SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Расходомер сточных вод. Коммерческий учет в безнапорных каналах

Приходилось ли вам когда-нибудь задумываться о том, как происходит учет сточных вод и является ли он точным? Если вы не диггер, исследующий подземные города, и не специалист в данной области – возможно, еще нет. Тем не менее это одна из актуальных и непростых на сегодняшний день задач, которую можно решать разными методами. Автор статьи рассказывает о том, какой подход лучше использовать в том или ином случае, и приводит характеристики приборов для измерения потока.

ЗАО «Техно-Т», г. Тула

ТехноТ.jpg


Коммерческий учет сточных вод имеет важное значение и требования по его организации определены постановлениями Правительства РФ от 12.02.1999 г. № 167 «Об утверждении Правил пользования системами коммунального водоснабжения и канализации в РФ» и от 10.04.2007 г. № 219 «Об утверждении Положения об осуществлении государственного мониторинга водных объектов», а также Приказ Минприроды России от 8.07. 2009 г. № 205 «Об утверждении Порядка ведения собственниками водных объектов и водопользователями учета объема забора (изъятия) водных ресурсов из водных объектов и объема сброса сточных вод и (или) дренажных вод, их качества».
Давайте для начала дадим точные определения всех понятий, которые будут использоваться в данной статье.

Сточные воды – это воды, загрязненные бытовыми отбросами и производственными отходами, а также воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков в пределах территорий населенных пунктов и промышленных объектов. Удаляются сточные воды с этих территорий через системы канализации.

Канализация – это комплекс инженерных сооружений, оборудования и санитарных мероприятий, обеспечивающих сбор и отведение загрязненных сточных вод, а также их очистку и обезвреживание перед утилизацией или сбросом в водоемы. Различают внутреннюю и наружную канализацию. Внутренняя расположена внутри зданий и сооружений и служит для сбора и вывода сточных вод в наружную канализационную сеть. Здесь осуществляется транспортирование сточных вод за пределы населенных мест и промышленных объектов. Элементами внутренней канализации являются санитарные приборы, отводы, стояки и выпуски из зданий, наружной– самотечные и напорные трубопроводы, канализационные насосные станции (КНС) и очистные сооружения.

Под системой канализации принято понимать совместное или раздельное отведение трех категорий сточных вод – бытовых, производственных и ливневых. Системы канализации бывают общесплавными и раздельными. Суть ясна из названий: при общесплавной системе все три категории сточных вод отводятся по одной общей сети труб и каналов, при раздельной – дождевые и условно чистые производственные воды удаляют по одной сети, а бытовые и производственные – по другой.

Разумеется, организация, занимающаяся водоотведением (как правило, это Водоканал), не может делать этого бесплатно. Поэтому граждане, предприятия и организации оплачивают услуги водоотведения подобно тому, как они оплачивают услуги водоснабжения – пропорционально объему отводимой воды. Но как же измерить и учесть этот объем?

Традиционным методом учета сточных вод является сопоставление их объема с объемом водопотребления. Логика здесь проста: вода, поступившая через водопровод, непременно попадает в канализацию. Объем водопотребления просто и привычно измеряется водосчетчиком, т.е. все данные для расчета есть. Для жилого сектора этот расчет достаточно корректен. Для предприятий, как правило, нет. Рассмотрим примеры. Часть воды, поступившей из учтенных источников, выпили, использовали в производственных целях, для приготовления пищи в столовых, для полива территорий, на мойку оборудования, охлаждения и пр. В этом случае объем стоков снижается, как правило, на 10–30% от объема поступившей воды. А если наоборот? Воду завезли или взяли из неучтенных источников? Тогда объем стоков превысит объем зафиксированного счетчиком водопотребления, и здесь нужно применять повышающий коэффициент.

pic1.jpg

Рис. Измерение сточных вод с помощью расходомера «Стрим»

