Modelowanie zarządzania ciśnieniem w obniżaniu strat wody

W artykule przedstawiono zagadnienia związane z zarządzaniem ciśnieniem w systemach wodociągowych. Przede wszystkim skupiono się na przedstawieniu korzyści wynikających z zarządzania ciśnieniem w perspektywie możliwości obniżania strat wody oraz na wpływie zmian ciśnienia na wielkość strat rzeczywistych wody.

Dalsza część artykułu przedstawia możliwości modelowania ciśnienia w sieci wodociągowej.

Opisano możliwości modelowania ciśnienia w obszarach zarządzania ciśnieniem PMA i PMZ. Przedstawiono najważniejsze urządzenia do zarządzania ciśnieniem w sieci wodociągowej, czyli zawory redukcyjne PRV oraz możliwości modelowania ciśnienia w strefie poprzez odpowiednie rodzaje sterowania zaworami PRV i zespołami pompowymi.

Zaznaczono również szczególnie ważną rolę zastosowania programów do modelowania matematycznego systemów wodociągowych w celu prawidłowego zaprojektowania obszarów PMA i symulowania scenariuszy zastosowania wariantów sterowania punktami kontrolnymi i sterującymi PMA.

1. Wstęp

Zespół IWA WTLG (The IWA Water Loss Specialist Group) zdefiniował zarządzanie ciśnieniem jako „praktykę zarządzania ciśnieniem w systemie prowadzącą do osiągnięcia optymalnego poziomu usług zapewniającą wystarczające i wydajne dostawy do zgodnych z prawem zastosowań i konsumentów, przy jednoczesnym: zmniejszeniu niepotrzebnych lub nadmiernych ciśnień, eliminacji stanów nieustalonych i wadliwych kontroli poziomu, zmniejszeniu wpływu kradzieży, czyli wszystko to, co powoduje niepotrzebne wycieki z systemu dystrybucji” [3].

Częstym błędem przy projektowaniu zarządzania ciśnieniem w systemie wodociągowym jest utożsamianie DMA (District Metered Area) z PMA (Pressure Metered Area). DMA tworzone są, w celu kontroli przepływu wody w danym obszarze, zwłaszcza w godzinach nocnych (pomiar Minimalnego Nocnego Przepływu), oraz do bilansu wody na danym obszarze. Stanowią podstawową rolę w prowadzeniu Aktywnej Kontroli Wycieków.

Nie wymagają stosowania zarządzania ciśnieniem. PMA tworzone są w celu aktywnego zarządzania ciśnieniem na danym obszarze, którego skutkiem jest np. zmniejszenie ilości i objętości wycieków. PMA nie wymagają pomiaru przepływu do strefy [3].

Tworzenie hybryd w postaci połączenia DMA z PMA nie jest zabronione. Bardzo często stosuje się wyposażenie punktu pomiarowego na sieci w urządzenia zarówno do kontroli DMA jak i PMA.

Istnieje wiele sposobów zarządzania ciśnieniem w przesyle i dystrybucji wody. Zespół Zarządzania Ciśnieniem IWA WLSG zaproponował następującą klasyfikację [3]:

Podstawowe:

• identyfikacja i redukcja stanów nieustalonych i skoków ciśnienia w systemie;
• osiągnięcie ciągłego zasilania (polityka 24/7), nawet przy niskim ciśnieniu;
• strategiczne oddzielenie sieci przesyłowej od systemu dystrybucji i stref;
• monitoring ciśnienia (zasilania, krytyczne, średnie), przepływu, wycieków i napraw oraz rekla­macji;
• unikanie przelewów ze zbiorników oraz w miarę możliwości zmniejszenie ciśnienia zasilania sieci.

Pośrednie:

• tworzenie podsektorów sieci, tj. PMA – obszary zarządzania ciśnieniem lub PMZ – strefy zarządzania ciśnieniem);
• zmniejszenie ciśnienia za pomocą stałych PRV lub za pomocą inteligentnego sterowania zestawami pompowymi.

Zaawansowane:

• zastosowanie sterowania pomp i zaworów opartego o czas lub wartość przepływu;
• zastosowanie zaawansowanego sterowania pomp i zaworów opartego o pętlę zwrotną z punktu krytycznego sektora sieci;
• wprowadzenie hydraulicznej modulacji przepływu dla zaworów.

2. Wpływ ciśnienia na straty wody

2.1 Ciśnienie w sieci a ekonomiczny poziom strat rzeczywistych

Jednym ze wskaźników oceny systemu wodociągowego jest wskaźnik ILI (Infrastructure Leakage Index) nazywany w Polsce Infrastrukturalnym Wskaźnikiem Wycieków.

