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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Rohrreibungszahl von hydraulischen Netzwerken, z. B. Wasserleitungsnetzen, wobei an den Begrenzungspunkten des Teilbereiches des Netzwerkes, für den die Rohrreibungszahl bestimmt werden soll, der durch die Strömung bedingte Druckabfall gemessen wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit Druckmesseinrichtungen zur Bestimmung des Druckabfalls zwischen den Messstellen darstellenden Begrenzungspunkten eines Teilbereiches eines hydraulischen Netzwerkes.
Aus der GB-PS Nr. 2, 050, 611 ist ein Verfahren zur Messung von Parametern bzw. Parameterrelationen in Hinblick auf langfristige Änderungen bekannt, um defekte hydraulische Komponenten zu lokalisieren. Es erfolgt jedoch keine gezielte und quantitative Bestimmung physikalischer Parameter sondern immer nur ein relativer Vergleich zwischen alten und neuen Messwerten, wozu Messungen von Druck und Durchfluss erfolgen. Für die Berechnung der Rohrreibungszahl kann dieses Verfahren nicht eingesetzt werden.
Bei der Berechnung von komplizierten hydraulischen Netzwerken, wie z. B. Wasserleitungsnetzen, unterscheidet man zwischen Planungsberechnungen und Istzustandsberechnungen. Planungsberechnungen beziehen sich auf ein noch zu bauendes Rohrleistungssystem, für welches alle erforderlichen Parameter, wie z. B. Rohrdimensionen und Rohrreibungszahl als bekannt gelten können.
Istzustandsberechnungen beziehen sich auf ein bereits seit längerer Zeit in Gebrauch stehendes Wasserverteilungssystem, bei welchem nicht mehr nur mit den nominalen Daten der ursprünglichen Planung gearbeitet werden kann, sondern auch aktuelle, tatsächliche Werte für das Fördervermögen der wichtigsten Rohrstränge benötigt werden.
Bei Berechnung von z. B. notwendigen Erweiterungen kann man sich deswegen nicht mehr nur auf die nominalen Daten im vorhandenen Rohrnetzplan verlassen, weil das Fördervermögen
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h.Strömungen") bestimmt, wobei die tatsächlichen Strömungsverteilungen im Bereich der Hausanschlüsse eine wesentliche Rolle spielen. Es müssen daher zunächst entsprechende Messungen durchgeführt werden, um die aktuellen Eingabedaten für eine genaue Rohrnetzberechnung unter möglichst typischen Betriebsbedingungen (nicht unter möglichst einfachen Messbedingungen) zu ermitteln.
Die üblichen Methoden zur Bestimmung des Fördervermögens beruhen auf einer gleichzeitigen Messung von Druckabfall und Durchfluss für mindestens 10% der Hauptleitungen und müssen daher mittels starker Entnahme und möglichst auch bei abgeschieberten Nebenleitungen, abgeschalteten Verbrauchern usw. sowie zu messtechnisch günstigen Zeiten durchgeführt werden. Derartig starke Entnahme bringen die Gefahr mit sich, dass unter Umständen der notwendige Mindestdruck im Versorgungsnetz wesentlich unterschritten wird, allfällige Ablagerungen aufgewirbelt werden und es zu hygienisch unzulässigen Rückflusserscheinungen und Lufteinbringungen (Gefahr von Rohrbrüchen durch Wasserschläge) kommen kann.
Durch die Kombination von mathematischen Methoden der Rohrnetzberechnung mit elektronischen Messmethoden wurde ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung des Fördervermögens bzw. der Rohrreibungszahl entwickelt, das sich dadurch auszeichnet, dass mit geringeren zusätzlichen Wasserentnahmen, die mit wenigen oder sogar ganz ohne Abschieberungen und auch ausserhalb der verbrauchsschwachen Zeiten gearbeitet werden kann.
Dies wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass dem Durchfluss durch den Teilbereich mehrmals eine bezüglich Menge und Zeitdauer jeweils gleiche, definierte Durchflussänderung, vorteilhafterweise eine Durchflusserhöhung durch Entnahme, überlagert wird, dass der Druckabfall, welcher mit durch unbekannte statistische Entnahmen verursachten Druckabfällen überlagert ist, zwischen den Begrenzungspunkten des Teilbereiches sowohl während der Zeiten der definierten Durchflussänderungen als auch ausserhalb dieser Zeiten, mehrmals über untereinander jeweils gleichlange Zeitspannen gemessen wird,
und dass der der Rohrreibungszahl proportionale Rohrwiderstand aus dem Produkt des reziproken Wertes des Druckabfalles ausserhalb der Zeiten einer überlagerten Durchflussänderung und des Quadrates des Quotienten aus der Differenz der ausserhalb und während der Zeiten der überlagerten Durchflussänderung gemessenen Druckabfälle und der gemessenen mittleren Durchflussänderung nach statistischen Gesetzen bzw.
