Инструментальный учет объемов водоотведения

Опыт формирования метрологической базы и применения отечественного расходомера ЭХО-Р

А. В. Озеров, главный метролог МГУП «МОСВОДОКАНАЛ»

А. П. Зайцев, главный метролог ГУП «ВОДОКАНАЛ Санкт-Петербурга»

М. А. Мордясов, канд. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «НИИ КВОВ»

М. Н. Шафрановский, канд. техн. наук, генеральный директор ЗАО «СИГНУР»

Известно, что системы сбора и отведения воды (системы СОВ) выполняют свою функцию с помощью самотечных и напорных сетей. В подавляющем большинстве случаев прием канализационного стока от традиционных абонентов осуществляется в самотечные трубопроводы городских муниципальных структур (ВОДОКАНАЛы, ВОДОСТОКи и т. п.). Гидравлически приборный учет на самотечных сетях отрабатывается стандартным произведением: площадь смоченного сечения × скорость потока в мерном сечении трубопровода, лотка и т. п. Но выбор или организация мерного сечения, а также его адекватная калибровка представляют собой тот элемент, который обеспечивает приборное дооснащение любого узла учета на канализационных сетях. Следует отметить, что организация и калибровка мерного сечения является сложной процедурой и должна выполняться подготовленными специалистами, имеющими соответствующее приборно-метрологическое оборудование.

Таким образом, именно сочетание правильно выбранного и откалиброванного мерного сечения, а также привязки к нему параметров конкретного прибора, позволяет получить должное качество расходометрии и последующих взаиморасчетов хозяйствующих субъектов.

Методические вопросы измерения расхода сточных вод в безнапорных трубопроводах впервые были сформулированы НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды более 15 лет назад в МИ 2220–92 «ГСИ. Расход жидкости в безнапорных трубопроводах. Методика выполнения измерений». Более поздняя редакция этой методики (МИ 2220–96) была подготовлена с учетом ряда наработок специалистов ЗАО «СИГНУР».

Суть «Методики...» состоит в технической конкретизации метода «площадь смоченного сечения × скорость потока» относительно выбора точек измерения, отражающих скоростные параметры потока. Она опирается на большой объем экспериментальных данных, полученных специалистами НИИ КВОВ на реальных канализационных сетях. На основании натурных данных, калибровку мерного сечения (напор-расходной характеристики) рекомендовано осуществлять по измерению скорости потока в одной точке гидрометрического створа трубопровода, там, где ее скорость равна среднему значению. Такое калибровочное измерение проводится с помощью гидрометрической вертушки для нескольких уровней наполнения трубопровода. На основании этих натурных параметров строится калибровочная характеристика уровень-скорость или уровень-расход (площадь-расход).

В ходе приборной реализации «Методики….» полученные параметры уровень-расход «зашиваются» в процессор регистрирующего прибора (рис. 1). А измерение собственно расхода (л/с, м³/с, м³/ч, м³/сут и др.) осуществляется путем постоянного измерения уровня заполнения трубопровода (например, акустическим датчиком) и пересчета его процессором прибора в мгновенные значения расхода. Эти значения интегрируются, транспонируются, архивируются (рис. 1).

Ведущее направление в современной расходометрии самотечных сетей – ультразвуковой (акустический) съем параметров «смоченного сечения» и скорости отводимого потока на оттарированных лотках и каналах систем СОВ. Значимым преимуществом методики является отсутствие контакта с потоком жидкости. Примером такого прибора может служить отечественный комплект ЭХО-Р. Более 5 лет этот прибор надежно работает на самотечных сетях, и к настоящему времени строится третья его модернизация – ЭХО-Р-02. Схема оснащения узла учета отводимого стока комплектом ЭХО-Р-02 представлена на рис. 1. Этапы обустройства узла учета отводимого стока на базе расходомера ЭХО-Р-02:

– обоснование, выбор мерного сечения планируемого узла учета и его калибровка с помощью соответствующих метрологических вертушек. (На этом этапе возможна и «посадка» нового расходомерного колодца на линейный интервал трубопровода для обеспечения максимальной сохранности штатной геометрии мерного сечения. В исполнении современных строителей лотки колодцев нередко деформированы и залиты пескобетоном.);

