NO309168B1 - Fremgangsmåte og anordning for trykkstyring av fluidtilförsel - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører fremgangsmåte og anordning for trykkstyring av fluidtilførsel, og spesielt fremgangsmåte og anordning for et vanntilførselssystem.

Styring av tilførsel og trykk i en hovedvannledning er en temmelig kompleks operasjon, og tilførselens tilstrekkelighet og infrastruktur varierer fra sted til sted. Tradisjonelt er vannsystemet arrangert slik at et minimum vanntrykk blir opprettholdt ved alle punkter i systemet.

Dette blir vanligvis gjort med referanse til det trykket som er fremherskende ved et antall kritiske punkter, og med det menes de punkter som er høyest over havflaten eller lengst vekk fra tilførselskilden i det distrikt det gjelder. Imidlertid vil det alltid være en betydelig svingning i vannetterspørselen i løpet av dagen og også en betydelig sesongmessig variasjon, slik at det maksimale trykket vanligvis er høyere enn den nødvendige minimale verdi.

Et tradisjonelt system som tidligere beskrevet lider av flere svakheter, inklusive tapet av vesentlige vannmengder som skyldes dårlig rørtilstand i fordelingsnettet, enten dette skyldes alder eller produksjonsmaterialene som ble benyttet. Å opprettholde et høyere trykk enn det som er nødvendig ved et spesielt punkt øker tapet av vannmengden som går tapt av denne grunn, og vil i tillegg forsterke nedbrytningen av systemet.

F.eks. vil et spesielt ledningsnett inkludere en regulerende ventil for å opprettholde^ et på forhånd bestemt trykknivå ved ventilstedet, og det vil også inkludere en mekanisk styreanordning for å holde dette trykknivået på et minimum. Når de er installert, kan imidlertid ikke slike mekaniske styreanordninger justeres på en enkel måte, og således vil, hvis karakteristikkene til systemet ble endret i en eller annen retning, videre utbygning av ledningsnettet eller behov for annet tilleggsutstyr gjøre at styreenheten ikke kan ta dette med i beregningen, og trykknivået blir ikke opprettholdt ved optimal verdi.

Den foreliggende oppfinnelse tilsikter å overvinne dette problemet ved fortrinnsvis å opprettholde det lavest mulige trykk i tilførselsledningene som er i samsvar med opprett-holdelsen av rimelig trykk i avsidesliggende og høytliggende områder og som vil imøtekomme vannetterspørselen. Dette frembringer et styreutstyr for trykket på vanntilførselen som vil gjøre at vanntap gjennom lekkasje sannsynligvis vil bli vesentlig redusert, og nedbrytningen vil bli minsket.

US patent nr. 5047965 omhandler et system der justering av en gassreguleringsventil som har en fjaerbasert membranstyrings-styreventil automatisk utføres ved å levere økende trykk til fjaersiden av membranen via en elektrisk justerbar regu-leringsventil under styring fra en lokal mikroprosessor. US patent 4200911 omhandler en fremgangsmåte for å overvåke vannforbruket gjennom et vannfordelingsnett og fjernstyring av pumper og ventiler som er montert i nettet på basis av forutsagte kravmønstre.

Følgelig frembringer den foreliggende oppfinnelse en anordning for trykkstyring av en fluidtilførsel til bruk i forbindelse med en trykkstyreventil i et system for fluid-tilførsel som inkluderer: et første føleutstyr for å måle fluidtrykket ved et første punkt i nevnte fluidtilførselssystemet,

første styreutstyr som innbefatter en dobbeltkammer-styreventil for å styre trykkstyreventilen til å styre fluidtrykket ved nevnte første punkt i nevnte fluidtilførsel-system ifølge en forskjell mellom trykket som avføles av det første føleutstyret og en forutbestemt trykkverdi, og

fluidtilførsel-trykkstyringsanordning som innbefatter andre styreutstyr for å styre nevnte forutbestemte trykkverdi, og kjennetegnet ved at fluidet er vann, og

det første punktet ved hvilket det første føleutstyret avføler vanntrykket er ved utløpet av trykkstyreventilen og det andre styreutstyret er koblet til det første føleutstyret for derved å motta trykkdata fra det første føleutstyret for derved å justere den forutbestemte trykkverdien,

idet nevnte andre styreutstyr innbefatter et par av solenoidbetjente ventiler som er anordnet i serie, idet nevnte par av solenoidbetjente ventiler er av en type som i alt vesentlig kun krever elektrisk effekt under justering derav, og der en rørledning som er koblet til et første membrankammer i styreventilen går sammen med en forbindelsesledning mellom nevnte solenoidbetjente ventiler, idet én av nevnte solenoidbetjente ventiler er koblet til en kilde for relativt høyt trykk og den andre til en kilde for relativt lavt trykk, idet styretrykket i rørledningen er styrbart ved hjelp av selektiv operasjon av paret av solenoidbetjente ventiler, og der et andre membrankammer i styreventilen er koblet til et hjelpestrømningsrør, hvis motsatte ender er koblet til tappepunkter, henholdsvis oppstrøms og nedstrøms i forhold til trykkstyreventilen.

Det er fordelaktig at den på forhånd bestemte trykkverdien kan justeres med det andre styreutstyret slik at svingninger i fluidets trykknivå kan reduseres ved et andre punkt i systemet. Svingningene kan bli redusert i frekvens, varighet eller på en hvilken som helst annen passende måte.

Vanlige tapsnivåer i et vanntilførselssystem vil vanligvis være mellom 20% og 40$ av den totale vanntilførselen og også høyere enn dette. I et system som omfatter en trykkstyringsanordning for fluidtilførsel i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, kan dette tapet bli redusert med så mye som halvparten. Ikke bare unngår dette vanntap, men det kan også øke levetiden for fluidtilførselssystemet.

I visse praktiske utførelser av den foreliggende oppfinnelse, kan trykkstyringsventilen være en trykkreduserende ventil eller en trykkopprettholdende ventil.

