Сети водоснабжения.
Определение производительности водоподающих каналов

Nino Zinna

Важную роль в организации водооборота питьевой воды, особенно в наше время, когда вода день ото дня дорожает, играет определение производительности водоподающих каналов. Это касается главным образом двух аспектов эксплуатации водопроводной сети:

- гидробаланса, призванного обеспечить необходимое соотношение параметров водозапаса и водозабора;

- экономии водных ресурсов, имеющей целью сокращение расхода воды в первую очередь путем уменьшения непроизводительного расходования.

В частности, интересующая нас производительность есть объемная пропускная способность канала q_v (м³/с). Это произведение поперечного сечения А (м²) трубопровода и скорости V (м/с) движения воды по трубопроводу:

q_v = A•V.

При этом если искомым параметром берется расход воды, то считать следует не одномоментную пропускную способность, а средние значения за более или менее продолжительный период.

Рисунок 1. Пример использования портативного ультразвукового счетчика параметров пропускной способности. Обычно портативные аппараты оснащаются наружными датчиками, устанавливаемыми непосредственно на водопроводных магистралях.

Гидробаланс

Для оптимизации работы водопроводной сети основополагающими факторами считаются:

- Точные детализированные данные по мощности имеющихся источников водоснабжения, обслуживающих расчетную водопроводную сеть, а также по расходным объемам в точках водопользования. Следовательно, измерительное оборудование следует устанавливать в каждой точке, где в сеть поступает вода.

- Мониторинг водопотерь. Обеспечивается замерами общего водопотребления на ограниченных участках водопользования, замерами водопотока в течение суток с отметками минимальных значений в ночной период и т. п. Особую важность имеют проверка и калибровка измерительного инструмента, используемого для определения объемов воды, подающейся в водопроводную сеть, метрологические параметры счетчиков воды в точках водопользования, тщательный анализ расхода, не подлежащего учету посредством бытовых счетчиков, определение водопотерь и оценка целесообразности проведения восстановительных работ на водопроводной сети. Для получения сопоставимых результатов водопроизводительности на входе и выходе данные со счетчиков следует снимать одновременно.

Инструментальное оборудование

Существуют два вида измерительных приборов для определения производительности водоподающих каналов. На магистральных каналах чаще всего применяются датчики моментной пропускной способности. Как правило, речь идет о старом способе дроссельного перекрытия: диафрагма, диффузор, трубка Вентури. На водопользовательских терминалах применяются водяные счетчики. В основе действия этих устройств (турбосчетчик или гидрометрическая вертушка) лежит скорость прохождения воды по трубопроводу. Она определяет скорость вращения механизма счетчика, и пропорционально числу его оборотов рассчитывается объем проходящей воды. За последние годы появились новые методики расчета параметров водяных потоков в магистралях под давлением. Наиболее удачными признаны электромагнитный и ультразвуковой способы.

Электромагнитные измерительные устройства

Данные приборы основаны на законе электромагнитной индукции Фарадея: проводящее тело, движущееся в магнитном поле, индуцирует перпендикулярно его силовым линиям и в направлении потока напряжение V_e, определяемое уравнением

V_e = B•L•v,

где B – сила магнитного поля (индукция); L – длина проводящего тела; v – скорость перемещения проводящего тела.

В таких устройствах магнитное поле генерируется двумя бобинами, работающими от источника переменного тока, а съем индуцированного напряжения осуществляется через два изолированных электрода. Проводящим телом выступает жидкость, перемещающаяся по водопроводу (она должна иметь проводимость не ниже определенного значения), тогда параметр v – это ее средняя скорость, а L – расстояние между электродами. Ось электродов, магнитное поле и направление движения водяного потока перпендикулярны друг к другу. С учетом того, что средняя скорость водяного потока v равна соотношению между пропускной способностью q_v и сечением трубы А, а также что индукция В и расстояние между электродами L остаются неизменными, в конечном итоге напряжение V_e пропорционально объемам пропускаемой воды. Таким образом, умножив снятое со счетчика значение напряжения на показатель пропорциональности, мы определим производительность канала.

Прибор может монтироваться (как правило, посредством фланцевого соединения) на любом участке трубы. Рекомендуется вертикальная установка, при которой на электродах не будут скапливаться отложения, а сами они не попадают в зону воздушных пустот.

Место для установки счетчика следует выбирать на определенном расстоянии (3–5 диаметров измерителя, когда такой диаметр равен диаметру водопроводного канала) от участков трубопровода, где могут возникать завихрения потока (вентили, спускные клапаны, поворотные колена и пр.), таким образом, чтобы замер производился в зоне покоя.

Как правило, аппараты такого рода отличаются хорошей точностью, в том числе на магистралях с загрязненными или абразивными жидкостями, не имеют движущихся элементов, не дают нагрузочных потерь по содержимому канала и позволяют делать замеры в обоих направлениях. В настоящее время они все чаще и весьма успешно вытесняют из обихода традиционные счетчики дроссельного и поплавкового типа.

Рисунок 2. Наилучшее место расположения электромагнитного счетчика производительности

Ультразвуковые счетчики

Ультразвуковые счетчики в фиксированном исполнении – это измерительная трубка, которая врезается посредством фланцевого соединения на участке водопровода (и становится его неотъемлемой частью). Помимо этого, имеются портативные версии прибора, измерительные элементы которого накладываются с внешней стороны водопроводной магистрали. Привлекательность портативных версий в том, что замеры пропускной способности водоводных каналов производятся оперативно по мере необходимости и не требуют дорогостоящих установочных работ.

