בקרת זרימת מים – כיצד זה פועל

מהם מגופי בקרת ספיקה?

שסתומי בקרת ספיקה נועדו לשמור על ספיקה מרבית קבועה ומוגדרת מראש, ללא תלות בשינויים בביקוש או בלחץ המערכת. הגבלת הספיקה נדרשת ביציאות ממערכות ראשיות לצרכנים כגון מערכות משניות (קו ראשי לקו הידרנט; קו הידרנט לקו הפצה), מאגרים וכדומה, במטרה להגן על מערכת האספקה מפני צריכת יתר. הצריכה נקבעת לפי דרישת המשתמש במורד הזרם של שסתום בקרת הספיקה — בהתאם למספר הפולטים בשטח ונתוני הספיקה שלהם, מספר המשתמשים המפעילים השקיה בו-זמנית, רכיבים חיצוניים כגון מאגרים ומערכות גיבוי.

ספיקת המערכת לאורך זמן עם מגוף הגבלת ספיקה ובלעדיו (קו מקווקו)

מכיוון שלא ניתן לשלוט במשתמשים, מהנדסים עושים שימוש ב-נווטי בקרת ספיקה כדי להבטיח שהספיקה לא תעלה באופן משמעותי על הספיקה המתוכננת. על ידי הגבלת הספיקה, אנו מגנים על מערכת האספקה מפני דרישה עודפת, תוך תיעדוף המערכת על פני המשתמשים כאשר הם מנסים לצרוך מעבר למפרט המערכת.

<< הורד את מחקר המקרה החינמי על ניהול השקיה אינטגרטיבי >>

הקדמה

המודרניזציה של ההשקיה נועדה לחסוך מים ואנרגיה באמצעות שיפור תשתיות ההשקיה — שדרוג מהשקיה בהצפה למערכות השקיה בלחץ, ובכך להעלות את יעילות ההשקיה ולמקסם את השימוש במקורות המים הקיימים. התכנון ההידראולי של מערכות השקיה בלחץ מבוסס על שני פרמטרים עיקריים: ספיקה ולחץ. על בסיס פרמטרים אלו נקבע כל תכנון המערכת: נבחרים המשאבות, נקבעים סוג וגודל מערכת הסינון, מוגדרים חומרי המבנה וקטרי קווי הראשי וההפצה, בנוסף למספר, למידות ולמיקום המאגרים הנדרשים.

שימוש בספיקה קטנה יותר לאורך זמן רב יותר הופך את "תכנית ההפעלה של ההשקיה" (משמרות השקיה) לכלי תכנון מרכזי לצמצום האנרגיה הנדרשת וקוטר צינורות המערכת והרכיבים. ההשקיה מחולקת אז למשמרות המאפשרות חיסכון באנרגיה ובהוצאה ראשונית. תכנון מפורט זה מבוסס על כך שספיקה בקו הראשי והספיקה הנדרשת לכל משמרת השקיה ידועות.

לכן, אם לא נגביל את הספיקה במערכות עם מספר משתמשים, הצריכה הבלתי מבוקרת תגרום לירידת לחץ משמעותית בכל המערכת. מצב זה עלול להוביל לחללים במגוף ובמשאבה, עומס יתר על צריכת החשמל, יצירת אוויר, יניקת לכלוך ועוד. סטייה משמעותית של יותר מ-10-15% מהפרמטרים הידועים של ספיקה ולחץ תגרום למערכת השקיה שתפעל בצורה ירודה מאוד. ניתן למנוע זאת באמצעות התקנת מגופי הגבלת ספיקה.

עשויה להתרחש דרישת שדה גבוהה מהספיקה המתוכננת עקב:

• מילוי צנרת
• החלפת משמרות השקיה
• פריצה (פיצוץ קו מים)
• שטיפת מסנן
• מילוי מאגר

יישומי בקרת ספיקה במערכות השקיה

1. הגנה על משאבה ומערכת

א) הגבלת קצב הספיקה ביציאה למגרש על מנת להגן על המשאבה מעומס יתר, עומס יתר ותנאי קוויטציה ולשמור על קצב הספיקה המתוכנן.
ב) הגבלת הספיקה בקו הראשי על מנת להגן על המשאבה והמערכת מעומס יתר וקוויטציה ולשמור על עקומת משאבה שטוחה כפי שמוצג בגרף למטה. כאשר הביקוש גבוה משמעותית מהתכנון:

• הלחץ המסופק בשטח מוקטן 
• מאיץ המשאבה מסתובב במהירות גבוהה מאוד, דבר הגורם לתנאי קוויטציה ולעומס אנכי על הציר.
• צריכת החשמל חורגת מהפרמטרים המתוכננים, וגורמת לשימוש בזרם גבוה יותר, דבר שעלול לגרום לבעיות במשאבה עקב עומס יתר על רשת החשמל.

