№12|2011

ПИТЬЕВОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ

bbk 000000

УДК 681.121:628.1

Романова Н. Л., Симахин В. М., Веселов В. Ф.

Оценка условий измерения приборами учета в системе водоснабжения ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»

Аннотация

Рассмотрены основные параметры водного потока, влияющие на результаты измерения расхода и объема воды: аэрация жидкости, пульсация измеряемого расхода в реальных условиях, образование отложений на внутренней поверхности водоводов и др. Проведены экспериментальные исследования данных параметров, предложены способы снижения их влияния на результаты измерения расхода и объема воды. Основным требованием для нормальной работы средства измерения должно быть приведение в соответствие всех его параметров, указанных в технической документации (не только в инструкции по эксплуатации), с параметрами условий эксплуатации.

Ключевые слова

, , , , ,

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Проблема измерения объемов воды стала актуальной более 150 лет назад – одновременно с появлением водопровода в Санкт-Петербурге. Еще почти четверть века с момента введения водопроводной станции объем потребленной воды в городе измерялся ведрами и бочками. Первые водосчетчики появились в Санкт-Петербурге в 1901–1902 годах. Это обстоятельство вызвало неоднозначную реакцию в городе, о чем свидетельствует цитата из книги В. Е. Тимонова, профессора Института инженеров путей сообщения Императора Александра I, «Водоснабжение и водостоки» издания 1904 г.: «…из мероприятий последнего времени в области петербургского водоснабжения интересен факт введения водомеров по требованию правительства вопреки желанию городского управления, которое отказывалось принять эту меру, столь важную для самого же городского хозяйства…». Установка водомеров в жилом фонде города привела к существенному снижению водопотребления – от 30 до 40%.

В 1950–1960-е годы разрабатывались новые методы и средства измерений расхода и объема воды. Требования строительных норм и правил для систем коммунального водоснабжения предписывали обязательную установку водосчетчиков на входе жилых зданий и промышленных объектов. Однако существовавшая на тот момент экономическая политика не способствовала и не позволяла обслуживать приборы учета на должном уровне: стоимость одного кубометра воды была так мала, что проще было объем потребленной воды рассчитывать по нормированным показателям, не устанавливая водосчетчики.

В 1990-е годы вода постепенно превратилась в дорогой товар. В эти годы резко сократилось промышленное производство, соответственно изменился режим водопотребления. Эти факторы способствовали началу массовой установки средств измерений, в основном импортных. Ассортимент приборов не отличался большим разнообразием и был недостаточно обеспечен метрологически в условиях эксплуатации.

В последние 10–12 лет в системах водоснабжения ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» были организованы узлы учета на базе немеханических приборов разного принципа действия (ультразвукового, электромагнитного, вихревого) различных фирм-производителей – «Panametrics» (Ирландия), ЗАО «Взлет» (Санкт-Петербург), ЗАО «Ирвис» (Москва), ООО НТФ «Фотон» (Санкт-Петербург), «Siemens» (Германия) и др. Полученные результаты измерений не всегда были удовлетворительными. Причина заключалась в недостаточных знаниях реальных параметров потока воды как измеряемой среды, материала и состояния водоводов и, соответственно, в отсутствии согласования требований к установке приборов с условиями измерений. Средства измерения, допускаемые к применению на территории РФ после прохождения испытаний на утверждение типа, сертифицированы для определенных условий эксплуатации, которые значительно отличаются от реальных. Поэтому их установка требует принятия конкретных мер по согласованию фактических условий с условиями, прописанными в технической документации.

Знание параметров водного потока является важнейшим фактором при обеспечении достоверности результатов измерений расхода и объема воды. Среди условий, влияющих на результат измерений, необходимо отметить аэрацию жидкости, пульсацию измеряемого расхода, образование отложений на внутренней поверхности водоводов и др. Влияние этих факторов на различные средства измерений неодинаково:

  • при содержании воздуха в воде до 5% погрешность тахометрических приборов может увеличиться с 5 до 30% [1];
  • при отношении среднего значения пульсаций к максимальному значению, равному 0,5, погрешность сужающих устройств может составлять 6% [2];
  • при наличии отложений на внутренней поверхности измерительного участка завышение показаний ультразвуковых расходомеров может составить более 20% [3].

