ПОПУЛЯРНО ПРО ПРИЛАДИ ОБЛІКУ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ

1. Загальні відомості про прилади обліку теплової енергії і теплоносія

 За даними Держкомстату України, в теплоенергетиці на підприємствах усіх форм власності і відомчої підпорядкованості експлуатуються понад 26 тис. котелень. Для вимірювання кількості теплоти, яка відпускається котельнею, на деяких з цих агрегатів застосовуються самописні дифманометри і термометри з ручним обробленням діаграм і розрахунком кількості теплоти, а на більшості взагалі не проводиться облік відпущеної теплоти за допомогою засобів вимірювальної техніки (ЗВТ). Похибка вимірювання кількості теплоти при цьому сягає 10%, а втрати теплоти - понад 35%. В цілому по Україні, за експертними оцінками, збитки через похибку вимірювань теплоти лише на 1% становлять приблизно 100 млн грн на рік.

Теплолічильники (ТЛ) складаються з двох основних функціонально самостійних частин (рис. 1): теплообчислювача (ТО) і датчиків (витрати, температури і тиску теплоносія).

Рис. 1. Склад теплолічильника

 Теплообчислювач - це спеціалізований мікропроцесорний пристрій, призначений для оброблення сигналів від датчиків, перетворення їх в цифрову форму, обчислення кількості теплової енергії відповідно до прийнятого алгоритму, індикації і зберігання  в енергонезалежній пам'яті приладу параметрів теплоспоживання (рис. 2).

Датчики витрати - найбільш важливий елемент ТЛ в сенсі впливу на його технічні та споживчі характеристики. Саме датчик витрати визначає якість ТЛ.

В якості датчика витрати можуть застосовуватися функціонально завершений самостійний пристрій, для якого прийнято узагальнену назву - перетворювач витрати (ПВ), або первинний перетворювач витрати (ППВ), здатний функціонувати лише спільно з ТО конкретного типу.

 Рис. 2. Функції, які виконуються теплообчислювачем

 У першому випадку датчик витрати формує уніфікований вихідний сигнал, який може оброблятися різними ТО, чиї входи узгоджені з вихідними сигналами датчика витрати. Такою комплектацією теплолічильника певною мірою забезпечується уніфікація приладів обліку тепла.

Перетворювач витрати складається з первинного та вторинного перетворювачів витрати. Вторинний перетворювач витрати (ВПВ) - це електронний блок, який може бути конструктивно поєднаний з ППВ, а може мати роздільне виконання. У деяких випадках ВПВ є функціональною частиною ТО, причому ВПВ і ТО монтуються в одному корпусі, а іноді й на одній платі.

Існують різні способи вимірювання витрати теплоносія, наприклад: електромагнітний, ультразвуковий, вихровий та ін. За способом вимірювання витрати, реалізованим у теплолічильнику, прийнято коротко називати теплолічильник електромагнітним, ультразвуковим, вихровим і т.ін.

У переважній більшості теплолічильників виконується вимірювання об'ємної витрати теплоносія і подальше обчислення масової витрати на основі даних про температуру і густину (температура вимірюється, густина обчислюється).

Датчики температури не мають будь-яких істотних особливостей, які потребують спеціального обговорення. Зазвичай в якості датчиків температури в складі теплолічильника застосовують підібрані за метрологічними характеристиками пари терморезисторів, які підключаються до ТО за дво-, три- або чотирипровідною схемою. ТО виконує вимірювання величини активного опору, терморезистора, компенсацію похибок, внесених лініями зв'язку, і обчислення температури теплоносія.

Датчики тиску (ДТ) також незначною мірою впливають на технічні та споживчі властивості теплолічильника. Зазвичай ДТ мають уніфікований струмовий вихід 4 .. 20, 0 .. 20 або 0 .. 5 мА, а ТО - узгоджений з ним вхід.

Часто в ТО не передбачена можливість підімкнення ДТ. Якщо така можливість існує, для живлення ДТ може знадобитися додаткове джерело напруги (якщо він не вбудований у ТО).

Температура і тиск теплоносія є вихідними параметрами для визначення його питомої ентальпії.

