Postęp w rozwoju wodomierzy domowych DN Technologia pomiaru zużycia wody. Piotr Lewandowski, Sensus Polska

Transkrypt

1 Postęp w rozwoju wodomierzy domowych DN15-40 Technologia pomiaru zużycia wody Piotr Lewandowski, Sensus Polska

2 AGENDA PREZENTACJI Wodomierze mechaniczne użytkowane w krajach UE - Rodzaje - Ograniczenia w zastosowaniu - Skutki zużycia eksploatacyjnego Innowacyjne wodomierze statyczne - Zalety - Prezentacja dwu dominujących technologii: 1. wodomierze ultradźwiękowe 2. wodomierze elektromagnetyczne - Zastosowanie 2

3 WODOMIERZE MECHANICZNE użytkowane w krajach UE Wirnikowe - Jednostrumieniowe - Wielostrumieniowe Komorowe - Objętościowe z obrotowym tłokiem 3

4 WODOMIERZE JEDNOSTRUMIENIOWE Woda dopływa (i odpływa) do (z) komory pomiarowej jednym zwartym strumieniem napędzającym wirnik Wykonania z liczydłem całkowicie mokrobieżnym (napęd z wirnika bezpośrednio przenoszony do przekładni liczydła) Wykonania z liczydłem półsuchobieżnym (napęd z wirnika bezpośrednio przenoszony do przekładni liczydła, bębenki liczydła chronione w specjalnej cieczy) Wykonania z liczydłem w pełni suchobieżnym (napęd z wirnika przenoszony do liczydła za pośrednictwem sprzęgła magnetycznego Przykład: Itron, typ Flodis DN32 patrz foto Sensus, typ 120 i 820 4

5 WODOMIERZE JEDNOSTRUMIENIOWE Mocne i słabe strony Zalety : + prosta konstrukcja i mała wrażliwość na zanieczyszczenia wody Wady : - Duży wpływ warunków zabudowy na metrologię (złe ułożenie uszczelek łączników, nieprawidłowe zawory, zanieczyszczenie sita po pierwszym uruchomieniu, itp.) - Podatność na zmianę dokładności w zależności od zmiany pozycji zabudowy. W praktyce zalecana pozycja pozioma z małym zakresem odchyleń. - Ograniczona ochrona wirnika i jego łożysk przed zanieczyszczeniami mechanicznymi ryzyko przyspieszonej utraty dokładności przy pomiarze małych i średnich przepływów. - Nieodporny (łożyska promieniowe wirnika) na przeciążenia (krótkotrwałe uderzenia hydrodynamiczne). Nie zalecane użytkowanie w układach hydroforowych - Nieodporny na zapowietrzenie układu pomiarowego (duże odchylenia błędów). - Duża strata ciśnienia na granicy wartości dopuszczalnych. - Mimo prostej konstrukcji drogi w serwisowaniu konieczność wymiany ukompletowanych zespołów łożysk wirnika. 5

6 WODOMIERZE WIELOSTRUMIENIOWE Woda dopływa (i odpływa) do (z) komory wieloma strumieniami przez szereg otworków na jej powierzchni napędzając wirnik Podobnie jak w przypadku wodomierzy jednostrumieniowych realizowane są wykonania z liczydłem: całkowicie mokrobieżnym półsuchobieżnym w pełni suchobieżnym Przykład: Elster, typ M100 DN20 patrz foto Sensus, typ 405, 420, 420PC 6

7 WODOMIERZE WIELOSTRUMIENIOWE Mocne i słabe strony Zalety: + Sito komory pomiarowej - dodatkowa ochrona łożysk wirnika + Przepływ w górę wewnątrz komory pomiarowej zrównoważone siły działające na wirnik redukcja obciążenia łożysk wysoka czułość i dokładność pomiarowa w całym zakresie pomiarowym + Zwiększona odporność na krótkotrwałe przeciążenia + Mniejsza strata ciśnienia w porównaniu do wodomierzy jednostrumieniowych + Łatwość kalibracji i niskie koszty serwisowania Wady: - Dla zabudowy pionowej wymagane specjalne konstrukcje korpusów. - Duża wrażliwość na zanieczyszczenia wody, zwłaszcza na odkładające się osady związków wapnia i żelaza, które powodują pogarszanie parametrów metrologicznych w miarę upływu czasu (losowe zmiany błędów na plus i minus) możliwa konieczność oczyszczania w trakcie eksploatacji. 7

