność użytecznej wysokości podnoszenia h od natężenia przepływu wody q, dla określonej prędkości obrotowej pompy, charakterystyką mocy, podającą zależność mocy na wale pompy N w od natężenia przepływu wody q, charakterystyką sprawności, podającą zależność sprawności pompy η od natężenia przepływu wody q. Wysokość podnoszenia związana jest z naporami hydraulicznymi na króćcu ssawnym i tłocznym zależnością: h = h t h s (2.2) h t - napór hydrauliczny wody u wylotu z pompy, h s - napór hydrauliczny wody u wlotu do pompy. 22

Przykładowe kształty wymienionych wyżej charakterystyk zostały przedstawione na rys. 2.4. W systemach dystrybucji wody pitnej (SDWP) stosowane są dwa rodzaje pomp: pompy stałoprędkościowe, pompy zmiennoprędkościowe. W przypadku pomp stałoprędkościowych, ich prędkość obrotowa pozostaje stała, niezależnie od czynników zewnętrznych. Prędkość obrotowa pomp zmiennoprędkościowych może być zmieniana w zależności od warunków panujących w systemie. Pompy zmiennoprędkościowe znajdują zastosowanie w systemach wodociągowych zawierających nieduże lub nie zawierających w ogóle pojemności, pozwalając utrzymywać pożądane ciśnienie w określonych punktach sieci przy zmieniającym się obciążeniu. h N w KM E kwh/m 3 1 h=f 1 (q) N w =f 2 (q) 2 η % 3 100 80 η =f 3 (q) 4 E=f 4 (q, h,η) 60 40 20 q m 3 /h Rys. 2.4. Przykładowe charakterystyki pomp: 1 charakterystyka przepływu, 2 charakterystyka mocy, 3 charakterystyka sprawności, 4 charakterystyka jednostkowego zużycia energii 2.1.3. Zawory Zawory są połączeniami, które ograniczają napór hydrauliczny lub przepływ w określonych punktach systemu dostarczania i dystrybucji wody pitnej. Realizacja tych funkcji odbywa się przez zmianę stopnia otwarcia (zamknięcia zaworu), powodującą zmianę oporu hydraulicznego. W systemach dostarczania i dystrybucji wody pitnej w stanach quasiustalonych pracy stosowane są różne rodzaje zaworów realizujących różne funkcje. 23

Zawory mogą należeć do jednej z czterech kategorii (Walski i in., 2001): zawory odcinające, zawory kierunkowe (zwrotne), zawory poziomu, zawory regulacyjne. Niektóre zawory są przeznaczone do automatycznego ograniczania przepływu wody w zależności od wartości ciśnienia lub przepływu w danym punkcie systemu, inne są przeznaczone do ręcznego operowania i służą do całkowitego odizolowania pewnego fragmentu systemu. Z przepływem wody przez dowolny zawór związane są straty lokalne naporu, wyrażane zależnością: gdzie: K lv A v - - v 1 2 2 hlv = Klv = Klv q 2 (2.3) 2g 2gAv współczynnik strat lokalnych na zaworze, powierzchnia przekroju przepustowego zaworu. Wartości współczynnika strat lokalnych na zaworze i ich zmienność są uzależnione od rodzaju zaworu. Zawory odcinające. Zawory odcinające są najliczniejszą grupą zaworów występujących w systemach dostarczania i dystrybucji wody pitnej. Zawory odcinające są przeznaczone do ręcznego operowania w celu odcięcia przepływu wody. Czasem zawory odcinające są utrzymywane celowo w pozycji zamkniętej, np. dla kontrolowania granic stref ciśnieniowych systemu dystrybucji. Istnieje szereg typów zaworów odcinających różniących się konstrukcją. Zawory kierunkowe (zwrotne). Zawory kierunkowe stosowane są dla zapewnienia przepływu wody w rurociągu tylko w jednym kierunku. Przykład zastosowania zaworu zwrotnego został przedstawiony na rys. 2.5. Zawory zwrotne umieszczane są z reguły w pompowniach na rurociągach tłocznych dla zabezpieczenia pompy przed cofającą się, przy zatrzymaniu pompy, wodą oraz dla przeciwdziałania ucieczce wody z przewodu tłocznego. 24