I en første utførelse av den foreliggende oppfinnelse ("styring med trykk/tidsmodulering"), inkluderer anordningen fortrinnsvis et første lagringsutstyr for lagring av data vedrørende et krevet fluidtrykk/tidsforhold, kjent som trykk/tidsprofiler. Den på forhånd bestemte trykkverdien kan så justeres med det andre styringsutstyret i samsvar med nevnte trykk/tidsdata for fluidet.

De på forhånd bestemte trykk/tidsprofilene vil vanligvis kunne utledes fra historiske data, muligens vedrørende et fjernt punkt eller punkter i systemet. Slike profiler kan bli nedlagret i hukommelsen for en hvilken som helst ønsket periode, og en uke kan være passende for å gi mulighet for døgnlige variasjoner og belastningsmønster for helgene. Videre, mens én profil kan være tilstrekkelig til å kompensere for daglige/ukentlige variasjoner i vannetterspørselen, kan forskjellige profiler i alminnelighet også bli krevet i bruk i forbindelse med årstidsvariasjoner, og for å møte unormal etterspørsel etter vann.

For å bli selvregulerende, kan et større antall forskjellige profiler lagres i hukommelsen for å representere endringer i sesongmessige forhold, f.eks. en vinterprofil, en sommerprofil og en vår/høstprofil. I et selvstyrende system slik som dette kan vekslingen mellom profilene bli utløst f.eks. av: 1) overgang fra en årstid til en annen (spesielt i områder hvor befolkningen øker sterkt fra tid til tid på grunn av

turisme)

2) variasjoner I distribusjonssystmet, idet det med dette menes f.eks. tilførsel av vann til et distrikt fra en alternativ tilførselskilde.

For å håndtere unormal etterspørsel eller en nødsituasjon, kan den første utførelsen inkludere vendeutstyr for å vende det andre styringsutstyret til en alternativ tilstand hvori den på forhånd bestemte trykkverdien ikke lenger er justerbar i samsvar med nevnte trykk/tidsdata. Istedenfor kan trykket økes med en fast verdi, eller en annen trykkprofil kan benyttes som erstatning.

I en annen utførelse av den foreliggende oppfinnelse kan en trykkstyringsanordning for fluidtilførselen inkludere et andre føleutstyr for å måle fluidstrømmen ved et første punkt i systemet, og et første lagringsutstyr for å lagre data vedrørende et krevet trykk/strømningsforhold for fluidet. Den på forhånd bestemte trykkverdien kan så justeres med det andre styringsutstyret i samsvar med trykk/strømningsdata for fluidet.

I et spesielt system vil en viss strømningsmengde være tilnærmet kjent og resultere i et visst trykk ved et hvilket som helst gitt punkt i systemet. Hvis strømningen blir målt, så kan trykket som trengs ved det første tilførselspunktet for å opprettholde et visst punkt ved et andre forbrukspunkt beregnes. Det andre styringsutstyret inneholder derfor data vedrørende det krevde trykk i forhold til strømningsmengden.

En slik anordning er spesielt nyttig i situasjoner hvor man må tilfredsstille krav om nødtilførsel i systemet, f.eks. hvor man kan forvente behov for vann til brannslukning, siden styreenheten fortrinnsvis automatisk vil innstille seg på å øke trykknivåene og følgelig øke strømningen.

Det andre føleutstyret kan inkludere en strømningsmåler for fluidet plassert ved et første punkt i systemet, eller den kan alternativt inkludere detektorutstyr for å påvise drift av eller parameter for den trykkreduserende ventilen, og trykkføleutstyr til å måle fluidtrykket både oppstrøms og nedstrøms for den trykkreduserende ventilen.

I det sistnevnte tilfellet måler detektorutstyret fortrinnsvis stillingen til den trykkstyrende ventilen (som er propor-sjonal med strømningen) og trykkføleutstyret måler trykkfallet over ventilen. Ut fra disse målingene kan fluid-strømmen gjennom ventilen beregnes dersom de nødvendige karakteristikkene til ventilen er kjent.

Den andre utførelsen inkluderer fortrinnsvis et andre lagringsutstyr hvori målinger av strømningen fra det andre føleutstyret kan lagres. Disse målingene blir gjennomsnitts-beregnet i løpet av en tidsperiode, muligens av det andre styringsutstyret, for å gi en gjennomsnittsverdi for fluidstrømmen som så kan benyttes til trykkberegninger.

Det første styringsutstyret innbefatter en styreventil for å styre den trykkreduserende ventilen, plassert i et hjelpe-strømningsrør, hvis motsatte ende er koblet til tappepunkter henholdsvis oppstrøms og nedstrøms i forhold til trykkreduseringsventilen, og styreventilen er fortrinnsvis regulert av det andre styreutstyret.

Det andre styringsutstyret styrer styreventilen ved å justere trykket i en rørledning som er i forbindelse med et membrankammer i styreventilen, idet dette trykket kan styres av et par elektrisk drevne ventiler montert i serie hvor rør-ledningen er koblet til forbindelsesledningen mellom ventilene. En av ventilene kan kobles til en kilde med relativt høyt trykk, og den andre til en kilde med relativt lavt trykk og det styrende trykket i rørledningen kan styres ved selektiv drift av ventilparet.

En eller begge av de to ventilene kan være vanlige lukkede solenoidventiler som blir drevet ved å stenge inne et avgrenset volum ved kjent trykk. Solenoidene kan bli pulsstyrt for å øke eller minske trykket og følgelig justere det hydrauliske settpunktet til pilotventilen. På denne måten blir det bare brukt effekt til å justere solenoidene. Så snart det hydrauliske settpunktet er satt vil trykkstyringsventilen og styreventilen fortsette å fungere som normalt.

Ved å styre styreventilen på denne måten, kan trykket i systemet styres med laveffektsanordninger. En styreanordning for fluidtilførsel i samsvar med den foreliggende oppfinnelse kan være batteridrevet, og det er mulig å drive anordningen i tre til fem år med effekten fra et lite batteri. Dette gjør det mulig å plassere anordningen i nærheten av en trykkstyringsventil uten at det er behov for tilkobling til hovedkraftkilden. Muligens kan batteriet plasseres fjernt fra styreanordningen, f.eks. nærmere jordoverflaten, og det vil derfor være lettere tilgjengelig for reparasjon eller utskiftning.

