Налягане във водоснабдителните мрежи

Налягането е един от най-важните параметри за нормалната работа на водоснабдителните мрежи и за качеството на услугата към крайните потребители. Неговите стойности влияят пряко върху проектирането, експлоатацията и надеждността на мрежата, както и върху нивото на аварийност. Доброто управление на налягането в една водоснабдителна мрежа е от ключово значение за нейната добра и икономически целесъобразна работа. В настоящата статия ще разгледаме основните фактори, които влияят върху налягането, начините за неговото измерване и контрол, както и техническите решения за понижаване или повишаване при различни експлоатационни условия.

Текст: списание Инфрабилд

Налягането е ключов хидравличен показател за една водоснабдителна мрежа. На база на неговите стойности се проектират бъдещи сгради и съоръжения, както и се организират технически мероприятия за поддържането му в нормални стойности. Системният мониторинг е от съществено значение за добрата работа на мрежата и добро ниво на услугата по водоснабдяване.

Какво представлява налягането и защо е важен показател

Налягането е физична величина характерна за всеки флуиден поток. Описва се като сила, която потокът упражнява върху единица площ. Във водоснабдителните мрежи то се мери в метри воден стълб или в атмосфери (атм), килопаскали (kPa) или барове (bar). Съотношенията са следните: 10 метра воден стълб са равни на 1атм=100kpa=1bar. Най-общо налягането във водоснабдителните мрежи следва да се движи между 3 и 6атм, но това разбира се зависи и от много други особености на територията като релеф, етажност на застрояване, критични точки и тяхната надморска височина, схема на водоснабдяване и други.

Важно е налягането да се поддържа в оптимални стойности, които да гарантират от една страна добро качество на услугата за потребителите, от друга ниска аварийност на мрежата. Доказано е по безспорен начин, че възможно най-ниското налягане в мрежата благоприятства значително за намаляване на авариите както в уличната мрежа, така и в сградните инсталации и водочерпни прибори.

Причини за понижено налягане

Причините за намаленото налягане, което е често срещан експлоатационен проблем, могат да са най-различни. Една от водещите е амортизирана сградна или улична водопроводна мрежа, особено ако тя е изградена от стоманени тръби. При тях с течение на годините се натрупват отлагания от корозия и котлен камък по стените им. Това от своя страна намалява диаметъра на тръбата, т.е. намалява се полезното сечение, което е предвидено да провежда определено количество вода.

Освен че се намалява сечението, изключително много се увеличава грапавостта на стените на тръбата от вътрешната страна. Това води след себе си до увеличено съпротивление при движението на водата, т.е. образно казано водата „харчи“ много енергия за да измине дадено разстояние от водопроводната мрежа. Този „разход“ на енергия се отразява в намалено налягане в крайната точка на този участък. Друга причина за намалено налягане са течовете, особено скритите.

Логиката е, че когато има теч, водата вместо да тече само в тръбите, тя изтича в околната среда, като това отнема от налягането, което достига до потребителите. Повредените спирателни кранове и запушвания са трета популярна причина за понижено налягане. С времето спирателните кранове ръждясват и не работят добре. Ако даден спирателен кран се повреди в полузатворено или напълно затворено положение то е естествено това да се отрази на налягането на водата след него, особено ако няма алтернативно трасе за водоснабдяване.

Запушванията могат да бъдат продиктувани от различни причини, като попадане на твърди предмети във водопровода при извършване на ремонт, проникване на корените на дървета в близост до водопровода, запушени в следствие на корозия участъци, особено около спирателни кранове, участъци със смяна на диаметъра или смяна на посоката на водата.

Измерване на налягането

Уредите които измерват налягането се наричат манометри. Най-общо те се делят на два вида – механични и дигитални. Дигиталните манометри се наричат още логери. При тях предимството е, че могат да записват и съхраняват данните и след това да ги изобразят в графичен или табличен вид. Това е много полезно, защото налягането може да се измерва непрекъснато в рамките на няколко денонощия и да се направи по-подробен анализ как работи мрежата и какво е то в точките на измерване. Тези точки могат да бъдат на всеки един водомерен възел, който разполага със спирателен кран с изпускател или с друг вид пробка за източване на сградната инсталация.

