УСТРОЙСТВО УЗЛА УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройству узла учета тепловой энергии и количества теплоносителя для водяных систем теплоснабжения.
Известно устройство узла учета тепловой энергии и количества теплоносителя. Блок-схема градуировки расходомеров открытой системы теплопотребления содержит объемные расходомеры (водосчетчики) подающего и обратного трубопроводов, водосчетчик горячего водоснабжения и теплообменник. Водосчетчики и теплообменник между собой последовательно соединены. Водосчетчик в канале (трубопровода воды) горячего водоснабжения через два управляемых вентиля соединены параллельно с подающими и обратными каналами (трубопроводами). Устройство открытой системы разбивается на две группы: открытую, состоящую из двух управляемых вентилей и водосчетчика горячего водоснабжения, и закрытую с утечками (расхода воды), состоящую из двух водосчетчиков и теплообменника. При этом в открытой подсистеме количество теплоносителя в водоснабжении определяется по показанию водосчетчика в этом канале, а количество тепловой энергии по уравнению для однотрубной системы теплоснабжения.
Такое решение позволяет градуировать узлы учета тепловой энергии и количества теплоносителя в разных отраслях промышленности. (Как уменьшить измерение тепловой энергии и утечки теплоносителя. Журнал. Законодательная и прикладная метрология. №5, 2002 стр.6-13, автор И.Ю.Шешуков).
Недостатки предлагаемого устройства состоят в том, что взаимная настройка расходомеров проводится без применения эталонного расходомера, за эталонный расходомер в устройстве принимается один из двух настраиваемых расходомеров, имеющих одинаковые метрологические характеристики,
что противоречит государственной системе обеспечения единства измерений, где сличения рабочих средств измерений должно проводится с эталонными средствами измерений. Кроме того, чтобы проводить работы на данном устройстве необходимо полностью отключать отопление на объекте, что зимой при существенных морозах не приемлемо
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является устройство узла учета тепловой энергии и количества теплоносителя. Устройство содержит в подающем и обратном каналах (трубопроводах) расходомеры. Диаметры труб в подающем и обратном каналах одинаковые (32 мм). Расходомер с диаметром условного прохода 10 мм в байпас-ном канале имитирует измерения в трубопроводе (канале) горячего водоснабжения (ГВС). На выходе каналов обратного и ГВС подсоединены весы. Значение расхода теплоносителя через расходомер канала горячего водоснабжения изменялось от 0,09 т/ч до 2,8 т/ч. При этом значение расхода расходомера подающего канала, подбиралось таким образом, чтобы значение расхода обратного канала было постоянно. Измерения проводились в течении трех дней непрерывно.
Максимальное расхождение по весам 23,3%, по подающим трубопроводам 2,2%, обратным 3,3% и горячего водоснабжения 23,4%.
Такое решение позволяет градуировать узлы учета тепловой энергии и количества теплоносителя и оценить погрешности градуировки в открытой и закрытой системах теплоснабжения (Методическая ошибка при линейной аппроксимации характеристик погрешности расходомеров. В книге. Симпозиум «Мир измерений. Вода, тепло, газ. 9-11 ноября 2004 г.» Сборник докладов. СПб, 2004, с.138-148, авторы А.Г.Сафин, В.М.Кузовков).
Недостаток этого устройства: измеренное значение утечки теплоносителя по разности показаний расходомеров прямого и обратного каналов до 20%. отличается от показаний расходомера канала ГВС, хотя погрешности всех расходомеров по результатам индивидуальной градуировки не превышают ±0,5%. Точность определения массы утечки теплоносителя зависит от
наклона градуировочной характеристики канала ГВС. Недостатком является также то, что исследования проводятся на установке в лабораторных условиях и перенос результатов на реальный объект приведет к возникновению трудно контролируемой дополнительной погрешности.
