Рекомендации по выбору преобразователей расхода и установке их на трубопроводах узлов учета тепловой энергии
Ю. Н. Осипов, Дирекция «Энергосбыт» ГУП «ТЭК Санкт-Петербурга»
За минувшие годы перестройки появилось много новых отечественных производителей средств автоматизации и, в частности, приборов для измерения тепловой энергии теплоносителя. Нормативные и технические требования к монтажу средств автоматизации остались на уровне 1985–1995 годов и почти полностью отсутствуют для нового приборного парка, имеющего прямое отношение к учету тепловой энергии.
В нормативно-технических документах ассоциации «МонтажАвтоматика» не рассмотрены технические требования к монтажу приборов КИП, применяемых в узлах учета тепловой энергии. В связи с этим в данной статье предпринята попытка рассмотреть ряд вопросов, связанных с особенностями монтажа пребразователей расхода на трубопроводах, которые могут оказывать существенное влияние на метрологические характеристики приборов и конечный результат измерений, а также приведены рекомендации по выбору типов и моделей преобразователей расхода.
Выбор преобразователей расхода следует производить в следующей последовательности:
- Определяется динамический диапазон измеряемых расходов в каждом трубопроводе двух- или четырехтрубных схем присоединения теплопотребляющих установок к тепловым сетям теплоснабжающих предприятий для отопительного и межотопительного сезонов.
- Определяются требуемые нижние пределы измерения преобразователей расхода по п. 5.2.4 «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя».
- Определяются скорости потоков для преобразователей расхода, которые удовлетворяют измерение расхода во всем динамическом диапазоне измеряемых расходов.
- Определяются диаметры условного прохода преобразователей расхода, которые удовлетворяют по допустимым скоростям в трубопроводах для общественных, административно-бытовых и промышленных зданий и помещений.
- Определяется вид преобразования расхода в электрический сигнал и выбирается его тип.
- Определяются потери давления на сужениях для каждого преобразователя расхода и сравниваются с предельно допустимыми значениями.
- Определяется тепловычислитель, алгоритмы которого обеспечивают измерение тепловой энергии для конкретной схемы присоединения в отопительный и межотопительный сезоны.
- Проверяется наличие действующих экспертных заключений и сертификатов соответствия и об утверждении типа измерения теплосчетчика, тепловычислителя и преобразователей расхода.
- Производится проверка возможности использования выбранного типа преобразователя расхода в составе выбранного тепловычислителя по его сертификату об утверждении типа средств измерений и экспертному заключению.
- Проверяется наличие сведений о проведении испытаний на электромагнитную совместимость всех приборов, входящих в выбранную конфигурацию теплосчетчика.
Определение динамического диапазона измеряемых расходов (табл. 1–3)
Динамический диапазон измеряемых расходов определяется для каждого трубопровода узла присоединения с учетом схемы присоединения к тепловым сетям, схемы узла присоединения и схемы летнего горячего водоснабжения.
В случае наличия у потребителя двух и более узлов присоединения от одного ввода следует определять тепловые потери и нормативные утечки в тепловых сетях от общего узла учета тепловой энергии до узлов присоединений и соответственно учитывать эти расходы в расчетах динамического диапазона измеряемых расходов.
Определение динамического диапазона измеряемых расходов на нужды подпитки вторичного контура независимых систем при подключении подпиточного трубопровода после преобразователя расхода следует производить с учетом приведенных ниже условий.
В случае подключения подпиточного трубопровода к трубопроводу горячего водоснабжения после преобразователя расхода (при двухтрубном присоединении) минимальные и номинальные расходы подпиточной воды следует добавить к расходам в трубопроводе Т1 и Т3. Преобразователь расхода, установленный на Т3, должен выдерживать максимальный расход в режиме заполнения системы.
