И. В. Коробко, А. В. Писарец, П. К. Кузьменко, И. А. Гришанова,Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт», Киев
Вопрос экономии энергетических ресурсов на сегодняшний день является актуальным и возникает перед каждым членом современного общества. Запасы энергоресурсов в Украине становятся все более скудными, а процесс их добычи очень сложным и опасным. Использование нетрадиционной энергетики еще не нашло широкого распространения в Украине. Единственный выход — экономия энергоресурсов.
Экономия — это то, к чему никто не привык и не собирается привыкать. Своеобразным «стимулом привыкания» является внедрение эффективных систем контроля, учета и регулирования потребления энергетических ресурсов. Отсутствие в тепловых пунктах домов этих систем обычно приводит к 40-60% перерасходу тепловой энергии, некомфортным условиям, высокой стоимости коммунальных услуг (которые в большинстве случаев не может полностью оплатить пользователь). Реконструкция тепловых пунктов домов требует высоких денежных затрат и не каждый пользователь согласен ждать длительное время — пока (когда) окупится реконструкция (хотя этот метод эффективен, с точки зрения экономичности). Более того, деятельность коммунальных хозяйств похожа на «возню», так как одни из них не рентабельны, а руководство других просто боится внедрения новых технологий.
На сегодняшний день невозможно представить промышленные объекты и коммунальное хозяйство без современных средств автоматизации с использованием современных достижений телематики и теории управления. Упрощаются логические измерительные схемы, которые дают возможность сделать существующие измерительные процессы более интеллектуальными, повышается надежность и эффективность приборов. При этих условиях необходимы счетчики и расходомеры, удовлетворяющие высокие, порой противоречивые требования:
- высокая надежность и точность измерений на протяжении длительного промежутка времени;
- большой динамический диапазон измеряемых расходов;
- устойчивость к воздействию агрессивных сред; экологическая безопасность;
- возможность выдавать информацию в виде сигнала, который без помех можно передавать на большие расстояния;
- энергонезависимое питание;
- самотестирование с индикацией погрешностей;
- возможность органического соединения с системами автоматического управления;
- архивация данных о потребленной тепловой энергии, количестве энергоносителя, времени простоя теплосчетчика, сбоях в работе системы и др.
Метрологические характеристики теплосчетчиков определяются расчетными методами по характеристикам тех измерительных узлов, приборов и систем, на базе которых счетчики построены. Сложность в оценке погрешностей объясняется условиями эксплуатации таких приборов, необходимостью учета переменного состава и физических свойств теплоносителя (наличие примесей), и т.п. [1].
В настоящее время достаточный опыт эксплуатации разнообразных типов теплосчетчиков накоплен монтажными организациями и фирмами-производителями. Проведение конференций и семинаров на базе научно-исследовательских институтов, центров, организаций и предприятий также даёт повод надеяться на то, что обмен опытом и возникновение новых контактов даст мощный толчок в развитии энергосберегающих технологий.
На данный момент времени для учета тепловой энергии наибольшее распространение получили теплосчетчики, в состав которых входят тахометрические, ультразвуковые, электромагнитные и вихревые расходомеры и счетчики.
Теплосчетчики с тахометрическими первичными преобразователями одни из первых вошли на рынок Украины. Они нашли широкое распространение благодаря своей простоте и относительно невысокой стоимости. Но при эксплуатации в украинских условиях появился ряд факторов, которые ухудшают метрологические характеристики тахометрических приборов в первую очередь из-за:
накопления ферромагнитных частичек на магнитной полумуфте крыльчатки, что приводит к возрастанию трения между крыльчаткой и крышкой измерительной камеры;
появления на стенках измерительной камеры налёта и твёрдых осадков;
износа осей и подшипников ротора или турбинки.
В настоящее время тахометрические преобразователи используются, главным образом, в квартирном учете холодной и горячей воды благодаря дешевизне, простоте обслуживания и наличии достаточной ремонтной базы. В теплосчетчиках их применение практически приостановлено.
Электромагнитные измерительные преобразователи расхода имеют высокую стабильность метрологических характеристик во времени, надежность при правильных условиях монтажа и эксплуатации. Важным преимуществом электромагнитных расходомеров перед другими является то, что они измеряют расход, используя результаты определения средней скорости потока по его эффективной площади, это делает показания независимыми от плотности, вязкости и температуры теплоносителя. Особенностями конструкций таких счётчиков сводятся практически к нулю потери давления, требуются минимальные длины прямых участков до и после приборов. Для них характерен широкий диапазон измерения, а за счет корректировки показаний в зависимости от условий эксплуатации, правильного выбора Ду преобразователя — обеспечивается измерение расхода теплоносителя с достаточной точностью.
Основные недостатки:
уменьшение точности измерения при налипании осадков (магнетитов) на рабочие поверхности преобразователей расхода;
дестабилизация показаний счетчика (смещения нуля, появления систематических погрешностей и др.) из-за блуждающих токов на трубопроводах [2];
измерение расхода лишь электропроводных жидкостей.
