Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и анализ систем и средств водоучета, применяемых на оросительных системах 8
1.1 Характеристика и особенности оросительных систем как объектов применения средств водоучета и водоизмерения 8
1.2 Анализ современного состояния водоучета и водоизмерения на мелиоративных системах 17
1.3 Обзор и анализ существующих методов и средств измерения расхода воды в открытых каналах оросительных систем 23
1.3.1 Прямые методы измерения расходов и объемов воды для открытых русел 23
1.3.2 Косвенные измерения расходов и объемов воды для открытых водотоков и каналов 27
1.3.3 Обзор современных средств измерения уровня воды 31
1.4 Технические требования, предъявляемые к средствам измерения расхода воды с учетом новых условий водопользования 35
1.5 Конструктивные типы гидрометрических сооружений и особенности их эксплуатации 38
2 Технологическое обоснование разработки способа определения расхода воды по методу «уклон-площадь» 47
2.1 Теоретическое обоснование метода измерения расхода воды «уклон-площадь» в призматических каналах 47
2.2 Влияние погрешности определения гидравлического уклона и геометрических измерений канала на определение расхода воды по методу «уклон-площадь» 60
2.3 Описание конструкции и обоснование технико-технологических параметров приборного обеспечения измерения расходов воды в от крытых каналах по методу «уклон-площадь» 74
3 Исследования гидравлических и технических параметров средств приборного обеспечения расхо домера для открытых каналов 80
3.1 Программа и методика исследований, описание лабораторной установки 80
3.2 Исследование гидравлических сопротивлений и методики их определения применительно к методу «уклон-площадь» 90
3.3 Исследование влияния подпорно-переменного режима течения жидкости на точность измерения расхода воды по предлагаемому способу 108
3.4 Исследование динамических характеристик устройства измерения перепада уровней как компонента расходомера 114
4 Производственные исследования и методика расчета расходомера для открытых каналов оросительных систем 117
4.1 Функциональная схема работы расходомера 117
4.2 Структурная схема программного обеспечения расходомера 119
4.3 Конструктивное исполнение расходомера для открытых каналов и лотков оросительных систем 121
4.4 Исследования на гидромелиоративных объектах поплавкового уклономера-расходомера-счетчика 138
4.5 Технологический регламент измерения расхода воды по методу «уклон-площадь» в открытых каналах оросительных систем 141
5 Оценка экономического эффекта 147
Список используемой литературы 157
Приложения 172
- Анализ современного состояния водоучета и водоизмерения на мелиоративных системах
- Технические требования, предъявляемые к средствам измерения расхода воды с учетом новых условий водопользования
- Описание конструкции и обоснование технико-технологических параметров приборного обеспечения измерения расходов воды в от крытых каналах по методу «уклон-площадь»
- Исследование гидравлических сопротивлений и методики их определения применительно к методу «уклон-площадь»
Введение к работе
Актуальность темы. Для контроля за расходом воды в открытых каналах оросительной сети применяются мобильные и стационарные водомерные гидрометрические посты (пункты учёта воды).
Как показал анализ информации, полученной из региональных управлений мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения, в последние годы наблюдается значительное снижение количества и уровня технического состояния пунктов водоучета (ПВ). За период с 1995 по 2005 годы количество пунктов водоучета снизилось в 8,5 раз, с 13086 до 1544 единиц, из них 70 % гидропостов оснащены только гидрометрическими рейками, 4 % имеют измерительные приборы устаревшего типа, остальные вообще не оборудованы средствами измерения. Энергоснабжением обеспечены лишь 17 % пунктов водоучета, около 90 % ПВ не имеют автоматизации измерений и элементарной связи с диспетчерским пунктом.
Введение платного водопользования потребует от водохозяйственных организаций оснащения ПВ средствами водоучета, обеспечивающих современный уровень коммерческого водоучета.
