В статье рассмотрены проблемы инструментального контроля параметров безнапорных потоков. Представлены расходомеры-счетчики безнапорных стоков «СТРИМ». Показаны преимущества данных приборов 3‑го поколения перед расходомерами 2‑го поколения, а также перед теоретическим расчетом расходных значений.
Данная статья посвящена инструментальному контролю параметров безнапорных потоков.
Естественные природные безнапорные потоки – это реки и ручьи. Искусственные безнапорные потоки – это оросительные и прочие каналы, участки канализационных, ливневых и других коллекторов, в которых движение воды происходит за счет существующего уклона.
Расходные характеристики потока в таких каналах зависят от их габаритных размеров и значения уклона. На параметры потока также влияет состояние самих каналов, в которых транспортируется вода, а именно изломы, местные разрушения стенок, загрязненность, присутствие в канале посторонних предметов. Наибольшее влияние оказывают подпоры, которые могут возникать в коллекторах по разным естественным и искусственным причинам.
В соответствии с законодательством РФ все потребители должны осуществлять оплату за водопользование и водоотведение, то есть возникают хозяйственные и финансовые взаимные отношения между потребителями и поставщиками воды, водоотводящими субъектами и предприятиями водоочистки и водоохраны.
Для предприятий с большим оборотом воды стоимость платежей за водоснабжение и водоотведение весьма значительна. Рассмотрим пример платежей за стоки для среднестатистического предприятия, например, с расходом 1000 м3/сутки. Тариф за стоки в Москве 29,57 руб./м3. Исходя из практики, в стоках предприятия, у которого нет собственных очистных сооружений, присутствует превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) не менее 3 веществ. При этом размер платежей за стоки вырастает в 3 раза и становится равным 88,71 руб./м3. Считаем за месяц: 88,71 × 1000 × 30 = 26 613 000 руб.
Из примера видно, что платежи за стоки весьма значительны и ошибки измерения расхода дорого обходятся хозяйствующим организациям. Практика показывает, что недоверие к параметрам измерения потока часто является причиной для судебных разбирательств между водоотводящими и водопринимающими организациями. Для снижения ошибок измерения и количества спорных ситуаций необходимо вводить в эксплуатацию расходомеры, осуществляющие корректное измерение расходных характеристик при всех условиях эксплуатации, при всех возможных изменениях параметров коллектора и стоков.
Такими свойствами обладают расходомеры-счетчики безнапорных потоков третьего поколения, работающие по принципу «площадь-скорость», которые осуществляют измерение уровня и средней скорости потока. Метод измерения расхода у всех расходомеров объемный, то есть с учетом известных геометрических размеров коллектора и измеренного значения уровня потока вычисляется площадь поперечного сечения потока. Умножив значение площади на среднее значение скорости потока, получаем значение расхода.
В 2002 году Мосводоканал провел совещание, посвященное задачам перспективного приборостроения. На это совещание были приглашены представители ЗАО «Техно-Т» (сейчас АО «Техно-Т»), г. Тула. В частности, вопрос касался создания расходомеров нового поколения для учета потоков воды в безнапорных каналах, которые должны обеспечивать измерение не только уровня, но и средней скорости потока.
В 2003 году нам удалось изобрести свой метод измерения параметров безнапорных потоков, который принципиально отличался от используемых в других приборах, как отечественных, так и зарубежных. В результате были разработаны и в 2005 году сертифицированы Росстандартом РФ и внесены в Госреестр средств измерений расходомеры-счетчики безнапорных потоков (РСБП) «СТРИМ». В РФ это был первый и единственный прибор, который работал по принципу «площадь-скорость», то есть производил прямое измерение средней скорости потока и уровня потока.
РСБП «СТРИМ» – единственный из всей линейки расходомеров, выпускаемых в мире, осуществляет прямое измерение средней скорости потока и, как следствие, корректное измерение параметров потока, как ламинарного, так и турбулентного.
Первые приборы были внедрены в эксплуатацию в 2006 году и работают по сегодняшний день. Одни из первых приборов эксплуатируются на городских очистных сооружениях АО «Тулагорводоканал», городской станции аэрации МПП ВКХ «Орелводоканал». В настоящее время география объектов, на которых применяются наши расходомеры, весьма большая: от Чукотки до Санкт-Петербурга, практически во всех регионах России, а также в Казахстане, Узбекистане и Белоруссии.
