Теплосчетчики. 
Учет и контроль тепловой энергии

Теплосчетчики предназначены для измерения, регистрации тепловой энергии и параметров теплоносителя в различных системах теплоснабжения.

Теплосчетчики осуществляют автоматическое измерение и индикацию:

• · текущего значения объемного и массового расхода теплоносителя в прямом и обратном (или любом другом: например, подпиточном) трубопроводах сетевой воды;
• · объема и массы теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах;
• · температуры теплоносителя в прямом, обратном и подпиточном трубопроводах;
• · тепловой энергии;
• · тепловой мощности;
• · времени наработки теплосчетчика;
• · температуры окружающего воздуха;
• · давления теплоносителя в прямом, обратном и подпиточном трубопроводах;
• · почасовой, посуточной и помесячной тепловой энергии (нарастающим итогом);
• · среднечасовых, среднесуточных и среднемесячных значений температуры теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах;
• · почасового, посуточного и помесячного объема и массы (нарастающим итогом) теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах;
• · времени начала и окончания измерений.

В состав любого современного теплосчетчика может входить несколько (по два и более) преобразователей расхода, температуры и давления теплоносителя, а также измерительно-вычислительный (электронный) блок. На рис. 1 представлен один из вариантов структурной схемы теплосчетчика.

По принципу измерения расхода теплоносителя входящие в состав теплосчетчика преобразователи расхода делятся на электромагнитные, вихревые, ультразвуковые и тахометрические. Температура теплоносителя измеряется термометрами сопротивления или термопарами. Давление измеряется датчиками мембранного типа.

В настоящее время наиболее популярными являются теплосчетчики, оснащенные преобразователями расхода электромагнитного типа (см. таблицу 1). Ими оснащены такие распространенные теплосчетчики, как SA-94, ТЭМ-05М, ТСР-01, КМ-5.

Таблица 1. Количество и типы теплосчётчиков, установленные у абонентов теплосети ОАО «Мосэнерго» в 1997;1999 гг. по данным Нейман Г. и дт. «Состояние учёта тепла у абонентов теплосети ОАО «Мосэнерго» «.

Принцип работы преобразователя расхода электромагнитного типа основан на явлении электромагнитной индукции (рис. 2). При прохождении теплофикационной или водопроводной воды (или другой жидкости, обладающей достаточной электропроводностью) через магнитное поле в ней, как в движущемся проводнике, наводится электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная средней скорости жидкости. ЭДС снимается двумя электродами, расположенными диаметрально противоположно в одном поперечном сечении трубы первичного преобразователя заподлицо с ее внутренней поверхностью. Сигнал от первичного преобразователя подается на вход измерительно-вычислительного блока, обеспечивающего дальнейшую обработку сигнала.

Теплосчетчики с преобразователями расхода электромагнитного типа комплектуются преобразователями температуры с использованием платиновых термометров сопротивления типа КТПТР-01.

Датчик преобразователя температуры находится в тепловом контакте с теплоносителем. Принцип работы термометра сопротивления (рис. 3) основан на изменении электрического сопротивления калиброванного платинового проводника в зависимости от температуры теплоносителя. Чувствительный элемент платинового термометра состоит из двух или четырех платиновых спиралей, расположенных в капиллярных каналах керамического каркаса. Каналы каркаса заполняются керамическим порошком, который служит изолятором. К концам спиралей припаяны выводы из платиновой или иридиево-родиевой проволоки. Чувствительный элемент в керамическом каркасе герметизируется специальной глазурью.

Преобразователи расхода и термометры сопротивления устанавливаются на магистралях прямой и обратной сетевой воды, поступающей на тепловой пункт (ТП) из теплосети и возвращаемой обратно.

Расчет потребляемой тепловой энергии Q производится в соответствии с формулой:

Q=V. r (h1-h2)

где Vобъем теплоносителя, протекающего через подающий (или обратный) трубопровод за время наблюдения;

rплотность сетевой воды, соответствующая температуре сетевой воды в подающем (обратном) трубопроводе;

h1,h2- удельная энтальпия сетевой воды соответственно в подающем и обратном трубопроводах.

Определение массы сетевой воды осуществляется в соответствии с формулой :

M=V. r

Потери тепла теплоносителем, протекшем через подпиточный трубопровод, определяются в соответствии с формулой:

Qподп.=Vподп.. rх.в. (h2-hх.в.)