LNH LNH Zawór zwrotny Pobór wody Zawór zwrotny Pobór wody Pompa wyłączona Pompa włączona Rys. 2.5. Zastosowanie zaworu zwrotnego: LNH linia naporu hydraulicznego Modelowanie zaworów kierunkowych zwykle przeprowadza się podobnie jak zaworów odcinających unika się ich modelowania jako oddzielnych elementów systemu. Zawory poziomu. Zawory poziomu są stosowane w punktach, gdzie rurociąg łączy się ze zbiornikiem. Kiedy woda dopływa od zbiornika i poziom wody w zbiorniku osiąga pewną określoną górną wartość, zawór poziomu zamyka się, zabezpieczając zbiornik przed przelaniem. Kiedy pojawią się warunki przepływu wody w przeciwną stronę zawór poziomu otwiera się. Ograniczenia wynikające z działania zaworów poziomu uwzględniane są podczas modelowania przez wprowadzenie warunków ograniczających na maksymalny i minimalny poziom wody w zbiorniku zawory poziomu nie są zatem modelowane jako oddzielne elementy systemu. Zawory regulacyjne. Do grupy zaworów regulacyjnych zaliczane są: zawory redukcyjne ciśnienia (ang. Pressure reducing valve PRV), zawory podtrzymania ciśnienia (ang. Pressure sustaining valve PSV), zawory regulacyjne przepływu (ang. Flow control valve FCV), zawory regulacyjne dławienia (ang. Throttle control valve TCV). Zawory redukcyjne ciśnienia dławią samoczynnie przepływ wody tak, aby napór hydrauliczny za zaworem nie przekroczył pewnej zadanej wartości maksymalnej. Stosowane są one, wtedy gdy duże ciśnienie za zaworem może prowadzić do uszkodzeń w sieci. Działanie zaworu redukcyjnego ciśnienia ilustruje rys. 2.6. Przy modelowaniu zawory redukcyjne wymagają traktowania ich jako oddzielnych elementów sieci. 25

Linia naporu hydraulicznego Bez zaworu redukcyjnego Zadany napór maksymalny Z zaworem redukcyjnym Zbiornik na wyniesieniu Zawor redukcyjny Obszar wysokiego ciśnienia Obszar niskiego ciśnienia Rys. 2.6. Działania zaworu redukcyjnego ciśnienia Zawory podtrzymania ciśnienia dławią samoczynnie przepływ tak, aby napór hydrauliczny przed zaworem nie przekroczył pewnej zadanej wartości minimalnej. Działanie zaworu podtrzymania ciśnienia przedstawiono na rys. 2.7. Rys. 2.7. Ilustracja działania zaworu podtrzymania ciśnienia Zawory podtrzymania są stosowane, kiedy zmienny przepływ wody mógłby powodować występowanie zbyt niskich ciśnień w obszarze sieci wysokiego ciśnienia. Podobnie jak zawory redukcyjne, zawory podtrzymania ciśnienia wymagają traktowania ich przy modelowaniu jako oddzielnych elementów sieci. Zawory regulacyjne przepływu dławią przepływ wody do wartości określonej przez operującego siecią. Mogą być wszędzie tam, gdzie uzasadniona jest regulacja bazująca na przepływie wody. Zawory regulacyjne przepływu nie gwarantują, że przepływ wody nie będzie mniejszy od wartości zadanej a jedynie, że jej nie przekroczy. Przy modelowaniu zawory regulacyjne przepływu wymagają traktowania ich jako oddzielnych elementów sieci. 26