Еще одним широко распространенным типом теплосчетчиков являются измерительные приборы с ультразвуковыми первичными преобразователями. Метод измерения ультразвуковыми расходомерами основывается на соотношении скоростей распространения акустических колебаний в неподвижной среде и самой среды. Многообразие параметров, которые зависят от скорости измеряемой среды, и предопределило большое количество способов измерения задержки прохождения сигнала от излучателя к приемнику и обратно. С дальнейшим развитием теплосчетчиков данного типа преимущество предоставляется тем приборам, метрологические характеристики которых не зависят от условий эксплуатации — температуры, давления, концентрации примесей, и т.п. [3].
Преимущества ультразвуковых измерительных приборов довольно существенные:
- сохранение технико-эксплуатационных характеристик во времени;
- высокая точность измерения в широком динамическом диапазоне;
- отсутствие подвижных и выступающих в поток измерительных элементов;
- отсутствие потерь давления;
- независимость показаний от изменения электропроводности среды;
- низкое энергопотребление;
- возможность бесконтактного измерения расхода жидкостей, в том числе агрессивных и загрязненных, а также пульп;
- возможность измерения расхода жидкостей в широком диапазоне диаметров условного прохода трубопроводов (15…1600 мм);
- возможность измерения расхода пара и газа;
- возможность простой имитационной поверки без демонтажа первичного преобразователя с трубопровода.
Имеется ряд проблем, которые требуют серьезного изучения, а именно: работа ультразвуковых преобразователей при наличии несимметричных профилей изменения скорости, а также работа при малых числах Рейнольдса (Re); необходимость учета зависимости скорости распространения звука от физико-химических свойств различных измеряемых сред. Наличие этих факторов приводит к необходимости применения в ультразвуковых расходомерах специальных методов и средств компенсации, использованию дифференциальных схем измерения (для выделения «слабого» полезного сигнала).
С развитием современных информационных технологий, достаточно большим накоплением опыта эксплуатации ультразвуковых расходомеров, становится возможным устранение выше приведенных проблем и стабилизация их метрологических характеристик, что значительно поднимет конкурентоспособность этих приборов.
В современной расходометрии также находят применение вихревые счетчики и расходомеры с телом обтекания.
Основными преимуществами вихревого метода измерения являются:
- невысокая стоимость;
- отсутствие вращающихся частей;
- простота и надежность преобразователя расхода;
- независимость показаний от давления и температуры;
- линейность шкалы;
- достаточная точность;
- частотный измерительный сигнал;
- стабильность показаний;
- возможность создания несложных имитационных методов и средств поверки;
- возможность измерения расхода пара и газа.
К недостаткам вихревых расходомеров относятся потери давления, которые для некоторых конструкций достигают 30-50 кПа, и ограничения возможности их применения: они непригодны при малых скоростях потока, поскольку при этом вихри не образуются, а также при больших скоростях, когда вихри невозможно отделить друг от друга — этим объясняются трудности получения большого диапазона расходов; применение их для измерения расходов при больших и малых диаметрах трубопроводов также затруднительно; многие конструкции вихревых расходомеров непригодны также и для измерения расхода загрязненных и агрессивных сред, которые могут нарушить работу преобразователей выходного сигнала [2].
Направлением развития вихревой расходометрии является улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик приборов, построение устройств с автоматической коррекцией характеристик по вязкости и температуре измеряемой среды на основе применения микропроцессорной техники и с использованием как дополнительных датчиков температуры и вязкости, так и информативных свойств дорожки Кармана. Вообще, при определенных конструктивных решениях выходной измерительный сигнал первичного преобразователя может нести информацию как о температуре, так и о вязкости контролируемого потока [4].
В условиях дефицита энергоресурсов в Украине все шире используются приборы их учета. При этом в последние годы наблюдается тенденция увеличения доли приборов ультразвукового типа, несмотря на их более высокую стоимость по сравнению с тахометрическими и вихревыми приборами. Так в Киеве в 2003 г. впервые доля отечественных и зарубежных приборов ультразвукового типа среди всех установленных в этом году приборов превысила 50%. Это объясняется, главным образом, их более высокими эксплуатационными и техническими характеристиками, в первую очередь надежностью и стабильностью характеристик во времени.
В дальнейшем необходимо направить усилия разработчиков и фирм-производителей на дальнейшее усовершенствование, улучшение метрологических характеристик и поиск путей удешевления приборов измерения расхода для повышения их доступности потребителям.
ЛИТЕРАТУРА
ДСТУ 3339-96. Теплосчетчики. Общие технические условия. Киев: Госстандарт Украины Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1989. — 701 с.
Киясбели А. Ш. и др. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. Г.: Машиностроение, 1984. — 681 с.
Писарец А. В. Анализ современного состояния вихревых средств измерения количества вещества. Сборник трудов международной научно-технической конференции «Приборостроение — 2001», Вестник Черкасского инженерно-технологического института, 2001 г., с. 53-56.
