Specifika využívání automatických měřících stanic (AMS) v oblasti PLZ a ZPMV

Specifika využívání automatických měřících stanic (AMS) v oblasti PLZ a ZPMV Přednášející: Luděk Habrda, Ing. Tomáš Kocman Kocman Monitoring, Teyschlova 30, 635 00 Brno tel. +420602786247, www.asdm.cz, tkocman@asdm.cz ODBORNÝ KURZ TEORETICKÁ BALNEOTECHNICKÁ PRŮPRAVA 30. 31. 10. 2014, LÁZNĚ FRANTIŠKOVY LÁZNĚ A.S., JIRÁSKOVA 3/23, 351 01 FRANTIŠKOVY LÁZNĚ Měření a záznam dat na zdrojích PLZ a ZPMV je obor poměrně mladý. Předchůdcem současných AMS byly mechanické plovákové přístroje se záznamem pohybu plováku na limnigrafický papír. Touto technikou nebylo možné spolehlivě monitorovat průběhy stavů hladin na čerpaných zdrojích. Přibližně před 30 lety rozvoj elekroniky a výpočetních systémů vedl k postupným změnám v oblasti monitorovacích systémů. První požadavky na automatický monitoring PLZ a ZPMV byly uplatněny Ministerstvem zdravotnictví ČR v roce 2002. V této době již byly v ČR dostupné spolehlivé automatické měřící systémy široce využívané řadou subjektů (Český hydrometeorologický ústav, podniky Povodí, vodárenské společnosti, hydrogeologické firmy aj.) 2

1. Automatický monitorovací systém Automatický monitorovací systém (AMS) je složen z měřících sond a záznamové (vyhodnocovací případně také řídící) jednotky. V balneologické praxi v ČR se vyskytují dvě varianty uspořádání měřících sond a záznamové jednotky a to: Měřicí sondy jsou připojeny k záznamovým jednotkám přímo na zdrojích případně v jejich blízkosti, toto řešení je uplatněno v cca 95% případů. Výstupní signály z měřících sond jsou metalicky, opto kabely případně jiným způsobem přenášeny na vzdálený dispečink 1.1 Koncepce automatického monitorovacího systému Balneotechnik zodpovídá za VŠE - čerpání zdroje, transport MV do provozu, kvantitu a kvalitu MV ve výtěžku, plnění povolení k využívání zdroje. On nese zodpovědnost za prázdnou akumulaci, za zhoršení kvality vody ve výtěžku, za všechny možné technologické poruchy anebo technologické nekázně údržby. Může nastat situace, že balneoprovoz bude volat údržbě a balneotechnikovi, že není voda? Vždy se musí řešit situace až nastane? Nemusí tomu tak být. Záleží na koncepci monitorovacího systému, který pomůže řadu problémů odhalit ještě před tím, než nastanou. Možné koncepce monitorovacích systémů jsou rozděleny do tří skupin. 1.2 Základní monitorovací systém Základní monitorovací systém provádí měření a záznam dat v rozsahu daném Povolením k využívání zdrojů (hladina, teplota, čerpané množství). Měřící systém má pouze lokální záznam dat a neposkytuje on line informace o průběhu čerpání zdroje. V tomto případě, nás balneotechniky, může překvapit cokoliv, protože o chybě v čerpání se dozvíme prostě pozdě. 1.3 Rozšířený monitorovací systém Základní monitorovací systém provádí měření a záznam dat v rozsahu daném Povolením k využívání zdrojů. Měřící systém poskytuje on line data pomocí datového přenosu (GPRS, radio, metalicky) na PC balneotechnika, dále umožnuje v řadě případů zasílání alarmových SMS údržbě a balneotechnikovi. 3

