Oversikt I Forsyningskonsept Pumpekarakteristikk Typer fordelingsnett Overføring Plassering av vannmagasin Trykksoner Forsyningssoner Overføringssystem Hydraulisk profil ved vannoverføring Pumping mot høydebasseng Dimensjonering av overføringssystem Kapasitetsøkning Trykkøkning Løftehøyde ved pumping Sentrifugalpumper Pumpekarakteristikk Effekt- og energibehov ved pumping Valg av sentrifugalpumper Modifisering av pumpemengde Pumpemengde til høydebasseng Parallellkobling av pumper Seriekobling av pumper Grunnvannspumper Magasinering av vann Bassengtyper Utjevningsfunksjon av vannmagasin Dimensjonering av vannmagasin

Oversikt II Dimensjonering vha summekurver Typiske ruhetsparametre Plassering av vannmagasin Dimensjonerende vannføring Teknisk utforming av høydebasseng Mål og oppgaver av fordelingssystem Ledningstyper Lengdeprofil med trykksoner Typiske ruhetsparametre Singulærtapskoeffisienter Kapasitetsreduksjon under driften Driftskrav Nettdimensjonering Nettanalyse Strømninger i fordelingsnett Trykkberegninger for ringsystem Kirchhoff’s lover Hardy Cross metode EDB baserte metoder

Forsyningskonsept 2. Regionalt system: En kilde - flere forbruksområde 1. Lokalt system: En kilde - et forbruksområde 3. Forbundet system: Flere kilder - flere forbruksområder

Typer fordelingsnett 1. Grensystem 3. Ringsystem 2. Ikke virksomt Viktig: Finn god kompromiss mellom oppholdstid og forsyningssikkerhet.

Overføring Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Plassering av vannmagasin Gjennomstrømningsbasseng Motbasseng Viktig: Finn god kompromiss mellom oppholdstid og trykktap ! Sidebasseng Etter: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Trykksoner Trykksone = område med konstant (statisk) trykk Spjeld Kilde Dalsone 1 Sone 2 Sone 3 Toppsone 4 Trykksone = område med konstant (statisk) trykk Planmessig drift: - soner 1 og 2 med direkteforsyning - sone 3 forsynes fra sone 1 - sone 4 fra sone 2 Drift under forsyningsforstyrelser - sone 1 forsynes fra sone 2 - sone 2 fra sone 3 - sone 3 fra sone 4 Viktig: Holde trykket mellom grenseverdier Etter: Grombach, P; Haberer, K.; Trüeb, E.U., ”Handbuch der Wasserversorgungstechnik, München, 1985

Forsyningssoner Forsyningssone = område som forsynes med Forsyning med elvevann Forsyningssone = område som forsynes med vann med samme kvalitet Viktig: Blanding av forskjellige vannkvaliteter må unngås ! Fra: Grombach, P; Haberer, K.; Trüeb, E.U., ”Handbuch der Wasserversorgungstechnik, München, 1985 Forsyning med kildevann

Forsyningssoner Bergen 5 ulike kilder kan forsyne byen Cf Trondheim 1 kilde (Jonsvannet)

Lekkasjesoner (Trondheim)

Overføringssystem · Definisjon: Anleggssystem som brukes for å transportere vann over lange distanser fra vannkilde til forsyningsområde. · Mål: Sikker og økonomisk tilførsel av dimensjonerende vannmengde. · Elementer i overføringssystem: - overføringsledning - pumpestasjon(er), eventuelt - høydebasseng, eventuelt - tappeledning(er), eventuelt - forskjellige armaturer · Overføringsprinsipp ved ... - gravitasjon - pumping - kombinasjon av gravitasjon og pumping

Hydraulisk profil ved vannoverføring mVS Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Pumping mot høydebasseng Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Dimensjonering av overføringssystem Dimensjonsgivende verdier: Overføringssystem uten høydebasseng: Qdim = Qd fmaks kmaks + Qbrann Overføringssystem med høydebasseng: Qdim = Qd fmaks Disponibel trykktap hf,disp: Vertikal avstand mellom lavest trykknivå ved inntak og minimaltrykk i forsyningsområde. Det maksimale trykktapet som oppstår i øverføringssystemet skal være mindre enn det disponible trykktapet: hf,maks = f ( L, Q2, D-5 ) < hf,disp

Eksempel dimensjonering av overføringsledning Trondheim skal ha forsyning fra Benna. 20km ledning fra Benna til Trondheim 750 l/s NPSH =20 m Antar Benna + 200, Tilknyttingskum: +160 Hvilken dimensjon er nødvendig? (Excel: Falltap.xls)

