ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ИЗМЕРЕНИЯ
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОПЫТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИБОРОВ УЧЕТА

Н. Л. Романова, Водоканал Санкт-Петербурга

...Приступать к осуществлению мер, направленных
на повышение точности измерений, можно лишь тогда,
когда выявлены и оценены отдельные составляющие
погрешности измерений и установлено, насколько
снизится полная погрешность после того, как будет
значительно уменьшена та или иная ее составляющая...[1]

Одно из требований к измерениям - обеспечение возможности достоверной оценки погрешности результата измерения: заниженная оценка погрешности измерений ведет к неправильному учету и неправильным выводам, а завышенная оценка приводит к ошибочному выводу о необходимости применения более точных средств измерения (СИ).

Существенную роль, а порой определяющую, при выполнении измерений играют условия, в которых производятся измерения, но в технической документации на СИ расхода и объема воды редко можно найти характеристики влияющих величин.

Еще в начале 70-х годов авторы [2] предложили объединить в отдельную группу причины, связанные с влиянием условий проведения измерений.

Оценивая возможные положения реальной характеристики СИ, принятую форму записи погрешности в документации на СИ и реальные условия эксплуатации узлов учета можно отметить необходимость учета следующих обстоятельств:

  1. соответствие условий калибровки (поверки) условиям эксплуатации;
  2. временные изменения характеристик СИ, их характер;
  3. нестационарный характер измеряемого расхода;
  4. наличие растворенного и нерастворенного воздуха в воде;
  5. условия (по аналогии с ГОСТ 8.395-80 на средства измерения): нормальные, рабочие и предельные, причем область нормальных условий (условия поверки, калибровки) выбирается в пределах области рабочих условий, а в области предельных условий погрешность не нормируется;
  6. нормирование динамических характеристик;
  7. введение функции влияния наличия воздуха (растворенного и нерастворенного) на результат измерения расхода.

На результат измерения объема воды оказывают влияние изменение параметров окружающей (температура, давление) и рабочей (температура, давление, плотность, вязкость, число Рейнольдса) сред, а также возможные отклонения гидравлических характеристик контролируемого процесса – амплитуда и частота пульсаций расхода и давления, искажение эпюры поля скоростей, кавитация, влияние формы и внутренней поверхности труб, а также сплошность измеряемого потока, наличие в нем воздуха, песка.

В [2] авторами было отмечено, что

  • все физические величины, играющие какую-нибудь роль при проведении измерений, в той или иной степени зависят друг от друга, поэтому с изменением внешних условий изменяются действительные значения измеряемых величин;
  • условия проведения измерений влияют и на характеристики СИ.

Проанализируем зависимость друг от друга, влияние друг на друга и на результат измерения перечисленных параметров воды в реальных условиях эксплуатации.

Вода — гомогенная однородная несжимаемая жидкость с определенным набором основных физических параметров. Движется она с различными скоростями. Но скорость — не единственная ее характеристика, которая меняется от точки к точке. От точки к точке может меняться также плотность. Вдобавок вода может быть проводником и переносить электрический ток, плотность которого изменяется от точки к точке как по величине, так и по направлению. От точки к точке может меняться температура, магнитное поле и т.д.

О характере течения жидкости можно судить по безразмерной величине — числу Рейнольдса. В трубах разных сечений различных жидкостей характер течения будет одинаков, если каждому сечению соответствует одно и то же значение Рейнольдса.

В число Re входят в виде отношения две величины, зависящие от свойств жидкости — плотность и коэффициент вязкости, которые в свою очередь зависят от температуры.

Для системы водоснабжения и напорного водоотведения температурный диапазон изменения воды в зависимости от сезонов колеблется от 0,2 до 26°С.

Плотность воды при повышении температуры от 0 до 4°С увеличивается от 999,84 до 999,97 кг/м3. При 4°С плотность воды становится наибольшей и при дальнейшем повышении температуры уменьшается (при 20°С ее значение равно 997,04 кг/м3).

Вязкость — параметр, принципиальный для движущейся жидкости. Он обусловливает при движении жидкости возникновение в ней напряжений трения на поверхности соприкасания жидких слоев друг с другом. При повышении температуры вязкость воды наоборот уменьшается от 0,018 до 0,008 Пуаз (Ст).