В настоящее время в открытых каналах гидромелиоративных систем широко применяется метод измерения расхода воды «скорость-площадь», основанный на вычислении средней скорости водного потока, проходящего через створ гидротехнического сооружения. Вычисление средней скорости потока производится путём последовательного во времени снятия некоторого количества точек значений скорости по створу гидрометрического сооружения и их осреднения. Несовершенство данного метода заключается в следующем:
применимость только при свободном истечении жидкости и установившемся режиме течения, т.к. при наличии подпорно-переменного режима течения жидкости теряется однозначность зависимости расход-напор;
за время замера скоростей потока в различных его точках постоянст-
5 во расхода воды не гарантировано и, в принципе, может меняться в довольно
широких пределах, что снижает точность измерения.
Для устранения вышеперечисленных недостатков можно использовать метод «уклон-площадь». Этот метод до настоящего времени применялся в основном для решения ряда задач, связанных с гидрологическими наблюдениями и расчетами на реках. Для открытых каналов важными являются данные об уклонах водной поверхности для постов, учитывающих объем воды и расположенных на участках с переменным подпором. При наличии переменного подпора связь между уровнями и расходами воды в канале становится неоднозначной. В этом случае расход зависит не только от уровня, но и от уклона водной поверхности.
Измерение же обоих параметров (уровня и перепада уровней) усложняет процесс контроля и требует его автоматизации. Наиболее перспективными здесь могут быть электронные установки и новые, более точные и нетрадиционные технологии и способы водоизмерения, с привлечением алгоритмов и формул, полученных из самих уравнений движения потока. Также весьма перспективным представляется увеличение точности измерения расхода путём укорачивания промежутка времени, необходимого на его получение.
Цель работы - разработка нового способа измерения расхода воды по методу «уклон-площадь» в открытых каналах оросительных систем.
Для достижения намеченной цели предполагается решить следующие задачи:
произвести сбор и анализ информации по существующим методам и средствам определения расхода воды на открытых каналах мелиоративных систем;
усовершенствовать способ измерения расхода воды по методу «уклон-площадь»;
обосновать целесообразность и возможность использования современных устройств и приборов для непосредственного измерения расхода воды в открытых потоках по методу «уклон-площадь»;
определить технические требования к эталонным и рабочим типам приборов;
провести оценку точности существующих расходомеров; ,
провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований параметров разработанного расходомера;
провести исследования для определения технико-экономических показателей и перспектив разработанного способа.
Научная новизна работы:
предложен способ измерения уровня и перепада уровней свободной поверхности воды между двумя створами (заявка № 2006123303/28(025285);
получено уравнение для расчета расхода воды, которое является решением дифференциального уравнения неравномерного установившегося плавно изменяющегося движения жидкости в призматических руслах применительно к методу «уклон-площадь»;
обосновано минимально допустимое расстояние между гидрометрическими створами, необходимое для определения расхода воды с погрешностью, не превышающей 5 %;
- разработан пакет программ автоматизации измерительного процесса.
Основные положения, выносимые на защиту:
обоснование разработанного способа измерения расхода воды в открытых каналах гидромелиоративных систем;
новый способ измерения расхода воды по методу «уклон-площадь» в открытых каналах гидромелиоративных систем (заявка №2006123303/28(025285);
конструктивное исполнение измерительного комплекса, включающее уровнемерный колодец, автоматический запорный клапан, электронный уровнемер-счетчик, подводящие трубопроводы;
- структура пакета программ для автоматизации измерительного процесса.
Практическая ценность работы. Разработанный способ и средство измерения расхода воды по методу «уклон-площадь» позволяет существенно повысить точность измерения перепада свободной поверхности и расхода воды в открытых каналах гидромелиоративных систем.
Личный вклад автора: - проведение патентного поиска существующих способов и средств измерения расхода воды по методу «уклон-площадь»; разработка способа измерения уровня и перепада уровней свободной поверхности воды с помощью одного измерительного устройства; получено уравнение для расчета расхода воды; разработка методики проведения лабораторных и полевых исследований предлагаемого способа; разработка и монтаж лабораторной установки; разработка и отладка программного обеспечения; разработка прибора, позволяющего автоматизировать процесс измерения расхода воды по методу «уклон-площадь».