Останнім часом все частіше відчувається потреба в реєстрації фактичного тиску в системі з метою контролю параметрів теплоспоживання та вирішення суперечок з теплопостачальною організацією.

Номенклатура теплолічильників, допущених до застосування в комерційних вузлах обліку теплової енергії, дуже широка (сотні найменувань приладів вітчизняного та імпортного виробництва).

 2.  Датчики витрати теплоносія

 Для вимірювання витрати теплоносія найбільшого поширення набули датчики витрати зі звужуючими пристроями, ультразвукові, електромагнітні, вихрові і тахометричні датчики витрати.

Датчики витрати із звужуючими пристроями або датчики витрати змінного перепаду тиску використовують залежність перепаду тиску на звужуючому пристрої, встановленому в трубопроводі, від витрати.

Ці витратоміри мають ряд переваг, основними з яких є: висока надійність вимірювань і низька залежність якості вимірювань від фізико-хімічних властивостей вимірюваної рідини. Проте ці прилади мають і недоліки, наприклад, вузький динамічний діапазон, нелінійність характеристик, високий гідравлічний опір, що надається потоку рідини первинним перетворювачем, необхідність демонтажу для щорічної перевірки, складність експлуатації, складний монтаж, необхідні довгі прямі ділянки трубопроводу до і після місця установлення ППВ. Ці недоліки утруднюють застосування даних приладів і стають очевидними порівняно з перевагами, що створюються застосуванням сучасних приладів інших типів.Датчики даного типу у складі теплолічильників витісняються іншими видами датчиків витрати.

Принцип дії ультразвукових датчиків витрати заснований на випромінюванні і прийманні ультразвукового сигналу та вимірюванні різниці часу його поширення по потоку рідини і проти нього. Виміряна різниця часу поширення сигналу пропорційна середній швидкості потоку рідини та її витраті. Деякі ультразвукові водолічильники мають портативні переносні модифікації, які дозволяють проводити оперативні вимірювання на різних трубопроводах і отримувати загальну інформацію про споживання і розподіл теплоносія.

Ультразвукові датчики витрати мають такі переваги: не створюють гідравлічного опору потоку середовища, забезпечують порівняно широкий динамічний діапазон і високу лінійність вимірювань, мають високу точність і надійність, можуть повірятися безпроливними (імітаційними) методами без демонтажу з трубопроводу.

Для ультразвукових витратомірів характерні необхідні довгі прямі ділянки, необхідність виконання високоточних лінійних вимірювань при монтажі, чутливість до «заповітрювання» середовища, стану внутрішньої поверхні трубопроводу (якщо застосовуються накладні датчики витрати).

Поява багатопроменевих ультразвукових витратомірів дозволила скоротити довжини прямих ділянок у декілька разів. Застосування вимірювальних ділянок, виготовлених в заводських умовах, виключає необхідність виконання високоточних лінійних вимірювань безпосередньо на трубопроводі, можливість вибору між врізними і накладними датчиками дозволяє врахувати стан внутрішньої поверхні трубопроводу.

Ультразвукові витратоміри для трубопроводів невеликих діаметрів, як правило, виготовляються з вимірювальними ділянками, на яких встановлені врізні ППВ.

Повірка ультразвукових витратомірів може виконуватися імітаційним або проливним методами.

Для вимірювання витрати в трубопроводах великого діаметру (звичайних для джерел теплової енергії) слід віддавати перевагу багатопроменевим і багатоканальним витратомірам, в яких передбачена компенсація температурного впливу на швидкість ультразвуку, можливість застосування як накладних, так і врізних датчиків; які укомплектовані готовими вимірювальними ділянками, мають максимальну допустиму відстань між ППВ і обчислювальним блоком витратоміра, працездатні при температурі теплоносія до 180⁰С; ППВ добре захищені від дії навколишнього середовища.

Принцип дії електромагнітних датчиків витрати заснований на явищі електромагнітної індукції. При проходженні електропровідної рідини через імпульсне магнітне поле в ній наводиться електрорушійна сила, пропорційна середній швидкості потоку рідини і її витраті. Як ультразвукові, так і електромагнітні датчики витрати при вимірюванні не спричиняють впливу на вимірюваний потік, оскільки не створюють перешкод перебігу теплоносія.