– калибровка створа мерного сечения с помощью метрологичесских вертушек и построение его напоррасходных характеристик;

– ввод конкретных и адекватных напор-расходных характеристик в память процессора вторичного прибора (регистратора расхода (2), рис. 1);

– размещение (и юстировка) акустического измерителя (1) уровня потока сточной жидкости в мерном сечении (рис. 1);

Рисунок 1. Схема работы акустического расходомера ЭХО-Р-02 1 – измеритель уровня наполнения трубопровода; 2 – регистратор расхода (вторичный процессорный прибор)

– соединение сетевым низковольтным кабелем (до 300 м) измерителя уровня потока в мерном сечении (в колодце) и регистратора расхода (в диспетчерском пункте). Включение регистратора расхода и/или дублирующего компьютера в электросеть (<220 Вт) и расходомер ЭХО-Р-02 – в работе. Примеры реализации этапов обустройства узлов учета на базе расходомера ЭХО-Р-02 приведены ниже. Они иллюстрируют логику работ и акцентируют внимание на важных деталях практического обустройства узлов учета отводимого стока (рис. 2 и 3).

Важной особенностью любого расходомерного узла является его погрешность,которая определяется суммой погрешностей: начиная от погрешности калибровки мерного сечения и кончая метрологическими и электронными погрешностями составляющих комплекта ЭХО-Р-02.

Что же касается электронно-процессорных характеристик отечественных и зарубежных приборных комплектов, то они в принципе одинаковы как у престижного и дорогого зарубежного, так и у обычного отечественного показывающего устройства, очень часто имеющего одинаковую с «западным» элементную базу. С другой стороны, очевидно, что чем качественнее калибровка мерного сечения узла учета отводимого стока, тем выше и общая точность измерения расхода, отводимого по конкретному трубопроводу или расходомерному лотку. В нынешних условиях узлы учета на безнапорных сетях систем СОВ, претендующие на статус коммерческих, должны обеспечивать суммарную погрешность в пределах ±3 % от среднесуточных объемов отводимого стока. Это высокий показатель для тех параметров неопределенности и нечеткости, которыми обладают открытые сети и каналы систем СОВ. Именно поэтому для объектов и абонентов, обращающихся к специалистам МГУП «МОСВОДОКАНАЛ», ГУП «ВОДОКАНАЛ Санкт-Петербурга», НИИ КВОВ и ЗАО «СИГНУР», отрабатывается внутренний метрологический надзор, который позволяет достичь такой малой погрешности практически на всех объектах, обустраиваемых с нашей помощью.

Рисунок 2. Контрольная калибровка мерного сечения узла учета на керамическом и железобетонном трубопроводах Ду = 500 мм а – гидрометрическая микро-вертушка в потоке; б – комплект микро-компьютерного расходомера-скоростемера МКРС; в – акустический датчик уровня потока АП-13 установлен и подключен; г – акустический датчик уровня потока АП-11 установлен и подключен

В рамках затронутой темы встает важный вопрос об экономико-политических последствиях приборного учета отводимого стока. У авторов имеется статистика, согласно которой, после обустройства узла учета платежи за прием отводимого стока уменьшаются от 40 % до 2–3 раз. Естественно, это не «радует» организацию, принимающую сток, и для доказательства занижения расходов узлом учета она начинает его проверять сливами воды из пожарных автоцистерн в колодцы или требовать оплаты за принимаемый сток по балансу, т. е. по объемам поданной абоненту водопроводной, а также поднятой им артезианской воды. Что говорит о полной метрологической неподготовленности. В силу ограниченного объема статьи соответствующие разъяснения здесь не приводятся, однако имеются примеры того, что приборный учет фиксирует и существенное увеличение принимаемого стока.

Приведенные в статье материалы описывают комплектацию узлов учета расходомерами ЭХО-Р. Это обусловлено рядом причин. ЭХО-Р был разработан и внесен в Государственный реестр как первый отечественный расходомер для сточных вод в 1993 году, надежен и сегодня востребован абонентами. К началу 2006 года выпущено и установлено свыше 2000 расходомеров серий ЭХО-Р – ЭХО-Р-02. Авторский коллектив осознает все плюсы и минусы этого акустического расходомера и его последней модификации ЭХО-Р-02. Принципиальных недостатковакустических расходомеров такого типа два: степень герметичности датчика уровня и выход фактических параметров потока за диапазон уровень-расходной калибровки (в процессе безнадзорной и бесповерочной эксплуатации).

