Опыт измерения параметров безнапорных потоков в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»

Р. А. Пирумов, начальник Управления метрологии и целевых программ,

А. П. Зайцев, главный метролог, начальник метрологической службы,

В. А. Мартюгин, начальник отдела оперативных измерений,

Ю. А. Вязьмин, руководитель группы измерений сточной воды, ЦРА ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»

В общей системе учета водных потоков водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга, приборным учетом, т. е. учетом на основе информации от средств измерений, называемых расходомерами или водосчетчиками, были охвачены в основном потоки водоснабжения. Учет потоков водоотведения с использованием измерительных приборов осуществлялся, как правило, на трубопроводах, работающих с полным заполнением в напорном режиме. По мере развития средств измерений для безнапорных потоков специалистами ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» осваивается их применение в системе водоотведения.

В  основе измерения расхода безнапорных потоков лежит известный метод «скорость-площадь». Методически измерения безнапорных потоков обеспечиваются рядом нормативных документов:

• МИ 13-92 «Расход воды в каналах. Методика выполнения измерений по средней скорости в одной точке гидрометрического створа»;

• МИ 14-92 «Расход воды в каналах. МВИ по средней скорости в одной точке на свободной поверхности потока»;

• МИ 107-94 «МВИ расхода воды в каналах методом «скорость-площадь» с интерполяцией измеренных скоростей на промерные вертикали»;

• МИ 2220-96 «Расход сточной жидкости в безнапорных трубопроводах. Методика выполнения измерений»;

• ФР.1.29.2003.00894 «Расход жидкости в гидротехнических водоводах. Методика выполнения измерения расхода при независимых измерениях максимальной скорости течения и глубины жидкости».

В этих методиках достаточно подробно описаны способы:

- измерения геометрических размеров поперечного сечения потока сложных конфигураций в выбранном гидрометрическом створе и последующего вычисления площади поперечного сечения потока (живого сечения);

- измерения уровня наполнения жидкости в безнапорном трубопроводе (стандартными средствами измерения линейных размеров, гидростатическим и ультразвуковым методами);

- определения ординат, соответствующих средней и максимальной скоростям потока, в зависимости от глубины;

- измерения средней и максимальной скорости потока на соответствующих ординатах (тахометрическим методом) и потока в целом (ультразвуковым доплеровским методом);

- вычисления расхода по измеренным средней и максимальной скоростям потока и вычисленной площади живого сечения.

При измерении параметров безнапорных потоков в сетях водоотведения ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» и его абонентов используются различные средства измерений.

Для проведения оперативных измерений небольшой продолжительности, от нескольких минут до нескольких десятков, используется мобильный (с автономным питанием) микрокомпьютерный расходомер-скоростемер МКРС. При проведении оперативных измерений в трубопроводах практических диаметров 200–2 000 мм существенных отличий между значениями ординат для измерения средней скорости, заложенными в МКРС по МИ 13-92 и вычисляемыми по МИ 2220-96, отмечено не было. В качестве примера на рис. 1 приводится сопоставление этих ординат, сделанное для трубопровода диаметром 300 мм.

Рисунок 1. (подробнее) Ординаты для измерения Vср по МИ 13-92 и МИ 2220-96 для трубопровода диаметром 300 мм при различном относительном заполнении

По сравнению с МИ 13-92 методика МИ 2220-96 позволяет производить определение расхода не только по средней скорости потока, но и по максимальной, с последующим пересчетом ее в среднюю через множитель, зависящий от уровня наполнения трубопровода. Это отличие оказывается весьма благоприятным при реализации методики на практике, т. к. позволяет уходить на более высокие ординаты установки гидрометрической вертушки, что особенно существенно при малых уклонах трубопроводов и малых скоростях потока, достаточно часто встречающихся в сетях водоотведения Санкт-Петербурга и, вероятно, и в других местностях.

Изготовители МКРС постоянно работают над совершенствованием своего прибора, и если в модификации 2000 года нижний предел измерения скорости составлял 0,05 м/с, то в современной модификации гарантируется нижний предел 0,03 м/с.

Ссылаясь в своей документации на возможность использования МКРС по МИ 2220-96, изготовители не ввели дополнительную возможность автоматического вычисления ординат для измерения максимальной скорости и возложили эту работу на пользователя.

Рисунок 2. (подробнее) Ординаты для измерения Vср и Vмакс по МИ 2220-96 для трубопровода диаметром 300 мм при различном относительном заполнении

Для иллюстрации возможностей практического применения МКРС на рис. 2 приводится сопоставление ординат для измерения средней и максимальной скорости потока в трубопроводе диаметром 300 мм в зависимости от относительного заполнения.

