ПОПУЛЯРНО О ПРИБОРАХ УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

1. Общие сведения о приборах учета тепловой энергии и теплоносителя

 По данным Госкомстата Украины, в теплоэнергетике на предприятиях всех форм собственности и ведомственной подчиненности эксплуатируются свыше 26 тыс. котельных. Для измерения количества теплоты, отпускаемой котельной, на некоторых из агрегатов применяются самопишущие дифманометры и термометры с ручной обработкой диаграмм и расчетом количества теплоты, а на большинстве вообще не ведется учет отпущенной теплоты с помощью средств измерительной техники (СИТ). Количество теплоты, потребляемой конечными потребителями, также практически не учитываются из-за того, что они не оснащены средствами учета. Погрешность измерения количества теплоты, там где она измеряется, при этом достигает 10 %, а потери теплоты - более 35 %. В целом по Украине, согласно экспертным оценкам, убытки от погрешности измерений теплоты всего лишь на 1 % составляют около 100 млн. грн в год.

Теплосчетчик (ТС) состоит из двух основных функционально самостоятельных частей (рис. 1): тепловычислителя (ТВ) и датчиков (расхода, температуры и давления теплоносителя).

 Рис. 1 Состав теплосчетчика

 Тепловычислитель - это специализированное микропроцессорное устройство, предназначенное для обработки сигналов от датчиков, преобразования их в цифровую форму, вычисления количества тепловой энергии в соответствии с принятым алгоритмом, индикации и хранения параметров теплопотребления (рис. 2).

Датчики расхода - наиболее важный элемент ТС в смысле влияния на его технические и потребительские характеристики. Именно датчик расхода определяет качество ТС.

В качестве датчика расхода могут применяться либо функционально завершенное самостоятельное устройство - преобразователь расхода (ПР), либо первичный преобразователь расхода (ППР), способный функционировать только совместно с ТВ конкретного типа.

 Рис. 2  Функции, выполняемые тепловычислителем

 В первом случае преобразователь расхода формирует унифицированный выходной сигнал, который может обрабатываться различными ТВ, входы которых согласованы с выходными сигналами преобразователя расхода. Такой комплектацией теплосчетчика в определенной степени обеспечивается унификация приборов учета тепла. Преобразователь расхода состоит из первичного и вторичного преобразователей расхода. Вторичный преобразователь расхода (ВПР) - это электронный блок, который может быть конструктивно объединен с ППР, а может иметь раздельное исполнение. В некоторых случаях ВПР является функциональной частью ТВ, причем ВПР и ТВ монтируются в одном корпусе, а иногда на одной плате.

Существуют различные способы измерения расхода теплоносителя, например: электромагнитный, ультразвуковой, вихревой и прочие. Отсюда принято кратко называть теплосчетчик электромагнитным, ультразвуковым, вихревым и т.д.

В подавляющем большинстве теплосчетчиков выполняется измерение объемного расхода теплоносителя и последующее вычисление массового расхода на основании данных о температуре и плотности (температура измеряется, плотность вычисляется).

Датчики температуры не имеют сколько-нибудь существенных особенностей, нуждающихся в специальном обсуждении. Обычно в качестве датчиков температуры в составе теплосчетчика применяют подобранные по метрологическим характеристикам пары термосопротивлений, которые подключаются к ТВ по двух-, трех- или четырехпроводной схеме. ТВ выполняет измерение величины активного сопротивления термосопротивления, компенсацию погрешностей, вносимых линиями связи, и вычисление температуры теплоносителя.

Датчики давления (ДД) также в незначительной степени влияют на технические и потребительские свойства теплосчетчика (тем более, что для большинства практически важных случаев применения ТС использование ДД необязательно; обязательной является регистрация давления только на источниках тепловой энергии и у потребителей с открытой системой теплопотребления).  Обычно ДД имеют унифицированный токовый выход 4..20, 0..20 или 0..5 мА, а ТВ - согласованный с ним вход.

Зачастую  в  ТВ не предусмотрена возможность подключения ДД. Если такая возможность существует,  то для питания ДД может потребоваться дополнительный источник напряжения (если он не встроен в ТВ).

Температура и давление теплоносителя являются исходными параметрами для определения его удельной энтальпии.

В последнее время все чаще ощущается потребность в регистрации фактического давления в системе с целью контроля параметров теплопотребления и разрешения споров с теплоснабжающей организацией.

 2.  Датчики расхода теплоносителя

 Для измерения расхода теплоносителя наиболее широкое распространение получили датчики расхода с сужающими устройствами, ультразвуковые, электромагнитные, вихревые и тахометрические датчики расхода.

Датчики расхода с сужающими устройствами или датчики расхода переменного перепада давления используют зависимость перепада давления на сужающем устройстве, установленном в трубопроводе, от расхода.

