Koncepcja ograniczania strat wody w sieciach wodociągowych

Istotnym dla ograniczania strat wody czynnikiem jest wdrażanie systemów stacjonarnych wykorzystujących technologie GSM/GPRS. Dają one możliwość dostarczenia danych do bilingu praktycznie w każdym momencie i mogą spełniać również wiele dodatkowych funkcji kluczowych dla sprawnego zarządzania pracą sieci wodociągowej.

W tradycyjnym podejściu do ograniczania strat wody w sieciach wodociągowych wykorzystuje się podejście „od ogółu do szczegółu”. Typowe postępowanie to pomiar na SUW (stacja uzdatniania wody) – woda wtłoczona do systemu wodociągowego, podział i pomiar w obrębie stref DMA (district metered area) i PMA (pressure managed area), obserwacja nocnego natężenia przepływu i ciśnienia. Strefy DMA (rys. 1 - patrz: zdjęcie główne) są zazwyczaj jednak zbyt duże, by skrócić czas potrzebny do wykrycia i likwidacji awarii na sieci wodociągowej.

Incydentalne pobory wody mogą również wpływać na obraz nocnych przepływów oraz decyzję co do zastosowania metody aktywnej kontroli wycieków. Nie bez znaczenia jest także rodzaj materiału użytego do budowy sieci wodociągowej oraz właściwości gruntu, w którym przewody są ułożone.

Ocena strat rzeczywistych wody w systemach wodociągowych

Według International Water Association (IWA) bilans objętości wody wtłoczonej do sieci dystrybucji (tab. 1) zazwyczaj dzielimy na zafakturowaną konsumpcję i straty wody. Straty wody można podzielić na pozorne (np. kradzieże, błędy pomiarów, odczytów aparatur pomiarowych) oraz rzeczywiste, do których zaliczamy straty wody z wycieków [9].

W odniesieniu do dużych systemów wodociągowych bardzo często prowadzi się podział na mniejsze podsystemy – strefy do pomiaru przepływu DMA i ciśnienia.

Wymagania dla stref DMA [1, 11]:

• strefa powinna umożliwiać ocenę indywidualną i porównawczą obszarów sieci z uwagi na bieżące warunki ich pracy (parametry techniczne i ekonomiczne, zużycie wody, awaryjność itd.);
• każda strefa powinna być opomiarowana przepływomierzem na wejściu i wyjściu ze strefy;
• optymalne rozwiązanie to strefa zasilana maksymalnie z dwóch nitek sieci (dwa przepływomierze);
• każdy przepływomierz powinien być dobrany do przepływów i podłączony do systemu GSM/GPRS;
• w obrębie strefy DMA różnice wysokości powinny być niewielkie – strefa powinna być przygotowana do zarządzania ciśnieniem;
• w obrębie strefy należy wyróżnić wszystkie grupy odbiorców (przemysł, szpitale, nietypowi odbiorcy) i prowadzić dla nich monitoring rozbioru wody;
• jeśli podział na strefy wymaga dla ich utworzenia zasuw, należy pamiętać o tym, by martwe odcinki nie obniżały jakości wody. Strefa powinna być zaprojektowana przy użyciu modelu hydraulicznego dla minimalizowania martwych stref;
• strefy DMA muszą być projektowane tak, by możliwe było w ich obrębie zarządzanie ciśnieniem;
• strefa DMA powinna obejmować obszar o wielkości od 500 do 3000 podłączeń wodociągowych. Im strefa mniejsza, tym łatwiej prowadzić kontrolę wycieków (zalecenia IWA);
• strefa DMA powinna obejmować od 4 do 30 km sieci wodociągowej, aby możliwa była szybka kontrola wycieków wody. Idealna wielkość strefy DMA dla przewodów stalowych i żeliwnych wynosi do 8 km, a sieci z tworzyw do 4–6 km.

Wymagania dla stref PMA (stref regulacji ciśnienia):