При выборе оптимального варианта определения расхода с помощью МКРС необходимо постоянно принимать во внимание ограничения, накладываемые по минимально возможной ординате – диаметром вертушки МКРС равным 20 мм, а по максимально возможной ординате – обеспечением полной погруженности вертушки МКРС в поток, зависящей в свою очередь от уровня наполнения.

Совершенно справедливо авторы МИ 2220-96 указывают, что во всех случаях, когда это возможно, целесообразнее проводить измерение не средней, а максимальной скорости потока, поскольку последняя измеряется точнее.

Рисунок 3. (подробнее) Изменение местной скорости потока в трубопроводе выпуска промстоков одного из предприятий Санкт-Петербурга (Dвн = 362 мм; Hнаполн = 210 мм)

Для завершения темы практического использования МКРС в качестве иллюстративного материала приведены на рис. 3 зависимость местной скорости потока от ординаты установки вертушки, снятая при предпроектном обследовании трубопровода сточной воды одного из предприятий Санкт-Петербурга, и на рис. 4 – эпюра скоростей, построенная на основании полученной зависимости.

Рисунок 4. (подробнее) Эпюры скоростей в трубопроводе промстоков на одном из предприятий Санкт-Петербурга по данным измерений МКРС (Dвн = 362 мм; Hнаполн = 210 мм)

Отличие экспериментальных эпюр скоростей от теоретических может быть объяснено рядом факторов и, в первую очередь, тем, что измерения на разных ординатах выполнялись не одновременно, поскольку предпроектное обследование проводилось с применением одного комплекта МКРС с одной и той же вертушкой. Кроме того, при оперативных измерениях достаточно сложно без специальных приспособлений обеспечить постоянную (при перемещении по ординате) строгую вертикальность установки вертушки в поток и перпендикулярность плоскости поперечного сечения потока.

В идеале для снятия эпюры скоростей желательно было бы установить на одной вертикальной штанге несколько вертушек и производить одновременное измерение скоростей на разных ординатах.

Тем не менее троекратные измерения на заранее выбранной ординате с одновременным контролем уровня наполнения трубопровода дают результат с достаточной для практических целей точностью.

В том случае, если по каким-либо причинам при использовании МИ 2220-96 приходится проводить измерения не на ординате средней, а максимальной скорости, как уже говорилось выше, для приведения максимальной скорости к средней в формуле для вычисления расхода применяется множитель, зависящий от относительного уровня наполнения трубопровода и его диаметра.

В МИ 2220-96 значения этого множителя наряду с ординатами для измерения максимальной скорости представлены в табличном виде.

Для удобства практического применения были построены кривые, отражающие зависимость значений множителя N = V_ср/V_макс = f (H/D) и показывающие область его допустимых значений (рис. 5).

Рисунок 5. (подробнее) Значения N = Vср/Vмакс = f (H/D) по МИ 2220-96 для различных диаметров трубопровода

Важно отметить, что при всех сочетаниях диаметров и отношениях уровня наполнения к диаметру, значения множителя N находятся в пределах 0,844–0,883. В некоторых случаях, когда не требуется высокая точность, а есть необходимость в получении приблизительной экспресс-оценки расхода по большому массиву результатов измерений, значение N может быть фиксированным, например, N = 0,86–0,88.

В МИ 2220-96 в качестве примера аппаратной реализации для выполнения длительных стационарных измерений, в том числе и для сооружения узлов учета в целях коммерческих расчетов за услуги водоотведения, рекомендуется применение ультразвукового расходомера типа ЭХО-Р-01 фирмы «Сигнур». Наряду с ЭХО-Р-01 и его улучшенной модификацией ЭХО-Р-02, в последнее время получает распространение и аналогичный ему ультразвуковой расходомер «Взлет РСЛ».

К несомненным достоинствам расходомеров-уровнемеров следует отнести то, что первичный преобразователь не вступает в непосредственный контакт с жидкостью, протекающей по трубопроводу. Фактически эти приборы определяют только уровень наполнения трубопровода, измеряя расстояние до поверхности жидкости бесконтактным способом, а вычисление расхода производится в них по предварительно определяемой и программируемой при изготовлении калибровочной характеристике зависимости расхода от уровня Q = f (H).

Данная калибровочная характеристика для каждого измерительного сечения (гидрометрического створа) строго индивидуальна и определяется в ходе предпроектного обследования будущего узла учета расхода на том или ином безнапорном трубопроводе. При этом предполагается, что при дальнейшей эксплуатации реальная зависимость расхода от уровня остается неизменной. В целях подтверждения этой неизменности представляется целесообразным, наряду с проводимой периодической поверкой самого расходомера-уровнемера и подтверждения его метрологических характеристик в специализированных метрологических центрах, проводить в порядке метрологического надзора периодические обследования действующих узлов учета и определять фактические калибровочные характеристики зависимости расхода от уровня наполнения.

