Намаляване на загубите по водоснабдителните системи

В съвременните европейски градове все повече се прилагат интелигентни решения за мониторинг на водоснабдяването и гарантиране необходимите количества вода за гражданите и предприятията. Една от основните цели на интелигентния мениджмънт на водните ресурси, е минимизиране на загубите от течове с използване на съвременни електронни уреди. С тяхното приложение се подобрява ефективността на използване на питейната вода. В статията ще разкажем за мениджмънта и сензорния мониторинг на скрити течове, за методите и съвременното оборудване за откриване на скрити течове.

Текст: списание Инфрабилд

В България голямо количество питейна вода се губи по водоснабдителната система. Причините за големите загуби са амортизираната водоснабдителна мрежа и множеството аварии. За преодоляване на проблема е необходимо съвременно управление на водопотреблението и загубите на вода от течове в градската водоснабдителна система, с оглед постигане на европейските изисквания в съответствие с действащото законодателство в тази област. Управлението на течовете във водоснабдителната система е един от основните методи за преодоляване на проблема с големите загуби на вода. То се свързва с намаляване на течовете чрез управление на налягането и точното им локализиране на местата, в които има такива. Подземните(скритите) течове са по-трудни за откриване. 

В случаите, когато водата, напускаща дефектните зони на тръбопровода, може да бъде погълната от почвата или да премине в канализацията, скритите течове остават незабелязани за дълго време и причиняват големи загуби на вода. Най-трудно е да се определи размерът на скритите течове от водоснабдителната мрежа, които зависят от състоянието й, като година на монтаж, материал на тръбата, почвата, климатичните условия, редица други местни условия. Количеството на скритите течове варира от 25%, които не могат да бъдат открити от съвременните диагностични средства, и 30%, които могат да бъдат открити с оборудване, от общите загуби на вода във външните водоснабдителни мрежи. Тези течове формират по-голямата част от общите загуби на вода. Локализирането им изисква използване на специализирана апаратура. Отстраняването им обикновено отнема повече време.

Броят на авариите и обемът на скритите течове на водоснабдителните мрежи са взаимосвързани. Най-износените участъци от тръбопроводи имат многобройни дефекти и следователно големи течове на вода. Своевременното откриване на течове на вода от тръбопроводи и предприемане на мерки за отстраняването им, помага за предотвратяване на извънредни ситуации във водопроводната мрежа и намаляване на разходите за нейната експлоатация. В Европа икономическата ефективност при идентифицирането и отстраняването на течове в мрежите е икономия на вода и намаляване на авариите. Намаляването на авариите в мрежите в резултат на планово-възстановителни ремонти на дефектни участъци от тръбопроводи, намалява разходите за аварийни ремонти на мрежата и подобрява надеждността на водоснабдителната и разпределителната системи.

Експлоатационните разходи за поддръжка на водоснабдителните мрежи значително намаляват в сравнение с единичните разходи за аварийни ремонти. Последните са 2,5 до 3 пъти по-високи от разходите за извършване на планово-възстановителни ремонти на мрежата. Според европейски проучвания, загубата от течове на 10-15% от доставената вода е икономически оправдано. Разходите за допълнително намаляване нивото на течовете могат да надхвърлят икономическия ефект от намаляване на загубите на вода.

Мениджмънт и сензорен мониторинг на скрити течове

Статистическите данни от наблюдения показват, че по време на експлоатацията на водопроводите редовно възникват течове. Трябва да се отбележи, че водни течове постоянно се появяват и нарастват с времето, като локализирането и отстраняването на скритите течове е необходим непрекъснат процес. Затова сега задачата е да се управлява нивото на течовете във водоснабдителната мрежа-мениджмънт на течове. За управление на скритите течове е необходимо да се анализира водоснабдителната система. Целта е да се определи вероятността от възникване на течове, както и възможните им източници. В Европа диагностицирането на скритите течове на магистрален водопровод започва с идентифицирането на зоните с най-вероятни течове в градската среда.

