Simulační modely systémů zásobování vodou/rozvodů vody se používají již řadu let k simulaci stavu proudění a tlaku ve vodovodních sítích. Simulace může výrazně zlepšit porozumění systému a pomoci s jeho vývojem a řešením problémů. Ve své praxi jsme se setkali s případem, kdy jsme museli řešit nedostatečnou kapacitu dodávky vody z veřejného vodovodu do průmyslového areálu. Provedli jsme simulaci a kalibraci modelu včetně hydrantových zkoušek, ověření kapacity přípojek z veřejného vodovodu do areálu včetně započtení místních ztrát a kontrolu stavu hlavních uzávěrů až po zahrnutí části vnitřních rozvodů v největší budově areálu. Poměrně rozsáhlé práce vedly nakonec k úspěšnému odhalení místa, které způsobovalo nedostatečnou kapacitu. Jakmile je simulační model sestaven, umožňuje testovat návrhy na vylepšení stávajícího stavu. Pro simulační výpočty, a také pro projektování trubních sítí, používáme software, který si sami vyvíjíme.
Vodohospodářský inženýr pracuje v souvislosti se zásobováním vodou na projektech vodárenské infrastruktury, na plánech rozvoje zásobování vodou a někdy řeší i to, proč vodovod nefunguje tak, jak by měl. O jednom takovém případě bych se chtěl podělit ve svém příspěvku. Když budu předjímat výsledek, tak často by mohlo být velké úsilí vložené do hledání příčiny nedostatečné kapacity nahrazeno dobrou znalostí místních podmínek, často postačuje jen několik správných informací, které ale často nemají ani místní, anebo vysokým stupněm osvícení toho, kdo tento problém řeší.
Jak jsme hlEdali úzké místo vnitroareálového vodovodu
Byli jsme požádáni, abychom zjistili příčiny nedostatečné dodávky do velké haly s několika tisíci obyvatel, v které na konci první směny není dostatečný tlak vody a lidé před odchodem se nemohou rychle osprchovat.
Začali jsme tedy práci. Vyslechli jsme lidé, kteří areál spravují a postupně jsme dostávali útržky informací. Postup naší práce zahrnoval:
- Prohlídku všech dostupných částí areálového vodovodu
- Sestavení simulačního modelu
- Ověření kapacity požárních hydrantů
- Přidání vnitřních instalací v hale do modelu
Část práce provedl již zadavatel, který provedl kamerovou inspekci potrubí vodovodních přípojek do areálu. Přípojky byly bez překážek, s bílým inkrustem na povrchu potrubí. V této fázi jsme zmapovali všechny armatury a tvarovky na přípojkách na vstupu do areálu – uzávěry, vodoměry, montážní kusy atd. Vše vypadalo v pořádku.
Dalším krokem bylo sestavení simulačního modelu vnitroareálového vodovodu. Pracujeme s naším vlastním programem SiteFlow, který stále vyvíjíme a který má pro simulační výpočty vodovodů integrovaný program EPANET. To obnášelo sestavení topologického modelu potrubí (viz obr. 1) a odběrových vzorců pro jednotlivé odběratele v areálu. Tento model jsme zkalibrovali pomocí měření kapacity požárních hydrantů (obr. 2 a 3). při této kalibraci jsme narazili na kuriozitu, požární hydrant typu C. naštěstí máme redukce, takže můžeme měřit všechny typy požárních hydrantů. – A, B, C i D. Zkalibrovaný a ověřený model žádné chyby neukázal. Voda proudila okolo jednotlivých hal s dostatečným tlakem a dokázala zásobovat plně jednotlivé požární hydranty. Protože zkalibrovaný a ověřený model neukázal žádné problémy s průtoky a tlaky v areálu, v dalším kroku jsme doplnili místní ztráty na přípojkách na vstupu do areálu. Místní ztráty pro běžné průtoky byly zanedbatelné a tlakové poměry ve vnějším vodovodu splňovaly požadavky na zásobování vodou.
