Обоснование применения регуляторов

Утечки воды слишком дороги - Снижение утечек с помощью регулирования и оптимизации режимов давления.

Введение

Устаревшие коммуникации трубопроводов, негерметичные уплотнения, старая или некачественная арматура, механические повреждения, а также ряд других факторов приводят к серьёзным утечкам и потерям воды в современных городских системах водоснабжения.
Утечку можно определить как неучтённую потерю воды в системе водоснабжения. Какова же цена утечек? Цена утечек складывается из непосредственно стоимости потерянной воды, дополнительных затрат на подготовку, очистку и подачу недостающей воды, а также из дополнительных капитальных вложений на увиличение мощностей водопроводных сетей, очистных сооружений, строительство новых насосных станций итд. В странах, где оплата воды производится потребителем по счетчику, структуры водоснабжения, не получают плату за воду потерянную до счетчика, а также за утечки не фиксируемые счётчиком.
В России, в течение последних лет принимают активные меры по снижению утечек воды. Одним из наиболее эффективных методов является оптимизация и регулирование давления в водопроводных сетях с помощью автоматической регулирующей арматуры. В качестве примера таких систем можно привести Южно-Африканский пригород Кейптауна где регулировка давления привела к экономии 3 миллионов долларов в год, бразильский город Сан-Пауло снизивший затраты на 260 миллионов долларов в год, а также подобные проекты в Австралии, Великобритании, Японии, Словакии и ряде других стран.

Расход - функция давления.

Рассмотрим влияние давления в трубопроводе на расход и утечки воды. Основное уравнение связывающее расход с давлением:

 

Q = Kv √ ΔP/RD


ΔP = (Рвход - Рвыход) в кг/см2;
Q - расход в м3/ч;
Kv- коэфициент расхода в м3/ч;
RD относительная плотность, для воды = 1.

В случае воды можно представить эту формулу в упрощённом виде как:


Q = Kv √ ΔP



А в случае расчета утечек воды, когда выходное давление (Pвыход) является атмосферным, т.е. равным нулю:



Q = Kv √ P или Q = Kv P 0,5 или Q = Kv P N1 



Экспонента N1 может изменяться в пределах от 0.5 до 2.5.
N1= 0.5 в случае отверстия с "постоянной площадью сечения" и является таковой для металлических труб. С учётом изменения сечения при повышении давления, например в соединениях, а также при использовании неметаллических труб N1= 1.5. В отдельных случаях N1 может достигать даже 2.5. Поэтому принято считать, что в больших системах водоснабжения когда использованы различные виды труб, а также различные соединения N1= 1.0.

 

Таким образом для больших систем соотношение расхода (утечки) прямо-пропорционально изменению давления т.е.:

 

 

Q1/Q0 = P1/P0

 

где,

Q1 - утечка из системы при давлении Р1;
Q0 - утечка из системы при давлении Р0.

В качестве наглядного примера стоимости утечек можно привести следующий простой рассчет для отверстия с постоянным сечением:

таблица
Потребление воды не равномерно.
Минимальное давление в системах водоснабжения рассчитывается с учётом всех потерь для критического узла. Критическим узлом мы называем точку находящуюся на максимальном удалении от источника давления (насосной станции, водонапорной вышки) см. Рис 1.

Рис 1
Рис. 1 Давление в сети как функция расхода.


Известно, что расход воды в системах водоснабжения изменяется с достаточно постоянной цикличностью повышаясь до максимума в утренние и вечерние часы и снижаясь до минимума в ночные часы, см рис 2.
При этом давление в критическом узле изменяется с той же цикличностью, повышаясь до максимума при минимальном расходе в ночные часы и снижается до минимума при максимальном расходе в часы пик.

 

Рис 2

Таким образом задача регулировки давления сводится к поддержанию минимального переменного давления в системе, необходимого для обеспечения требуемого расхода в соответствии с цикличностью работы системы. Для наглядной демонстрации приведём пример работы такой системы в одном из европейских городков с трубопроводом  ДУ200 подающим воду в район с населением около 1000 человек . Данные были собраны за 6 дней до и после установки регулирующего клапана с электронным управлением, регулирующим давление в зависимости от расхода. Графики регистрации изменения давления до и после установки регулятора показаны на Рис. 3

 

  рис 3
Рис. 3 Давление в критическом узле до и после установки регулятора.

 


Данные до установки клапана: за 6 дней

Данные после установки клапана: за 6 дней
Макс Расход 270 м3 Макс Расход 280 м3/ч
Мин Расход 155 м3 Мин Расход 92 м3
Усредненный Расход 1275 м3 Усредненный Расход 1116 м3

 

 






Из полученных данных следует, что после установки регулятора средний минимальный расход снизился со 155 до 92 м3/час за счет снижения утечек, т.е. в системе было сэкономлено 63 м3/час или 9672 м3 в пересчете на год. При стоимости воды 0.8 Евро/м3 экономия составляет 7737 Евро в год.


ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА

Как пример успешной реализации принципа регулирования давления в зависимости от расхода приведём пример Южно-Африканского пригорода Кейп-Тауна - Хаэлитша. Пригород расположен в 20 км от Кейп-Тауна и насчитывает 450 тыс. жителей. Город снабжается водой из резервуара расположенного на высоте 110 м через две основные линии ДУ 1000 и ДУ 450 мм. Максимальное давление в трубопроводах достигает 8 атмосфер. В 2000 году потребление воды городом составляло 22 миллиона кубометров. При этом минимальный ночной расход составлял 1600 м3/ч, а средний дневной 2500 м /ч. Для регулировки давления в зависимости от расхода были установлены редукционные клапаны, управляемые програмируемым контроллером. В результате реализации проекта за 2001 год минимальный ночной расход снизился до 750 м3/ч, а средний дневной до 1500 м3/ч. Таким образом, по оценке муниципалитета Кейп-Тауна, годовая экономия воды составила 9 миллионов кубометров или 40% воды, изначально подаваемой в район. В дополнение наблюдалось значитильное снижение объёма сточных вод поступающих на очистные сооружения города, в результате чего были сокращены капитальные вложения предназначенные для расширения очистных сооружений.
Общая стоимость проекта по внедрению регулирования давления составила 380 тысяч долларов США, что привело к экономии 6.23 миллионов долларов за 2 года эксплуатации. Сводные данные по затратам и экономии за два года эксплуатации указаны в таблице 1.

таблица1

Заключение.

Внедрение передовых технологий по регулированию и оптимизации давления в сетях водоснабжения приводит к значительному снижению затрат и экономии водных ресурсов. В дополнение, за счёт понижения давлений наблюдается значительное снижение аварийных ситуаций связанных с разрывами трубапроводов и выходом из строя арматуры.



Скачать опросный лист на регулятор давления.