Kapasitetsøkning Pumpestasjon Trykklinje ved selvfall Trykklinje ved pumping Distribusjonsområde Pumpestasjon Etter: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Trykkøkning Trykkøkning Sone 2 Rentvannspumping Sone 1 Etter: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992 Trykkøkning Sone 2 Rentvannspumping Sone 1

Løftehøyde ved pumping - geodetisk løftehøyde hgeo: vertikal avstand mellom vannstand i pumpe- sump og vannstand i utløpsbasseng [m] - statisk løftehøyde hstat: geodetisk løftehøyde pluss trykkforskjell på vannet mellom suge- og trykksiden hstat = hgeo + (p2 - p1) 105 / r g [m] - manometrisk løftehøyde hmano: statisk løftehøyde pluss friksjonstap i ledning før og etter pumpen hmano = hstat + htap [m]

Sentrifugalpumper Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Pumpekarakteristikk - Definisjon av pumpekarakteristikk: Kurve som viser sammenheng mellom manometrisk løftehøyde hmano [m] og pumpemengde Q [m3/s] - (Pumpe-)virkningsgrad hp: Del av tilført energi som forvandles til potensjell, kinetisk og/eller trykkenergi: [ - ] r g Q hmano E hp = Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

System characteristic curve l/s

Efficiency and NPSH Min kWh NPSH (avoid cavitation) l/s Min kWh NPSH (avoid cavitation) Ref. Benna-ledningen og krav til trykk på sugesiden av pumpestasjon

Valg av sentrifugalpumper 1. Beregn dimensjonerende vannmengde Qdim (pumpemengde, pumpevannføring) 2. Beregn statisk løftehøyde hstat 3. Beregn trykktap i ledningen htap = f ( L, Q2, D-5 ) 4. Tegn ledningskarakteristikk htot (Q) = htap + hstat i Qh-diagram 5. Tegn pumpekarakteristikk h(Q) i Qh-diagram, h(Q) angis av pumpeleverandør 6. Arbeidspunkt = skjæringspunktet av lednings- og pumpekarakteristikkene

Modifisering av pumpemengde Økning av pumpemengde: 1. Økning av turtall 2. Annen pumpetype 3. En pumpe til 4. Friksjonssenking (åpne ventil mer på trykksiden, større ledningstverrsnitt) Senking av pumpemengde: 1. Mindre turtall 2. Annen pumpetype 3. Mindre løpehjul 4. Friksjonsøkning (steng ventil mer på trykksiden, mindre tverrsnitt av trykkledning)

Pumpemengde til høydebasseng 1. Nattforbruk Q1: ledningskarakteristikk med stor løftehøyde: Arbeidspunkt B 2. Dagforbruk Q2: redusert løftehøyde: Arbeidspunkt B´ Etter: Grombach, P; Haberer, K.; Trüeb, E.U., ”Handbuch der Wasserversorgungstechnik, München, 1985

Parallellkobling av pumper Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992 Store vannføringer og lave trykk

Seriekobling av pumper Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992 Lave vannføringer og høye trykk

Grunnvannspumper 1. Nedsenkbar pumpe = vertikalaksepumpe med motor og pumpe under vannet (våtoppstillt) 2. Borehullspumpe = vertikalaksepumpe i vannet med motor utenfor vannet 3. Horisontalaksepumpe = motor og pumpe utenfor vannet (tørroppstillt)

Types of valves Isolating valves Directional valves/check valves Altitude valves (e.g contolling filling level of tanks) Air valves/vacuum breaking valves Control valves/regulating valves (e.g. Pressure reducing valves)

Valves

Check valves operating at a pump

Trykkreduksjonsventil Melhus har dette på veg ned fra Benna (semesteroppgave)

Lufteventiler/rørbruddsventiler

Magasinering av vann Oppgave: Utjevning av produksjon og forbruk fører til… - Mindre dimensjon på overføringsledning - Opprettholdelse av trykket i forsyningsområdet - Opprettholdelse av vannforsyning ved stans i overføring (ledningsbrudd, pumpehavari) - Reserve for brannslukking - Demping av trykkstøt i overføringsledning (hydrofor) (- Avslamming av forsyningsvann) (- Kontaktbasseng ved klorering) - Punkt i nettet med fritt vannspeil (jmf mann lufting av hund)

