Het analyseren van drukpulsen in drink- en afvalwaterleidingen

Het analyseren van drukpulsen in drink- en afvalwaterleidingen biedt een mogelijkheid om in de toekomst lekken te detecteren. Een van de grootste uitdagingen hierbij is het nauwkeurig modelleren van energieverliezen tijdens dit soort gebeurtenissen. In een recent afgerond fundamenteel TKI-project is een geavanceerde testopstelling gebouwd en zijn er gedetailleerde metingen uitgevoerd om de stroming tijdens dit soort events uiterst precies te meten. Deze grondige aanpak kan de basis vormen voor een nauwkeurige methode om lekken in leidingsystemen op te sporen.

In Europees milieubeleid zijn stevige ambities geformuleerd om lekverliezen in drink- en afvalwater leidingnetten terug te dringen tot 1,5%. Zelfs voor Nederlandse waterbedrijven, waar lekverliezen in internationaal perspectief gezien erg laag zijn, levert dit nog steeds forse uitdagingen op. Het vroegtijdig opsporen van lekkages kan grote schade aan milieu en infrastructuur voorkomen. Voor deze opsporing bestaat een behoorlijke verscheidenheid aan technologieën, maar er is gebrek aan echt effectieve en in de praktijk goed bruikbare, liefst non-invasieve methoden. Bij het opsporen van lekkages in transportsystemen voor vloeistoffen onder druk (drinkwater, afvalwatertransport, warmtenetten) kan gebruik worden gemaakt van veranderingen in de dynamische respons van het systeem. Om de betrouwbaarheid en de nauwkeurigheid van de numerieke methoden die daarvan gebruik maken te vergroten, is kennis nodig over een aantal fundamentele dynamische processen die tot op heden nog onvoldoende goed begrepen en beschreven zijn. Dit project draagt hieraan bij.

Technologie

Lekkage uit transportsystemen voor vloeistoffen onder druk is een belangrijk aandachtpunt voor alle organisaties die dergelijke systemen onder beheer hebben. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het drinkwaterdistributiesysteem, afvalwaterpersleidingen, of stadsverwarmingssystemen. Lekkage uit dit soort systemen leidt niet alleen tot efficiëntieverlies, maar kan ook resulteren in milieuschade (lekkend afvalwater) of het ontstaan van zogenaamde sinkholes waardoor ook substantiële schade kan ontstaan aan de bebouwde omgeving of het bezwijken van andere netwerken. Een voorbeeld hiervan is het herhaaldelijk bezwijken van een drinkwaterleiding die mede tot gevolg had dat een gasdistributieleiding het begaf, waardoor een wijk in Apeldoorn gedurende enige tijd verstoken was van zowel water als gastoevoer. In het geval van warmtenetten leidt lekkage behalve tot de genoemde omgevingsschade ook tot een direct verlies van energie. De problematiek van lekkende ondergrondse leidingen is niet beperkt tot Nederland, via regulering vanuit de EU worden landen verplicht om in 2026 te rapporteren over de mate waarin drinkwaterdistributiesystemen lekkage vertonen. Op termijn (na 2028) worden op Europees niveau maxima gesteld aan de lekverliezen in deze systemen met daaraan gekoppeld een periodieke rapportage over de actuele status van de waterdistributiesystemen. Een van de methoden die wordt gehanteerd om lekkages in een drukleidingsysteem in een vroegtijdig stadium op te sporen, is het verifiëren van de zogeheten hydraulische vingerafdruk. Kort samengevat komt dat neer op de dynamische respons van een systeem op een geïnduceerde drukpuls. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het opstarten of afschakelen van een pomp of het snel openen of sluiten van een klep. De resulterende drukgolf zal in het systeem onderhevig zijn aan demping en reflecties; verschillen tussen twee opeenvolgende ‘vingerafdrukken’ kunnen onder meer worden verklaard uit de aanwezigheid van lekkages. Met behulp van rekenmodellen kan dan worden bepaald of er sprake is van lekkage, en zo ja, waar deze lekkage zich ongeveer bevindt.

Een belangrijke beperking van deze methode is gelegen in het feit dat in de huidige generatie rekenmodellen een aantal processen niet is meegenomen die wel invloed hebben op de gemeten demping van drukgolven. Het gaat hierbij om zogenoemde dynamische weerstand, elasto-plastische vervorming van het buismateriaal en de energiedissipatie naar de omringende grond. Voor ontwerptoepassingen is het verwaarlozen van deze processen geen probleem, omdat de effecten vrij klein zijn. Daarnaast biedt het verwaarlozen een soort extra veiligheidsmarge in het ontwerp van persleidingsystemen. Echter, bij het opsporen van kleine (beginnende) lekkages is de discrepantie in dezelfde orde van grootte als het gezochte effect (lekkage) en wordt het inrekenen van de genoemde processen wel een punt van aandacht. Omdat lekkages vaak klein beginnen en na verloop van tijd groter worden is vroegtijdige detectie van belang om kosten gerelateerd aan onderhoud en (gevolg)schade te minimaliseren.