Електромагнітні витратоміри забезпечують високу точність вимірювань (часто застосовуються як зразкові прилади), практично нечутливі до забруднення і фізико-хімічних властивостей рідини (єдине обмеження для сучасних приладів - рідина повинна бути електропровідною, з питомою провідністю не менше 10^-5 Ом/м), мають широкий динамічний діапазон (до 200) і здатні вимірювати дуже малі витрати, створюють мінімальний гідравлічний опір потоку, нечутливі до осесиметричних змін профілю розподілу швидкостей потоку, мають високу швидкодію, не вимагають довгих прямих  ділянок до і після місця установки приладу: (4÷8 Ду).

Електромагнітні витратоміри, в основному, застосовуються на трубопроводах невеликого діаметру (до Ду 300).

Вихровий метод вимірювання витрати заснований на вимірюванні частоти відриву вихорів (вихрова «доріжка Кармана»), що виникають при обтіканні потоком рідини зануреного в неї тіла обтікання. Частота відриву вихорів пропорційна середній швидкості потоку, а амплітуда коливань тиску - квадрату середньої швидкості (швидкісному натиску). Вимірювання частоти може виконуватися за допомогою ультразвукових або електромагнітних датчиків, датчиків тиску. Вихровий метод застосовується також для вимірювання витрати пари і газових середовищ.

Для вихрових витратомірів характерні такі позитивні особливості: вони малочутливі до фізико-хімічних властивостей рідини, однаково зручні для виконання вимірювань на трубопроводах малих і великих діаметрів, забезпечують високу точність вимірювань і швидкодію.

Для трубопроводів малих діаметрів вихрові витратоміри зазвичай конструктивно виконуються разом з вимірювальною ділянкою. Для трубопроводів великого діаметру застосовуються витратоміри занурюваного типу (тіло обтікання розміщується по осі потоку на спеціальній штанзі).

Характеристики витратомірів недостатньо стабільні, динамічний діапазон недостатньо широкий (порівняно з динамічним діапазоном ультразвукових витратомірів і у декілька разів менше динамічного діапазону електромагнітних витратомірів), необхідні прямі ділянки досить великі - (10..20 Ду).

Тахометричні датчики витрати використовують залежність частоти обертання тіла, встановленого в трубопроводі (крильчатки, вісь якої перпендикулярна осі трубопроводу, або турбіни, вісь якої співпадає з віссю трубопроводу), від швидкості руху теплоносія або від його об'єму. Цей метод вимірювання набув великого поширення за кордоном для комерційних розрахунків.

Такі витратоміри забезпечують високі точність вимірювань і чутливість, малоінерційні, слабочутливі до фізико-хімічних властивостей рідини, не вимагають довгих прямих ділянок (4..5 Ду). До недавнього часу їх незаперечною і вирішальною перевагою була відносно невисока ціна.

Разом з тим, турбінні витратоміри швидко забруднюються і виходять з ладу, мають механічні частини, що труться, вузький динамічний діапазон, створюють значний гідравлічний опір, який збільшується через обов'язкове установлення фільтру. У зв'язку із зменшенням цін на електромагнітні прилади цінова привабливість турбінних витратомірів перестала бути вирішальною.

Перетворювачі температури, використовувані у складі теплолічильників, найчастіше є платиновими термометрами опору. Їх встановлюють у подаючий та зворотний трубопроводи, а на джерелі теплоти - також і в трубопровід холодної води, використовуваної для підживлення системи теплопостачання. Виміряні значення температури і різниці температур в трубопроводах по лініях зв'язку передаються на теплообчислювач. Останній, використовуючи закладені в його пам'ять константи, на основі значень температури, а також тиску, розраховує значення ентальпії.

Виходячи з цілей і завдань, вирішуваних теплолічильниками, вони повинні мати такі властивості: легітимність; системність; надійність; технологічність; простоту і економічність експлуатації.

Під легітимністю розуміють відповідність властивостей теплолічильників вимогам існуючої нормативно-технічної документації.

