Приборы учёта тепловой энергии и теплоносителя
Измерение количества теплоты осуществляется теплосчётчиками. Теплосчётчик также измеряет и количество теплоносителя, т.е. объем или массу переданного теплоносителя за определённый промежуток времени.Теплосчётчики — приборы или комплекты приборов (средства измерения), предназначенные для определения количества теплоты и измерения массы и параметров теплоносителя (его температуры и давления). Состав теплосчётчика показан на рис. 13.2.
Количество теплоносителя или его расход может также измеряться приборами, которые носят названия расходомеров, счётчиков воды и счётчиков пара.
Счётчики воды — приборы, предназначенные для измерения массы (объёма) воды, протекающей в трубопроводе через сечение, перпендикулярное направлению движения потока. Расходомеры-счётчики, в отличие от счётчиков воды, позволяют вычислять расход жидкости в трубопроводе. Они состоят из первичных преобразователей расхода и микропроцессорного устройства, которое преобразует сигнал от первичного преобразователя в значения массового (объёмного) расхода и массы (объёма) теплоносителя.
Счётчики пара — приборы, измеряющие массу пара, протекающего в трубопроводе через сечение, перпендикулярное направлению движения потока. В состав этих приборов обязательно входят датчики расхода и электронный блок, производящий вычисление количества теплоносителя. Кроме того, в состав теплосчётчика должны входить датчики расхода теплоносителя, датчики температуры, а при измерениях в паровых системах теплоснабжения и датчики давления.
Рис. 13.2. Состав теплосчётчика
Важнейшей частью теплосчётчика является тепловычислитель — устройство, обеспечивающее расчёт количества теплоты на основе входной информации о массе, температуре и давлении теплоносителя. Он выполняет преобразование сигналов расходомеров, термометров сопротивления, преобразователей давления в цифровые значения накопленной тепловой энергии, массы (объёма) теплоносителя, температуры подаваемой, обратной, а иногда и холодной воды подпитки. Указанная информация отображается по запросу пользователя на электронном табло и архивируется в памяти прибора. Архивируются среднечасовые, среднесуточные, а иногда и среднемесячные параметры. Архивные данные, как правило, сохраняются в электронной памяти при отключении питания прибора, что обеспечивает независимый встроенный источник питания. Многие модели тепловычислителей предусматривают возможность объединения группы теплосчётчиков в локальные измерительно-информационные сети.
По показаниям тепловычислителя можно определить, имели ли место нарушения договора между энергоснабжающей организацией и потребителем теплоты за расчётный период времени.
Другими необходимыми составными частями теплосчётчика являются датчики расхода, температуры и давления теплоносителя. Датчики расхода — наиболее важные элементы теплосчётчиков в том смысле, что от них существенно зависят технические и эксплуатационные характеристики теплосчётчиков. Для измерения расхода теплоносителя наиболее широкое распространение получили датчики с сужающими устройствами, ультразвуковые, электромагнитные, вихревые и тахометрические датчики.
В датчиках расхода с сужающими устройствами, или датчиках расхода переменного перепада давления, используется зависимость перепада давления на сужающем устройстве (диафрагме, сопле), установленном на трубопроводе, от расхода. Этот тип датчиков применяется в течение длительного времени. К их недостатку можно отнести наличие существенного гидравлического сопротивления. В последнее время датчики данного типа в составе теплосчётчиков постепенно вытесняются другими видами датчиков расхода.
Принцип действия ультразвуковых датчиков расхода основан на излучении и приёме ультразвукового сигнала, измерении разности времени его распространения по потоку жидкости и против него. Измеренная разность времени распространения сигнала пропорциональна средней скорости потока жидкости и ее расходу.
Принцип действия электромагнитных датчиков расхода основан на явлении электромагнитной индукции. При прохождении электропроводящей жил- кости через импульсное магнитное поле в ней возникает электродвижущая сила, пропорциональная средней скорости потока жидкости и ее расходу. Недостатком этих датчиков является чувствительность к содержанию в воде оксидов железа.