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durch Mittelung der einzelnen Messwerte ermittelt wird.
Eine bevorzugte Vorgangsweise bei der Berechnung ist es, wenn zur Berechnung des Produktes die während und ausserhalb der Zeiten der überlagerten Durchflussänderungen gemessenen Druckab- fälle statistisch gemittelt werden und wenn diese Werte zur Berechnung der Differenz subtrahiert werden. Zur Vereinfachung der Berechnung kann vorgesehen sein, dass die überlagerten Durchfluss- änderungen periodisch erfolgen und untereinander denselben charakteristischen Verlauf besitzen, bzw. dass mit der Messung der Druckabfälle ausserhalb der Zeiten einer überlagerten Durchflussände- rung unmittelbar nach dem Ende einer überlagerten Durchflussänderung begonnen wird, bzw. dass die Zeiträume für die Messung mit und ohne Durchflussänderungen gleich gross sind.
Störungen im Netzwerk werden vermieden und der Aufwand zur Vornahme einer Durchflussänderung wird herabgesetzt, wenn die während der Zeiten der definierten Durchflussänderungen dem Netzwerk überlagerten Druckabfälle in der Grösse der durch die statistisch im Netzwerk erfolgenden Durchfluss- änderungen verursachten Druckänderungen liegen bzw. mit diesen grössenmässig vergleichbar sind.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zur definierten Änderung des Durchflusses des Teilbereiches eine Entnahme- bzw. Zufuhreinrichtung für eine hinsichtlich Menge und Zeitdauer definierte Durchflussänderung, d. h. für eine Entnahme bzw.
Zufuhr von Flüssigkeit aus dem bzw. in das Netzwerk vorgesehen ist, dass eine Aufzeichnungseinrichtung für den Druck an den Begrenzungspunkten des Teilbereiches und für die Druckabfälle über den Teilbereich sowohl für jeweils untereinander gleich lange Zeitspannen während der definierten Durchflussänderung als auch für jeweils untereinander gleich lange Zeitspannen während entnahmefreier bzw. zufuhrfreier Zeiten an die Druckmesseinrichtungen angeschlossen ist und dass eine Auswerteeinheit zur Bildung der Mittelwerte der während und ausserhalb der Zeiten der Durchflussänderung ermittelten Druckabfälle off oder online vorgesehen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Entnahmeeinrichtung zur Erhöhung des Durchflusses im Teilbereich ein elektrisch gesteuertes Ventil vorgesehen ist, dem eine Durchflussmengenzähleinrichtung oder eine Mengenmessvorrichtung zugeordnet ist. Vorteilhaft ist es, wenn als Druckmesseinrichtung ein Differentialdruckmessgerät vorgesehen ist, dessen Eingänge zu den beiden Messstellen eines Teilbereiches geführt sind und das die tatsächlichen Druckabfälle zwischen den beiden Messstellen angibt oder wenn als Druckmesseinrichtung an jeder Messstelle ein Differentialdruckmessgerät vorgesehen ist, mit dem der Druck im Netzwerk jeweils gegenüber einer Referenzmessquelle messbar ist. Zur Vereinfachung des Messvorganges ist es zweckmässig, wenn die Aufzeichnungseinrichtung von der Entnahme- bzw.
Zufuhreinrichtung zur Synchronisation des Beginns der überlagerten Durchflussänderung bzw. zusätzlichen Entnahmen bzw. Zufuhr mit dem Messbeginn getriggert ist. Zur Berechnung der gewünschten Werte ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass der Auswerteeinheit die Messdaten der Entnahme- bzw. Zufuhreinrichtung zugeführt sind und in dieser zur statistischen Ermittlung der Rohrreibungszahl mit den Messsignalen der Druckmesseinrichtung verknüpft werden.
Die Grundlagen des erfindungsgemässen Verfahrens werden im folgenden beschrieben.
Der hydraulische Druckabfall (Druckhöhenverlust) zwischen zwei Messstellen in einem geraden Rohr wird durch die Formel von Darcy-Weisbach beschrieben :
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wobei h Druckhöhenverlust (m) x Rohrreibungszahl
L Rohrlänge (m)
D Rohrdurchmesser (m) v Strömungsgeschwindigkeit (m/s) g Erdbeschleunigung (m/s) bedeuten.
