Приборы для энергоаудита

Математически тепловая энергия изменяющегося теплового потока теплоносителя, прошедшая через трубопровод за определенный интервал времени, в общем случае может быть представле­на, как

Q = jmhdt = JVhdt

0

Где m — массовый расход теплоносителя, V — объемный расход теплоносителя, h — энтальпия теп­лоносителя, t0 и t1 — моменты времени, соответствующие началу и окончанию измерений.

Энтальпия является функцией температуры и давления теплоносителя. Таким образом, тепловая энергия зависит от текущих параметров теплоносителя (массового расхода, температуры и давле­ния) и интервала времени, в течение которого проводятся измерения. Уравнение измерений теп­ловой энергии при реализации в средствах измерений, методиках выполнения измерений преоб­разуют, заменяя интеграл конечными суммами, а энтальпию и плотность теплоносителя выражают через соответствующие уравнения состояния.

Qi =Z Gjhj

Где Qi-тепловая энергия, соответствующая i-ому интервалу времени, Gi-масса теплоносителя, прошедшего через трубопровод за i-й интервал времени, hi-энтальпия теплоносителя, соответст­вующая i-ому интервалу времени, n-количество интервалов времени измерения. Погрешность из­мерений в результате замены интеграла суммой указывается в паспорте прибора или приводится в методике выполнения измерений. Вычислительный алгоритм, заложенный в прибор, должен со­ответствовать схеме подключения потребителя и обязательно соответствовать Правилам учета тепловой энергии.

Универсальным уравнением расчета потребленной тепловой энергии, которое должно реализовы — ваться в системе учета тепловой энергии, является следующее:

Q = G1 (h1 — hвX)-G2 (h2 — hвX),

Где G1 — расход теплоносителя по подающему трубопроводу, h1 — энтальпия теплоносителя в по­дающем трубопроводе, G2 — расход теплоносителя в обратном трубопроводе, h2 — энтальпия теп­лоносителя в обратном трубопроводе, h^ — энтальпия холодного теплоносителя, поступающего в систему.

Уравнение названо универсальным потому, что применимо как для закрытых, так и для открытых систем теплоснабжения. Схема и алгоритм измерения любого теплосчетчика должны реализовы — вать универсальное уравнение. Для этого на прямом и обратном трубопроводах измеряются мас­совые расходы, температуры и давления теплоносителей. Алгоритм расчета содержит определе­ние энтальпии (или плотности) для каждого потока по измеренным температурам и давлениям и вычислению разности в каждый момент времени, в который регистрируются текущие параметры, и вычисляется потребляемая тепловая мощность.

Классификация теплосчетчиков

По заложенному в конструкцию узла учета алгоритму вычисления следует различать комплекты, предназначенные для работы только в закрытых системах и универсальные, котррые будут пра­вильно работать как в закрытых, так в открытых системах. За рубежом распространены только за­крытые (в том числе и индивидуальные) системы теплопотребления. Поэтому практически все приборы учета выпускаемые западными фирмами предназначены для работы в закрытых систе­мах теплопотребления.

Другая классификация теплосчетчиков — по типу приборов, измеряющих расходы и входящих в комплект теплосчетчика. По принципу действия различают расходомеры:

1) на сужающем устройстве (диафрагма, сопло, труба Вентури)

2) ротационные (крыльчатые) расходомеры

3) электромагнитные

4) ультразвуковые

5) шариковые расходомеры

6) вихревые.

Первый тип теплосчетчиков методически наиболее отработан и применяется в течение относи­тельно длительного времени. К недостатку следует отнести их относительную сложность и нали­чие вполне определенного гидравлического сопротивления, уменьшающего располагаемый пере­пад давления в системе теплопотребления. Не везде возможно применение такого типа тепло­счетчика без ограничения качества теплоснабжения.

Второй тип теплосчетчиков основан на ротационном принципе и требует гарантированного качест­ва теплоносителя по чистоте от взвесей и вредных или агрессивных примесей.

Теплосчетчики, основанные на электромагнитном принципе измерения расхода чувствительны к содержанию железоокисных отложений в трубопроводах. В условиях России распространены сис­темы со стальными трубопроводами и стальными отопительными приборами. Сами системы име­ют неудовлетворительные показатели по содержанию воздуха (и кислорода) в циркулирующей в системах воде.

Метрологически наиболее перспективны ультразвуковые расходомеры в составе теплосчетчиков. Существенным преимуществом электромагнитных и ультразвуковых преобразователей давления является то, что они не представляют гидравлического сопротивления.