Эти расходомеры обладают рядом достоинств, основными из которых являются: высокая надежность измерений и низкая зависимость качества измерений от физико-химических свойств измеряемой жидкости. Однако, эти приборы имеют и недостатки, например, такие как: узкий динамический диапазон, нелинейность характеристик, высокое гидравлическое сопротивление, оказываемое потоку жидкости первичным преобразователем, необходимость демонтажа для ежегодной поверки, сложность эксплуатации, сложный монтаж, требуемые длинные прямые участки (трубопровода до и после места установки ППР). Эти недостатки затрудняют применение данных приборов, и становятся очевидными в сравнении с преимуществами, создаваемыми применением современных приборов других типов. Датчики данного типа в составе теплосчетчиков вытесняются  другими видами датчиков расхода.

Принцип действия ультразвуковых датчиков расхода основан на излучении и приеме ультразвукового сигнала и измерении разности времени его распространения по потоку жидкости и против него. Измеренная разность времени распространения сигнала пропорциональна средней скорости потока жидкости и ее расходу. Некоторые ультразвуковые счетчики воды имеют портативные переносные модификации, позволяющие проводить оперативные измерения на различных трубопроводах и получать общую информацию о потреблении и распределении теплоносителя.

Ультразвуковые датчики расхода обладают следующими преимуществами: не создают гидравлического сопротивления потоку среды, обеспечивают сравнительно широкий динамический диапазон и высокую линейность измерений, имеют высокую точность и надежность, могут поверяться герметичными (имитационными) методами без демонтажа с трубопровода.

Для ультразвуковых расходомеров необходимы  длинные прямые участки трубопроводов, проведение высокоточных линейных измерений при монтаже. Для них характерна чувствительность к «завоздушиванию» среды, чувствительность к состоянию внутренней поверхности трубопровода (если применяются накладные датчики расхода).

Появление многолучевых ультразвуковых расходомеров позволило сократить длины прямых участков в несколько раз. Применение измерительных участков, изготовленных в заводских условиях, исключает необходимость выполнения высокоточных линейных измерений непосредственно на трубопроводе. Возможность выбора между врезными и накладными датчиками позволяет учесть состояние внутренней поверхности трубопровода.

Ультразвуковые расходомеры для трубопроводов небольших диаметров, как правило, изготавливаются с измерительными участками, на которых установлены врезные ППР.

Поверка ультразвуковых расходомеров может выполняться имитационным или проливным методами.

Для измерения расхода в трубопроводах большого диаметра (обычных для источников тепловой энергии) следует отдавать предпочтение многолучевым и многоканальным расходомерам, в которых предусмотрена компенсация температурного влияния на скорость ультразвука, возможность применения как накладных, так и врезных датчиков; которые укомплектованы готовыми измерительными участками, имеют максимальное допустимое расстояние между ППР и вычислительным блоком расходомера, работоспособны при температуре теплоносителя до 180 ⁰С.

Принцип действия электромагнитных датчиков расхода основан на явлении электромагнитной индукции. При прохождении электропроводящей жидкости через импульсное магнитное поле в ней наводится электродвижущая сила, пропорциональная средней скорости потока жидкости и ее расходу. Как ультразвуковые, так и электромагнитные датчики расхода при измерении не оказывают влияния на измеряемый поток, поскольку не создают препятствий течению теплоносителя.

Электромагнитные расходомеры:

Электромагнитные расходомеры, в основном, применяются на трубопроводах небольшого диаметра (до Ду300).

Вихревой метод измерения расхода основан на измерении частоты отрыва вихрей (вихревая «дорожка Кармана»), возникающей  при обтекании потоком жидкости погруженного в нее тела. Частота отрыва вихрей пропорциональна средней скорости потока, а амплитуда колебаний давления - пропорциональна квадрату средней скорости (скоростному напору). Измерение частоты может выполняться при помощи ультразвуковых или электромагнитных датчиков, датчиков давления. Вихревой метод применяется также для измерения расхода пара и газовых сред.

Для вихревых расходомеров характерны следующие положительные особенности: они малочувствительны к физико-химическим свойствам жидкости, одинаково удобны для выполнения измерений на трубопроводах малых и больших диаметров, обеспечивают хорошую точность измерений и быстродействие.

Для трубопроводов малых диаметров вихревые расходомеры обычно конструктивно выполняются вместе с измерительным участком. Для трубопроводов большого диаметра применяются расходомеры погружного типа (тело обтекания размещается по оси потока на специальной штанге). Характеристики расходомеров недостаточно стабильны, динамический диапазон недостаточно широк (соизмерим с динамическим диапазоном ультразвуковых расходомеров и в несколько раз меньше динамического диапазона электромагнитных расходомеров), требуемые прямые участки довольно велики - (10..20 Ду).