Из приведенных примеров понятно, что при всей своей дешевизне (отсутствуют затраты на организацию учета собственно стоков) данный метод дает приблизительные данные и не учитывает особенностей потребителя, которые могут влиять на соотношение «потребление/стоки» довольно серьезно, причем как в ту, так и в другую сторону. Не стоит забывать также, что в канализацию попадает не только потребленная холодная, но и потребленная горячая вода. Их поставщиками обычно являются разные организации (Водоканал и Тепловые сети), тогда как стоки «достаются» полностью Водоканалу. Дождевая вода, привозная вода, вода, ушедшая в землю при авариях трубопроводов, слитая «мимо» канализации, вода испарившаяся – «возмущающих» факторов довольно много, и потому метод «потребление/стоки» более-менее нормально работает только у «маленьких» потребителей с «традиционным» использованием воды. В других случаях необходимо организовывать приборный учет стоков. Причем, как можно понять из вышесказанного, иногда такой учет будет выгоден той стороне, что «сливает», а иногда – той, что занимается водоотведением. Но в любом случае приборный учет будет объективен и «прозрачен». Посмот­рим, как его организовать.

Как уже говорилось выше, сточные воды в системах канализации транспортируются по напорным или безнапорным трубопроводам. В первом случае воду качают насосы, во втором она идет по трубам «самотеком». Измерение объема напорных стоков – задача давно решенная. Существует большое количество приборов, используемых как для измерения входящей воды, так и для сточных вод. 

Более сложная задача – учет безнапорных стоков. Здесь мы имеем открытый канал или незаполненную трубу, по которым вода течет под действием силы тяжести с небольшой скоростью. 

Исходя из нашего опыта, можно сказать, что в большинстве случаев состояние каналов скорости потока не соответствуют требованиям СНИП2.04.03-85 «Канализация, наружные сети и сооружения». 
Все существующие расходомеры безнапорных потоков осуществляют измерение объемным способом, т.е. помимо собственных инструментальных погрешностей прибора присутствуют погрешности канала, связанные с неточностями исполнения и измерения его геометрии, состоянием дна, стенок, донными отложениями и пр. Как правило, в процессе эксплуатации каналов эти факторы усугубляются.

Измерение безнапорных потоков сопровождается целым рядом помеховых воздействий, связанных с состоянием трубопровода, измерительного лотка, состоянием потока. К таким помеховым воздействиям следует отнести: подпоры, заиливание канала, клиноструйность, возмущенность потока, неоднородность среды канализируемой жидкости, обратный поток. На корректность измерения дополнительно влияют интенсивные осадки, испарения и туманы, а также пенообразование и волна на поверхности жидкости в канале. В зависимости от физического принципа измерения и индивидуальных особенностей прибора эти помехи влияют в большей или меньшей степени на корректность измерения.

Рассмотрим перечисленные выше помеховые воздействия.

Подпор – подъем уровня жидкости, возникающий вследствие преграждения или стеснения русла водотока или изменения условий стока. Типичные причины возникновения – попадание в канал посторонних предметов, заиливание канала примесями при его малых уклонах и низких скоростях (менее 0,4 м/с) потока или подтоп­ление выходного отверстия. Для подпоров характерно увеличение сопротивления потоку, вплоть до невозможности его полного прохождения, изменение напорно-расходной ха­рактеристики канала. В случаях, когда сечение канала обеспечивает возможность прохождения потока, в зоне выше затора происходит повышение уровня потока, уменьшение его скорости при сохранении значения расхода. А в зоне затора – наоборот, уровень жидкости повышается, площадь поперечного сечения потока уменьшается, скорость потока возрастает при сохранении значения расхода. В случаях, когда сечение канала в зоне подпора не обеспечивает возможность полного пропускания поступающей жидкости, возникают переливы, вплоть до истечения канализируемой жидкости на ланшафт. В зоне, непосредственно примыкающей к месту подпора, возникает «замирание» части потока и эпюра скоростей в этой зоне изменяется, а эффективная площадь поперечного сечения потока уменьшается. Как следствие, возникает заиливание канала в этой зоне.

В каналах, где возможен подпор (т.е. в большинстве), узлы измерения не рекомендуется оборудовать приборами, работающими по методу переменного уровня, использующими для вычисления расхода табличные характеристики «уровень-расход». Вместо этого следует использовать приборы, реализующие метод измерения «площадь-скорость».

Под заиливанием понимается накопление в водных объектах наносов и осадков. Основными причинами заиливания является загрязненность потока при низкой (менее 0,4 м/с) скорости течения и малых значениях уклона канала.