8 WODOMIERZE OBJĘTOŚCIOWE W wodomierzach objętościowych woda przepływa przez komorę wodomierza, wprawiając w ruch umieszczony mimośrodowo tłok (w podobny sposób porusza się tłok w silniku Wankla). Komora jest cyklicznie napełniana i opróżniana przez co następuje pomiar objętości przepływającej cieczy stąd nazwa. Współczesne wodomierze objętościowe użytkowane na rynku europejskim posiadają liczydła w pełni suchobieżne. Przykład: Itron, typ Aquadis-C DN15 patrz foto Sensus, typ 620/620-C 8

9 WODOMIERZE OBJĘTOŚCIOWE Mocne i słabe strony Zalety: + Wysoka ochrona mechanizmu przed zanieczyszczeniami + Zachowanie klasy dokładności bez względu na pozycję zabudowy (oprócz liczydłem w dół) + Największa wśród wodomierzy mechanicznych dokładność, niskie progi rozruchu (np. od 0,5 l/h dla DN15), szeroka dynamika pomiaru Wady : Wymaga dokładnego odpowietrzenia (nie może pracować na sucho ) - Może zostać zatrzymany lub spowolniony przez zanieczyszczania mechaniczne w wodzie (kamienie, fragmenty spawów, piasek, ) ryzyko zablokowania wodomierza ujemny wpływ na charakterystykę metrologiczną - Możliwość osadzania się zanieczyszczeń na sicie konieczność oczyszczania w trakcie eksploatacji - Może być głośny przy wyższych strumieniach objętości lub nieprawidłowej zabudowie (wibracje rozchodzące się po rurociągu) 9

10 WODOMIERZE MECHANICZNE Wpływ czynników eksploatacyjnych na parametry metrologiczne Nazwa parametru Błąd pomiarowy Przyspieszone zużycie Ryzyko zniszczenia Ciśnienie wody Przepływ pulsacyjny plus (x) Wzrost ciśnienia x Temperatura wody (minus) Para wodna plus x x Zapowietrzenie instalacji plus x x Przepływ wirowy "+/ -" 5% (x) Duży przepływ plus / minus x Przepływ strumieniowy plus (x) [%] +ε +10% Przepływ wsteczny +5% +2% 0 Podwyższona lepkość plus -2% -5% Piasek x Włókna minus -50% Ciała stałe x -90% Oddziaływanie pola magnetycznego (minus) -100% ε Qmin Qt Qn Qmax [q] 10

11 DOKŁADNOŚĆ WODOMIERZY MECHANICZNYCH w obszarze małych przepływów na przykładzie wielkości DN20 Q3=4 Na wykresie przedstawiono uśrednione wykresy błędów 6 typów wodomierzy mechanicznych w różnych pozycjach zabudowy, przeprowadzone w akredytowanym przez PTB laboratorium pomiarowym w Sensus GbmH na przestrzeni 2012 r. Wnioski Wodomierze nie dokonują pomiaru ponad 50% przepływów poniżej 25 l/h Tylko wodomierze objętościowe są w stanie opomiarować najmniejsze przepływy ale z błędem poniżej 5% tolerancji. 11

12 DOKŁADNOŚĆ WODOMIERZY MECHANICZNYCH SKUTKI DLA GOSPODARKI WODNEJ Z powodu inercji pomiarowej wodomierzy mechanicznych oraz niestabilnych parametrów metrologicznych uzależnionych w trakcie użytkowania od wielu zewnętrznych czynników nierealne jest oszacowanie strat wody z tego tytułu Nawet najdokładniejsze wodomierze objętościowe z zakresem pomiarowym R 315 nie są w stanie wykryć nieszczelności w sieci wodociągowej. Oto przykład: rozpatrywany wodomierz DN20 Q3=4, R=315 patrz wykres błędów nie jest w stanie skutecznie opomiarować wycieków poniżej 12 l/h, a przecież taki wyciek do objętość 40 łyżeczek do herbaty albo 0,8 objętości filiżanki do kawy w ciągu minuty! Czy zdawaliście sobie Państwo sprawę z wartości tego niby kapania? 12