Jest on proporcjonalny do objętości rzeczywistych strat wody (CARL – Current Annual Real Losses) i odwrotnie proporcjonalny do wartości nieuniknionej objętości rzeczywistych strat wody (UARL – Unavoidable Annual Real Losses). Wartość UARL obliczana jest przy pomocy wzoru 1 [5].

                UARL = (18,0 · L_m + 0,8 · N_c + 25,0 · L_p) · P   (wzór 1)

gdzie:

L_m – długość głównych przewodów sieci wodociągowej [m],

N_c – liczba przyłączy,

L_p – długość przyłączy [m],

P – średnie ciśnienie w sieci wodociągowej [m sł. wody].

Zgodnie ze wzorem 1, ważnym czynnikiem wpływającym na poziom strat rzeczywistych wody jest średnia wartość ciśnienia wody w systemie wodociągowym. Obniżenie średniego ciśnienia w systemie wodociągowym obniża poziom nieuniknionych strat wody.

Zarządzanie ciśnieniem w systemie wodociągowym stanowi jeden z czterech filarów skutecznej polityki zarządzania wyciekami wody (rys. 1) [5, 6].

2.2 Wypływ wody przez nieszczelność

Przewody w systemach wodociągowych zbudowane są z rur wykonanych z materiałów bardziej lub mniej odkształcalnych. Do rur sztywnych można zaliczyć te wykonane ze stali lub żeliwa, a do rur plastycznych – wykonane z tworzyw sztucznych (PE, PVC).

Zwiększone ciśnienie wewnątrz rury może powodować jej odkształcanie się, powodując rozszerzanie się mikro lub małych pęknięć w rurze, powodując tym samym wypływ wody, do którego nie dochodziło przy mniejszej wartości ciśnienia w rurze. Wzrost ciśnienia może powodować również powiększanie się powierzchni nieszczelności, co wpływa na zwiększenie natężenia wypływu wody z nieszczelności [13].

Według Thortona i Lamberta wykładnik wycieku (α) przyjmuje wartość 0,5÷1,5 dla rur elastycznych (PVC, PE) oraz 0,5 dla rur sztywnych (stal, żeliwo, azbestocement) [13].

gdzie:

L₀ – początkowe natężenie przepływu wycieku przy ciśnieniu P0 [m³/h],

L₁ – natężenie przepływu wycieku przy skorygowanym ciśnieniu P1 [m³/h],

P₀ – początkowe średnie ciśnienie strefowe [m],

P1 – skorygowane średnie ciśnienie strefowe [m],

α – wykładnik wycieku [-].

Analizując cały system wodociągowy, można przyjąć α = 1,0 [6, 13].

Zależność opisującą wpływ ciśnienia na natężenie wypływu wody z nieszczelności opisuje wzór 2 [8]. Wpływ obniżenia ciśnienia na wskaźnik wycieku dla sieci o wartościach od 0,5 do 2,5 prezentuje rys. 2 [7].

Niewłaściwe użytkowanie zaworów, pomp i innych urządzeń mogących wpływać na powstawanie uderzeń hydraulicznych może powodować pękanie rur, rozłączenie złącz oraz uszkadzać zawory i łączniki co prowadzi do powstania wycieku.

Korozja rur stalowych, a tym samym np. powstanie otworu o średnicy 0,5 mm przy ciśnieniu o wartości 50 m słupa wody powoduje wystąpienie wycieku o wartości 20 l/h, czyli mniej niż wartość pomiarowa wodomierza DN 15 R<80. Otwór o średnicy 5 mm generuje 32 m³ strat wody miesięcznie. Zwiększenie ciśnienia do 70 m słupa wody spowoduje miesięczny wzrost strat o 5,76 m³, ale obniżenie ciśnienia do 30 m słupa wody pozwoli zaoszczędzić 7,36 m³/miesiąc.

Natężenie wypływu wody z okrągłej nieszczelności przy ciśnieniu 50 m słupa wody opisuje tab. 1, natomiast współczynniki korygujące dla innych wartości ciśnienia opisuje tab. 2.

3. Modelowanie zarządzania ciśnieniem

3.1 PMA – Pressure Metered Area

Zarządzanie ciśnieniem w sieci wodociągowej jest zwykle bardziej opłacalne w przypadku dużych obszarów niż instalacja i utrzymanie wielu zaworów redukujących ciśnienie na małych obszarach.

