Projektowanie kanalizacyjnych układów tłocznych i jakichkolwiek innych inwestycji infrastrukturalnych o charakterze liniowym stało się niezmiernie długotrwałym i frustrującym procesem. Zdarza się tak ze względu na uwarunkowania wynikające z wątpliwej jakości prawa budowlanego oraz problemy formalno – prawne związane z koniecznością uzyskania zgody wszystkich właścicieli gruntów na trasie projektowanych sieci.
Im dłuższa sieć tym więcej problemów z:
– wygórowanymi żądaniami właścicieli nieruchomości,
– nieruchomościami podzielonymi na wielu spadkobierców trudnych do zlokalizowania,
– właścicielami mieszkającymi lub pracującymi za granicą,
– nieuregulowanymi stanami prawnymi nieruchomości.
Zmorą projektanta jest „nieboszczyk” figurujący ciągle w księdze wieczystej jako właściciel.
Jeśli te wszystkie przeszkody zostaną w końcu pokonane to szczęście projektanta z ustalenia trasy rurociągu jest tak wielkie, że takie parametry techniczne jak:
– długości rurociągów,
– geometryczne wysokości podnoszenia,
– ilość załamań kierunków trasy w poziomie i pionie,
schodzą na dalszy plan, odbijając się później na wysokich kosztach inwestycji.
Powszechnie uważa się, że o sprawności energetycznej układu decyduje zainstalowana w przepompowni pompa, co nie do końca jest prawdą. Dobór pompy jest tak naprawdę dopiero wynikiem ustaleń dotyczących hydrauliki całego układu tłocznego, a w szczególności profilu rurociągu tłocznego. Ponieważ Projektant ma bardzo ograniczony wpływ na trasę i profil rurociągu, w jego kompetencji pozostaje zwykle tylko rutynowy dobór pompy na punkt pracy.
Znaczenie, jakie ma możliwość aktywnego kształtowania profilu rurociągu tłocznego na zagadnienia energetyczne przedstawiono na zamieszczonych wykresach.
1. Korzystne profile rurociągu tłocznego
Profile o wyraźnie wznoszących się rzędnych osi rurociągu, od przepompowni w kierunku studni rozprężnej bez specjalnych załamań (schemat 1).
Klasyczny profil książkowy z minimalną ilością oporów miejscowych, bez odpowietrzników. Rozpuszczone gazy zawarte w ściekach pojawiają się dopiero na studni końcowej układu tłocznego. Energetycznie jest to najkorzystniejszy układ, ponieważ po każdym cyklu pompowania rurociąg tłoczny jest nadal wypełniony w stu procentach. Każde załączenie pompy powoduje natychmiastowy wypływ ścieków w studni rozprężnej bez sprężania korków powietrznych. Profil zwykle spotykany w krótkich instalacjach tłocznych.
2. Przeciętne profile rurociągu tłocznego
Są to profile wznoszące się o wielu łagodnych załamaniach od przepompowni w kierunku studni rozprężnej (schemat 2).
Najczęściej spotykany profil z zaworami napowietrzająco – odpowietrzającymi na każdym wzniesieniu. Rozpuszczone gazy zawarte w ściekach są usuwane z instalacji, natomiast powietrze zewnętrzne jest zaciągane przez zawór dwufunkcyjny N-O uniemożliwiając powstawanie podciśnienia. W trakcie pracy instalacji na wielu odcinkach przewodu tłocznego występuje przepływ dwufazowy, powstają korki powietrzne o różnym charakterze oraz mniejsze pęcherze w miejscach lokalizacji kształtek, armatury oraz zmiany przekroju rury. Szczególnie intensywne wydzielanie gazów występuje w momencie zatrzymania pomp z uwagi na spadek ciśnienia. Załączenie pompy powoduje najpierw sprężenie korków powietrznych, co oznacza stratę energetyczną.
3. Wymagające profile rurociągu tłocznego
3.1. Profile z syfonami o dużych załamaniach pionowych
Występują najczęściej w miejscach przekraczania przeszkód terenowych, takich jak cieki wodne lub istniejące uzbrojenie terenu.