13 DOKŁADNOŚĆ WODOMIERZY MECHANICZNYCH ULATNIAJĄCE SIĘ DOCHODY? 10 l/h to l w ciągu 30 dni albo l (86,4 m 3 ) na rok. TYLKO W PRZYPADKU 1 WODOMIERZA! Dla np wodomierzy (wodociągi w niewielkim mieście) to niby błahe kapanie może przynieść w ciągu 1 roku aż m 3 straty A ile wodomierzy w Państwa Przedsiębiorstwie posiada taką dokładność jak ten z rozpatrywanego przykładu? Z powodu lekkiego zawrotu głowy nie będziemy dalej symulować strat z tytułu nie opomiarowania dużo większych przepływów przez wodomierze mechaniczne ze słabszymi parametrami metrologicznymi WODOMIERZE MECHANICZNE NIE DBAJĄ O PAŃSTWA DOCHODY, NAWET JAK SĄ NOWE! 13

14 DOKŁADNOŚĆ WODOMIERZY MECHANICZNYCH WARTO WIEDZIEĆ! Wg danych International Water Association (IWA) z 2010 r. około 16% zużycia wody następuje przy przepływach poniżej 100 l/h. To skutek racjonalizacji zużycia wody w krajach UE. Jeszcze w połowie lat 90 XX wieku pomijano w ogóle ten obszar przepływów w rozważaniach o stratach wody z tytułu nieoptymalnego opomiarowania Bardzo mała populacja użytkowanych przez przedsiębiorstwa wodociągowe w krajach UE wodomierzy mechanicznych, nawet jak są nowe jest w stanie w miarę dokładnie opomiarować ten zakres przepływów NIEOPOMIAROWANE ZAKRESY PRZEPŁYWÓW TRAKTOWANE DO TEJ PORY JAKO STRATY POZORNE STAŁY SIĘ POWAŻNYM ŹRÓDŁEM UTRATY DOCHODÓW PRZEZ PRZEDSIĘBIORSTWA WODOCIĄGOWE 14

15 ŹRÓDŁA STRAT WODY Przykładowy bilans wody wg International Water Asociation (IWA), 2008r. Sprawdzone rozwiązania 15

16 WODOMIERZE STATYCZNE 2 dominujące technologie w krajach UE Ultradźwiękowe - Kamstrup - Itron - Diehl Elektromagnetyczne - Sensus 16

17 WODOMIERZE STATYCZNE Warto wiedzieć! Idea wodomierzy statycznych (elektronicznych) nie jest nowa - pomiar taki stosowany jest od ponad 20 lat w ciepłomierzach Zasadą działania wodomierzy statycznych jest pomiar prędkości przepływu wody na podstawie różnicy w rozchodzeniu się fal ultradźwiękowych (wodomierze ultradźwiękowe) lub elektromagnetycznych (wodomierze elektromagnetyczne) w przepływającym medium, czyli w wodzie. Wodomierze statyczne są droższe od mechanicznych, ale biorąc pod uwagę nieporównywalnie lepsze i stabilne parametry metrologiczne, dłuższy czas działania (nawet przez 15 lat) oraz możliwości zdalnych odczytów i zaawansowane funkcje rejestracji i zapamiętywania zdarzeń podczas pomiaru zużycia wody inwestycja w ww. wodomierze wydaje się uzasadniona 17

18 WODOMIERZE STATYCZNE ZALETY + Brak części ruchomych, zużywających się podczas użytkowania + Cząstki stałe (zanieczyszczenia mechaniczne w wodzie) nie mają wpływu na parametry metrologiczne ani zużycie eksploatacyjne + Mała strata ciśnienia (w odniesieniu do wodomierzy mechanicznych) + Urządzenia bezobsługowe - nie wymagają napraw ani konserwacji + Stabilna dokładność pomiaru + Duża odporność na przepływy przeciążeniowe 18

19 WODOMIERZE STATYCZNE to urządzenia inteligentne Wodomierze statyczne dzięki zaawansowanej technologii są urządzeniami inteligentnymi, zapewniającymi komunikację z nimi oraz dostarczającymi zaawansowane informacje oraz alarmy, np.: rejestracja wybranych danych w rejestrze pamięci dzięki wysokiej czułości ujawnianie wycieków informacja o przepływie wstecznym informacja o braku wody w rurociągu (np. ingerencja zewnętrzna lub awaria rurociągu) rejestracja strumienia objętości (bezcenne dane dla ustalenia rzeczywistego profilu zużycia wody) 19

