Wykorzystanie modeli hydraulicznych do weryfikacji wydajności projektowych układu studni głębinowych

1. Wstęp

Projektowanie systemów wodociągowych wymaga przeprowadzenia znacznej liczby skomplikowanych obliczeń numerycznych, stąd przez wiele lat opierało się na uproszczonych założeniach, zmniejszających pracochłonność projektu. Stosowane uproszczenia, niestety, mogą powodować późniejsze problemy eksploatacyjne projektowanych układów.

Gwałtowny rozwój technik komputerowych od lat 80. XX wieku pozwala na skrócenie czasu obliczeń poprzez zastosowanie elektronicznej techniki obliczeniowej. Dodatkowo, bezpłatne udostępnienie modeli obliczeniowych (np. programu Epanet) umożliwiło ich wykorzystanie do korekcji wstępnych założeń projektowych i przeprowadzenie dodatkowych obliczeń dla różnych warunków pracy układów wodociągowych.

Jak pokazano w artykule, modele hydrauliczne pozwalają symulować różne sytuacje eksploatacyjne, np. pracę tylko wybranych pomp w różnych kombinacjach, czy efekty zastosowania różnych systemów regulacji wydajności układu studnie–rurociągi–SUW (dławienie przepustnicami/regulacja zaworami hydraulicznymi priorytetu).

2. Opis analizowanego układu hydraulicznego

Analizę porównawczą założeń, obliczeń projektowych i wyników uzyskanych na podstawie zastosowania modelu hydraulicznego przeprowadzono dla projektu układu zbiorczego wody surowej trzech studni głębinowych, przekazanego autorowi do konsultacji.

Projektowany układ składał się z:

• trzech studni głębinowych o różnych wydajnościach (od 75 m³/h do 200 m³/h), oddalonych od siebie o ponad 1000 m;
• układu rurociągów zbiorczych z żeliwa sferoidalnego, połączonych równolegle, o średnicach od DN200 do DN400.

Układ miał dostarczać wodę do stacji uzdatniania wody, do areatora bezciśnieniowego na tzw. wolny wylew. Do sterowania wydajnością studni projektanci przewidzieli przepustnice z napędami, sterowane zdalnie z dyspozytorni SUW.

Dodatkowymi problemami projektowanego układu były:

• profil wysokościowy terenu, na którym projektowany był rurociąg zbiorczy – dwie studnie położone były w jednym z najwyższych punktów układu, ponad 50 m nad poziomem terenu, na którym znajduje się stacja uzdatniania. Jednocześnie, już za połączeniem rurociągów dwóch początkowych studni występowało przewyższenie terenu, gdzie musiało być zachowane minimalne nadciśnienie ok. 5 m H₂O (rys. 1);
• rurociąg musiał zostać zabezpieczony przed opróżnieniem w momencie wyłączenia pomp, spowodowanego np. chwilowym zanikiem zasilania. Dodatkowo, w momencie braku zasilania przestają pracować napędy przepustnic, pozostawiając je w stałym stopniu otwarcia;
• badania hydrogeologiczne wydajności studni wskazały na całkowicie różne krzywe depresji – studnia o najmniejszej wydajności wykazywała największy wzrost depresji zwierciadła studni wraz z rosnącą jej wydajnością (rys. 2).

Obliczenia wykonane przez projektantów w wersji uproszczonej nie uwzględniały również wzajemnego współoddziaływania hydraulicznego studni, ani skutków pracy tylko części studni. Z tego powodu do weryfikacji otrzymanych wyników obliczeń projektowych autor wykonał w programie Epanet modele hydrauliczne projektowanego układu. Uzyskane wyniki i ich porównanie do wyników obliczeń projektowych przedstawiono poniżej.

3. Model wykonany wg danych projektowych

Pierwszy model hydrauliczny został wykonany na podstawie założeń projektowych:

• dobranych średnic rurociągów;
• dobranych pomp;
• przy zastosowaniu przepustnic do regulacji wydajności studni i jako zabezpieczenia rurociągu przed opróżnieniem oraz przy zachowaniu oczekiwanego nadciśnienia w punkcie krytycznym układu, ok. 5 m H₂O.

Wyniki obliczeń pokazuje rys. 3.