Задачей настоящего изобретения является расширение области применения, снижение погрешности измерений тепловой энергии и количества теплоносителя, отобранного из тепловой сети (утечки) за счет созданного устройства градуировки расходомеров теплосчетчика, установленных на подающем и обратном трубопроводах. Мобильность созданного устройства позволяет использовать его для градуировки расходомеров на месте эксплуатации в узле учета тепловой энергии и массы теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения, которое является компактным и не дорогим.
Технический результат достигается тем, что в устройстве узла, учета тепловой энергии и количества теплоносителя, содержащем трубопроводы подающий, обратный байпасный и индикатор в подающем и обратном трубопроводах последовательно соединены по одному электромагнитные расходомеры, электромагнитный расходомер в байпасном трубопроводе параллельно соединен с электромагнитным расходомером в обратном трубопроводе выходы электромагнитных расходомеров соединены с индикатором, в нем дополнительно введены два байпасных трубопровода, причем каждый байпасный трубопровод оснащен эталонными расходомером и преобразователем температуры, не менее восьми запорных шаровых кранов, одного регулируемого вентиля, подающий трубопровод оснащен рабочими расходомером, термопреобразователем сопротивления и запорным шаровым, краном, обведенным с обеих сторон первым байпасным трубопроводом, соединенным с обоих концов с подающим трубопроводом с помощью запорных шаровых кранов, обратный трубопровод оснащен рабочим расходомером, термопреобразователем сопротивления и запорным шаровым краном с обеих сторон обведенным вторым байпасным трубопроводом, с обоих концов соединенным с обратным трубопроводом запорными шаровыми кранами, третий байпасный
трубопровод подсоединен к обратному трубопроводу с одной стороны запорным шаровым краном, с другой стороны регулируемым вентилем, и обводит на обратном трубопроводе рабочий расходомер, термопреобразователь сопротивления, запорный шаровой кран и второй байпасный трубопровод, между подающим и обратным трубопроводами имеется теплообменный контур, оснащенный трубопроводом горячего водоснабжения, соединенный с теплообменным контуром с помощью не менее чем одним запорным шаровым краном и не менее, чем одним запорным шаровым краном для удаления воздушных пробок.
На фиг.изображена принципиальная схема узла учета тепловой энергии и количества теплоносителя. На узле учета имеются блоки проверки (градуировки) расходомеров для теплосчетчика, например, теплосчетчика типа КМ-5. Устройство для градуировки расходомеров во время их работы (эксплуатации) содержит подающий трубопровод 1, на котором последовательно установлены термопреобразователь сопротивления ТС1, рабочий электромагнитный расходомер (ЭР) 4, запорный шаровой кран 7, который охвачен с обеих сторон первым байпасным трубопроводом 1*, соединенным с подающим трубопроводом двумя запорными шаровыми кранами 5 и 5*. На первом байпасном трубопроводе последовательно установлены преобразователь температуры ПТ1 и эталонный ЭР 6. Подающий 1 и обратный 2 трубопроводы соединены между собой теплообменным контуром 3*, к которому присоединен запорным шаровым краном 8* трубопровод горячего водоснабжения ГВС и не менее одного не опломбированного вентиля 8 для оперативного удаления из водяной системы теплоснабжения воздушных пробок, препятствующих нормальному теплоснабжению. Обратный трубопровод 2 оснащен рабочим ЭР 9, ТС2 и запорный шаровой кран 11*, которые установлены последовательно. Запорный шаровой кран 11* охвачен с обеих сторон вторым байпасным трубопроводом 2* соединенным с обоих концов с обратным трубопроводом запорными шаровыми кранами 12 и 12*. На втором байпасном трубопроводе последовательно установлены эталонные ЭР 13 и ПТ2. Третий
байпасный трубопровод 3 соединен с обратным трубопроводом 2 с одного конца запорным шаровым краном 10, с другого конца регулируемым вентилем 10* и обводит рабочий ЭР 9, ТС2, запорный шаровой кран II* и второй байпасный трубопровод 2*. На третьем байпасном трубопроводе 3 последовательно установлены эталонный ЭР 11 и ПТЗ. В индикатор 14 подаются измерительная информация с рабочих и эталонных рабочих расходомеров, термопребразователей сопротивления и преобразователей температуры, В индикаторе происходит обработка полученной информации и выдача протоколов о результатах проверки, градуировки и т.п.