2.1.4. Zbiorniki Podstawowym zadaniem zbiorników wodociągowych jest wyrównanie dostawy wody w czasie zmiennych jej rozbiorów. Magazynują one wodę w czasie, gdy rozbiór wody jest mniejszy niż dostawa, a oddają wówczas, gdy rozbiór jest większy niż dostawa. Zaplecze zbiornikowe stanowi nieodzowną część systemu wodociągowego. Zbiorniki buforujące (magazynujące) są niezbędne dla pokrycia szerokich zmian w zapotrzebowaniu na wodę oraz by zrównoważyć operacje dodatkowe (płukanie itp.). Stosowana polityka magazynowania wody jest kluczem w operatywnym sterowaniu; woda może być magazynowana w zbiornikach w okresie taniej energii elektrycznej i oddawana w godzinach szczytu. Drugim zadaniem części zbiorników wodociągowych wysoko położonych (zbiorników górnych) jest wyrównywanie ciśnień w obszarze zasilania, zmieniających się w różnych porach dnia. To zadanie spełni zbiornik wówczas, gdy będzie położony odpowiednio wysoko ponad terenem zasilania (ponad siecią wodociągową rozdzielczą). Dostawa wody do zbiornika może odbywać się grawitacyjnie, gdy ujęcia położone są wyżej niż zbiornik, lub za pomocą pomp, gdy ujęcia są nisko położone. Odpowiednio wysokie położenie zbiornika przyczynia się do wyrównania ciśnienia w sieci, co jest bardzo korzystne dla sprawnego działania urządzeń wodociągowych i ich trwałości (Gabryszewski, 1973). 2.1.5. Rezerwuary Termin rezerwuar ma specyficzne znaczenie w odniesieniu do SDWP, szczególnie ich modelowania. Rezerwuar zawsze jest węzłem granicznym modelowanej sieci i oznacza pojemność na tyle dużą, że napór hydrauliczny na jego wypływie jest niezależny od stanu hydrauliki w sieci i pozostaje stały. Rezerwuary są wykorzystywane do modelowania źródeł wody, których napór jest uzależniony od innych czynników niż wartości poborów wody w sieci. Jeziora, naturalne i sztuczne, studnie głębinowe oraz zasoby wody uzdatnionej w stacji uzdatniania są zwykle traktowane jako rezerwuary. 27

2.2. Jakość wody Większość, a praktycznie niemal wszystkie wody naturalne, przed ich wykorzystaniem do picia oraz na potrzeby gospodarcze czy przemysłowe, muszą być odpowiednio przygotowane, co uzyskuje się w procesach oczyszczania. Obecny poziom wiedzy technicznej pozwala na oczyszczanie wód nawet najbardziej zanieczyszczonych, jednak względy ekonomiczne przemawiają za ujmowaniem wód jakościowo najlepszych, gdyż koszty oczyszczania rosną nieproporcjonalnie wraz ze stopniem zanieczyszczenia wody. Rodzaj stosowanych procesów jednostkowych, a następnie układu oczyszczania, zależy od rodzaju substancji, które muszą być usunięte z wody. Ze względu na fakt, iż zwiększa się rodzaj zanieczyszczeń występujących w wodach naturalnych oraz możliwość powstawania zanieczyszczeń wtórnych podczas oczyszczania, skuteczne układy technologiczne często muszą być bardzo rozbudowane. Najczęściej usuwanymi z wód są: zanieczyszczenia zawieszone i koloidalne powodujące mętność i barwę, substancje organiczne, związki żelaza, manganu oraz metali ciężkich, gazy rozpuszczone, domieszki powodujące twardość i zasolenie. Końcowym etapem procesu oczyszczania wody jest dezynfekcja. Głównym jej zadaniem jest niszczenie mikroorganizmów obecnych w wodzie i zabezpieczenie dobrej jakości sanitarnej wody w sieci wodociągowej, zapewniające ochronę wody przed wtórnym (w sieci) rozwojem organizmów żywych. Jako czynniki dezynfekujące stosowane są (Kowal, Świderska-Bróż 1998): chlor, dwutlenek chloru, chloramin, ozon, promieniowanie UV. W większości krajów, także w Polsce, najczęściej dla celów dezynfekcji stosuje się chlor gazowy (tabela 2.1). Rzadziej używany jest dwutlenek chloru i ozon, natomiast chloraminy oraz promieniowanie ultrafioletowe są stosowane sporadycznie (Nawrocki, Biłozor 2000). Z prawnego punktu widzenia, celem uzdatniania wody jest uzyskanie jakości odpowiadającej wymaganiom stawianym wodzie do picia i na potrzeby gospodarcze. Warunki, jakim powinna odpowiadać woda do picia i na potrzeby gospodarcze, określa w Polsce Minister Zdrowia i Opieki Społecznej rozporządzeniem ogłaszanym w Dzienniku Ustaw. 28

