Актуальность измерения объемов воды возросла в 90-е годы прошлого столетия в связи со строжайшим учетом природных богатств страны. Эти годы характерны началом массовой установки средств измерений, в основном импортных, резким изменением режимов водопотребления в связи с сокращением производства, увеличением цены на воду, отсутствием метрологического обеспечения, даже того незначительного количества приборов, полученные результаты не давали положительных результатов вследствие незнания реальных параметров измеряемой среды и непроводимого в полном объеме согласования допустимых условий применения средств измерения и условий измерения, результаты измерения не подтверждались существующим метрологическим обеспечением.
В отличие от существующей системы измерений расходов и объемов воды требовалось исследовать параметры измеряемой среды - воды, как двух-, трехфазной среды: водовоздушной с включениями твердых фаз при нестационарном характере движения потока; разработать новые узлы измерений и учета на основе сертифицированных, отечественных и импортных приборов и устройств; обеспечить получение результатов измерения в условиях эксплуатации методиками выполнения измерения; обеспечить неподлежащие демонтажу средства измерений метрологическим обеспечением в условиях эксплуатации, не нарушая технологического цикла; разработать требования для метрологического обеспечения узлов больших диаметров (300-1500 мм), где нет проливных стендов, а поверка за границей крайне дорога и нецелесообразна.
Измерения расхода и объема воды необходимы во всех отраслях народного хозяйства. Без расходомеров-счетчиков невозможно ни проведение объективного учета, ни управление технологическими процессами очистки воды, ее обеззараживания, ни автоматизация этих процессов, трудно контролировать утечки и исключать потери воды. Задача организации системы учета воды заключается в следующем: необходимо измерять объем воды в условиях эксплуатации для организации расчетов по фактическому водопотреблению и водоотведению водопоставщиками и водопотребителями.
Характерными условиями эксплуатации средств измерения расхода и объема воды на предприятиях водопроводно-канализационного хозяйства являются: широкий диапазон скоростей движения воды по водоводам больших диаметров, причем часто встречаются водоводы с рабочими скоростями менее 0,5 м/с; в напорных водоводах всегда содержится некоторое количество нерастворенного воздуха; движение воды имеет нестационарный характер; большая часть водоводов находится в эксплуатации более 20 лет; режим работы водовода непрерывный, и остановка его нежелательна, даже на короткое время.
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%
- при отношении среднего значения пульсаций к максимальному значению, равному 0,5, погрешность сужающих устройств может составлять 6%;
- при наличии отложений на внутренней поверхности измерительного участка завышение показаний ультразвуковых расходомеров может составить более 20%.
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.
Диапазон скоростей потока. 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%. 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.
В настоящее время наблюдается повышенный спрос высококачественных средств измерения расходов на больших диаметрах, которые широко используются на крупных объектах - котельных и ТЭЦ, очистных сооружениях водоканалов, насосных станциях, водопроводных сетях и т.п.
2.1 Погрешности измерений расхода воды
Анализ расходов воды на водозаборных сооружениях и тех ее количеств, которые фактически поступают к различным водопользователям, позволяет обнаружить существенные расхождения между этими двумя величинами. Потери воды объясняются утечками, происходящими из буферных резервуаров-водохранилищ, магистральных водоводов, внутренней водопроводной сети, элементов водопроводно-канализационной арматуры в домах потребителей, и означают непроизводительные затраты электроэнергии, материалов, оборудования, труда. Полностью исключить потери нельзя, но вполне допустимо уменьшить их. Такой результат способна дать полная система водоучета, при которой потребитель из объекта, расходующего воду, превращается в объект, регулирующий расход воды и, более того, в объект, самонастраивающийся на оптимальное потребление воды.