Тахометрические датчики расхода используют зависимость частоты вращения тела, установленного в трубопроводе (крыльчатки, ось которой перпендикулярна оси трубопровода, или турбинки, ось которой совпадает с осью трубопровода), от скорости движения теплоносителя или от его объема. Этот метод измерения получил широкое распространение за рубежом для коммерческих расчетов.

Такие расходомеры обеспечивают высокие точность измерений и чувствительность, малоинерционны, слабочувствительны к физико-химическим свойствам жидкости, не требуют длинных прямых участков (4..5 Ду). До недавнего времени их неоспоримым и решающим достоинством была относительно невысокая цена.

Вместе с тем, тахометрические расходомеры быстро загрязняются и выходят из строя, имеют трущиеся механические части, узкий динамический диапазон, создают значительное гидравлическое сопротивление, которое увеличивается из-за обязательной установки фильтра. В связи с уменьшением цен на электромагнитные приборы ценовая привлекательность турбинных расходомеров перестала быть решающей.

Преобразователи температуры, используемые в составе теплосчетчиков, чаще всего представляют собой платиновые термометры сопротивления. Их устанавливают в подающий и обратный трубопроводы, а на источнике теплоты  также и в трубопровод подпиточной воды.

Исходя из целей и задач, решаемых теплосчетчиками, они должны обладать следующими свойствами: легитимностью; системностью; надежностью; технологичностью; простотой и экономичностью эксплуатации.

Под легитимностью понимают соответствие свойств теплосчетчиков требованиям существующей нормативно-технической документации.

Под системностью понимают возможность при помощи одного типа приборов обеспечить учет, как на источниках тепла, так и у потребителей и возможность интеграции в автоматизированные системы сбора, накопления, обработки и отображения информации, а также управления потреблением тепла.

Учет тепловой энергии у потребителей и на источниках тепла, организованный с использованием приборов одного типа позволяет уменьшать или исключать методические погрешности метода измерения и аппаратурные погрешности используемых приборов.

Источники тепла подают в тепловые сети теплоноситель по трубопроводам, как правило, диаметром 400¸1200 мм. Потребители получают теплоноситель, как правило, по трубопроводам диаметром от 50 до 400 мм.

Возможность интеграции теплосчетчика в автоматизированные системы определяется, с одной стороны, технической возможностью считывания информации из оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) теплосчетчика в ЭВМ и, с другой стороны, наличием специального сертифицированного программного обеспечения, позволяющего реализовать подобный обмен информацией. Часто очень полезным может оказаться наличие у теплосчетчика дополнительных унифицированных выходов, дублирующих, например, каналы измерения расходов. В этом случае оказывается возможной простая интеграция теплосчетчика в существующую автоматизированную систему, построенную на базе какого-либо контроллера.

Надежность, как свойство теплосчетчика, проявляется в процессе его эксплуатации и определяется надежностью входящих в его состав элементов. Основным элементом, надежность которого фактически определяет надежность теплосчетчика в целом, является расходомер. Свойства расходомеров, используемых для измерения расхода теплоносителя, подробно проанализированы выше. Отметим только, что надежность работы теплосчетчика во многом зависит от качества монтажа и соблюдения правил эксплуатации теплосчетчика.

Технологичность монтажа теплосчетчика определяется свободой выбора метода и конкретного места его монтажа, а также затратами на монтаж.

Свобода выбора места монтажа теплосчетчика определяется ограничениями, накладываемыми на длину «прямых» участков трубопровода до первичных преобразователей и после них, а также допускаемыми длинами линий связи между датчиками и ТВ.

Затраты на эксплуатацию теплосчетчиков определяются периодичностью и содержанием работ по их обслуживанию и периодической поверке. Наибольшая продолжительность межповерочного периода для современных теплосчетчиков составляет 3÷5 лет.

По содержанию периодической поверки преимущество имеют теплосчетчики,  для которых существует утвержденная методика поверки имитационным методом.

В Государственный реестр средств измерительной техники, после государственных испытания внесены и допущены к применению в Украине 290 типов теплосчетчиков и счетчиков холодной и горячей воды, среди которых 112 - изделия отечественного производства. Информация о них является доступной обычному потребителю: Укрметртестстандартом разработана и эффективно эксплуатируется информационно-справочная система «Засоби обліку теплоти», предназначенная для введения, хранения и оперативного получения полной информации о номенклатуре, технических характеристиках СИТ и узлов учета, потребителях, условиях измерения, датах проведения метрологических аттестаций и поверок и т.п.

Основным документом, в котором сформулированы требования к теплосчетчикам, является ДСТУ 3339-96 «Теплосчетчики. Общие технические требования».