Эпюра распределения скоростей движущегося потока вдоль трубопровода в значительной мере зависит от вязкости жидкости — характеристики легкости, с которой течет жидкость [4]. Зная вязкость рабочей жидкости, диаметр трубопровода и шероховатость внутренних стенок, определив число Рейнольдса можно с уверенностью сказать при какой скорости потока в данных условиях будет иметь место турбулентный или ламинарный режим течения.

В условиях напорно/безнапорной транспортировки воды практически во всем диапазоне скоростей имеет место турбулентный режим течения, и только на малых скоростях возникает ламинарный режим, при этом критическое значение числа Рейнольдса приблизительно равняется 2320.

В процессе измерения расхода могут возникнуть некоторые специфичные проблемы, которые затрудняют правильную интерпретацию полученных результатов. Так, чтобы оценить действительную среднюю скорость по поперечному сечению потока, (а, следовательно, и расход) при использовании методов, определяющих среднюю скорость потока на определенном участке, необходимо знать постоянную k, значение которой зависит от числа Рейнольдса, т.е.

k = 0,889 + 0,009 log Re + 0,0001 (log Re)½

На практике значение k = vпо сечению / vпо лучу не равно 1. Для турбулентного потока значение k изменяется примерно на 3% при изменении числа Рейнольдса от 2 × 103 до 106. Фактически это означает, что при использовании метода измерения времени распространения ультразвукового сигнала систематическая погрешность измерения расхода не превышает ±1,5% (при отсутствии коррекции зависимости коэффициента k от числа Рейнольдса).

Физические свойства воды в процессе забора из водного источника, очистки, транспортировки до потребителя претерпевают определенные изменения, связанные с транспортировкой, потреблением и т. д. На всех этапах производства и подачи воды происходит измерение отдельных параметров уже не воды, а многофазных потоков.

Знание параметров водного потока является важнейшим фактором при обеспечении достоверности результатов измерений расходов и объемов воды. Система водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных инженерных сооружений.

Рассмотрим следующие параметры водного потока и причины их формирующие:

  • расходы, объемы, скорости движения воды, их диапазоны, неравномерность подачи воды во времени и неравномерность движения в водоводах,
  • давление (напоры), рабочие и предельные, давления постоянные и переменные,
  • наличие воздушной фазы, причины вызывающие ее появление и степень влияния на результат измерений при выбираемом методе измерения объемов воды, кавитация,
  • изменение объемов потребления во времени, вызывающее нестационарный характер расходов и давлений, и его влияние на результат измерений,
  • температура воды в технологическом тракте от точки забора до точки подачи воды абоненту в различных частях города,
  • параметры водоводов, а также изменение их во времени, определение (измерение) их и влияние на водопотоки (сопротивление, прямые участки, эпюры скоростей),
  • необходимость определения критериев контроля условий при организации измерений параметров водного потока.

Исследование перечисленных параметров проводилось в период 1996-2007 г.г.

Результаты измерений давления на выходах водопроводных станций (ВС) составили 0,38-0,49 (МПа), на повысительных насосных станций (ПНС) 0,36-0,63 (МПа).

Контрольные измерения по определению фактического давления и расхода воды проводились на двух трубопроводах одной ПНС и на водомерных узлах в зоне высокого давления в двух жилых домах, запитанных от ПНС, (первый дом в 12, второй- в 16 этажей).

Измерения проводились в два этапа. Этап 1: при пониженном давлении на выходе ПНС до 590 кПа (59 м. вод ст) потребление за цикл составило 28127,0 м3 (среднесуточный расход — 4017,28 м3). Этап 2: а) при расчетном давлении на выходе ПНС до 620 кПа (62 м вод ст) потребление за цикл составило 31174,5 м3 (среднесуточный расход — 4274,27 м3); б) в жилом доме в 12 эт. на водомерных узлах четырех вводов на зоне высокого давления потребление за цикл составило 1019,62 м3 (среднесуточный расход — 147,09 м3 при давлении 620 кПа (62 м вод ст)); в) в жилом доме в 16 эт. на водомерных узлах двух вводов на зоне высокого давления потребление за цикл составило 150,56 м3 (среднесуточный расход — 21,57 м3 при давлении 620 кПа (62 м вод ст)).

На рис.1 на основании фактических измерений представлены графики водопотребления для двух типов домов: с газовыми колонками и с горячим водоснабжением.

Рис.1

На водоводе Санкт-Петербург — Сестрорецк, протяженностью около 24 км, изготовленном из различных материалов (железобетон, сталь, чугун) диаметрами от 700 до 1000 мм, проводились измерения расходов и давлений (напоров) воды в полевых условиях в круглосуточном диапазоне работы системы водоснабжения (рис.2).