Объем и расход воды - физические величины, подлежащие измерению с основной целью измерительной задачи, но имеется ряд факторов, оказывающих влияние на размер измеряемой величины. Характеристики расходомеров контролируются при первичной и периодической поверке в нормальных условиях поверочной лаборатории. Но при измерениях расхода реальных технологических сред возникают необъяснимые дисбалансы при учёте ресурсов. Обычно дополнительные погрешности, указываемые в технической документации, - это погрешности от изменения таких величин, как температура окружающей среды и напряжения сетевого питания. Но что касается расходомеров, то их показания в большей степени зависят от характеристик измеряемой среды, а также от реальных условий монтажа и эксплуатации приборов. К сожалению, такие исследования, а также изучение влияния установки (монтажа) расходомеров в трубопроводе на результат измерения не проводятся. Внешними факторами, воздействующими на счётчики и расходомеры воды, в основном являются низкая скорость, несформированность и пульсации потока, шероховатость трубопровода, температура и многофазность среды (наличие воздуха в воде, наличие воды в паре), содержание механических примесей, физические параметры обратного потока, вибрации трубопроводов.
Испытания и поверка расходомеров и счётчиков осуществляются на эталонных установках, воспроизводящих расход среды, приближенный к идеальным условиям. Но в реальных условиях на расходомер воздействуют многие неучитываемые факторы, и они оказывают заметное влияние и на измеряемую величину, и на используемые средства измерения, поэтому результаты измерения в значительной степени искажаются. Ниже перечислены основные факторы воздействия.
1. Несформированность потока оказывает влияние на все типы расходомеров, основанных на принципе измерения “площадь-скорость”. Распространённая рекомендация по установке расходомеров на расстоянии, равном 5…10 диаметрам трубопровода установки (Dу) на входе и 2…5 Dу на выходе, предполагает, что расходомер должен работать так, как это задано производителем, т.е. в условиях идеального турбулентного потока. На практике поток может быть смещён, сдвинут по фазе аксиальных профилей скоростей, может быть завихрённым или закрученным. Влияние местных сопротивлений, установленных перед расходомером, достаточно изучено только для расходомеров переменного перепада давления. Для всех остальных расходомеров таких исследований не проводится. Различные конфигурации трубопроводов создают различные виды возмущений потока, которые меняются по направлению и величине в зависимости от типа и силы вихревого движения, числа Рейнольдса и конкретного вида и конструкции расходомера. Требуемая длина прямых участков зависит от типа местных сопротивлений, влияние которых на расходомер должно быть оценено экспериментально, а для повышения точности измерения должно быть исключено.
2. Большинство расходомеров плохо работают на низких скоростях потока. Например, электромагнитные расходомеры сохраняют свои точностные характеристики при скоростях потока не ниже 0,2 м/с. На практике, ввиду чаще всего напоров малой силы, в системах теплоснабжения у потребителей фактическая скорость потока воды колеблется в пределах 0,1…0,5 м/с. Чтобы увеличить скорость, для электромагнитных расходомеров используют сужение потока, если нет ограничений по потерям давления. Есть ограничения по скорости потока и для вихревых рас ходомеров. При малых числах Рейнольдса (Re < 5000) нет устойчивого сигнала, т.к. сам процесс вихреобразования в нижней части диапазона является неустойчивым. Стабильные измерения выполняются только при условии Re = 20000. Но при увеличении скорости потока значение полезного сигнала ограничивается явлением кавитации. Кроме того, вихревые расходомеры чувствительны к вибропомехам, которые могут возникать при вибрациях трубопровода, в результате чего доля полезного сигнала уменьшается.