РСБП «СТРИМ» обеспечивают коммерческий и технологический учет потоков жидкости в закрытых и открытых каналах, в том числе канализационных и ливневых стоках. Они измеряют параметры потока жидкости в каналах различного профиля, шириной не менее 150 мм. Погрешность измерения уровня – не более 0,3 %, диапазон измерения средней скорости потока – от 0,01 до 3 м/с. Погрешность измерения скорости – не более 1,5 %. Погрешность вычисления расхода и нарастающего объема потока – не более 2 %. Прибор обеспечивает стабильность измерений в сложных климатических условиях, таких как осадки, туман, пенообразование на поверхности воды.
Многолетний опыт эксплуатации РСБП «СТРИМ» доказал высокую надежность и корректность работы приборов в самых сложных условиях. За все время эксплуатации не было ни одного аппаратного отказа.
При разработке расходомера мы исходили из принципа доступности для потребителя возможности разных вариантов монтажа с возможностью разнесения составных частей прибора и работы в различных климатических условиях:
- преобразователи уровня и скорости потока должны размещаться непосредственно над коллектором, как открытым, так и в колодце над открытым лотком. Монтаж должен быть простым, не требующим высокой квалификации специалистов. Температура жидкости в коллекторе должна быть выше температуры замерзания, но не более 60 °C. Напряжение питания электроники преобразователей должно обеспечивать безопасность обслуживающего персонала, то есть составлять не более 5 В постоянного тока;
- оборудование расходомера, его конструктивные материалы и электроника должны работать в диапазоне температур от –40 до +60 °C. Напряжение питания электроники вторичного оборудования должно обеспечивать безопасность обслуживающего персонала, то есть составлять не более 12 В постоянного тока;
- информационный выход должен обеспечивать надежную связь при удалении вторичной аппаратуры от преобразователей на значительное расстояние и коллективное обслуживание одновременно нескольких каналов измерения. Был выбран интерфейс RS‑485, протокол Modbus RTU. Все информационные цепи прибора работают в формате этого интерфейса;
- данные об уровне и скорости потока от преобразователей должны поступать в удаленный контроллер с функцией отображения текущей информации. Контроллер должен иметь энергонезависимую память о параметрах измерения.
Расходомер состоит из преобразователя уровня (ПУП), преобразователя скорости потока (ПСП), блока индикации, блока соединений и защиты и блока питания (рис. 1). Информационные выходы: интерфейс RS‑485 (протокол Modbus RTU), токовый 4–20 мА, пропорциональный текущему значению расхода. Емкость памяти – не менее 2 месяцев почасовых значений. Для ведения журнала измерений разработано ПО «Менеджер данных», которое устанавливается в ПЭВМ оператора. Передача информации из блока индикации в ПЭВМ возможна по проводной линии, с помощью устройства переноса информации (УПИ), работающего по принципу «флешки», и через блок модемной связи GPRS‑02.
Рис. 1. Расходомер-счетчик безнапорных потоков «СТРИМ»
Конструктивно ПУП и ПСП построены по маятниковой схеме:
- ПУП: на оси открытого горизонтального подшипника скольжения жестко закреплен высокоточный датчик угла и рычаг с поплавком сферической формы. Датчик угла измеряет угол отклонения рычага с поплавком от вертикали. Известны расстояние от оси подшипника до дна канала, длина рычага, радиус поплавка и уровень его всплытия. Далее по простой формуле вычисляется уровень воды в потоке. Подшипник закреплен на монтажном кронштейне для крепления к монтажной раме, монтируемой над коллектором;
- ПСП: на оси открытого подшипника скольжения жестко закреплен высокоточный датчик угла и лопасть (отрезок трубы). Измерение средней скорости потока основано на законах физического маятника и является функцией уровня погружения лопасти в поток и угла отклонения лопасти от вертикали. Принципиально любой поток можно рассматривать как совокупность «микроструек», каждая из которых движется со своей скоростью в соответствии с эпюрой скоростей потока. Лопасть, погруженная в поток, под воздействием этих микроструек отклоняется от вертикали на угол, пропорциональный мгновенному значению средней скорости потока. Так как каждая из «микроструек» потока воздействует на лопасть со скоростью, характерной для реального распределения эпюры скоростей в потоке, лопасть, как естественный интегратор, усредняет значение скоростных составляющих потока и обеспечивает прямое измерение средней скорости потока.