20 WODOMIERZE ULTRADŹWIĘKOWE 3 wiodące rozwiązania - Kamstrup - MULTICAL - Itron - INTELIS - Diehl - HYDRUS 20

21 WODOMIERZE ULTRADŹWIĘKOWE Zasada działania Dwie głowice ultradźwiękowe wysyłają w tym samym czasie sygnały biegnące w przeciwnych kierunkach, z których jeden podąża zgodnie z kierunkiem przepływu wody, a drugi w kierunku przeciwnym. Różnica czasu mierzona pomiędzy tymi sygnałami zostaje przeliczona na prędkość przepływu i tym samym na objętość. 21

22 WODOMIERZE ULTRADŹWIĘKOWE Trudne wyzwania! Wygenerowanie fali ultradźwiękowej oraz zapewnienie wysokiej dokładności pomiaru (duża częstotliwość próbkowania) wymaga stosunkowo dużego poboru mocy, co ma wpływ na trwałość zasilającej baterii. Trudno jednoznacznie zadeklarować bezpieczny okres funkcjonowania wodomierza Powyższe ograniczenia rzutują na zakres pomiarowy wodomierzy ultradźwiękowych, który w aktualnie proponowanych przez firmy Kamstrup, Diehl i Itron nie przekracza R=400. Za bezpieczny dla 10 letniej trwałości baterii przyjmuje się zakres pomiarowy R=160 (osiągalny także we współczesnych wodomierzy mechanicznych.) Jak pokazują doświadczenia z zastosowań technologii ultradźwiękowej w ciepłownictwie nie bez znaczenia na stabilność parametrów metrologicznych ma wpływ osadów, np. związków wapnia, manganu, żelaza na głowice ultradźwiękowe (tzw. lustra) mające bezpośredni kontakt z przepływającą wodą 22

23 WODOMIERZE ELEKTROMAGNETYCZNE Sensus pionierem! Pierwszy na Świecie domowy (DN 15-40) wodomierz elektromagnetyczny zasilany bateryjnie Spełnia wymagania technologii Smart Metering! 23

24 WODOMIERZE ELEKTROMAGNETYCZNE Zasada działania Zgodnie z prawem indukcji magnetycznej Faradaya, w przewodniku (woda) poruszającym się w polu magnetycznym indukowana jest siła elektromotoryczna zależna od natężenia pola magnetycznego i prędkości ruchu przewodnika. W pomiarach przepływu metodą elektromagnetyczną rolę przewodnika oprócz wody spełnia także izolowana elektrycznie powierzchnia odcinka pomiarowego (fragment komory pomiarowej w korpusie wodomierza). Pole magnetyczne wytwarzane za pomocą prądu stałego o zmiennej biegunowości zapewnia stabilność punktu zerowego. 24

25 WODOMIERZE ELEKTROMAGNETYCZNE Dotychczasowa technologia Dla ciągłego pomiaru (utrzymanie stałego pola magnetycznego tradycyjne elektromagnesy) potrzebne jest zasilanie w energię elektryczną o dużej mocy, wykluczające zasilanie bateryjne Dla zapewnienia wysokiej dokładności należy zapewnić wysoką częstotliwość próbkowania, co powiększa zapotrzebowanie na energię Elektrody magnetyczne charakteryzują się dużym poziomem szumów, co zakłóca osiągnięcie oczekiwanej dokładności pomiaru (zakłócenia w próbkowaniu) W efekcie jako kompromis dotychczasowe wodomierze elektromagnetyczne zasilane z sieci energetycznej zapewniały wysoką dokładność w bardzo małych zakresach pomiarowych. Nie nadawały się do wykorzystania do opomiarowania zużycia wody do celów rozliczeniowych 25

26 Definicje: WODOMIERZE ELEKTROMAGNETYCZNE Innowacja Sensus wykorzystanie pozostałości magnetycznej Magnetyzm pozostaje w materiale po tym, jak zostanie usunięte zewnętrzne pole magnetyczne! Powyższe właściwości posiadają tylko materiały ferromagnetyczne Elektromagnesy generują duże straty energii i wymagają ciągłego zasilania Wykorzystanie szczątkowego pola magnetycznego umożliwia ciągły pomiar bez zasilania w energię Pole szczątkowe: mniej energii zwiększona żywotność 26

27 WODOMIERZE ELEKTROMAGNETYCZNE Teoria siły elektromotorycznej EMF to koncepcja działania 1. Rura przepływowa 2. Biegun magnetyczny 3. Odcinek pomiarowy 4. Elektroda 5. Pole magnetyczne 6. Cewka magnetyczna Gdzie: E siła elektromotoryczna (napięcie) indukowana na elektrodach B pole magnetyczne (indukcja magnetyczna) generowane przez cewki i bieguny magn. V prędkość przepływu wody w odcinku pomiarowym L odległość pomiędzy biegunami magnetycznymi 27