3. В процессе эксплуатации внутренняя поверхность трубопровода покрывается отложениями, которые зависят от скорости потока и химического состава воды. Неравномерная шероховатость трубопровода и коррозия влияют на точность измерения всех скоростных расходомеров, особенно работающих на малых диаметрах трубопроводов. Например, для трубопроводов диаметром 50 мм отложения на внутренней стенке толщиной 2 мм вызовут сужение площади сечения на 16%, что приведёт к соответствующему увеличению скорости потока при неизменном расходе. Отложения на теле обтекания вихревых расходомеров изменяют его геометрические размеры, а значит, появляется дополнительная погрешность измерения. Если отложения обладают магнитными свойствами, они существенным образом увеличивают погрешность измерения электромагнитных расходомеров. Кроме того, твёрдые включения в потоке воды могут нарушить изоляционное покрытие (микротрещины) внутренней поверхности электромагнитных расходомеров, в этом случае шунтируется полезный сигнал. Отложения на стенках трубопровода влияют на скорость прохождения луча в ультразвуковых расходомерах для разных ультразвуковых методов измерения расхода и могут вызывать завышение показаний. В настоящее время нет доступных средств диагностики, которые могли бы надёжно оценить состояние внутренней поверхности трубопровода. В лучшем случае можно измерить толщину стенки трубопровода с помощью ультразвукового толщиномера. Для введения коррекции необходимо определять толщину отложений и вводить поправку при измерении расхода. Но размер отложений на стенках трубопровода может быть неоднородным. Имеет смысл в процессе эксплуатации проводить чистку стенок трубопровода, а для этого предусмотреть возможность демонтажа измерительного участка или примыкающей к нему части трубопровода. Поэтому для малых и средних диаметров целесообразно применять измерительные участки трубопроводов из нержавеющей стали или участки со специальным внутренним покрытием, исключающим появление отложений. При использовании новых измерительных участков влияние отложений может проявиться только через несколько лет.
4. При измерении пульсирующего потока возникают динамические погрешности, которые определяются частотными характеристиками как прибора, так и самого потока. Для оценки динамических свойств расходомеров необходима специальная расходомерная установка, которая позволит воспроизвести пульсирующие потоки и оценить частотные характеристики расходомеров. Для устранения пульсаций необходимо устанавливать демпфирующие устройства.
5. Дополнительная погрешность измерения расхода появляется и от двухфазности среды - наличия воздуха в воде в виде микропузырьков. В водяных сетях всегда содержится некоторое количество воздуха, который попадает туда из источников вместе с водой или засасывается из-за негерметичности во входной линии и в насосе. Принято считать, что в водопроводной воде содержится около 2,5% нерастворённого воздуха при атмосферном давлении и температуре 10…15оС. Однако в системах теплоснабжения содержание воздуха достигает 5…10%, а в системе холодного водоснабжения - 20%. Фактический объём воздуха в воде неизвестен, иногда вода бывает молочного цвета. Это обусловлено наличием микропузырьков нерастворённого воздуха, которые трудно удалить даже в специально предназначенных для этого деаэраторах. В тепловую сеть подаётся деаэрированная вода с содержанием воздуха 10…20 мкг/л, но часто возвращается с содержанием воздуха в тысячу раз больше из-за нарушения технологий ремонтных работ. После проведения ремонта по регламенту следует сначала опустошённую систему заполнить водой, вытесняя воздух через воздушные краны, и только после этого включать её в общую сеть. Если из системы не вытеснен воздух, то эта завоздушенная вода на источнике вторичной деаэрации не подвергается и циркулирует до тех пор, пока не скоррозирует с металлом труб или постепенно не сольётся в краны потребителей.
Именно ультразвуковые расходомеры в последние годы приковывают к себе все большее внимание, поскольку находят широкое применение во многих областях народного хозяйства. Они с успехом заменяют расходомеры других типов при измерении практически любых сред. Положительные тенденции развития мирового рынка продаж ультразвуковых расходомеров показаны на рис. 11.
Рис. 10. Прогноз мировых продаж ультразвуковых расходомеров по годам, в млн. долларов
Необходимо отметить, что согласно маркетинговым исследованиям рынок ультразвуковых расходомеров растет намного быстрее, чем рынки других типов приборов учета. Так, если в 2003 г. он составлял около 406 миллионов долларов, то до конца 2008 г. прогнозируется разрастание рынка до чуть менее 600 миллионов долларов согласно исследованиям ARC Advisory Group (США). Объясняется это тем, что ультразвуковые расходомеры имеют ряд существенных преимуществ перед остальными средствами измерения расхода. Вообще говоря, когда при выборе того или иного метода измерения в качестве приоритетных ставятся такие критерии, как высокая точность, повторяемость, простота калибровки и надежность, то предпочтение зачастую отдают именно ультразвуковому методу.