Układy pomiarowe w pompowniach przeciwpożarowych

Powrót do przeglądu

28.08.2019

Zapoznaj się z wymaganiami

Układ pomiarowy jest wymagany w każdej pompowni przeciwpożarowej, co wynika z zapisów Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 lipca 2009 r. w sprawie przeciwpożarowego zaopatrzenia w wodę oraz dróg pożarowych [1]. Choć duża część osób zaangażowanych w ochronę przeciwpożarową ma świadomość istnienia tego wymagania, to częstym problemem jest sposób jego realizacji.

Podstawowe pytanie brzmi: z czego składa się układ pomiarowy? Wynika to również z zapisów rozporządzenia:

Pompy powinny być wyposażone w układ pomiarowy składający się z ciśnieniomierza, przepływomierza i zaworu regulacyjnego, pozwalający na okresowa kontrolę parametrów pracy

W Polsce nadal wiele pompowni przeciwpożarowych nie jest wyposażanych w żadne urządzenia pomiarowe. Jeśli już są one przewidziane, niektórzy producenci stosują często tzw. obejścia testujące lub obejścia pomiarowe, składające się z wodomierza z licznikiem impulsów oraz dwóch zaworów kulowych lub przepustnic, które mają realizować funkcje układu pomiarowego (rys. 1). Takie podejście jest niedopuszczalne pod względem zarówno technicznym, jak i prawnym.

Rys. 1. Przykładowy schemat i wymiary obejścia pomiarowego z wodomierzem [9]

Kwestie techniczne

Podejście inżynierskie wymaga zastanowienia, dlaczego stosuje się dane rozwiązanie techniczne. Zgodnie z nazewnictwem układ pomiarowy jest urządzeniem składającym się z kilku podzespołów, przeznaczonym do wykonywania określonych pomiarów, co więcej – o określonej dokładności. Pomimo braku szczegółowych wytycznych odnośnie do zastosowanych rozwiązań, nazewnictwo podzespołów wskazuje określony do osiągnięcia cel stawiany układom pomiarowym. Zadaniem podzespołów układu pomiarowego jest:

  • pomiar ciśnienia,
  • pomiar strumienia objętości (przepływu),
  • regulacja przepływu.

Aby zrealizować w prawidłowy sposób te funkcje, konieczne jest zapewnienie właściwych środków. Zawór regulacyjny pozwala na zmianę współczynnika Kv odpowiadającego za przepływ cieczy przez zawór, każdy zawór regulacyjny powinien mieć określone skokowo nastawy, których wartość można zmieniać, ustawiając zawór w określonych pozycjach. Dla każdej wartości nastawy zaworu określona jest wartość liczbowa współczynnika Kv, co więcej – określone skokowo poziomy nastaw pozwalają na zapewnienie powtarzalności parametrów wejściowych podczas badania pompy. Przepływomierz odpowiedzialny jest za pomiar bezpośredni natężenia przepływu z określoną dokładnością pomiarową, analogicznie ciśnieniomierz odpowiada za pomiar ciśnienia w rurociągu tłocznym. Łącząc te trzy elementy, można otrzymać dane wyjściowe, które uzależniają przepływ generowany przez pompę od strat hydraulicznych rurociągu, czyli inaczej przepływ pompy w zależności od ustawienia pozycji zaworu regulacyjnego. Jest to mikrostanowisko do pomiaru charakterystyki hydraulicznej pompy lub zestawu pomp i stanowi ono jedyną możliwość sprawdzenia poprawności działania pomp bez konieczności ich demontażu i unieruchamiania układu pompowego na co najmniej kilka dni. Mimo że w porównaniu do laboratoryjnych stanowisk pomiarowych istnieją pewne niedogodności, to jest to urządzenie, które pozwala uzyskać kryterialne informacje o pracy pomp. Wspomnianymi wcześniej niedogodnościami są:

  • pomiar wysokości tłoczenia, a nie wysokości podnoszenia pompy,
  • zmienne warunki na ssaniu pompy,
  • brak możliwości zrzutu wody pomiarowej w obrębie pompowni przy zasileniu pomp z sieci wodociągowej,
  • konieczność oszacowania strat ciśnienia na trasie od pomp do pomiaru ciśnienia,
  • brak możliwości zapewnienia warunków ustalonych podczas pomiaru.