Подающий, обратный трубопроводы, оснащенные рабочими ЭР ТС1и ТС2, запорные шаровые краны и регулируемые вентили, теплообменный контур с трубопроводом ГВС и кранами для удаления воздушных пробок являются штатными для узла учета и находятся на нем постоянно в процессе эксплуатации. Переносными являются байпасные трубопроводы и монтируемые на них эталонные ЭР и ПТ.
Проверка (градуировка) рабочих ЭР и ТС производится с помощью эталонных ЭР и ПТ, характеристики которых определены предварительно на специальных высокоточных исходных эталонах. Рабочие ЭР и ТС также были градуированы
Задача, решаемая с помощью предлагаемого устройства, состоит в проверке соответствия характеристик рабочих ЭР и ТС, получаемых в процессе их эксплуатации, установленным для них нормируемым метрологическим характеристикам. Поставленная задача достигается следующим образом
1. Закрывают запорные краны на трубопроводе ГВС 8 и в местах удаления из сети воздушных пробок 8*, для устранения отбора теплоносителя из сети;
2. Присоединяют байпасные трубопроводы с установленными на них эталонными ЭР и ПТ, при этом запорные шаровые краны 5, 5*, 10, 12 и 12*.
Регулируемый вентиль 10* не открывают.
3. В исходном положении запорный шаровой кран 7 и регулируемый вентиль 11* должны быть полностью открыты;
4. Открываются запорные шаровые краны 5 и 5*, 12 и 12*, затем запорный шаровой кран 7 и регулируемый вентиль II* полностью закрываются.
1эт
1
5. По показаниям эталонных ЭР 6 и ПТ1 вычисляют эталонное значение массового расхода m в подающем трубопроводе, а по показаниям Рабочих ЭР 4 и ТС 1 вычисляют измеряемое значение массового расхода в подающем трубопроводе m. В обратном трубопроводе эталонное значение массового расхода определяется по показаниям эталонных ЭР13 и ПТ2, а измеряемое значение массового расхода по показаниям рабочих ЭР9 и ТС2. Расчеты проводят по методике изложенной в нормативном документе МИ 2412-97.
6. Сличая результаты измерений рабочих ЭР 4 и ТС1 с эталонными ЭР 6 и ПТ1, а также ЭР 9 и ТС2 с эталонными ЭР 13 и ПТ2, определяют поправки к показаниям рабочих средств измерений.
7. Процедуру п.п.5, 6 можно проводить неоднократно.
8. С помощью регулируемого вентиля 11* расход теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе изменяют и действия, указанные в п.п.5-7 проводят неоднократно.
9. Проводят проверку правильности определения массы отобранного из сети теплоносителя по разности показаний рабочих расходомеров ЭР 4,9 и ТС 1,2. Для этого:
- Открывают полностью запорный шаровой кран 7 и регулируемый вентиль 11*;
- Закрывают запорные шаровые краны 5 и 5*, 12 и 12*;
1
2
10. При полностью закрытых запорном шаровом кране 10 и регулируемом вентиле 10* (без отбора теплоносителя из сети) определяют разность массовых расходов, m, измеренного с помощью ЭР 4, ТС1, и m, измеренного с помощью ЭР 9, ТС2, которая должна быть равна нулю, однако из-за погрешностей, в том числе методических, это условие может не выполняться,
y
1
2
поэтому по результатам проведенных измерений вычисляют поправку Δ=m-m
11. Процедуру п.10 повторяют многократно.
эт
1
2
1
2
эт
12. Открывают полностью шаровой кран 10. Далее с помощью регулируемого вентиля 10* на третьем байпасном трубопроводе имитируют отбор теплоносителя из открытой водяной системы теплоснабжения, измеряя значение массового расхода отбираемого из сети теплоносителя Δm с помощью эталонных ЭР 11 и ПТ3. Затем расход, отбираемого из сети теплоносителя Δm, вычисляется по разности массовых расходов, m, измеряемого с помощью ЭР 4, ТС1, и m, измеряемого с помощью ЭР 9, ТС2, т.е. Δm=m-m. Затем значение Δm сличают с эталонным значением Δm и по результатам этого сличения определяют поправку к измеряемому значению, полученному с помощью рабочих средств измерений.