При заиливании рекомендуется периодический, а лучше автоматический контроль уровня иловых отложений, проводить систематическую чистку канала. При использовании ультразвуковых доплеровских расходомеров не допустим уровень иловых отложений, перекрывающий излучающие элементы установленных на дне канала измерительных датчиков. При этом увеличение погрешности измерения скорости потока связана с дополнительным преломлением ультразвукового сигнала на границе переходов «излучающий элемент – иловое отложение – вода».

Клиноструйность – вызванное какими-либо причинами отклонение равнодействующей составляющей эпюры скоростей от геометрического центра канала. Обычно возникает при изгибах и поворотах русла канала, боковых отводах, а также при наличии на дне и боковых стенках канала каких-либо препятствий, не перекрывающих всю его ширину. При клиноструйности происходит изменение эпюры скоростей и смещение ее равнодействующей составляющей от оси канала. Как правило, такое смещение носит нестабильный характер и может изменяться во времени, зависеть от интенсивности потока и его уровня. Клиноструйность вносит дополнительные погрешности в измерение, осуществляемое приборами с использованием «лучевых» методов измерения скорости потока: ультразвуковых, радиолокационных.

Возмущенность потока оказывает существенное влияние на корректность измерения скорости потока жидкости в канале. Эпюра скоростей сильно отличается в ламинарном и турбулентном потоке. В реальных коллекторах пограничные состояния между ламинарным и турбулентным потоком встречаются достаточно часто и для корректного измерения необходимо знать или измерять эпюру скоростей потока в реальном времени. 

Неоднородность среды конт­ролируемой жидкости влияет на погрешность измерения, особенно для ультразвуковых расходомеров, т.к. скорость распространения ультразвука в среде является одной из основных составляющих вычисления скорости потока жидкости. 

Под обратным потоком понимается изменение направления движения жидкости на противоположное. Возникновение противотока – аварийная ситуация для канала водоотведения. Для корректного учета расхода жидкости необходима информация не только об уровне и скорости потока, но и о направлении потока жидкости в канале.

Интенсивные осадки, туманы, испарения, пенообразование и волна на поверхности жидкости существенно влияют на измерение параметров потока осуществляемое радиолокационными методами в субмиллиметровом диапазоне и ультразвуковое измерение уровня жидкости. 

pic2.jpg

Рис. Учет сточных вод будет корректным, если правильно выбран метод
и прибор для измерения стоков

В таких климатических условиях происходит интенсивное рассеивание и поглощение радиолокационного сигнала, что приводит к существенным ошибкам измерения, вплоть до неработоспособности прибора. При пенообразовании отражение субмиллиметрового радиолокационного сигнала будет происходить от поверхности пены, скорость движения которой может заметно отличаться от скорости движения жидкости в канале. При волне на поверхности жидкости неизбежно переотражение зондирующего сигнала, что приведет к прерыванию измерения и ошибкам измерения.

При ультразвуковом измерении уровня потока в условиях таких климатических воздействий происходит не только рассеивание и множественное отражение ультразвукового сигнала, но и существенное изменение скорости его распространения в среде, что приводит к существенным ошибкам измерения, вплоть до невозможности их выполнения. Влияние пенообразования и волны на поверхности жидкости аналогично помеховому воздействию на радиолокационное измерение.

В настоящее время измерение расхода жидкости в безнапорных каналах осуществляется приборами с использованием метода «переменного уровня» и метода «площадь-скорость».

Метод «переменного уровня» появился гораздо раньше, в качестве расходомера используется уровнемер, пересчитывающий «уровень в расход» с учетом информации об измерительном сечении. В качестве такого сечения используются встраиваемые в канал лотки Вентури и Паршаля или водосливы, размеры которых стандартизованы и для которых полуэмпирическим путем получены формулы пересчета «уровень-расход».
 
Метод «переменного уровня» используется в ряде более современных расходомеров для измерения расхода в безнапорных трубопроводах и каналах. Измерение уровня осуществляется, как правило, ультразвуковыми уровнемерами, пересчет значения уровня в расход осуществляется по запрограммированным напорно-расходным характеристикам контролируемого канала. Примером таких приборов являются расходомеры «ЭХО-Р», «ВЗЛЕТ» и др. Метод регламентирован следующим документами Госстандарта:
МИ 2220-96 «Расход сточной жидкости в безнапорных трубопроводах. Методика выполнения измерений»; 
МИ 2406-97 «Расход жидкости в безнапорных каналах систем водоснабжения и канализации. Методика выполнения измерений при помощи стандартных водосливов и лотков». 