Szczególnymi uwarunkowaniami projektowania syfonów jest:
– zapewnienie odpowietrzenia po stronie napływu ścieków jeżeli za syfonem na kierunku przepływu jest odcinek wznoszący (schemat 3),
– zapewnienie odpowietrzenia po obu stronach syfonu jeżeli za syfonem na kierunku przepływu ścieków jest odcinek opadający (schemat 4),
– zapewnienie prędkości przepływu przez syfon nie mniejszej niż 1,0 m/s w celu przepchania korków powietrznych nawet przy niesprawnych odpowietrznikach.
Warunek dotyczący minimalnej prędkości jest często trudny do spełnienia ponieważ bardzo podnosi linię ciśnień, jest więc energetycznie niekorzystny. Projektanci zwykle nie zwracają szczególnej uwagi na specyfikę syfonu dbając jedynie o utrzymanie minimalnej prędkości w całym rurociągu nie mniejszej, niż 0,8 m/s. Aby zminimalizować negatywne oddziaływanie syfonów na układ hydrauliczny należy je poprawnie odpowietrzyć jak pokazano na schematach oraz zastosować możliwie łagodne łuki pionowe ułatwiające wypłukiwanie korków.
3.2. Profile o opadających odcinkach w kierunku studni rozprężnej
Tego typu profile rurociągu tłocznego są szczególnie niekorzystne w układach tłocznych, ponieważ może na końcowych odcinkach powstawać podciśnienie, przy:
– niezbyt dokładnej lokalizacji zaworu N-O,
– niedostatecznej wydajności zaworu N-O,
– zatkanym zaworze N-O,
– braku zaworu N-O.
Powstawanie podciśnienia powoduje istotne zaburzenia w przepływie cieczy lub może go całkowicie zablokować (schemat 5). By nie dopuścić do tego zjawiska należy odpowiednio podnieść linię ciśnień tak, by była zlokalizowana powyżej najwyższego punktu na trasie rurociągu (schemat 6). Jeżeli najwyższy punkt na trasie jest stosunkowo blisko przepompowni, ustalenie korzystnej linii ciśnień nie sprawia problemu. Problemem jest lokalizacja wysokiego punktu blisko studni rozprężnej, co może powodować, że niezbędne podnoszenie linii ciśnień dla uniknięcia podciśnienia na końcowym odcinku straci sens techniczny lub nie dobierzemy odpowiedniej pompy.
W takim przypadku rozwiązaniem jest zaprojektowanie układu pompowego tak, by rozprężanie ścieków następowało w najwyższym punkcie i przeznaczenie odcinka opadającego w kierunku studni rozprężnej do spływu grawitacyjnego (schemat 7). W celu utrzymania projektowanej wydajności systemu wskazane jest powiększenie ostatniego odcinka przewodu opadającego o jedną dymensję. Niewłaściwa analiza opisanej kategorii rurociągów może mieć istotny wymiar w sensie energetycznym przy doborze pompy.
3.3. Profile bez zaworów napowietrzająco – odpowietrzających
W przypadku, gdy na trasie rurociągu występują niewielkie deniwelacje lub nie ma zgody właścicieli terenów na lokalizacje zaworów N-O to można z nich świadomie zrezygnować. Warunkiem rezygnacji jest uwzględnienie w obliczeniach odpowiedniego zapasu ciśnienia dla pokonania oporu korków powietrznych powstających na odcinkach opadających. Tego typu profile najczęściej spotykane są w instalacjach pneumatycznych. Odpowiedni zapas ciśnienia jest niezbędny do uruchomienia systemu tłocznego w momencie załączenia pompy, kiedy to występują największe opory.
Podsumowanie
Niekorzystny profil rurociągu tłocznego stanowi wyzwanie dla Projektanta. Brak wystarczającej szczegółowej analizy tematu może pogłębić koszty mimo poprawności technicznej przyjętych rozwiązań i działania zaprojektowanego systemu. Efekty dobrej lub złej analizy ujawniają się już na etapie inwestycji lecz przełożenie w czasie jest w skutkach donioślejsze, ponieważ rzutuje na cenę odbieranych ścieków ustaloną przez eksploatatora systemu.