2. שורות ריקות "ממלאות" לולאת פיקוד 

בקרת ספיקה למערכות שמתנקות בין מחזורי השקיה כגון:

• מכונות השקיה וקוונועים מחוגיים
• מערכות מתזים במורד
• מערכות טפטוף בלחץ נמוך ללא פיצוי
• מערכות השקיה בפולסים  

הווידאו הבא מדגים את תהליך המילוי של מכונת השקיה (קוונוע מחוגי):

3. בקרת ספיקה במהלך שטיפת מסנן

בקרת ספיקה למניעת "זליגה" של המדיום מהמסנן, מהרשתות ומהתמוטטות אפשרית של אלמנט הסינון, בנוסף לחיסכון במים ואנרגיה.

הווידאו הבא מדגים סוגים שונים של מגופי בקרה הנדרשים במערכת סינון, ביניהם מגופי בקרת ספיקה:

4. מילוי מאגר ובקרת מפלס

מגופי בקרה על מפלס מווסתים כאשר מפלס המים במאגר יורד. כאשר זה קורה במקביל להפעלת/השקיית המערכת, עלולה להיגרם ירידת לחץ לכל שאר המשתמשים. לכן, על ידי הגבלת ספיקת המילוי של המאגר, אנו מגנים על המערכת מירידת לחץ כזו. בנוסף, שימוש במגוף בקרה על ספיקה ומפלס מספק הגנה הן למגוף והן למאגר מפני ספיקת מילוי גבוהה ותנאי קוויטציה.

מערכות עם מגופי בקרת ספיקה – עקרונות

1. מגופי בקרת ספיקה מגיבים לעלייה בפרמטרים שהם שולטים בהם על ידי ויסות סגירה.
2. זהו תהליך "פרוגרסיבי" = עלייה בביקוש גורמת למגוף להקטין את הספיקה באופן הדרגתי.
3. ככל שהמגוף נסגר יותר, כך לחץ המורד יורד יותר.
4. כאשר הביקוש נמוך מהפרמטרים המתוכננים, המגוף נפתח לחלוטין.

אם ספיקת המגוף תיקבע כשווה לספיקה הנומינלית המתוכננת, המגוף יפעל כל הזמן במצב ויסות, מה שיגרום להפסד עומד גבוה יותר (לחץ מורד נמוך יותר בשטח) ולתנאי עבודה תובעניים יותר, תוך סיכון לנזקי קוויטציה במגוף.

כמה סיבות טובות לכייל 10-15% מעל ספיקה מתוכננת:

ברמד ממליצה בחום לכייל את מגוף בקרת הספיקה ל-10-15% מעל ספיקת התכנון הנומינלית של המגרש מהסיבות הבאות:

1. אם ערך הספיקה שנקבע למגוף יהיה שווה לספיקה הנומינלית המתוכננת, המגוף יהיה כל הזמן במצב ויסות, הצרכנים יסבלו מלחץ עבודה נמוך והמגוף יהיה כל הזמן בתנאי עבודה קשים.
2. הסבירות שכל משתמשי מערכת ההשקיה בלחץ ישקו בו-זמנית היא נמוכה סטטיסטית, ולכן הסיכון לביקוש יתר במערכת, גם כאשר הכיול הוא 15% מעל הספיקה הנומינלית, הוא בלתי סביר מאוד.
3. שיקולי התכנון מתמקדים בחישובי אנרגיה, ורצוי להשתמש במגופים עם הפסד עומד מינימלי. אילוץ המגופים לפעול כל הזמן במצב ויסות מפריע וסותר מגמה זו.
4. אם נגדיר לספיקה הנומינלית, קצב הספיקה לא יעלה גם כאשר יש פריצה במגרש, מה שמונע ממערכת הבקרה לזהות ולהתריע במקרה של פריצה.

מגוף בקרת ספיקה – חיישני ספיקה נפוצים ושיטות בקרה

1. אוריפיס מעלה כגלאי ספיקה

הצלחת האוריפיס המעובדת מחוברת למעלה הזרימה של המגוף, ומידותיה נקבעות כך שתיצור הפרש לחצים ידוע עבור ספיקת מים נתונה.

