Lokalizujemy wycieki z sieci wodociągowych o zróżnicowanych średnicach.
Wykrywamy i usuwamy awarię wodociągu
Sieci wodociągowe od początku swojego istnienia świadczyły o postępie technologicznym danego ludu oraz o postępie naukowym. Najstarszą sieć wodociągową odnaleziono w miejscowości Herkulanum, która w wyniku erupcji wulkanu Wezuwiusz uległa zagładzie. Możliwości rozprowadzania wody do domów bogatszej części mieszkańców, zbiorników w postaci fontann, z których ludzie biedniejsi mogli czerpać wodę, znalazły ponowne zastosowanie w Europie dopiero w XIX wieku. Rury w tych instalacjach wodociągowych wykonane były z ołowiu. Pierwsza sieć wodociągowa ciśnieniowa na terenach obecnej Polski wykorzystująca koło wodne powstała w miejscowości Frombork.
W czasach obecnych sieci wodociągowe oraz kanalizacyjne są powszechne i znajdują się w każdej miejscowości. Sieci wodociągowe zaczęto rozwijać i modernizować pod względem wykorzystywanych materiałów oraz używanej armatury i urządzeń. W procesie zmiany materiałów uwzględniono zmianę chropowatości i jej wpływ na zwiększenie strat ciśnienia w instalacjach rurociągowych. Wraz z ciągłym rozwojem instalacji wodociągowych zaczęto zauważać nierozłączny element, który cały czas z tymi systemami jest powiązany, czyli wycieki i nieszczelności. Koszty związane z wyciekami i nieszczelnościami sieci wodociągowych mogą być ogromne. Przykładem takiej sytuacji może być zdarzenie zapadnięcia się asfaltu na jednej z dróg dowolnego miasta. Sytuacja taka generuje ogromne koszty związane nie tylko z naprawą samej instalacji rurociągowej, ale również drogi. W czasach szybkiego wzrostu urbanizacyjnego bardzo ważnym zagadnieniem stało się lokalizowanie nieszczelności. Lokalizacje nieszczelności można podzielić na cztery główne rodzaje: biologiczne, urządzenia pomiarowe, systemy SCADA, pozostałe.
Metody biologiczne w poszukiwaniu nieszczelności opierają się na ludziach i zwierzętach. Ta metoda jest najbardziej tradycyjną metodą lokalizacji, gdyż wykorzystuje doświadczony personel, który przemieszcza się pieszo lub za pomocą pojazdów wzdłuż rurociągu. Personel ten poszukuje oznak wycieku za pomocą wzroku, węchu oraz słuchu (odgłosy rozprężania się płynu). Zamiast ludzi można wykorzystać specjalnie wytresowane psy, które są bardziej wrażliwe na zapachy niż ludzie i mogą wyczuć woń płynu.
Urządzenia pomiarowe wykorzystywane do lokalizacji nieszczelności można podzielić na urządzenia wizyjne, akustyczne, wykrywające opary oraz przewody diagnostyczne.
Poszukiwania nieszczelności przy pomocy urządzeń wizyjnych są wykonywane za pomocą kamery wideo zdolnej do rejestrowania promieniowania podczerwonego (kamera termowizyjna). Kamera rejestruje różnicę temperatury, a następnie obrazy są przetwarzane w celu pokazania zmian temperatury całym w spektrum koloru. Dane mogą być nagrywane dla przyszłej rewizji i przetwarzania. Systemy te używane są ogólnie na rurociągach, które mogą pozostawić po sobie ślad termiczny związany z transportowanym medium na odcinku kilku metrów pod ziemią. Ograniczeniem jest ich użycie tylko do rurociągów, które transportują płyny znacząco podnoszące temperaturę otaczającej ziemi, takich jak woda do celów grzewczych, czy para. Zaletą tego systemu jest możliwość analizowania dużych obszarów jednocześnie oraz brak jakichkolwiek prac ziemnych. Technika podczerwieni jest przydatna głównie do obserwowania systemów ogrzewania. System ten nie może zostać wykorzystany jeżeli transportowane medium nie wytwarza różnicy temperatury z otaczającym gruntem.
Akustyczne metody wykrywania wycieku opierają się na piezoelektrycznych przetwornikach, które przekształcają fale ciśnienia generowane przez płyn uciekający z instalacji w sygnał elektryczny. System ten składa się z piezoelektrycznego przetwornika, wzmacniacza oraz słuchawek. Ogromnym plusem tej metody jest możliwość zlokalizowania nieszczelności z dokładnością nawet jednego metra. Dokładność uzależniona jest od otoczenia, w którym znajduje się rura. Wadą tej metody jest to, że operator systemu pomiarowego może błędnie odczytać informacje o wycieku. Sytuacja taka może mieć miejsce podczas dokonywania pomiarów w pobliżu zaworów, czy zmian geometrii rury lub otoczeniu zewnętrznym (np. w pobliżu pompy). Metoda ta szczególnie używana jest w instalacjach pracujących stale w podwyższonym ciśnieniu.