Принципиально важным является установка ПСП в симметричном канале точно по центру потока. В случае «клиноструйности» потока на монтажный узел устанавливается дополнительный горизонтальный подшипник. При этом лопасть всегда отслеживает равнодействующую составляющую эпюры скоростей потока и компенсирует ошибку измерения.
Измерение параметров потока в несимметричных каналах также возможно, но требует предварительного измерения профиля дна, эпюры скоростей поперечного сечения канала в зоне измерения и определения характерной равнодействующей точки измерения.
Монтаж оборудования расходомера предельно прост (рис. 2) и не требует высокой квалификации персонала. С этим сотрудники предприятий справляются, как правило, самостоятельно, что позволяет заказчику исключить затраты на монтаж, шеф-монтаж и пусконаладку. Несмотря на то что стоимость расходомеров «СТРИМ» заметно выше стоимости расходомеров 2‑го поколения, экономия затрат на монтажных и пусконаладочных работах обеспечивает соизмеримость затрат на организацию узла учета.
Рис. 2. Расходомер-счетчик безнапорных потоков «СТРИМ», установленный на объекте
Особенность принципиального и конструктивного решения преобразователей уровня и скорости потока обеспечили дополнительное преимущество расходомеров «СТРИМ» по сравнению с аналогами: работу в широком диапазоне климатических условий, при дожде и туманах любой интенсивности, при поверхностном пенообразовании, корректное измерение как ламинарных, так и турбулентных потоков. При этом стоимость расходомеров‑счетчиков безнапорных потоков «СТРИМ» ниже стоимости расходомеров основных конкурентов.
Более подробную информацию о приборе можно посмотреть на наших сайтах: techno-t.net, 3v-e.ru.
Основное преимущество расходомеров 3‑го поколения, работающих по принципу «площадь-скорость», по сравнению с расходомерами 2‑го поколения, которые измеряют только уровень потока, а расход вычисляют по заложенной зависимости «уровень-расход», в том, что они измеряют реальное мгновенное значение расхода потока при измеренных мгновенных значениях уровня и скорости потока. При этом отсутствуют ошибки измерения расхода, характерные для расходомеров 2‑го поколения, возникающие при подпорах в коллекторе ниже по течению.
Рассмотрим расчетные возможные значения ошибки вычисления значения расхода прибором 2‑го поколения в результате подпоров ниже по течению. Для примера возьмем расчетные значения расхода в среднестатистическом коллекторе ∅ 500 мм с уклоном i = 0,008 в диапазоне уровней потока от 100 до 500 мм с шагом 100 мм (табл. 1).
Таблица 1. Расчетные значения расхода в коллекторе ∅ 500 мм
Из приведенных данных видно, что при увеличении уровня потока в зоне измерения в результате подпора ошибка расходомера 2‑го поколения, измеряющего параметры потока, достигнет существенных значений. Например, в результате подпора уровень воды в коллекторе вырос на 100 мм и достиг значения 300 мм. По таблице вычисляем, что ошибка измерения уровня составила 341 м3/ч. Допустим, что на устранение аварийной ситуации в коллекторе понадобилось 48 часов. За это время превышение объема измерения составило 16 368 м3/ч, что при тарифе за стоки 29,57 м3/ч составит в денежном выражении 484 000 руб.
В приведенной таблице не учтены факторы снижения расходных характеристик каналов при подпорах, связанных с фактическим изменением гидродинамических характеристик канала. Например, вероятно уменьшение величины уклона в зоне измерения. Эти параметры невозможно учесть при теоретических расчетах, но это можно оценить при обработке параметров измерения. В реальности ошибка измерения, связанная с изменением гидродинамических характеристик канала, будет еще выше.
Бытует мнение, что организация узлов учета – это дорогое удовольствие, недостаточно эффективное, поэтому требования законодательства об инструментальном учете «не обязательны к исполнению». Однако приведенный выше пример показывает существенное снижение затрат пользователя на оплату стоков при организации узла учета на базе прибора 3‑го поколения и возникновении подпоров в канализационных коллекторах по сравнению с узлами учета на базе более дешевых расходомеров 2‑го поколения или при теоретических расчетах расходных значений, показанных в приведенном примере переплаты за стоки в условиях подпоров. При этом окупаемость РСБП «СТРИМ» произошла бы за два дня работы в таких условиях.
