Autoři
Andrzej Szeroki, Jozef Mikulec
Tlakové kanalizačné systémy sú známe a používané na celom svete už po celé desaťročia. Početné aplikácie odvádzania splaškov pomocou tlakovej kanalizačnej siete možno nájsť v Spojených štátoch, Európe, Ázii a Afrike. Vďaka ich technologickým výhodám sa tlakové kanalizačné systémy môžu stať atraktívnou alternatívou voči konvenčným gravitačným alebo kombinovaným kanalizačným systémom. Tlakový systém umožňuje vybudovanie kanalizačnej infraštruktúry v oblastiach, kde gravitačný alebo kombinovaný systém odvádzania odpadových vôd nie je možný z dôvodov technických podmienok alebo ceny.
Najvýznamnejšie indikatívne faktory pre vhodnosť budovania tlakovej kanalizácie sú nasledovné:
– oblasti s rozmanitou topografiou;
– oblasti s vysokou hladinou podzemnej vody, skalnatý terén a nízka kvalita pôdy (napr. tekuté piesky);
– oblastí, kde je nutná 100% tesnosť systému (národné parky, rekreačné strediská). Rovnako ako pri iných systémoch, spoľahlivosť a dlhodobá funkčnosť tlakovej kanalizácie závisí na štyroch aspektoch: – správne naprojektovanie;
– správna montáž;
– kvalita komponentov (najmä kompletné domové čerpacie stanice);
– správne prevádzkovanie systému. Každý z vyššie uvedených bodov vo všeobecnosti vyžaduje samostatnú komplikovanú diskusiu. Vzhľadom na obmedzený rozsah tohto príspevku, sa zameriame na prvý z vyššie uvedených aspektov, t. j. projektovanie. Pri tomto aspekte stojí za zmienku, že okrem iných je jednou z hlavných výhod tlakového kanalizačného systému aj možnosť zlepšenia jeho činnosti prostredníctvom využívania moderných informačných a komunikačných technológií pri návrhu a aj pri prevádzkovaní systému zloženého z množstva jednotlivých domových čerpacích staníc. V zásade existujú 2 hlavné princípy, ktoré treba uplatniť pri projektovaní tlakovej kanalizácie: – aby sa zabránilo upchatiu systému, odporúča sa zabezpečenie minimálnej rýchlosti prúdenia vo výtlačnom potrubí 0,7 m/s, a to čo možno najdlhšie počas prevádzky systému;
– spoľahlivý odvod odpadovej vody týmto systémom musí byť zabezpečený v čase špičkového prítoku odpadových vôd. Hlavné rozpätie chýb pri návrhu, ktoré sa v tomto prípade môže vyskytnúť, je spôsobené tým, že väčšina metód projektovania berie pri návrhu a dimenzovaní systému do úvahy iba tieto dva vyššie uvedené parametre. Projektovanie na základe súboru pravidiel a noriem stanovených v ATV-DVWK-A116, zberné výtlačné potrubie musí byť nadimenzované tak v závislosti na počte obyvateľov, pripojených k systému, ako aj od množstva odpadových vôd za osobu Q = 0,005 l/s. S cieľom umožniť paralelnú prevádzku niekoľkých čerpadiel počas maximálnej špičky na prítoku kanalizácie, používa sa pri návrhu koeficient 1,5 násobku. Pri použití iných uznávaných metód, napríklad pravdepodobnostná metóda podľa T. Szabo, pravdepodobný počet súčasne bežiacich čerpacích staníc podľa binomického rozdelenia pravdepodobností (Bernoulliho rozdelenie), nasledovné dva parametre sa musia zohľadniť: počet čerpacích staníc pôsobiacich v systéme a prevádzkový čas na jednu čerpaciu stanicu v jednom čerpacom cykle. V oboch prípadoch musia byť výtlačné potrubia dimenzované tak, aby zvládli odviesť hypotetický okamžitý maximálny prítok odpadových vôd do systému alebo pravdepodobný počet čerpadiel, ktoré môžu začať fungovať súčasne v danom systéme. Vo všeobecnosti sa predpokladá, že potrubie musí byť nadimenzované na maximálnu kapacitu. Je však vhodné povedať, že