За целта се използват данни за доставената и фактурирана вода и анализ на данните за разхода и налягането в контролните точки. След идентифициране на най-проблематичните зони-микрорайони, във водопроводната мрежа на тази зона се инсталира сензорна система за мониторинг на течове. Може да се използват от два до няколко десетки регистриращи сензора, които регистрират поток в диапазона от 0,15 до 60 l/min. Сензорите са напълно автономни и лесно се монтират на тръбите с помощта на магнитна „пета”. Мониторинговата сензорна система анализира шума на водоснабдителната система и позволява по-нататъшно локализиране на течове с точност на определяне на участъците “от шахта до шахта”, без корелация, т.е. без точно определяне на мястото на водния теч за изкопни работи и ремонт. Сензори на мониторинговата система за търсене на изтичане на вода под земята могат да бъдат монтирани в определена зона за известно време-от няколко дни до няколко седмици, за откриване и елиминиране на скрити течове в тази зона. Въаможно е и по-нататъшно прехвърляне на сензорите към друга зона.

Също така сензорите могат да бъдат постоянно инсталирани в зона, като осигуряват контрол върху появата на нови течове на вода и възможност за тяхното бързо отстраняване. В големите европейски ВиК-предприятия, непрекъснато се използват до няколко хиляди такива сензори. В режим на временна инсталация обикновено се използват няколко десетки сензора за покриване на един малък район, докато един работен екип може да събира информация и обслужва сензори в няколко градски района. Някои производители съчетават функциите на сензорите на мониторинговата системата с корелацията, но такива системи са доста скъпи и по-малко ефективни. 

Методи за откриване на скрити течове

В практиката са известни различни методи за откриване местата на скрити течове. Изчислителният метод работи чрез експериментално определена площ на отвори-повреди на тръбопровода. Използват се също зонни методи за измерване на обема на скритите течове, методи за непрекъснато измерване на водния поток и налягане, комплексни методи, акустични, корелационни методи и други. Изчислителният метод е оценъчен и позволява само приблизително да се определи количеството на загубите на вода в участъците на тръбопровода. Обемите на скритите течове се изчисляват по общата площ на отворите в изследваната част на тръбопровода, определена по време на изкопните работи за скрити течове, открити при изследването на мрежата чрез корелационни уреди, или от резултатите от телевизионно CCTV-изследване, за вътрешното състояние на тръбопроводите.

Със зонирането на водоснабдителната мрежа с разходомери се създава възможност за изолиране на големи скрити течове в конкретна зона. Зонните методи за измерване на обема на скритите течове изискват предварително проучване на работата на избрани участъци от водопроводната мрежа. Районът на зонните измервания по време на извършването им, се изолира от останалата част на водопроводната мрежа чрез затваряне на кранове. Водата може да влезе в зоната на мрежата чрез една или повече тръби, снабдени с разходомери. При зонния метод за измерване, количеството скрити течове се определя от показанията на разходомерите, инсталирани на захранващите тръби-затворен метод. Другият начин, е разликата в показанията на разходомерите, инсталирани на захранващите тръби и разходомерите инсталирани на входа на дома-отворен метод.

По-точен е методът за определяне на степента на скрито изтичане с изключване на потребителите в измерваната зона-затворен метод. Резултатите от тези измервания могат да се използват в бъдеще за планиране на обема на приоритетните ремонти на мрежи, водещи до значително намаляване на изтичането на вода. Като данни, събрани в различни части на града, които се различават по състоянието и параметрите на тръбопроводите, се изграждат регресионни зависимости, за да се определи специфичната стойност на конкретното количество изтичане в зависимост от годината на монтаж, материала и диаметърът на тръбите, както и от интензивността на ремонта на мрежата. Недостатък, е трудоемкостта и временното неудобство за потребителите.

Методът за определяне на обемите на скритите течове чрез непрекъснато измерване на дебита-потреблението, и налягането на водата, се използва за мрежови участъци, доставящи вода до определени райони на града, предприятия, домакинства. За тази цел водомерите, инсталирани на подходящо място на захранващите тръбопроводи, са допълнително оборудвани с импулсен изходен модул, свързан с устройства за натрупване на информация. Степента на изтичане на водата се определя от минималния-мигновен, нощен дебит на водата и данните за налягането през деня и през нощта. Електронната структура на устройството е базирана на микропроцесор, който за всеки получен поток от импулси изчислява моментния дебит и го запазва в хронологичен ред. За да се оценят загубите на вода в група от сгради, микрорайони, се правят същите измервания на помпените станции, обслужващи тези зони.