К сожалению, обратная связь в части аналитической информации с предприятиями, эксплуатирующими наши расходомеры, весьма слабая. Тем не менее ряд предприятий, от которых мы получили информацию и которые установили наши расходомеры вместо расходомеров 2‑го поколения, сообщили, что получили значительное сокращение платежей за стоки – от 2 до 5 раз.
Некоторые предприятия, которые использовали расчетный метод, заявляли об увеличении расходных показаний после установки прибора, но после анализа сетей обнаружили неучтенные источники стоков в коллектор. После устранения попадания в коллектор неучтенных ливневых стоков, врезок и прочих причин претензии к прибору снимались. Таким образом, корректный расходомер является отличным инструментом для оптимизации расхода стоков и состояния канализационных сетей.
Рассмотрим пример из области энергосбережения. В среднем энергетические затраты водоснабжающих организаций на 1 м3 холодного водоснабжения составляют 1,5 кВт, а у водоотводящих организаций, с учетом очистки, на 1 м3 стоков – 0,7 кВт. В городах с развитой промышленностью и населением до 500–700 тыс. жителей среднесуточный оборот воды составляет 200 000–300 000 м3. Несложно посчитать, что затраты электроэнергии при этом составляют 440–660 МВт в сутки. При снижении водооборота хотя бы на 10 % сэкономленной электроэнергии хватит для обеспечения суточной работы крупного предприятия.
По данным государственной статистики, в России забор воды из природных водных объектов в 2014–2017 годах (14,7 млрд м3) по сравнению с 1992 годом (99,6 млрд м3) уменьшился на 60 %. Но это нельзя отнести только к внедрению приборов учета. Основная составляющая этого процесса, безусловно, сокращение промышленного производства. При этом в данных статистики не прослеживается тенденция к уменьшению потребления воды за последние 5–7 лет. Фактически ничего не меняется с учетом допустимой погрешности.
Аналогичная ситуация и со сбросом загрязненных сточных вод в водные акватории. По сравнению с 1992 годом (27,1 млрд м3) в 2014–2017 годах (14,7 млрд м3) этот показатель сократился на 80 %, что является фактором не только снижения объема производства, но и строительства новых очистных сооружений.
По данным статистики, в 2017 году дополнительно введены в эксплуатацию очистные сооружения на 1 млн 200 тыс. м3/сутки. В объеме страны это очень мало, приблизительно производительность четырех тульских городских очистных сооружений. При этом статистические показатели за последние 5–7 лет практически не меняются. Данные за более поздний период отсутствуют, но тенденция в целом сохраняется.
По данным Минприроды России, только в 16 субъектах РФ в бассейне реки Волги предприятиями ЖКХ сбрасывается 3174,7 млн м3 загрязненных сточных вод, и задачей федерального проекта «Оздоровление Волги» является сокращение этого годового объема на 2120 млн м3 без неучтенных загрязненных стоков.
Обеспечить эффективный регламент сокращения стоков и экономически обоснованной технологии очистки загрязненных стоков невозможно без инструментального учета параметров стоков и организации обратной связи в технологической цепочке. Инструментальный учет воды во всех технологических цепочках любого производства, связанного с оборотом воды, обеспечивает наглядность и эффективность технологического процесса, экономию энергетических и водных ресурсов. Помимо водоснабжения и водоотведения это схемы охлаждения высокотемпературных агрегатов электростанций, ТЭЦ, печей металлургического производства, в горнообогатительных производствах и пр. В современных условиях недостатка пресной воды инструментальный расход важен и для экономного расходования воды в системе оросительных каналов и, как следствие, снижения оттока воды из питающих эти каналы рек.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что экономический эффект от широкого внедрения инструментальный узлов учета воды на базе расходомеров 3‑го поколения будет намного выше затрат, связанных с их внедрением.
Опубликовано в журнале ИСУП № 5(89)_2020
В.В. Трофимов, к. т. н.,
генеральный директор,
АО «ТЕХНО-Т», г. Тула,
тел.: +7 (4872) 21-9109,
e‑mail: support@techno-t.net,
сайт: techno-t.net
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")