Aktívna kontrola únikov vody z potrubí na verejnom vodovode

Príspevok uvádza postupy efektívneho identifikovania skrytých únikov a nelegálnych odberov z potrubí a armatúr na vodovodnej sieti. Metodika opisuje jednoduché a dostupné praktiky analýzy distribučných meraní prietokov, ktorých výsledkom je dôležitá informácia o potrebe uplatnenia pokročilých postupov aktívneho vyhľadávania únikov použitím moderných prístrojových vybavení. Nasadenie drahých korelačných prístrojov sa tak stáva efektívnejším a využije sa naozaj len tam, kde je indikovaný významnejší únik, ktorého odhalenie a odstránenie významne prispeje k zníženiu strát vody.

Katarína Tóthová

Abstract

The paper presents procedures for effective identification of hidden leaks and illegal withdrawals from pipes and fittings in the water supply network. The methodology describes simple and available practices for the analysis of distributional flow measurements, the result of which is important information about the need to apply advanced procedures for active leak detection using modern instrumentation. The use of expensive correlation devices thus becomes more efficient and is really used only where a significant leakage is indicated, the detection and removal of which will significantly contribute to the reduction of water losses.

Straty vody vo vodárenskom systéme sú stále témou aktuálnou, pretože ich úroveň predstavuje jedno z hlavných ukazovateľov technického stavu systému a majú priamy vplyv na efektívnosť prevádzkovania vodovodu. Hodnotenie technického stavu a určenie príčin jeho nedostatkov s cieľom ich odstránenia sú často diskutované témy hlavne z dôvodu smerovania finančných prostriedkov do údržby a obnovy infraštruktúrneho majetku. Na Slovensku technický stav vodárenskej infraštruktúry odráža dobu svojho budovania a prevádzkovania z čias s minimálnymi finančnými zdrojmi na jeho údržbu a obnovu. Výsledkom sú vysoké straty vody, ktorých najväčší podiel tvoria fyzické úniky z potrubí. Tento nepriaznivý stav nie je možné vyrovnať počas krátkeho obdobia, pretože finančné zdroje sú limitované hlavne sociálnou udržateľnosťou ceny vody. Legislatívou požadované zabezpečenie stále vyššej kvality tovarov a dodávaných služieb neprerušovaného zásobovania vodou prevádzkovateľa vodovodu tlačí do zavedenia efektívnych postupov prevádzkovania, ku ktorým patria aj postupy aktívnej kontroly únikov vody ako súčasť manažmentu strát vody.

Aktívna kontrola únikov

Aktívna kontrola je súbor postupov riadenia distribúcie vody pri ktorých sú prevádzkovateľom aktívne vyhľadávané a detekované úniky. Na rozdiel od pasívnej kontroly, ktorá spočíva len v zaznamenávaní porúch a únikov, ktoré zistí prevádzka pri bežnej údržbe, alebo ich nahlásia zákazníci alebo verejnosť, je aktívne vyhľadávanie skutočným nástrojom na znižovanie úrovne únikov ako najväčšieho podielu z bilančnej hodnoty strát vody.

Zavedenie aktívnej kontroly únikov vedie k rozdeleniu siete na merateľné okrsky, ktoré umožňujú priebežné vyhodnocovanie merateľných hodnôt na svojom vstupe a výstupe. Aktívna kontrola únikov v merateľných okrskoch zahŕňa postupne:

1. vyhodnocovanie mesačnej a ročnej bilancie vody,
2. analýzu minimálnych nočných prietokov, analýza okamžitých prietokov
3. analýzu hydrodynamickýchhydrostatických tlakov
4. nasadenie spresňujúcich postupov na lokalizáciu miest únikov, prípadne nelegálnych odberov.

Merateľné okrsky podľa hydraulického zapojenia môžu byť trvalé alebo aj dočasné. Čím je menší merateľný okrsok, tým presnejšie sú výsledky uplatnenia metód aktívnej kontroly. Nie vždy je však možné sieť rozdeliť do menších celkov a stanoviť prítok a odtok z okrsku. V takýchto prípadoch je možné uplatniť postup nočnej manipulácie uzávermi na sieti, ktorým je možné na krátku dobu vytvoriť menšie okrsky a vyhodnotiť úniky v ich.

Analýza minimálnych nočných prietokov

Pre spotrebisko s prevažujúcou spotrebou domácností (bez významnejších veľkoodberateľov) je charakteristický priebeh spotreby počas 24 hodín znázornený na obr. 1. Minimálna hodinová spotreba Qmin [m³/hod] objemovo predstavuje cca 0,8-1 % z denného objemu spotreby Qd [m³/deň], čo predstavuje 0,2 násobok priemernej potreby vody (obr.1). Ak je v okrsku významnejší veľkoodberateľ, je potrebné preveriť jeho nočné odbery na základe meraní a pripočítať k skutočným nočným odberom domácností .