Woda po opuszczeniu stacji uzdatniania transportowana jest rurociągami magistralnymi podsystemu dostarczania do podsystemu dystrybucji. W procesie uzdatniania wody stosuje się szereg procesów jednostkowych, fizycznych, chemicznych i biologicznych, które powinny stanowić bariery prowadzące do obniżenia stężeń zanieczyszczeń poniżej maksymalnych akceptowalnych poziomów wymaganych odpowiednimi normami. Utrzymanie jakości wody uzyskanej na wyjściu ze stacji uzdatniania podczas jej transportu w podsystemie dostarczania i dystrybucji jest poważnym problemem, ponieważ szereg czynników może wpływać na jej pogorszenie. Do najważniejszych należą: a) skażenie z zewnątrz systemu dostarczania i dystrybucji (infiltracja), b) wpływ materiałów pozostających w kontakcie z uzdatnioną wodą, c) procesy biologiczne i fizyczno chemiczne. Wybór odpowiednich materiałów oraz odpowiednie procedury pracy stosowane w SDWP mają podstawowe znaczenie dla minimalizowania możliwości wpływu czynników a) i b). Tabela 2.1. Metody dezynfekcji wody stosowane w różnych krajach Kraj Dezynfektanty Cl 2+ ClO 2 NH 2 Cl O 3 UV Australia Austria Belgia Bułgaria Chiny Czech Finlandia Francja Hiszpania Irlandia Japonia Niemcy Norwegia Polska Południowa Afryka Szwajcaria Szwecja USA Węgry Wielka Brytania Włochy -metoda dominująca, -spotykana, -rzadko stosowana Procesy biologiczne w podsystemie dostarczania i dystrybucji wody pitnej mogą prowadzić do pojawienia się problemów natury zdrowotnej (rozwój określonych bakterii patogennych), estetycznych (smak i zapach wody) oraz technicznych (korozja materiałów 29

stykających się z wodą). Podstawowym sposobami zapobiegania tym procesom są (Kooij, 2000): utrzymywanie w podsystemach dostarczania i dystrybucji ilości pozostałej dezynfektanata na odpowiednim poziomie, dostarczanie i dystrybucja wody pitnej stabilnej biologicznie, w podsystemach dystrybucji o elementach wykonanych z biostabilnych materiałów. Efektywna realizacja każdego z wymienionych warunków wymaga przeprowadzenia analizy warunków kształtujących relacje pomiędzy rodzajem i ilością organizmów żywych, a ilością pozostałą dezynfektanta oraz stabilnością biologiczną wody. Celem chlorowania dezynfekcyjnego jest takie jego prowadzenie, aby dezynfektant pozostawał w wodzie chroniąc ją przed zakażeniem w sieci dostarczania i dystrybucji (Nawrocki i Biłozor, 2000). Ze względu jednak na swą reaktywność, chlor wchodzi w reakcje z domieszkami wody, ulegając następującym przekształceniom: a) Część chloru przereagowuje z nieorganicznymi reduktorami obecnymi w wodzie (żelazo, mangan, siarka), redukując się do chlorków. b) Część chloru (głównie w postaci kwasu podchlorawego) w wodzie zawierającej azot organiczny (azot amonowy) reaguje z jonami amonowymi dając chloraminy (mono-, di- i trichloraminy) posiadające własności bakteriobójcze, ale mniejsze niż chlorowe substraty reakcji. Rodzaj powstających chloramin zależy od: stosunku stężenia chloru do azotu amonowego (dawki