Styresignalet anvendt på styreventilen vil fortrinnsvis bli tilført i pulser, idet lengden på pulsene vil variere i samsvar med et feilsignal som kommer fra forskjellen mellom det krevede og det målte trykket. Styresignalet anvendt på styreventilen vil fortrinnsvis bli anvendt i samsvar med et terskelprinsipp. Med det menes at styresignalet bare vil bli virksomt når trykket i strømningsretningen ligger utenfor et på forhånd bestemt feilbånd.

Det andre styreutstyret (muligens en datalogger eller styreenhet) kan være "selvlærende", dvs. det kan være slik at det anvender et styresignal i en viss tidsperiode, måler den resulterende trykkendring i forhold til den krevede trykkendring, og så utfører en styrefunksjon i en passende tidsperiode for å frembringe den krevede endring.

Anordningen for trykkstyring av fluidtilførselen bør fortrinnsvis inkludere hukommelsesutstyr for lagring av data i forbindelse med drift av anordningen. Denne hukommelsen kan f.eks. nås enten direkte eller telemetrisk.

En hvilken som helst av eller alle de følgende deler: det første styringsutstyret, det andre styringsutstyret, det første lagringsutstyret, det andre lagringsutstyret og hukommelsesutstyret kan inkludere en datalogger eller en datamaskin.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer også en fremgangsmåte for styring av vanntrykknivået ved et andre punkt i et vanntilførselssystem som inkluderer de følgende trinn: (i) måling av vanntrykket ved et første punkt I vann-tilførselssystemet ved å benytte det første føle-utstyret, idet det første punktet er utløpet fra en trykkstyringsventil, (ii) anvendelse av det første styringsutstyret som innbefatter en dobbelt-kammer styreventil til å styre trykkstyringsventilen for å styre vanntrykket ved det første punktet i systemet i samsvar med en forskjell mellom trykket målt av det første føleut-styret og en på forhånd bestemt trykkverdi, og (lii) justering av den forutbestemte trykkverdien som anvender det andre styreutstyret som mottar trykkdata fra det første føleutstyret, idet nevnte andre styreutstyr innbefatter et par av solenoidbetjente ventiler som er anordnet i serie, idet nevnte par av solenoidbet jente ventiler er av en type som i alt vesentlig kun krever elektrisk effekt under justering derav, og der en rørledning som er koblet til et første membrankammer i styreventilen er sammenføyet med en forbindelsesledning mellom nevnte solenoidbetjente ventiler, idet én av nevnte solenoidbetjente ventiler er koblet til en kilde som har relativt høyt trykk og den andre til en kilde som har relativt lavt trykk, idet styretrykket i rørledningen kan styres ved selektiv betjening av nevnte par av solenoidbet jente ventiler, og der et andre membrankammer i styreventilene er koblet til et hjelpestrømningsrør, hvis motsatte ender er koblet til tappepunkter

henholdsvis oppstrøms og nedstrøms i forhold til trykkstyringsventilen, og (iv) selektivt å betjene nevnte par av solenoidbetjente ventiler for å styre fluidtrykket i nevnte rørledning i henhold til nevnte forutbestemte trykkverdi.

I en fremgangsmåte for styring av trykk/tidsmodulering, vil det andre styringsutstyret justere den på forhånd bestemte trykkverdien i samsvar med data vedrørende et krevet trykk/tidsforhold for fluidet.

I en fremgangsmåte for styring av strømningsmodulering, blir føleutstyr for fluidstrømmen benyttet til å måle fluid-strømmen ved det første punkt i systemet, og den på forhånd bestemte trykkverdien blir justert av det andre styringsutstyret i samsvar med data vedrørende krevet fluidtrykk/ strømningsforhold.

TJtførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet med henvisning til de medfølgende tegninger hvori: Fig. 1 er en skjematisk fremstilling av et vanlig vann- tilførsel ssy st em ; Fig. 2 viser et antall trykk/tidskurver for to punkter i et vanntilførselssystem både med og uten trykkstyringsanordning for fluidtilførsel i samsvar med en utførelse av den foreliggende oppfinnelse; Fig. 3 viser skjematisk tre utførelser av den fore liggende oppfinnelse; Fig. 4-9 viser grafiske fremstillinger av utslippstrykket (ved et punkt A), kritisk knutepunktstrykk (ved et punkt B) og total fluidstrøm på to forskjellige steder; Fig. 10 viser et tegnet diagram av et trykkstyrings-system for fluid i samsvar med en utførelse av den foreliggende oppfinnelse; Fig. 11 er en grafisk fremstilling av hvordan utløps-trykkets standard avvik fra en regulators midlere innstilling kan variere avhengig av strømningen; Fig. 12 er en grafisk fremstilling av anvendelsen av

styresignaler i korte pulser på en styreventil;

Fig. 13 er en grafisk fremstilling av anvendelsen av

styring i samsvar av et terskelprinsipp; og

Fig. 14 er en grafisk fremstilling av anvendelsen av

styresignaler.

Figur 1 viser et skjematisk bilde av et eksempel på et vanntilførselssystem. Hovedvanntilførselen er langs ledning 50, og trykket ved punkt A blir regulert av en ventil 10. Vannet blir så ført til et antall sluttbrukere, hvorav den som er lengst vekk (punkt B) er gitt nummer 52.

Det vil forstås at etterspørselen etter vann svinger i løpet av dagen, og den kan også variere med ukedagen og årstiden.

I et vanlig tilførselssystem vil en viss mengde vann (muligens mellom 20$ og 40$) gå tapt gjennom lekkasje som f.eks. skyldes nedslitte rør. Lekkasjemengden er avhengig av vanntrykket ved et hvilket som helst spesielt punkt i systemet, idet lekkasjen øker med trykket. Hvis det blir en reduksjon i strømningen/etterspørselen, så vil trykket i systemet stige og lekkasjen øke, likesom påkjenningen eller slitasjen på fordelingsnettet.

