Обобщение опыта и анализ возможности использования теплосчетчиков различного типа на трубопроводах большого диаметра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обобщение опыта и анализ возможности использования теплосчетчиков различного типа на трубопроводах большого диаметра

В большинстве случаев на источнике теплоты на трубопроводах большого диаметра (300 - 1400 мм) ведется учет отпускаемой тепловой энергии по приборам, в которых функции расходомера выполняют приборы с сужающими устройствами (датчики перепада давления на диафрагме). Эти расходомеры обладают рядом принципиально неустранимых недостатков, среди которых основные:

трудоемкий демонтаж для проведения периодической проверки;

узкий динамический диапазон;

необходимость наличия прямых участков большой протяженности.

При этом некоторые из узлов не соответствуют правилам учета тепловой энергии и требованиям ГОСТ 8.563.

Эти обстоятельства обуславливают необходимость замены теплосчетчиков такого типа на современные, лишенные указанных недостатков и имеющие более широкие возможности для развития системы диспетчеризации учета.

Требования к приборам учета тепловой энергии на источнике теплоты

На основании пп. 2.1. и 2.3. «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя» (1995 г.) на каждом узле учета тепловой энергии источника теплоты с помощью приборов должны определяться следующие величины в водяных системах теплоснабжения:

- время работы приборов узла учета;

отпущенная тепловая энергия;

масса (или объем) теплоносителя, отпущенного и полученного источником теплоты соответственно по подающему и обратному трубопроводам;

масса (или объем) теплоносителя, расходуемого на подпитку системы теплоснабжения;

тепловая энергия, отпущенная за каждый час;

масса (или объем) теплоносителя, отпущенного по подающему трубопроводу и полученного по обратному трубопроводу за каждый час;

масса (или объем) теплоносителя, расходуемого на подпитку системы теплоснабжения за каждый час;

среднечасовые и среднесуточные значения температур теплоносителя в подающем, обратном и трубопроводе холодной воды, используемой для подпитки;

среднечасовые значения давления теплоносителя в подающем, обратном и трубопроводе холодной воды, используемой для подпитки.

В соответствии с п. 5.2. «Правил», теплосчетчики должны обеспечивать измерение тепловой энергии горячей воды с относительной погрешностью не более:

5% при разности температур между подающим и обратным трубопроводами от 10 до 20°С;

4% при разности температур между подающим и обратным трубопроводами более 20°С.

Обзор существующих приборов

Элементы, определяющие метрологические характеристики теплосчетчика на трубопровода больших диаметров

Как правило, в состав теплосчетчика входят следующие основные элементы: датчики температуры, датчики давления, тепловычислитель, датчики расхода.

Метрологические характеристики датчиков температуры, которыми комплектуются теплосчетчики, уверенно обеспечивают их заданные метрологические характеристики. Эксплуатационные характеристики датчиков температуры приблизительно одинаковы и поэтому здесь рассматриваться не будут.

Современные датчики давления с унифицированным токовым выходным сигналом в большинстве случаев также обеспечивают необходимые метрологические характеристики теплосчетчика. Опыт применения нашей организацией датчиков давления различных типов показал, что причиной выхода из строя датчиков ДМ5007 в основном являлось нарушение функционирования тензомоста. Эксплуатация датчиков «МИДА», «МЕТРАН» и «КРТ» показала их достаточную надежность.

Обычно работа тепловычислителей организуется по единому алгоритму и влияние типа тепловычислителя и точности теплосчетчика незначительно.

Основным компонентом любого теплосчетчика, в наибольшей степени влияющим на его метрологические и эксплуатационные характеристики, является датчик расхода. В нашем случае (трубопроводы больших диаметров) выбор конкретного типа теплосчетчика в первую очередь определяется выбором именно его расходометрического компонента. Поэтому основной анализ функционирования узла учета тепла разумно прежде всего свести к анализу характеристик датчиков расхода.