В случае отличия фактических калибровочных характеристик от первоначальных, требуется либо устранить причины изменений в измерительном сечении трубопровода (заиление, отложения, увеличение шероховатости, изменение уклона), либо перепрограммировать расходомер на обновленную калибровочную характеристику.

Однако несмотря на несомненные достоинства и, прежде всего, отсутствие непосредственного контакта с измеряемым потоком, что особенно существенно при необходимости проведения длительных измерений сильно загрязненных сточных вод, это достоинство превращается в принципиально непреодолимый недостаток рассмотренных уровнемеров-расходомеров, поскольку они не измеряют скорость потока, а только уровень, следовательно, метод «площадь-скорость» они реализуют не напрямую, а только косвенно, через связь скорости с уровнем. И это данность расходометрии рассматриваемого направления.

Иными словами, если нет твердой уверенности в том, что в объекте имеется однозначная связь «расход-уровень», рассмотренный выше метод с одним измерением уровня применять нельзя. Эта уверенность возможна только для  установившихся режимов течения и только в тех водопроводящих трактах, в которых уровень воды в измерительном сечении не зависит при одном и том же расходе от уровней воды на участке ниже измерительного створа. Примеры: неподтопленные водосливы различных конструкций или неподтопленный длинный водовод с однозначной при всех расходах кривой спада или подпора.

Этот недостаток также может оказаться существенным, если протекающая по трубопроводу жидкость разнородна и переменна по своему составу, что существенно отражается на скорости потока.

Тем не менее, если вышеперечисленные факторы учтены, расходомеры-уровнемеры могут успешно применяться при сооружении на их основе узлов учета сточной воды с последующим использованием результатов измерений для коммерческих расчетов между абонентами и предприятиями, предоставляющими услуги водоотведения. У специалистов ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» есть немало примеров для подтверждения этого.

Для решения специфических задач оперативных измерений параметров безнапорных потоков и, прежде всего, определения фактических объемов сточной жидкости, сбрасываемой через прямые выпуска промышленных предприятий и прямые выпуска канализационных сетей от населения в акваторию р. Невы и прилегающие водоемы, специалистам ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» потребовалось обратиться к средствам измерения, в которых при реализации метода «скорость-площадь», наряду с измерением уровня производится одновременное измерение скорости потока. Это диктовалось тем, что измерения требовалось проводить в условиях действующих сетей водоотведения с накопившимися за десятилетия эксплуатации отложениями, приводящими на некоторых участках к контруклонам, а также в условиях периодических подпоров сетей со стороны р. Невы. Кроме того, требовалось мобильное средство измерений с автономным питанием, обеспечивающим продолжительность оперативных измерений до нескольких суток и даже до нескольких десятков суток.

В итоге для проведения работ по определению фактических объемов сточной жидкости, сбрасываемой через прямые выпуска промышленных предприятий и прямые выпуска канализационных сетей от населения, было принято решение приобрести расходомеры типа ADS3600.

На опыте применения расходомера этого типа остановимся несколько подробнее. К его преимуществам следует отнести следующее:

- метод «скорость-площадь» в этом расходомере реализуется в полном объеме;

- расходомер сертифицирован и внесен в Госреестр средств измерений РФ (рег. №19966-00);

- расходомер методически обеспечен оригинальной отечественной методикой ФР.1.29.2003.00894 Расход жидкости в гидротехнических водоводах. Методика выполнения измерения расхода при независимых измерениях максимальной скорости течения и глубины жидкости (разработана НКФ «Волга», аттестована ВНИИМС за № 208/613-03).

Недостатком этого расходомера является высокая стоимость, препятствующая его более широкому распространению в РФ.

Расходомер ADS3600 предназначен для измерения максимальных скоростей течения и глубины потока технически чистых и загрязненных (сбросных) жидкостей при любых режимах течения (равномерных и неравномерных, установившихся и неустановившихся).

Расходомер ADS3600 может рассчитывать на основе результатов измерений объем протекшей жидкости за заданное (в том числе единичное) время, хранить и передавать на расстояние результаты измерений и вычислений.

Расходомер ADS3600 устанавливается в любых гидротехнических сооружениях, обеспечивающих непосредственный доступ к контролируемому потоку жидкости, в частности – в смотровых и регуляционных колодцах систем водоотведения и водоснабжения.