Wij willen met een project van bescheiden omvang en scope beginnen en laten zien dat de genoemde processen wel degelijk verder moeten worden begrepen en beschreven om de kwaliteit van de lekdetectie in de toekomst belangrijk te verbeteren. Tegelijkertijd mag worden verwacht dat vroegtijdige opsporing van lekkages een belangrijke (maatschappelijke) kostenbesparing met zich meebrengt. Omdat het een mix van complexe fenomeen betreft en er nog geen acuut praktisch probleem wordt ervaren, is er waarschijnlijk een zetje nodig om leidingbeheerders van het belang van dit onderzoek te overtuigen. Dit ook omdat er niet op zeer korte termijn een kant en klare oplossing te verwachten valt, maar veeleer een wat langer lopend onderzoektraject nodig zal zijn. Binnen de drinkwaterwereld is leveringszekerheid een belangrijk criterium bij de wijze waarop de systemen worden beheerd, het vroegtijdig opsporen van lekkages maakt daar zeker deel vanuit. Het belang van het monitoren van afvalwaterpersleidingsystemen wordt door de sector ook onderkend. Het hier voorgestelde onderzoek wil bijdragen aan de oplossing van vragen die de genoemde sectoren naar verwachting op termijn van 5 tot 10 jaar beantwoord willen zien, het is daarom van belang om nu te zorgen dat de onderliggende kennisbasis op orde komt.

Uitdaging

Om lekdetectie d.m.v. drukpulsanalyse mogelijk te maken is het belangrijk dat de energieverliezen in deze impulsief versnellende en vertragende buisstromingen is het belangrijk om goed gedocumenteerde meetdata ter validatie te hebben.

Het gaat om nog weinig bestudeerde aspecten van turbulente stromingen, waarbij metingen over een breed spectrum van tijd en ruimteschalen simultaan gemeten moeten worden. Dit vraagt om de inzet van geavanceerde meettechnieken en zeer geavanceerde, en nog deels te ontwikkelen calibratie- en post processing technieken, om de nodige informatie uit de ruwe metingen te kunnen verkrijgen.

Resultaten

Er is een experimentele opstelling gebouwd waarmee zeer snelle dynamische processen in versnellende en vertragende buisstroming (passerende drukgolf) gekwantificeerd kunnen worden, aan de hand waarvan lekdetectiemodellen verbeterd kunnen worden.
Door uit te gaan van een snelle, niet-invasieve meetmethode (PIV) in een experimentele opstelling in het lab, is data verkregen waarmee (bestaande) modelconcepten kunnen worden getoetst.

Het resultaat is een hoge resolutie meetdataset voor validatie van hydraulische software voor transiente simulaties.

Impact

De hoge resolutie meetdataset zal mogelijk op relatief korte termijn (direct) de ontwikkeling en implementatie van dynamische weerstandsmodellen versnellen. Dit is relevant om op de middellange termijn gecombineerd experimenteel en numeriek lekdetectieonderzoek te doen.

Tevens kan worden ingeschat wat de meerwaarde kan zijn van nader onderzoek naar de bijdragen van elasto-plastische processen in de buiswand en de energiedissipatie.

Samenwerkingspartners

Het werk is volledig door Deltares en SkillsInMotion uitgevoerd waarbij het ontwerpen en bouwen van de opstelling en het uitvoeren van de experimenten door Deltares is gedaan met advies van SkillsInMotion en Ingenieursbureau Rotterdam.

Extra informatie

Onderzoek naar energiedissipatie tijdens transiente events in leidingsystemen draagt bij aan geavanceerde analyse van leidingsystemen. Dit is zeer relevant in het kader van de vervangingsopgave van leidingsystemen. Het projectvoorstel geeft invulling aan de Kennis- en Innovatieagenda: MMIP D4 Duurzame en veilige verwerking MMIP S1 Smart Technologies in Agri-Horti-Water-Food.

Opgebouwd netwerk:

Univ of Waterloo, Canada, Dantec Dynamics, fluids engineering lab, pontifícia universidade católica do Rio de Janeiro

Resultaten:

Eerste resultaten zijn gepubliceerd en gepresenteerd op 1)  ‘21^st symposium for application of laser methods in fluid mechanics’,

2) op een poster tijdens het JMBC symposium voor stromingsleeronderzoek in Nederland (27 en 28 mei, Lunteren) en

3) tijdens enkele presentaties op TU Delft (Mechanical Engineering) en intern bij Deltares.

4) de data kan gebruikt worden in cursussen hydraulica van leidingsystemen door Deltares.

5) De data set kan als startpunt dienen voor een M.Sc afstudeer project (nadere analyse, en/of uitbreiding met aanvullende experimenten).