Претензии к данному методу возникают в основном из-за его «неочевидности», и точкой отсчета здесь являются результаты предварительного расчета напорно-расходной характеристики лотка, водослива или трубопровода. Точность этого расчета обусловливает точность дальнейшей работы прибора. При этом основной причиной нарастающей погрешности лотков Паршалла и Вентури является их постепенное разрушение, а возможности их ремонта и поверки, как правило, нет, т.к. для этого необходимо остановить работу очистных сооружений. Что касается расходомеров типа «ЭХО-Р», «ВЗЛЕТ», то для определения характеристики безнапорного трубопровода или U-образного канала необходимо экспериментальным путем измерить зависимость средней скорости потока жидкости от уровня заполнения канала, т.е. его расходную характеристику. Такое измерение порою производят на глазок, при помощи наручных часов и брошенной в канал щепки. Другой способ расчета – при помощи формулы Шези, в которой фигурируют такие параметры, как строительный уклон трубопровода и коэффициент шероховатости стенок. Здесь проблема таится в том, что и уклон, и шероховатость – это, если можно так выразиться, «теоретические» параметры. Реальный уклон может не соответствовать тому, что указан в проектной документации на систему канализации, а коэффициент шероховатости стенок по понятным причинам изменяется в процессе эксплуатации трубопровода. Как бы то ни было, эти данные заносятся в прибор и определяют корректность измерения. Более серьезная проблема – возникновение подпоров в канале, что неизбежно в канализационных коллекторах, а также заиливание каналов. При этом реальные расходные характеристики очень сильно отличаются от занесенных в прибор. Ошибка в исходных данных ведет к недостоверности учета, причем во многих случаях эту недостоверность можно и не «зафиксировать». Дополнительным фактором, влияющим на достоверность измерения таких приборов, является изменение температуры, давления, влажности, интенсивные осадки, испарения, туман, а также волна и пенообразование на поверхности потока.

Более современные и корректные приборы учета стоков работают по принципу «площадь-скорость». Эти приборы осуществляют прямое измерение уровня и скорости потока. Геометрические параметры канала введены в память прибора заранее: используя эти данные и получаемую в реальном времени информацию об уровне заполнения, прибор вычисляет площадь поперечного сечения потока в данный момент времени и, умножая его на измеренную среднюю скорость, рассчитывает расход и объем стоков. Также эти приборы определяют направление движения жидкости в канале.
 
К приборам этого типа относятся:
Ультразвуковые расходомеры типа «ISCO-4250», ADFM, «ADS 3600», «NIVUS», «SIGMA», «Piton», в которых установленный на дно датчик измеряет скорость потока методом ультразвуковой доплеровской локации, а уровень потока измеряется с помощью ультразвука, гидростатическим или пьезометрическим методом. Для ультразвуковых доплеровских уровнемеров существует ряд своих ограничений – поток должен быть ламинарным, уровень ила и др. отложений в канале не должен превышать уровня излучателей датчика скорости потока, монтируемом на дне канала. Превышение иловых отложений выше допустимого уровня приводит к преломлению зондирующего луча на границе «ил-жидкость», что существенно увеличивает погрешность измерения скорости потока. При использовании гидростатического метода измерения уровня потока погрешность увеличивается. Монтаж этих приборов на эксплуатируемых каналах с большим уровнем заполнения и большой скоростью потока весьма затруднителен. Приборы не осуществляют прямого измерения средней скорости потока, что вносит дополнительную погрешность вычисления расхода жидкости. Клиноструйность потока, часто встречающаяся в реальных условиях, также вносит дополнительную погрешность измерения скорости потока.

Радиолокационный расходомер FLO-DAR, скорость потока измеряется радиолокационным методом в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Прибор устанавливается над поверхностью жидкости в канале. Уровень измеряется ультра­звуковым уровнемером. Имеет ограничения работоспособности при интенсивных осадках, испарениях, туманах, волнистости и пенообразовании на поверхности потока, неработоспособен при переливах канала, что часто встречается при установке прибора в колодцах.