Příklady možných využití funkce alarmových SMS na zdrojích: Pokles hladiny na pozici m od koše čerpadla (hrozí ovlivnění kvality MV) Překročení povoleného čerpaného množství (porušení daného Povolení) Pokles čerpaného množství (ovlivnění technického stavu čerpadla) Výpadek proudu na lokalitě Nulový průtok při zapnutém čerpadle (hladina na koši čerpadla, plynová kapsa) Vzestup teploty čerpané vody, pokles čerpaného množství (zadírání čerpadla) Jelikož balneotechnik odpovídá skutečně za VŠE, tak je pro něj výhodné kritická místa v transportu MV doplnit o další sondy a AMS, které budou obdobně monitorovat další důležité hodnoty. Těmito kritickými body může být například: Tlak v potrubí na výtlaku (pokles tlaku = porucha na potrubí) Hladina a zásoba vody v akumulacích Průtokoměry na přítoku do akumulací, případně přečerpávacích stanic (poklad pro bilanci transportovaných vod) Při realizaci této koncepce monitoringu můžeme řadě mimořádných situací předcházet a řešit je ještě před tím, než nastanou. Pokud dojde k poruše technologie, jsme informování zavčas a můžeme okamžitě zahájit nápravná opatření. Tato koncepce rozšířeného monitoringu je uplatněna například v Lázních Velké Losiny, Horských Lázních Karlova Studánka, Mušov, LLD Praha, Lázně Klimkovice, Sanatoria Miramare, Vincentka Luhačovice, Lázně Luhačovice, Lázně Bohdaneč, Lázně Klášterec nad Ohří, Sirnaté Lázně Ostrožská Nová Ves, Lázně Teplice nad Bečvou. 1.4 Komplexní monitorovací systém Komplexní monitorovací systém obsahuje vše, co je uvedeno v koncepci rozšířeného monitorovacího systému a navíc obsahuje řídící funkce, které provádí zadané operace. Řídící funkce jsou dvojího typu: Provádí autonomně měřící systém na lokalitě Provádí měřící systém na lokalitě na vzdálený příkaz z jiného měřícího systému anebo od pověřené osoby (balneotechnik, údržba) 4

Pro vysvětlení budou lepší příklady. Příkladem autonomní řídící funkce je pokles hladiny ve zdroji ke koši čerpadla. Hrozí ovlivnění kvality MV a při čerpání na koš a je ohroženo samotné čerpadlo. AMS autonomně vypne čerpadlo a odešle SMS balneotechnikovi, že provedl vypnutí čerpadla z důvodu.. Příkladem řízení vzdáleným příkazem může být komunikace mezi dvěma AMS na zdrojích a akumulaci. V tomto případě ASM na akumulaci při poklesu hladiny/zásoby MV zapíná čerpadlo na zdroji a při naplnění akumulace čerpadlo na zdroji vzdáleným příkazem vypíná. Obdobně může provést řídící operaci balneotechnik. Tento způsob monitoringu je v provozu například pro Lázně Hodonín, Lázně Lednice, Lázně Darkov. AMS mohou také v kombinaci s frekvenčním měničem řídit pomocí PID regulace frekvence otáček čerpadla a tím optimalizovat proces čerpání. Balneotechnik zadá požadovaný průtok a ten se nastaví do AMS. Měřící systém bude na základě aktuálních informací z průtokoměru provádět úpravu frekvence čerpadla tak, aby byl nastavený průtok dodržen. Také v tomto případě je možné odeslat řídící SMS do měřící stanice s požadavkem na změnu průtoku, systém upraví frekvenci čerpadla a tím také průtok na požadované hodnoty. Toto řešení je v provozu pro společnost Ondrášovka a.s. 2. Měříme správně.? Uvedené koncepce využití monitorovacích systémů jsou jistě zajímavé, ale pouze za předpokladu, že měříme správně. Při naplnění požadavků kontinuální monitoringu balneotechnik řeší poměrně nesnadný úkol. Nepostačuje totiž pouze pořídit měřicí techniku a očekávat, že automatická měřicí stanice bude pracovat automaticky správně. Ve skutečnosti se balneotechnik může dopustit už v začátku řady chybných rozhodnutí. Nejčastější chyby při výběru techniky, instalaci a provozování měřicí techniky: Výběr nevhodných měřicích systémů Špatná volba rozsahu a přesnosti měřicích čidel Chybná instalace (platí zejména pro manometrické sondy a průtokoměry) Neprováděná servisní činnost měřicích systémů Nedůsledné vedení provozního deníku měrného bodu 5

