2. Датчики расхода теплоносителя
Рассмотрим кратко основные способы измерения расхода теплоносителя (теплофикационной воды) и их особенности.
Наибольшее распространение получили следующие способы измерения переменного расхода: переменного перепада давления на сужающих устройствах; ультразвуковые; электромагнитные; вихревые; тахометрические.
До настоящего времени на источниках теплоты (ТЭЦ, РТС и т.д.) традиционно в основном применяются расходомеры переменного перепада давления на сужающих устройствах (диафрагмах, соплах, трубах Вентури). Эти расходомеры обладают рядом достоинств, основными из которых являются: высокая надежность измерений и низкая зависимость качества измерений от физико-химических свойств измеряемой жидкости. Однако эти приборы имеют и недостатки, например, такие как: узкий динамический диапазон, нелинейность характеристик, высокое гидравлическое сопротивление, оказываемое потоку жидкости первичным преобразователем, необходимость демонтажа для ежегодной поверки, сложность эксплуатации, сложный монтаж, требуемые длинные прямые участки (трубопровода до и после места установки ППР). Эти недостатки затрудняют применение данных приборов, и становятся очевидными в сравнении с преимуществами, создаваемыми применением современных приборов других типов.
Для выполнения измерений расхода на трубопроводах большого диаметра, по-видимому, наиболее перспективными являются ультразвуковые расходомеры. На многих источниках тепловой энергии расходомеры данного типа постепенно вытесняют традиционные расходомеры переменного перепада давления.
Ультразвуковые расходомеры достаточно широко применяются и в теплосчетчиках, устанавливаемых у потребителей тепловой энергии (на трубопроводах небольшого диаметра).
Ультразвуковые датчики расхода обладают следующими преимуществами: не создают гидравлического сопротивления потоку среды, обеспечивают сравнительно широкий динамический диапазон и высокую линейность измерений, имеют высокую точность и надежность, могут поверяться беспроливными (имитационными) методами без демонтажа с трубопровода.
Для ультразвуковых расходомеров характерны требуемые длинные прямые участки, необходимость выполнения высокоточных линейных измерений при монтаже, чувствительность к “завоздушиванию” среды, чувствительность к состоянию внутренней поверхности трубопровода (если применяются накладные датчики расхода).
Появление многолучевых ультразвуковых расходомеров позволило сократить длины прямых участков в несколько раз, применение измерительных участков, изготовленных в заводских условиях, исключает необходимость выполнения высокоточных линейных измерений непосредственно на трубопроводе, возможность выбора между врезными и накладными датчиками позволяет учесть состояние внутренней поверхности трубопровода.
В настоящее время наиболее крупным отечественным производителем ультразвуковых расходомеров является ЗАО “Взлет” (С.-Петербург). Большое распространение получили ультразвуковые расходомеры производства АО “Центрприбор” (Москва), “Альбатрос Инжиниринг РУС” (Москва), НПП “Сигнур” (Москва) и другие.
Можно выделить следующие основные методы ультразвуковых измерений: временной метод; корреляционный метод; частотный, фазовый и доплеровский методы.
Временной метод измерения основан на излучении в акустический канал расходомера, расположенный под углом к вектору скорости потока жидкости, ультразвуковых сигналов по направлению потока и против него. Измеренная разность времен прохождения сигналов определяется скоростью потока жидкости. Данный метод измерения получил наибольшее распространение.
Частотный метод заключается в измерении разности частот повторения коротких ультразвуковых импульсов или “пакетов” ультразвуковых колебаний, направляемых одновременно по потоку и против него. Измеренная разностная частота пропорциональна скорости потока.
Доплеровский метод измерений основан на эффекте Доплера и является разновидностью частотного метода.
Преимуществами рассмотренных ультразвуковых методов измерений являются: возможность обеспечения высокого быстродействия расходомеров, позволяющего измерять с высокой точностью пульсирующие расходы с частотой пульсаций до 104 Гц.
Недостатки - высокая зависимость качества измерений от физико-химических свойств жидкости (ее температуры, давления, концентрации и т.п.), от профиля распределения скоростей потока жидкости и от точности монтажа первичных преобразователей.
Корреляционный метод измерения основан на измерении времени перемещения неоднородностей потока между двумя заданными сечениями трубопровода. Неоднородности потока модулируют ультразвуковые сигналы, распространяющиеся в плоскости упомянутых сечений. Ввиду малости расстояния, которое проходит поток жидкости между этими сечениями, сигналы в них модулируются приблизительно одинаково одними и теми же неоднородностями. Для определения скорости потока измеряется время между появлением сигналов с максимальным коэффициентом корреляции в заданных сечениях трубопровода.
Для корреляционного метода измерения характерны большой динамический диапазон, слабая зависимость точности измерений от физико-химических свойств жидкости, качества трубопровода и от точности монтажа первичных преобразователей. Недостаток метода - большое время реакции прибора на изменение расхода.
Частота ультразвуковых колебаний обычно выбирается близкой к 1 МГц.
Ультразвуковые расходомеры для трубопроводов небольших диаметров, как правило, изготавливаются с измерительными участками, на которых установлены врезные ППР.
Поверка ультразвуковых расходомеров может выполняться имитационным или проливным методами.
Для измерения расхода в трубопроводах большого диаметра (обычных для источников тепловой энергии) следует отдавать предпочтение многолучевым и многоканальным расходомерам, в которых предусмотрена компенсация температурного влияния на скорость ультразвука, возможность применения как накладных, так и врезных датчиков; которые укомплектованы готовыми измерительными участками, имеют максимальное допустимое расстояние между ППР и вычислительным блоком расходомера, работоспособны при температуре теплоносителя до 180оС; ППР хорошо защищены от действия окружающей среды.