Среди выпускаемых перспективных теплосчетчиков можно, например, назвать следующие: Днепр-Теплоком (Днепр-Украина, Харьков), Сич (Джерело-Ют, Запорожье), ЕРА (Энергоресурс-инвест, Львов), Суперком-01-SK3 (Техприлад, Киев), Ultraheat (Энергоприлад, Запорожье), СF Combi (Шлюмберже Укргаз метерс компани, Киев), СТЭМО-2, СТЭМО-2М (Лукьяненко СПД, Харьков), PolluCom E (Водомер, Харьков), SharkyHeat 773 (Антап Украина, Киев), F90 (Искер-Днепр, Днепропетровск), ФОРТ-04, ТЭРМ-02 (Термо-Форт, Киев).

3. Выбор теплосчетчика

 Этот вопрос решается по-своему теплоснабжающей организацией (продавцом и перепродавцом тепловой энергии) и потребителем тепла.

При выборе теплосчетчиков для узлов учета на источниках тепловой энергии можно рекомендовать следующую последовательность действий:

1.    Выбрать производителя теплосчетчика:

-     производитель должен иметь хорошую репутацию, достаточно продолжительное время работы на рынке теплосчетчиков, иметь хорошо оснащенное современное серийное производство, желательно чтобы он самостоятельно производил и тепловычислители, и расходомеры; следует избегать производителей, имеющих несертифицированное производство; косвенным внешним признаком уровня производства могут быть эргономические и эстетические свойства выпускаемых приборов (применение уникальных корпусов, окраски, качество обработки материалов и проч.);

-     производитель должен иметь не очень удаленные от места установки приборов дилерские и сервисные центры, выполняющие не только ремонт приборов, но и организующие их поверку (не обязательно на собственных установках) и обучение обслуживающего персонала;

-     иногда потребности приборного учета могут быть удовлетворены приборами, основанными на различных методах измерения (например, ультразвуковые или вихревые теплосчетчики - для трубопроводов большого диаметра, электромагнитные расходомеры - для технологического учета на трубопроводах малого диаметра). В этом случае удобно (но необязательно), чтобы один производитель самостоятельно выпускал всю требуемую номенклатуру приборов;

-     целесообразно работать с производителем, готовым предоставить всю техническую информацию о приборе, которая может понадобиться при установке и эксплуатации прибора. Например, при интеграции теплосчетчика в АСУ и диспетчеризации.

2.    Оценить потребительские качества приборов (сложность монтажа, надежность, удобство эксплуатации) на основе анализа технической документации, отзывов организаций, где эти приборы установлены, в результате пробных испытаний, выполненных самостоятельно. Обратить особое внимание на периодичность поверки и метода ее проведения (иммитационный или проливной).

3.    Оценить технические характеристики теплосчетчиков:

-     метрологические характеристики, динамический диапазон. Следует иметь в виду, что интерес представляет динамический диапазон прибора, в котором обеспечивается выполнение требований к метрологическим характеристикам теплосчетчика как коммерческого прибора;

-     требования к длинам прямых участков;

-     предельные значения параметров теплоносителя, при которых теплосчетчик нормально функционирует;

-     стойкость элементов теплосчетчика (датчиков, тепловычислителя) к действию окружающей среды;

-     ограничения на длины линий связи;

-     реализуемые алгоритмы вычисления тепловой энергии, напрямую связанные с числом каналов измерения параметров теплоносителя;

-     наличие интерфейсов, унифицированных выходов, позволяющих интегрировать прибор в существующую АСУ;

-     наличие специального сертифицированного программного обеспечения, позволяющего решить последнюю задачу;

4.      Выполнить оценку экономических затрат на приобретение и установку прибора.

Потребителю тепловой энергии  также можно рекомендовать выполнить предложенную выше последовательность действий при решении задачи выбора теплосчетчика. Однако при этом следует иметь в виду существенное значение рекомендаций теплоснабжающей организации, а также необходимость переоценки значимости свойств теплосчетчика.

Для потребителя решающее значение при выборе имеют цена, продолжительность межповерочного интервала, наличие условий для поверки, простота эксплуатации и обслуживания, надежность прибора, удобство съема информации.

Из технических характеристик (при условии легитимности прибора) для потребителя тепловой энергии наиболее значимыми являются: динамический диапазон (для исключения ошибки при выборе типоразмера дорогостоящего прибора, а также для обеспечения работоспособности теплосчетчика при «летних» и «зимних» тепловых нагрузках); надежность; простота эксплуатации; сохранение работоспособности прибора при наименьшей разнице температур в подающем и обратном трубопроводах; удобство съема информации; требуемая длина прямых участков (для того, чтобы можно было установить измерительные участки без дополнительной реконструкции теплового пункта); цена прибора и затраты на его установку.

 По материалам "Практического пособия  по єнергосбережению 

для объектов промышленности, строительства и ЖКХ"