Da strømningen gir en trykkreduksjon, vil følgelig trykket ved punkt B være mindre enn det ved punkt A. Videre, siden trykkfallet øker med strømningsmengden, så vil trykktapet være størst på de tider hvor strømningen er størst. Dette kan man se ut fra kurvene i figur 2. Formålet med oppfinnelsen er å styre trykket slik at dette trykktapet tas i betraktning.

I fremgangsmåten for styring av trykk/tidsmodulering, vil det andre styringsutstyret justere en på forhånd bestemt trykkverdi i samsvar med data vedrørende et krevet trykk/- tidsforhold for fluidet.

I fremgangsmåten for strømningsmodulering blir føleutstyr for fluidstrømmen benyttet til å måle fluidstrømmen ved et første punkt i systemet, og en på forhånd bestemt trykkverdi blir justert av det andre styringsutstyret i samsvar med data vedrørende et krevet trykk/strømningsforhold for fluidet. Figur 2.1a er en grafisk fremstilling av trykk avsatt mot tiden for vanntrykket ved punkt A i figur 1 i et konvensjonelt vanntilførselssystem. I et konvensjonelt system blir dette opprettholdt på et relativt høyt konstant nivå (gitt en verdi x). Det ble holdt på dette høye nivå for å sikre at vanntrykket ved punkt B aldri faller under et på forhånd bestemt minimumsnivå (verdi y i figur 2.1b). Figur 2.1b viser den vanlige trykk/tidsfordelingen ved punkt B i løpet av dagen. På tider med lavest forbruk, f.eks. tidlig om morgenen og sent om aftenen, er trykkfallet redusert og trykket ved punkt B er på sitt høyeste. Tilsvarende, på tider med høyest forbruk (Tl, T2), vil trykkfallet være på sitt høyeste og trykket ved punkt B på sitt laveste (verdi y).

Den foreliggende oppfinnelse har som mål å redusere svingningene i trykknivået ved punkt B og å holde trykket ved punkt B på et minimum på et hvilket som helst tidspunkt. Ved å gjøre dette kan mengden som lekker ut reduseres og levetiden på ledningsanlegget forlenges. Reduksjoner på opptil 50$ i mengden vann som lekker ut kan oppnås.

Figur 2.2b viser en ideell situasjon hvor trykknivået ved punkt B blir holdt på en verdi y hele tiden. For å oppnå dette, blir trykket ved punkt A variert i løpet av dagen i samsvar med forholdet som er vist i figur 2.2a. På tider hvor fluidstrømmen er størst, og følgelig tapet og trykkfallet også størst (ved tiden Tl og T2), må trykket ved punkt A økes. Til andre tider kan trykket ved punkt A bli redusert tilsvarende.

Den foreliggende oppfinnelse betrakter to måter å styre trykket ved punkt A for å redusere svingninger i trykket ved punkt B: "trykk/tidsprofilmodulering" og "strømnings-modulering". Figur 3 viser et skjematisk bilde av en utførelse av trykk/tidsprofilmoduleringen (figur 3a) og to bilder av utførelsen med strømningsmodulering (figur 3b og figur 3c).

I figur 3a blir trykket ved punkt A styrt av ventilen 10 som igjen blir styrt av en styreenhet 24. Styreenheten 24 lager et antall trykk/tidsprofiler vedrørende det spesielle systemet, og i tillegg mottar det data om det gjeldende trykknivået ved punkt A.

De på forhånd bestemte trykk/tidsprofilene vil vanligvis bli utledet fra historiske data. Slike profiler kan være nedlagret i hukommelsen for en hvilken som helst ønsket periode. En uke kan være passende for å inkludere endringer i løpet av døgnet og spesielle ukesluttsmønstre. Videre, selv om en profil kan være tilstrekkelig til å kompensere for daglige/ukentlige variasjoner i vannetterspørselen, så vil det også vanligvis være påkrevet med forskjellige profiler for forskjellige tider av året for å møte unormal vann-etterspørsel.

For å bli selvregulerende, kan et større antall forskjellige profiler lagres i hukommelsen for å representere sesongmessige endringer, f.eks. en vinterprofil, en sommerprofil og en vår/høstprofil. I et selvstyrende system som dette kan veksling mellom profilene utløses av f.eks.:

1) overgang fra en årstid til en annen (spesielt i områder hvor befolkningen øker sterkt fra tid til annen på grunn av turisme) 2) variasjoner i fordelingssystemet, idet det med dette menes f.eks., tilførsel av vann til et distrikt fra en alternativ tilførselskilde. Figur 3b viser en utførelse av styring med strømnings-modulering, hvor styreenheten 24 også mottar data fra en strømningsmåler 52 som måler fluidstrømmen i rørledning 50. Siden det i et spesielt system er kjent at en viss strøm-ningsmengde vil gi et visst trykktap, kan, hvis strømningen blir målt, det trykket ved punkt A som er nødvendig for å opprettholde et visst trykk ved punkt B beregnes. Styreenheten 24 inneholder derfor data vedrørende det krevede trykk i forhold til strømningsmengden. En vanlig grafisk fremstilling kan ses i figur 3b hvor det krevede trykk øker i samsvar med strømningen med en stigning som er sterkere enn den lineære stigning. Figur 3c viser en alternativ fremgangsmåte for utførelse av styring med strømningsmodulering. Normalt har ventilen 10 en spindel forbundet med det element som blir benyttet til å åpne og lukke ventilåpningen. Således vil spindelen bevege seg opp og ned når åpningen justeres. Følgelig kan, hvis karakteristikkene til den spesielle ventilen er kjent, strømningen gjennom ventilen bli utledet fra spindelens posisjon og trykkdifferensialet over ventilen. I denne utførelsen mottar styreenheten 24 trykkinformasjon både oppstrøms og nedstrøms for ventilen 10 og i tillegg mottar den posisjonsinformasjon vedrørende ventilspindelen. Trykkberegninger blir så utført på en tilsvarende måte som for utførelsen i figur 3b. Figurene 4 til 6 viser grafiske fremstillinger av henholdsvis utslippstrykket (ved punkt A), kritisk knutepunktstrykk (ved punkt B) og total strømningsmengde gjennom regulerings-

ventilen, alle for et første system. For de første tre dagene (fra lørdag til tirsdag morgen) viser kurvene drift av et system uten en trykkstyringsanordning for fluidet ifølge den foreliggende oppfinnelse. Det kritiske knutepunktstrykket kan ses og variere meget fra over 70 meter på tider med lav strømning til under 20 meter på tider med høy strømning.