Na obr. 1 je zobrazena vodovodní síť v areálu, kde červeně jsou vyznačeny potrubí největšího průměru, DN 150, modře DN 100 a fialově DN 80 a DN 50 mm. Vodovodní síť má jeden hlavní okruh, který pomáhá vyrovnávat tlaky v areálu za většího odběru. Po sestavení simulačního modelu vnitroareálového vodovodu, tj. po sestavení tzv. topologického modelu, což představují jednotlivá potrubí a jejich propojení, jsem model doplnili u všech odběratelů o křivky odběru během pracovního dne. V první fázi jsme měli model bez přípojky do největší haly a tlakové a průtokové poměry byly ve vnějším vodovodu v arálu bez problémů. Teprve po přidání přípojky do haly, kde jsme namodelovali potrubí až do pánských sprch ve druhém patře, se objevil problém. Nedostatečná kapacita přípojky, způsobená malým průměrem použitého vodoměru. Na obr. 3 je vidět nadstandardní rychlost v přípojce oproti rychlostem ve vnějším vodovodu. Na obr. 4 jsou zobrazeny průtoky v okamžiku konce první směny v areálu. Na obrázku je pěkně vidět, jak se do přípojky pro velkou halu spojují přítoky z obou stran.
Obr. 1 Zobrazení prměru potrubí ve vodovodním potrubí v areálu. Průměr potrubí je vyjádřen tloušťkou čáry a barvou.
Pro analýzu příčiny nízké kapacity zásobování vodou největší haly jsme pak využili i měření tlaků v jednotlivých místech vnitroareálové vodovodní sítě, které byly pořízené ještě před tím, než jsme začali pracovat. Podélná osa areálu mírně stoupá od vchodu ke konci areálu, rozměry areálu jsou cca 400 x 800 m. Pokud měření tlaku vyhodnocujete v relativních tlacích, naměřených na místě měření, dostanete čáry, které jsou umístěny v různých výškách na svislé ose, výška odpovídá výškovému rozdílu měřených bodů, viz. obr. 2 vlevo. Jakmile vynesete naměřené tlaky v absolutních hodnotách, lépe se uspořádají a je vidět. kde dochází k největším poklesům tlaku. V tomto zmiňovaném případě se jednalo o pánské šatny v druhém patře budovy. To už bylo skoro vyhráno. Viz obrázek 2. vpravo.
Podle informací od místních měla původně tato velká hala několik přípojek z vnitroareálového vodovodu. Postupně se však všechny přípojky až na jednu zrušili. Zároveň kromě odběru pro potřeby zaměstnanců touto přípojkou natéká také voda pro provozní účely. Charakter výroby vyžaduje, aby se doplňovaly nádrže na provozní vodu na konci směny, což zvyšuje průtok v přípojce v okamžiku největšího odběru pro zaměstnance. Přidali jsme tedy přípojku do haly a vnitřní rozvody až do pánské šatny do simulačního modelu, Hned potom jsem objevili příčinu problému s nízkým tlakem a nedostatečnou kapacitou vodovodu, zásobujícího halu.
Příčina byla v příliš malém průměru vodoměru na přípojce do haly, v které pracuje několik tisíc lidí a zároveň tato jediná přípojka slouží k doplňování provozní vody. Zjistili jsme, že na přípojce DN 80 je nainstalovaný vodoměr DN 50, jehož místní ztráty byly takové, že za odběrové špičky na konci první směny, kdy je v objektu nejvíce zaměstnanců, nepropustí dostatek vody a dojde k poklesu vody ve druhém patře objektu tak, že voda ze zařizovacích předmětů téměř nevytéká. To je ještě umocněno tím, že ve stejné době se doplňují nádrže provozní vody.
Návrh řešení byl tedy jednoduchý, pro odstranění problému postačí namontovat vodoměr o průměru DN 80 mm, který propustí dále dostatek vody, a případně zprovoznit jednu ze dříve zavřených přípojek do haly.
Obr. 2 Porovnání absolutních a relativních tlaků. Z absolutních tlaků vlevo je vidět mnohem lépe, co se děje s tlaky v areálu. Největší ztráta je v pásnkých šatnách (spodní čára na obou obrázcích)
Obr. 3 Rychlosti v potrubí v odběrové špičce v 13:45. Na obrázku je vidět vysoká rychlost v přípojce do objektu. jednotlivá čísla v obrázku představují aktuální rychlost proudění v potrubí.
Obr. 4 Průtoky v potrubí v odběrové špičce v 13:45, standardní průtokové poměry ve špičce. Čísla v obrázku představují aktuální průtok v potrubí. Většina průtoku vody areálem směřuje do jediné přípojky velké haly.