chloru), wartości ph, zasadowości i temperatury wody. Ta część produktów chlorowania, jaka występuje w postaci chloramin (w tym także chloramin organicznych), określana jest mianem chloru związanego. Zwiększanie dawki chloru w stosunku do stężenia azotu amonowego powyżej wartości 4.4:1 powoduje utlenianie chloramin do azotu gazowego. Proces ten kończy się przy wartości tego stosunku 7.34:1 i w wodzie pojawia się wolny chlor. c) Część chloru przereagowuje z organicznymi substancjami obecnymi w wodzie generując tzw. uboczne produkty chlorowania, takie jak chloroform, kwasy chloroorganiczne, trihalometany (THM) i wiele innych. d) Część chloru zużyta zostanie na utlenianie bromków (jeżeli takie znajdują się w wodzie) do kwasu podbromawego lub jonu podbrominowego, w zalezności od wartości ph, który może dalej reagować z materią organiczną, dając w efekcie produkty uboczne bromo i chlorobromoorganiczne, takie np. jak bromoform. 30

e) Pozostała część chloru ma znaczenie dezynfekcyjne ta część chloru odpowiada za dezynfekcję wody i utrzymanie efektu dezynfekcyjnego w systemie dostarczania i dystrybucji wody. Określa się ją zwykle jako pozostały chlor ogólny. Chlor pozostały ogólny występuje zatem w wodzie jako: chlor wolny w postaci chloru cząsteczkowego, kwasu podchlorawego i jonów podchlorynowych, chlor związany w postaci chloramin, zarówno nieorganicznych jak i organicznych. Ilość chloru, jaka jest potrzebna na pokrycie wszystkich procesów zużywających chlor do momentu pojawienia się w wodzie chloru pozostałego, nazywa się zapotrzebowaniem wody na chlor. Stosowanie chloru jako utleniacza ma również swoje wady. Przy jego większych dawkach powstają jego produkty uboczne (Marhaba, 2000). Pod nazwą produkty uboczne kryje się duża ilość związków powstających pod wpływem chloru z substancji organicznych. Związki te powstają w niewielkich ilościach, ale ze względu na swój charakter toksyczny, mutagenny lub kancerogenny muszą być brane pod uwagę w ocenie jakości wody pitnej. Poza ograniczeniami estetycznymi (smak, zapach) jest to główna przyczyna konieczności utrzymywania stężenia chloru na poziomie nie przekraczającym narzuconych wartości maksymalnych. W Polsce wymagane stężenie pozostałego chloru wolnego w wodzie podawanej do sieci wodociągowej musi wynosić 0.2 0.5 g Cl 2 /m 3, zaś w wodzie w końcówkach sieci nie może być mniejsze niż 0.05 g Cl 2 /m 3. Przebieg procesu chlorowania można przedstawić graficznie za pomocą krzywej chlorowania (Nawrocki i Biłozor, 2000; Kowal i Świderska Bróż, 1996). Przykład krzywej chlorowania w uproszczonej postaci (odcinki prostych) został pokazany na rys. 2.8. W etapie I chlor wprowadzony do wody reaguje szybko ze związkami nieorganicznymi, organicznymi oraz wolną materią organiczną. Reakcje te są konkurencyjne w stosunku do siebie. W etapie II powstają chloraminy jako wynik reakcji z jonami amonowymi i wzrasta ilość pozostałego chloru w postaci związanej (jako chloraminy). W etapie III nadmiar chloru prowadzi do utleniania chloramin do azotu cząsteczkowego i redukcji chloru do chlorków ta reakcja powoduje ubytek pozostałego chloru mimo wzrostu dawki chloru. W etapie IV wzrost dawki chloru przekłada się wprost na wzrost stężenia chloru pozostałego w postaci chloru wolnego. 31