På tider hvor, som i dette eksemplet, det kritiske knutepunktstrykket er under 20 meter, må eventuelt vannverket kompensere forbrukeren for tap av tilstrekkelig trykk. I et konvensjonelt system kan imidlertid ikke prosenten bare øke det totale midlere utløpstrykk for å heve det kritiske minimumstrykket for knutepunktet over 20 meter, siden dette vil resultere i et maksimalt kritisk knutepunktstrykk (på tider med lav strømning) på over 80 meter. Dette ville kunne resultere i øket slitasje på systemet og til og med sprengte rørledninger i perioder med høyt trykk.

I de neste tre og en halv dager (tirsdag morgen til fredag) blir en trykkstyringsanordning for fluid i samsvar med den foreliggende oppfinnelse benyttet i systemet. Det kan ses at den totale strømningen fremdeles dekker forbrukerens etterspørsel, men utslippstrykket varierer for å opprettholde en mer jevn verdi for det kritiske knutepunktstrykket. Som en følge av dette blir det kritiske knutepunktstrykket opprettholdt over minimumsnivået på 20 meter, og det stiger ikke så dramatisk i perioder med lav strømning.

I tillegg vil lekkasjemengden reduseres som en følge av en trykkreduksjon på tider med lav strømning. Dette blir mer tydelig på tider med lavt forbruk, når strømningen blir redusert til litt over to kubikkmeter pr. time. Det er mer merkbart ved disse punktene da størstedelen av strømmen på tidspunkt med liten etterspørsel (muligens rundt 75$) faktisk er lekkasje.

Figurene 7 til 9 viser et tilsvarende sett med kurver for et andre system. I disse figurene er for den første tidsperioden (mandag til torsdag) en styringsanordning for fluidtil-førselen i samsvar med den foreliggende oppfinnelse benyttet i systemet. Igjen blir trykket ved det kritiske knutepunktet holdt på et mer konstant nivå, og utslippstrykket blir redusert fra sitt maksimale på rundt 46 meter til grovt regnet 30 meter på tider med lav etterspørsel. For tidsperioden torsdag aften til søndag virker tilførselssystemet på vanlig måte, og utslippstrykket blir opprettholdt på grovt regnet konstant 46 meter. Følgelig stiger det kritiske knutepunktstrykket til rundt 44 meter på tider med lav etterspørsel, og strømningen, på tider med lav etterspørsel, kan ses å stige til rundt 30 kubikkmeter pr. time, dvs. svinnet øker.

I det vanntrykksstyringssystemet som er vist i figur 10, regulerer den membrandrevne trykkstyringsventilen 10 trykkdifferensialet mellom oppstrømstrykket (i hovedledning 12) og nedstrømstrykket (i hovedledning 14). Trykkstyringsventilen 10 kan normalt være en trykkreduserende eller en trykkopprettholdende ventil.

Ventilen 10, som er en vanlig membrandrevet trykkstyringsventil, blir styrt av en styreventil 16 plassert i en ekstra strømningsledning 18, der de motstående ender av denne er forbundet med tappepunkter oppstrøms respektive nedstrøms for stengningselementet 11 i styringsventilen 10. En venturi 20 er anbrakt i den ekstra strømningsledningen, og til den er det koblet en ledning 22 som står i forbindelse med membrankammeret i ventil 10.

Under drift ble vannets utslippstrykk som virker på under-siden av membranen 13 i ventil 10, balansert av kraften fra fjær 15 som virker over denne, og av vanntrykket som står i forbindelse med membrankammeret gjennom rørledning 22. Et trykkfall ved utslippsenden til ventil 10 resulterer i en øket vannstrøm gjennom den ekstra strømningsledningen 18. Dette vil igjen redusere vanntrykket i membrankammeret i ventil 10 slik at sistnevnte vil åpne seg mer for å gjenopprette utslippstrykket. En økning av utslippstrykket ut over den på forhånd bestemte verdien justert ved innstilling av fjær 15 resulterer i en øket vannstrøm gjennom den ekstra strømningsledningen 18. Dette vil igjen øke vanntrykket i membrankammeret i ventil 10 slik at sistnevnte bevirkes til delvis lukke seg for å føre utslippstrykket tilbake til det satte trykket.

Vanligvis ville denne anordningen bli benyttet for å opprettholde et konstant trykknivå ved dette punktet i systemet.

Anordningen inkluderer en styreventil 16, som skiller seg fra en standard styreventil ved at den har to membrankammere 17 og 19, i motsetning til en normal styreventil som bare har ett kammer. Trykket i forspenningskammeret blir justert ved å benytte to solenoider - den ene til å øke trykket, dvs. åpne for vanntilførselen, og den andre til å minske trykket, dvs. åpne mot atmosfæren. Dette vi bli beskrevet i mer detalj nedenfor.

I de to membrankammerne 17 og 19 i styreventilen, blir summen av de to trykkene som virker oppover inne i de nevnte to membrankammere, balansert av kraften fra den justerbare kompresjonsspiralfjæren 21 som virker nedover på stengningselementet 23.

Vanntrykket nedstrøms eller områdets vanntrykk virker i det første membrankammer 17 I styreventilen og har en tendens til å begrense strømningen gjennom ventilen 10 når trykket ute i området øker.

Hvis trykket i hovedlednig 14 faller under det satte trykket i styreventil 16, dvs. det trykket i hovedvannledningen som justeringen av fjæren 21 er satt til å gi, vil styreventilen åpne seg mer for å øke vannst rømmen gjennom den ekstra strømningsledningen 18. Dette gjør at ventilen 10 vil åpne seg mer som en følge av nedsatt trykk i ledning 22, for på denne måten å gjenopprette trykket i hovedledning 14 til den satte verdi for styreventil 16.