Внедрение расходомера, работающего по разработанному способу, осуществлено на открытом облицованном участке канала АС-Р-3 Аксайской оросительной системы Ростовской области.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на III Всероссийской конференции молодых ученых, проводимой в ФГНУ «Радуга» г. Коломна, а также на конференциях молодых ученых, проводимых в ФГНУ «РосНИИПМ» в 2003-2005 гг.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе одна в перечне журналов и изданий, определенных Высшей аттестационной комиссией.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 156 страницах, содержит 58 рисунков, 26 таблиц и состоит из введения, 5 глав, выводов, предложений производству. Список литературы включает 171 источник, в т.ч. 5 иностранных.
Анализ современного состояния водоучета и водоизмерения на мелиоративных системах
С 1995 года службой Главного метролога проводится ежегодный мониторинг состояния пунктов водоучета на мелиоративных системах и водохозяйственных объектах. Проверялось наличие и состояние пунктов водоучета, степень оснащения их средствами измерения параметров водного потока, устанавливалась потребность в номинальном количестве пунктов водоучета и средствах измерения параметров водного потока, способная обеспечить необходимую достоверность и точность учета воды при организации платного водопользования.
Сбор информации проводился методом циркулярного опроса подведомственных организаций Агентства по техническому регулированию и метрологии по разработанным в службе Главного метролога формам, позволяющим оценить уровень метрологического обеспечения водоучета как в отдельно взятых регионах Российской Федерации, так и в отрасли в целом.
Как показал анализ получаемой из региональных управлений мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения информации, в последние годы наблюдается значительное снижение количества и уровня технического состояния пунктов водоучета (ПВ). Вследствие длительного недофинансирования и ряда организационно-технических причин, не выполняется даже минимально необходимый перечень работ по поддержанию ПВ в требуемом состоянии. За период с 1995 по 2005 год количество пунктов водоучета снизилось на порядок, с 13086 до 1544 единиц (таблица 1.4). По данным инвентаризации 2002 года, число пунктов водоучета по Российской Федерации составляло 2140 единиц. Однако эта цифра требует уточнения, так как она в 3,5 раза ниже, чем по полученным ранее сведениям.
Для наглядности данные, представленные в таблице 1.4, приведены в виде диаграмм на рисунках 1.3-1.5.
2005 г.: 1 - в удовлетворительном состоянии; 2 - в неудовлетворительном состоянии
Следует отметить, что некоторые из пунктов водоучета можно считать таковыми лишь номинально, так как по разным причинам они не могут использоваться в качестве средств измерения параметров водного потока. Около 40 % из них вообще не оборудованы средствами водоучета, а на открытой оросительной сети более 60 % оснащены лишь простейшими средствами измерений, такими как гидрометрическая рейка, что не соответствует требованиям, предъявляемым к пунктам коммерческого водоучета. Доля пунктов водоучета, оснащенных водоучитывающими приборами, составляет менее 6 %. Более половины из общего количества пунктов водоучета находятся в неудовлетворительном состоянии и требуют проведения реконструкции, капитального или текущего ремонта. Энергоснабжением обеспечены лишь 17 % пунктов водоучета, около 90 % ПВ не имеют автоматизации измерений и элементарной связи с диспетчерским пунктом.
Анализ типов гидрометрических сооружений на открытой сети показал, что наиболее распространенными являются сооружения типа «фиксированное русло», сужающие устройства различной конструкции, перегораживающие сооружения и некоторые другие, В следующем разделе приведены технические характеристики и область применения наиболее распространенных типов гидрометрических сооружений.
В качестве первичных преобразователей расхода, как правило, применяются нестандартизированные средства измерений, такие как приставки и насадки различных профилей и конструкций. Пункты водоучета, оборудованные такими устройствами, должны проходить государственную метрологическую аттестацию, тем более в условиях платного водопользования. В настоящее время те из пунктов водоучета, которые ранее были аттестованы, нуждаются в поверке и повторной аттестации.