Электромагнитные расходомеры типа ISCO UniMagTM 4402. Измерение средней скорости потока в электропроводных жидкостях осуществляется путем измерения наведенной ЭДС в электромагнитной катушке прибора, уровень потока измеряется гидоростатическим методом. Требует встраивания в канал, т.е дополнительных строительных работ с выводом коллектора из эксплуатации. Сечение канала ограничено диаметром 2 м. Увеличивают погрешность измерения иловые осадки и др. загрязнения на дне и стенках канала. 

Рычажно-маятниковый расходомер безнапорных потоков «СТРИМ». Уровень потока определяется по углу отклонения от вертикали рычага с поплавком, подвешенным над потоком и свободно плавающим на его поверхности. Измерение средней скорости потока осуществляется измерением угла отклонения от вертикали лопасти (отрезок трубы), подвешенной над потоком (как маятник) и свободно опущенной в поток. Угол отклонения является функцией скорости потока, уровня потока, ширины и массы лопасти. Расходомер «СТРИМ» – единственный из приборов, осуществляющий прямое измерение средней скорости потока, можно сказать, что эпюра скоростей потока «сидит» на лопасти преобразователя скорости. В прибор, помимо подвески с вертикальным перемещением чувствительных элементов преобразователей уровня и скорости, введено поворотное устройство в горизонтальной плоскости, что обеспечивает верное измерение параметров не только ламинарного, но и турбулентного потока, в т.ч. в условиях клиноструйности потока. Лопасть пре­образователя скорости, за счет двух степеней свободы в подвеске, автоматически устанавливается в уравновешенное состояние в потоке, т.е. в положение равнодействия всех сил, действующих на нее. Скорость потока в этом месте максимальна. На лопасть, по всему ее профилю, интегрально действуют все составляющие силы вертикальной эпюры скоростей потока, что обеспечивает однозначное высокоточное измерение средней скорости потока. Прибор обеспечивает стабильную работу при осадках любой интенсивности, волны и пенообразовании на поверхности потока, переливах и подпорах потока, изменении температуры и давления окружающей среды. 

Следует помнить, что узел учета безнапорных потоков состоит из двух компонентов, влияющих на погрешность и корректность измерения: установленный прибор учета и, собственно, канал в зоне измерения. Совокупная погрешность узла учета безнапорных потоков определяется инструментальной погрешностью расходомера, метода измерения и погрешностей, связанных с измерительным участком канала по месту установки прибора. К основным погрешностям канала следует отнести: погрешность измерения его геометрических размеров, наличие твердых иловых отложений на дне канала, неравномерность геометрии и уклона канала в зоне измерения, наличие в зоне измерения поворотных участков и боковых стоков, а также поверхностных сливов жидкости. Дополнительными факторами могут являться замерзание жидкости в канале, наличие ледопадов при установке приборов в колодцах и пр. К сожалению, состояние канализационных сетей далеко не всегда соответствует необходимым требованиям. Поэтому большая доля ответственности за правильность измерения лежит на эксплуа­тирующей организации, требуется строгое соблюдение правил и требований эксплуатационной документации.

Учет сточных вод – это актуальная и сложная на сегодняшний день задача, и решать ее можно разными методами. В напорных системах есть свои проблемы, но они менее очевидны. Что касается безнапорных потоков, то здесь можно сделать следующее выводы.

Для потребителей с малым объемом стоков и стабильным соотношением потребляемой и сточной воды имеет право на жизнь расчет по объему потребляемой воды. 

Для более крупных потребителей с неочевидным или меняющимся параметром «потребление/стоки», а также для потребителей, осуществляющих сброс воды, полученной из разных, в т.ч. неучтенных источников, необходим приборный учет. Наиболее дешевые приборы – расходомеры, использующие метод «переменного уровня», типа «ЭХО‑Р», «ВЗЛЕТ». Однако экономия средств на приобретение прибора может вылиться в большие потери при платежах за стоки, особенно при подпорах и заиливании канала. Заметно дороже обойдутся приборы, работающие по принципу «площадь-скорость», но здесь результаты измерений будут более объективными, а платежи за стоки реальными. Среди данных приборов самыми доступными являются расходомеры «СТРИМ» российского производства, остальные приборы изготавливаются за рубежом и имеют стоимость от 700 000 рублей.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 5(35)_2011


В.В. Трофимов, к.т.н., Генеральный директор,
ЗАО «Техно-Т», г. Тула,
тел.: (0872) 26-17-09,