2. אביזר חישה להפרש לחצים (“TubeOrifice” פנימי) כחיישן ספיקה

אביזר חישה להפרש לחצים פנימי הוא למעשה רכיב פנימי, המותקן בתוך המגוף, שנועד לחוש הפרש לחצים ידוע עבור קצב ספיקה נתון. היתרונות של TubeOrifice על פני האוריפיס הסטנדרטי הם:

3. אוריפיס מורד כגלאי ספיקה (ליישומי מילוי מאגר)

כאשר האוריפיס ממוקם במורד המגוף, ניתן לקבוע את הפרש הלחצים על האוריפיס על ידי שליטה בלחץ הכניסה לאוריפיס בלבד, מאחר שלחץ המוצא של האוריפיס קבוע ושווה לגובה פני המים במאגר. המגוף מגביל את ספיקת המילוי למאגר על ידי הפחתת הלחץ במעלה האוריפיס (בין האוריפיס למגוף), ובכך מתעדף את הצרכנים על פני מילוי המאגר, ומספק בקרה על גובה המים והגנה מפני קוויטציה במגוף.

4. נווט ספיקה לשונית כחיישן ספיקה

• אם הביקוש יעלה, מהירות הספיקה תגדל — ותדחוף את הלשונית כך שהנווט ישלוט במגוף ויסגור אותו לוויסות, ויגביל את הספיקה לערך כיול הנווט. אם הביקוש ירד, מהירות הספיקה תרד, וקפיץ הנווט ידחוף את הלשונית חזרה לעמדה האנכית, והנווט ישלוט במגוף לפתיחה מלאה.
• שיטה זו מאופיינת בהפסד עומד נמוך מאוד (בהשוואה לחיישני הפרש לחצים) ובתחום כיול רחב מאוד שניתן לכוונן בקלות בשטח.

הערה: עבור מהירויות ספיקה נמוכות מ-1 מ'/שנייה, מומלץ להשתמש בנווט ספיקה לשונית דו/תלת-דרכי מסוג סרוו.

מגופי בקרת ספיקה – התקנות פרויקטים

מערכת ניהול יציאות אוריסה, הודו

התמונות למטה מציגות מערכת ניהול יציאות טיפוסית בהודו, המצוידת בבקרת ספיקה ומגופי הקטנת לחץ שדה (ברמד דגם IR-2"L-172). כל מגוף שולט בהשקיה של חלקה השייכת לחקלאי אחר. הפרויקט כולל 726 מערכות ניהול יציאות (OMS), שכל אחת מהן כוללת מגוף ניתוק, מסנן קו לאבני סחף, שסתום אוויר, מגוף פיקוד שדה ואוטומציה.

הספיקה מבוקרת על ידי נווטים תלת-דרכיים מסוג לשונית.

ברמד היא הספקית הראשית של פרויקט מתמשך זה עם כ-3,500 מגופים פולימריים; כל מגוף נבדק וכויל בהתאם לדרישות התכנון במפעל ברמד.

התמונה משמאל מציגה מגוף בקרת ספיקה והקטנת לחץ מדגם IR-172 של ברמד על ספסל בדיקה לבדיקות וכיול; התמונה מימין מציגה את התקנת מערכת ה-OMS באתר, אוריסה הודו.

מחקר מקרה: CCRR Callen בספרד

CCRR Callen בספרד הוא קונסורציום השקיה בשטח של 1,872 דונם עם 70 משתמשים שמגדלים תירס, שעורה, חיטה ואלפלפה. הקונסורציום רצה לחדש את תשתית ההשקיה שלו כיוון שהייתה מיושנת, לא יעילה ודרשה תפעול ידני אינטנסיבי.

פתרון ההשקיה האינטגרלי של ברמד עבור קאלן כלל קו ראשי ופתרונות הלם מים, וכן הידרומטרים IR-972 להקטנת לחץ ובקרת ספיקה בשליטה מרחוק לכל חלקה.

הקונסורציום שולט מרחוק בכל הידרומטר בהתאם למשמרות ההשקיה המתוכננות.

הידרומטרים לבקרת ספיקה IR-972 עם נווט מסוג לשונית מותקנים בראש ההשקיה לצורך בקרה על:

• השקיה רגילה: הבטחת לחץ המערכת ורכיביה (משאבות, קווים, מסננים, מגופים, שסתומי אוויר) כך שלא יחרגו מדרישות התכנון.
• מילוי צנרת: הגבלת קצב מילוי הקו, מניעת ירידת לחץ במערכת האספקה ומניעת הלם מים אפשרי הנגרם מסיום תהליך מילוי הקו במהירות גבוהה.
• פריצה (פיצוץ קו מים): הבטחת תפקוד המערכת גם במקרה של פריצת צינור בצד החקלאי.