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Die Rohrreibungszahl x ist als Funktion der Reynoldszahl Re sowie der Rohrrauhigkeit r über einen weiten Parameterbereich aus experimentellen Messungen bekannt. Demnach kann nach
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Wenn man X experimentell bestimmen kann, so kann man den für die Berechnungen üblicherweise herangezogenen Wert der Rohrrauhigkeit r aus Tabellen, Kurven usw. einfach bestimmen. Für die Strömungsgeschwindigkeit gilt : v = q/F, (2) wobei q die Durchflussrate (m3/s) und
F = 3, 14. D2/4 die Rohrquerschnittsfläche (m2) (3) bedeuten ; somit kann die Gleichung (1) vereinfacht angeschrieben werden als
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wobei der effektive Rohrwiderstand a (Proportionalitätsfaktor)
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und nur schwach von q abhängig ist.
Bisherige Verfahren der Messung des Rohrfördervermögens beruhen darauf, dass jeweils für ein Rohrstück bei speziellen künstlichen Bedingungen h und q gleichzeitig gemessen werden und daraus
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errechnet bzw. die obige Gleichung nach x aufgelöst wird. Das heisst, es wird der Proportionalitätsfaktor a zwischen hund q 2 durch direkte Messung der Absolutwerte h und q bestimmt und aus dem Proportionalitätsfaktor die Rohrwiderstandszahl x bestimmt.
Dem erfindungsgemässen Verfahren liegt zugrunde, dass unter normalen Betriebsbedingungen durch eine, dem durch statistische Wasserentnahmen statistisch schwankenden Durchfluss überlagerte, kleine zusätzliche Entnahme ein zusätzlicher bekannter Durchfluss Aq versucht und der dadurch verursachte zusätzliche Druckabfall Ah gemessen wird.
Durch Differentiation der Gleichung (4) nach q erhält man (näherungsweise)
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was wegen (5)
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gleich ist
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woraus sich
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ergibt.
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Computer-Programmes nach a auflösen und daraus x ermitteln.
Die messtechnische Bestimmung des Druckhöhenverlustes h über die Länge des Rohres zwischen den Messstellen auf Grund der Rohrreibung sowie des durch die zusätzliche Entnahme aq zusätzlich verursachten Druckhöhenverlustes Ah wird durch die statistischen Druckschwankungen in einem ausgedehnten Rohrleitungsnetz infolge statistischer Wasserentnahmen erschwert bzw. unmöglich gemacht. Beim herkömmlichen Verfahren war es deshalb notwendig, entsprechend hohe Durchflusswerte (mit all ihren schädlichen Nebenwirkungen) zu erzielen, so dass diese statistischen Messfehler akzeptierbar klein bleiben.
Erfindungsgemäss wird eine starke einmalige Eichentnahme, welche gegenüber den durch statistisch erfolgende Wasserentnahmen verursachten Druckabfällen entsprechend hoch ausfallen müsste, um genau messbare Druckdifferenzen zu erhalten, durch eine Vielzahl von Messungen
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Durchflussänderungen auf Grund statistischer Wasserentnahmen entspricht. Eine Auswertung erfolgt sodann unter Zuhilfenahme der Statistik.
Aus (7) ergab sich
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woraus sich für jede einzelne der vorzunehmenden Messungen ein Rohrwiderstand
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ergibt, der der statistischen Auswertung unterzogen wird.
Die statistische Auswertung kann z. B. durch eine Mittelung der Vielzahl der erhaltenen Messergebnisse und entsprechendes Einsetzen von Mittelwerten der gemessenen Werte in obige Gleichung erfolgen. Durch die Vielzahl der Messperioden heben sich die statistischen, unvorhersehbaren Druckschwankungen immer mehr gegenseitig auf und der durch die synchrone Entnahme (Aq) verursachte Druckabfall (Ah) wird immer genauer bestimmbar ("signal averaging"), so dass Gleichung (7) anwendbar wird. Das erfindungsgemässe Messverfahren erzielt die erforderliche Messgenauigkeit nicht durch Verwendung eines sehr hohen Messdurchflusses, sondern durch die Verwendung der statistischen Mittelung über viele Einzelmessungen.