V čase nočného pokoja medzi 01-03 hodinou v noci je odber z vodovodnej siete minimálny. Merané prietoky sú v tomto čase ustálené a ich hodnota predstavuje nasledovné súčasti:

• skutočné nočné odbery (spotreba obyvateľstva a veľkoodberateľov)
• skryté úniky (fyzické úniky z potrubia)

Úlohou aktívnej kontroly strát vody nie je len identifikovať skryté úniky z potrubia ale tiež stanoviť (odhadnúť) ich veľkosť. Existujú úniky, ktoré sú nevýznamné; ich odstráňovanie nie je efektívne a neprispeje k výraznému zníženiu celkových strát. Okrem toho v každej distribučnej sieti existujú straty vody, ktoré sú technicky nevyhnutné. Existujú vedecké štúdie, ktoré stanovujú úroveň technicky nevyhnutných strát vody TNS. V zahraničí je táto hodnota podľa Lamberta (Lambert 2002) vyjadrená v l.príp^-1.deň^-1 z závislosti na na hustote prípojok a  priemerného prevádzkového tlaku. Pri bežnej bytovej zástavbe a štandartnom prevádzkovom tlaku (hustota prípojok 50 príp/km, tlak 0,5 MPa) vychádza hodnota nevyhnutných strát 5 až 10 % z priemernej potreby v závislosti od počtu napojených obyvateľov.

Analýzou minimálnych nočných prietokov v okrsku je možné určiť odstrániteľné úniky v okrsku ako rozdiel nameranej hodnoty Qmin, skutočných odberov odberateľov a technicky nevyhnutných strát (obr.2).

Na základe stanovenej hodnoty odstrániteľných únikov v okrsku sa stanovia priority detekcie miest únikov v okrsku. Pre prioritné okrsky, teda tie, ktoré sú z pohľadu únikov a strát vody vyhodnotené ako najhoršie, je potrebné nasadiť vyhľadávacie korelačné prístroje na dohľadanie miest únikov. Pri väčších okrskoch je potrebné ešte pred použitím vyhľadávacích korelačných prístrojov zúžiť pravdepodobné miesto výskytu. To je možné realizovaním manipulácie s uzávermi na sieti s cieľom vytvorenia a vyhodnotenia dostatočne malých okrskov (úsekov).

Spresnenie miest únikov nočnou manipuláciou na sieti

Postupom uzatvárania uzáverov je možné ohraničiť menšie samostatné zóny spotrebiska tak, aby na presne zaznamenanú dobu (cca 5-10 minút) boli tieto úplne odstavené od prívodu vody. Súčasne v dobe nočných manipulácii je nutné mať zabezpečené kontinuálne meranie prietoku na vstupe do spotrebiska (napr. celej siete mesta, alebo samostatne merateľného okrsku) s časovým krokom záznamu minimálne 1 min. Keďže uzavretie prívodu vody do sekcií je realizované v čase minimálnych nočných odberov, pokles zaznamenaný na prítoku korešponduje s minimálnym odberom v uzavretej zóne.

Vyhodnotenie meraní na prítoku do okrsku počas nočnej manipulácie spočívavo vyhodnotení poklesov prietokov pri odstavení jednotlivých zón. K určeniu významnosti tohto poklesu sa určuje špecifický min. nočný prietok na dĺžku siete [l/s/km] v celom spotrebisku a zvlášť v samostatných zónach vytvorených dočasnou manipuláciou. Ak zaznamenaný špecifický únik v niektorej zóne je väčší ako priemerný špecifický únik v celkom okrsku, takv tejto zóne existuje významnejší únik.

Príklad záznamu poklesov prietokov pri nočnej manipulácii v historickej časti mesta Komárno je na obr. 3, kde zaokruhovaná mestská sieť bola nočnou manipuláciou delená na zóny MO_01 až MO_08. Významný poklesu prítoku do spotrebiska nastal iba v  zóne MO_03 a to až o 20 l/s.

Postupom nočných manipulácií a meraní je možné efektívne dohľadať hlavne veľké poruchy, ktoré sú predpokladané v problémovom okrsku. V takomto prípade akustické prístroje na dohľadanie poruchy často zlyhávajú, pretože veľký únik vody nemá indikačný akustický signál.