13. Процедура п.12 повторяется многократно.
14. С помощью регулируемого вентиля 10* изменяют значение массового расхода в третьем байпасном трубопроводе.
15. Действия п.п.12-14 повторяют многократно.
Таким образом, завершен процесс проверки и корректировки показаний рабочих ЭР и Т теплосчетчика на месте их эксплуатации, что позволяет повысить точность измерений тепловой энергии и количества теплоносителя на узле учета.
-3
В устройстве эталонные и проверяемые (градуируемые) расходомеры - прямого действия скорости потока с индукционной системой. Поскольку только такие расходомеры обеспечивают градуировочную характеристику, наиболее близкую к линейной (Р 50.2.026 - 2002 Термопреобразователи сопротивления и расходомеры электромагнитные в узлах коммерческого учета теплоты). Теплоноситель протекает через проточную часть расходомера расположенную в магнитном поле, индукция которого равна В. Тогда в жидкости, электропроводность которой должна находиться в пределах 10-10 См/м (что выполняется, в том числе для теплофикационной воды) индуцируется
электрический заряд и образуется разность потенциалов e=νBd, (где d - внутренний диаметр трубопровода), которая измеряется с помощью электродов. Выражение для е можно представить, как: , где Q - средний расход жидкости в мл/с.Питание расходомера осуществляют переменным или постоянным напряжением. Питание переменным напряжением устраняет электролитическую поляризацию расходомера, если частота достаточно высокая, а также позволяет использовать усилитель переменного тока (индикатор 32 содержит эти усилители) для усиления выходного сигнала расходомера. Выходное напряжение расходомера не зависит от характера потока ламинарный или турбулентный, и от профиля скорости потока, если он близок к осесимметричному. Однако значимая осевая не симметрия профиля скоростей потока может влиять на показания расходомера, поэтому перед расходомерами применяют прямые участки трубопроводов, на которых профиль скоростей стабилизируется.
Ошибки при измерении объемного расхода теплоносителя могут возникать из-за паразитного напряжения между электродами расходомера. Эти напряжения появляются вследствие гальванических потенциалов между электродами и другими металлическими частями, а также при поляризации расходомера напряжением постоянного напряжения. Величина случайных шумов, возникающих в расходомере, и влияние внешних электромагнитных полей увеличивается с ростом сопротивления теплоносителя.
Наилучшие результаты при градуировке (поверке) электромагнитных расходомеров, могут быть достигнуты для теплосчетчиков выпущенных из производства с отработанной технологией и качественной сборкой, например, теплосчетчики типа КМ-5.
В устройстве запорные шаровые краны представляют собой готовые покупные изделия, позволяющие вручную полностью открывать, либо прекращать подачу воды. Управляемый регулируемый вентиль 10* позволяет
вручную регулировать расход теплоносителя в трубопроводах, является серийными покупным изделием.
Термопреобразователи сопротивления ТС1 и ТС2 серийные покупные изделия должны соответствовать ГОСТ 6651-94 «Термопреобразователи сопротивления». ТС1 и ТС2 должны иметь платиновый чувствительный элемент и соответствовать классу А по ГОСТ 6651. Преобразователи температуры ПТ1-ПТ3 представляют собой покупные серийно выпускаемые эталонные термометры с платиновыми чувствительными элементами класса 3.
Индикатор 14 представляет собой электронный блок, в который поступают сигналы измерительной информации с эталонных и рабочих средств измерений, в нем производится обработка полученных результатов по заранее заданным алгоритмам, изложенных в нормативных документах по обеспечению единства измерений. Управляющих команд индикатор не выдает, ввиду того, что все операции проводятся вручную для удешевления стоимости узла учета.
