Учет и контроль тепловой энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учёт и контроль тепловой энергии

А.З. Жук,

Ю.Г. Калабухов,

Введение

Эффективное использование энергетических ресурсов невозможно без организации учета и контроля тепловой энергии и объема теплоносителя, отпускаемых потребителям теплоснабжающими организациями. При отсутствии приборов коммерческого учета тепла расчет за потребленное тепло производится по так называемым договорным нагрузкам, которые, как правило, устанавливаются близкими к проектным. В то же время, реальное теплопотребление бюджетных организаций за последние 10 лет заметно снизилось. Это связано с уменьшением объема работ и численности персонала, т.е. с уменьшением реально используемых производственных площадей и камеральных помещений.

Вместе с тем, в современных экономических условиях поставщик тепла не заинтересован в снижении теплопотребления и стремится к сохранению договорных обязательств потребителя тепла на достаточно высоком уровне. Наиболее простым решением этой проблемы, с технической и организационной точек зрения, является создание на предприятии узла коммерческого учета и контроля тепловой энергии и объема теплоносителя. После введения в эксплуатацию узла учета и контроля потребитель начинает платить поставщику за фактически потребленное количество тепла, которое часто оказывается значительно меньше величины, обусловленной договором. Наличие узла учета и контроля также позволяет осуществлять непрерывный мониторинг теплопотребления, дает возможность изыскивать способы экономии тепла, позволяет получить достоверную информацию, необходимую для оценки эффективности мероприятий по экономии тепла. Установка узла учета и контроля - первый этап в работах по экономии тепловой энергии. Анализ его показаний позволяет непосредственно ощутить и понять тот эффект, который может дать следующий этап работ - оптимизация и автоматизация работы всей системы отопления и водоснабжения.

С точки зрения отношений поставщика и потребителя тепловой энергии, узлы учета и контроля делятся на коммерческие и технические. С помощью коммерческого узла учета и контроля производится расчет между поставщиком тепла и непосредственным его покупателем (абонентом). Если тепло потребляется не только самим абонентом, но и следующим потребителем, последовательно подключенным к источнику энергии (субабонентом), то расчет за тепло производится между абонентом и субабонентом. Поставщик тепла в этих отношениях не участвует. Узел учета и контроля, установленный между абонентом и субабонентом, относится к категории технических средств учета и контроля. На его установку согласие поставщика тепла не требуется.

В качестве измерительных приборов в узлах учета и контроля тепловой энергии и объема теплоносителя используются теплосчетчики и водосчетчики.

1. Теплосчетчики

Теплосчетчики предназначены для измерения, регистрации тепловой энергии и параметров теплоносителя в различных системах теплоснабжения.

Теплосчетчики осуществляют автоматическое измерение и индикацию:

· текущего значения объемного и массового расхода теплоносителя в прямом и обратном (или любом другом: например, подпиточном) трубопроводах сетевой воды;

· объема и массы теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах;

· температуры теплоносителя в прямом, обратном и подпиточном трубопроводах;

· тепловой энергии;

· тепловой мощности;

· времени наработки теплосчетчика;

· температуры окружающего воздуха;

· давления теплоносителя в прямом, обратном и подпиточном трубопроводах;

· почасовой, посуточной и помесячной тепловой энергии (нарастающим итогом);

· среднечасовых, среднесуточных и среднемесячных значений температуры теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах;

· почасового, посуточного и помесячного объема и массы (нарастающим итогом) теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах;

· времени начала и окончания измерений.

В состав любого современного теплосчетчика может входить несколько (по два и более) преобразователей расхода, температуры и давления теплоносителя, а также измерительно-вычислительный (электронный) блок. На рис. 1 представлен один из вариантов структурной схемы теплосчетчика.

Рис. 1. Структурная схема теплосчётчика

По принципу измерения расхода теплоносителя входящие в состав теплосчетчика преобразователи расхода делятся на электромагнитные, вихревые, ультразвуковые и тахометрические. Температура теплоносителя измеряется термометрами сопротивления или термопарами. Давление измеряется датчиками мембранного типа.

В настоящее время наиболее популярными являются теплосчетчики, оснащенные преобразователями расхода электромагнитного типа (см. таблицу 1). Ими оснащены такие распространенные теплосчетчики, как SA-94, ТЭМ-05М, ТСР-01, КМ-5.

