CONTROLUL PIERDERILOR – modelare hidraulica

CONTROLUL PIERDERILOR

Pierderile de apă din sistemele de distribuție pot fi împărțite în două categorii de bază: pierderile cauzate de avarii (spargeri) și pierderile continue, de fond. Avariile sunt caracterizate printr-o pierdere bruscă de apă, limitată în timp la perioada în care spargerile raportate și cele neraportate sunt lăsate să curgă. Pierderile de fond sunt caracterizate prin scurgeri continue de apă din fitingurile conductelor sau din conductele principale care sunt fisurate ori perforate din cauza coroziunii.

Cantitatea de apă pierdută dintr-un sistem de distribuție este legată de presiunea din rețea; astfel, reducerea presiunii în timpul orelor de consum redus poate duce la scăderea pierderilor. Deși controlul pierderilor prin reducerea presiunii nu este o practică frecventă în America de Nord, această abordare este utilizată în unele sisteme europene (Goodwin, 1980; Germanopoulos, 1995). Reducerea presiunii se realizează prin operarea supapelor (valvelor).

Pe lângă gestionarea presiunii apei, controlul activ al pierderilor implică divizarea rețelelor mari în zone mai mici (denumite zone de contorizare distincte – DMAs în Regatul Unit), care pot fi monitorizate mai eficient (Engelhardt, Skipworth, Savic, Saul și Walters, 2000). Auditurile de apă, adică evidențierea detaliată a debitului de apă care intră și iese din porțiuni ale sistemului de distribuție, sunt apoi utilizate pentru a identifica zonele cu pierderi excesive. Din păcate, acestea nu oferă informații precise despre locația scurgerilor. Pentru a localiza scurgerile, sunt necesare inspecții de detectare.

Modelarea hidraulică poate fi utilizată pentru a sprijini reducerea pierderilor, prin determinarea efectelor divizării rețelelor în zone mai mici sau ale ajustării valvelor de control asupra presiunii și debitului din sistem. Modelatorul trebuie să țină cont de faptul că există o limită practică până la care presiunea poate fi redusă fără a afecta negativ consumatorii aflați la altitudini mai mari.

Deși estimarea presiunii ca rezultat al operării valvelor este relativ simplă, estimarea cantității de apă pierdută prin modelare este mult mai puțin precisă. Aceasta presupune modelarea scurgerilor prin utilizarea unui element de tip emițător de debit sau a unui rezervor conectat printr-o conductă mică (vezi pagina 403 pentru informații privind o tehnică similară utilizată la modelarea aspersoarelor). O reducere a presiunii duce la o scădere a debitului prin acest element. Ori de câte ori o pierdere este reparată, coeficientul acestui element este modificat pentru a reflecta reducerea numărului de scurgeri.

Au fost realizate mai multe studii privind modelarea pierderilor, utilizând simulări în regim staționar (Martinez, Conejos și Vercher, 1999; Pudar și Ligget, 1992; Stathis și Loganathan, 1999), însă caracterul ascuns al pierderilor limitează precizia. În literatură au fost raportate și utilizări ale modelelor inverse tranzitorii pentru localizarea scurgerilor (Tang, Brunone, Karney și Rosetti, 2000; Kapelan, Savic și Walters, 2000).

Pierderile în sistemele de alimentare cu apă sunt parțial dependente de presiune. Dacă presiunea scade, pierderile ar trebui să scadă. Dacă modelatorul dorește să studieze pierderile în funcție de presiune, atunci plasarea scurgerilor ca cereri cunoscute în sistem nu va fi eficientă. În schimb, pierderile dependente de presiune trebuie modelate utilizând emițători de debit . Dificultatea constă, desigur, în a stabili unde să fie plasați acești emițători și ce coeficienți să se folosească. Deși ar fi cel mai corect să se atribuie coeficienți mici tuturor nodurilor, este mai simplu să se plaseze scurgerile într-unul sau două noduri, ceea ce va avea un efect aproximativ echivalent.