ani jedna z vyššie uvedených metód neberie do úvahy charakteristiky lokality, na ktorú sa tlakový systém navrhuje. Rozdelenie a rýchlosť okamžitého prítoku do sústavy závisí od konkrétneho miesta: v turistických letoviskách, kde sa turisti vrátia domov v rovnako určenom čase počas dňa, vo vidieckych oblastiach, kde prítok odpadových vôd do značnej miery závisí na čase ukončenia práce na poli, v lokalite ubytovacích zariadení robotníkov, kde je každodenná rutina úzko naviazaná na pracovné povinnosti. V takýchto oblastiach sa prítok odpadových vôd môže pohybovať od 0 v nočnej dobe až do 10 % denného prítoku v čase špičky. Samozrejme, keď dimenzujeme potrubia podľa štandardne uznávaných metód a bez zohľadnenia špecifík danej lokality v realite, vždy navrhneme bezpečné riešenie, t.j. nadimenzujeme systém tak, aby zvládol maximálnu špičku prítoku a súčinnosti. Nevýhodou tohto riešenia je riziko predimenzovania potrubia vo vzťahu k skutočným potrebám. Okrem toho je potrebné poznamenať, že maximálny prítok trvá maximálne do 2–3 hodín denne, čo predstavuje len 10 % doby prevádzky systému. Zvyšných 90 % času tlaková kanalizácia funguje pri nízkych prítokoch odpadových vôd. Prítok odpadových vôd do systému je, popri retenčnom objeme čerpacej stanice a čase čerpania, hlavným faktorom určujúcim simultánnu prevádzku čerpadiel v systéme. Preto je bezpečné pracovať s predpokladom, že väčšinu času systém pracuje s jedným pusteným čerpadlom. To má samozrejme negatívny vplyv na rýchlosť prúdenia v potrubí, najmä v prípade rozsiahlejších systémov s väčšími svetlosťami výtlačných potrubí. Je to vhodné povedať, že napríklad pri prevádzke objemového čerpadla s prietokom 0,7 l/s, aspoň 3 súčasne pracujúce čerpadlá sú potrebné, aby v potrubí PE63 bola dodržaná dostatočná rýchlosť prúdenia pre dosiahnutie samočistiacej schopnosti v potrubí. To platí aj pre odstredivé čerpadlá, ktoré čerpajú do potrubia v PE75-PE160.
S cieľom zvýšiť prevádzkovú bezpečnosť sústavy, je potrebná aj pri nižšom prítoku odpadových vôd paralelná prevádzka viacerých čerpadiel. To by bolo veľmi ťažké dosiahnuť v konvenčných tlakových systémoch, v ktorých čerpadlá spínajú rozvádzače po dosiahnutí zapínacej hladiny odpadových vôd v čerpacej šachte. V dnešnej dobe, keď máme k dispozícii internet a lacnú modernú bezdrôtovú komunikáciu, už nie je potrebné určovať moment zapnutia čerpadla v systéme len v závislosti na jednej vopred definovanej hladine v domovej čerpacej stanici. Rozhodovanie tu môže prevziať centrálna jednotka na ovládanie tlakového systému, ktorá komunikuje s čerpacími stanicami spomenutými spôsobmi. Na základe informácií týkajúcich sa umiestnenia čerpacích staníc v systéme, priemerov potrubia, na ktoré je daná čerpacia stanica pripojená a aktuálneho stavu kanalizácie vie Centrálna riadiaca jednotka nastaviť spínanie a súčinnú prevádzku domových čerpacích staníc tak, aby bola samočistiaca rýchlosť dosiahnutá. Umožňuje to eliminovať vyššie uvedené chybové rozpätie systému vo fáze projektovania a upraviť systém miestnym podmienkam. Riadiaca jednotka môže optimalizovať aj iné parametre prevádzky systému tlakovej kanalizácie. Napríklad situáciu, v ktorej objemové (vretenové) čerpadlá pracujú na ľavej strane krivky výkonu, je obzvlášť nepriaznivá, pretože vedie k zvýšenému oderu gumových komponentov a zvýšenej spotrebe energie. Riadiaca jednotka môže v tomto prípade optimalizovať dopravnú výšku čerpadiel v prevádzke na optimálny