Bassengtyper · Høydebasseng - underjordiske høydebasseng - vanntårn · Lavbasseng - underjordiske lavbasseng - åpne basseng (kun for råvann) · Hydrofor (= ”vindkjel”) · Dam · Fjellhall · Grunnvannsmagasin · Brannvannsbasseng (gjerne et tjern) Basseng for.. - råvann (før behandlingsanlegg) - rentvann (ved forsyningsområde, lukket !) - brannvann (ved bygning med stor brannrisiko) - prosessvann (industri) - regnvann (sisterne)

Utjevningsfunksjon av vannmagasin a: forbruk b: kapasitet overføring Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Dimensjonering av vannmagasin I Fremgangsmåte ved dimensjonering av lagringsbasseng: 1. Definer ugunstigste forbruksforløp dvs. maks døgn- og timefaktorer f og k 2. Definer ugunstigste produksjonsforløp dvs. med "planlagte" stansperioder pga. vedlikehold, etc. 3. Tegn summasjonskurvene til forbruk og produksjon

Dimensjonering av vannmagasin II 4. Bestem nødvendig utjevningsvolum Vu: tmaks tmaks tmin tmin Vu = maks ( S Qh,inn(i) - S Qh,ut(i) ) - min ( S Qh,inn(i) - S Qh,ut(i) ) i=0 i=0 i=0 i=0 = (maks. overskudd) minus (min. overskudd) Nb: underskudd = negativt overskudd ! Tommelfingerregel: Vu » (0,15 - 0,30) Qd,maks 5. Beregn nødvendig totalvolum: Vtot = Vu + Vreserve (+ Vbrann) Tommelfingerregel: Vtot » 0,5 Qd + 0,5 Qd = Qd

Dimensjonering vha summekurver I 100 % Akkumulert pumpemengde / forbruksmengde 6 12 18 24 Klokkeslett

Dimensjonering vha summekurver II 100 % Produksjonskurve (f.eks. lineær) Akkumulert pumpemengde / forbruksmengde 6 12 18 24 Klokkeslett

Dimensjonering vha summekurver III 100 % Akkumulert pumpemengde / forbruksmengde Forbrukskurve 6 12 18 24 Klokkeslett

Dimensjonering vha summekurver IV 100 % Maksimalt underskudd Akkumulert pumpemengde / forbruksmengde Maksimalt overskudd 6 12 18 24 Klokkeslett

Dimensjonering vha summekurver V 100 % Nattpumping fra kl. 20 - 6 18 6 12 18 24 6 Klokkeslett

Dimensjonering vha summekurver VI 100 % Minimalt overskudd Maksimalt overskudd 18 6 12 18 24 6 Klokkeslett

Dimensjonering vha summekurver VII 100 % Dagpumping kl. 7 - 16 18 6 12 18 24 6 Klokkeslett

Dimensjonering vha summekurver VIII 100 % Maksimalt overskudd Maksimalt underskudd 18 6 12 18 24 6 Klokkeslett

Eller bruk EDB modell for simulering av dette!

Dimensjonerende vannføring Qd Qh,maks Qd - Qh,min Qd Qh,maks - Qd Qd - Qh,min Qh,maks - Qd Qd Qh,maks Etter: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Teknisk utforming av høydebasseng Rengjøringspumpe Flowmåler Tømmingsledning Ventil Ventil Tilbakeslagsventil Tilbakeslagsventil Innstøpt ledning Tilløp Vannstandsmåler Tilløpsledning Kontrolleringskorridor NB: egen NORVAR rapport for dette (2004) Etter: Grombach, P; Haberer, K.; Trüeb, E.U., ”Handbuch der Wasserversorgungstechnik, München, 1985

Mål og oppgaver av fordelingssystem Mål: Vanntransport fra høydebasseng til forbrukere Oppgaver: - levere nok vann ved ugunstigste forhold, dvs. dimensjoner for rør, basseng og pumper er store nok - levere vann med nok trykk ved ugunstigste forhold, dvs. bestemme trykkforhold i nettet - planlegge for lang levetid (nett representerer 3/4 + av totale investeringskostnader i et vannforsyningssystem) - unngå lekkasjer, dvs. overvåke og vedlikeholde nettet - styre nettet slik at lange oppholdstider unngås

Lengdeprofil med trykksoner Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Hydrauliske grunnlag I · Trykk- eller vannføringsendringer føres videre med lyd- og ikke med strømningshastighet. Eksempel: Et rørbrudd fører til meget raske trykkendringer langt oppstrøms og nedstrøms. Konsekvens for hydraulisk beregning: - langsomme vannføringsvariasjoner: stasjonære strømningsforhold - plutselige vannføringsvariasjoner: ikke-stasjonære strømningsforhold (”trykkstøt”) · Typiske hastigheter: - lyd i vannrør ca. 1500 m/s - vannstrømning generell 1 - 2 m/s store overføringsledninger 2 - 3 m/s små ledninger, sugeledning 0,5 - 1 m/s