Použitý software
Program SiteFlow, který používáme pro projektování a simulační výpočty vodovodů (a kanalizací) je dobrým nástrojem, který pomáhá při práci. Projektant pro projektování vodohospodářské infrastruktury potřebuje zvládnout rychle složité věci, mít dobrý přehled o zpracovávaném projektu, mít při práci pohodu, pracovat bez formálních chyb a pokud možno co nejrychleji. Program SiteFlow umí takto projektantovi pomoci. Projektanta většinou trápí nízká rychlost práce, příliš komplikované použití softwaru, roztříštěnost práce, vysoká pracnost včetně vysoké pracnosti při zapracování změn do projektu.
Při projektování pracujeme s plochou terénu (DMT – digitální model terénu), viz obr. 5, což nám umožňuje pracovat rychleji, při kreslení situačního zákresu rovnou dostáváme výšku terénu k jednotlivým bodům. Pozemky z katastru se zas samy řadí do popisných rámečků v podélných profilech a umožňují exportovat seznam dotčených pozemků. Editovat data je možné v situaci a v podélných profilech. Místo pracných výpočtů výšek pro podélný profil editujete data grafickými úpravami podélného profilu. Exporty podélných profilů a situací jsou uživatelsky nastavitelné a můžete pracovat s několika digitálními modlu terénu podle potřeby – například stávající terén a povrch nově vyprojektované vozovky nebo výkopy a násypy apod. podle potřeby.
Obr. 5 Příklad využití našeho programu pro projektování – v převýšeném pracovním náhledu podélného profilu vodovodu vidíme potrubí, průběh stávajícího terénu (šedě) a průběh nového terénu – nově navržené komunikace (červeně). V dolním výřezu je vygenerovaný stavební výkres podélného profilu, který odpovídá mnohem převýšenějšímu pracovnímu náhledu podélného profilu. Pro praktické účely tento dlouhý výkres rozdělujeme. V podélných profilech je možné zobrazovat i hydrodynamickou tlakovou čáru.
Pro simulačním modelování v programu SiteFlow využíváme, zejména u větších spotřebišť, možnost automatického přiřazení jednotlivých odběrných míst do nejbližších uzlů. Simulovat můžete hydraulické parametry, stáří vody nebo podíl jednotlivých zdrojů, včetně výpočtů kvality vody. Model můžete použít pro například pro optimalizaci návrhu čerpání nebo pro řešení různých provozních problémů jako ve zmiňovaném případě. Dobře lze použít také pro návrh a posouzení různých variant při plánování rozvoje systémů zásobování vodou. Tlakové poměry si můžete zobrazit také v podélném profilu, případně můžete exportovat výkres podélného profilu se zobrazenou tlakovou čárou.
Z projekčního modelu můžete přejít do simulačního a zpět. Díky tomu odpadá převádění dat z jednoho programu do druhého.
Obr. 6 Požární hydrant připraven pro měření tlaku a průtoku
Obr. 7 Někdy může být tlak vody větší než čekáte
Obr. 8 První setkání s hydrantem typu “C”
Závěr
Velké úsilí a hodně práce vedlo v tomto případě k „objevení“ jednoduchého řešení v podobě výměny vodoměru s malým průměrem na vodovodní přípojce do haly za větší, z DH 50 na DN 80. Když takto zpětně budu glosovat naši práci, pokud bychom měli dostatek informací, jak to v areálu funguje, asi bychom tento problém nalezli hned. Dostatek správných informaci jsme ovšem neměli a jsme skládali postupně kousek po kousku informace o tom, jak vodovod funguje. Postupně jsme eliminovali jednotlivé možné příčiny nízké kapacity vodovodu až jsme se dostali na konec, kde jsme příčinu nalezli. V případě dostatečných informací by bylo možné tento problém identifikovat. Hned. Druhá možnost, jak tento problém vyřešit bez dostatečných informací by spočívala v osvícenosti toho, kdo hledá příčiny problému. Pak bychom například začali od konce místo od začátku.
Lubomír Macek, ing., CSc., MBA, autorizovaný inženýr pro vodohospodářské stavby
Aquoin, s.r.o., Osadní 324/12a, 170 00 Praha, Czech Republic