Lokalizácia nelegálnych odberov

Analýzu minimálnych nočných odberov je možné aplikovať aj na odhad miery nelegálnych odberov v okrsku. Nelegálne odbery predstavujú neautorizovanú spotrebu vody, ktorá je v odbornej literatúre označovaná aj ako ekonomická strata, pretože sa jedná o vodu nezaplatenú v hodnote vodného a pravdepodobne aj stočného koncovému užívateľovi. Preto pri znižovaní strát vody je ekonomicky efektívne venovať zvýšenú pozornosť práve nelegálnym odberom. Odhalenie trvalých „čiernych“ prípojok je pomerne zložitý proces. Prvým krokom (indíciou) pri rozhodovaní o začatí systémových krokov k identifikácii čiernych odberov je vyhodnotenie veľkosti strát vody v okrsku SV a určenie ich vzťahu k hodnote minimálneho nočného prietoku Qmin nasledovne:

1. SV ≤ Qmin
2. SV > Qmin

Ak sa hodnota strát vody SV nachádza na úrovni Qmin alebo nad ňou (A) v okrsku je evidentný nelegálny odber zo siete. Ak sa hodnota Qmin nachádza pod úrovňou strát vody SV (A), v okrsku prevládajú skryté úniky vody.

Analýza tlakových pomerov a porúch

Medzi výškou tlaku v potrubí a únikmi vody jeho netesnosťami a trhlinami i počtom porúch je priama úmera. S vyššou frekvenciou nových porúch a únikov vody však veľmi úzko súvisia nielen vysoké tlaky v potrubí ale najmä veľké rozdiely tlakov, ktoré vznikajú počas dňa. Časté a náhle zmeny tlaku skracujú priemernú životnosť potrubí a podpisujú sa pod vznik mnohých porúch. K posúdeniu hydrodynamických tlakov v okrsku je potrebná hydraulická analýza celého systému, nielen samotného okrsku.

Hydrodynamická čiara klesá a stúpa v priebehu hodín dňa v závislosti od odberov zo siete. Najväčší sklon má v čase maximálnych odberov. V obytných zónach je to vo večerných hodinách (19⁰⁰-20.⁰⁰ hod), kedy vznikajú najväčšie tlakové straty trením pri prúdení vody. Pritom najnižší tlak vznikne v hydraulicky najvzdialenejšom bode siete alebo okrsku.

Rozkyv tlakov pre potreby hodnotenia je možné určiť aj na základe meraní tlakov (a prietokov) na vstupe do okrsku (najčastejšie v armatúrnej šachte), ak meranie tlakov existuje. Ak je na vstupnom meraní veľký rozdiel medzi maximálnym a minimálnym meraným tlakom (väčší ako 10m), tak pravdepodobná príčina je pred meracím okrskom a je potrebné ju definovať a nájsť možnosti jej zníženia.

Analýza porúch vyhodnotením tlakov

Na vstupe do okrsku dosahuje každý merací bod svoje charakteristické opakujúce sa hodnoty prietokov a tlakov s primeranou odchýlkou. Odporúča sa určiť vzorové krivky priebehu tlaku i prietoku pre každý on-line meraný bod a denne porovnávať tieto krivky s nameranými hodnotami. Každý okrsok má inú toleranciu a citlivosť na identifikáciu poruchy, preto vzorové krivky musia vychádzať a existujúcich dlhodobejších meraní na vstupe do okrskov. Príklad vzorových kriviek je na Obr.5, kde hranice pohybu prietoku a tlaku počas 24 hodín udáva obalová krivka maximálnych prietokov alebo tlakov za dlhšie obdobie (min. 6 mesiacov).

Pri konštrukcii vzorových kriviek je potrebné prihliadať aj na teoretické minimálne nočné prietoky, ktoré by spodná krivka miním mala zahŕňať.

Záver

Vyhľadávanie únikov vody na vodovodnej sieti modernými multikorelačnými prístrojmi i napriek ich proklamovaným schopnostiam často neprináša žiadané zníženie objemu strát vody. Príčina je často v tom, že tieto prístroje sú nasadzované tam, kde skutočné úniky vody nie sú významné. Preto pred samotným rozhodnovaním sa o nasadení vhodnej techniky alebo iného vhodného postupu (napr.zníženie rozkyvu tlaku), je vhodné uplatniť systémový prístup analýzy prietokov a tlakov v potrubnej sieti. K ich systematickému vyhodnocovaniu je potrebné zvoliť členenie vodárenského systému na väčšie či menšie okrsky s trvalo alebo dočasne meranými vstupmi a výstupmi. Vyhodnotením bilancií vody v okrskoch spolu s analýzou minimálnych nočných prietokov je možné získať potrebnú informáciu o prioritách nasadenie technických prostriedkov na vyhľadávanie únikov, čím sa zvýši ich efektívnosť a účinnosť.

Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu vedy a techniky na základe Zmluvy č. APVV-20-031804.

Príspevok vznikol v rámci Programu cezhraničnej spolupráce Slovenská Republika- Rakúsko 2007-2013, projektu deWaLoP kód N_0084.