Pentru a estima coeficientul emițătorului, modelatorul trebuie să estimeze debitul pierderilor și apoi, folosind presiunea medie din zonă, să calculeze coeficientul total K folosind formula:

K=QPK = \frac{Q}{P}K=PQ​

unde:

• K = coeficientul emițătorului

• Q = debitul pierderilor (gpm sau l/s)

• P = presiunea medie în zonă (psi sau kPa)

Folosirea unei presiuni medii nu este complet precisă, deoarece pierderile nu sunt o funcție liniară a presiunii. Totuși, având în vedere incertitudinile legate de înțelegerea pierderilor, această eroare nu este considerată semnificativă.

Dacă pierderea este plasată într-un singur nod, coeficientul K determinat prin formula de mai sus ar trebui folosit la acel nod. Dacă pierderea este împărțită pe N noduri, atunci coeficientul Kₙ pentru fiecare nod este:

Kn=KNK_n = \frac{K}{N}Kn​=NK​

unde:

• Kₙ = coeficientul emițătorului în nodul n

• K = coeficientul total

• N = numărul de noduri cu pierderi

Exemplu – Calcularea pierderilor folosind emițători de debit
Să presupunem că avem o zonă de presiune cu o pierdere estimată de 200 gpm și o presiune medie de 65 psi. Coeficientul emițătorului ar fi:

K=20065=3.08K = \frac{200}{65} = 3.08K=65200​=3.08

Dacă pierderea urmează să fie împărțită între 40 de noduri, fiecare nod va avea un coeficient de:

Kn=3.0840=0.077K_n = \frac{3.08}{40} = 0.077Kn​=403.08​=0.077

Estimarea debitului la hidrant folosind emițători de debit

O altă modalitate de a modela debitul de la un hidrant este utilizarea emițătorilor de debit. Un emițător de debit este o proprietate a unui nod de model care leagă debitul de presiunea imediat din amonte folosind relația:

Q = K · P

unde:

• Q = debit prin emițător (gpm, l/s)

• K = coeficient global al emițătorului (gpm/psi^0.5, l/s/m^0.5)

• P = pierderea de presiune prin emițător (psi, m)

Este posibil să modelăm pur și simplu un hidrant ca un emițător de debit și să introducem valoarea corespunzătoare pentru K. Totuși, nu toată energia disponibilă din amonte de hidrant se pierde — o parte este convertită în viteză, mai ales în cazul ieșirii mai mici (2,5 in., 63 mm).

Pentru a modela cu acuratețe un hidrant, modelatorul trebuie să introducă un coeficient K care să includă atât pierderile de energie prin hidrant, cât și conversia presiunii în viteză. Standardele AWWA C502 (AWWA, 1994a) și C503 (AWWA, 1994b) specifică pierderile de presiune admise. De exemplu, se precizează că o ieșire de 2,5 in. nu trebuie să aibă o pierdere de presiune mai mare de 2,0 psi (1,46 m) la un debit de 500 gpm (31,5 l/s). Aceste valori pot fi utilizate pentru a determina un coeficient:

Q = k · P

unde:

• k = coeficientul de pierdere de presiune al hidrantului (gpm/psi^0.5, l/s/m^0.5)

• P = pierderea de presiune prin hidrant (psi, m)

Diferența dintre K și k este următoarea:

• K trebuie determinat și include pierderile de presiune + conversia capului de presiune în cap de viteză

• k este cunoscut și se referă doar la pierderea de presiune prin hidrant.

Pentru a determina K, se scrie ecuația energiei între un manometru imediat din amonte de hidrant și ieșirea acestuia:

(vp² / 2g) + zp + Pp = (vo² / 2g) + zo + Po + (Cf · Q/k)²
(Ecuația 10.12)

unde:

• vp = viteza în amonte de hidrant

• vo = viteza la ieșirea hidrantului

• zp, zo = elevațiile la punctele de măsurare

• Pp, Po = presiunile în amonte și la ieșire

• g = accelerația gravitațională

• Cf = factor de conversie (2.31 pentru psi, 1 pentru m)

Presiunea la ieșire este atmosferică, deci Po = 0. Dacă elevațiile sunt egale, zp = zo, termenii se anulează.
Se egalează ecuațiile 10.10 și 10.12 pentru Pp și rezultă:

(Cf · Q/K)² = (vo² – vp²)/2g + (Cf · Q/k)²
(Ecuația 10.13)

Cum diametrele sunt cunoscute, vitezele pot fi exprimate în funcție de debit:

v = Q / (cf · D²) 
unde:

• D = diametrul ieșirii (in., mm)

• cf = factor (2.44 pentru gpm/in., 0.0785 pentru l/s/mm)

Substituind în ecuația 10.13 și rezolvând pentru K, obținem:

K = [1 / sqrt(2g · Cf · cf² · (1/Do⁴ – 1/Dp⁴) + (1/k²))]
Diametre tipice în America de Nord:

• Lateral: 6 in. (150 mm)

• Ieșiri: 2,5 in. (63 mm), 4,5 in. (115 mm)

Standardele AWWA oferă valori de referință pentru k, din care se poate calcula K. Tabelul oferă valori pentru K:

Valori pentru o adâncime de îngropare de 1,5 m și un corp de hidrant de 140 mm.

Poziționarea Hidrantului față de Noduri

Hidranții nu sunt exact în nodurile din model. În cazurile în care sunt pe o conductă mică aproape de o magistrală mare, poziționarea incorectă poate afecta modelarea — de exemplu, un hidrant pe o conductă de 150 mm la 9 m de o magistrală de 600 mm. Pierderea de presiune pe conducta de 150 mm influențează debitul mai mult decât pare în model.

În scenarii de spălare direcționată (cu închideri de vane), diferențele devin importante. Este posibil să fie nevoie de adăugarea de noduri pentru a reprezenta corect închiderea vanelor și conectarea hidranților.

Simulări în Regim Staționar vs. EPS

Pentru doar viteze (nu calitate a apei), se pot face rulări staționare. Pentru fiecare hidrant, se simulează o deschidere, se extrage viteza maximă din fiecare conductă, și se determină eficiența spălării. Pentru a urmări calitatea apei (ex. clor), se folosesc simulări EPS.

Unii operatori nu deschid complet hidrantul tot timpul — îl deschid complet pentru a agita sedimentele, apoi reduc debitul pentru a le evacua. În sistemele cu rezervor + pompă, apa de început poate proveni din rezervor. După reducerea debitului, pompa preia mai mult, dar sedimentele nu mai sunt evacuate eficient și pot ajunge în rezervor.

Indicatori pentru Spălare Eficientă

Cel mai bun indicator: viteza apei în conducte.

• În rețele rezidențiale: 0,6 m/s este bun

• Ideal: 1,5 m/s

• În conducte mari este greu de atins viteze mari → eficiență scăzută

Un alt indicator: schimbarea de viteză față de regimul normal. Dacă o conductă are deja 0,6 m/s, trebuie o viteză mai mare pentru a disloca sedimentele rămase.

Este important și timpul de spălare — apa mobilizată trebuie evacuată din sistem. Modelele pot urmări trasabilitatea apei (ex. apă nouă colorată albastru, apă veche roșu) pentru a vizualiza eficiența procesului.

Deși ideal ar fi să se modeleze turbiditatea, aceasta nu respectă legea conservării masei. Totuși, corelarea turbidității cu viteza poate oferi informații utile.

Modelul poate identifica trei situații:

1. Zone curățate eficient

2. Zone neafectate

3. Zone deranjate dar necurățate eficient → generatoare de reclamații de turbiditate

Scopul este maximizarea curățării reale și minimizarea agitărilor fără evacuare. Modelul poate fi folosit pentru a optimiza vanele și secvențele de spălare.

DIMENSIONAREA CONTOARELOR PENTRU SISTEMELE DE DISTRIBUȚIE

Contorizarea sub-sistemelor

Multe sisteme de alimentare cu apă au fost construite fără contorizare între contoarele principale de la stația de tratare (sau puț) și contoarele de la consumatori. Operatorii de sistem își doresc adesea informații suplimentare despre debitele de apă din diferite puncte ale rețelei pentru a înțelege mai bine consumul de apă, pentru a evalua capacitatea disponibilă a sistemului și pentru a calcula volumele de apă necontabilizată în diverse zone. Înțelegerea pierderilor de apă necontabilizate este utilă pentru gestionarea activităților de detectare și reparație a scurgerilor și pentru implementarea programelor de înlocuire a conductelor. Odată instalat, contorul poate oferi informații suplimentare pentru calibrarea precisă a modelului hidraulic.