Ведущие специалисты Всероссийского научно-исследовательского института метрологии им. Д. И. Менделеева считают, что недоучет условий эксплуатации средств измерений приводит к тому, что доля недостоверных измерений может составить до 46% [4]. Незнание реальных параметров водного потока (наличие нескольких фаз, нестационарность и т. д.) является одной из причин дисбаланса между результатами измерения объема поставленной и полученной воды.

В условиях эксплуатации ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» экспериментальные исследования диапазона скоростей, многофазности, степени искажения эпюры скоростей, амплитуды пульсаций и других параметров были инициированы для наработки необходимых знаний и опыта с целью последующего построения узлов измерения и учета воды с наименьшими погрешностями измерения. В результате проведенных исследований параметров водного потока получены следующие данные.

Диапазонскоростейпотока.Скорость воды в напорных водоводах не превышает 2,5 м/с. На некоторых участках имеет место реверсивный поток. До 70% трубопроводов больших диаметров работают при скорости ниже 0,3 м/с. Для средств измерений, как правило, рабочий диапазон скоростей составляет ± 12 м/с, причем зона ± 0,3 м/с не имеет нормируемой погрешности.

Многофазность. В воде, подаваемой по напорным водоводам, всегда содержится некоторое количество воздуха, причем объем нерастворенного воздуха по длине водовода постоянно меняется (в зависимости от давления в трубах и температуры воды он сжимается или расширяется, растворяется или, наоборот, выделяется из воды). В результате проведенных исследований установлено, что до 10% трубопроводов имеют заполнение воздухом до 20% водовода в плоскости измерения, остальные – до 2,5% [2]. Часть воздуха (2–3%) находится в растворенном состоянии, и его количество меняется при изменении давления. Магистральным направлением измерения расхода воды как многофазной среды, содержащей воздушные пузыри и механические загрязнения в виде частиц, является предварительная подготовка самого потока – разделение фаз либо гомогенизация потока, т. е. выравнивание скоростей движения фаз.

12_03_ris_01

Параметрыводоводов.Точность измерения расхода жидкости, протекающей в водоводе, зависит от того, насколько правильно рассчитана действительная площадь поперечного сечения потока. При определении внутреннего диаметра трубопровода необходимо учитывать толщину отложений на его стенках, которые сужают его сечение. Изменение геометрии сечения трубы и шероховатости ее поверхности приводит к росту погрешности измерения расхода воды. Профиль скоростей оказывает существенное влияние на показания ультразвуковых расходомеров и их погрешность. Форма профиля скоростей потока может быть разной, в том числе и несимметричной.

Для определения влияния отложений на результат измерения расхода воды импульсным ультразвуковым методом можно рассчитать коэффициент коррекции в зависимости от диаметра условного прохода Dу и толщины отложений на внутренней поверхности трубы измерительного участка. Так, например, при толщине отложений от 1 до 10 мм для водовода диаметром 100 мм этот коэффициент коррекции находится в диапазоне 0,99–0,8, а для водовода диаметром 1000 мм – 0,999–0,98 [2].

На рис. 1 приведен фрагмент внутренней поверхности водовода с отложениями, накопившимися за 10 лет эксплуатации. Образовавшиеся отложения частично перекрывают отверстие, где установлен врезной ультразвуковой датчик расходомера-счетчика. На практике бывали случаи, когда отложения полностью перекрывали входное отверстие. Для возобновления процесса измерений и прочистки входных отверстий ультразвуковых датчиков приходилось полностью останавливать и опорожнять водовод, что приводило к нарушению штатного технологического режима подачи воды водопроводной станцией.

Степеньискаженияэпюрыскоростей. С целью определения параметров водного потока проводилось исследование в двух измерительных точках на одном водоводе диаметром 900 мм. Измерения выполнялись в течение трех часов ультразвуковым расходомером УРСВ-010М, стационарно установленным в камере с соблюдением прямых участков, и переносным ультразвуковым расходомером РТ-878 фирмы «Panametrics», установленным в котловане на расстоянии 300 м перед камерой. В каждом положении датчиков (АВ, EF, CD, GH) измерения выполнялись по 15 минут (рис. 2).