В то время как для измерения расхода пара на трубопроводах больших диаметров разумной альтернативы расходомерам, использующим принцип измерения перепада давления на сужающем устройстве, пока не предложено, выбор датчиков расхода жидкостей достаточно велик. Хорошие возможности для решения вышеупомянутой задачи имеют расходомеры, реализующие электромагнитные и ультразвуковые методы измерений расхода жидкостей.

Методы измерений, положенные в основу работы расходомеров, их достоинства и недостатки

Основные достоинства и недостатки расходомеров каждого типа приведены в табл. 1 и табл. 2.

Из известных электромагнитных расходомеров для труб большого диаметра ниже будут рассмотрены РОСТ-8 и ЭРИС-ВЛТ. Принцип их работы основан на законе электромагнитной индукции. При взаимодействии электромагнитного поля, создаваемого током катушки возбуждения, с движущейся жидкостью, в последней появляется ЭДС электромагнитной индукции, амплитуда которой пропорциональна скорости движения жидкости, а, следовательно, расходу. Кроме этого, конструкцией расходомера ЭРИС-ВЛТ предусмотрено лубрикаторное устройство, позволяющее производить монтаж / демонтаж датчика без остановки движения теплоносителя по трубопроводу.

Из ультразвуковых расходомеров в статье представлены УЗРВ, УРСВ-010М, ДРК-С, UFM-001, UFM-005, «Днепр-7».

Внедряются следующие методы ультразвуковых измерений:

временной;

частотный;

корреляционный;

доплеровский.

Временной метод измерения основан на посылке в акустический канал расходомера, расположенный под углом к оси потока, ультразвуковых сигналов по потоку и против него. Скорость течения жидкости определяется по разности прохождения сигналов.

Частотный метод измерения заключается в том, что в акустическом канале первичного преобразователя расходомера, расположенного под углом к оси потока, организуются две непрерывные посылки ультразвуковых сигналов, период повторения которых равен времени распространения ультразвука по потоку и против него. На основе анализа этих сигналов определяется разностная частота, пропорциональная скорости потока. Преимущества рассмотренных методов: возможность обеспечения высокого быстродействия расходомеров (время «реакции» на изменения расхода) и высокая точность измерений в период изменения расхода.

Недостатки: высокая зависимость качества измерений от физико-химических свойств жидкости (ее температуры, давления, концентрации примесей и т.п.), от распределения скоростей по сечению потока жидкости и от точности монтажа первичных преобразователей на трубопроводе.

Лучшими из приборов, использующими этот метод, являются УРСВ-010М, UFM-001, UFM-005. В их конструкции предусмотрены компенсационные схемы, обеспечивающие частичное подавление влияния вышеуказанных факторов.

Корреляционный метод измерения основан на принципе определения времени перемещения неоднородностей потока между двумя измерительными сечениями трубопровода. Неоднородности потока модулируют ультразвуковые сигналы, проходящие в различных измерительных сечениях. Ввиду малости расстояния, которое проходит поток жидкости между этими сечениями, сигналы в них модулируются приблизительно одинаково. Время, которое проходит между появлением сигналов с приблизительно одинаковой модуляцией в различных измерительных сечениях, соответствует скорости жидкости.

Преимущества этого метода: обеспечение низкой зависимости качества измерений от физико-химических свойств жидкости, состояния трубопровода, распределения скоростей по сечению потока и точности монтажа первичных преобразователей на трубопроводе. Недостатки обусловлены сравнительно большим временем реакции прибора на изменение расхода жидкости. В качестве лучшего в этом классе приборов можно выделить ДРК-С.

Доплеровский метод измерений основан на эффекте Доплера. Они реализованы в приборе типа «Днепр-7». Он практически не чувствителен к физико-химическим свойствам воды, малочувствителен к степени ее «завоздушивания», однако на его метрологические характеристики сильно влияет состояние внутренней поверхности трубопровода, т.к. он укомплектовывается накладными акустическими преобразователями.