• duża deniwelacja (różnica wysokości w obrębie strefy);
• duża różnica ciśnienia minimalnego i maksymalnego w strefie. Najlepsze efekty ekonomiczne uzyskuje się, gdy różnica ta jest większa niż 1 bar;
• iloraz maksymalnego rozbioru wody w strefie i minimalnego rozbioru wody w strefie mniejszy niż 10 (co wskazuje zazwyczaj na występowanie wycieków w strefie);
• mapa zasadnicza (GIS) uzupełniona o wszystkie elementy armatury mające wpływ na rozpływ wody i ciśnienia w sieci wodociągowej;
• dostępny hydrauliczny model sieci dla wyznaczenia punktów krytycznych w strefie i symulacji rozkładu ciśnienia po wprowadzeniu zaworów redukcji ciśnienia PRV;
• wielkość strefy to najczęściej 500–15 000 podłączeń wodociągowych;
• strefy powinny się pokrywać z DMA lub być ich wielokrotnością;
• należy zdefiniować sposób regulacji ciśnienia w strefie: dla pojedynczego dopływu wody do strefy – zawór membranowy ze stałym ciśnieniem wylotowym, z regulacją ciśnienia np. w nocy (czasową) lub sterowany przepływem na podstawie stosunku ciśnienie/przepływ, wymagane połączenie pomiędzy zaworem PRV i czujnikiem ciśnienia w punkcie krytycznym, regulacja ciśnienia w punkcie krytycznym z zaworami sterowanymi czasowo lub przepływem. Dla większej liczby wejść do strefy – z dynamicznym punktem krytycznym z wykorzystaniem oprogramowania do zarządzania siecią wodociągową SCADA.

Kluczową kwestią związaną z opomiarowaniem DMA, którą należy rozważyć, jest wybór wielkości wodomierza/przepływomierza [2], zdolność miernika do dokładnego rejestrowania przy maksymalnych i minimalnych przepływach i konieczność spełnienia wymagań szczytowego poboru i przepływu ppoż. Wymagania dla przepływu ppoż. dla DMA są zależne od charakterystyki klienta, gdyż różnią się znacznie w odniesieniu do budynków mieszkalnych oraz odbiorców przemysłowych, komercyjnych i instytucjonalnych, takich jak zakłady przemysłowe, centra handlowe, szkoły, lotniska i tym podobne. Wahania sezonowe oraz zmiany popytu są również czynnikami, które należy uwzględnić przy określaniu przepływomierza DMA.

Wybór rozmiaru i typu licznika zależy od:

• wielkości przewodu zasilającego (do DN 300 mogą to być wodomierze, powyżej – przepływomierze);
• zakresu natężenia przepływu;
• strat ciśnienia przy przepływie szczytowym;
• wymagań przepływu powrotnego;
• dokładności metrologicznej urządzenia;
• doboru odpowiedniej wielkości impulsu i interwału czasowego do analizy danych pomiarowych;
• wymagań związanych z przesyłem danych;
• kosztów miernika;
• kosztów własności i wymagań konserwacyjnych;
• preferencji przedsiębiorstwa wodociągowego.

Przy wyborze odpowiedniego rozmiaru i typu licznika bardzo ważna jest ocena rzeczywistej proporcji wycieku do popytu klienta i zaprojektowanie przyszłych zmniejszonych wielkości wycieków, przewidywanych po wdrożeniu środków obniżania strat wody.

Prowadząc nocne pomiary przepływu w strefach na optymalnie dobranych urządzeniach, należy pamiętać, żeby spełnić warunek minimalnego przepływu. Najszybszym przybliżeniem jest wskaźnik W_s – szczelności sieci wodociągowej [%]. Za szczelną należy uznać sieć, jeśli W_s < 1. Wskaźnik W_s > 1,3 wskazuje na nieszczelność sieci wodociągowej.

Ws = Qhmin · 100/Qd, % (wg [5])

gdzie:

Q_hmin – przepływ godzinowy nocny – najniższy powtarzający się stale przepływ wody wtłaczanej do sieci wodociągowej w godzinach 1:00–4:00, m³/h;

Q_d – przepływ dobowy, m³/h.

Przekształcając ten wzór, można powiedzieć, że minimalny strumień objętości wody dla dobieranego urządzenia powinien być niższy niż 1% dobowego zapotrzebowania na wodę w strefie/wodociągu.

Aktywna kontrola wycieków

Kolejnym etapem ograniczania strat jest budowanie systemu aktywnej kontroli wycieków wody w systemie wodociągowym (rys. 2).

Podejmowanie decyzji o jej wdrożeniu odbywa się na podstawie obserwacji nocnego przepływu wody, który jest uważany za najbardziej efektywne narzędzie rozpoznawania i skracania czasu wycieku.

Wdrożenie aktywnej kontroli wycieków wymaga odpowiednich narzędzi i wyboru metody lokalizacji wycieku (tab. 2).