Absence provádění kontrolních nezávislých měření (jednobodová a vícebodová kalibrace) Pokud balneotechnik provede vše správně, tak hrozí další možná závažná pochybeni. Obtížnost kontinuálního monitoringu je totiž znásobena tím, že měřeným mediem je minerální voda (proplyněná, teplá, eruptující) a ta může přesnost a věrohodnost měření v některých případech zásadně ovlivnit. Bez dokonalé znalosti technologie a principů měření, odborného servisu měřicí techniky a metrologických znalostí (zákon č. 505/1990 o metrologii) se jedná v řadě případů o úkol téměř neřešitelný. Na významu nabývá kontrola a interpretace měřených dat, popis možných ovlivnění a jejich odstranění (verifikace měřených dat, kalibrace). Pokud pochybnosti o správnosti měření přetrvávají, je nutná vícebodová kalibrace, jejímž cílem je prověření měřicího řetězce v celém možném rozsahu očekávaných hodnot. 2.1 Automatický měřící systém Jak už bylo uvedeno, jedná se o záznamovou (vyhodnocovací, řídící) jednotku a připojená čidla. 2.2 Záznamová jednotka Měřicí záznamová a vyhodnocovací stanice řídí sběr dat z připojených čidel, provádí jejich vyhodnocení a archivaci. V současné době se stále více uplatňují měřicí stanice s dálkovým přenosem dat (GPRS/radio), jejíž výhodou je okamžitá informovanost balneotechnika o aktuální situaci na zdroji. Základním požadavky na provozní funkce měřicí a vyhodnocovací jednotky jsou: Umožnění připojení požadovaných čidel Dostatečná kapacita paměti a její zálohování pro archivaci měřených dat Spolehlivý provoz v obtížných podmínkách měrných šachet (vysoká vlhkost vzduchu, agresivní prostředí), na zdrojích mimo šachty v prostředí -30 C až + 50C Dlouhodobá (řádově měsíce) nezávislost na zdroji 230 V (monitoring má význam také při výpadku proudu na lokalitě pro získání hodnot neovlivněných čerpáním) Možnosti řídících funkcí, přenosů dat a alarmových SMS podle zamýšlené koncepce měřících systémů 6

2.3 Měřicí čidla Měřicí čidla neboli také sondy (senzory) provádí vlastní měření dané veličiny a pomocí analogového nebo digitálního výstupu jsou hodnoty předávány do vyhodnocovací jednotky k dalšímu zpracování. Zde budou popsána základní čidla potřebná pro měření uváděné v povoleních pro využívání zdrojů. Pozice hladiny/tlak na zhlaví Jediným použitelným čidlem v prostředí využívaných zdrojů s instalovaným čerpadlem jsou manometrické (neboli také tlakové) sondy. Tyto sondy prostřednictvím membrány (křemíkové, keramické) snímají hydrostatický tlak vody, který odpovídá pozici hladiny nad sondou. Obdobně pracují na zdrojích s pozitivní výškou hladiny (vrty s přetokem) s tím rozdílem, že sonda se obvykle stabilizuje na tlakově uzavřeném zhlaví a do vrtu se spouští pouze výjimečně. Z principu měření je zřejmé, že na vodách hodně proplyněných a eruptujích může docházet k rozdílu mezi geometrickou pozicí hladiny (směs vody a vzduchu) a skutečnou hladinou, když by voda proplyněná nebyla. Stabilizace manometrické sondy na zhlaví vrtu Manometrická sonda musí být vybavena kapilárou pro kompenzaci vlivu atmosférického tlaku vzduchu. Balneotechnik při výběru sondy musí dávat pozor na tento aspekt, jelikož v případě sond bez kompenzace vlivu atm. tlaku vzduchu bude potřebovat provádět souběžné měření atmosférického tlaku vzduchu samostatným přístrojem a tyto hodnoty použít pro přepočet měřených tlaků vody na skutečnou hladinu. 7