Під системністю розуміють можливість за допомогою одного типу приладів забезпечити облік, як на джерелах тепла, так і у споживачів і можливість інтеграції в автоматизовані системи збирання, накопичення, оброблення й відображення інформації, а також управління споживанням тепла.

Облік теплової енергії у споживачів і на джерелах тепла, організований з використанням приладів одного типу дозволяє зменшувати або виключати методичні похибки методу вимірювання і апаратурні похибки використовуваних приладів.

Джерела тепла подають в теплові мережі теплоносій по трубопроводах, як правило, діаметром 400¸1200 мм. Споживачі отримують теплоносій, як правило, по трубопроводах діаметром від 50 до 400 мм.

Можливість інтеграції теплолічильника в автоматизовані системи визначається, з одного боку, технічною можливістю прочитування інформації з пристрою  теплолічильника, що оперативно запам'ятовує (ОЗУ), в ЕОМ і, з іншого боку, наявністю спеціального сертифікованого програмного забезпечення, що дозволяє реалізувати подібний обмін інформацією. Часто дуже корисною може бути наявність у теплолічильника додаткових уніфікованих виходів, дублюючих, наприклад, канали вимірювання витрат. В цьому випадку виявляється можливою проста інтеграція теплолічильника в існуючу автоматизовану систему, побудовану на базі якого-небудь контролера.

Надійність як властивість теплолічильника виявляється в процесі його експлуатації і визначається надійністю його елементів. Основним елементом, надійність якого фактично визначає надійність теплолічильника в цілому, є витратомір. Властивості витратомірів, використовуваних для вимірювання витрати теплоносія, детально проаналізовані вище. Надійність роботи теплолічильника багато в чому залежить від якості монтажу і дотримання правил експлуатації теплолічильника.

Технологічність монтажу теплолічильника визначається свободою вибору методу і конкретного місця його монтажу, а також витратами на монтаж.

Свобода вибору місця монтажу теплолічильника визначається обмеженнями, які накладаються на довжину «прямих» ділянок трубопроводу до первинних перетворювачів і після них, а також припустимими довжинами ліній зв'язку між датчиками і ТО.

Витрати на експлуатацію теплолічильників визначаються періодичністю і змістом робіт по їх обслуговуванню і періодичній перевірці. Найбільша тривалість міжперевірочного періоду для сучасних теплолічильників складає 3¸5 років.

За змістом періодичної повірки перевагу мають теплолічильники, для яких існує затверджена методика повірки імітаційним методом.

До Державного реєстру засобів вимірювальної техніки, після державних випробувань внесено та допущено до застосування в Україні 290 типів теплолічильників та лічильників холодної і гарячої води, серед яких 112 - вироби вітчизняного виробництва. Інформація про них не є таємницею для пересічного споживача: Укрметртестстандартом розроблена та ефективно експлуатується інформаційно-довідкова система «Засоби обліку теплоти», призначена для введення, зберігання і оперативного отримання повної інформації про номенклатуру, технічні характеристики ЗВТ та вузлів обліку, споживачах, умовах вимірювання, датах проведення метрологічних атестацій та повірок тощо.

Основним документом, в якому сформульовані вимоги до теплолічильників, є  ДСТУ 3339-96 «Теплолічильники. Загальні технічні вимоги».

Серед тих перспективних теплолічильників, що випускаються  можна, наприклад, назвати наступні: Днепр-теплоком (Дніпро-Україна, Харків), Сiч (Джерело-Ют, Запоріжжя), ЕРА (Енергоресурс-інвест, Львів), Суперком-01-SK3 (Техприлад, Київ), Ultraheat (Енергоприлад, Запоріжжя), Сf Combi (Шлюмберже Укргаз метерс компані, Київ), СТЕМО-2, СТЕМО-2М (Лукьяненко СПД, Харків), PolluCom E (Водомір, Харків), SharkyHeat 773 (Антап Україна, Київ), F90 (Искер-Днепр, Дніпропетровськ), ФОРТ-04, ТЕРМ-02 (Термо-форт, Київ).

