Использование регулирующих клапанов для повышения эффективности инженерных систем

Рис. 1. Принципиальная схема показателей эффективности технической системы.

Рис. 2. Структура водного баланса предприятия.

Любая техническая система — это совокупность элементов, которые взаимодействуют между собой и окружающим миром. У нее есть определенные задачи и функции, которые она должна выполнять наилучшим образом. Отсюда следует, что одним из важных показателей системы является ее эффективность, которая, в свою очередь, характеризуется надежностью, экономичностью и безопасностью. Совокупность этих факторов означает, что система не должна производить неблагоприятных воздействий на окружающую среду, персонал и материально-технические ресурсы. Все элементы системы должны работать без отказов в течение всего срока службы, быть ремонтопригодными, и не в ущерб этим условиям себестоимость системы должна быть минимально возможной, чтобы ее эксплуатация была рентабельной.

В данной статье рассматриваются варианты повышения надежности и экономичности инженерных систем на примере системы водоснабжения.

Любое водопотребление можно представить в виде совокупности расхода воды и ее потерь.

Под расходом обычно подразумевают:

А к потерям относят:

Международная водная ассоциация провела ряд исследований и разработала методику по снижению «реальных потерь» в системах водоснабжения. Были выделены четыре фактора, которые влияют на величину потерь воды в сетях:

Рис. 3. Факторы, влияющие на величину потерь воды в системе.

Далее рассматривается более конкретно влияние снижения давления на величину утечек воды в системе. Чтобы понять, что происходит при крупных повреждениях труб, необходимо обратиться к графику, приведенному на рисунке 4 слева. Зависимость потерь воды через повреждение трубопровода от времени при постоянном расходе воды в системе представляет собой линию, параллельную оси времени. Соответственно, площадь под этой линией и есть объем потерь. Конечно, активный поиск утечек сократит время их обнаружения, а высокая квалификация персонала и техническая оснащенность позволит уменьшить время реакции и ремонта, что в итоге поспособствует сокращению времени исправления проблемы и приведет к сокращению утечек. Снижение же давления снизит как расход воды через повреждение, так и вероятность возникновения новых повреждений, то есть увеличит надежность системы в целом.

Рис. 4. Графики зависимости потерь воды через крупные повреждения трубопровода и с "фоновыми" утечками.

Как указывалось ранее, существует так же и другой вид утечек — это небольшие «фоновые» утечки воды, на которые чаще всего закрывают глаза, так как их достаточно сложно обнаружить, а затраты на их устранение часто расцениваются как невыгодные в финансовом плане. График потерь при таких утечках представлен на рисунке 4 справа. Зависимость расхода через повреждения от времени имеет все тот же характер, но стоит обратить внимание, что, несмотря на небольшое значение расхода, площадь под графиком может быть существенна, поскольку время существования утечки в данном случае стремится к бесконечности. Отсюда следует, что единственным экономически оправданным средством для снижения потерь воды от «фоновых» утечек является регулирование давления.

На основании проведенных исследований Международная водная ассоциация разработала методы расчета экономического эффекта от снижения давления в системе. Для определения уменьшения утечек воды за счет снижения давления можно применять следующее соотношение:

Соответственно, объем утечек после снижения давления представлен произведением объема утечек до снижения давления (Q₀) и отношения давления после снижения утечек (P₁) к исходному давлению (P₀) в степени N₁. Значение коэффициента N₁ зависит от свойств трубопровода — его размеров и других характеристик системы — и находится в пределах 0,5 < N₁ < 2,5. Для больших систем его значение обычно около 1,15.

Из данного соотношения следует, что снижение давления в системе на 30% приведет к снижению утечек в среднем на 35%. При этом абсолютная величина давления не важна: снижение с 10 до 8 бар даст такой же эффект, как снижение с 2 до 1,6 бар. Для примера ниже определяются объемы утечек через отверстие 5 мм в двух сетях: в первой с давлением 6 бар и второй с давлением 4 бара, а также рассчитаны экономические потери, сопутствующие им. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1. Объемы утечек через отверстие 5 мм в двух системах с различным давлением
и экономические потери, сопутствующие им.

Сопоставив эти результаты, напрашивается вывод, что снизив давление на 2 бара, можно получить годовую финансовую экономию более чем в 140 тысяч рублей на одно отверстие диаметром в 5 мм.

Для снижения давления в современных системах используются различные виды регулирующих клапанов. Если говорить о системе, в которой водопотребление не зависит от давления (например, это может быть водоснабжение обычного жилого района, где потребителю в любое время суток необходим определенный напор воды, независимо от того, сколько других активных или неактивных потребителей также подключены к сети), то можно использовать регулятор давления «после себя — редукционный клапан. В номенклатуре компании АДЛ эта линейка представлена широким рядом моделей — «Гранрег»: КАТ23, КАТ30, КАТ41, КАТ80, КАТ10/01, КАТ10/02, КАТ11/01, КАТ11/02 и т. д.

Рис. 5. Различные виды регуляторов давления «после себя» (редукционных клапанов).

Если же в системе существует некоторая зависимость между объемом водопотребления и давлением в сети (например, подобная ситуация возникает в районе, где помимо жилых домов присутствует и производственный комплекс, для работы которого требуется обеспечение высокого давления и большого расхода), то рекомендуется использовать регулирующий клапан с двумя рабочими точками. Такой тип клапана поддерживает один из двух уровней давления на выходе в зависимости от времени суток, либо от разбора воды.

Рис. 6. Регулирующий клапан с двумя рабочими точками.

Рис. 7. Регулирующие клапаны с приводами.

Также для решения задачи снижения давления подойдут регулирующие клапаны непрямого действия, управляемые электро- или пневмоприводами.

Какой бы тип клапана не был выбран, при его подборе необходимо учитывать параметры системы и условия эксплуатации.

Основными критериями выбора регулирующего клапанов являются:

Клапаны должны иметь довольно простую конструкцию, быть ремонтопригодными. В водоканалах удобнее использовать клапаны, имеющие вертикальную конструкцию, так как это облегчает их ремонт и обслуживание. Следует избегать клапанов с заниженным проходом, а также тех, которые не обеспечивают стабильность регулирования, в том числе при низких расходах. Последний параметр особенно важен, так как нестабильность работы клапана влечет за собой аварийные ситуации.

К особо опасной аварийной ситуации относится гидравлический удар. Подробнее о гидравлических ударах можно прочитать в статье «Гидравлический удар: что это такое, и как с ним бороться?».

Учитывая все вышеописанное, можно сделать вывод о том, что предотвратить возникновение проблемы всегда гораздо проще и менее затратно, чем устранять ее последствия. Для создания эффективной системы водоснабжения необходимо очень тщательно подходить к выбору оборудования, а так же производить подробные расчеты вероятности возникновения тех или иных проблем. После проведения тщательного анализа подбор требуемой арматуры не составит труда, поскольку в настоящее время существует очень широкий спектр оборудования, способного решить практически любую задачу потребителя. В случае возникновения вопросов по подбору регулирующей арматуры просьба обращаться к инженерам отдела регулирующей арматуры компании АДЛ.

¹ По данным с сайта http://www.mosvodokanal.ru/forabonents/tariffs/ тарифы на питьевую воду (питьевое водоснабжение) и водоотведение для потребителей АО «Мосводоканал» на территории города Москвы (за исключением Троицкого и Новомосковского административных округов).

² Более подробно о подборе регулирующей арматуры можно почитать в статье «Подбор регулирующих клапанов».