12_03_ris_02-03

Расхождение результатов измерений между стационарным расходомером УРСВ-010М и переносным расходомером РТ-878 показано на рис. 3. Анализ результатов измерений показал следующее:

  • в положении датчиков АВ измерения расходомером РТ-878 выполнялись стабильно, без возникновения нештатных ситуаций типа «разрыв синхрокольца», что свидетельствует об отсутствии завоздушивания в зоне измерительного участка;
  • эпюра скоростей потока не сформирована;
  • прямые участки, нормируемые в соответствии с технической документацией, не обеспечили сформированности эпюры скоростей потока (для этого объекта), что требует определения и учета гидродинамического коэффициента.

Таким образом, на основании сравнительных измерений можно определить степень искажения потока, рассчитать гидродинамический коэффициент (коэффициент ассиметрии) и принять решение о необходимости установки струевыпрямителя для стабилизации потока в области участка измерений.

12_03_ris_04

Нестационарностьпотока (пульсация).На рис. 4. на примере суточных графиков расхода воды с водовода Южной водопроводной станции Санкт-Петербурга показано наличие пульсаций расхода и давления.

Экспериментальные исследования пульсирующего характера движущейся в трубопроводах воды проводились на узлах учета с помощью сужающих устройств. Измерения пульсаций давления выполнялись манометрами переменного давления с возможностью подключаться к стандартным посадочным местам в рабочих условиях измерений на объекте. Измерительный канал был аттестован во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева на эталоне переменных давлений в частотном диапазоне 11 000 Гц (ГОСТ 8.433-81). Главный вывод этих исследований заключается в том, что во всех точках измерения (рис. 5) были выявлены пульсации давления, уровень которых составляет 10–20% перепада давления [2]. В рамках эксперимента были установлены дроссели в соединительных линиях, что привело к подавлению пульсаций на частоте 80 Гц и частичному подавлению на частоте 10 Гц.

Температураводы. Многолетняя эксплуатация ультразвуковых расходомеров-счетчиков XMT 868 фирмы «Panametrics» показала сезонное влияние температуры воды в источнике на работу приборов. Поэтому было необходимо проанализировать изменение температуры воды в технологическом тракте от точки забора до точки подачи абоненту в различных частях города. В точке забора температура воды почти повсюду одинаковая благодаря большой скорости течения и интенсивному перемешиванию воды в р. Неве. Часовые колебания температуры уменьшаются от весны к осени и составляют 0,5–1°С в мае и 0,1–0,3°С в октябре. Наиболее теплой вода бывает в 16–18 ч, а более холодной – в 5–7 ч утра. Суточные колебания также невелики, лишь резкое похолодание или потепление длительностью до 5–7 суток может вызвать ее изменение. Максимальная температура воды в зависимости от характера летних месяцев достигает: в холодное лето 17–18°С, в нормальное 20–22°С, в жаркое 24–25°С.

12_03_ris_05

Два раза в год (в мае и октябре) расходомеры XMT 868 переставали регистрировать проходящий объем воды и начинали фиксировать нештатную ситуацию. В результате поиска причин возникновения этой нештатной ситуации было выявлено, что она устраняется после перепрограммирования в установочных данных параметра температуры. Экспериментальным путем определены значения температуры, которые необходимо ввести в базу данных прибора для его нормальной работы: весной – 10°С, осенью – 2°С [2].

ЧислоРейнольдса. О характере течения жидкости можно судить по безразмерной величине – числу Рейнольдса Re. В трубах разных сечений характер течения различных жидкостей будет одинаков, если каждому сечению соответствует одно и то же значение числа Рейнольдса. В число Re в виде отношения входят плотность и коэффициент вязкости жидкости, которые зависят от температуры. Для системы водоснабжения и напорного водоотведения температурный диапазон воды в зависимости от сезонов колеблется от 0,2 до 26°С. Плотность воды при повышении температуры от 0 до 4°С увеличивается от 999,84 до 999,97 кг/м3. При 4°С плотность воды становится наибольшей и при дальнейшем повышении температуры уменьшается (при 20°С ее значение равно 997,04 кг/м3). Вязкость – принципиальный для движущейся жидкости параметр – обусловливает возникновение напряжений трения на поверхности соприкасания жидких слоев друг с другом. При повышении температуры вязкость воды уменьшается от 0,018 до 0,008 Пуаз (Ст).