Технические требования, предъявляемые к средствам измерения расхода воды с учетом новых условий водопользования
Особенности взаимоотношений между участниками процесса водопользования выдвигают на современном этапе ряд специфических требований к средствам коммерческого водоучета. Приводя краткую характеристику этих требований, мы не претендуем на охват всех возможных вариантов, в каждом конкретном случае эти требования могут изменяться и дополняться в зависимости от местных условий. Анализ взаимоотношений между участниками процесса водопользования, особенностей технологии и техники коммерческого водоучета показывает, что средства коммерческого водоучета должны обеспечивать: высокую надежность и адекватность измерений независимо от изменений режимов водоисточников и других местных условий; сохранение однозначности измеряемых величин во всем диапазоне измерений; невозможность какого-либо вмешательства извне в показания приборов, в фиксируемые параметры и средства фиксации; достаточную метрологическую обеспеченность применяемых средств водоучета и комплексов средств водоучета; возможность контроля в любой момент времени показаний приборов, положений датчиков, состояния аппаратуры и средств телеизмерения; возможность быстрой замены и реставрации, градуировки и переградуировки средств измерений и датчиков. Рассмотрим эти требования более подробно.
Требование надежности и адекватности измерений независимо от изменений режимов водоисточников и других местных условий вытекает из того, что при изменении режима водоисточника внешние условия (уровни, возможность подтопления, ударные воздействия и т.п.) могут настолько измениться, что полученные показания приборов (особенно при однозначной зависимости от одного параметра) могут оказаться не соответствующими метрологической характеристике. Подобное может произойти и в случае уменьшения площади отверстия при его забивке плавником и мусором - показания приборов (например, дифференциального манометра на трубчатом преобразователе или диафрагме) не будут соответствовать пропускаемому расходу. То же самое может случиться и при подтоплении со стороны нижнего бьефа отверстия, по величине которого определяется расход (метод градуированных сооружений [146]). Во всех этих случаях пункт водоучета должен быть оборудован системой приборов, контролирующих влияющие на водоучет параметры [78].
С проблемой адекватности тесно переплетается проблема сохранения однозначности измеряемых величин и измеряемых параметров во всем диапазоне измерений - при некоторых изменениях измеряемых величин могут возникнуть такие условия, когда метрологическая однозначность нарушается. Например, при внезапном сбросе большого расхода в нижний бьеф подпор ного сооружения возможно кратковременное подтопление сбросного отверстия, что может внести неточность в вычисление расхода, если оно производится по показаниям датчика положения затвора на сооружении.
Для обеспечения невозможности какого-либо вмешательства извне в показания приборов, их защищают от несанкционированного доступа. Защита может быть индивидуальной (когда прибор помещается в опломбированный недоступный кожух или корпус и не имеет каких-либо выводов или гнезд подключения, воздействуя на которые, можно исказить показания прибора) или совместной, когда комплекс приборов разного назначения помещается в хорошо изолированную и закрытую камеру (будку), обеспечивающую качественную защиту от доступа посторонних лиц и воздействия извне. Энергонезависимость приборов достигается системой автономного питания.
Во всех случаях необходима сигнализация о нарушении целостности пломб или о постороннем доступе к приборам с фиксацией времени, чтобы можно было отбраковать сомнительные показания.
Все приборы и устройства, применяемые на пунктах коммерческого водоуче-та, должны быть метрологически аттестованы и иметь действующий, непросро-ченный документ о градуировке и аттестации. В сочетании с защитными мероприятиями это позволит исключить ряд спорных вопросов при согласовании данных водоучета с потребителем.
Для исключения возможности выбраковки большого количества показаний приборов, при постороннем вмешательстве или при изменении местных условий, повлекших за собой изменение метрологических свойств приборов, необходимо обеспечить качественный контроль за показаниями приборов, положением датчиков и т.п. Наличие такого контроля позволит быстро выявить пункты, подвергшиеся вмешательству извне, приборы, вышедшие из строя, и другие несоответствия.
Учет изложенных выше требований позволяет рассмотреть существующие средства водоучета и определить возможность их применения при коммерческом водоучете. Для облегчения выбора конкретных конструкций средств измерения в следующем разделе приведен их краткий обзор.