Вихревые датчики расхода используют для определения средней скорости потока ее зависимость от частоты отрыва вихрей жидкости или газа, возникающих при погружении в поток твёрдого тела определённой формы. Частота отрыва вихрей может быть определена электромагнитными или ультразвуковыми датчиками. Недостатком вихревых расходомеров является появление дополнительного гидравлического сопротивления при погружении в поток плохообтекаемого тела.
Для измерения массы теплоносителя применяются тахометрические счётчики воды, в которых используется зависимость частоты вращения тела, установленного в трубопроводе, — крыльчатки (ось которой перпендикулярна оси трубопровода) или турбиной (ось совпадает с осью трубопровода) от скорости движения теплоносителя или его объёма. Этот метод измерения получил широкое распространение за рубежом для коммерческих расчётов.
Как ультразвуковые, так и электромагнитные датчики расхода при измерении не оказывают влияния на измеряемый поток, поскольку не создают препятствий течению теплоносителя.
Для правильного измерения расхода на участке трубопровода перед местом установки расходомера и после него требуется предусмотреть прямолинейные участки для стабилизации потока теплоносителя, т.е. для выравнивания профиля скорости по сечению трубопровода. На этих участках не должно быть поворотов, изменения сечений трубопровода, не должна находиться запорная арматура. Длина прямолинейных участков обычно равна нескольким диаметрам трубопровода. Она обязательно должна быть указана в технической документации датчика расхода. Некоторые расходомеры выполняются в виде участка трубы с установленным на ней прибором, который непосредственно подключается к трубопроводу. В этом случае прямолинейные участки могут быть уже предусмотрены предприятием-изготовителем в составе прибора и учитываются при указании его габаритных размеров.
При выборе теплосчётчика следует обращать внимание на требования к качеству воды для работы датчиков расхода. Приборы, рассчитанные на массового пользователя, должны быть надёжны и просты в эксплуатации.
Датчики температуры, используемые в составе теплосчётчиков, чаще всего представляют собой платиновые термометры сопротивления. Их устанавливают на подающем, обратном трубопроводах, а у источника теплоты также и на трубопроводе холодной воды, используемой для подпитки системы теплоснабжения.
Датчики давления представляют собой тензопреобразователи или ёмкостные преобразователи, имеющие унифицированный токовый выходной сигнал. Нужно отметить, что не все теплосчётчики комплектуются преобразователями давления. Это связано с тем, что регистрация давления обязательна не во всех системах теплоснабжения.
Измеренные значения температуры и давления в трубопроводах по линиям связи передаются на тепловычислитель, который на их основе рассчитывает значения энтальпии.
Приборы учёта тепловой энергии, устанавливаемые на узле учёта, должны быть зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений. Для каждого прибора устанавливается межповерочный интервал, в течение которого прибор должен проходить обязательную поверку. Поверка первичных преобразователей расхода, входящих в состав теплосчётчиков, может производиться при натурных испытаниях, т.е. при проливке их на специальном стенде, либо имитационным способом. В этом случае отпадает необходимость демонтажа преобразователей расхода, установленных на трубопроводах узла учёта.
Теплосчётчик должен соответствовать условиям эксплуатации в системах теплоснабжения. Для водяных систем температура измеряемой среды должна составлять 5 —150 °С. Максимальное давление измеряемой среды, на которое рассчитан теплосчётчик, должно быть не ниже 1,6 МПа.
Приборы учёта должны проводить измерения с заданной точностью. Метрологические требования к приборам учёта сформулированы в [1]. Они соответствуют международным требованиям к приборам учёта.
Согласно [1] должна быть предусмотрена защита прибора учёта от несанкционированного вмешательства в его работу, нарушающего достоверный учёт тепловой энергии, массы или объёма теплоносителя и регистрацию его параметров.