Таблица 1
| Наименование трубопровода | Расход | Схемы узлов присоединения при двухтрубной схеме подключения | |
|---|---|---|---|
| Непосредственная или с элеватором | Непосредственная или с элеватором и с открытым ГВС | ||
| Т1 | Gmax | Gот.ном. + Gв.ном. + Gн.ут. | Gот.ном. + Gв.ном. + + Gгвс max + Gн.ут. |
| Gmin | 0,5Gот.ном. + Gв.min + Gн.ут. | 0,5Gот.ном. + Gв.min + + (0,1÷0,2)Gгвс ср. + Gн.ут. | |
| Т2 | Gmax | Gот.ном. + Gв.ном. | Gот.ном. + Gв.ном. |
| Gmin | 0,5Gот.ном. + Gв.min | 0,5Gот.ном. + Gв.min | |
| Т3 | Gmax | - | Gгвс max |
| Gmin | - | (0,1÷0,2)Gгвс ср. | |
| С насосами смешения или теплообенниками и закрытым ГВС | С насосами смешения или теплообенниками и с открытым ГВС и циркуляцией | ||
| Т1 | Gmax | Gот.ном. + Gв.ном. + + Gб.гвс max + Gн.ут. | Gот.ном. + Gв.ном. + + (1 + К)Gгвс max + Gн.ут. |
| Gmin | 0,15Gот.ном. + Gв.min + + (0,1÷0,2)Gб.гвс ср. + Gн.ут. | 0,15Gот.ном. + Gв.min + + Gн.ут. + Gгвс ср. + | |
| Т2 | Gmax | Gот.ном. + Gв.ном. + Gб.гвс ср. | Gот.ном. + Gв.ном. + Gгвс ср. |
| Gmin | 0,15Gот.ном. + Gв.min + + (0,1÷0,2)Gб.гвс ср. | 0,15Gот.ном. + Gв.min + Gгвс ср. | |
| Т3 | Gmax | - | (1+К)Gгвс max |
| Gmin | - | (0,1÷0,2)Gгвс ср. | |
| Т4 | Gmax | - | Gц.гвс |
| Gmin | - | 0,05Gц.гвс | |
Обозначения:
Gот.ном. – расчетный расход на систему отопления в первичном контуре или до узла смешения при -26°C (для Санкт-Петербурга);
Gв.ном. – расчетный расход на систему вентиляции в первичном контуре при -26°C или -11°C (для Санкт-Петербурга);
Gв.min – расчетный расход на систему вентиляции в первичном контуре при +8°C или полном отключении;
Gгвс max – максимальный часовой расход на ГВС;
Gгвс ср. – среднечасовой расход на ГВС;
Gб.гвс max – максимальный часовой расход через бойлер ГВС при -26°C;
Gб.гвс ср. – среднечасовой расход через бойлер ГВС при -26°C;
Gц.гвс – расчетный циркуляционный расход в системе ГВС;
Gн.ут. – нормативные утечки систем отопления и вентиляции;
К – определяется по табл. 2 или по следующей приближенной формуле К = 0,58713 (2,1 - Gгвс max / Gц)0,6145.
Таблица 2
| Gгвс max/Gц | 1,2 | 1,3 | 1,4 | 1,5 | 1,6 |
| К | 0,57 | 0,48 | 0,43 | 0,4 | 0,38 |
| Gгвс max/Gц | 1,7 | 1,8 | 1,9 | 2,0 | ≥ 2,1 |
| К | 0,36 | 0,33 | 0,25 | 0,12 | 0 |
В случае подключения подпиточного трубопровода к трубопроводу Т2 до преобразователя расхода (при двухтрубном присоединении) минимальные и номинальные расходы подпиточной воды следует добавить к расходам в трубопроводе Т1.
Способ учета подпиточной воды, приведенный в «Правилах учета тепловой энергии и теплоносителя», является самым нерациональным, т. к. требует наличия дополнительного канала измерения в тепловычислителе и применения высокоточного и широкодиапазонного преобразователя расхода. При этом для корректного измерения разности расхода теплоносителя на Т1 и Т2 требуется установка преобразователей расхода с относительной погрешностью ±1 %, при установке на подпиточном трубопроводе – преобразователя расхода с относительной погрешностью ±2 %. Все это приводит к значительному завышению стоимости узла учета при строительстве и эксплуатации.
Нормативная утечка 0,75 % от объема заполнения открытых систем теплопотребления и тепловых сетей потребителя с зависимым присоединением должна учитываться узлом учета.