Contorizarea sub-sistemelor este o practică comună în Regatul Unit, unde consumatorii individuali nu sunt contorizați universal.
Din cauza costurilor și dificultăților de instalare, contoarele de debit din rețea sunt amplasate doar în puncte selectate ale sistemului. Cele mai comune locații sunt stațiile de pompare și căminele cu vane de reducere a presiunii (PRV), la granițele zonelor de presiune. Alte puncte-cheie includ conductele care transportă aproape întregul debit într-o anumită zonă.

Dimensionarea contoarelor presupune în primul rând înțelegerea intervalului de debite pe care le va înregistra contorul. Acesta trebuie ales astfel încât să poată înregistra atât debitele mari, cât și cele mici. Spre deosebire de contorizarea consumatorilor, nu există o metodă de dimensionare bazată pe unități de echipamente (fixture units) care să se aplice pe zone mari din rețea. Secțiunea următoare oferă îndrumări pentru utilizarea modelelor hidraulice în scopul dimensionării contoarelor.

Utilizarea modelelor pentru dimensionarea contoarelor

Înainte de apariția modelării computerizate, operatorii estimau intervalele de debit fie pe baza numărului de consumatori, fie pe baza citirilor de la contoare temporare, precum tijele Pitot. Acestea necesitau săpături până la conducta principală și perforarea acesteia. Chiar și un contor cu prindere externă (clamp-on), mai puțin precis, necesită acces direct la conductă și secțiuni drepte lungi înainte de punctul de măsurare. Dacă proprietățile peretelui conductei sunt necunoscute, contoarele de tip clamp-on trebuie calibrate local pentru a fi valide. În plus, contoarele temporare s-ar putea să nu surprindă întreaga variație a debitului, mai ales dacă nu sunt instalate în perioade de sarcină maximă.

Prin rularea unui model EPS (Extended Period Simulation) se pot genera modele de cerere pentru diverse scenarii, inclusiv cele proiectate în viitor. Prin rulări multiple și analiză grafică, operatorul poate anticipa tipurile de debite cu care contorul va interacționa.

Contorul poate fi ales în funcție de dimensiunea conductei și de tipul de contor. De exemplu, după ce se stabilește intervalul de debite, inginerul poate selecta raportul Beta (raportul dintre diametrul gâtului de strangulare și diametrul conductei) pentru un contor Venturi sau poate decide dacă viteza este suficient de mare pentru un contor electromagnetic. Modelele de debit diferă semnificativ între un contor amplasat pe o conductă care alimentează continuu o zonă (ex. de la o vană PRV sau o pompă cu viteză variabilă, fără stocare) și un contor aflat la o pompă care funcționează intermitent și alimentează o zonă cu rezervor.

Implicații pentru selecția contoarelor

După estimarea intervalului de debite, se poate selecta tipul de contor adecvat. Pentru debite mici, precum cele din conducte de refulare de 100–150 mm, pot fi folosite contoare cu turbină echipate cu emițător de impulsuri pentru transmiterea analogică a debitului.

Pe măsură ce debitele cresc, contoarele cu turbină sunt înlocuite de cele electromagnetice, cu diferență de presiune (Venturi, diafragmă, tub de debit, duză) sau ultrasonice. Contoarele cu diferență de presiune sunt adesea cele mai fiabile și mai ieftine și pot funcționa fără energie electrică, dar sunt de regulă limitate la un singur sens de curgere și pot provoca pierderi de sarcină semnificative la viteze mari. Noile generații de vane PRV pot funcționa și ca contoare de debit.

În final, selectarea contorului depinde de natura debitului, locație și preferințele operatorului. Modelul rețelei de conducte oferă informațiile necesare despre intervalul de debite, iar după instalarea contorului, datele reale pot fi folosite pentru îmbunătățirea modelului.