What is the correct diameter? PE/PVC angir utvendig D Betong/duktile angir innvendig D Effektiv diameter endrer seg med tiden

Kapasitetsreduksjon under drift Kapasitetet til vannforsyningsledninger reduseres med tida pga mange forskjellige årsaker: - trestykker eller stein i ledningen (f.eks. pga. dårlig utført reparasjonsarbeid) - innestengte dyr (f. eks. fisk, kreps, skalldyr) - avsetninger av slam (f. eks. jern- og manganforbindelser) - kalkavsetninger (ikke særlig aktuelt i Norge, men viktig i mange andre land, f.eks Frankrike!!!) - "improviserte" eller dårlig utførte rørbend - luft i rørsvanker - delvis stengte, fastsittende ventiler - frysing pga. kortvarig frosttemperatur (rørbruer, hydranter, kummer) - frysing pga. tele

Driftskrav · Driftskrav: - hold trykk mellom grenseverdier 20 - 80 m.v.s. ved hvert sted - unngå trykkvariasjoner > 15 m.v.s. - frembringe etterspurte forbruksmengder - unngå lang oppholdstid · Belastningsscenarier: - maks forbruk - nattforbruk - brannslukking - havarier - m.m.

Strømningsretninger i fordelingsnett Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Trykkberegninger for ringsystem I Problem: Vannføring i hvert rør er ukjent ! Løsning: Kontinuitets- og energibetingelser formuleres for alle rør og knutepunkt (husk fortegn !): (1) Kontinuitetsbetingelse (Kirchhoff´s 1. lov): For hvert knutepunkt må vannbalansen stemme (innkommende og utgående vannmengder må være like for alle rør i): å Qi = 0 (inn er "+", ut er "-") i (2) Energibetingelse (Kirchhoff´s 2. lov): For hver sløyfe j må summe av alle energitap langs ledninger i være null ("sign" = fortegn): å sign(Q) r Q2i = 0 (hvis Q strømmer med i urviseren så er sign(Q) "+", mot urviseren er sign(Q) "-")

Kirchhoff’s lover Kirchhoff’s 2. lov (energibetingelse) (kontinuetetsbetingelse) hf = - 3,0 hf = 5,0 hf = - 10,0 hf = 8,0

Trykkberegninger for ringsystem II (1) og (2) er et ikke-lineært likningssystem som må løses iterativt, dvs. en må: - anslå omtrentlige vannføringsverdier for alle rør slik at (1) gjelder, - beregne energitap for hver ledning mellom knutepunktene - sjekk (2), - hvis resultatet å sign(Q) r Q2i ¹ 0 må estimerte vannføringsverdier korrigeres.

Nettberegninger etter Hardy Cross I Klassisk beregningsmetode, det finnes alternativer som er raskere på computer. Fremgangsmåte: 1. Sammenstill alle nettparametre, dvs. D, k (eller M), L 2. Sammenstill alle kjente vannføringer dvs. Qinn, Qlekk, Qforbruk 3. Sammenstill alle kjente hhv. nødvendige trykkhøyder, dvs. hinn, hmaks > hforbruk > hmin 4. Estimer vannføring i hver ledning 5. Kontroller kontinuitet for hvert knutepunkt

Nettberegninger etter Hardy Cross II 6. Velg en sløyfe ”j” og beregn energitap langs alle ledninger ”i” i sløyfen. 7. Kontroller energibetingelsen, hvis ulik null, korriger alle vannførings- mengder i sløyfen j med D Q = - å sign(Qij) ri Q2ij / 2 å |ri Qij| i i 8. Fortsett 4. - 7. med de neste sløyfene. Når man er kommet gjennom alle sløyfer er det første iterasjonstrinn ferdig og man begynner med første sløyfe igjen. 9. Avslutt beregningen hvis avviket i trykktapsbalansen i alle sløyfer er mindre enn 5 mvs (= 0,5 bar).