Inwestycja w infrastrukturę do zarządzania ciśnieniem w perspektywie powyżej DMA w celu optymalizacji ciśnienia na poziomie strefowym może okazać się w dłuższej perspektywie bardziej opłacalna. Związane jest to najczęściej z ingerencją w dotychczasowy układ głównych kierunków zasilania sieci (przewody magistralne), zastosowaniem zaworów sterujących o dużej średnicy zdolnych do zdalnego sterowania oraz zoptymalizowaniem sterowania zestawami pompowymi za pomocą silników o zmiennej prędkości.

Dobrą praktyką w zarządzaniu ciśnieniem jest tworzenie dużych obszarów PMA, np. w postaci obszaru zasilanego z jednego zbiornika lub jednej pompowni, a następnie w razie potrzeby wyznaczanie i wdrażanie małych obszarów PMA, które wyregulują ciśnienie w newralgicznych punktach sieci, np. obszary pagórkowate, nagłe obniżenia terenu [3].

Obszary zarządzania ciśnieniem (PMA) można podzielić na trzy kategorie, w zależności od lokalnych warunków i ilości wlotów do strefy [1]:

1. pojedynczy wlot PMA – obszar zasilany przez jeden punkt (przewód), np. odgałęzienie z magistrali głównej (zasilanie miast z rurociągów GPW na Śląsku) lub grawitacyjne zasilanie sieci ze zbiornikiem. PMA jest oddzielony od sąsiednich sieci poprzez zamknięcie zaworów granicznych [1];
2. PMA z wieloma wejściami – regulacja dwóch lub więcej wlotów do PMA wymaga bardziej złożonych obliczeń w celu zagwarantowania stałego ciśnienia w punkcie krytycznym obszaru. Istnieje wiele sposobów i możliwości regulacji takiego układu, np. można zastosować jeden wlot w stałej pozycji i regulować tylko drugi zawór. Projektowanie i wdrażanie PMA z wieloma wlotami zawsze wymaga bardziej szczegółowego podejścia niż PMA z jednym wlotem. Zalecane jest użycie modelu hydraulicznego [1];
3. dynamiczne PMA – są najbardziej rozwiniętym rodzajem technologii zarządzania ciśnieniem. Lokalizacja punktu krytycznego, lokalizacja granicy obszaru oraz liczba wlotów do PMA mogą być zmienne w czasie, tak aby optymalnie dostosować system do rzeczywistych wymagań. Zaprojektowanie i wdrożenie dynamicznego PMA wymaga zastosowania modelu hydraulicznego oraz zespołu inżynierów z różnych dziedzin (projektantów sanitarnych, modelarzy, automatyków, specjalistów od telemetrii i systemów SCADA) [1].

3.2 Redukowanie ciśnienia

Zarządzanie ciśnieniem najczęściej kojarzone jest z jego redukcją. Podstawowym urządzeniem do regulacji ciśnienia sieci wodociągowej w PMA jest zastosowanie zaworu redukcyjnego ciśnienie PRV (Pressure Reducing Valve). Zawór PRV wyposażony jest najczęściej w membranę lub tłok. Zawór PRV samoczynnie redukuje wyższe ciśnienie występujące przed zaworem do zadanego niższego ciśnienia za zaworem, utrzymywanego na stałym poziomie, niezależnie od zmian ciśnienia i przepływu przed zaworem [1].

Zawory membranowe składają się z hydraulicznie sterowanego zaworu głównego i obwodu pilotującego. Dostępne są różne podtypy zaworów membranowych, takie jak zawory kulowe, typu Y lub zawory z uszczelnieniem bezpośrednim. Zawór składa się z trzech głównych części: korpusu, pokrywy i zespołu membrany. Zespół membrany jest jedyną ruchomą częścią zaworu głównego. Zawory PRV są sterowane hydraulicznie i nie wymagają zewnętrznych źródeł zasilania ani akumulatorów. Zasilany bateryjnie sterownik PLC musi być zainstalowany, jeśli zawór membranowy ma być sterowany przez modulację czasową lub przepływową [14].

Zawory tłokowe (zawory iglicowe) są równie odpowiednie do zmniejszania i kontrolowania ciśnień oraz natężeń przepływu w bezpieczny i niezawodny sposób. W przeciwieństwie do zaworów membranowych, które są uruchamiane hydraulicznie, zawory tłokowe wymagają zewnętrznych siłowników, które są zasilane ręcznie, pneumatycznie lub elektrycznie [16]. Ciśnienia i prędkości przepływu są kontrolowane przez zmianę wewnętrznego przekroju zaworu. Dlatego zawory tłokowe zwykle składają się z korpusu zaworu i przesuwnego trzpienia prowadzonego osiowo. Występują również automatyczne zawory tłokowe zasilane hydraulicznie przez wodę przepływającą przez zawór [15].