Основные технические характеристики расходомеров

Основные паспортные технические характеристики расходомеров приведены в табл. 3.1 и 3.2

Анализ характеристик расходомеров на основе результатов их практического использования

Все приведенные в этом разделе данные получены на основе опыта монтажа, пуско-наладки и эксплуатации расходомеров различных типов. Главным образом информация получена на основании отчета НПФ «ПИКА» (г. Москва) по договору №10/97 с ОАО «Мосэнерго» о создании научно-технической продукции «Разработка, изготовление и внедрение экспериментального узла учета тепловой энергии на источнике теплоты» и опыта инновационного научно-инженерного центра «ЛИМБ» (г. Барнаул). Использовались также отзывы предприятий России о работе расходомеров, опыт монтажа и практического использования приборов различных типов коллективом ЗАО «Сибирский приборный центр».

Сложность монтажа

Установка датчиков прибора УРСВ-010М-001 возможна без проведения сварочных работ на трубопроводе. Монтаж расходомеров ДРК-С, UFM, УРСВ-010М-002, ЭРИС-ВЛТ имеет приблизительно одинаковую сложность за исключением того, что при монтаже ДРК-С требуется установка четырех первичных преобразователей, в то время как УРСВ и UFM - только двух. Кроме того, при монтаже расходомера ДРК-С требуется установка блока кабельных усилителей (БКУ) вблизи первичных преобразователей. Такая схема расположения оборудования существенно затрудняет процедуру поиска и устранения неисправности в случае выхода из строя БКУ или первичных преобразователей.

Установка первичных преобразователей расходомера РОСТ-8 затруднена, во-первых, необходимостью подготовки отверстий большого диаметра в трубопроводе и практически полного освобождения трубопровода от теплоносителя (поскольку первичные преобразователи устанавливаются в нижней части трубопровода); во-вторых - сравнительно большой массой первичных преобразователей.

Сложность проведения в условиях ТЭЦ пуско-наладочных работ

Приборы РОСТ-8 и ЭРИС-ВЛТ не требуют проведения первичной настройки, при правильном монтаже они сразу после включения питания работают в штатном режиме.

Первичная настройка приборов УРСВ достаточно сложна, требует применения электронно-лучевого осциллографа и программной установки около десяти параметров. При настройке УРСВ-010М-001 требуется юстировка датчиков непосредственно на трубопроводе (с одновременным контролем фазы сигнала).

Первичная настройка расходомеров UFM и ДРК-С достаточно проста, при правильном монтаже и установке программируемых параметров (около пяти) приборы работают в штатном режиме.

Надежность

По информации, собранной из различных источников, наиболее надежными показывают себя приборы UFM и УРСВ-010М-002. Известны случаи потери работоспособности приборов УРСВ-010М-001 вследствие изменения физико-химических свойств применяемой смазки, датчиков РОСТ-8 - по различным причинам, датчиков ЭРИС-ВЛТ старых модификаций - вследствие плохого уплотнения со стороны проточной части. Наименее надежный элемент прибора ДРК-С - блок кабельных усилителей, который устанавливается вблизи датчиков и подвергается воздействию всех факторов окружающей среды.

Необходимость проведения дополнительных настроек и регулировок в процессе эксплуатации

Ни один прибор не требует проведения дополнительных настроек и регулировок в процессе эксплуатации.

Устойчивость к действию факторов окружающей среды

С точки зрения устойчивости к действию факторов окружающей среды, все приборы одинаково устойчивы. Но, как и упомянуто выше, наиболее подвержен этому воздействию блок кабельных усилителей прибора ДРК-С.

Защита от несанкционированного вмешательства в работу прибора

С точки зрения защиты от несанкционированного вмешательства все приборы приблизительно равноценны и могут быть оценены положительно.

Точность

Есть сведения о сопоставлении результатов измерения различных датчиков расхода с расходомером на сужающем устройстве. Эти испытания проводились НПФ «ПИКА» согласно вышеупомянутому договору.

Высокую идентичность показали расходомеры UFM-001, УРСВ-010М-001 и УРСВ-010М-002. За весь период эксплуатации расхождения между значениями объемов для указанных расходомеров и КСД не превышали 3% для часовых значений, 2% для суточных значений и 1,2% за месяц.