Eksempel for friksjonstap balanse I 100 L/s Q=60 50 L/s r=1 1. Iterasjon: Anta vannføringer: Q1 = 60, Q2 = 10, Q3 = 40 å sign(Qij) ri Q2ij = 1x602 + 4x102 – 3x402 = -800 i D Q = - å sign(Qij) ri Q2ij / 2 å |riQij| i i = - (1x602 + 4x102 – 3x402) 2 (1x60 + 4x10 + 3x40) = - (-800) / 440 = 2 + + r=4 r=3 Q=10 Q=40 (r = 0,0826 f L / D5 er rørkonstanten) 50 L/s

Eksempel for friksjonstap balanse II 100 L/s Q=62 50 L/s 2. Iterasjon: Nye vannføringer: Q1 = 62, Q2 = 12, Q3 = 38 å sign(Qij) ri Q2ij = 1x622 + 4x122 – 3x382 = 88 i D Q = - å sign(Qij) ri Q2ij / 2 å |riQij| i i = - (1x622 + 4x122 – 3x382) 2 (1x62 + 4x12 + 3x38) = - 88 / 448 = - 0,2 r=1 + r=4 r=3 Q=12 Q=38 50 L/s

Newton Raphson (eks på iterasjonsprosess for løsning av hele nettet simultant) Massebalanse knutepunkt j: Q (Darcy Weisbach) Tilsvarende for alle knutepunkt Matriseregning med iterasjon N ukjente og n ligninger

Forandringer av vannkvalitet i nettet Vannkvaliteten forandrer seg i ledningsnett, for eksempel: klor tilsatt ved behandlingsanlegg forbrukes underveis (kaldtvanns-)bakterier gror vann fra forskjellige kilder blandes sediment virvles opp eller belegg rives løs (”grums i vannet”) forurenset vann trenger inn (trykkløse ledninger eller negativ trykkstødt) De enkelte kvalitetsforandrende prosesser er lite kjent og fortsatt gjenstand til forskning. En viktig parameter er alder, dvs. oppholdstid av vannet i nettet (”jo eldre desto mer problematisk”).

Aj =  Qi [Ai-1 + xi/vi] /  Qi Vannalder I en knutepunkt j beregnes vannalder Aj med Aj = Aj-1 + xj-1/ vj-1 Hvor Aj-1 vannalder i knutepunkt oppstrøms j xj-1 ledningslengde fra j-1 til j vj-1 vannhastighet i ledningen mellom j-1 og j Kommer vannet fra flere ledninger i til knutepunkt j blir alderen en vektet middelverdi Aj =  Qi [Ai-1 + xi/vi] /  Qi Hvor Qi vannføring i ledning i oppstrøms ledning j

Transportprosesser i vannledninger Hvis en stoff trenger inn i en vannledning er det interessant å finne ut hvor hen den transporteres videre i nettet (”flow tracking”, ”trace modeling”). Hvis vann (eller en stoff i vannet) kommer fra flere kilder er det interessant å vite hvor vannet eller stoffet kommer fra ved enhver punkt i nettet (for eksempel for å definere forsyningsområder = områder med vann fra en kilde). Relevante transportprosesser er: - adveksjon - blanding - evt. kjemiske eller biokjemiske reaksjoner Mindre relevante prosesser er diffusjon, dispersjon, sedimentasjon og resuspensjon.

Modellering av vannkvalitet (Haestad kap. 2.9) Forandring av stoffkonsentrasjon i en ledning j mellom to knutepunkter k og k-1: cj/t = v cj/x + (c) cj/t forandring av stoffkonsentrasjon c i ledning j over tid v strømningshastighet i ledning j Q/A) c/x forandring av stoffkonsentrasjon langs ledningsstrekning (c) reaksjonsrate av stoffet, som funksjon av stoffkonsentrasjon Ved hvert knutepunkt k er den resulterende stoffkonsentrasjon: ck = [ Qj/cj + Qk/ck] / [ Qj + Qk] j j hvor: Qj vannføring i ledning j Qk vanninntak ved knutepunkt k ck stoffkonsentrasjon av vannet som tas inn ved k

Vannkvalitetsreaksjoner i vannmasse og på rørvegg (eks klor)

Keighley Pollution Incident Hill Top Bstr Hainworth Tanks Riddlesden S.R Black Hill S.R. Highfields S.R. Bracken Banks S.R. White Lane S.R. Oldfield WTW Sladen Valley WTW Layout of Water Mains in the Keighley/Oldfield Area. 150 km pipes 12,000 properties / 23,000 consumers 3 different source waters 7 service reservoirs 4 pump stations Imports and exports to other areas

Extent of Pollution - 2h Extent of Pollution Contamination after 2 Hours

Extent of Pollution - 12 h Extent of Pollution Contamination After 12 Hours

Time goes fast ! 08.00 Start pollution 08.20 1,600 properties affected 08.30 First complaints 08.50 3000 properties affected 09.00 Local field crews notified the problem 09.40 4500 properties affected 09.45 Zone valve between 710 and 711 closed - too late 10.40 7,700 properties