Manometrické sondy se nejčastěji spouští do vrtu se zakleslou hladinou na vlastním kabelu, který se na zhlaví vrtu stabilizuje v neměnné pozici. Stabilizací kabelu nesmí dojít k omezení průchodnosti kompenzační kapiláry. Manometrická sonda se umísťuje pod nejnižší očekávanou hladinu. U vod proplyněných doporučujeme umístit sondu (a také čerpadlo) až pod bod evaze plynu. Pokud bude při minimální hladině zatopena sonda alespoň 30 m vody vodního sloupce, tak se řada komplikací pro měření a provoz čerpadla v proplyněných vodách vyřeší. Rozsah sondy musí zahrnovat očekávaný rozkyv hladiny s důrazem na možný maximální nástup hladiny při omezení odběru ze zdroje (obvykle v prosinci a lednu) případně při odstávce zdroje. Také data dlouhodobě neovlivněná čerpáním jsou důležitá pro další vyhodnocení zřídelní struktury. Při nevhodně vybraném rozsahu sondy a jejím přetížení může dojít k jejímu nevratnému poškození. Na vrtech s extrémně zakleslou hladinou pod 300-400 m (nejčastěji jodobromové vody), případně na vrtech obtížně průchodných je nutné vázat manometrickou sondu k výtlačnému potrubí. Stabilizace manometrické sondy nad čerpadlem /sonda spuštěna na pozici 360 m od OB/ Lázně Darkov Nejčastější chyby měření manometrickou sondou: Nevhodný rozsah sondy (pozor na maximální hladiny při odstávce provozu, hladina nastupuje v řadě případů mimo rozsah sondy) Sonda není umístěna pod minimální provozní hladinou 8

Sonda je umístěna v místě uvolňování plynu Teplota vody Teplota vody je měřena nejčastěji odporovými teplotními čidly. Tato čidla mohou být integrována do manometrické sondy anebo jsou samostatně spuštěna do vrtu na vlastním kabelu. V mnoha případech bývá prostor vrtu zaplněn natolik, že spuštění dalšího čidla je téměř nemožné. Proto se častěji využívá princip integrovaného teplotního čidla do těla manometrické sondy. Pro teplotní sondy platí obdobné požadavky jako pro manometrické sondy. Teplotní sonda je výrazně lehčí a někdy je obtížné bez přidané zátěžky její spuštění do hlubších pozic ve vrtu. Výhodou samostatných teplotních sond je jejich spuštění na vybranou pozici s aktivním přítokem minerální vody. Instalace teplotních sond je jednodušší v případech, kde je součástí manometrický sond. Nevýhodou je, že výběr pozice teplotní sondy je ovlivněna důležitějším měřením stavů hladin a v mnoha případech dochází k ovlivnění teploty vody provozem a technickým stavem čerpadla. Čerpané množství/přelivové množství Měřeni průtoků v uzavřeném potrubí se provádí pomocí průtokoměrů (nejčastěji mechanické, indukční) s výstupem do měřicí a vyhodnocovací jednoty. Také zde platí, že měření průtoků vod proplyněných je v některých případech ovlivněno směsí vody a vzduchu v průtočném profilu průtokoměru. Jediným správným řešením by bylo měření průtoků hmotnostními průtokoměry, ale jejich cena je pro běžné provozy nepřijatelně vysoká. Možnosti odstranění některých chyb jsou v oblasti instalace a validace měřených hodnot. Dodržovat zásady instalace průtokoměrů je důležité pro správnost jejich měření. Zejména v malých šachtách a jinak omezených prostorách je obtížné dodržet požadavky na délku uklidňovacího potrubí před a za průtokoměrem, jeho zavodnění v celém průtočném profilu a odstranění všech zdrojů turbulencí a nerovnoměrného nátoku do průtokoměru. Přesto je důležité využít všech možností pro omezení těchto negativních ovlivnění. V případě uvolněných plynů v průtokoměru měří jak mechanické tak indukční průtokoměry s obdobnou chybou. Měření v proplyněných vodách průtokoměry může být bezchybné pouze za předpokladu, že bude potrubí na výtlaku v tlakovém režimu, plyn bude rozpuštěn v minerální vodě a proudění bude mít laminární charakter. 9