Таблица 1. Количество и типы теплосчётчиков, установленные у абонентов теплосети ОАО "Мосэнерго" в 1997-1999 гг. по данным Нейман Г. и дт. "Состояние учёта тепла у абонентов теплосети ОАО "Мосэнерго""

Принцип работы преобразователя расхода электромагнитного типа основан на явлении электромагнитной индукции (рис. 2). При прохождении теплофикационной или водопроводной воды (или другой жидкости, обладающей достаточной электропроводностью) через магнитное поле в ней, как в движущемся проводнике, наводится электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная средней скорости жидкости. ЭДС снимается двумя электродами, расположенными диаметрально противоположно в одном поперечном сечении трубы первичного преобразователя заподлицо с ее внутренней поверхностью. Сигнал от первичного преобразователя подается на вход измерительно-вычислительного блока, обеспечивающего дальнейшую обработку сигнала.

Рис. 2. Принцип работы преобразователя расхода электромагнитного типа.

Теплосчетчики с преобразователями расхода электромагнитного типа комплектуются преобразователями температуры с использованием платиновых термометров сопротивления типа КТПТР-01.

Датчик преобразователя температуры находится в тепловом контакте с теплоносителем. Принцип работы термометра сопротивления (рис. 3) основан на изменении электрического сопротивления калиброванного платинового проводника в зависимости от температуры теплоносителя. Чувствительный элемент платинового термометра состоит из двух или четырех платиновых спиралей, расположенных в капиллярных каналах керамического каркаса. Каналы каркаса заполняются керамическим порошком, который служит изолятором. К концам спиралей припаяны выводы из платиновой или иридиево-родиевой проволоки. Чувствительный элемент в керамическом каркасе герметизируется специальной глазурью.

Рис. 3. Устройство термометра сопротивления.

Преобразователи расхода и термометры сопротивления устанавливаются на магистралях прямой и обратной сетевой воды, поступающей на тепловой пункт (ТП) из теплосети и возвращаемой обратно.

Расчет потребляемой тепловой энергии Q производится в соответствии с формулой:

Q=V . r (h1-h2)

где V- объем теплоносителя, протекающего через подающий (или обратный) трубопровод за время наблюдения;

r- плотность сетевой воды, соответствующая температуре сетевой воды в подающем (обратном) трубопроводе;

h1,h2- удельная энтальпия сетевой воды соответственно в подающем и обратном трубопроводах.

Определение массы сетевой воды осуществляется в соответствии с формулой :

M=V . r

Потери тепла теплоносителем, протекшем через подпиточный трубопровод, определяются в соответствии с формулой:

Qподп.=Vподп. . rх.в. (h2-hх.в.)

где индекс “2” относится к обратному трубопроводу, а индексы “подп.”, “х.в.” - к подпиточному трубопроводу.

Все вычисления осуществляются в измерительно-вычислительном блоке теплосчетчика.

Измерительно-вычислительный блок теплосчетчика предназначен для автоматизации учета потребления воды и тепловой энергии в системах теплоснабжения. Он осуществляет измерение электрических выходных сигналов первичных преобразователей расхода, температуры и давления, вычисление на основе измеренных значений соответствующих физических параметров, а также значений массы теплоносителя и количества тепловой энергии, потребленной системой. Кроме того, блок ведет архивирование (почасовое, посуточное и помесячное) вычисленных значений в памяти в виде сводок, включающих дату и время работы блока за каждый интервал архивирования (час, сутки, месяц).

Измерительно-вычислительный блок включает в себя контроллеры, дисплей, клавиатуру, блоки, соединительные кабели и т.д.)

На рис. 5 в качестве примера представлена функциональная схема измерительно-вычислительного блока теплосчетчика.

Другим преобразователем расхода, применяемым в теплосчетчиках, является преобразователь расхода вихревого типа. Таким преобразователем оснащены теплосчетчики “ТАРАН-Т”, Макло, ТСК-5.

Принцип действия преобразователя расхода вихревого типа основан на измерении частоты отрыва вихрей от турбулизатора, выполненного в виде трапецеидальной призмы и помещенного в поток жидкости, протекающей по трубопроводу (см. рис. 4). Вихри, следующие в потоке жидкости, регистрируются электродом, находящимся в поле постоянного магнита. Частота следования вихрей по каналу преобразователя прямо пропорциональна расходу жидкости, статическая характеристика преобразования описывается линейной функцией.

Рис. 4. Принцип работы преобразователя расхода вихревого типа.

Преобразователь устойчиво работает в диапазоне скоростей жидкости 0,2<W<10 м/с. При значениях скоростей жидкости меньше 0,2 м/с (это соответствует слабому турбулентному течению жидкости в месте обтекания ею вышеуказанной призмы) преобразователь перестает нормально работать.