3.  Вибір теплолічильника

При виборі теплолічильників для вузлів обліку на джерелах теплової енергії можна рекомендувати наступну послідовність дій.

1.    Вибрати виробника теплолічильника:

-     виробник повинен мати хорошу репутацію, достатньо тривалий час працювати на ринку теплолічильників, мати добре оснащене сучасне серійне виробництво, бажано щоб він самостійно виготовляв і теплообчислювачі і витратоміри; слід уникати виробників, що мають несертифіковане виробництво; непрямою зовнішньою ознакою рівня виробництва можуть бути ергономічні і естетичні властивості приладів, що випускаються (застосування унікальних корпусів, забарвлення, якість обробки матеріалів та ін.);

-     виробник повинен мати не дуже віддалені від місця установки приладів дилерські і сервісні центри, які виконують не лише ремонт приладів, але й організують їх перевірку (не обов'язково на власних установках) і навчання обслуговуючого персоналу;

-     іноді потреби приладового обліку можуть бути задоволені приладами, заснованими на різних методах вимірювання (наприклад, ультразвукові або вихрові теплолічильники - для трубопроводів великого діаметру, електромагнітні витратоміри - для технологічного обліку на трубопроводах малого діаметру). В цьому випадку зручно (але необов'язково), щоб один виробник самостійно випускав всю необхідну номенклатуру приладів;

-     доцільно працювати з виробником, готовим надати всю технічну інформацію про прилад, яка може знадобитися при установці і експлуатації приладу. Наприклад, при інтеграції теплолічильника в автоматизовану систему обліку і диспетчеризації.

2.    Оцінити споживчі якості приладів (складність монтажу, надійність, зручність експлуатації) на основі аналізу технічної документації, відгуків організацій, де ці прилади встановлені, в результаті пробних випробувань, виконаних самостійно. Звернути особливу увагу на періодичність повірки і методу її проведення (імітаційний або проливний).

3.    Оцінити технічні характеристики теплолічильників:

-     метрологічні характеристики, динамічний діапазон. Слід мати на увазі, що інтерес являє динамічний діапазон приладу, в якому забезпечується виконання вимог до метрологічних характеристик теплолічильника як комерційного приладу;

-     вимоги до довжин прямих ділянок;

-     граничні значення параметрів теплоносія, при яких теплолічильник нормально функціонує;

-     стійкість елементів теплолічильника (датчиків, ТО) до дії навколишнього середовища;

-     обмеження на довжини ліній зв'язку;

-     алгоритми обчислення теплової енергії безпосередньо пов'язані з числом каналів вимірювання параметрів теплоносія;

-     наявність інтерфейсів, уніфікованих виходів, що дозволяють інтегрувати прилад в існуючу систему автоматизованого обліку;

-     наявність спеціального сертифікованого програмного забезпечення, що дозволяє вирішити останню задачу;

4.      Виконати оцінку економічних витрат на придбання і установку приладу.

Споживачеві теплової енергії також можна рекомендувати виконати запропоновану вище послідовність дій при вирішенні задачі вибору теплолічильника. Проте при цьому слід мати на увазі істотне значення рекомендацій теплопостачальної організації, а також необхідність переоцінки властивостей теплолічильника.

Для споживача вирішальне значення при виборі мають ціна, тривалість міжповірочного інтервалу, наявність умов для перевірки, простота експлуатації і обслуговування, надійність приладу, зручність знімання інформації.

З технічних характеристик (підкреслимо ще раз - за умови легітимності приладу) для споживача теплової енергії найбільш важливим є: динамічний діапазон (для виключення помилки при виборі типорозміру приладу, а також для забезпечення працездатності теплолічильника при «літніх» і «зимових» теплових навантаженнях); надійність; простота експлуатації; збереження працездатності приладу при найменшій різниці температур в подаючому і зворотному трубопроводах; зручність знімання інформації; необхідна довжина прямих ділянок (для того, щоб можна було встановити вимірювальні ділянки без додаткової реконструкції теплового пункту); ціна приладу і витрати на його установку.

За матеріалами "Практичного посібника з енергозбереження

для об'єктів промисловості, будівництва та ЖКГ"