Průtokoměr do sestupné větve proudění Indukční průtokoměr Nejčastější chyby měření průtoků Průtokoměr není instalován v souladu s doporučeními pro instalaci /uklidňující délky před a za průtokoměrem, turbulentní proudění/ Potrubí není zavodněno v celém průtočném profilu Absence indikace zpětného proudění v potrubí (například v případě netěsné zpětné klapky) Potrubí u proplynělých vod není v tlakovém režimu Chybějící odkalovací filtry před vodoměrem u silně zanesených potrubí Absence korekce měřených průtoků v případě výskytu proplynělých vod v tělese průtokoměru 3. Mohu neměřeným údajům věřit..? Pokud nebudu provádět pravidelné kontroly měrného bodu a potřebné kalibrace tak NE. Existují dva hlavní důvody proč tomu tak je: Technika - na měřících sensorech, převodnících se časem projevují chyby dané změnou linearity, strmosti, projevuje se ovlivnění měřených elektrických veličin jinými vlivy Lidský faktor údržba /dodavatelská firma/ provede práce na zdroji a neuvědomí si dopad některých změn na proces měření. To se stává poměrně často. 10

3.1 Kontrola a kalibrace manometrických sond Manometrická sonda může mít chybu linearity, posun nuly případně mohlo dojít ke změně pozice sondy ve vrtu (např. při manipulaci s čerpadlem). Všechny tyto chyby odhalí kontrolní měření elekrokotaktním hladinoměrem. Výstupem kontrolního měření na zdrojích se zakleslou hladinou je hladina od odměrného bodu (OB) a proto je výhodné hladinu v měřicí stanici měřit také jako vzdálenost od odměrného bodu. V řadě případů je záznam v měřicí stanici nastaven na hodnoty v m n. m. a v těchto případech bude nutné kontrolní měření na lokalitě přepočítat a to může být zdrojem chyby v následném nastavení měřicí techniky. Elektrokontaktní hladinoměr s vestavěným teplotním čidlem Kontrolní měření tlaků na zdrojích s přetokem nelze jednoduše provádět, protože standardně používané mechanické manometry budou měřit vždy s menší přesností než instalovaná manometrické sonda. Pro tyto případy je vhodný digitální manometr. Může být instalován trvale na měrném bodě anebo může být také přenosný (obvykle bývá se šroubením M 20 x1,5). Mechanický manometr ukázka chyby měřidla Jednobodová kalibrace digitální manometr nad uzavíracím ventilem 11

Nevýhodou jednobodové kalibrace je provedení kontrolního měření pracovním etalonem při jedné konkrétní situaci. Pokud potřebujeme prověřit manometrickou sondu v jejím celém rozsahu, provádí se kalibrace vícebodová. Hodnoty stanovené přenosným kalibrátorem tlaku se porovnávají s hodnotami měřícího řetězce manometrická sonda vyhodnocovací jednotka. Jedině takto se podaří odhalit chybu změny rozpětí manometrické sondy. 3.2 Kontrola a kalibrace teplotních sond Kontrolní měření teploty vody je potřeba provádět na pozici teplotní sondy ve vrtu. Elektrokontaktním hladinoměr s vestavěným teplotním čidlem se spustí na známou pozici k teplotní sondě a takto se získá kontrolní teplota pro kalibraci teplotní sondy. Tato měřicí technika nebývá standardní výbavou balneotechnika, a proto je možné pouze orientačně měřit teplotu vody na potrubí například z výpustného ventilu pro odběr vzorků. Tato teplota v řadě případů nebude souhlasit se skutečnou teplotou v místě teplotní sondy a neměla by se používat pro kalibraci teplotní sondy ve vrtu. 3.3 Kontrola a kalibrace průtokoměrů Tam, kde je potrubí v tlakovém režimu, provádí se kontrola stavu potrubí (zanesení) a průtokoměr je instalován v souladu s podmínkami instalace, tak průtokoměr jako stanovené měřidlo měří s odchylkou menší jak 5%. V případech, kdy z technických důvodů bude již plyn v místě průtokoměru uvolněn, bude měření zatíženo nesystematickou chybou, která se v různých režimech čerpání může měnit. Kontrolní měření průtoků se obvykle provádí pomocí objemového měření do nádoby. Téměř ve všech případech nejsou ale na měrném bodě vytvořeny podmínky pro otevření potrubí na výtlaku s možností umístění měrné nádoby (obvykle dojde ke změně tlakových poměrů a turbulence vody v potrubí a měrném profilu) a kontrolní měření je tak znehodnoceno. Případy se musí řešit podle možností konkrétní lokality a také typu minerální vody. V některých případech je možné ověřit správnost měření průtoků objemovým měřením až při nátoku vody do akumulace případně dílčí akumulace, u proplynělých jodobromových vod je umožněno měření průtoků za nádržemi s odplyněním. Výsledky z objemových měření jsou podkladem pro přepočet hodnot průtokoměru na verifikované hodnoty. 12