В связи с тем, что работа данного типа преобразователя расхода зависит от степени турбулентности течения жидкости, диапазон его возможностей по измерению расхода теплоносителя в несколько раз меньше, чем диапазон измеряемых расходов с помощью преобразователей расхода электромагнитного типа, что является существенным недостатком. Так, у теплосчетчика “ТАРАН-Т” с преобразователями расхода вихревого типа соотношение максимального и минимального расходов теплоносителя составляет 40:1, в то время как у теплосчетчиков ТСР-01, ТЭМ-05М, SA-94, КМ-5 с преобразователями расхода электромагнитного типа это же соотношение составляет соответственно 150:1, 200:1, 250:1, 1000:1.

Рис 5. Функциональная схема измерительно-вычислительного блока теплосчётчика "Таран-Т"

Третьим типом преобразователем расхода для теплосчетчиков является преобразователь ультразвукового типа. Им оснащен, например, теплосчетчик UFM 001. теплосчетчик преобразователь электромагнитный термометр

Принцип действия преобразователя поясняется на рис. 6. Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП1 и ПЭП2 работают попеременно в режиме приемник-излучатель.

Рис 6. Принцип действия преобразователя расхода ультразвукового типа.

Скорость распространения ультразвукового сигнала в воде, заполняющей трубопровод, представляет собой сумму скоростей ультразвука в неподвижной воде и скорости потока в проекции на рассматриваемое направление распространения ультразвука. Время распространения ультразвукового импульса от ПЭП1 к ПЭП2 и от ПЭП2 к ПЭП1 зависит от скорости движения воды в соответствии с формулами:

где t1, t2 - время распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока;

Lа - длина активной части акустического канала;

Lд- расстояние между мембранами ПЭП;

Со- скорость ультразвука в неподвижной воде;

V- скорость движения воды в трубопроводе;

a - угол в соответствии с рис 6.

В результате простых математических преобразований получается следующая формула для определения расхода жидкости, протекающей на месте установки ПЭП:

где Dt- разность времени распространения ультразвуковых импульсов по потоку и против потока;

Д- диаметр трубопровода на месте установки ПЭП;

К- программируемый коэффициент коррекции.

У этого типа преобразователей расхода соотношение максимального и минимального измеряемых расходов не превышает величину ~ 100:1. Теплосчетчики с ультразвуковыми преобразователями расхода наиболее удобно применять в переносных приборах, служащих для экспресс - измерений, т.к. проведение измерения расхода ультразвуковым методом не требует нарушения целостности трубопровода.

Еще одним типом преобразователя расхода для теплосчетчиков является преобразователь тахометрического типа.

Основным узлом тахометрического датчика (см. рис. 7) является турбинка или крыльчатка, скорость вращения которой зависит от скорости потока жидкости. Число оборотов лопастного устройства пропорционально объему протекающей жидкости, а показания счетного устройства приводятся с помощью масштабирующего редуктора к показаниям в единицах объема.

Рис 7. Принцип работы преобразователя расхода тахометрического типа.

При работе тахометрических преобразователей с измерительно-вычислительным блоком теплосчетчика у каждого из них имеется дополнительный импульсный выход, сигнал с которого поступает на вычислитель.

Преобразователи тахометрического типа применяются, например, в составе теплосчетчиков СТ1, СТ3, СТ6. Теплосчетчики с тахометрическими преобразователями, в последнее время применяются достаточно редко в связи с тем, что наличие подвижного механизма, размещаемого в потоке теплоносителя, отрицательно сказывается на надежности и долговечности прибора.

В качестве датчиков температуры для работы в составе теплосчетчиков, кроме платиновых термометров сопротивления, могут применяться термопары. Например, в составе теплосчетчика “ТАРАН-Т” применяется хромель-алюмелевая термопара типа КТХА-01. Принцип работы термопары основан на возникновении термоэлектродвижущей силы при нагреве спая разнородных металлов термопары протекающим теплоносителем. Величина термоЭДС пропорциональна температуре теплоносителя. Термопара располагается так, что ее спай касается защитного чехла. На термоэлектроды надеты изоляционные бусы. В головке защитного корпуса термопары расположена колодка с зажимами для термоэлектродов и соединительных проводов. Поправка на температуру холодных концов термопары вводится автоматически специальным блоком имеющимся в составе тепловычислителя.

Рис 8. Устройство термопары.