Imidlertid er styreventilen selv regulert av en elektronisk styreenhet, generelt kalt 24, som varierer trykket i rørledning 32 som står i forbindelse med det andre membrankammer 19, slik at en økning av trykket i rørledningen 32 også har en tendens til å begrense vannstrømmen gjennom styreventilen. I begge tilfeller gjør den reduserte vann-strømmen gjennom den ekstra strømningsledningen 18 at trykket i ledning 22 faller slik at ventil 10 vil åpne seg mer.

Den elektroniske styreenhet, generelt kalt 24, som regulerer styreventilen 16, kan inkludere en datalogger eller datamaskin for å fremskaffe opplysninger om vanntilførselen til et distrikt, i kombinasjon med ytterligere programvare, eller programvare pluss maskinvare, for å regulere styringen av vanntrykket til det distrikt det gjelder.

Den elektroniske styreenhet 24 omfatter de respektive inngangsseksjonene 38, 40 som har trykk-transduserutstyr og analog-digitalt omformerutstyr for datainngang til en sentralenhet (CPU) gjennom grenseflate 42. Styreenheten kan utføre en dataloggers vanlige funksjoner med å lagre data utledet fra inngangene 38, 40 i en hukommelse 44 som tillater telemetrisk utlesning av data med visse mellomrom.

Styreenheten har forbindelse gjennom rørledningene 26 og 28 for å måle de respektive vanntilførselstrykkene oppstrøms og nedstrøms i styresystemet. Enheten er også utstyrt med styreforbindelser gjennom en rørledning 30 fra oppstrømsenden til den ekstra strømningsledningen 18 og strømningsledningen 32 til styreventilen 16.

Trykket i rørledningen 32 blir bestemt med et par solenoiddrevne ventiler 34 og 36 anbrakt i serie i rørledning 30. Rørledningen 32 er koblet til forbindelseslinjen mellom de to solenoiddrevne ventilene som vist. Vann som strømmer gjennom ventil 36 (dette behøver bare være noen få vanndråper av gangen på et hvilket som helst tidspunkt) blir forkastet; ventileringen til ventil 36 blir derfor opprettholdt på atmosfærisk trykk.

Styretrykket i rørledning 32 blir så bestemt ved selektiv drift av ventilene 34, 36 på følgende måte: Oppstrømsenden av den ekstra strømningsledningen 18, som står i forbindelse med vannet i hovedledning 12, blir opprettholdt på et trykk som er vesentlig høyere enn atmosfæretrykket. På denne måten kan, ved selektiv drift av de to solenoiddrevne ventilene 34 og 36, vanntrykket i rørledning 32 styres mellom verdier som blir bestemt av disse to trykkene, dvs. trykket i hovedvannledningen og det atmosfæriske trykket.

På denne måten, med ventilen 34 holdt oppe og ventilen 36 holdt lukket, ville rørledningen 32 ha det samme trykket som rørledningen 30, mens med ventilen 34 holdt lukket og ventilen 36 holdt oppe ville trykket inne i det andre membrankammeret i styreventilen være det samme som det statiske trykket i rørledning 32, dvs. ved minimalt trykk ikke mye høyere enn atmosfæretrykket. I praksis vil det krevede styretrykket ligge mellom disse to ytterpunktene, og det vil bli frembrakt ved at ventilene 34 og 36 blir åpnet og lukket, hver for seg, i meget korte tidsperioder for å frembringe ørsmå endringer i trykket i rørledning 32.

Den ene eller begge de to ventilene kan være vanlige lukkede solenoidventiler, som blir drevet ved å inneslutte et avgrenset volum ved kjent trykk. Solenoidene kan være pulsdrevet til å øke eller minske trykket og følgelig justere det hydrauliske settpunktet i styreventilen. På denne måten er det bare nødvendig å benytte effekt til å justere solenoidene. Så snart det hydrauliske settpunktet er satt, vil trykkstyringsventilen og styreventilen fortsette å virke som normalt.

Styringen som blir påført styreventilen, vil fortrinnsvis bli påført i pulser og, lengden av pulsene blir variert i samsvar med et feilsignal som skyldes forskjellen mellom det krevede og det målte trykket. Fortrinnsvis vil også styringen, påført styreventilen, bli påført i samsvar med et terskelprinsipp, dvs. slik at styringen bare blir operativ når nedstrøms-trykket ligger utenfor et på forhånd bestemt feilbånd.

Loggeren eller styreenheten kan være "selvlærende", dvs. den kan være slik at den påfører en styring en elementær tidsperiode, måler den resulterende trykkendringen i forhold til den trykkendring som kreves og så utfører en styrefunksjon i en passende tidsperiode som trengs for å gjennom-føre den krevede endring.

En styrende teknikk vil nå bli forklart, ved eksempelet i figur 11 som er et tegnet diagram av hvordan, innen vannsystemet, standard avviket av fluidtrykket i forhold til den midlere innstillingen kan variere i samsvar med strømning, dvs. i samsvar med vannetterspørselen.

Som vist er det minste avvik ved lave strømningshastigheter og det største avvik ved full strømning. Dataloggeren eller styreenheten kan være slik at den kan måle trykket hvert 1/10 sekund og utlede en serie med målinger. En samleperiode ble valgt, f.eks. 5 minutter. I løpet av denne perioden kan verdiene av Pmaks og Pmin bli overvåket og lagret i logger-hukommelsen. Ved å benytte en integreringsteknikk er det så mulig å diagnostisere om strømningen gjennom ventilen er unormalt høy for den spesielle sesongen og, hvis så, veksle over til en høyere profil i løpet av dagen.

Med referanse til figur 12 kan styring bli påført i korte pulser for å unngå oscillerlnger (ustabil tilbakekoblings-sløyfe), og lengden av hver puls blir variert i samsvar med forskjellen mellom krevet og faktisk trykk (dvs. i samsvar med et feilsignal).

I tillegg kan, som vist i diagrammet i figur 13, styring bli påført i samsvar med et såkalt terskelprinsipp. I figur 13 er det krevet et trykk representert ved linje rp_. En linje umiddelbart under linjen rp<_> representerer det krevede trykk minus en på forhånd bestemt terskelverdi, mens en linje umiddelbart over linjen rp_ representerer krevet trykk minus den på forhånd bestemte terskelverdien.