Pomiar wykonywany przy użyciu układu pomiarowego pozwala na porównanie parametrów pracy pompy w różnych okresach jej eksploatacji. Doświadczona osoba obsługująca układ pomiarowy jest w stanie zniwelować część niedogodności w celu rzetelnego pomiaru jej jakości pracy. Niwelacja tych niedogodności polega na:

  • uwzględnieniu ciśnienia na dopływie przy wykonywaniu pomiarów i wyznaczaniu wysokości tłoczenia,
  • wykonywaniu pomiarów dla punktów gwarantowanych, dla których przy określonych parametrach nastaw zaworu można osiągnąć powtarzalność wyników,
  • zastosowaniu tabeli odczytu wyników i wykresu charakterystyki,
  • obliczeniu tolerancji pomiarowych.

Po wykonaniu poprawnego pomiaru ocenia się, czy otrzymane wyniki różnią się znacząco od wyników z pierwszego roku eksploatacji i jaka jest relacja pomiędzy kolejnymi latami użytkowania. W tym miejscu należy zaznaczyć, że otrzymane wyniki nie pozwalają na porównywanie charakterystyki pompy z charakterystyką producenta, gdyż badanie zgodnie z PN-EN ISO 9902 [2] jest badaniem statystycznym z 95% poziomem ufności dla stanowisk badawczych o określonej budowie i dokładności urządzeń pomiarowych. Nie znaczy to jednak, że można pozwolić sobie na dowolność stosowania elementów układu pomiarowego. Największą wadą zaworów kulowych bądź przepustnic hydraulicznych w porównaniu do zaworów regulacyjnych jest brak możliwości zapewnienia powtarzalności stopnia ich otwarcia oraz bardzo krótka charakterystyka regulacji przepływu. W przypadku zaworów regulacyjnych wystarczy ustawić zawór na określoną wartość, np. wynikającą z pomiarów wykonywanych w poprzednich latach, aby móc w prosty sposób zapewnić ograniczenie przepływu do danego, znanego poziomu. W przypadku przepustnicy lub zaworu kulowego nie ma takiej możliwości, nawet ta sama osoba wykonująca pomiary w kolejnych latach nie jest w stanie zapewnić powtarzalności stopnia otwarcia. Kolejnym problemem jest nieznane Kv zaworu w różnych pozycjach otwarcia – oznacza to, że jedyna możliwość to próba ustawienia zaworu na przepływ wskazywany przez urządzenie pomiarowe, lecz w takiej sytuacji konieczne jest uzyskanie niskiej niepewności pomiarowej na mierniku.

Przepływomierze elektromagnetyczne mają klasę dokładności na poziomie od 0,5 do 0,25% wartości mierzonej, dla przepływomierzy analogowych klasa dokładności wynosi 5% przy pomiarze bezpośrednim. W stosunku do wodomierzy z licznikiem impulsów jest to dokładność znacznie wyższa, a ponadto stała. W przypadku wodomierzy dokładność pomiaru dotyczy nie natężenia przepływu, a objętości, ponadto ta dokładność jest uzależniona od strumienia objętości przepływającej przez wodomierz. Klasa dokładności pomiarowej wodomierza w zakresie przepływu od przepływu maksymalnego(qs) do przepływu nominalnego(qp) wynosi średnio 2%, w przypadku przepływów poniżej nominalnego ta dokładność wzrasta, a w przypadku wartości przepływów poniżej przepływu pośredniego(qt) spada nawet do 5% dla przepływów w okolicy minimalnego (qmin). Zależność pomiędzy przepływem przez wodomierz a jego klasą dokładności pomiarowej opisuje wykres na rys. 2.

Rys. 2. Pola błędów wskazań i przykładowa krzywa dla wodomierza [3]

Z wykresu (rys. 2) wynika, że optymalny zakres pracy wodomierza jest bardzo wąski w stosunku do całej długości krzywej, a niepewność pomiaru ściśle zależy od natężenia przepływu. Kolejnym bardzo ważnym aspektem jest dokładność pomiaru chwili czasu przez licznik impulsów wodomierza. Ten pomiar, jak każdy inny, również obarczony jest niepewnością pomiarową, przy czym klasa dokładności tych urządzeń pozostaje zazwyczaj nieznana. Aby zobrazować wpływ zastosowania wodomierza z licznikiem impulsów na dokładność pomiarową układu pomiarowego, posłużono się obliczeniami zgodnymi ze standardem CNBOP-PIB „Metodologia szacowania oraz wyrażania niepewności pomiaru”[4].