На источниках тепловой энергии распространена ситуация, когда имеется большое число точек измерения расхода (подающие, обратные магистрали, подпиточные трубопроводы, технологические трубопроводы и т.д.). Поэтому совершенно необходимо, чтобы расходомеры имели аппаратные и программные средства организации информационной сети. Очевидно, что объединение расходомеров в сеть и их интеграция в существующую автоматизированную систему управления существенно упрощаются, если применяются приборы одного производителя.
Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на измерении ЭДС, индуцированной в электропроводной жидкости, которая движется, пересекая силовые линии постоянного или переменного магнитного поля (эффект Фарадея).
Электромагнитные расходомеры обеспечивают высокую точность измерений (часто применяются в качестве образцовых приборов), практически нечувствительны к загрязнению и физико-химическим свойствам жидкости (единственное ограничение для современных приборов – жидкость должна быть электропроводной с удельной проводимостью не менее 10-5 См/м), имеют широкий динамический диапазон (до 200) и способны измерять очень малые расходы, создают минимальное гидравлическое сопротивление потоку, нечувствительны к осесимметричным изменениям профиля распределения скоростей потока, имеют высокое быстродействие, не требуют длинных прямых участков до и после места установки прибора: (4..8)Ду.
Электромагнитные расходомеры, в основном, применяются на трубопроводах небольшого диаметра (до Ду300).
Основные российские производители электромагнитных расходомеров: ЗАО “Взлет” (С.-Петербург), ПО “Машзавод “Молния” (Москва), ООО “ТБН энергосервис” (Москва), НПФ “ТЭМ-сервис” (Москва), ЗАО “АСВЕГА-М” (Москва), ЗАО “Теплоком” (С.-Петербург), ЗАО “Промсервис” (г. Димитровград Ульяновской обл.), ЗАО “ВТК Энерго” (г. Киров), ГУП РФ Владимирский завод “Эталон” Госстандарта России (г. Владимир), ОАО “Арзамасский приборостроительный завод” (г. Арзамас Нижегородской обл.) и др.
Электромагнитные расходомеры для трубопроводов большого диаметра в России выпускаются ПО “Машзавод “Молния” (Москва), “ТБН-энергосервис” (Москва). Они существенно отличаются от электромагнитных расходомеров для трубопроводов небольшого диаметра. До настоящего времени данные приборы не получили широкого распространения. По-видимому, это объясняется сложностью их монтажа, недостаточной стабильностью характеристик, необходимостью поверки проливным методом (поверочные проливные стенды для труб большого диаметра уникальны и имеются только в Казани, Москве, С.-Петербурге).
Вихревой метод измерения расхода основан на измерении частоты отрыва вихрей (вихревая “дорожка Кармана”), возникающих при обтекании потоком жидкости погруженного в нее тело обтекания. Частота вихрей пропорциональна средней скорости потока, а амплитуда колебаний давления – пропорциональна квадрату средней скорости (скоростному напору). Измерение частоты может выполняться при помощи ультразвуковых или электромагнитных датчиков, датчиков давления. Вихревой метод применяется также для измерения расхода пара и газовых сред.
Для вихревых расходомеров характерны следующие положительные особенности: они малочувствительны к физико-химическим свойствам жидкости, одинаково удобны для выполнения измерений на трубопроводах малых и больших диаметров, обеспечивают хорошую точность измерений и быстродействие.
Для трубопроводов малых диаметров вихревые расходомеры обычно конструктивно выполняются вместе с измерительным участком. Для трубопроводов большого диаметра применяются расходомеры погружного типа (тело обтекания размещается по оси потока на специальной штанге).
Однако данные расходомеры не получили широкого распространения. По-видимому, это объясняется присущими им недостатками. В частности, тело обтекания создает дополнительное гидравлическое сопротивление потоку, легко загрязняется и поэтому перед расходомером необходимо устанавливать фильтр (который также увеличивает гидравлическое сопротивление). Характеристики расходомера недостаточно стабильны, динамический диапазон недостаточно широк (соизмерим с динамическим диапазоном ультразвуковых расходомеров и в несколько раз меньше динамического диапазона электромагнитных расходомеров), требуемые прямые участки довольно велики – (10..20)Ду.
Вихревые расходомеры производятся на таких российских предприятиях, как ЗАО “ИВК-Саяны” (Москва), Промышленная группа “Метран” (г. Челябинск), ЗАО НПО “Промприбор” (г. Калуга), ЗАО “Флоукор” (Москва), планируется начать производство вихревых расходомеров на ЗАО “Взлет” (С.-Петербург).
Тахометрические расходомеры основаны на измерении частоты вращения аксиальной или тангенциальной лопастной турбинки. Поток, воздействуя на наклонные лопасти турбинки, сообщает ей вращательное движение с угловой скоростью, пропорциональной расходу.
Такие расходомеры обеспечивают высокие точность измерений и чувствительность, малоинерционны, слабочувствительны к физико-химическим свойствам жидкости, не требуют длинных прямых участков (4..5Ду). До недавнего времени их неоспоримым и решающим достоинством была относительно невысокая цена.
Вместе с тем, турбинные расходомеры быстро загрязняются и выходят из строя, имеют трущиеся механические части, узкий динамический диапазон, создают значительное гидравлическое сопротивление, которое увеличивается из-за обязательной установки фильтра. В связи с уменьшением цен на электромагнитные приборы, ценовая привлекательность турбинных расходомеров перестала быть решающей.
К наиболее крупным отечественным производителям турбинных расходомеров можно отнести ОАО “Мытищинская теплосеть” & ЗАО “Тепловодомер” (г. Мытищи Московской обл.).