Комплексният метод за определяне на стойността на скритите течове предполага, постепенно провеждане на изследване и оценка на степента на скрити течове. Първо се прави оценка на стойностите на неотчетените разходи и изтичането на вода по изчислително-аналитичен начин. На базата на извършения анализ са подбрани най-неблагоприятните участъци от водоснабдителната мрежа с най-големи обеми на течове. Извършват се подготвителни работи по откриването и отстраняването на най-големите течове. След това в тази зона се прави експериментално измерване на степента на скрити течове, като се използват методите на зоновите измервания. В същото време в отделни участъци и на входовете на потребителите в избраната зона се извършват непрекъснати измервания на дебитите вода и налягания, за да се определи специфичното потребление на вода и нощните разходи. Комплексният метод е най-точен, тъй като позволява дублиране при определяне на изследвани показатели по различни начини и избягване на грешки при оценката на показателите.

Перспективен е методът на комплексна функционално-структурна диагностика при електронно моделиране на водоснабдителни и разпределителни системи-ВРС. Сложността на метода се състои в необходимостта от получаване на значително количество информация за състоянието на мрежата, непрекъснат мониторинг на нейната работа, непрекъснато регулиране на първоначалните параметри на системата, както и създаване и корегиране на симулационни модели на ВРС и референтни усложнения.

Акустичният метод за откриване на течове е “прослушване” на шума от тръбопровода от земната повърхност. Операторът с помощта на геофон-акустичен детектор на течове, изслушва шума от повърхността, движейки се по трасето на тръбопровода. В мястото на теч от тръба, този шум придобива особен характер и най-голяма интензивност. Съвременните гео-микрофони имат индикация, която позволява количествено да характеризира нивото на шума в различни точки, както и филтри, които отделят смущенията и външните звуци. Методът на акустично изследване е най-необходим за откриване на скрити течове на метални тръби, течове върху неметални тръби, както и за изясняване на резултатите от корелационния метод.

Откриването на течове чрез корелационния метод се основава на цифров анализ на вибро-акустичен сигнал-шум от изтичане на тръби, който се разпространява от мястото, където тече тръбата. В подземните водопроводни шахти се монтират сензори, които възприемат този шум и предават информация на детектор за корелационни течове. Според известните стойности на скоростта на разпространение на звука от тръбопровода се изчислява мястото на теча. Този метод е най-ефективен за метални тръби, когато е необходимо да се намери теч в тръбата-диагностика на течове.

Съвременно оборудване за откриване на скрити течове

Днес ВиК операторите притежават високотехнологично оборудване, което позволява откриването на повреди в тръбите в рекордно кратко време. Съвременните детектори за течове откриват дефекти, независимо от дълбочината на тръбите, вида на почвата, температурата на водата, налягането и други външни условия. Основната област на тяхното приложение са системите за водоснабдяване на градските жилищни райони. Детекторът за течове е уред, който опростява търсенето на пукнатини в тръбопроводите и позволява с точност от 1m до 10сm бързо да се идентифицират координатите на водопроводния участък с нарушена цялост. 

Уредите, работещи на базата на акустичния метод, определят мястото на теча по шума от самия теч, който се засича с помощта на усилвател на шум или чрез електронен детектор за течове. Най-използваният сега уред, работещ на този принцип, е земният микрофон. Той се поставя на земята, като с електронен усилвател увеличава шума, който се получава при излизането на водата от пробита тръба под налягане. Земните микрофони с двойни кухи тръби, са прикрепени към плоски заземителни или контактни измервателни глави, които имат мембрани. Те осигуряват директен контакт с тръбата и предават вибрациите на тръбата към акустичната мембрана на слушалките на оператора, където се усилват до звуково ниво. Плочите или главите са монтирани вертикално по отношение на тръбата. По-добре е да се използват магнитни инструменти, за определяне на точното разположение на тръбата. Отчитането на най-силно изразения шум показва мястото, където е най-вероятно да има теч.