Применение расходомера ADS3600 для расчета объемов протекшей воды не регламентировано требованиями к конструкциям гидросооружений, предъявляемыми к известным расходомерным устройствам (ГОСТ Р 51657.3, ГОСТ Р 51657.4 и ГОСТ Р 51657.5).

Расходомер ADS3600 имеет свой внутренний монитор для обработки данных измерений и прилагаемую специальную программу QuadraScan, использование которых позволяет, в частности, вычислить расход воды в водоводе по МВИ ФР.1.29.2003.00894. Для этого заранее в программу вводятся следующие сведения:

- расстояние от излучателя ультразвукового датчика уровня до дна водовода;

- форма поперечного сечения водовода в виде таблицы «глубина – ширина» с необходимым, желательно малым шагом;

- таблица отношений средней скорости к максимальной N в зависимости от глубины N = f (H), предварительно рассчитанная согласно приложениям Б и В МВИ ФР.1.29.2003.00894.

Выходные результаты (максимальная скорость, глубина, расход рассчитываются отдельно по ультразвуковому датчику уровня и по датчику гидростатического давления) запоминаются в программе и выводятся на внешний компьютер.

Частота отсчетов устанавливается по желанию пользователя, максимальная – 1 раз в минуту, минимальная – 1 раз в 18 ч.

Выходные результаты могут по желанию пользователя усредняться за заданные периоды времени.

Возможно также сохранение файлов результатов с целью экспорта их в другие (внешние) программы для тех или иных специализированных методов дальнейшей обработки или для хранения.

В ходе освоения специалистами ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» расходомера ADS3600 была отмечена определенная схожесть МВИ ФР.1.29.2003.00894 с МИ 2220-96 в подходе к вычислению расхода через максимальную скорость потока, приводимую к средней через множитель N = V_ср/V_макс = f (H/D). Но в отличие от МИ 2220-96, в которой приводятся табличные значения множителя для ряда диаметров и фиксированных значений относительных наполнений трубопровода и оговариваются достаточно жесткие требования по длине прямых участков до и после измерительного сечения, в МВИ ФР.1.29.2003.00894 раскрывается зависимость N = V_ср/V_макс от характеристик трубопровода и положения измерительного створа через определенный математический аппарат. Это дает возможность пользователю шире варьировать значениями диаметров, шероховатостей и длинами прямых участков.

Выше на рис. 5 были приведены кривые для трубопроводов разных диаметров, построенные на основании табличных данных МИ 2220-96 и отражающие зависимость значений множителя N = = V_ср/V_макс = f (H/D).

На рис. 6 приведены аналогичные кривые, построенные на основании данных МВИ ФР.1.29.2003.00894, которые дают наглядное представление об области допустимых значений N = V_ср/V_макс = f (H/D). Диапазон возможных значений N по МВИ ФР.1.29.2003.00894 составляет 0,73–0,95.

При наличии специальной компьютерной программы на основании математического аппарата МВИ ФР.1.29.2003.00894 достаточно легко могут быть рассчитаны значения N = V_ср/V_макс = f (H/D) для любых измерительных сечений, удовлетворяющих условиям данной МВИ. С помощью расходомеров ADS3600 специалисты ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» выполнили программу определения фактических объемов сточной жидкости, сбрасываемой в настоящее время через прямые выпуска промышленных предприятий и канализационных сетей от населения в акваторию р. Невы и прилегающие водоемы.

Точное знание этих объемов необходимо для предстоящего переключения прямых выпусков на строящиеся Юго-западные очистные сооружения и на продолжение Главного коллектора в Северной зоне.

Рисунок 6. (подробнее) Значения N = f(H/D) при расчетной шероховатости ∆р = 3 мм для практических диаметров 0,5–2,0 м при различных значениях Lp расчетной длины участка формирования потока перед измерительным сечением

Рисунок 7. (подробнее) Параметры безнапорного потока на одном из объектов ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»

В качестве иллюстрации возможностей ADS3600 на рис. 7 приводятся результаты измерений на одном из объектов ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга». Из представленного графика хорошо просматривается цикличность работы объекта в дневные и ночные часы (продолжительность измерений 10 дней). На данном объекте при понижении уровня наполнения скорость потока повышается, что, вероятно, связано с некоторым подпором, имеющим место ниже по течению.

В ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» накоплен некоторый опыт измерения параметров безнапорных потоков различными средствами измерений, который, возможно, будет небезынтересен специалистам других предприятий. И этот опыт подтверждает истину: выбор и применение тех или иных средств измерений целиком и полностью определяется поставленной измерительной задачей и, особенно, теми условиями, в которых она будет выполняться.