Utlenianie związków nieorganicznych i organicznych Tworzenie chloramin Rozpad chloramin Chlor pozostały wolny Tworzenie związków chloroorganicznych nie ulegających rozkładowi Chlor pozostały mgcl2/l Chlor pozostały przy zerowym zapotrzebowaniu Chlor związany Dawka chloru (chlor dodany) mgcl 2/l Chlor wolny Chlor związany Chlor wolny Rys. 2.8. Krzywa chlorowania do punktu przełamania 2.3. Sterowanie systemami produkcji i dystrybucji wody Sterowanie (Wierzbicki, 1977) rozumiemy jako celowe oddziaływanie człowieka lub skonstruowanych przez niego urządzeń na otoczenie lub w szczególności na inne urządzenia. Spektrum problemów, które mogą lub powinny podlegać sterowaniu w systemach wodociągowych jest szerokie i każdy z nich związany jest z innym horyzontem czasowym. Można wymienić: 1. rozwój i modyfikacje systemu - zmiany topologii i wyposażenia systemu wodociągowego związane z rozwojem aglomeracji, zmianami struktury poboru wody itp., 2. modernizacja systemu - zmiany wyposażenia i warunków eksploatacji systemu związane z postępem technicznym i technologicznym dotyczącym systemów wodociągowych itp., 3. remonty w systemie - odnowa resursów eksploatacyjnych elementów lub obiektów systemu, 4. obsługa systemu - zmiany topologii systemu wynikające z konieczności wykonania okresowych czynności obsługi, 5. ujmowanie i uzdatnianie wody, 6. rozpływy i jakość wody w systemie. 32

Całość generowanych oddziaływań na system wodociągowy prowadzący do uzyskania celowo określonych rozpływów i jakości wody w sieci będziemy nazywać sterowaniem tym systemem. Będziemy zakładali, że decyzje pozostałych obszarów decyzyjnych (1 4) zostały podjęte i wpływają na zbiór ograniczeń uwzględnianych przy podejmowaniu decyzji związanych ze sterowaniem rozpływami i jakością wody w sieci. Analizowany jest problem sterowania procesami: dostarczania i dystrybucji wody o wymaganej jakości. Nie analizuje się procesów ujmowania i uzdatniania wody w SU. Tak przyjęte założenia skutkują koniecznością wyznaczenia wielkości sterujących, wpływających na: właściwości hydrauliczne SDWP (ciśnienia i przepływy), parametry jakości wody w punktach poboru. W praktycznych rozwiązaniach uzyskanie wody o zadawalających parametrach jakościowych na wyjściu ze stacji uzdatniania nie sprawia większych trudności. Problem pojawia się w podsystemie dystrybucji, gdzie na skutek m.in. przewymiarowania i złego stanu sieci, występuje wtórne skażenie (pod względem bakteriologicznym) wody. Z poziomu SU nie można w ogólności zapewnić spełnienia wymogów jakościowych na wodę przebywającą drogę przez system dystrybucji do odbiorcy. Przyjmuje się, że granice systemu dostarczania i dystrybucji wody wyznaczają z jednej strony pompownie uzdatnionej wody (najczęściej ulokowane w stacjach uzdatniania), tłoczące ją do rurociągów magistralnych, a z drugiej strony końcowi odbiorcy wody. Wielkością sprzęgającą system dostarczania i system uzdatniania jest zapotrzebowanie na wodę występujące w sieci dystrybucji, które jest wielkością wymuszającą sposób pracy (sterowania) stacji uzdatniania. Algorytmy nazywane w opracowaniu sterowaniem ilością wody, mają zapewniać określone wartości przepływów i ciśnień w sieci. Do realizacji tego celu wykorzystuje się urządzenia wykonawcze, którymi w SDWP są pompy i zawory. Jakość wody. Z przeprowadzonej analizy problemu jakości wody (patrz rozdz. 2.2), wynika złożoność zagadnienia jakim jest sterowanie jakością w systemach SDWP. Kontrola szerokiego wachlarza wielkości, charakteryzujących stan wody w sieci wodociągowej, jest na obecnym etapie znajomości zagadnienia praktycznie niemożliwa. Trudności, na jakie napotykają się automatycy, to przede wszystkim niedostatek bazy modelowej, umożliwiającej opracowanie algorytmów sterowania. Daje się zauważyć zainteresowanie 33