Шариковые расходомеры обладают достаточной точностью и простотой конструкции. Кроме того, они не предъявляют жестких требований к качеству теплоносителя (воды).

Подводя итоги к выбору типа преобразователя давления в составе комплекта для измерения ко­личества тепловой энергии следует отметить, что наиболее проработанными в методическом пла­не и достоверными в своем диапазоне измерений являются теплосчетчики использующие тради­ционный метод измерения перепада давления на сужающем устройстве (например, СПТ-920, СПТ-941, СПТ-960). Его наладка и эксплуатация требует определенной подготовки пользователя. Приборы, основанные на других принципах измерения давления: вихревом, электромагнитном и ультразвуковом имеют ряд указанных преимуществ, но и обладают индивидуальными слабыми сторонами. Например, электромагнитные датчики чувствительны к содержанию соединений желе­за в воде, ультразвуковые расходомеры чувствительны к твердым взвесям и газовым включениям, у расходомеров типа вертушек ненадежна механическая часть.

При выборе теплосчетчика важно убедиться, что заложенный в нем вычислительный алгоритм со­ответствует схеме подключения потребителя. Кроме того следует обращать внимание на требова­ния датчиков к качеству воды, это обеспечит надежную работу датчика в течение всего периода эксплуатации. Приборы, рассчитанные на массового пользователя должны быть просты в эксплуа­тации и доступны для обслуживания.

Достаточно хорошо известно около десяти ультразвуковых портативных расходомеров, исполь­зующих в качестве первичного преобразователя пьезоэлектрические датчики, работающие в ульт­развуковом диапазоне. Например, Portoflow -300 MK-IIR (фирмы Mikronics, Великобритания), UFM — 600 (фирмы KROHKE, Германия), UDM-100 (фирмы Seba Dinatronic, Германия), DDF-3088 (фирмы Peek Measurement, США), Днепр-7 (Россия).

Принцип измерения расхода основан на базовом понятии эхолокации потока. Известно, что время распространения акустических волн вдоль течения жидкости меньше времени их распространения против течения и меньше времени распространения волн в неподвижной жидкости. Расходомер состоит из генератора ультразвуковых импульсов, излучателя сигналов, приемника сигналов, де­тектора и измерителя временных интервалов. Генератор формирует короткий ультразвуковой им­пульс, который одновременно запускает измеритель временных интервалов. Излучатель направ­ляет сформированный импульс вдоль измеряемого потока. Приемник улавливает эхо-импульс и останавливает измеритель временных интервалов. Измеряемая задержка dt эхо-импульса обратно пропорциональна скорости V потока жидкости в трубе. Зная скорость звука в измеряемой среде, площадь сечения трубы S и плотность среды р, можно вычислить объемный и массовый расход теплоносителя.

L = V • S • dt, где V 1/dt — объемный расход G = р • V • S • dt — массовый расход

Расходомер PortoFlow-300 предназначен для измерения скорости движения жидкости по цилинд­рическим трубопроводам и объемного расхода методом, основанным на регистрации разницы времени прохождения ультразвукового сигнала по потоку жидкости и против ее движения. Пре­имущество этого прибора является то, что измерения могут проводиться на трубопроводах, изго­товленных из любого материала и практически любого диаметра. Для измерения нет необходимо­сти вводить с помощью врезки первичных преобразователей (излучателей и приемников сигналов) в трубопровод, так как датчики накладываются на наружную поверхность.

Расходомер DDF-3088 предназначен для измерения средней по сечению скорости движения и объемного расхода теплоносителя в цилиндических трубопроводах методом, основанном на эф­фекте Допплера. Преимущества те же, что и портативных расходомеров типа PortoFlow, а недос­татком является слабая чувствительность при малой скорости движения измеряемой среды и не­возможность регистрации нулевого расхода.

Портативный доплеровский ультразвуковой расходомер-счетчик Днепр-7 является прибором об­щепромышленного назначения с широким диапазоном контролируемых сред и накладным монта­жом ультразвуковых датчиков. Явлением Доплера называется зависимость частоты волн, воспри­нимаемых приемником, от скоростей движения источника волн приемника по отношению к среде, в которой распространяется волна. Частоты волн, в которых работают ультразвуковые расходомеры составляет до 50 МГц. Положительные и отрицательные свойства такие же, как и у первых двух расходомеров, Расширен диапазон измеряемых сред. В качестве контролируемой среды может быть вода (чистая питьевая, сточная, горячая (кроме оборотной) речная, с примесями, аэрирован­ная и т. д.), кислоты, щелочи, спирты и их растворы и т. д., а также насыщенный водяной пар при температуре от 100 °С до 200 °С. При индивидуальной градуировкке возможна работа на мазуте и воздухе. Прибор позволяет проводить измерения расхода в трубопроводах с отложениями. Расхо­домер обеспечивает непрерывное зондирование жидкости ультразвуковыми импульсами постоян­ной частоты и преобразование доплеровсокго сдвига частотного спектра отражений, зависящего от скорости потока, в импульсный сигнал пропорциональной частоты, его обработку и цифровое измерение и индикацию мгновенного значения расхода жидкости.