Шумът от пътния трафик се поглъща от гумени подложки, поставени около слушалките на оператора, което също води до усилване на другите звуци, позволяващи да се определят видовете течове. Звуците, чути по време на слушане от земната повърхност, са с много ниска височина, и не е лесно да се различат от звуците, създадени от транспорта. Само промяната на положението на плочите/главите по отношение на теч може да определи произхода на звука. Звуците, излъчвани от металните тръби, са концентрирани по протежение на линията на тръбата, а звуците от пластмасовите тръби се разпределят равномерно във всички посоки. Разликите в типовете звуци ще позволят на опитен оператор-специалист, да определи следното. Или чува изтичане, или чува как водата тече, при потребление от консуматор. Ако течът е наблизо, звукът обикновено е по-висок.

Прослушване на вентил често е полезно, ако материалът, от който са изработени тръбите, не е азбестоцимент, и не е пластмаса. По-лесно е да се открият течове на метални тръби, по-трудно-на тръби, изработени от азбестоцимент, и най-трудно-на тръби от пластмаса или гума. Освен това е по-лесно да се открият течове от тръби, положени в леки слоеве на почвата, и е по-трудно, ако те са под нивото на подземните води. Техническият напредък в областта на електрониката, е довел до оборудване на акустичните детектори с усилватели с електронно филтриране на сигналите, което позволява предаване на измервателните индикатори и операторните слушалки само на онези честоти, които отговарят на шума от течове. Електронните филтри премахват нежеланите честоти и фоновия шум, причинени от трафик и други източници.

Микроамперметърът на усилвателя помага на специалиста по откриване на течове да сравнява визуално нивата на интензивността на звука в различни точки. Някои усъвършенствани модели на детектори за течове позволяват показване данните в цифров и графичен вид на дисплей. При необходимост те могат да се прехвърлят на компютър за по-нататъшна обработка и печат.  Корелационните детектори за откриване на скрити течове са ефективно решение на проблема с намирането на повреди в малки тръбопрпводни участъци. Благодарение на корелационните детектори за течове, ремонтните екипи не трябва да разкопават цялата улица, за да определят изтичането. Детекторът-корелатор, за подземно откриване на течове представлява виброакустичен уред измерващ съотношението на шума от водния теч, който се разпространява в двете посоки от мястото на изтичане.

Ако течът е на еднакво разстояние от два сензора, те ще записват сигнала за шум едновременно. Но ако течът е разположен близо до един от сензорите, те ще регистрират шум в различно време. Разликата в часовото време на постъпване на колерирания цифров сигнал за шум в сензорите, се преизчислява в разстоянието от тях до точката на изтичане с точност до 10cm. Така се отчита точността на корелацията-определя се корелационният пик на два шумови сигнала, и скоростта на разпространение на звука през тръбата. Корелационният детектор за откриване на скрити течове, подобно на акустичния, позволява на оператора да преглежда на дисплей графични изображения и да слуша усиления сигнал през слушалки.

Други акустични уреди за откриване на скрити течове са сензорите-регистратори (логери). Принципът на действие на тези системи се основава на непрекъснато събиране на информация за течове от тръбопроводи. При изтичане, изтичащата вода създава шум-звукови сигнали, които се записват от логерите. Шумът от изтичане е постоянен, но поради високото ниво на смущения-интензивност на движението, високо потребление на вода през деня, прослушване не се извършва. Логерите са програмирани така, че шума от изтичане се записва през нощта, например от 2 до 4 часа.

Системата се състои от регистратори-записващи устройства за шум, блок за управление и компютър със специализиран софтуер. Софтуерът се инсталира на компютъра и се прехвърля към управляващия блок. Комуникацията винаги се осъществява чрез цифрова радиовръзка между регистраторите и блока за управление. След това се програмират регистраторите-време за измерване, време за радиопредаване, брой измервателни данни/интервали между измерванията. Програмирането може да се извърши директно през блока за управление. Единната водопроводна мрежа се разделя на различни зони, в които регистраторът ще бъде инсталиран. След това се задават параметрите на регистратора. За всеки километър от тръбопроводната мрежа е необходим определен брой регистратори, които се избират в зависимост от редица параметри, като налягане, материал, от който е направена тръбата и диаметър, наличие на отклонение/отвеждане.