Относительно герметичности акустического датчика уровня (рис. 2в, г). Понятно, что любой хозяйственно-фекальный сток, а нередко и производственный, имеют высокую коррозионную агрессивность. А отвод воды от гальванического производства является особенно жестким. И если на первых образцах ЭХО-Р (начало 1990-х годов) акустические излучатели-приемники в колодцах иногда превентивно заменялись 1 раз в год, то на современных комплектах ЭХО-Р-02 соответствующие датчики работают в тяжелых штатных и форс-мажорных режимах без замечаний. Их работоспособность не ухудшается даже в случае подтоплений и заливов водой (аварии на системах СОВ с продолжительностью устранения до 2-х недель) и последующего автоматического пуска в эксплуатацию.

Что касается выхода потока за диапазон уровень-расходной характеристики мерного сечения, то здесь ситуация полностью аналогична нарушениям правил эксплуатации любой технической системы (отложение осадка в лотках трубопроводов, подпоры, аварии, засоры и т. п.). Так, если в результате аварии на вышележащем участке (и ее устранении с использованием строительно-вскрышных работ) в лоток мерного интервала подбило, например, 40–80 мм грунта, то датчик уровня приплюсует его к уровню потока (над грунтом), а расходомер будет завышать фактические объемы отводимого стока на соответствующую величину.

Однако также будет работать любой расходомер.

И если в качестве альтернативы ЭХО-Р использовать современные западные расходомеры типа ISCO 4250(США), ADS 3600(США) и MAINSTREAM III (Франция), то и эти приборы не дадут принципиального улучшения точности измерений, несмотря на то, что они измеряют скорость потока не только в момент калибровки мерного сечения, но и в процессе последующей эксплуатации. Последнее представляется существенным концептуальным преимуществом, однако его метрологическая реализация еще весьма далека от требований практики.

Принцип действия этих приборов заключается в измерении скорости потока доплеровским методом с помощью ультразвукового датчика, закрепленного на дне водовода. А измерение уровня (смоченного сечения) потока, осуществляется с помощью встроенного датчика давления.

Не вдаваясь в аналитическое описание расходомеров с доплеровским датчиком скорости, следует лишь отметить тот факт, что они весьма чувствительны к физико-химическому составу стока (зависимость доплеровской частоты от скорости ультразвука в жидкости разного химсостава) и их погрешность может достигать 10–15 %.

Это подтверждает экспертиза, проведенная ГНЦ «НИИ Теплоприбор», из которой следует, что заявленные метрологические характеристики ISCO 4250, ADS 3600 и MAINSTREAM III выдерживаются только при измерении расходов условно чистой, технической воды. Экспериментально это подтверждено производственными структурами СМНУ МОСВОДОКАНАЛа и ЦИВР ВОДОКАНАЛа Санкт-Петербурга. Статистика, показывающая приборное оснащение узлов учета отводимого стока, обустроенных в Москве и Санкт-Петербурге муниципальными структурами (табл.), демонстрирует условный рейтинг и соответствующую степень адекватности технологических параметров того или иного типа расходомеров. Дополнительным показателем может служить и стоимость зарубежных расходомеров для самотечных сетей – меньше $13 000. Что на порядок выше стоимости комплекта приборов типа ЭХО-Р-02.

Выводы

1. Значимость приборного учета на безнапорных сетях возрастает быстрыми темпами, а его материально-техническое обеспечение развивается спонтанно, с приоритетами корпоративных интересов производителей оборудования.

2. Существующие методики калибровки, обустройства и эксплуатации узлов инструментального учета отводимого стока требуют срочной модернизации, системного структурирования и взаимного дополнения (стыковки).

3. Информационно-аналитическая работа по инструментальному учету энергоресурсов должна быть продолжена и призвана стимулировать совершенствование управления системами ПРВ (как фрагмента системы жизнеобеспечения населенных мест в целом).