Wpływ niepewności pomiarowej na ocenę jakości pracy pompy

Jeżeli pomiary wykonywane są za pomocą zaworu kulowego oraz wodomierza z licznikiem impulsów, ustawienie kąta otwarcia zaworu zgodnie ze wskazaniem wodomierza jest podejściem błędnym. Na przykładzie obliczeń wykazano, że wskazanie wodomierza na poziomie 18 m3/h może oznaczać przepływ rzeczywisty na poziomie od 16,56 do 19,44 m3/h. Wraz ze wzrostem przepływu wzrastała będzie również niepewność pomiarowa, a jej wpływ na ocenę stanu technicznego pompy będzie zależał od kąta nachylenia stycznej do krzywej charakterystyki, czyli od jej tzw. stromości. Im bardziej stroma charakterystyka, tym większy będzie wpływ błędu na poprawną interpretację wyników. Jeżeli zmiana przepływu o 1 m3/h na charakterystyce przepływowej skutkuje kilku- lub kilkunastokrotną zmianą wysokości podnoszenia, nie ma możliwości oceny pracy pompy przy użyciu miernika z niepewnością pomiaru na poziomie kilku procent, gdyż przy sprawdzeniu ciśnienia generowanego przez pompę dla danego wskazania miernika przepływu może się okazać, że pomiar został wykonany w zupełnie innym miejscu na charakterystyce. Wpływ błędu pomiaru będzie również wzrastał wraz z przesuwaniem się w prawo na charakterystyce przepływowej – im bliżej przepływu maksymalnego pompy, tym bardziej wzrasta stromość charakterystyki (rys. 3).

Rys. 3. Wykres charakterystyk zbiorczych rodziny pomp Wilo-Helix VF2 [9]

Dokładność pomiarowa a sposób montażu

Producenci zarówno wodomierzy, jak i przepływomierzy zalecają stosowanie określonych długości sekcji uspokajających przed i za urządzeniem pomiarowym.

Rys. 4. Schemat montażu wodomierza skrzydełkowego typu MWN firmy Powogaz [5]

Zgodnie z instrukcją do wodomierza MWN sekcja uspokajająca na wlocie do wodomierza powinna wynosić L = 3 Dn wodomierza w przypadku instalacji prostych. Jeżeli wodomierz zostaje zamontowany za podwójnym kolanem, zaworem zwrotnym lub pompą, wartość tę należy podwoić. Za urządzeniem pomiarowym należy pozostawić odcinek prosty o długości 2 Dn. Oznacza to, że długość przykładowego wodomierza MWN50 wraz z sekcjami uspakajającymi wynosi 600 mm dla montażu za zestawem pompowym.

Rys. 5. Schemat montażu przepływomierza elektromagnetycznego Krohne Optiflux 1000 [5]

W instrukcji dla przepływomierza elektromagnetycznego sekcja za przepływomierzem jest taka sama, jak w przypadku wodomierzy i wynosi 2 Dn. Na wlocie jednak należy zapewnić odcinek prosty o długości od 5 do 10 średnic przepływomierza, w zależności o zgięć przed urządzeniem. W układzie pompowym najbezpieczniej jest stosować odcinek wlotowy równy wyżej wartości. Warto mieć również na uwadze fakt, że oba urządzenia pomiarowe powinny mieć zapewnione warunki z rurociągiem w pełni wypełnionym wodą. Ukazują to rys. 4 i 5 gdzie pokazany jest montaż urządzeń pomiarowych przed wzniesieniem rurociągu. Ma to zapobiec pracy z rurociągiem tylko częściowo wypełnionym wodą. Nie można pozostawiać swobodnego wylotu z rurociągu testowego w tej samej osi, co urządzenie pomiarowe.

Kolejnym aspektem jest zapewnienie odpowiedniego odbioru wody testowej. Woda powinna być zawracana z powrotem do zbiornika lub w przypadku zasilania zestawu z sieci wodociągowej zrzucona w miejsce ku temu zaprojektowane. Układ pomiarowy nie powinien pozwalać na krążenie wody w obiegu zamkniętym (tzw. bypassie) wokół pomp z co najmniej trzech powodów. Pierwszym jest sam zapis z instrukcji przepływomierza, który nie zezwala na stosowanie pomp za urządzeniem (rys. 6), a w przypadku bypassu ta sama pompa oddziałuje na przepływomierz od strony jego wlotu jak i wylotu. Drugim aspektem jest zaburzenie pomiaru ciśnienia. Pompa, tłocząc wodę we własny rurociąg ssący, podbija ciśnienie na wlocie pompy, uniemożliwiając prawidłowy, stabilny pomiar. Ciśnienie po stronie tłocznej zależy od ciśnienia po stronie ssącej.