naukowców problemami modelowania jakości wody (Elshorbagy, 2000; Milot, 2002). Na zweryfikowane efekty prowadzonych badań musimy jednak jeszcze poczekać. W pracy zakłada się, że skład fizyko-chemiczny wody dostarczanej ze SU spełnia wymagania określone odpowiednimi normami. Cel sterowania jakością wody sprowadza się zatem do utrzymania jej przydatności do spożycia od strony bakteriologicznej. Jak już wspomniano, lista parametrów definiujących jakość wody jest długa. Od strony praktycznej dąży się do zastąpienia tak licznego zbioru wielkości przez reprezentujący je jeden wskaźnik. Na dzień dzisiejszy typowym podejściem do problemu sterowania jakością wody w systemach SDWP jest ograniczenie się do kontroli poziomu stężenia chloru w sieci (Rossman i in., 1993). W ogólności należy w tym miejscu wspomnieć, iż operatorzy sieci dystrybucyjnych, starając się poprawić stan sieci, a przez to wpłynąć na jakość wody dostarczanej, stosują okresowe płukania rurociągów. W przypadkach, kiedy woda trafiająca do SDWP pochodzi z kilku ujęć o różnej jakości, stosuje się mieszanie mające na celu oczyszczenie wód gorszej jakości. Jednak, zarówno pierwszy, jak i drugi wymieniony sposób wpływania na jakość wody w SDWP, nie rozwiązuje problemu wtórnego skażenia bakteriologicznego, wynikającego przede wszystkim ze zbyt długiego okresu przebywania wody w systemie. Woda uzdatniona, zawierająca określoną dawkę środka dezynfekującego, który z czasem ulega rozkładowi, przebywając drogę do odbiorcy, z czasem traci stabilność biologiczną i staje się kolebką dla rozwijających się w niej chorobotwórczych mikroorganizmów. Konkluzją rozważań przeprowadzonych w podrozdziale 2.2 jest przyjęty cel sterowania jakością wody w SDWP - sprowadza się on do utrzymywania w zadanych granicach (dolnej i górnej) stężenia chloru w wodzie. Realizacją tego zadania zajmują się przeznaczone do tego stacje uzdatniania, gdzie dozuje się odpowiednie ilości chloru oraz dodatkowe wybrane punkty w sieci SDWP, gdzie również dodaje się chlor do sieci. Punkty takie (ang. booster chlorination) będziemy nazywać punktami wtórnego uzdatniania (PWU). Wielkościami sterującymi jakością w systemie dystrybucji są wartości stężeń w omówionych wyżej punktach chlorowania wody. Przyjęto założenie, że realizacją wyznaczanych trajektorii stężeń chloru, które mają być utrzymywane w punktach PWU zajmują się lokalne, klasyczne układy regulacji nadążnej. Szczególnie w przypadku dużych miast, uzdatnienie wody w SU, spełniające wymagania jakościowe, nie gwarantuje, że jakość wody w punktach jej odbioru będzie również właściwa. Przyjętą praktyką staje się umieszczanie w wybranych punktach sieci (PWU) układów dozowania środków chemicznych dezynfektantów, pozwalających 34

