Проблемы эксплуатации систем учета и снабжения водоресурсов - Журнал С.О.К. Сантехника Отопление Кондиционирование

Традиционным путем решения создания современных измерительных задач является эмпирический метод с проведением большого количества экспериментальных исследований макетных образцов. Изготовление таких образцов и проведение экспериментальных исследований связано с большими материальными и временными затратами.

Одним из перспективных путей решения задачи создания высокоэффективных измерительных приборов является разработка систем проектирования ИПР жидкостей с оптимальными конструктивными параметрами, которые бы комплексно решали проблемы построения высокоэффективных современных измерительных систем и комплексов с высокими метрологическими показателями.

Такие системы позволяют:

вести поиск оптимальной конструкции ИПР по заданным критериям оптимальности;
моделировать работу ИПР как в динамическом режиме при условии различного характера изменения расхода, так и в статическом при изменении геометрических параметров конструкции и свойств измеряемой среды;
определять нелинейность градуировочных характеристик ИПР;
оценивать чувствительность метрологических характеристик ИПР к изменению различных показателей, входящих в число исходных данных;
синтезировать конструкцию ИПР путем оптимального подбора параметров для конкретных условий ее использования;
уменьшить временные и финансовые затраты на разработку ИПР и еще на этапе проектирования достичь высоких метрологическиххарактеристик.

Математическое моделирование работы ИПР и количества являются отображением физической сущности процессов измерения со свойственными им особенностями и ограничениями. Математическое моделирование устанавливает связь между двумя объектами: реальной системой — ИПР (оригиналом) и ее отображением — математической моделью.

По сравнению с физическим, математическое моделирование является более универсальным, и:
1. Дает возможность на основе одного ИПР решить целый класс задач, имеющих одинаковые или подобные математические описания.
2. Обеспечивает простоту перехода от одной задачи к другой.
3. Дает возможность моделирования по частям (то есть декомпонировать систему на части, моделировать каждую часть отдельно и объединять модели, соответствующие разным подсистемам или аспектам описания).
4. Ускоряет моделирование за счет использования быстродействующей вычислительной техники.
5. Требует меньших расходов вследствие отсутствия необходимости построения большого количества физических моделей и замены значительной части эмпирических исследований теоретическими.

Компьютерное моделирование работы ИПР позволяет решать такие задачи:

проверка гипотез о действии тех или иных физических факторов на эффективность процесса измерения расхода и количества;
определение метрологических характеристик;
определение влияния различных физических факторов на метрологические характеристики ИПР;
решение целого класса задач, имеющих одинаковые или подобные математические описания, на основе исследования одного ИПР;
уточнение математических моделей и расчетных алгоритмов;
определение благоприятных технологических режимов функционирования ИПР и создания инженерных методов их расчетов;
оптимизация конструктивных параметров ИПР.

Использование компьютерных систем моделирования дает возможность осуществлять усовершенствование конструктивных элементов счетчиков и расходомеров на основе детального анализа влияния внешних и внутренних факторов на метрологические характеристики приборов в целом. В последнее время возникает острая необходимость в измерении расхода и количества жидкостей с различной динамикой их протекания: от установившихся течений до потоков длительностью в сотые доли секунды. Это определяет необходимость создания приборов и систем измерения расхода с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Широкое внедрение ИПР постоянных (установившихся) жидких и газообразных сред в системах водоподготовки, водоснабжения и водоотвода с нестабильными параметрами актуализировало задачу разработки и исследования ИПР, как установившихся, так и высокодинамических расходов.

Известно, что пульсации потока вызывают повышение погрешности измерения ИПР, предназначенными для измерения установившихся расходов.

Одной из областей техники, где измерения высокодинамических и установившихся расходов особенно актуальны, является область испытаний и эксплуатации технологических объектов водотранспортных систем.

Для измерения расходов жидкостей, имеющих высокодинамические (импульсные) и установившиеся режимы транспортировки, разрабатывается ИПР на основе гидродинамического метода с использованием тел обтеканияи упругих элементов. Такие приборы обладают высокими динамическими характеристиками при достаточной точности измерений. Возможны несколько вариантов таких ИПР жидкостей: с телами обтекания различной формы и размеров, с упругими элементами в виде упругих балочных систем и мембран, с изоляцией измеряемого потока от вторичного измерительного преобразователя и без нее.

Благодаря высоким динамическим характеристикам турбинных ИПР и возможности их сопряжения с вторичными преобразователями, построенными на современной элементной базе, такие приборы остаются конкурентоспособными с электромагнитными, ультразвуковыми, вихревыми и другими приборами измерения расхода. Существенным недостатком турбинных ИПР, ограничивающим области их применения, остаётся небольшой период эксплуатации изза достаточно тяжелых условий работы опорных узлов.

Для улучшения метрологических характеристик турбинных ИПР и продления срока их эксплуатации применяют различные способы разгрузки подшипников и гидродинамического уравновешивания ротора.

Наибольшей нагрузке при работе турбинного ИПР подвергается подшипник, воспринимающий осевое давление потока, что является причиной его быстрого износа и ухудшения метрологических характеристик ИПР. Поэтому нередко применяют меры, направленные на уменьшение осевого давления или даже полную его компенсацию.