28 WODOMIERZE ELEKTROMAGNETYCZNE to technologia szczątkowego pola magnetycznego OPTYMALNY SYSTEM POMIAROWY Energia elektryczna służy tylko i wyłącznie do wytworzenia pola magnetycznego Utrzymanie pola magnetycznego przy zerowym zapotrzebowaniu w energię Energia magnetyczna jest odzyskiwana z powrotem w postaci energii elektrycznej MAŁY I PROSTY OBWÓD MAGNETYCZNY Energia elektryczna potrzebna tylko do wygenerowania pola magnetycznego - trwałe namagnesowanie (aż do kolejnego impulsu energii) - minimalizacja strat rezystancji poprzez krótkie impulsy Obszar aktywnego pola magnetycznego jest stosunkowo niewielki i efektywny Elektrody posiadają bardzo niskie szumy, co ma wpływ na stabilność pola magnetycznego, a w konsekwencji na poprawę powtarzalności pomiaru 28

29 Porównanie parametrów metrologicznych kontra Wodomierze mechaniczne Wodomierze ultradźwiękowe 29

30 Porównanie dokładności iperl z wodomierzami mechanicznymi w obszarze małych przepływów na przykładzie wielkości DN20 Q3=4 iperl posiada stabilne parametry metrologiczne w całym zakresie pomiarowym z błędem bliskim 0%. Dla DN20 dokonuje pomiaru już od 1,6 l/h! Wnioski Dzięki iperl po raz pierwszy w historii opomiarowania wody istnieje możliwość ujawnienia z dużą dokładnością zużycie wody przy strumieniach objętości poniżej 10 l/h. 30

31 iperl liniowy wykres błędów w całym zakresie pomiarowym Na wykresie przedstawiono uśrednione wykresy błędów iperl DN20 Q3=4 w różnych pozycjach zabudowy. Badania przeprowadzono w akredytowanym przez PTB laboratorium pomiarowym w Sensus GbmH na przestrzeni 2013 r. 31

32 Wykres błędów iperl i wodomierzy ultradźwiękowych Na wykresie przedstawiono uśrednione wykresy błędów iperl DN20 Q3=4 R=800 w różnych pozycjach zabudowy oraz wodomierzy ultradźwiękowych Intelis (Itron) oraz Hydrus (Diehl) DN20 Q3=4 R=400 w różnych pozycjach zabudowy. Nie sprawdzano wodomierzy Multical (Kamstrup), które posiadają zakres pomiarowy R=160, porównywalny do wodomierzy mechanicznych. Badania przeprowadzono w akredytowanym przez PTB laboratorium pomiarowym w Sensus GbmH na przestrzeni 2013 r. 32

33 Wykres straty ciśnienia Badania przeprowadzono w akredytowanym przez PTB laboratorium pomiarowym w Sensus GbmH na przestrzeni 2013 r. 33

34 Korzyści ze stosowania wodomierzy statycznych Przedstawione w prezentacji wodomierze statyczne, w szczególności innowacyjny wodomierz elektromagnetyczny iperl oferują przedsiębiorstwom wodociągowym nowe możliwości, w szczególności: redukcję strat i zwiększenie przychodów ze sprzedaży wody wynikających z dotychczasowego opomiarowania w wodomierze mechaniczne ujawnianie w celu eliminacji nawet najmniejszych wycieków w instalacji wodociągowej dostarczenie szeregu bezcennych informacji, dotychczas niedostępnych z poziomu wodomierza, przede wszystkim rejestracji zaprogramowanych wartości oraz użytecznych dla diagnozowania sieci wodociągowej alarmów rozwiązania technologiczne gwarantują bezobsługowe użytkowanie i są przyjazne dla środowiska naturalnego 34

35 PODSUMOWANIE Nowe technologie śmiało wkraczają do opomiarowania wody i bezwzględnie wnoszą istotne korzyści dla przedsiębiorstw wodociągowych, zarówno finansowe, jak i ekologiczne. Bezwzględnie wyznaczają kierunek w jakim zmierzać będzie sektor opomiarowania wody Już aktualnie przedsiębiorstwa wodociągowe powinny rozważyć możliwość wykorzystania potencjału wodomierzy statycznych 35

36 Sensus Polska Sp. z o.o. Dziękuję za uwagę! 36