Таблица 3
| Наименование трубопровода | Расход | Схемы узлов присоединения при четырехтрубной схеме подключения | |
|---|---|---|---|
| - | Непосредственная или с элеватором и с открытым ГВС в тупик | ||
| Т1 | Gmax | - | Gот.ном. + Gв.ном. + Gн.ут. |
| Gmin | - | 0,5Gот.ном. + Gв.min + Gн.ут. | |
| Т2 | Gmax | - | Gот.ном. + Gв.ном. |
| Gmin | - | 0,5Gот.ном. + Gв.min | |
| Т3 G | max | - | Gгвс max |
| Gmin | - | (0,1÷0,2)Gгвс ср. | |
| С насосами смешения или теплообенниками и закрытым ГВС | С насосами смешения или теплообенниками и с открытым ГВС и циркуляцией | ||
| Т1 | Gmax | Gот.ном. + Gв.ном. + Gн.ут. | Gот.ном. + Gв.ном. + + (1 + К)Gгвс max + Gн.ут. |
| Gmin | 0,15Gот.ном. + + Gв.min + Gн.ут. | 0,15Gот.ном. + Gгвс ср. + + Gв.min + Gн.ут. | |
| Т2 | Gmax | Gот.ном. + Gв.ном. | Gот.ном. + Gв.ном. + Gгвс ср. |
| Gmin | 0,15Gот.ном. + Gв.min | 0,15Gот.ном. + Gв.min + Gгвс ср. | |
| Т3 | Gmax | Gб.гвс max | (1 + К)Gгвс max |
| Gmin | (0,1÷0,2)Gб.гвс ср. | (0,1÷0,2)Gгвс ср. | |
| Т4 | Gmax | Gб.гвс ср | Gц.гвс |
| Gmin | (0,1÷0,2)Gб.гвс ср. | 0,05Gц.гвс | |
Для открытых и закрытых систем теплопотребления с независимым присоединением верхний предел измерения преобразователя расхода на подпитке должен охватывать значения максимального расхода через редукционный клапан (регулятор давления прямого действия «после себя»), пропускная способность которого определяется с учетом нормативной утечки, давления в обратном трубопроводе и в трубопроводе прямой воды вторичного контура до насосов. Минимальный измеряемый расход должен нормироваться как 4 % от максимального расхода.
В случае применения электромеханического реле давления и соленоидного клапана максимальный подпиточный расход определяется его пропускной способностью по коэффициенту Кv. В этом случае минимальный расход не нормируется.
Определение нижних пределов измерения преобразователя расхода
Определение нижних пределов измерения преобразователей расхода следует производить по п. 5.2.4 «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя», т. е. 4 % от максимального расхода в каждом трубопроводе.
В ряде случаев расчетный минимальный расход теплоносителя может быть ниже требуемого нижнего предела измерения. В этом случае требования в сторону расширения нижнего предела измерения должен предъявлять потребитель.
Для двухтрубной открытой зависимой или независимой системы присоединения с циркуляцией горячего водоснабжения преобразователь расхода, установленный на подающем трубопроводе горячего водоснабжения, должен охватывать пределами измерения летний минимальный расход при работе в тупик и зимний максимальный расход при минимальной циркуляции, т. е. Gпод гвс max = Gгвс max + Gц min.
Для четырехтрубной открытой зависимой системы присоединения с циркуляцией горячего водоснабжения требования к пределам преобразователя, установленного на подающем трубопроводе, такие же.
Нижний предел преобразователей расхода, установленных на Т1 и Т2, должен охватывать расходы теплоносителя при температуре наружного воздуха 8 °C.
Определение допустимой скорости потока теплоносителя и диаметра условного прохода преобразователя расхода
Скорости потока теплоносителя в преобразователях расхода следует определять при максимальных рабочих параметрах для максимального измеряемого расхода в преобразователе расхода.
При определении требуемого условного прохода преобразователя расхода следует учитывать, что скорость потока максимального расхода теплоносителя в преобразователе расхода не должна превышать допустимых значений допустимого эквивалентного уровня звука в помещении (СНиП 2.04.05–91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование»):
- 1,5 м/с для общественных зданий;
- 2 м/с для административно-бытовых зданий;
- 3 м/с для промышленных зданий.
Требуемые пределы измерения преобразователя расхода определяются таким образом, чтобы измерялся минимальный расход теплоносителя по п. 5.2.4 «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя» и максимальный расход в отопительный период.
Требуемые пределы измерения преобразователя расхода определяются для каждого трубопровода одиночного узла присоединения.
В случае организации общего узла учета для двухтрубного присоединения нескольких узлов присоединений требуется учитывать минимальный летний и максимальный зимний расходы.
В ряде случаев невозможно подобрать преобразователь расхода с соответствующими пределами измерения, и требуется установка преобразователя расхода на летний период. В этом случае следует использовать схему установки летнего преобразователя расхода, приведенную на рисунке.
Определение вида и типа преобразования расхода
При определении требуемого вида преобразования измеряемого расхода следует учитывать достоинства и недостатки каждого вида.