Die periodische zusätzliche Wasserentnahme kann z. B. mit einem elektronisch gesteuerten Messventil realisiert werden, welches z. B. nach einer Rechteckfunktion periodisch ein- und ausge-
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B.3ich der Druckabfall Ah statistisch ergibt. Zweckmässig kann das elektronisch gesteuerte Entnahmeventil ein Trigger- (Synchronisations-) signal an den für die Aufzeichnung der Druckschwankungen verwendeten Signalanalysator (FFT-Analysator) liefern. Die Ermittlung dieser Durchflussänderung
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mter Zuhilfenahme der messtechnisch ermittelten Rohrrauhigkeiten verbessert.
An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
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Der Druck in einer in Richtung des Pfeiles durchströmten Rohrleitung-l-wird an zwei Hydranten-2-gemessen. Dazu werden Differentialdruckmessgeräte 3'-eingesetzt, die den Druck in der Rohrleitung-l-gegen einen Referenzdruckbehälter --4-- messen. Möglich ist auch die Messung mit einem einzigen, an die Hydranten --2-- angeschlossenen, strichliert angedeuteten Differenzdruckmessgerät-11-. Mit-5-ist ein elektrisch gesteuertes Ventil bezeichnet, dessen Ausströmung Aq entweder in einem Behälter --6-- gemessen oder von einem Durchflusszähler bestimmt wird.
Das Öffnen und Schliessen des Ventils --5-- erfolgt während der Messung immer in gleicher, charakteristischer Weise, um repoduzierbares Ausströmen zu erhalten.
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gemessen und es ergibt sich ein Druckabfall h v ' .
Erfindungsgemäss wird nunmehr sowohl bei geschlossenem Ventil --5-- als auch bei geöffnetem
Ventil --5-- (geringere Drucke) eine Anzahl von Druckmessungen vorgenommen, vorzugsweise in jeweils gleich langen, aufeinanderfolgenden Perioden, und die gemessenen Drucke werden einer Druckaufzeichnungseinrichtung --7-- und einer Auswerteeinrichtung --8-- zur statistischen
Auswertung zugeführt.
Die gemessenen Druckwerte aus der Vielzahl von Messungen können in einem Mittelwertbildet --9-- gemittelt werden und die Differenz der Mittelwerte des Druckabfalls bei offenem Ventil --5-- und bei geschlossenem Ventil --5-- ergeben den Druckabfall Ah.
Das Ventil --5-- kann die Auswerteeinrichtung --8-- bzw. die Aufzeichnungsvorrichtung triggern, um eine mit der zusätzlichen Entnahme synchrone Aufzeichnung zu erhalten. Die einzelnen gemessenen bzw. ermittelten Werte werden schliesslich einem Rechner --10-- zugeführt, der entsprechend Formel (4) bzw. (7) die Rohrreibungszahl x oder gegebenenfalls die Rohrrauhigkeit r errechnet, nachdem ihm die restlichen Parameter D, F, g und L eingegeben wurden.
Die Auswerteeinrichtung --8-- weist entsprechende Zeitschaltungen auf, um die Länge der Messzeiträume und ihre Aufeinanderfolge einstellen bzw. konstant halten zu können.
Vorteilhaft ist es, dass während des Betriebes des Netzwerks gemessen werden kann und Störungen von Verbrauchern vermieden werden, da die durch die definierten Durchflussänderungen im Netzwerk bewirkten Druckänderungen in der Grösse der durch die statistisch im Netzwerk erfolgenden Durchflussänderungen verursachten Druckänderungen liegen bzw. mit diesen grössenmässig vergleichbar sind.
Es ist verständlich, dass an Stelle einer Entnahme, wie zuvor beschrieben, auch eine Zufuhr, d. h. Druckerhöhung, im Netzwerk als Messgrundlage verwendet werden kann, da die gemessenen Druckänderungen in gleicher Weise Druckerhöhungen oder Druckabnahmen sein können.
Eine Zufuhr kann als Entnahme mit negativen Vorzeichen angesehen werden.
Die Zeiten über die gemessen bzw. gemittelt wird, d. h. die Zeiten der aufgeprägten Durchflussänderungen, können untereinander gleich gross sein, und können (müssen nicht) genauso gross sein, wie die Messzeiten für den Druck ohne aufgeprägte Durchflussänderungen, die ihrerseits wieder untereinander gleich gross sind.
Prinzipiell ist es auch möglich, vorerst, d. h. nach jeweils einer Messung, die bei Durchfluss- änderung und ohne Durchflussänderung gemessenen Drucke zu subtrahieren und anschliessend die einzelnen Druckdifferenzen statistisch auszuwerten bzw. zu mitteln.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Bestimmung der Rohrreibungszahl von hydraulischen Netzwerken, z. B.
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