Kolejna metoda wykrywania nieszczelności oparta jest o urządzenia pomiarowe wykrywające opary. Polega ona na identyfikacji substancji chemicznych rozproszonych w otoczeniu za pomocą specjalnie skalibrowanych sensorów i porównywaniu ich z zadanym markerem wzorcowym (rys. 1.7). W przypadku pokrycia się tła otoczenia z markerem można stwierdzić powstanie wycieku. System ten jest odpowiedni dla ropy naftowej oraz jej pochodnych produktów i wszelkich substancji, które podczas wycieku zaczynają parować i gromadzić się w bardziej skoncentrowany sposób w otoczeniu.
Ostatnią opisywana metodą związaną z przyrządami pomiarowymi jest metoda oparta o przewód pomiarowy Przewód ten składa się ze światłowodu znajdującego się w bardzo cienkiej osłonie ze stali nierdzewnej o znanej częstotliwości. Światłowód znajdujący się w środku posiada znaną wartość oporu oraz długość. W momencie wystąpienia wycieku zmienia się jego charakterystyka dielektryczna. W wyniku tych zmian zwiększa się oporność przewodu i dzięki temu możliwa jest dokładna lokalizacja nieszczelności sieci. Może on być wykorzystywany do lokalizacji nieszczelności w instalacjach transportujących wodę, paliwo, elektrolity, rozpuszczalniki, kwasy, zasady itp. Istnieje możliwość instalacji przewodu w już istniejących instalacjach lub w nowobudowanych. Niestety po wykryciu nieszczelności kabel należy wymienić na nowy. Jest on bardzo wrażliwy na otoczenie, a w przypadku skraplania się pary z powodu różnicy temperatury może dojść do niewłaściwego wskazania nieszczelności.
Systemy SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), czyli systemy nadzoru i gromadzenia danych są kolejnym sposobem na poszukiwanie nieszczelności, które przekształcają fizyczne parametry i zjawiska (takie jak ciśnienie, temperatura, wydajności i gęstość) na elektryczne sygnały mogące zostać zinterpretowane przez system kontroli. Można je zakwalifikować jako mierniki poziomu, indukcji magnetycznej, zmiany temperatury oraz fal naddźwiękowych. Podczas pomiarów system mierzy całkowitą objętość płynu we wszystkich zbiornikach instalacji. Przy zadanych parametrach temperatury oraz ciśnienia objętość jest stała, w razie wystąpienia przecieku ulegnie ona zmianie. Podczas pomiaru przepływu za pomocą systemu SCADA bada się przewodność magnetyczną przepływającego płynu poprzez indukcje magnetyczną. Pomiar prędkości przepływu dokonywany jest w momencie przepływania płynu przez wygenerowane pole magnetyczne, a powstała wartość napięcia jest proporcjonalna do średniej wartości prędkości przepływu.
Ostatni podział lokalizacji nieszczelności można określić jako pozostałe metody. Zawiera on w sobie tak zwane skrobaki oraz modele dynamiczne. Skrobak jest to robot, który zostaje wpuszczony bezpośrednio do wnętrza instalacji. Wykorzystuje on technologie magnetyczne do skanowania ścianek wewnętrznych rury i dzięki temu nie tylko odnajduje miejsca gdzie może wystąpić nieszczelność, ale również obszary gdzie ona już występuje. Dodatkowo skrobak zbiera informacje o stanie powstawania warstwy kamienia wytrącającego się z wody w wodociągach. Dużym minusem stosowania skrobaka jest przygotowanie specjalnego miejsca (stacji dokującej), z którego będzie on wpuszczany do instalacji, co powoduje ograniczenia w jego zastosowaniu. Niektóre rodzaje tych urządzeń pracują tylko i wyłącznie przy wyłączonej instalacji.
W kategorii „inne” znajduje się również pod kategoria model dynamiczny. Model dynamiczny, czyli określenie danego zjawiska fizycznego za pomocą równań matematycznych. Niniejsza rozprawia doktorska skupia się na tej właśnie metodzie lokalizacji nieszczelności w sieci rurociągowej transportującej medium jakim jest woda.
Celem pracy jest opracowanie metody lokalizacji nieszczelności w sieci wodociągowej na podstawie zmian ciśnienia w wybranych węzłach sieci. Realizacja celu podstawowego wynika z następujących celów szczegółowych:
wyznaczenie rozkładów prędkości w poszczególnych rurociągach oraz ciśnień w węzłach sieci wodociągowej;
analiza wpływu położenia nieszczelności w sieci na rozkłady ciśnień w węzłach sieci i na tej podstawie określenie kryterium wyboru węzłów sieci, w których mierzone jest ciśnienie;
opracowanie algorytmu obliczeniowego do lokalizacji nieszczelności sieci na podstawie rozkładu ciśnień w węzłach sieci.