Давление теплоносителя не измеряется, а задается договорной константой. У теплофикационной воды плотность, энтальпия и вязкость от давления зависят очень слабо и этой зависимостью пренебрегают.
Принцип работы электромагнитных расходомеров 4, 6, 9, 11, 13 основан на явлении электромагнитной индукции, при прохождении через них и магнитное поле с индукцией В электропроводящей жидкости в ней наводится ЭДС, снимаемая электродами расходомера. Сигналы измерительной информации с выходов эталонных и градуируемых ЭР пропорциональны индукции магнитного поля В, средней скорости прохождения потока жидкости и напряжению поляризации объемных расходомеров.
Технико-экономический эффект предлагаемого устройства полезной модели повышается за счет градуировки рабочих средств измерений на месте эксплуатации и введением поправок, получаемых с применением эталонных средств измерений, к показанием рабочих средств измерений массовых расходов и разности масс теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах,
что выгодно отличает предлагаемое устройство от выбранных аналога и прототипа.
С этой цель в ООО «ТБН энергосервис» на собственном узле учета тепловой энергии и количества теплоносителя было макетировано устройство для проверки рабочих ЭР в условиях приближенных к эксплуатационным с имитацией отбора из сети теплоносителя.
Цель испытаний Определение стабильности нормируемых метрологических характеристик теплосчетчика KM-5 для открытых систем водяного теплоснабжения течении отопительного сезона
Характеристики эталонных и рабочих средств измерений. При проведения испытаний применялись следующие рабочие и эталонные средства измерений
1. Испытуемый теплосчетчик KM-5 в составе:
- два рабочих расходомеров Ду 100 мм, с пределами допускаемой относительной погрешности±1%, градуированные, по штатной методике при выпуске из производства.
- комплект преобразователей температуры платиновых типа КТСП-Р класса А по ГОСТ 6651
- электронный блок теплосчетчика с прошивкой уравнения измерений тепловой энергии по МИ 2412.
2. Эталонные расходомеры РМ - 5-Э. Ду 50 мм - 3 шт;
Эталонные расходомеры проградуированы в сборе с прилегающими участками трубопровода на горячеводной установке по ее исходному эталону расхода и имели пределы допускаемой относительной погрешности±0.3%. После градуировки прилегающие к расходомеру
3. Эталонные термометры типа ЭТС 100 класса точности 3.
4. Индикатор - электронный блок производства ООО «ТБН энергосервис» с прошитыми программами обработки данных
На объекте была воспроизведена открытая водяная система теплоснабжения с моделированием утечки теплоносителя через байпасный трубопровод.
3
3
При выборе эталонных расходомеров учитывалось, что для рабочих электромагнитных расходомеров должны соблюдаться требования нормативного документа СНиП 2.04.05-91 (с изм. 2000 г.) по пределам допускаемой скорости потока теплоносителя: не более 3 м/с, что соответствует расходу около 100 м/ч. Тогда как для Ду 100 наибольший измеряемый расход нормирован как 250 м/ч.
Предварительный анализ показал, что фактическая наибольшая скорость теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах не превышает 1 м/с, что позволило применять эталонные расходомеры с Ду 50 мм.
Проведенные измерения показали, что индивидуальные относительные погрешности расходомеров теплосчетчика КМ-5 пределов допускаемой погрешности не превысили и составили ±0,8%.
Однако погрешность измерений массового расхода теплоносителя, отбираемого из тепловой сети, по разности показаний расходомеров с учетом показаний термопреобразователей сопротивления на подающем и обратном трубопроводах, оказалась велика и достигала ±15%. Причем полученные результаты подтверждаются данными, полученными в прототипе.
Следовательно, при измерении массы отобранного из сети теплоносителя по разности показаний расходомеров теплосчетчика в результат измерений необходимо вводить поправку, которая является индивидуальной для каждого узла учета, что подтверждает необходимость монтажа предлагаемого устройства на каждом узле учета тепловой энергии для открытых водяных систем теплоснабжения.