В табл. 4 приведены факторы, оказывающие влияние на измерение расхода теплоносителя. При этом следует учитывать фазовое состояние теплоносителя, динамический диапазон измеряемых расходов, требуемую точность измерения и гидравлические потери давления.
В качестве примера в табл. 5 приведены технические характеристики некоторых преобразователей расхода с учетом вида преобразования измеряемого расхода.
Выбор типа преобразователя расхода осуществляется по основным критериям. К ним следует отнести:
- пределы измерения должны охватывать динамический диапазон измеряемых расходов;
- потери давления при измерении максимального расхода должны удовлетворять допустимым значениям.
Остальные критерии являются второстепенными, и их влияние на выбор вида преобразования не значительно.
Таблица 4
| Факторы, влияющие на измерение расхода |
Вид преобразования | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Вихре- вой индук- цион- ный | Вихре- вой акусти-ческий | Тахо- метри- ческий крыль- чатый | Тахо- метри- ческий турбин- ный | Индук-ционный | Ультра-звуковой корреля-ционный | Ультра-звуковой двуна-правлен- ный | Перепад давлений | |
| Химический состав | + | + | - | - | + | - | - | - |
| Удельная проводимость | + | + | - | - | + | - | - | - |
| Несоосность расходомера к трубам | + | + | + | + | + | - | - | + |
| Сварочные токи | + | + | - | - | + | - | - | - |
| Ферромагнитный осадок | + | - | + | + | + | - | - | - |
| Кальцинированный осадок | + | - | + | + | + | - | - | + |
| Плохое заземление | + | + | - | - | + | - | - | + |
| Температура окружающего воздуха | + | - | - | - | + | - | - | + |
| Электромагнитные наводки | + | + | - | - | + | + | - | + |
| Механические включения | + | - | + | + | - | - | - | - |
| Гидравлическое сопротивление | + | + | + | + | - | - | - | - |
| Износ движущихся деталей | - | - | + | + | - | - | - | - |
Определение гидравлических потерь давления в сужении
К учитываемым местным сопротивлениям относятся строительная длина преобразователя расхода, прямолинейные участки трубопровода, переходы, запорная арматура на участке сужения между переходами.
В расчетах гидравлических потерь давления в сужении следует учитывать влияние коэффициента неравномерности распределения поля скоростей при максимальных значениях рабочих параметров теплоносителя.
Таблица 5
| Тип прибора | Удельная прово- димость, См/м | Динамический диапазон | Относительная погрешность, % | Гидравлические потери, кгс/см2 |
|---|---|---|---|---|
| Вихревой индукционный (ВИ) | ||||
| ВЭПС Т(И) | ≥5•10-4 | ~=(1:25) | ±1 | 0,3 |
| ВЭПС (ПБ) | ≥5•10-4 | ~=(1:31) | ±1,5 | 0,3 |
| Вихревой акустический (ВА) | ||||
| «Метран-300ПР» | - | ~=(1:50) | ±1,5 | 0,3 |
| «Метран-336» | - | ~=(1:35) | ±1,5 | 0,3 |
| Тахометрический крыльчатый (ТК) или турбинный (ТТ) | ||||
| ТЭМ | - | 1:25 | ±2 | 1,0 |
| ВСТ | - | ~=(1:20) | ±2 | 1,0 |
| Индукционный (И) | ||||
| МР200 EESA | ≥5 • 10-4 | 1:257 | ±2 | - |
| РМ-5 | от 10-3до 10 | 1:1000 | ±1 | - |
| ПРЭМ-3 | от 10-3до 10 | 1:450 | ±2 | - |
| Ультразвуковой корреляционный (УК) | ||||
| ДРК-З | - | ~=(1:100) | ± 2 | - |
| Ультразвуковой двунаправленный (УД) | ||||
| Ultraflow | - | 1:50 | ±2 | 0,04 |
| Перепад давлений (ПД) | ||||
| «Метран-350» | - | 1:10 | ±0,5 | 0,1 |
Определение модели тепловычислителя
Выбор тепловычислителя следует производить с учетом следующих критериев:
- преобразователи расхода должны входить в перечень разрешенных к применению в составе теплосчетчика, а их технические характеристики должны удовлетворять условиям эксплуатации;
- преобразователи расхода, тепловычислитель и теплосчетчик должны иметь действующие сертификаты соответствия со сведениями о проведении испытаний на электромагнитную совместимость, экспертные заключения, сертификаты об утверждении типа средств измерения;
- тепловычислитель должен иметь требуемое количество каналов измерения расхода, температуры, давления и обладать алгоритмами, необходимыми для обеспечения учета тепловой энергии теплопотребляющей установки в отопительный и межотопительный периоды в соответствии с требованиями «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя»;
- комплекты термопреобразователей сопротивления должны входить в перечень преобразователей, разрешенных к применению в составе теплосчетчика, и иметь действующие сертификаты об утверждении типа средств измерения;
- преобразователи давления должны входить в перечень преобразователей, разрешенных к применению в составе теплосчетчика, и иметь действующие сертификаты соответствия и сертификаты об утверждении типа средств измерения;
- межповерочный интервал измерительных приборов тепло-счетчика следует подбирать с одинаковыми значениями.