Эпюра распределения скоростей движущегося потока вдоль трубопровода в значительной мере зависит от вязкости жидкости. Определив число Рейнольдса по известным значениям вязкости рабочей жидкости, диаметру трубопровода и шероховатости внутренних стенок, можно с уверенностью сказать, при какой скорости потока в данных условиях будет иметь место турбулентный или ламинарный режим течения.

В процессе измерения расхода могут возникнуть некоторые проблемы, затрудняющие правильную интерпретацию полученных результатов. Так, чтобы оценить действительную среднюю скорость потока по поперечному сечению (а следовательно, и расход) при использовании методов, определяющих среднюю скорость потока на определенном участке, необходимо знать коэффициент k, значение которого зависит от числа Рейнольдса [5]:

12_03_form_01

При изменении числа Рейнольдса от 2·103 до 106 коэффициент k изменяется примерно на 3%. Фактически это означает, что при отсутствии коррекции зависимости коэффициента k от Re погрешность измерения расхода может достигать ± 1,5%. В условиях напорной (безнапорной) транспортировки воды практически во всем диапазоне скоростей имеет место турбулентный режим течения, и только на малых скоростях возникает ламинарный режим. При этом критическое значение Re ≈ 2320.

При выборе средства измерения проектировщик узла учета имеет дело с многофазной средой, точнее, водовоздушной с твердыми включениями. Скорость потока находится в диапазоне ± 3 м/с, но измерения могут проводиться и в области малых скоростей, т. е. менее ± 0,3 м/с, а пульсации расхода и давления определяют нестационарный характер движения потока.

По результатам опытной эксплуатации при выборе средства измерения рекомендуется учитывать следующие факторы, влияющие на его параметры: температура измеряемой жидкости,  С; наибольшее давление в трубопроводе, МПа; число Рейнольдса; допустимое содержание газообразных и твердых веществ, % от объема; нестационарность потока, т. е. «время установления показаний», с; амплитудно-частотная характеристика, кПа/Гц.

Если отсутствует информация об условиях измерения, а параметр ограничен в технической документации на средства измерения, например: нормирование содержания воздуха в 1%, или число Рейнольдса не менее 5000 [6], или «жидкая измеряемая среда не должна содержать газовых включений; содержание в измеряемой среде механических загрязнений в виде частиц не должно превышать 1000 г/м3, а диаметр частиц не должен превышать 3 мм» [7], то требуется предпроектное обследование (рис. 6).

12_03_ris_06

При отсутствии информации о параметрах средства измерения и наличии в реальных условиях влияющего фактора требуются дополнительные исследования средства измерения на предмет устойчивости к этому фактору. Например, при пульсирующем характере водного потока необходимо определять динамические характеристики средства измерения.

Выводы

Причиной недостоверных результатов измерений на узлах учета воды является несогласованность параметров водосчетчиков с реальными условиями эксплуатации. Основным требованием для нормальной работы средства измерения должно быть приведение в соответствие всех его параметров, указанных в технической документации (не только в инструкции по эксплуатации), с параметрами условий эксплуатации.

Список цитируемой литературы

  1. Kinghorm F. C. Challenging areas in flow measurement // Meas. And Contr. 1988. V. 21. № 8.
  2. Романова Н. Л. Исследование и разработка системы измерений и учета объема воды в системах водоснабжения и водоотведения: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – СПб: ЦОП типографии Изд-ва СПбГУ, 2010.
  3. Ватин Н. И., Куклин Д. Е., Хазанов С. В. Влияние отложений на показания ультразвуковых расходомеров.Коммерческий учет энергоносителей. – СПб: Политехника, 1999.
  4. Селиванов М. Н., Фридман А. Э., Кудряшова Ж. Ф. Качество измерений: Метрологическая справочная книга. – Л.: Лениздат, 1987.
  5. Messen B. H. Ultraschall-Durchflumessung // Auto-matik. 1983. № 5.
  6. ТУ 421364.001. Расходомеры-счетчики жидкости ультразвуковые US800.
  7. РЭ 4213-002-46970212-07. РЭВ-П «Фотон».

Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения

Banner konferentciia itog 200x100

VAK2

bajkal forum 100x100

Трубопроводная арматура АБРАДОКС, АБРА, ABRADOX, ABRA

Авторизация

Внимание! Рекомендуется просматривать сайт максимально свежими версиями браузеров. Некоторые устаревшие версии (IE 8) не смогут корректно скачать материалы номеров журнала.