Denne oppstillingen er slik at mens det målte trykket ligger innenfor feilbåndet til rp+ terskelverdien vil styringen forbli inaktiv. Styring blir bare operativ når det målte trykket ligger utenfor feilbåndet. Dette er for å oppnå det lavest mulige forbruk av batterieffekt i dataloggeren.

Styring blir således optimalisert med et minimum antall av styreoperasjoner for å forbruke den lavest mulige effekt-mengde.

Dataloggeren eller styreenheten kan faktisk være "selvlært". Med henvisning til figur 14, påfører loggeren, i en testfase, et styresignal i en elementær tidsperiode Et og måler den resulterende endring i trykket Ep_. Gradienten Ep/Et er den første orden eller tilnærming av integraluttrykket som blir benyttet i styresløyfen. Så snart verdien av Ep/Et er blitt utledet, blir dette benyttet til å starte den første styreoperasjonen. Etter denne blir en ny verdi av Ep/Et beregnet.

Denne selvavstemmende teknikken kan anvendes separat på begge ventilene 34 og 36, og ved hjelp av dette kan loggeren frembringe et styretrykk i ledning 32 (se figur 1) til å styre driften av styreventil 16.

Forskjellige modifiseringer kan gjøres. F.eks., istedenfor å ta en vannstrøm med høyt trykk fra den ekstra strømnings-ledningen 18, kunne det være en tilførsel av flaskegass for mating av et styrt fluidtrykk til det andre membrankammer 19 i styreventil 16 via ventil 34 og rørledning 32.

En av fordelene med en anordning for trykkstyring av et fluid i samsvar med den foreliggende oppfinnelse er at det er kompakt og kan bli drevet i en lang periode f.eks. 3-5 år, av et batteri med relativt lav effekt. På denne måten kan det plasseres på eller nær en trykkstyrende ventil uten at det kreves elektrisk kraft fra hovedledningen. Ved å benytte en styreventil til å styre hovedtrykkstyringsventilen, kan store trykk bli styrt ved å benytte relativt små effektmengder. I tillegg kan styreventilen i samsvar med den foreliggende oppfinnelse gi den nødvendige regulering for å opprettholde den krevede, på forhånd bestemte, trykkverdi ved trykkstyringsventilen.

I en utførelse ("trykkprofUstyring") av den foreliggende anordning, lagrer hukommelsen 44 også et antall av krevede trykk/tidsprofiler for vanntilførselsstrømmen i hovedledning 14. Sentralenheten CPU er utstyrt med utstyr for å sammen-ligne datainngangene fra seksjonene 38, 40 med de lagrede trykkprofilene og for å gi igangsettende utgangssignaler til ventilene 34, 36 gjennom grenseflaten 46. På denne måten kan ventede variasjoner i vannetterspørselen forutses, og et mer uniformt nedstrømstrykk kan bli opprettholdt samtidig som det sikres at vann med passende trykk når de fjerneste og høyeste ytterpunktene i det gjeldende distriktet.

Trykkstyringsanordningen for vann som er beskrevet er fortrinnsvis i stand til å opprettholde tilførselstrykk til alle tider med det lavest mulige trykk som står i et rimelig forhold til vannetterspørselen fra forbrukere som bor lengst vekk og høyest over havflaten. Anordningen gir også en økonomisk måte til å oppnå logging og styrefunksjoner inne i ett instrument.

Utstyr kan frembringes for å vende styreutstyret til en alternativ tilstand for å øke vanntilførselen etter innvirkning av nevnte trykkreduserende ventil som en reaksjon på et signal som viser en unormal høy etterspørsel etter vann, og/eller som en reaksjon på et på forhånd bestemt mini-mumstrykksignal fra et kritisk punkt i det angjeldende distrikt. Ved å vendes til en alternativ tilstand, kan systemet ta i bruk en annen trykk/tidsprofil, eller det kan øke nedstrømstrykket eller trykket i området med en på forhånd bestemt verdi.

Utstyr for å vende styreutstyret til en alternativ tilstand for å øke vanntilførselen etter innvirkning av den trykkreduserende ventilen, kan bli satt i gang som en reaksjon på et signal på et kritisk punkt som indikerer et på forhånd bestemt minimumstrykk ved det punktet. Dette kan enten være som et tillegg eller alternativ til et signal som indikerer en unormal høy etterspørsel etter vann. Det kan være et antall slike kritiske punkter, og disse kan enten ligge på avsidesliggende steder eller i høyden.

I en annen utførelse ("strømningsmodulering"), inneholder hukommelsen 44 data vedrørende trykk og strøm. Som forklart i forbindelse med figurene 3b og 3c, kan trykket som kreves ved punkt A bli utledet fra måling av strømningen som passerer gjennom punktet A. I denne utførelsen er det så ikke nødvendig å benytte trykk/tidsprofilmodulering.

Claims (17)

1. Anordning for trykkstyring av fluidtilførsel for bruk i forbindelse med en trykkstyrende ventil (10) i et fluid-tilførselsystem, der trykkstyringsventilen innbefatter: første føleutstyr (28, 40) for å avføle fluidtrykket ved et første punkt i nevnte fluidtilførselsystem, første styreutstyr som innbefatter en dobbeltkammerstyre-ventil (16) for å styre trykkstyringsventilen (10) til å styre fluidtrykket ved nevnte første punkt i nevnte fluidtilførselsystem i henhold til en forskjell mellom trykket som avføles av det første føleutstyret og en forutbestemt trykkverdi, og der styreanordningen for fluidtilførselstrykk innbefatter andre styreutstyr (24) for å styre nevnte forutbestemte trykkverdi, karakterisert ved at fluidet er vann, og at det første punktet ved hvilket det første føleutstyret avføler vanntrykket, er ved utløpet av trykkstyringsventilen og det andre styreutstyret er koblet til det første føleutstyret for derved å motta trykkdata fra det første føleutstyret for derved å justere den forutbestemte trykkverdien, idet nevnte andre styreutstyr innbefatter et par av solenoidbetjente ventiler (34, 36) som er anordnet i serie, idet nevnte par av solenoidbetjente ventiler er av en type som i alt vesentlig kun krever elektrisk effekt under justering derav, og der en rørledning (32) som er koblet til et første membrankammer (19) av styreventilen er sammenføyet med en forbindelsesledning mellom nevnte solenoidbetjente ventiler, idet én av nevnte solenoidbetjente ventiler er koblet til en kilde som har relativt høyt trykk og den andre til en kilde som har relativt lavt trykk, idet styretrykket i rørledningen kan styres ved selektiv betjening av paret av solenoidbetjente ventiler, og der et andre membrankammer (16) i styreventilen er koblet til et hjelpe-strømningsrør (18) hvis motsatte ender er forbundet med tappepunkter henholdsvis oppstrøms og nedstrøms i forhold til trykkstyringsventilen.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at minst én i paret av solenoidbetjente ventiler er en normalt lukket solenoidventil, som er betjenbar til å fange et avtettet fluidvolum, og er pulserbart til å øke eller minske trykket i avtettede fluidvolum og derved justere trykket i nevnte rørledning.

3. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den innbefatter et batteri for å levere elektrisk effekt til nevnte par av solenoidventiler.

4 . Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den forutbestemte trykkverdien er justerbar ved hjelp av det andre styreutstyret for å redusere variasjoner eller svingninger i vanntrykket ved et andre punkt i systemet.

5. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den innbefatter første lagringsmiddel for lagring av data som er relatert til et ønsket forhold mellom vanntrykk og tid, og der den forutbestemte trykkverdien er justerbar ved hjelp av det andre styreutstyret i henhold til nevnte vanntrykk/tiddata.

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved vendeutstyr for vending av det andre styreutstyret til en alternativ tilstand, der i nevnte alternative tilstand det andre styreutstyret ikke lenger justerer den forutbestemte trykkverdien i henhold til nevnte trykk/tiddata.

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at vendeutstyret er aktiverbart til å vende nevnte andre styreutstyr til nevnte alternative tilstand som reaksjon på et signal som indikerer et abnormalt høyt behov for vann og/eller et forutbestemt minimumstrykk ved et punkt i systemet.

8. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den innbefatter andre føleutstyr for å avføle vannstrømningshastigheten ved et første punkt i systemet, og første lagringsmiddel for å lagre data relatert til et ønsket forhold mellom vanntrykk og strømningshastighet, og der den forutbestemte trykkverdien er justerbar ved hjelp av det andre styreutstyret i henhold til nevnte vanntrykk/strøm-ningsdata.

9. Anordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at det andre føleutstyret innbefatter en vannstrøm-ningsmåler som er plasserbar ved et første punkt i systemet.

10. Anordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at det andre føleutstyret innbefatter detektorutstyr for å detektere en parameter hos trykkreduseringsventilen, og trykkføleutstyret for å avføle vanntrykk hos vannet både oppstrøms og nedstrøms i forhold til trykkstyringsventilen.

11. Anordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at den innbefatter andre lagringsutstyr i hvilket målinger av strømning fra det andre føleutstyret er lagrings-bare, og der målingene tas gjennomsnitts av over en tidsperiode ved hjelp av det andre styreutstyret for å tilveiebringe en gjennomsnittlig vannstrømningsverdi.

12. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den innbefatter hukommelseutstyr for å lagre data som er relatert til driften av anordningen.

13. Fremgangsmåte for å styre vanntrykknivået ved et andre punkt i et vanntilførselsystem, karakterisert ved trinnene: (i) å avføle trykket av vannet ved et første punkt i vanntilførselsystemet ved å anvende første føleutstyr (28,40) idet det første punktet er utløpet fra en trykkstyringsventil, (ii) å anvende første styreutstyr (16) som innbefatter en dobbeltkammer-styreventil for å styre trykkstyringsventilen til å styre vanntrykket ved det første punktet i systemet ifølge en forskjell mellom trykket som avføles av det første føleutstyret og en forutbestemt trykkverdi, og (lii) å justere den forutbestemte trykkverdien ved å anvende andre styreutstyr (24) som mottar trykkdata fra det første føleutstyret, idet nevnte andre styreutstyr innbefatter et par av solenoidbetjente ventiler (34, 36) som er anordnet i serie, idet nevnte par av solenoidbetjente ventiler er av en type som I alt vesentlig kun krever elektrisk effekt under justering derav, og der en rørledning (32) som er koblet til et første membrankammer i styreventilen er forbundet med en forbindelsesledning mellom nevnte solenoidbetjente ventiler, idet én av nevnte solenoidbetjente ventiler er koblet til en kilde som har relativt høyt trykk og den andre til en kilde som har relativt lavt trykk, idet styretrykket i rørledningen kan styres ved selektiv betjening av paret av solenoidbetjente ventiler, og der et andre membrankammer i styreventilene er koblet til et hjelpestrømningsrør (18), hvis motsatte ender er koblet til tappepunkter henholdsvis oppstrøms og nedstrøms i forhold til trykkstyringsventilen, og (iv) selektivt å betjene nevnte par av solenoidbetjente ventiler for å styre fluidtrykket i nevnte rørledning ifølge nevnte forutbestemte trykkverdi.

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 13, karakterisert ved at i trinn (iv) blir fluidtrykket som tilføres styreventilen tilført i hylser, med varigheten av pulsene variert ifølge et feilsignal representert ved forskjellen mellom den forutbestemte trykkverdien og trykket som avføles av det første føleutstyret.

15. Fremgangsmåte som angitt i krav 14, karakterisert ved at nevnte solenoidventiler kun betjenes når størrelsen av nevnte feilsignal blir større enn et forutbestemt nivå.

16. Fremgangsmåte for å styre vanntrykknivået som angitt i krav 13, karakterisert ved at det andre styreutstyret justerer den forutbestemte trykkverdien ifølge data som er relatert til et ønsket forhold mellom vanntrykk og tid.

17. Fremgangsmåte for å styre vanntrykknivået som angitt i krav 13, karakterisert ved at vannstrømnings-følende utstyr anvendes for å avføle vannstrømningen ved det første punktet i systemet og den forutbestemte trykkverdien justeres av det andre styreutstyret ifølge data som er relatert til et ønsket forhold mellom vanntrykk og strømning.