Максимальные расхождения между значениями объемов для ультразвуковых расходомеров ДРК-С и КСД составили 10% для часовых значений, 8% для суточных значений и 6% за месяц.

Наблюдения за работой прибора РОСТ-8 проводились лишь в течение двух месяцев до наступления отказа прибора. За этот период наблюдения расхождения между значениями объемов для расходомера РОСТ-8 и КСД не превышали 4,5% для часовых значений.

Анализ показаний расходов для датчиков ЭРИС-ВЛТ производился лишь в сопоставлении с другими аналогичными датчиками в замкнутой системе теплопотребления. Разница в показаниях этих расходомеров была в полном соответствии с паспортной погрешностью.

По критерию точности ультразвуковые расходомеры УРСВ и UFM можно признать равноценными. Расходомеры ЭРИС-ВЛТ, по причине иных условий испытаний, можно условно тоже отнести к этой группе.

Таким образом, погрешность измерения расходов теплоносителя приборами УРСВ, UFM и ЭРИС-ВЛТ лежит в пределах, соответствующих классу точности приборов. Высокая сходимость показаний расходомеров УРСВ с накладными и врезными датчиками подтверждает возможность равного применения в узлах коммерческого учета приборов обоих типов.

Расходомер ДРК-С обладает несколько худшими точностными характеристиками, затрудняющими его использование на трубопроводах большого диаметра.

Произвести полноценный анализ точностных характеристик расходомера РОСТ-8 на основании имеющейся информации невозможно. Причина - преждевременный выход расходомера из строя при испытаниях, проводимых НПФ «ПИКА».

Удобство демонтажа для проведения Государственной поверки или ремонта

Первичные датчики всех перечисленных в табл. 4 расходомеров, за исключением расходомеров ЭРИС-ВЛТ и УРСВ-010М-001 (накладные датчики), снимают для поверки или ремонта только после полной остановки теплоносителя и частичного (или полного) опорожнения измерительного участка трубопровода.

Конструкцией расходомера ЭРИС-ВЛТ предусмотрен способ его демонтажа, при котором нет необходимости прекращать циркуляцию энергоносителя.

Для вынесения объективного суждения о качестве испытанных приборов была проведена балльная оценка введенных ранее показателей. Результаты этой оценки сведены в табл. 4.

На основании приведенных в табл. 4 результатов эксплуатационных испытаний имеет смысл рассмотреть тепловычислители, в комплексе с которыми могут быть использованы расходомеры, имеющие наилучшие характеристики: ДРК-С, UFM, УРСВ-010М, ЭРИС-ВЛТ.

Анализ технических характеристик и потребительских свойств тепловычислителей

Приведем в табл. 5 паспортные характеристики тепловычислителей, с которыми предполагается использование расходомеров ДРК-С, UFM, УРСВ-010М, ЭРИС-ВЛТ.

Как уже оговаривалось выше, метрологические характеристики всех контроллеров достаточно высоки и находятся приблизительно на одном уровне: основная относительная погрешность расчета количества тепловой энергии для всех контроллеров - около 0,2%. Рассмотрим другие их характеристики.

Тип расходомера на большие диаметры, на который есть информация по возможности применения, подразумевает формальную сертификацию с расходомерами определенных типов. Как видно из табл. 5, большинство контроллеров могут быть использованы в комплекте с расходомерами нескольких типов.

Диапазон рабочих температур, максимальная влажность и источник питания определяют требования к помещению, где могут быть установлены контроллеры. Если есть вероятность отрицательных температур, лучше использовать приборы с соответствующими характеристиками.

Батарейное питание вряд ли может дать большие преимущества, т.к. рассматриваемые датчики все равно подразумевают наличие достаточно мощного источника питания.

Заслуживает внимание контроллер ТЭКОН-10, который в комплекте с расходомерами ЭРИС-ВЛТ позволяет на время перерывов сетевого электропитания (в случае наличия резервного аккумулятора 24 В) обеспечить полноценный учет энергоресурсов, а во время наличия сетевого напряжения - подзарядку резервного аккумулятора.