water level [MASL] volumetric flow rate [l.s -1 ] 4. Autorizace měřených dat Můžeme přímo exportovat načtená data z vyhodnocovací jednotky do databáze MZ ČIL případně je použít pro jiná další zpracování? Ano, ale pouze v jednom případě, a to když kontrolní odečty nezávislými měřidly souhlasí s měřenými hodnotami automatického měřicího systému. V opačném případě musíme provést autorizaci měřených dat na základě výsledků měření pracovními etalony. Jak bylo uvedeno v předcházejícím textu, kontrolní měřidla a postupy musí být zcela nezávislé na kontrolované měřicí technice. Praktický příklad: Údržba provedla práce na čerpadle, po výměně čerpadla nespustila hladinovou sondu na původní pozici. Při kontrolním nezávislém měření byla zjištěna odchylka mezi hodnotou ručně měřenou a hodnotou zaznamenanou měřicím přístrojem. 250,00 249,50 249,00 248,50 5,00 4,50 4,00 3,50 248,00 247,50 247,00 246,50 246,00 245,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 245,00 0,00 11.8. 12.8. 13.8. 14.8. 15.8. 16.8. 17.8. 18.8. 19.8. 20.8. 21.8. 22.8. 23.8. 24.8. water level volumetric flow rate 13

water level [MASL] volumetric flow rate [l.s -1 ] Balneotechnik spustil sondu na požadovanou pozici a provedl korekci naměřených dat formou ofsetu po dobu chyby měření 250,00 249,50 249,00 248,50 5,00 4,50 4,00 3,50 248,00 247,50 247,00 246,50 246,00 245,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 245,00 0,00 11.8. 12.8. 13.8. 14.8. 15.8. 16.8. 17.8. 18.8. 19.8. 20.8. 21.8. 22.8. 23.8. 24.8. water level volumetric flow rate Takto autorizovaná data lze exportovat do databáze MZ ČIL a tato data jsou vhodná pro další použití v dalších nadstavbových zpracováních. 14

5. Závěr Kontinuální monitoring v dnešní podobě začal být součástí povolení k využívání zdrojů minerálních vod před více jak deseti lety. Za tu dobu se zásadně změnil, rozšířil a v řadě případů by byl provoz technologie čerpání a transportu MV bez tohoto monitoringu již nemyslitelný. Jedním z cílů příspěvku bylo seznámení s rozšířenými možnostmi využití automatických měřicích systémů na zdrojích minerálních vod a technologii transportu minerální vody. Toto pojetí monitoringu vysoce přesahuje základní požadavky dané povolením a poskytuje řadu nadstavbových funkcí. Dalším cílem příspěvku byl apel na to, že automatické měřící systémy nemusí automaticky měřit správně. Proto je důležitá kontrola a kalibrace měřících systémů a s tím také souvisí autorizace měřených dat importovaných do databáze MZ ČIL. Při vykonávání funkce odborného dohledu mají aktuální měření s dálkovým přenosem dat zásadní význam a jsou základním prvkem pro optimalizaci řízení čerpání, zabezpečení kvality a kvantity minerálních vod ve zdrojích a výtěžku. Ing. Tomáš Kocman tel.: 607 786 247 tkocman@asdm.cz www.asdm.cz 15