Modelowanie zarządzania ciśnieniem w obszarach PMA z wykorzystaniem zaworów redukcyjnych odbywa się poprzez:

• zadanie stałej wartości ciśnienia za zaworem – ciśnienie wylotowe P2 zaworu PRV ustawia się na żądaną wartość. Zawór jest następnie stale uruchamiany w celu utrzymania zadanego ciśnienia. Wartość P2 należy ustawić w taki sposób, aby zagwarantować minimalne ciśnienie dystrybucyjne w strefie przy maksymalnym zapotrzebowaniu. Wadą tego rodzaju sterowania jest to, że ciśnienie w sieci wzrasta w okresach minimalnego zapotrzebowania, bez możliwości skutecznego zastosowania dalszej kontroli [2]. Sterowanie ma zastosowanie przy jednolitych wzorcach zużycia bez znaczących różnic dziennych lub sezonowych [12];
• zastosowanie zmiennej wartości ciśnienia za zaworem w czasie – najczęściej stosuje się do ustawienia wyższej wartości ciśnienia w dzień i niższej w nocy, gdy zużycie spada. Sterowanie oparte o czas może być bardziej złożone w postaci krzywej wskazującej pożądane ciśnienie wylotowe P2 o różnych porach dnia [1];
• zastosowanie zmiennej wartości ciśnienia za zaworem w funkcji przepływu – sterowanie ciśnieniem oparte na przepływie wymaga instalacji przepływomierza na wlocie do PMA, który stale monitoruje przepływ do strefy. Sterownik PRV porównuje zmierzone natężenia przepływu ze specyficznym stosunkiem natężenia przepływu do strat ciśnienia PMA, który musi zostać wcześniej określony przez przedsiębiorstwo wodociągowe. Następnie uruchamiane jest odpowiednie otwarcie zaworu PRV [1].

3.3 Sterowanie zespołami pompowymi

Zarządzanie ciśnieniem to nie tylko obniżanie ciśnienia z wartości większych do mniejszych przy zastosowaniu zaworów redukcyjnych, ale również odpowiednie modelowanie ciśnienia w punktach zasilania sieci wodociągowych, tj. zestawy pompowe. Skutecznym narzędziem w zarządzaniu ciśnieniem tłoczenia wody do sieci jest zastosowanie falowników i sterowników zestawów pompowych, które regulują szybkość obrotów pomp oraz ilość pracujących pomp według zadanej wartości wymaganego ciśnienia lub przepływu za zestawem pompowym.

Także w tym przypadku sterowanie zestawem pompowym może odbywać się z wykorzystaniem:

• stałej wartości ciśnienia lub przepływu za zestawem pompowym;
• zmiennej w czasie wartości ciśnienia lub przepływu;
• zmian ciśnienia lub przepływu związanych z wartością ciśnienia lub przepływu w punkcie krytycznym strefy.

3.4 Oprogramowanie komputerowe

Oprogramowanie komputerowe odgrywa ważną rolę w zarządzaniu ciśnieniem w systemach wodociągowych. Do jednych z najważniejszych narzędzi należą programy i systemy do:

• modelowania matematycznego – służące do obliczeń hydraulicznych systemu wodociągowego na etapie koncepcji, projektowania, wdrażania, modernizacji;
• klasy GIS – baza danych o sieci wodociągowej integrująca systemy do modelowania matematycznego oraz systemy SCADA;
• SCADA – monitoring i sterowania pracą urządzeń do zarządzania ciśnieniem w sieci.

Modelowanie matematyczne pozwala na przygotowanie szeregu symulacji pracy sieci wodociągowej w zależności od różnych warunków brzegowych. Porównanie wyników hydraulicznych oraz analiza ekonomiczna symulowanych rozwiązań projektowych pozwala na optymalny wybór inwestycji w sieci, a w razie konieczności umożliwia symulację możliwości modernizacji już istniejących układów, np. testowanie zmian sterowania zestawem pompowym i jego skutki dla ciśnienia w PMA, przygotowanie algorytmów sterowania wielopunktowym zasilaniem PMA [10, 11].

Modelując ciśnienie w sieci wodociągowej na danym obszarze należy uwzględniać:

• ciśnienie wejściowe i wyjściowe analizowanej strefy;
• średnie ciśnienie w strefie;
• wartość ciśnienia w krytycznych punktach/węzłach strefy;
• wymagane minimalne ciśnienie dystrybucyjne w analizowanej strefie;
• wymagane minimalne ciśnienie ppoż.;
• czas okresów, w ciągu doby, w których można zastosować obniżanie lub zwiększanie ciśnienia.