Wady tradycyjnego podejścia do obniżania strat

Do najważniejszych wad tradycyjnego podejścia do obniżania strat na terenie naszego kraju należy zaliczyć:

• duże strefy DMA;
• więcej niż dwa urządzenia pomiarowe na wejściu do strefy w pierścieniowych układach;
• stosowanie w coraz większym stopniu tworzyw sztucznych do budowy sieci wodociągowej;
• podejmowanie decyzji o aktywnej kontroli wycieków na podstawie niejasnych przesłanek – brak możliwości budowy bilansu w strefie dla odbiorców niestandardowo pobierających wodę, wykorzystujących radiowe systemy odczytu inkasenckie;
• wysokie koszty montażu urządzeń w strefach powiązane z budową komór pomiarowych;
• brak monitoringu ciągłego odbiorców wody w strefie;
• często zbyt mała liczba punktów stałych pomiarowych do budowy dynamicznego modelu sieci wodociągowej;
• zbyt duży obszar do poszukiwań i lokalizacji wycieków metodami akustycznymi.

Koncepcja podejścia alternatywnego w oparciu o strefy DMA i pomiary na podłączeniach wodociągowych

Względy techniczne i ekonomiczne doprowadziły do podziału zadań stawianych przed systemami odczytu i kontroli pracy sieci na urządzenia i systemy do typowego bilingu (najczęściej radiowe) z jednej strony oraz systemy do analizy pracy sieci wodociągowej (GSM/GPRS) z drugiej.

Z punktu widzenia zarządzania siecią wodociągową jest to podział sztuczny, ponieważ przy odpowiednim poziomie technicznym urządzeń do bilingu dane z nich pozyskiwane z powodzeniem mogą służyć do realizacji celów stawianych urządzeniom „sieciowym”.

Dodatkową uciążliwością staje się także utrzymywanie i eksploatacja kilku systemów informatycznych:

• do realizacji celów typowo rozliczeniowych – system najczęściej radiowy,
• do realizacji celów sieciowych – system oparty na transmisji GSM/GPRS.

Ponadto przed wyborem systemu do odczytu danych firmy wodociągowe zawsze muszą podjąć decyzje, jakich danych potrzebują. Jest to trudne do stwierdzenia, ponieważ każdy obszar ma bardzo zróżnicowanych klientów. Innych danych potrzebujemy w kwestii rozbiorów wody u odbiorców indywidualnych, jak domy jednorodzinne, a zupełnie odmiennych od klientów, którzy w sposób niestandardowy pobierają wodę, jak np. budynki wielorodzinne, firmy przemysłowe, punkty handlowo-usługowe itp.

Biorąc pod uwagę wady podejścia tradycyjnego opartego wyłącznie na podziale sieci wodociągowej na strefy i uwzględniając zmiany technologiczne, jakie zaszły w ostatnich latach, oraz strukturę wielkości urządzeń pomiarowych i podział klientów w zależności od sposobu użytkowania, istnieje możliwość zastosowania rejestratorów GSM/GPRS do ciągłego pomiaru przepływu i ciśnienia wody u końcowych odbiorców.

Jeśli założymy, że zaopatrzymy w zdalny odczyt duże wodomierze znajdujące się u odbiorców niestandardowo pobierających wodę, to wskaźnik długości sieci przypadającej na jedno takie urządzenie w wybranych miastach wahałby się od 0,36 do 2,71 wodomierza na kilometr sieci, natomiast liczbę wodomierzy o średnicach DN 40–150 przypadających na kilometr sieci w przedsiębiorstwach wodociągowych obsługujących różną liczbę mieszkańców przedstawiono na rys. 3.

Za zaletę takiego podejścia należy uznać fakt, że przy minimalnych kosztach montażu na punkt zbieralibyśmy dane zarówno do bilingu (systemy stacjonarnego odczytu – niższe koszty niż w przypadku budowania radiowych systemów stacjonarnych) i budowania bilansu wody, jak i pomiaru ciśnienia w odniesieniu do sieci wodociągowej.

Liczba zainstalowanych urządzeń powinna umożliwiać pokrycie sieci wodociągowej z intensywnością 1 rejestrator na 1–2 km sieci. Z jednej strony zbieramy „quasi-online” dane billingowe, z drugiej możemy bilansować wodę w poszczególnych strefach, eliminując niestandardowy pomiar wody, a więc świadomie podejmować decyzję o prowadzeniu aktywnej kontroli wycieków. Mierząc zaś ciśnienie w wybranych punktach (nie każdy punkt do bilansowania wody będzie wyposażony w czujnik ciśnienia), zbieramy dane:

• do kalibracji modelu sieci wodociągowej,
• o zmianie ciśnienia, które mogą informować o powstaniu wycieku wokół punktu montażu i skrócić czas jego lokalizacji,
• o zmienności ciśnienia, co będzie pomocne przy wydawaniu warunków technicznych dla nowych odbiorców,

które ułatwiają podejmowanie decyzji o podziale na strefy PMA oraz o montażu np. regulatorów ciśnienia lub przepływu dla wybranych klientów.