В состав теплосчетчиков могут входить датчики давления для измерения давления прямой и обратной сетевой воды. Такими датчиками могут быть, например, датчики давления мембранного типа. Схематично устройство такого датчика показана на рис. 9. Чувствительным элементом датчика является двухслойная мембрана. Измеряемое давление действует на металлическую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в измерительно-усилительном блоке.

Рис. 9 Устройство датчика давления мембранного типа

Существует несколько схем передачи сигналов от преобразователей расхода, температуры и давления к тепловычислителю.

Возможна передача сигналов от каждого преобразователя в электронный блок теплосчетчика по отдельной линии связи (см. рис. 10). Такой способ, например, используется в теплосчетчиках типа ТЭМ-05М, SA-94, ТСР-01.

Рис. 10. Схема автономной передачи сигналов от преобразователей расхода, температуры в измерительно-вычислительный блок теплосчётчика (теплосчётчик "ТАРАН-Т")

Вторым способом передачи сигналов от преобразователей является сбор всех сигналов на преобразующее устройство какого- нибудь преобразователя расхода и далее - передача общим кабелем усиленных сигналов на блок тепловычислителя (см. рис. 11). Такой способ используется, например, в теплосчетчике “ТАРАН-Т”.

Рис. 11. Схема объединённой передачи сигналов от преобразователей расхода в измерительно-вычислительный блок теплосчётчика (теплосчётчик "ТАРАН-Т")

Еще одним способом передачи сигналов от преобразователей, представляющим комбинацию первого и второго способов, является передача всех сигналов на электронный блок теплосчетчика, который смонтирован на каком-либо из преобразователей расхода (см. рис. 12). Такой способ применен в случае использования теплосчетчика типа КМ-5. В КМ-5 блоки усилителей-преобразователей сигнала смонтированы непосредственно на корпусе расходомера. Таким образом, по линиям связи проходит уже преобразованный и усиленный сигнал, что значительно повышает помехоустойчивость системы, а следовательно динамический диапазон и точность измерений.

Рис. 12. Схема комбинированной передачи сигналов от преобразователей расхода, температуры и давления в измерительно-вычислительный блок теплосчётчика (теплосчётчик "ТАРАН-Т")

Поставщик тепловой энергии заинтересован в получении данных о потребляемом тепле и утечках сетевой воды в системе теплоснабжения. Для получения этой информации в составе узла коммерческого учета и контроля тепла необходимо включать, как минимум, два преобразователя расхода и два датчика температуры, устанавливаемых и на входном и на выходном трубопроводах.

В таблице 2 приведены технические характеристики теплосчетчиков, наиболее часто применяемых в московском регионе.

Примечания:

1. Рабочее давление для первичных преобразователей теплосчетчиков СТ1, СТ3 Рр=1,6 МПа, для первичных преобразователей теплосчетчика СТ6 - Рр=2,5 МПа.

2. Погрешность измерений расхода для преобразователей расхода всех теплосчетчиков (кроме КМ-5) определяется от величины верхнего значения диапазона или поддиапазонов (если они есть) измеряемых расходов; в случае преобразователя расхода теплосчетчика КМ-5 погрешность измерений определяется от величины текущего значения измеряемого расхода.

Технические данные, приведенные в таблице 2, взяты из базы данных по теплосчетчикам и водосчетчикам, созданной в Научно-технологическом центре энергосберегающих процессов и установок Объединенного института высоких температур РАН.

Более подробную информацию о номенклатуре предлагаемых на российском рынке теплосчетчиков можно найти в «Приборы учета воды и тепла для жилищно-коммунального хозяйства. Справочно-методическое пособие» и на сайтах производителей в сети Internet.

2. Водосчетчики

Водосчетчики предназначены для коммерческого учета расхода горячей и холодной воды в различных системах водоснабжения.

Для учета расхода воды применяются водосчетчики типа ВСХ, ВМХ (холодная вода, tв= +5 - +50 °С) и типа ВСГ, ВМГ (горячая вода, tв= +5 - +150 °С).

Фото 1. Водосчётчик.

В качестве преобразователей расхода везде используются преобразователи тахометрического типа: с dу=20 мм до dу=40 мм - с крыльчаткой, начиная с dу=50 мм до dу=150 мм - турбинные преобразователи.

Как правило, водосчетчики устанавливаются в магистралях систем холодного и горячего водоснабжения, подпитки сетевой водой системы отопления (при независимой схеме отопления). Регистрация измерений может осуществляться как по месту, так и дистанционно.

Основные технические характеристики разных типов водосчетчиков приведены, например, в книге «Энергосбережение в учреждениях научно-исследовательского профиля», М.- МФТИ, 2001

Размещено на Allbest.ru