Компенсация осевого усилия уменьшает трение в подшипнике и увеличивает период его эксплуатации. Но она не может полностью предотвратить износ подшипников, поэтому разрабатываются различные варианты безопорных турбинных ИПР, роторы которых гидродинамически уравновешены.

Гидродинамическое уравновешивание основывается на создании в зоне ротора неравномерного поля статического давления таким образом, чтобы равнодействующая сил давления, действующих на ротор, была направлена навстречу потоку.

Несмотря на распространение турбинных расходомеров и счетчиков жидкостей, конструкции с уравновешенным ротором применяются достаточно редко, хотя их можно использовать для широкого диапазона диаметров условного прохода трубопроводов. Это вызвано, в первую очередь, отсутствием фундаментальных теоретических исследований работы таких приборов, направленных на создание систем синтеза современных высокоэффективных турбинных ИПР с уравновешенным ротором. Коммерческий учет горячей воды очень часто вызывает недовольство потребителей, поскольку расчет не зависит от температуры потребленной воды. Остро встала проблема дифференциации оплаты за потребление горячей воды в зависимости от ее температуры, а также с повышением платежей за коммунальные услуги и тарифов на энергоносители.

Для усовершенствования системы учета горячей воды возможно применение специальных счетчиков, осуществляющих учет горячей воды по различным тарифам в зависимости от ее температуры. При использовании таких приборов в системах учета горячей воды счетчик дифференцированно учитывает расход воды, температура которой не соответствует нормированной, а ее стоимость соответственно отличается от стоимости горячей. Поэтому такой счетчик целесообразно применять в системах с нестабильной температурой горячей воды, так как учитывается температура измеряемой среды и повышается точность определения стоимости потребленной воды. За счет этого возможно измерение горячей воды по различным тарифным схемам.

По принципу действия тарифные счетчики можно разделить на такие типы:

с термочувствительным клапаном, когда измеряемый поток, в зависимости от его температуры, фиксируется соответствующим отсчетным устройством (холодного и горячего тарифов);
с изменением передаточного отношения, в зависимости от температуры измеряемой среды, между осью турбинного ИП и отсчетным устройством;
с регулированием частоты вращения турбинного ИП в зависимости от температуры измеряемой среды.

Применение разработанных приборов возможно в существующих системах учета воды, путем дооснащения и усовершенствования измерительных участков, что не требует существенных финансовых затрат и незначительно изменяет стоимость узла учета.

При использовании тарифных счетчиков горячей воды потребитель платит не только за количество воды, потребленное из трубопровода горячего водоснабжения, но и за ее качество, то есть учет стоимости потребленной воды ведется по тарифам горячей и холодной воды дифференцированно.

С широким распространением счетчиков воды с механическими отсчетными устройствами возрос спрос на метрологическое оборудование для их поверки и аттестации. Высокая точность и надёжность, универсальность и совершенство такого оборудования, наряду с полной автоматизацией процесса поверки — основные требования, предъявляемые к современным метрологическим установкам. Одной из основных систем автоматизации является система, обеспечивающая надёжный съём и обработку информации с поверяемых приборов при проведении их аттестации.

Распространённый способ снятия информационных параметров с механических отсчетных устройств счетчиков воды при помощи лазерного датчика импульсов и контрольной звёздочки имеет существенные недостатки: лазерный преобразователь импульсов чувствителен к осевому биению звёздочки, качеству её покрытия, точности позиционирования луча и внешним световым эффектам. Эти факторы вносят дополнительную погрешность при метрологической аттестации расходомеров и счётчиков.

Возможность использования герконовых датчиков импульсов в автоматизированных системах съёма и обработки данных при метрологической аттестации ограничена скоростью герконовых преобразователей и конструктивными особенностями большинства расходомеров и счетчиков.

Использование при аттестации магнитных головок, снимающих импульсы с магнитной муфты счетчика или расходомера, ограничено низкой точностью и недостаточной конструктивной разработкой таких систем.

Внедрение современной автоматизированной системы, принципиально отличающейся от существующих систем съёма информации при метрологической аттестации, повышает универсальность, надёжность, точность, оснащает глубоким архивом и удобством хранения широкого спектра информативных параметров. Её суть заключается в визуализации выходной информации счётчиков воды в моменты контроля метрологических характеристик этого измерительного прибора. Влияние «человеческого фактора» в процессе проведения поверки сводится к минимуму. Такая система способна к огромным возможностям совершенствования, при этом не требуется значительных дополнительных капиталовложений. Также, установленный для счетчиков межповерочный интервал позволяет прогнозировать резкое увеличение количества поверяемых счетчиков. Для проведения поверки счетчик необходимо демонтировать, доставить на место поверки, а на время поверки обеспечить потребителю функционирование его внутренней системы горячего и особенно холодного водоснабжения по установившимся тарифам. Для поверки квартирных водосчетчиков, в таком случае, применяются переносные метрологические поверочные установки. При разработке переносной поверочной установки ставится задача создания надежной, удобной в эксплуатации, просто поверяемой и сравнительно недорогой установки. В основу поверки положен метод сравнения с эталоном.

Деятельность Научно-исследовательского центра «Приборы и системы энергосбережения» НТУУ «КПИ» направлена на проведение исследований и системное проектирование приборов и систем измерения расхода и количества топливно-энергетических ресурсов и воды для создания сравнительно дешевых и одновременно высокоточных средств измерения.