где индекс «2» относится к обратному трубопроводу, а индексы «подп.», «х.в.» — к подпиточному трубопроводу.

Все вычисления осуществляются в измерительно-вычислительном блоке теплосчетчика.

Измерительно-вычислительный блок теплосчетчика предназначен для автоматизации учета потребления воды и тепловой энергии в системах теплоснабжения. Он осуществляет измерение электрических выходных сигналов первичных преобразователей расхода, температуры и давления, вычисление на основе измеренных значений соответствующих физических параметров, а также значений массы теплоносителя и количества тепловой энергии, потребленной системой. Кроме того, блок ведет архивирование (почасовое, посуточное и помесячное) вычисленных значений в памяти в виде сводок, включающих дату и время работы блока за каждый интервал архивирования (час, сутки, месяц).

Измерительно-вычислительный блок включает в себя контроллеры, дисплей, клавиатуру, блоки, соединительные кабели и т. д.).

На рис. 5 в качестве примера представлена функциональная схема измерительно-вычислительного блока теплосчетчика.

Другим преобразователем расхода, применяемым в теплосчетчиках, является преобразователь расхода вихревого типа. Таким преобразователем оснащены теплосчетчики «ТАРАН-Т», Макло, ТСК-5.

Принцип действия преобразователя расхода вихревого типа основан на измерении частоты отрыва вихрей от турбулизатора, выполненного в виде трапецеидальной призмы и помещенного в поток жидкости, протекающей по трубопроводу (см. рис. 4). Вихри, следующие в потоке жидкости, регистрируются электродом, находящимся в поле постоянного магнита. Частота следования вихрей по каналу преобразователя прямо пропорциональна расходу жидкости, статическая характеристика преобразования описывается линейной функцией.

Преобразователь устойчиво работает в диапазоне скоростей жидкости 0,2.

В связи с тем, что работа данного типа преобразователя расхода зависит от степени турбулентности течения жидкости, диапазон его возможностей по измерению расхода теплоносителя в несколько раз меньше, чем диапазон измеряемых расходов с помощью преобразователей расхода электромагнитного типа, что является существенным недостатком. Так, у теплосчетчика «ТАРАН-Т» с преобразователями расхода вихревого типа соотношение максимального и минимального расходов теплоносителя составляет 40:1, в то время как у теплосчетчиков ТСР-01, ТЭМ-05М, SA-94, КМ-5 с преобразователями расхода электромагнитного типа это же соотношение составляет соответственно 150:1, 200:1, 250:1, 1000:1.

Третьим типом преобразователем расхода для теплосчетчиков является преобразователь ультразвукового типа. Им оснащен, например, теплосчетчик UFM 001. теплосчетчик преобразователь электромагнитный термометр Принцип действия преобразователя поясняется на рис. 6. Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП1 и ПЭП2 работают попеременно в режиме приемник-излучатель.

Скорость распространения ультразвукового сигнала в воде, заполняющей трубопровод, представляет собой сумму скоростей ультразвука в неподвижной воде и скорости потока в проекции на рассматриваемое направление распространения ультразвука. Время распространения ультразвукового импульса от ПЭП1 к ПЭП2 и от ПЭП2 к ПЭП1 зависит от скорости движения воды в соответствии с формулами:

где t1, t2 — время распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока;

Lа — длина активной части акустического канала;

Lдрасстояние между мембранами ПЭП;

Соскорость ультразвука в неподвижной воде;

Vскорость движения воды в трубопроводе;

a — угол в соответствии с рис 6.

В результате простых математических преобразований получается следующая формула для определения расхода жидкости, протекающей на месте установки ПЭП:

где Dtразность времени распространения ультразвуковых импульсов по потоку и против потока;

Ддиаметр трубопровода на месте установки ПЭП;

Кпрограммируемый коэффициент коррекции.

У этого типа преобразователей расхода соотношение максимального и минимального измеряемых расходов не превышает величину ~ 100:1. Теплосчетчики с ультразвуковыми преобразователями расхода наиболее удобно применять в переносных приборах, служащих для экспресс — измерений, т.к. проведение измерения расхода ультразвуковым методом не требует нарушения целостности трубопровода.

Еще одним типом преобразователя расхода для теплосчетчиков является преобразователь тахометрического типа.