Максимальное количество датчиков, максимальная длина линии связи и максимальное количество контролируемых трубопроводов определяют локальную конфигурацию узла учета. Для больших, пространственноразвитых систем это основной показатель решения задачи количества объединяемых на один контроллер трубопроводов. В некоторых случаях необходимо иметь в виду то, что количество подающих или обратных трубопроводов в одном контуре может быть более одного. В этом случае желательно выбирать контроллер, поддерживающий такие особенности контуров теплопотребления. Иначе (менее предпочтительно) эта возможность должна быть осуществлена в программе верхнего уровня.

Контролируемые энергоносители определяют широту охвата учитываемых систем энергоресурсов. Наиболее удачный путь - применение универсальных приборов (например СПТ, ТЭКОН-10), либо приборов одной серии (например СПТ). Возможен вариант объединения контроллеров различных типов на уровне информационной сети, однако при этом возникают неоправданные сложности: отсутствие унификации приборов, работа программы верхнего уровня с несколькими драйверами (возможно, даже не производителей оборудования). Это может усложнить обслуживание системы.

Индицируемые параметры показывают удобство общения с контроллером на месте его монтажа. Это может потребоваться при проведении пуско-наладочных работ, контроле работы программы верхнего уровня и решении спорных вопросов.

Архивируемые параметры и глубина архивов определяют устойчивость системы к сбоям в работе программы верхнего уровня (пропадание электропитания, воздействие вирусов и т.д.) и способствуют урегулированию спорных вопросов. Целесообразно выбирать приборы с глубиной часового архива не менее 45 суток (1080 часов). Иногда полезным дополнением для анализа расхода энергоресурсов является архив экстремумов, реализованный в контроллере ТЭКОН-10.

Варианты считывания информации являются основной характеристикой сервисных возможностей прибора. Именно ими определяется построение глобальной сети учета энергоресурсов. Как правило, информационная сеть выполняется на интерфейсах RS485, ИРПС (токовая петля) и RS232 для работы с модемом по коммутируемой или выделенной линии. В зависимости от конкретных условий возможны их различные комбинации.

Заслуживает внимания также съем информации с помощью переносного регистратора информации (для ТЭКОН-10) или мини-терминала (для ТВМ). Это позволяет считывать архивы с контроллера при отсутствии возможности использования глобальной сети (или при ее временной неработоспособности).

Контроль нештатных ситуаций служит для анализа достоверности выдаваемой контроллером информации. Все перечисленные выше приборы анализируют не только состояние входных цепей, но и осуществляют самоконтроль. Приборы СПТ и ТЭКОН-10 позволяют осуществлять идентификацию нештатной ситуации с привязкой ко времени ее возникновения с точностью до одной минуты. Остальные контроллеры - с точностью до одного часа. Все приборы ведут архив нештатных ситуаций.

Программа верхнего уровня определяет полноту и степень удобства обработки получаемой информации. Наиболее интересной в этом плане является СП-сеть, обслуживающая приборы типа СПТ. Однако из-за лицензионных ограничений ее применение связано с большими материальными затратами. Перспективной является программа, обслуживающая контроллер ТЭКОН-10, позволяющая получать информацию в реальном времени и выводить отчеты в форме, конфигурируемой под конкретного пользователя.

Способ защиты информации для различных типов контроллеров различен (пломбирование, пароли, электронный ключ, память по номенклатуре и времени изменяемых параметров, в т.ч. в различных комбинациях), но все они позволяют обеспечить уверенную защиту от несанкционированного доступа коммерческой информации и настроек контроллера.

Среди прочих особенностей нужно отметить возможность измерения тепловой энергии при реверсе направления движения теплоносителя, конструктивно предусмотренную в контроллере МТ200DS для работы в некоторых схемах теплоснабжения на летний период.