Обобщая технические данные различных расходомеров можно указать основные их параметры (таблица 1).

Особенности применения портативных расходомеров.

Для пересчета средней скорости жидкости в величину объемного расхода необходимо знать пло­щадь поперечного сечения трубопровода. Поскольку непосредственное измерение внутреннего диаметра трубопровода нарушения его целостности невозможно, то применяют косвенный метод: измеряют наружный диаметр и толщину стенки трубопровода ультразвуковым толщиномером, а затем вычисляют внутренний диаметр.

Процесс измерений включает в себя:

♦ выбор места установки датчиков на трубопроводе

♦ установку датчиков

♦ обеспечение звукового контакта со стенкой трубопровода

♦ определение наружного диаметра трубопровода

♦ определение толщины стенки трубопровода

♦ вычисление площади поперечного сечения.

Каждая из этих операций может стать источником неточности и повлиять на точность определения расхода. Например, условием правильного выбора места установки датчиков является наличие прямого участка трубы не менее 10 Ду перед местом установки и 5 Ду — после места установки. Датчики устанавливаются на поверхность, очищенную от грязи, краски и ржавчины. Место уста­новки для лучшего звукового контакта покрывается специальной смазкой. Измерения наружного диаметра трубопровода осуществляются штангенциркулем (Ду<200 мм) в двух взаимно перпенди­кулярных направлениях или рулеткой (Ду>200 мм) в двух сечениях, в последнем случае диаметр вычисляется по средней измеренной длине окружности. Толщину стенки рекомендуется опреде­лять, как среднюю по не менее 5 измерениям в различных точках по окружности трубы, причем результат каждого измерения не должен отличаться более чем на 5% от среднего значения. Как правило, указанные методические требования позволяют проводить измерения расхода среды в пределах 3-5% в диапазоне расходов от 3 до 100% и температуре жидкости от 3 до 150 °С.

Задачи применения портативных измерителей расхода в процессе энергоаудита:

♦ экспресс-обследование узла теплового ввода для определения экономического эффекта, по­лучение которого возможно в результате установки приборов учета потребляемой тепловой энергии

♦ проведение измерений с целью правильного подбора типоразмера стационарного датчика расхода

♦ проверка материального баланса в точке теплосети

♦ определение потребления тепловой энергии объектом (зданием, организацией, промышлен­ным предприятием) при проведении его энергетического обследования.

При экспресс-обследовании теплового узла до его реконструкции с помощью переносных прибо­ров проводятся измерения потребляемой тепловой энергии, на основании которых проводятся расчеты часовых, месячных и годовых расходов тепловой энергии. Результаты этих расчетов сравниваются с действующими договорами с энергоснабжающими организациями и платежными требованиями, выставляемыми на основании этого договора. Такое сравнение позволяет сделать вывод об эффекте, который получит потребитель в результате перехода на приборный способ расчета за потребляемую энергию.

Большинство типов стационарных расходомеров имеют достаточно узкий диапазон измеряемого расхода. Поэтому для правильного его выбора предварительно надо измерить фактический рас­ход теплоносителя в реальных режимах эксплуатации сети. Измерения в этом случае могут быть выполнены с небольшой точностью, важно выявить диапазон измеряемых расходов.

При проверке материального баланса сети измерения проводятся с максимально возможной точ­ностью. В этом случае сравниваются расходы в прямом и обратном трубопроводах участка сети.

Бесконтактные (инфракрасные) термометры

Переносные бесконтактные термометры предназначены для

♦ температурного контроля в подающих и обратных трубопроводах, камерах тепловых сетей, в узловых точках сетей, в центральных и индивидуальных тепловых пунктах;

♦ поиска мест прохождения тепло — и водомагистралей;

♦ поиска мест утечек горячей воды;

♦ проверки теплоизоляции зданий и сооружений;

♦ определения мест повреждения теплоизоляции и промерзания стен;

♦ измерения температуры удаленных и труднодоступных объектов;

♦ измерения температуры частей, не допускающих прикосновение (дефектных электроконтакт­ных соединений, трансформаторов, электродвигателей и других установок без отключения на­пряжения).