rozsah 20–40 m. Podobný problém je možné pozorovať v prípade odstredivých čerpadiel pracujúcich na pravej strane krivky výkonu. V pravej strane pracovnej oblasti čerpadla je väčšina výkonu čerpadla použitá na prepravu média, čo zas nepriaznivo ovplyvňuje schopnosť rezania tuhých látok rezacím zariadením na saní čerpadla a to zvyšuje náchylnosť k upchatiu. Centrálna riadiaca jednotka môže nastaviť sekvencie čerpania jednotlivých čerpadiel takým spôsobom, že účinnosť jedného odstredivého čerpadla v paralelnej prevádzke by sa pohybovala v rozsahu od 1 do 2 l/s na 20 až 30 metrov dopravnej výšky. Možno teda očakávať aj isté úspory energie, keďže čerpadlá budú pracovať v oblastiach s najvyššou účinnosťou. Ďalšou otázkou, ktorá zostáva nevyriešená v konvenčných systémoch riadenia, je zapnutie čerpacej stanice po prerušení dodávky elektriky a pretečení šachty. Najmodernejšie rozvádzače pre miestne ovládanie čerpacej stanice ponúkajú funkciu oneskorenie zapnutia až 240 s po prerušení napájania, ktorá zabraňuje simultánnemu zapnutiu čerpadiel a náhlemu preťaženia transformátora. To však nedokáže zmierniť stav, v ktorom čerpadlá pracujú na ľavej strane krivky ich výkonu pri prakticky nulovom prietoku až niekoľko hodín, čo predstavuje veľké riziko pre čerpadlá odstredivé a aj objemové. Centrálna riadiaca jednotka môže zabezpečiť aj ochranu transformátorov a postupne začať spínať čerpadlá, počnúc tými najvzdialenejšími, kým sa systém ustáli. Skorým príznakom upchatia systému niekde vo výtlačnom potrubí je predĺžená doba čerpania čerpadiel v systéme pred miestom upchatia. Centrálna riadiaca jednotka môže odhaliť a odstrániť takúto udalosť tým, že zvyšuje rýchlosť prúdenia toku, alebo včasným oznámením takéhoto nebezpečenstva prevádzkovateľovi. Nelegálne vypúšťanie odpadových vôd alebo pripojenie dažďovej vody do čerpacej stanice sú ešte ďalšie inštancie, ktoré by mohli byť odhalené Centrálnou riadiacou jednotkou. Zlyhanie akéhokoľvek druhu, ako napríklad zablokovanie čerpadla alebo spätného ventilu v otvorenej pozícii, vysoká hladina odpadových vôd v nádrži…, patrí do skupiny parametrov, ktoré by mohli byť odhalené a signalizované Centrálnou riadiacou jednotkou tlakovej kanalizácie. Samozrejme, v prípade akéhokoľvek prerušenia pri prenose dát, miestne ovládanie od hladiny automaticky preberá úlohu riadenia čerpacej stanice. Archivácia a grafická interpretácia údajov z prevádzkovania systému je ďalšia praktická funkcia pre obsluhu, ktorá uľahčuje optimalizáciu systému prostredníctvom zmeny jeho nastavení pomocou centrálnej riadiacej jednotky. To môže byť napríklad zadefinovanie počtu čerpadiel, ktoré začnú čerpať do potrubí určitého priemeru. Stručne povedané: aplikácia matematických pravdepodobnostných modelov na účely dimenzovania tlakovej kanalizácie nesie so sebou riziko projekčnej chybovej odchýlky. Avšak, moderné informačné a komunikačné technológie nám umožňujú navrhnúť model centrálneho riadenia tlakovej kanalizácie, ktorý umožňuje opraviť návrhové chyby v skutočnej každodennej prevádzke. Tým sa výrazne zvyšuje bezpečnosť a komfort prevádzky a údržby systému. Navyše, vizualizácia a archivácia dynamických zmien ďalej rozširuje naše poznatky v tejto problematike a umožňuje optimalizáciou existujúcich systémov, ako aj zlepšenie projekčných predpokladov pre budúce investície. Andrzej Szeroki
Jozef Mikulec
jozef.mikulec()wilo.sk
WILO SE
Nortkirchenstraße 100
D-44263 Dortmund
Nemecko
(foto: pvk.cz)