Рис.2

На рис.2 представлены результаты измерений давления воды автономными регистраторами (плавными линиями показаны результаты расчетов давления в контрольных точках).

На рис.3 представлено распределение протяженности сети Васильевского острова по скоростям в час наибольшего водопотребления.

Рис.3

На рис.4 представлены графики расходов (м3/ч) и давлений (м вод ст) на водоводе диаметром 1400 мм I подъема одной из ВС. Наличие пульсаций расхода и давления также представлено на рис.4.

Рис.4

Экспериментальные исследования пульсирующего характера движущейся в трубопроводах воды проводились на ВС. Измерения пульсаций давления проводились манометрами переменного давления с соответствующей оснасткой, позволяющей подключаться к стандартным посадочным местам в рабочих условиях измерений на объекте. Точки измерения переменных давлений (1,2,3,4) представлены на рис.5.

Рис.5

Во всех точках измерения имеются пульсации давления амплитудой 0,44 – 1,33 кПа/Гц в частотном диапазоне 1-10 Гц.

При измерении расхода на сужающем устройстве (СУ) уровень пульсаций на Δp составляет 10 – 20% от постоянного давления.

Установка дросселей в соединительных линиях приводит к подавлению пульсаций на частоте 80 Гц и частичному подавлению на частоте 10 Гц. На рис.6 и 7. представлен график изменений значений амплитуды и частоты пульсаций давления на водоводах ВС.

Рис.6

Рис.7

Многолетняя эксплуатация ультразвуковых расходомеров-счетчиков фирмы Panametrics XMT 868 показала сезонное влияние температуры воды в источнике на работу приборов. Эта проблема привела к необходимости проанализировать изменение температуры воды в технологическом тракте от точки забора до точки подачи воды абоненту в различных частях города.

В точке забора температура воды почти повсюду одинаковая, благодаря большой скорости течения и интенсивному перемешиванию ее в Неве. В табл.1 представлены данные о среднемесячной температуре воды за период с 1900 по 2003 г. [5].

Таблица 1

  Месяц
IV V VI VII VIII IX X XI XII, I, II, III
Нева 1,1 6,6 13,5 17,2 16,6 12,3 6,6 1,8 0,1-0,2
Прибрежные районы
Невской губы		 1,2 10,2 16,1 19,4 17,9 12,5 5,8 1,5 –

Часовые колебания температуры уменьшаются от весны к осени и составляют 0,5-1,0°С в мае и 0,1-0,3°С в октябре. Наиболее теплой вода бывает в конце дня — 16-18 ч., а более холодная в 5-7 ч. утра. Суточные колебания также невелики, лишь резкое похолодание или потепление длительностью до 5-7 суток может вызвать ее изменение. Максимальные температуры воды в зависимости от характера летних месяцев достигают: в холодное лето — 17-18°С, в нормальное — 20-22°С, в жаркое — 24-25°С.

Два раза в год весной и осенью, в мае и октябре, XMT 868 переставали регистрировать проходящий объем воды и начинали фиксировать нештатную ситуацию. Поиск причин возникновения этой нештатной ситуации (НС) выявил, что НС устраняется после перепрограммирования в установочных данных параметра температуры. Экспериментальным путем определены значения температуры, которые необходимо выставить в базе данных прибора для его нормальной работы: весной — 10°С, осенью — 2°С.

Из-за коррозии и внутренних отложений водоводов происходит изменение геометрии сечения трубы и шероховатости ее поверхности, что приводит к росту погрешности измерения расхода.

Точность измерений расхода наиболее распространенным способом измерений по измеренной скорости и площади поперечного сечения потока зависит от того, насколько правильно определена действительная площадь поперечного сечения потока.

При определении внутреннего диаметра трубопровода необходимо учитывать толщину отложений на его стенках, которые сужают его сечение.

Отложения могут быть твердыми, в виде слоя плотной ржавчины, и рыхлыми, в виде, например, шишкообразных наростов, размер которых может достигать 10-20 мм (рис.8) [6]. Это зависит от химического состава воды, условий и времени эксплуатации трубопровода.