Описание конструкции и обоснование технико-технологических параметров приборного обеспечения измерения расходов воды в от крытых каналах по методу «уклон-площадь»
Полученное выражение (2.14) позволяет значительно упростить расчет расхода воды на открытых водотоках с призматическим руслом, что дает возможность использовать простые и недорогие микроконтроллеры в приборах учета расхода и стока воды. 2. Не предусматривается устройство обратного уклона дна канала. 3. Возможность автоматизации измерительных и вычислительных процессов. Недостатки способа: 1. Необходимость в постройке двух гидрометрических колодцев. 2. Использование двух уровнемерных устройств ведет к удвоению погрешности измерения уклона водной поверхности. 3. Необходимость использования нивелира для привязки нулей уровнемеров, что увеличивает погрешность измерения уклона водной поверхности. 4. Большая вероятность возникновения помех при передаче данных от одного уровнемера к другому. 5. Высокая стоимость конструкции. Конструктивная реализация способа, предложенного нами в пункте 2.1, заключается в следующем. В исходном канале (рисунок 2.13) выполняют облицованный участок длиной L = 30 - 40 м. Расстояние между двумя гидрометрическими створами на участке L выбирают равным LaB= 20 - 30 м. Измерение уровней воды в этих створах производят одним уровнемером, расположенным в уровнемер-ном колодце нижнего гидрометрического створа. Измерение уровней воды в верхнем и нижнем гидрометрических створах основано на принципе двух сообщающихся сосудов с поочередным автоматическим переключением соединения уровнемерного колодца с водотоком верхнего и нижнего гидрометрических створов.
Уровнемер представляет собой электронное устройство, работающее по заранее записанной программе и осуществляет функции сбора и обработки информации, а также управления исполнительным устройством (запорным клапаном). Соединение уровнемерного колодца диаметром не менее 300 мм с зонами гидрометрических створов осуществляется с помощью труб диаметром не менее 50 мм. Конструкция измерительного участка канала представлена на рисунке 2.13. Последовательность операций при определении расхода по предлагаемому способу следующая (рисунки 2.13, 2.14). Запорный клапан 3 открывает водоток между подводящей трубой 2 и уровнемерным колодцем 5. По окон- чании заполнения уровнемерного колодца 5 регистрируется первое показание уровнемера 4 (h\). Затем запорный клапан 3 закрывает водоток между уровнемерным колодцем 5 и подводящей трубой 2, открывается водоток между уровнемерным колодцем 5 и подводящей трубой б, при этом вода в уровнемерном колодце 5 убывает до уровня поверхности воды нижнего гидрометрического створа 6. По окончании изменения уровня регистрируется второе показание уровнемера 4 (h2). По полученным данным и при известных параметрах канала (расстояния между сечениями верхнего и нижнего гидрометрических створов 1СШ уклона дна канала / о, коэффициента шероховатости канала п, ширины канала по дну Ь, коэффициента заложения откосов т и т.д.) находят значения коэффициента Шези С и гидравлического радиуса R.
Подставляя найденные и известные величины в формулу (2.16), вычисляют искомый расход Q. Вычисляется искомый расход по формуле (2.16), являющейся решением обыкновенного дифференциального уравнения неравномерного установившегося плавно изменяющегося течения воды в открытом русле [3], преобразованного к виду: - повышение точности и достоверности определения расхода воды за счет более точного измерения перепада уровней воды (в два раза) в верхнем и нижнем измерительных створах, т.к. измерения производятся одним изме рительным прибором (уровнемером); - возможность автоматизации процесса измерений; -возможность уменьшения величины обратного уклона или полный отказ от устройства обратного уклона; -снижение затрат на эксплуатацию измерительного участка ввиду близости гидрометрических створов и отсутствия необходимости в строительстве второго уровнемерного колодца; - полное отсутствие влияния загрязненности и завоздушенности вод ного потока на определение расхода.
Исследование гидравлических сопротивлений и методики их определения применительно к методу «уклон-площадь»
В 1769 году французским инженером Антуаном Шези была предложена первая формула равномерного движения - известная формула Шези, имеющая следующий вид: С- коэффициент Шези, учитывающий сопротивление движению потока. Формула Шези была выведена математически на основании двух допущений. Первое из них, сделанное самим Шези, заключается в следующем: сила сопротивления единицы площади русла водотока пропорциональна квадрату скорости, т. е. равна kv", где к - коэффициент пропорциональности. Второе допущение, являющееся основным принципом равномерного движения, было, как полагают, впервые сформулировано Брамсом в 1754 году.