Монтаж преобразователей расхода
Установку преобразователей расхода на трубопроводах узлов учета тепловой энергии следует производить в соответствии с согласованным рабочим проектом, действующими правилами, нормами, инструкцией по эксплуатации изготовителя и техническими требованиями к монтажу сборочного узла измерительных участков преобразователя расхода (СУ).
Технические требования должны содержать сведения о допусках непараллельности, неперпендикулярности и несоосности деталей СУ.
Сварку стыковых швов соединений типа «концентрический переход – прямолинейный участок» и «прямолинейный участок – плоский фланец» следует производить по техническим требованиям к монтажу сборочного узла в соответствии со сборочным чертежом, в котором должны быть представлены сведения о толщине стенок и наружном диаметре прямолинейных участков и концентрических переходов, а также требования к разделке кромок под сварку. Предъявление сертификатов соответствия для деталей в эксплуатационной документации обязательно. Соединения типа «труба в переход» и наличие ступеньки между внутренними диаметрами преобразователя расхода и прямолинейного участка недопустимы.
Преобразователи расхода и присоединительные детали должны иметь отверстия, подготовленные для пломбирования в целях исключения несанкционированного демонтажа.
Переходы конфузорно-диффузорного типа должны иметь сборочный чертеж, технические требования на изготовление и монтаж, акт испытаний на прочность с применением методов неразрушающего контроля. Технические требования на изготовление должны содержать сведения о чистоте обработки внутренней поверхности изделия и продольных швов, эллипсности, неперпендикулярности, непараллельности, разделке торцов и кромок в соответствии с требованиями действующих стандартов, а также о способе монтажа.
Длина прямолинейных участков должна соответствовать требованиям инструкций по эксплуатации изготовителя с учетом влияния ближайшего местного сопротивления.
Наличие выступающего грата на продольных и поперечных сварных швах сборочного узла недопустимо.
В качестве материала для изготовления прямолинейных участков удобно применять трубы стальные бесшовные холоднодеформированные по ГОСТу 8734–75. В качестве составных переходов следует применять кованые стальные переходы по ГОСТу 22826–83, для одиночных переходов – по ГОСТу 17378–01 исполнения 1 или 2.
В случае применения одиночных переходов исполнения 2 длина прямолинейных участков должна быть увеличена в соответствии с рекомендациями изготовителя для местного сопротивления данного типа. Для переходов исполнения 1 допускается сохранение минимальных длин, т. к. угол раскрытия переходов находится в интервале (7–20)° в зависимости от их длины.
В случае применения комплекта переходов конфузорно-диффузорного типа с продольными сварными швами, каждый комплект должен иметь акт о прохождении термообработки по режиму нормализации как детали, подвергавшиеся пластической деформации при температуре ниже 70 °C. В акте следует указывать номера комплектов, прошедших термообработку, и полное отсутствие сварного грата.
Спецификация оборудования и материалов рабочего проекта должна содержать сведения о ремонтных вставках для периодической метрологической поверки и ремонта преобразователей расхода. Ремонтные вставки должны иметь технические требования на изготовление и монтаж, паспорт на изделие.
При установке преобразователей расхода на сужении следует фиксировать трубопровод до и после сужения на неподвижных опорах с одинаковой отметкой для исключения искривления измерительного участка в результате ослабления трубопровода.
Измерительный участок, переходы и отборные устройства для измерения температуры необходимо изолировать тепловой изоляцией с составлением акта скрытых работ. В акте следует указывать:
- тип и толщину тепловой изоляции;
- тип, наружный диаметр, толщину, длину трубопроводов измерительных участков;
- тип, диаметры, толщину, длину конических переходов;
- катеты и качество сварных швов.