Otrzymane wyniki wskazały na trzy istotne kwestie:

• dobrane (i niestety już w tamtym czasie zakupione) pompy posiadają znacznie przewymiarowaną wysokość podnoszenia – przepustnice zamontowane na głowicach studni muszą być silnie zdławione (straty ciśnienia rzędu 40÷50 m H₂O), żeby studnie posiadały zakładaną wydajność projektową;
• model wykonany dla całkowicie otwartych przepustnic wskazał na kilkudziesięcioprocentowe przekroczenie wydajności studni dopuszczonych pozwoleniem wodnoprawnym;
• nawet drobna zmiana nastawy przepustnic powodowała kilkunastoprocentową zmianę wydajności poszczególnych studni.

Z powyższych powodów, oraz opierając się na doświadczeniach autora z wcześniej regulowanych obiektów, zaproponowano zmianę regulacji za pomocą przepustnic na regulację przy zastosowaniu zaworów hydraulicznych priorytetu, utrzymujących automatycznie zadane ciśnienie przed zaworem.

Zawory takie zostały końcowo zamontowane w dwóch miejscach:

• w komorze przed podłączeniem studni St4;
• na końcu rurociągu na terenie SUW, w komorze połączeniowej przed istniejącym drugim układem zbiorczym wody surowej.

Niestety, niemożliwy okazał się montaż zaworów hydraulicznych w samych studniach – w tych obiektach nadal pozostała regulacja dławieniowa z przepustnicami. Zdjęcia zastosowanych zaworów pokazuje rys. 4.

4. Model wykonany z uwzględnieniem zaworów hydraulicznych priorytetu

W ramach kolejnych obliczeń przeprowadzono symulację pracy układu przy zastosowaniu do regulacji zaworów priorytetu wraz z wyznaczeniem ich nastaw, warunkujących prawidłową pracę całego układu. Otrzymane wyniki pokazuje rys. 5, a otrzymany profil ciśnienia na odcinku St1–SUW pokazuje rys. 6.

Otrzymane wyniki symulacji wskazały, że w żadnym punkcie układu ciśnienie nie spada poniżej 5 m H₂O, przy utrzymaniu zadanych wydajności. Wyznaczone nastawy zaworów priorytetu (30 m H₂O) zostały wprowadzone do uruchamianego układu.

Niestety, na tym etapie obliczeń również autor nie ustrzegł się błędu – symulacje zostały przeprowadzone tylko dla układu, w którym pracują wszystkie studnie.

Po kilku miesiącach eksploatacji układu studni pracownicy SUW zauważyli, że po wyłączeniu studni St1 (i tylko tej studni) przetwornik ciśnienia na głowicy studni wskazuje wartości ujemne. Początkowo uznano to za błąd urządzenia pomiarowego, jednak wizja lokalna autora w obiekcie wskazała, że również manometr mechaniczny wskazuje podciśnienie po stronie zasilanego układu, potwierdzając występujący problem.

Z tego powodu ponownie zastosowano model – tym razem przeprowadzono symulację przy różnych kombinacjach pracujących studni.

Otrzymane wyniki pokazały, że krytycznym zdarzeniem dla analizowanego układu jest tylko wyłączenie studni St1 – w takim momencie na głowicy ww. studni pojawia się podciśnienie ok. -6 m H₂O, a w krytycznym punkcie sieci – podciśnienie ok. ‑1,5 m H₂O. Wyniki obliczeń pokazuje rys. 7, a otrzymany profil ciś­nienia na odcinku St1–SUW – rys. 8.

Otrzymane wyniki spowodowały konieczność wyznaczenia wymaganej nowej nastawy zaworu przy studni St4 – obliczenia wykazały, że wystarczy podnieść wymagane ciśnienie przed zaworem do wartości 40 m H₂O, żeby uzyskać oczekiwany efekt i zlikwidować podciśnienie przy wyłączeniu studni St1.

Zmiana została wprowadzona, a korekta nastawy zaworu spowodowała, że w żadnym punkcie układu ciśnienie nie spadało poniżej 5 m H₂O, umożliwiając jednocześnie zmniejszenie stopnia dławienia przepustnic na studniach St1 i St4 i zmniejszenie występującej na nich straty hydraulicznej.

5. Podsumowanie

Modele hydrauliczne są bardzo pomocnym i użytecznym narzędziem – skracają czas obliczeń, pozwalając na weryfikację założeń projektowych, jak również na korektę już istniejących ustawień eksploatowanych układów. Warto jednak wykorzystując ich możliwości przeprowadzać nie tylko podstawowe obliczenia, ale wykonać różne symulacje – pozwoli to na późniejsze uniknięcie niepotrzebnych problemów eksploatacyjnych.

dr inż. Wojciech Koral, Politechnika Śląska, Instytut Inżynierii Wody i Ścieków

Źródło: Technologia Wody 4/2018