Принцип действия.

Бесконтактные термометры используют принцип детектора инфракрасного (теплового) излучения. Интенсивность и спектр излучения тела зависят от его температуры. Измеряя характеристики спектра излучения тела в инфракрасном диапазоне волн, прибор косвенно определяет температу­ру его поверхности.

Основные характеристики

1) Диапазон температур и длина волны.

Рабочий диапазон температур зависит от длины волны излучения, на которую реагирует детектор прибора. Чем выше температура тела, тем короче длина волн в инфракрасном диапазоне. Высо­котемпературные приборы имеют более короткую длину волн. Потребителя интересует темпера­турный диапазон работы термометров. Рабочий диапазон бесконтактных термометров от -30 до 900°С. Существуют термометры специального назначения (с расширенным диапазоном измерения — от-30 до 1200 °С и высокотемпературные с диапазоном от 600 до 3000°С) .

2) Быстродействие.

Быстродействие оценивается временем достижения 95% установившегося состояния (время уста­новления показаний). Время установления показаний для этих приборов составляет от 0,3 до 0,5 секунд.

3) Установка коэффициента излучения.

Точность измерения температуры зависит от установки коэффициента излучения тела (степени черноты). Большинство поверхностей по этой характеристике приближаются к абсолютно черному телу, но некоторые существенного от него отличаются (например, полированные поверхности). Простые приборы имеют фиксированный коэффициент излучения (0,95), погрешность измерения при этом может достигать нескольких градусов. Более сложные приборы позволяют его устанав­ливать, компенсируя погрешность измерений. Термометры с регулируемой степенью черноты имеют большую чувствительность (0,1 °С по сравнению с 0,2 °С для термометров с фиксирован­ным коэффициентом излучения).

Погрешность измерений 1-2% от показаний.

Оптическое разрешение.

Температура окружающей среды 0-50 °С.

Отображение измеренных значений в цифровом виде на экране дисплея. Дополнительные функции.

В зависимости от типа термометра помимо отображения текущей температуры возможен набор дополнительных сервисных функций:

♦ — запоминание разности температур, минимальной, максимальной и средней температуры;

♦ — встроенная таблица коэффициентов излучения;

♦ — аналоговый и цифровой выходы измеренного значения;

♦ — звуковой и световой сигнал при измерении температуры ниже заданной;

♦ — память на 100 значений температуры;

♦ — регистрация температуры с заданным интервалом времени;

♦ — порт для подключения компьютера или принтера;

♦ — дополнительный вход для подключения термопары. Контактные термометры

Предназначены для измерений температуры контактным методом. Термометр состоит из элек­тронного блока и набора датчиков температуры, представляющих собой термопары и термометры сопротивления в различных конструктивных исполнениях. Типовой комплект контактного термо­метра, как правило, представлен:

♦ термопарой для измерения температуры поверхности;

♦ погружной термопарой для измерения температуры сыпучих и жидких сред;

♦ бескорпусной термопарой для измерения температуры воздуха.

Конструктивно термопары могут быть встроены в корпус с ручным держателем. В зависимости от типа корпуса они подразделяются на воздушные(для измерения температуры воздуха и других газов), поверхностные (для измерения температуры поверхности твердых тел) и погружные (для измерения температуры в объеме жидких и сыпучих веществ).

Существуют специальные конструкции корпуса термопар, например клещи, предназначенные для закрепления на трубах систем теплоснабжения, или магнитные термопары, которые крепятся на металлические поверхности с помощью магнита.

Выпускаются бескорпусные термопары, представляющие собой два свитых провода в изоляции. Они характеризуются быстрой тепловой реакцией и применяются для замеров температуры на поверхности или в объеме среды.

В качестве сменных датчиков температуры используются стандартные термопары:

♦ хромель-алюмель (тип К по международной классификации, диапазон измерения температуры составляет от-50 до 1000 °С)

♦ хромель-копель (тип J по международной классификации, диапазон измерения температуры составляет от-50 до 600 °С)

Электронные блоки термометров могут иметь до двух переключаемых диапазонов измерения. Бо­лее узкий диапазон измерения характеризуется более высоким разрешением и точностью.

Выпускаются записывающие

Контактные термометры, имеющие память для хранения результатов до 6000 измерений, а также возможность проведения измерений с заданной частотой (периодичность измерений от 1 с до 24 часов). Такие термометры могут работать в комплекте с компьюте­ром.

Основные характеристики контактных термометров, комплектующихся

Термопарами типа К представлены в таблице 2.