На основании вышесказанного можно сделать вывод о предпочтительности выбора в качестве тепловычислителей контроллеров типов СПТ и ТЭКОН-10, а значит и комплексов: ТЭКОН-10 + ЭРИС-ВЛТ, СПТ961 +УРСВ, ТЭКОН-10+UFM, СПТ961 + UFM.

Пример выбора структуры системы учета энергоресурсов

В заключение, в качестве примера, приведем краткое обоснование выбора структуры системы учета энергоресурсов из технического предложения для одной из ТЭЦ г. Новосибирска.

Результаты обследования объекта

В процессе анализа результатов обследования объекта и в соответствии с заданием на проектирование определились основные технические требования к системе учета энергоресурсов:

измерение расхода теплоносителя должно производиться на трубопроводах большого диаметра (Ду = 500 -1000 мм);

отсутствие возможности остановки теплоносителя в трубопроводе в случае выхода датчика расхода из строя и нежелательность привязки снятия датчика расхода для его проверки к проведению регламентных работ на трубопроводе;

не критичность точности измерения расхода к состоянию внутренней поверхности трубопровода;

количество подающих или обратных трубопроводов водном контуре более одного;

значительная удаленность некоторых подающих трубопроводов от соответствующих им обратных;

необходимость учета теплоносителей двух видов: вода и пар (в перспективе);

возможность работы контроллеров при отрицательных температурах;

значительная удаленность узлов учета друг от друга и от диспетчерского пункта;

наличие источников сильных электромагнитных помех.

Определение возможной конфигурации системы Проведем анализ вышеуказанных особенностей объекта и покажем, какие требования они предъявляют к конфигурации системы. Как сказано выше, выбор начинаем с самого тонкого места - датчиков расхода.

Рекомендуемые датчики расхода. Первые три требования (трубопроводы большого диаметра, требования к условиям демонтажа / монтажа датчиков расхода и ограничения, вызванные состоянием внутренней поверхности трубопровода), практически однозначно определяют тип расходомера - ЭРИС-ВЛТ.

Рекомендуемый тепловычислитель. Так как в статье мы ограничились рассмотрением лишь наиболее перспективных моделей контроллеров, то выбор действительно есть. Но не будем отличаться оригинальностью и выберем ТЭКОН-10.

Конфигурация сети. Значительная удаленность узлов учета друг от друга и от диспетчерского пункта и наличие источников сильных электромагнитных помех накладывает ограничение на конфигурацию информационной сети и типы используемых контроллеров.

Требования к программе обслуживания сети контроллеров. Ввиду значительной удаленности некоторых подающих трубопроводов от соответствующих им обратных и, вследствие этого, обслуживания соответствующих трубопроводов разными контроллерами, расчет разности «(тепловая энергия по подающему трубопроводу) - (тепловая энергия по обратному трубопроводу)» должен производиться программой персонального компьютера диспетчерского пункта. Это подразумевает то, что стандартная программа поставщика контроллеров должна поддерживать работу по сети и обеспечить выполнение элементарных арифметических операций с вычисленными контроллерами значениями. Это также позволит, в случае отсутствия возможности произвести контроллером соответствующие арифметические операции (количество подающих или обратных трубопроводов в одном контуре более одного), предоставлять информацию в наиболее наглядном виде.

Итак, определилась начальная конфигурация системы. По каким-либо причинам она может не устраивать заказчика. В этом случае вводится поправка на желаемый конечный результат, исследуется возможность его достижения теми же (или наиболее близкими к предлагаемым) аппаратными или программными средствами и методом последовательных интераций находится решение.

Каждый объект по-своему уникален. Поэтому неоспоримые преимущества одного комплекса могут оказаться проигрышными перед особенностями другого комплекса приборов на конкретном месте. Не имея возможности дать рецепт на все возможные случаи, здесь предпринята попытка дать пользователю информацию, позволяющую ориентироваться в парке приборной продукции. Реальная конфигурация комплекса может и должна возникнуть только при тесном сотрудничестве заказчика и специалистов проектной и монтажной организации.

Размещено на Allbest.ru