Принцип работы ультразвуковых приборов основан на действии звуковой волны, пропускаемой по текущей жидкости – в попутном движению жидкости направлении (от А к Б) волна движется быстрее, нежели в противоположном (от Б к А). Таким образом, средняя скорость движения воды и, соответственно, рассчитываемая пропорционально ей пропускная способность канала определяется путем замера времени прохождения контрольных участков Т1 и Т2, а точнее разницы между ними: Т2 - Т1.

Пара датчиков (измерительных преобразователей) монтируется на магистрали с диаметрально противоположным разносом. Каждый из датчиков попеременно выступает в роли передатчика и приемника ультразвукового сигнала, генерируемого пьезоэлектрическими кристаллами. Они устанавливаются под определенным углом (как правило, 45°) к оси водопроводной магистрали. Иногда для замеров на крупногабаритных каналах применяются две пары датчиков. В измерительных устройствах фиксированного типа применяются погружные датчики, находящиеся в непосредственном контакте с жидкостью, текущей по каналу. Соответственно в портативных версиях используются сухие датчики – здесь звуковой сигнал поступает в воду, проходя через стенки канала. Устройства первого типа обеспечивают более точные результаты в силу более точной установки датчиков и отсутствия затухания сигналов, которое неизбежно возникает из-за явления рефракции в приборах второго типа на этапе прохождения сигнала через стенки канала. Тем не менее приборы первого типа по прошествии определенного срока подвержены ухудшению функциональных свойств из-за образования накипи на датчиках, обуславливающей ослабление рабочего сигнала. На магистралях малого диаметра в целях улучшения замера времени прохождения звуковой волны можно использовать следующий способ: направлять волну не непосредственно на приемный датчик, а пропускать ее через серию отражений (зигзаг). Звуковой сигнал, принятый датчиком, выполняющим в тот момент функцию приемника, преобразуется в электрический сигнал и передается на электронное устройство, которое обрабатывает его и на его основе рассчитывает среднюю скорость движения потока и, следовательно, пропускную способность водоподающего канала. Ультразвуковые счетчики также позволяют делать замеры в обоих направлениях. Датчики здесь статические, поскольку не имеют никаких движущихся элементов и в процессе замеров не дают нагрузочных потерь по содержимому канала.

Рисунок 3. Принцип работы ультразвуковых приборов

Рисунок 4. (увеличить) Конфигурация ультразвукового измерительного устройства на основе портативного счетчика: посредством передачи данных можно обеспечить регистрацию полученных данных, обработку данных на компьютере, расчет итоговых значений производительности канала во времени и генерацию аварийных сигналов в случае нарушения функциональных предустановленных параметров

Традиционные измерители производительности водопроводных каналов

Дроссельные измерительные приборы устанавливаются непосредственно на магистраль и представляют собой зауженный участок канала соответствующего профиля. Значение пропускной способности рассчитывается путем замера дифференциального давления. Дроссель в зауженной части канала повышает скорость прохождения жидкости и, как следствие, понижает давление. Замеряется падение давления (Dр = р1 – р2), регистрируемое между сечениями 1 и 2, соответственно до и после зауженной части канала. Оно пропорционально удельной массе жидкости (для воды = 1) и квадрату объемной производительности канала qv. В конечном итоге где К – постоянная величина, обусловленная характеристиками используемого измерительного прибора и жидкости, которой заполнен канал. Речь здесь идет о трех устройствах: диафрагма, диффузор и трубка Вентури. Для всех требуется на входе и выходе установить измерительные блоки. Измерения должны проводиться на прямых участках одинаковой длины. Поток жидкости должен быть прямоточным и иметь постоянную скорость до момента вхождения в зауженный ворот. Труба должна быть гладкой и не иметь существенных отложений с внутренней стороны. Диафрагма – это тонкая пластина, имеющая в центре круглое отверстие, за которым следует конусный раструб. Она устанавливается между двумя укрепительными дисками, и имеет кольцевые камеры для замера давления, либо запрессовывается в прокладки фланцевых соединений оконечников труб. Диффузор – это спрофилированная особым образом горловина, которая аналогично диафрагме врезается между оконечниками труб. Трубка Вентури состоит из муфты в виде усеченного конуса, за которым следуют цилиндрический канал и вторая муфта в виде удлиненного усеченного конуса, переходящего в номинальный диаметр водопроводной трубы. Монтируется горизонтально посредством болтовых фланцевых соединений либо сваркой. В практике замера производительности водоподающих каналов диафрагма применяется чаще всего из-за своей чрезвычайной простоты и небольшой стоимости. Однако создает немалое сопротивление движущейся жидкости, что ведет к существенным потерям нагрузки сети. По этой причине такую методику можно рекомендовать только для сетей с существенным избыточным давлением. Напротив, трубка Вентури на нагрузке практически не отражается и может смело рекомендоваться для сетей с незначительным напором. Правда, у нее есть два недостатка. Во-первых, с учетом своих габаритов она требует наличия в сети весьма продолжительного прямолинейного горизонтального участка на достаточном удалении от коленчатых патрубков, отсечных вентилей и любых иных устройств, которые могут оказывать влияние на движение жидкости по каналу. Во-вторых, это весьма дорогой прибор. Как следствие, применение его довольно ограничено. Диффузор в качестве измерительного устройства занимает промежуточное положение между диафрагмой и трубкой Вентури: от него меньше потери нагрузки, чем от диафрагмы, при этом его стоимость меньше стоимости трубки Вентури. Рисунок 5. Принцип действия электромагнитного счетчика производительности канала

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI 7/2002.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.