Rys. 6. Usytuowanie przepływomierza elektromagnetycznego Krohne Optiflux 1000 względem pompy [6]

Trzecim powodem jest zachowanie wyżej wymienionych odcinków prostych w sekcji uspokajającej. Jeżeli zechcemy zamontować przepływomierz, armaturę odcinającą i regulującą w obrębie zestawu pompowego, to w większości przypadków nie będzie to wykonalne ze względu na rozstaw kolektorów zestawu pompowego.

Rys. 7. Schemat budowy zestawu pompowego na przykładzie Instal Compact [7]

Powyżej przedstawiony został schemat montażu tak zwanego obejścia testującego w obrębie kolektorów zestawu pompowego (rys.6). bezpośrednio przed wodomierzem usytuowany elektrozawór zaburzający przepływ nawet przy pełnym otwarciu. Do regulacji wykorzystywana jest przepustnica. Tego typu rozwiązanie świetnie spełnia rolę testu sprawności ruchowej pomp i do tego celu było zapewne zaprojektowane. Nie zawiera jednak podzespołów wymaganych przez rozporządzenie w układach pomiarowych, a testy przeprowadzone na nim nie dają miarodajnych wyników dla kształtu charakterystyki jak opisane zostało wcześniej.

Przykład prawidłowego montażu został przedstawiony na fragmencie karty katalogowej układu pomiarowego Wilo-UP 80 o średnicy Dn 80. Schemat przedstawia przepływomierz elektromagnetyczny poprzedzony sekcją o długości 10 Dn, na wylocie zastosowana została kształtka o długości 2 Dn, łącząca urządzenie pomiarowe z precyzyjnym zaworem regulacyjnym. Manometr na wlocie umożliwia jednoczesny odczytu ciśnienia i przepływu z pozycji obserwatora. Wartość mierzonego ciśnienia należy potwierdzić odczytem z czujnika ciśnienia na kolektorze tłocznym zestawu, co wyeliminuje błąd pomiarowy związany z czynnikiem ludzkim.

Rys. 8. Schemat układu pomiarowego Wilo-UP80 [8]

Kwestie prawne

Rozporządzenie wprost wymaga określonych podzespołów, wodomierz nie jest przepływomierzem. Jednoznacznie temat zamyka pismo z MSW będące odpowiedzią na pytanie zadane przez nas w 2015r.

Podsumowanie

Wodomierze z licznikiem impulsów nie spełniają wymagań rozporządzenia, a ich przydatność od strony technicznej pozostawia wiele do życzenia. Układ pomiarowy mimo względnie prostej konstrukcji powinien być zaprojektowany w sposób zgodny z wymaganiami producentów podzespołów oraz zasadami wiedzy technicznej. Przy doborze i zakupie układów pomiarowych nie należy kierować się jedynie ceną, lecz przede wszystkim zwracać uwagę na ich przydatność w realizacjiprzeznaczenia, gdyż wczesne wykrycie nieprawidłowości w pracy pomp może ocalić życie i mienie podczas potencjalnego pożaru.

Autorzy: Gniewosz Siemiątkowski, Nikon Gawryluk

Literatura

[1] Dziennik Ustaw Nr 124 Poz. 1030 ROZPORZĄDZENIE MINISTRA SPRAW WEWNĘTRZNYCH I ADMINISTRACJI z dnia 24 lipca 2009 r. w sprawie przeciwpożarowego zaopatrzenia w wodę oraz dróg pożarowych

[2] PN-EN ISO 9906:2012 Pompy wirowe – Badania odbiorcze parametrów hydraulicznych – Klasy dokładności 1, 2 i 3.

[3] II Konferencja Naukowo-Techniczna „Błękitny Stan” dr hab. inż. Janusz Rak prof.PRz POLITECHNIKA RZESZOWSKA IM. I. ŁUKASIEWICZA

[4] Standard CNBOP-PIB-BS01P:2018 wydanie 1, „Metodologia szacowania oraz wyrażania niepewności pomiaru”

[5] Apator Powogaz Instrukcja eksploatacji- wodomierze kołnierzowe DN40-DN500: wydanie I‐PL‐2‐003/2013

[6] Krohne Optiflux 1000 Podręcznik – Elektromagnetyczna głowica pomiarowa w konstrukcji bez kołnierzowej wydanie: KROHNE 01/2018 – 4004062802 – HB OPTIFLUX 1000 R04 pl.

[7] https://instalcompact.pl/pl/produkty.

[8] Karta katalogowa Wilo-UP80.

[9] Raport z badań VdS pomp Helix VF performances curves VF (VdS P418007)" 18.07.2018 rev 00.