Zmienia się również podejście do zbierania danych z pozostałych wodomierzy. W technologii GSM/GPRS budujemy stacjonarny system zbierania danych, w przeciwieństwie do obecnie najczęściej stosowanych systemów radiowych inkasenckich. Pomocna przy wyborze systemu może być tabela porównująca dotychczas stosowane systemy i technologię GSM/GPRS (patrz tab. 3).

Druga z koncepcji opiera się na urządzeniach, które mogą się wpisywać w model tradycyjny – podziału na strefy – jak również pozwalają od niego odejść [6].

W tym przypadku wykorzystujemy urządzenie, które oprócz pomiaru natężenia przepływu i ciśnienia realizuje ciągły pomiar natężenia dźwięku w sieci wodociągowej z przesyłem danych w technologii GSM. Daje to przewagę nad innymi metodami akustycznymi, gdyż pomiar odbywa się na hydrofonie – a więc w kontakcie z wodą wodociągową. Nie ma zatem znaczenia materiał użyty do budowy sieci czy też wstawki z innych materiałów użyte do naprawy rurociągów. Czujnik WLM (rys. 4) ma możliwość przesłania online i analizowania danych pomiarowych, korelując zachowanie się trzech parametrów – wskazując moment i orientacyjne miejsce wycieku.

Czujnik pozwala na określenie zmian – tendencji wokół punktu instalacji w promieniu do 1000–1500 m. Zawiera więc średnio od 6 do 8 km sieci wodociągowej w układach pierścieniowych.

Możliwa jest lokalizacja wycieku w ciągu jednego dnia od chwili pojawienia się informacji o nim. WLM może stanowić również element zagęszczenia stref – np. w mocno zabudowanych centrach miast. (tab. 4 i rys. 5)

Wnioski

Podsumowując dotychczasowe rozważania, należy stwierdzić, że bardzo istotnym dla ograniczania strat wody czynnikiem jest wdrażanie systemów stacjonarnych opartych na technologii GSM/GPRS. Mogą one stanowić zarówno rozwinięcie dotychczas stosowanych systemów opartych na podziale na strefy, jak i autonomicznie działające instalacje współpracujące z informatycznymi systemami wdrażanymi w przedsiębiorstwach wodociągowych. W odróżnieniu od systemów radiowych, inkasenckich czy stacjonarnych, technologia GSM/GPRS daje dziś możliwość nie tylko dostarczenia danych do bilingu praktycznie w każdym momencie, może też spełniać wiele dodatkowych zadań – kluczowych dla sprawnego zarządzania pracą sieci wodociągowej.

W odróżnieniu od systemów radiowych wykorzystywanych tylko przez jedną komórkę do realizacji jednego celu technologia GSM/GPRS ma za zadanie służyć całej sieci wodociągowej, dostarczać na bieżąco informacji odnośnie do parametrów jej pracy oraz umożliwiać aktywne zarządzanie stratami występującymi w każdym systemie dystrybucji mediów.

Literatura

1. Thorton J. et al., Water Loss Control, The McGraw-Hill Companies Inc., New York 2008.
2. Arregui F. et al., Integrated Water Meters Management, IWA 2006.
3. Misiunas D., Failure Monitoring and Asset Condition Assessment in Water Supply Systems, Doctoral Dissertation in Industrial Automation Department of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University, 2005.
4.  Chyuan Jiann Ho, Leak detection and localization in water distribution network by accustic method, University of Technology, Malaysia 2007.
5. Kwietniewski M., Zastosowanie wskaźników strat wody do oceny efektywności jej dystrybucji w systemach wodociągowych, Ochrona Środowiska Vol. 35 nr 4/2013.
6.  Martinek D., WLM-SYSTEM, Martinek GmbH, 2007.
7. MACR6 P, PC, PCC, PLUM, 2015.
8. Speruda S., Podręcznik oceny strat wody w miejskich i wiejskich sieciach wodociągowych, WaterKEY, Warszawa 2009.
9. Speruda S., Zmniejszenie strat wody i ilości awarii – podstawy obniżania i regulacji ciśnienia w sieci wodociągowej, Warszawa 2010.
10.  Speruda S., Optymalny poziom strat z wycieków w sieci wodociągowej, Akademia Strat Wody, WaterKEY, Warszawa 2011.
11.  Hamilton S., Charalambous B., Leak Detection: Technology and Implementation, IWA Publishing, London 2013.