Логер от специален тип може да се монтира на подземни пожарни хидранти без изобщо да се забелязва. Други точки на измерване са хидрофорни уредби и помпени станции. При тях е важно да се следи входящото налягане да е в норма, за да могат да работят помните безпроблемно. Най-неблагоприятната точка от мрежата също е характерно място за мерене на налягането. Това обикновено е точката с най-висока надморска височина и/или точката намиращата се на най-голямо разстояние от водоизточника. Идеята е, че достигайки до тези точки водата ще търпи най-големи хидравлични загуби и ако в тях водоснабдяването е нормално, при добро експлоатационно състояние на мрежата то ще се запази такова и във всички останали точки.

Местата, които са предвидени за изграждане на регулатори за налягане по мрежата, са други точки, в които се мери налягането. Там по подобие на хидрофорите и помпените станции се мери входящо и изходящо налягане. Денонощното следене на тези параметри е възможно с дигитални логери, които могат да предават информация в реално време. В случай на авария, в зоната контролирана с редуктор, веднага би могло да се види дали аварията е вследствие на смущения в налягането. Големите консуматори на вода също са точка, която може да служи за наблюдение на налягането. Това са големи индустриални предприятия, болници и т.н., които поради спецификата на дейността си изискват непрекъснато водоснабдяване с определени параметри и при смущения веднага ги забелязват.

Понижаване на налягането

Съществуват различни начини за понижаване на налягането, като един от най-старите е изграждането на т.нар. убивателни шахти. Принципът им на действие е елементарен - след като идва по тръби водата се излива свободно в един своеобразен мини басейн и потокът от напорен става безнапорен, като това занулява натрупаното в тръбната мрежа налягане. Резервоарите за питейна вода също играят подобна роля. След убивателната шахта водата отново тръгва по тръбите, но с нулево налягане.

Другият по-съвременен способ за намаляване на налягането са регулаторите за налягане или редуцир вентили. При тях може да се настройва налягането, което ще се подава в мрежата след намаляването му съобразно нуждите. За уличните мрежи има разработени различни модели регулатори за намаляване на налягането. Те са оборудвани с подходящ софтуер и логери, могат да предават информация денонощно какво е налягането в мрежата и при проблем да генерират автоматични аларми. Съществуват и специални уреди, които съвместяват функциите на редуцир вентил и водомер. Това позволява да се следи налягането и водното количество в дадена зона от мрежата и то непрекъснато.

Съществуват и модели регулатори на налягане, които осигуряват различни стойности през деня и нощта, тъй като през нощта налягането се повишава поради по-ниската консумация. Тогава регулаторът се настройва през определени часове, например от 0:00 до 05:00 часа, да понижи още повече на налягането и след 05:00 да си бъде нормалното, което да задоволява потребителските нужди. Обикновено се монтират в специално изградени шахти или колектори, като са с фланшови присъединителни връзки. Цента им не е ниска, но определено си струват инвестицията с оглед ползите, които носят.

Една друга разновидност са т.нар. „твърди“ редуктори. Те са предназначени за монтаж на сградни водопроводни отклонения, като нямат опция за следене на налягането чрез логери в реално време. Регулират се механично на какво изходящо налягане да работят. Отделно от тях могат да се монтират механични манометри, които да служат за наблюдение дали редукторът работи нормално. Вършат чудесна работа за индивидуални нужди на определени сградни отклонения, защото са прости за монтаж и експлоатация и са значително по-евтини от другите описани по-горе. При повреда просто се подменят, като няма нужда да се ремонтират. Присъединяват се чрез резбови връзки.

Динамичната система за регулиране на налягането чрез плавно отваряне и затваряне на затворен орган, като спирателен кран или бътерфлай клапа, е още едно решение за регулиране на налягането във всеки един момент. Главният спирателен кран, от който се пуска вода за дадена територия, се оборудва със специална електрическа задвижка, която регулира степента на отваряне, т.е. на подаване на вода в зависимост от потреблението. То се следи чрез измерване на налягането по мрежата и тези стойности се изпращат в реално време в диспечерски пункт и съответно към модула, който регулира степента на отваряне на затворния орган. Например, ако налягането не трябва да пада под 5атм, при стойности под тази се подава информация и затворният орган се отваря плавно в достатъчна степен, за да се постигне желаното ниво на налягане.