utrzymać jakość wody w wymaganych dolnych granicach. Węzły sieci, w których jakość wody jest aktywnie sterowana, muszą być wybrane oszczędnie tak, aby spełnienie wymagań jakościowych w tych węzłach implikowało spełnienie tych wymagań w pozostałych węzłach sieci i punktach jej odbioru. Urządzenia pomiarowe wskaźnika jakości dla potrzeb sterowania wystarczy umieścić wówczas jedynie w tych krytycznych miejscach. Sterowanie zintegrowane. Czas przebywania wody w sieci uzależniony jest od warunków hydraulicznych (prędkości przepływu) panujących w systemie. Jak już wspomniano, chlor w wodzie z czasem ulega rozkładowi. Uwidacznia się w tym miejscu sprzężenie, jakie zachodzi pomiędzy jakością wody (zanikaniem dezynfektanta), a stanem hydraulicznym panującym w systemie. Z opisanej relacji wynika konieczność zintegrowanego, pod względem jakości i ilości, podejścia do problemu sterowania systemami SDWP (rys. 2.9). Właściwości hydrauliczne systemu SDWP są określone przez realizowane sterowanie urządzeniami wykonawczymi, jakimi są pompy i zawory oraz przez zakłócenie, którym jest aktualne zapotrzebowanie na wodę. Zapotrzebowanie (zakłócenie) Trajektorie sterowań zaworami Trajektorie sterowań pompami HYDRAULIKA Przepływy Chlor dozowany w punktach PWU JAKOŚĆ Stężenie chloru w punktach odbioru Rys. 2.9. Schemat blokowy relacji wiążących jakość wody ze stanem hydrauliki w SDWP Warunki hydrauliczne panujące w sieci determinują wartości przepływów, a od nich m.in. zależy stężenie dezynfektanta w punktach odbioru wody. Przyjęto, że zintegrowane sterowanie oznacza w ogólności objęcie rozważaniami: łącznego uwzględniania hydrauliki i jakości wody w rozważanych problemach sterowania, sytuacji normalnych pracy systemu wodociągowego, 35

hybrydowego charakteru rozważanego systemu (występowanie zmiennych opisujących system o różnym charakterze - rzeczywistoliczbowych, całkowitoliczbowych), możliwości łącznego zastosowania w procesie wyznaczania sterowań systemem (w oparciu o uprzednio i odpowiednio sformułowane modele) metod programowania matematycznego (programowanie liniowe, nieliniowe) z metodami sztucznej inteligencji (algorytmy genetyczne, zbiory rozmyte). Istnieją dwie podstawowe trudności w sterowaniu optymalizacyjnym łącznie jakością i ilością wody: duża liczba zmiennych w zadaniu optymalizacji dla wymaganego horyzontu sterowania, niewystarczająco dokładna prognoza zakłóceń dla problemu sterowania jakością na tym horyzoncie. Liczba zmiennych w rozważanym zadaniu zależy od wielkości SDWP oraz od wymaganego przez dynamikę wewnętrzną systemu długości kroku dyskretyzacji sterowań. Występują różnice w skalach czasu dynamiki ilości i jakości. Wymagany krok dyskretyzacji hydrauliki wynosi 0.5-1.0h. Krok jakości jest rzędu pojedynczych minut. Długość horyzontu sterowania wyznaczona jest więc przez dynamikę ilości i dla typowych systemów, w zależności od powtarzalności zapotrzebowania na wodę, wynosi ona od 24h do jednego tygodnia. Nawet dla bardzo małych SDWP prowadzi to do zadań optymalizacji o bardzo dużej liczbie zmiennych. Błąd prognozy zakłóceń na takim horyzoncie jest akceptowalny z punktu widzenia sterowań ilością, natomiast jest zbyt duży, aby móc wygenerować akceptowalne sterowania jakością. Potrzebne jest więc częstsze, niż wynikałoby to z potrzeb samej ilości, rozwiązywanie łącznych zadań optymalizacji w oparciu o bieżący pomiar stanu jakości i ilości. Problemu złożoności obliczeniowej nie można rozwiązać, np. dowolnie wydłużając krok dyskretyzacji. Zabieg ten łatwo może doprowadzić do przekroczenia ograniczeń narzuconych na jakość wody, to zaś oznacza niespełnienie podstawowych celów sterowania jakością. 36