Это допущение состоит в следующем: при равномерном движении компонент силы тяжести, совпадающий с направлением движения, должен быть равен полной силе сопротивления. В современной гидротехнической практике при расчете коэффициента Шези С для открытых потоков пользуются в основном старыми эмпирическими формулами [78]. Ниже приведены те из них, которые находят широкое применение в мировой практике и объединены общей концепцией: Гангилье - Куттера (краткая, 1869) Из новых формул нами выбраны те, в которых наиболее последовательно отражены принципы полуэмпирической теории гидравлической теории гидравлического сопротивления: И.И. Агроскина(1949) где е - приведенная линейная шероховатость; v- кинематический коэффициент вязкости. Рассмотрена также полная формула Гангилье - Куттера (полная, 1869) где J- гидравлический уклон. В практических расчетах открытых русел преимущественно призматической формы может применяться уравнение Агроскина [1]. Эта зависимость принята в технических условиях проектирования Министерства сельского хозяйства наряду с формулой Н.Н. Павловского. Выбор значения п равносилен определению сопротивления течению [141], природа которого на современном этапе знаний в сущности непостижима. Опытные инженеры принимают этот коэффициент на основе своей практики, а начинающие - наугад, причем результаты, конечно, получаются различными [75, 154]. Известно, что значение п весьма изменчиво и зависит от большого числа факторов [59]. Оно не может приниматься постоянным и единственным для всех случаев. При выборе соответствующего значения п для различных проектных условий необходимо хорошо знать факторы, определяющие зна чение п. Необходимо отметить, что все эти факторы находятся во взаимосвязи, поэтому при рассмотрении одного фактора может оказаться необходимым коснуться другого фактора, связанного с ним. Поверхностная шероховатость. Поверхностная шероховатость характеризуется формой и размерами зерен материала, слагающего русло по смоченному периметру и оказывающего тормозящее воздействие на поток. Этот фактор нередко рассматривается как единственный при выборе коэффициента шероховатости, но в действительности он является одним из многих важных факторов. Растительность. Растительность может рассматриваться как разновидность поверхностной шероховатости, которая в то же время уменьшает пропускную способность канала и тормозит движение. Действие ее зависит главным образом от высоты, густоты, распределения и типа растений. Неоднородность канала.
Неоднородность канала заключается в неоднородности формы смоченного периметра и изменениях поперечного сечения канала (размера и формы) по его длине. Выравнивание русла. Плавное искривление с большим радиусом кривизны дает относительно низкое значение п, в то время как резкое искривление со многими меандрами увеличивает значение п. Заиление и размыв. Заиление может превратить очень неоднородный канал в сравнительно однородный и уменьшить п, в то время как размыв, наоборот, может увеличить п. Препятствия. Наличие препятствий обусловливает увеличение значения п. Степень увеличения п зависит от вида препятствий, их размеров, формы, числа и размещения в русле. Размеры и форма канала. Точных доказательств влияния размера и формы канала на значение п не имеется. Увеличение гидравлического радиуса может или увеличить или уменьшить п в зависимости от состояния данного канала. Уровень и расход. В большинстве потоков увеличение уровня и расхода влечет за собой уменьшение значения п. При мелководьи неоднородность шероховатости и изменения профиля канала усиливаются, и их влияние становится ощутимее. Однако значение п может быть большим и при высоком уровне - в канале с неровными берегами, заросшими травой. Взвешенные и донные наносы. Взвешенные и донные наносы, как движущиеся, так и неподвижные, являются потребителями энергии и обусловливают своим наличием потери напора или увеличение русловой шероховатости. Все вышеперечисленные факторы должны быть учтены. Учет этих обстоятельств является основой для определения значений п. От точности определения коэффициента шероховатости п зависит точность вычисления расхода, т.к. п является элементом, входящим в состав расчетного выражения (3.1). Проведем анализ точности определения коэффициента шероховатости путем решения обратной задачи двумя выражениями: формулой Шези (3.2), в состав которой не входит перепад свободной поверхности воды, и предлагаемым выражением (3.1), в состав которого входит перепад свободной поверхности воды. При проведении данных исследований важным является точность задающего расхода. При определении расхода воды, подаваемого насосами в зону измерения, мы не застрахованы от случайных ошибок в измерении. Случайные ошибки являются неустранимыми, но с помощью методов теории вероятности [40] их можно учесть и внести соответствующие поправки к истинному значению.