Задържащите или подпиращи редуктори са обратни по своя смисъл на действие на традиционните редуктори. Тяхната задача е да осигуряват един минимум от стойност на налягането в дадена част от мрежата и след като този минимум е осигурен тогава към останалата част от мрежата се пуска съответното налягане. Този род уреди се прилагат обикновено когато има силно изразено неравномерно потребление на вода в дадена територия и то с видима денивелация. По силата на гравитацията потребителите в ниската част имат по-високо налягане и това е предпоставка за повече аварии и за по-безогледно потребление. В същия момент в по-високата част на терена налягането недостига. Именно за да се балансира системата се монтират подобен род регулатори. Крайната цел е нормално налягане за всички консуматори.

Системи за повишаване на налягането

Налягането може да бъде и недостатъчно, като  поради тази причина съществуват способи за неговото повишаване. Като първи вариант са помпените станции. Те представляват отделни сгради с машинна зала и често път и трафопост. В машинната зала са разположени помпените агрегати. Обикновено помпените станции са предвидени да изтласкват значителни количества вода и често са разположени на главни и стратегически водопроводи. Чрез тях се пълнят напорни резервоари, като се преодоляват различни надморски височини от трасетата на мрежата. Като съоръжения са скъпи и се нуждаят от системна поддръжка, охрана и т.н., но са неизбежни.

Една доста умалена разновидност на системите за повишаване на налягането са хидрофорните системи. Те са предназначени за повишаване на налягането на отделни сградни водопроводни отклонения, като най-често това са високи сгради - жилищни или административни. Разполагат се в отделно помещение в самата сграда или в отделна постройка извън нея. Функцията им е да повишават налягането на постъпващата вода, така че тя да достигне до най-неблагоприятната, т.е. най-високата точка на системата.

Съвременните хидрофори работят изключително енергийно ефективно и тихо, без почти никакви вибрации, разполагайки с помпи с честотно регулиране. Параметрите на тяхната работа може да се следят непрекъснато на SCADA платформа. Важно е при проектирането и строителството на сградната инсталация да бъдат съобразени стойностите на налягането подавани от хидрофорните помпи, за да се избегнат аварии на сградната водопроводна инсталация.

С достиженията на съвременната сградна автоматизация, непрекъснатият контрол на налягането не е проблем. Разполагат се датчици на различни места от сградната инсталация и чрез подходящ софтуер се изпращат данни до хората отговарящи за поддръжката на сградата. Това спомага и за своевременно отстраняване на възникнали, но невидими на пръв поглед проблеми.

Водните кули са друг тип съоръжения създадени да осигурят нужното налягане в мрежата. Обикновено се изграждат в равнинни местности, където липсват естествени височини, на които могат да се изградят напорни резервоари. Най-общо представляват резервоар, който е изграден на определена височина над терена. Тази височина е постигната изкуствено чрез изграждане на носеща конструкция с определена височина, така че налягането на водата да бъде достатъчно с оглед нуждите на населеното място.

Водата постъпва в кулата посредством помпи или по гравитационен път, като оттам тръгва по разпределителната мрежа. Като съоръжения не са твърде сложни, разчитат на силата на гравитацията на водата, но се нуждаят от системна поддръжка и грижа за качеството на водата. Поради факта, че е кулата е изложена на капризите на времето, при горещо време температурата на водата в кулата може да се повиши и това да благоприятства развитието на определени бактерии и микроорганизми. Обратното, при мразовито време може да се стигне до замръзване.

Понякога, с оглед обективни обстоятелства, се налага водопроводните системи да работят при високо налягане и това не може да бъде избегнато. Това най-често са напорни водопроводи след помпени станции или довеждащи стратегически водопроводи, които трябва да преодоляват денивелация в терена и високото налягане е необходимо условие.

За такива условия има разработени тръби и спирателни арматури пригодени да работят на високи налягания достигащи до 16 или 25атм. Те са направени с по-дебели стени, от достатъчно устойчив материал, а от своя страна болтовете на спирателните кранове са направени да се монтират на по-късо разстояние в рамките на самия фланец. Затова при проектиране и експлоатация на такива участъци е критично да се осигурят коректен избор на клас налягане, надеждна арматура и постоянен контрол, така че високият напор да гарантира сигурност, а не допълнителен риск за мрежата