Programy do modelowania matematycznego wyposażone są w szereg narzędzi i obiektów odzwierciedlających pracę rzeczywistego systemu wodociągowego w funkcji czasu [9, 10]:

• pompy;
• zestawy pompowe wyposażone w możliwość sterowania na stałą wartość ciśnienia lub przepływu;
• punkty/węzły krytyczne;
• przewody wodociągowe;
• zawory redukcyjne PRV;
• zawory podtrzymania ciśnienia PSV;
• inne zawory i zasuwy;
• zbiorniki sieciowe;
• algorytmy sterujące.

4. Podsumowanie

Zarządzanie ciśnieniem w sieci wodociągowej jest ważnym filarem ograniczania strat wody w systemie wodociągowym. Obniżanie ciśnienia w sieci zmniejsza jej awaryjność, ogranicza powstawanie wycieków oraz zmniejsza natężenie wypływu przez już istniejące nieszczelności. Istnieje wiele sposobów zarządzania ciśnieniem w sieci – od najbardziej podstawowych, poprzez tworzenie obszarów zarządzania ciśnieniem, kończąc na zaawansowanych metodach modelowania matematycznego i pracy urządzeń do zarządzania ciśnieniem instalowanych i sterowanych przez algorytmy zaimplementowane w systemach SCADA. Utrzymywanie optymalnego ciśnienia w sieci, prowadzące do obniżenia objętości strat rzeczywistych wody, wpływa jednocześnie na powstanie oszczędności związanych z obniżeniem nadmiernego pompowania wody.

5. Literatura

[1] Baader J., i inni Guidelines for water loss reduction – a focus on pressure management. 2011.
[2] Charalambous, B., Effective Pressure Management of District Metered Areas. Proceedings of Water Loss 2007, Bucharest, Romania 2007.
[3] European Commission, Directorate-General for the Environment, 2015. EU reference document good practices on leakage management WFD CIS WG PoM: main report. Publications Office, Luxembourg.
[4] Heydenreich, M. and Hoch, W., Praxis der Wasserverlustreduzierung. wvgw Wirtschafts – und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, 2008.
[5] Lambert, A. O., Brown T.G., Takizawa M. and Weimer D., A Review of Performance Indicators for Real Losses from Water Supply Systems. Journal of Water Supply: Research and Technology – Aqua 48, pp. 227-237, 1999.
[6] Lambert, A. O. and Hirner, W., Losses from Water Supply Systems: Standard Terminology and Recommended Performance Measures. International Water Association, 2000.
[7] Liemberger, R., Analyse und Reduktion von Wasserverlusten. PowerPoint Presentation, 2008.
[8] Morrison, J., Tooms, S. and Rogers, D., District Metered Areas Guidance Notes.IWA Publishing, London, United Kingdom, 2007.
[9] Rossman, L A. EPANET 2 USERS MANUAL. U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C., EPA/600/R-00/057, 2000.
[10] Sunela M. , Puust R . Modeling water supply system control system algorithms. Procedia Engineering. 119. 2015, 734-743. 10.1016/j.proeng.2015.08.927.
[11] Sunela M. , Puust R . A visual tool to calculate optimal control strategy for non-identical pumps working in parallel, taking motor and VSD efficiencies into account. Water Science & Technology: Water Supply. 20015, 15. 1115. 10.2166/ws.2015.069.
[12] Thornton, J., Sturm, R. and Kunkel, G., Water Loss Control. McGraw-Hill 2008.
[13] Thornton, J. and Lambert A. O., Progress in practical prediction of pressure: leakage, pressure: burst frequency and pressure: consumption relationships. Proceedings of the IWA Specialised Conference ‘Leakage 2005’, Halifax, Nova Scotia, Canada 2005.
[14] T.I.S. Polska, Automatyczne zawory regulacyjne membranowe M3000/2000, karta katalogowa.
[15] T.I.S. Polska, Automatyczne zawory regulacyjne tłokowe, karta katalogowa.
[16] T.I.S. Polska, Zawory iglicowe (suwakowe), karta katalogowa.

mgr inż. Kamil Świętochowski, Politechnika Białostocka, Instytut Inżynierii Środowiska i Energetyki, Katedra Wodociągów i Kanalizacji

Biuro Inżynierskie Wodnik

Źródło: Technologia wody 2/2020