Анализ эксплуатационного содержания систем водоснабжения показал, что в настоящее время во многих регионах Российской Федерации на насосных станциях различного назначения системы водоснабжения средняя продолжительность эксплуатации основного оборудования более 15 лет. Значительная часть насосов эксплуатируется около 50-ти лет. Кроме того, основная часть высокопроизводительных насосов (Q> 1ООО мЗ/ч) работает в режиме, определенном при проектировании станций в 60-70 гг., при котором поддержание давления в сетях в оптимальных пределах достигается работой на прикрытые задвижки или рециркуляцией части расхода воды. В результате существенно увеличиваются затраты энергии. Оценка их фактического состояния осложняется тем, что предусмотренное проектом размещение насосов на станциях не позволяет применить гостированную методику для оценки параметрических характеристик насосов, поскольку на станциях не предусмотрены прямые участки необходимой длины.
Как правило, для измерения расхода, жидкостей в напорных трубопроводах наиболее часто применяются врезные ультразвуковые расходомеры, поскольку их принято считать более точными по сравнению с расходомерами, которые устанавливаются на внешней поверхности трубопровода (с накладными ультразвуковыми УЗ-преобразователями). Однако сейчас созданы достаточно надежные и точные (с погрешностью измерения – 2-5%) расходомеры с накладными УЗ - преобразователями. Они находят все более широкое применение, это обусловлено тем, что расходомеры с накладными датчиками не требуют врезки в трубопровод, остановки технологических процессов, перекрытия задвижек и т. п., что особо ценно при обследованиях насосных станций. Кроме того, не возникает влияния прибора на поток, отсутствует возможная коррозия УЗ-преобразователей. Эти приборы отличает простота установки, переноса и замены УЗ-датчиков. Накладные УЗ-преобразователи имеют специальную систему крепления, в которую входят цепи или магниты.
Принцип действия существующих в настоящее время расходомеров с накладными УЗ-преобразователями базируется на трех различных методах измерения скорости потока:
- корреляционном;
- с использованием эффекта Доплера;
- время-импульсном.
Корреляционный метод основан на измерении скорости движения неоднородностей потока; турбулентных вихрей, а также газообразных и твердых включений путем выделения среднего временного интервала, необходимого для преодоления этими неоднородностями расстояния между двумя парами "излучатель – приемник ультразвука", расположенными на известном расстоянии друг от друга. Причем УЗ-колебания распространяются перпендикулярно оси потока. По разным причинам этот метод не получил широкого применения.
Второй метод основан на известном в физике эффекте Доплера – изменении частоты сигнала, отраженного от движущегося объекта.
Сигнал известной частоты (обычно 0,5-2 МГц) распространяется в жидкой среде, отражается от движущихся в потоке твердых частиц, пузырьков воздуха, локальных различий в плотностях и температурах среды. Чем больше инородных включений в жидкой среда, тем уже полоса частот информативного отраженного и принимаемого сигнала. Это обеспечивает более высокую точность измерения скорости движения инородных включений, причем скорость движения инородных включений может отличаться от скорости движения самой жидкой среды примерно на 1-1,5 %,
Частота отраженного УЗ-сигнала сравнивается с частотой исходного сигнала (частотой излучателя) и вычисляется разница этих частот, которая в дальнейшем используется для определения скорости потока и расхода жидкости.
Доплеровские УЗ-расходомеры применяются главным образом для измерения расхода многофазных потоков: пульп, суспензий и эмульсий. Типичный представитель таких приборов – расходомер DDF 3078 РЕЕК MEASUREMENT (США).
Расходомеры, работающие на эффекте Доплера, предъявляют более строгие требования к прямолинейным участкам трубопровода (10-20 Ду до расходомера и не менее 10 Ду после него). Кроме того, спектр отраженного сигнала, довольно широк. В нем присутствуют гармоники различного происхождения, а не только информативные. Находящиеся в трубопроводе фланцы, клапаны, ответвления, изгибы, сужения и т.п. приводят к переменным локальным возмущениям потока. Они отражают исходный УЗ-сигнал и вносят неинформативные гармоники в спектр отраженного сигнала. Кроме того, вибрации трубопроводов, которые имеют место на исследуемых насосных станциях, существенно затрудняют применение доплеровских расходомеров.
Третий метод (импульсный) основан на разности скоростей распространения УЗ-колебаний вдоль направления движения потока жидкости и навстречу ему, УЗ-колебания, проходящие сквозь среду в направлении движения потока, достигают приемника быстрее» чем УЗ-колебания, проходящие сквозь среду навстречу движению потока. Измеряя разницу скоростей распространения УЗ-колебаний вдоль направления движения потока и навстречу потоку жидкости, можно определить скорость движения жидкой среды и вычислить ее расход.
Данный метод получил в последние годы наиболее широкое применение. Это обусловлено его высокой точностью в широком диапазоне изменения расходов любых звукопроводящих сред с низким содержанием (порядка 1-3%) газообразных и твердых включений, малой инерционностью (ОД-1с), возможностью измерения расхода пульсирующих и импульсных потоков, высокой чувствительностью к изменению скорости потока (1-2 мм/с).
Поскольку излучение УЗ-колебаний происходит короткими импульсами, длительность которых на 2-3 порядка меньше периода их повторения, появляется возможность вкладывать в каждый акустический импульс достаточно высокий уровень энергии. При этом, средняя мощность, затрачиваемая на излучение УЗ-колебаний, остается не большой (энергопотребление у время-импульсных расходомеров примерно в 2-4 раза ниже, чем у расходомеров с использованием эффекта Доплера). Последнее имеет существенное значение при вводе акустических колебаний в поток жидкости непосредственно через стенку трубопровода, гак как большое различие акустических сопротивлений контролируемой среды и материала трубопровода обусловливает низкий КПД передачи энергии УЗ-колебаний.
С учетом изложенного, при эксплуатационном содержании сетей водоснабжения и насосных станций для измерения расходов в трубопроводах с толщиной стенки более 10 мм и возможными отложениями на них, предпочтительно применение время - импульсного метода.
Наиболее известными приборами, реализующими время-импульсный метод измерений расхода жидкости, являются расходомеры PORTAFLOW MKII-R (MICRONICS, Великобритания), РТ 868 (PANAMETRICS, Ирландия), LT860 (KROHNE, Германия), АКРОН-01 ("СИГНУР", Россия), УРСВ «ВЗЛЕТ ПР» («Взлет», Россия).
При их использовании особое внимание необходимо уделять определению внутреннего диаметра трубопровода Ду, так как расход жидкости вычисляется на основании измерения скорости потока и введенного оператором значения Ду. В то же время, получить точное значение Ду (не вскрывая трубопровод) – непростая задача, особенно на старых трубопроводах исследуемых насосных станций. Реальное внутреннее сечение трубопровода может быть сильно искажено коррозией, а также отложениями солей кальция, уменьшающими это сечение.
Таким образом для эффективного эксплуатационного содержания сетей водоснабжения и насосных станций, необходимо активное периодическое измерение и архивирование расходов жидкости на трубопроводах. Для реализации данной задачи рекомендуется применение УЗ-расходомеров, реализующих время-импульсный метод измерений расхода жидкости.