В СПб около 95% трубопроводов — металлические (61,5% — чугунные и 33,5% — стальные), 4% — железобетонные (это трубопроводы больших, от 600 до 1000 мм, диаметров). В последние 14 лет стали использоваться пластмассовые трубы, их протяженность около 1%. Возрастает протяженность трубопроводов из металлических труб, внутренняя поверхность которых облицовывается пластиком.

Водопроводные сети в СПб имеют большую степень износа. Около 20% сетей эксплуатируется более 50 и более лет и только 25% — менее 20 лет.

Рис.8

Исследования на наличие воздушной фазы проводились ультразвуковыми расходомерами-счетчиками РТ 868 и «Взлет ПР» на насосной станции при вертикальном расположении датчиков на трубе. По результатам обследования получилось, что 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.

В таблице 2 представлены сравнительные данные за 2002 и 2007 гг. по длительности нештатных ситуаций на одной из ВС, возникших в связи с наличием воздуха в водоводах. Впоследствии на водоводах I подъема ВС №4, №5 и II подъема №5, №5а были установлены воздушные клапаны.

Таблица 2

Рассмотрев и определив в точке предполагаемой установки СИ отдельные параметры условий эксплуатации, отметим, что причиной недостоверных результатов измерений многих установленных СИ является плохая согласованность параметров СИ с реальными условиями в месте их установки. Поэтому основным условием работы СИ должно быть приведение в соответствие всех параметров СИ, указанных в ТД (не только в инструкции по эксплуатации), с параметрами условий эксплуатации.

Если отсутствует информация об условиях измерения, а этот параметр указан в ТД на СИ, например: нормирование содержания воздуха в 1% или число Рейнольдса не менее 5000 [7], то требуется предпроектное обследование.

Если отсутствует информация о параметрах СИ, а в реальных условиях присутствует влияющий фактор, то требуются дополнительные исследования СИ на предмет устойчивости к этому влияющему фактору, например, пульсирующий характер водного потока, — соответственно определение динамических характеристик СИ.

При выборе СИ проектировщик УУ имеет дело с многофазной средой, точнее водовоздушной с твердыми включениями. Скорость потока находится в диапазоне ±3 м/с, но измерения могут проводиться в области малых скоростей, т. е. меньше 0,3 м/с, а пульсации расхода и давления определяют нестационарный характер движения.

По результатам опытной эксплуатации при выборе СИ можно рекомендовать учитывать следующие факторы, влияющие на параметры СИ: температуру измеряемой жидкости, °С; наибольшее давление в трубопроводе, МПа; число Рейнольдса; допустимое содержание газообразных и твердых веществ, % , от объема; нестационарность потока, т.е. «время установления показаний», (с) и амплитудно-частотную характеристику, кПа/Гц.

Выводы:

  1. 10% водоводов имеют заполнение воздухом до 20% водовода в плоскости измерения, остальные до 2,5%.
  2. Часовые колебания температуры 0,1-1,0°С весной и осенью, максимальная температура летом 20-25°С.
  3. Отложения на стенках трубопровода могут быть твердыми, в виде слоя плотной ржавчины, и рыхлыми, размер которых может достигать 10-20 мм.
  4. Давление на выходах ВС составляет 0,36-0,63 МПа.
  5. В точках измерения имеются пульсации давления амплитудой 0,44-1,33 кПа/Гц в частотном диапазоне 1-10 Гц.

Литература

  1. В. А. Брюханов. Методы повышения точности измерений в промышленности. М., изд-во стандартов, 1991
  2. Г. Д. Бурдун, Б. Н. Марков. Основы метрологии. М., изд-во стандартов, 1972
  3. Ю. С. Милейковский. Проблемы качества оценок результатов косвенных измерений коммерческого узла учета тепловой энергии и теплоносителя.. КУЭ, декабрь, 2002
  4. Э. Ф. Осиевский. Измерение расхода вязких жидкостей. Оперативный учет нефти, учет мазута // сборник докладов, семинар, декабрь 2006 г., СПб, стр. 114
  5. В. Д. Дмитриев, И. Н. Дариенко, Н. Н. Лапшев, и др. Качество воды источников водоснабжения. // Водоснабжение Санкт-Петербурга. Изд-во «Новый журнал», 2003
  6. Н. И. Ватин, Д. Е. Куклин, С. В. Хазанов. Влияние отложений на показания ультразвуковых расходомеров. Коммерческий учет энергоносителей. СПб.: Политехника, ноябрь, 1999
  7. US800.421364.001 ТУ «Расходомеры-счетчики жидкости ультразвуковые US800»
Яндекс цитирования