Основным узлом тахометрического датчика (см. рис. 7) является турбинка или крыльчатка, скорость вращения которой зависит от скорости потока жидкости. Число оборотов лопастного устройства пропорционально объему протекающей жидкости, а показания счетного устройства приводятся с помощью масштабирующего редуктора к показаниям в единицах объема.

При работе тахометрических преобразователей с измерительно-вычислительным блоком теплосчетчика у каждого из них имеется дополнительный импульсный выход, сигнал с которого поступает на вычислитель.

Преобразователи тахометрического типа применяются, например, в составе теплосчетчиков СТ1, СТ3, СТ6. Теплосчетчики с тахометрическими преобразователями, в последнее время применяются достаточно редко в связи с тем, что наличие подвижного механизма, размещаемого в потоке теплоносителя, отрицательно сказывается на надежности и долговечности прибора.

В качестве датчиков температуры для работы в составе теплосчетчиков, кроме платиновых термометров сопротивления, могут применяться термопары. Например, в составе теплосчетчика «ТАРАН-Т» применяется хромель-алюмелевая термопара типа КТХА-01. Принцип работы термопары основан на возникновении термоэлектродвижущей силы при нагреве спая разнородных металлов термопары протекающим теплоносителем. Величина термоЭДС пропорциональна температуре теплоносителя. Термопара располагается так, что ее спай касается защитного чехла. На термоэлектроды надеты изоляционные бусы. В головке защитного корпуса термопары расположена колодка с зажимами для термоэлектродов и соединительных проводов. Поправка на температуру холодных концов термопары вводится автоматически специальным блоком имеющимся в составе тепловычислителя.

В состав теплосчетчиков могут входить датчики давления для измерения давления прямой и обратной сетевой воды. Такими датчиками могут быть, например, датчики давления мембранного типа. Схематично устройство такого датчика показана на рис. 9. Чувствительным элементом датчика является двухслойная мембрана. Измеряемое давление действует на металлическую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в измерительно-усилительном блоке.

Существует несколько схем передачи сигналов от преобразователей расхода, температуры и давления к тепловычислителю.

Возможна передача сигналов от каждого преобразователя в электронный блок теплосчетчика по отдельной линии связи (см. рис. 10). Такой способ, например, используется в теплосчетчиках типа ТЭМ-05М, SA-94, ТСР-01.

Вторым способом передачи сигналов от преобразователей является сбор всех сигналов на преобразующее устройство какогонибудь преобразователя расхода и далее — передача общим кабелем усиленных сигналов на блок тепловычислителя (см. рис. 11). Такой способ используется, например, в теплосчетчике «ТАРАН-Т».

Еще одним способом передачи сигналов от преобразователей, представляющим комбинацию первого и второго способов, является передача всех сигналов на электронный блок теплосчетчика, который смонтирован на каком-либо из преобразователей расхода (см. рис. 12). Такой способ применен в случае использования теплосчетчика типа КМ-5. В КМ-5 блоки усилителей-преобразователей сигнала смонтированы непосредственно на корпусе расходомера. Таким образом, по линиям связи проходит уже преобразованный и усиленный сигнал, что значительно повышает помехоустойчивость системы, а следовательно динамический диапазон и точность измерений.

Поставщик тепловой энергии заинтересован в получении данных о потребляемом тепле и утечках сетевой воды в системе теплоснабжения. Для получения этой информации в составе узла коммерческого учета и контроля тепла необходимо включать, как минимум, два преобразователя расхода и два датчика температуры, устанавливаемых и на входном и на выходном трубопроводах.

В таблице 2 приведены технические характеристики теплосчетчиков, наиболее часто применяемых в московском регионе.

Примечания:

• 1. Рабочее давление для первичных преобразователей теплосчетчиков СТ1, СТ3 Рр=1,6 МПа, для первичных преобразователей теплосчетчика СТ6 — Рр=2,5 МПа.
• 2. Погрешность измерений расхода для преобразователей расхода всех теплосчетчиков (кроме КМ-5) определяется от величины верхнего значения диапазона или поддиапазонов (если они есть) измеряемых расходов; в случае преобразователя расхода теплосчетчика КМ-5 погрешность измерений определяется от величины текущего значения измеряемого расхода.

Технические данные, приведенные в таблице 2, взяты из базы данных по теплосчетчикам и водосчетчикам, созданной в Научно-технологическом центре энергосберегающих процессов и установок Объединенного института высоких температур РАН.

Более подробную информацию о номенклатуре предлагаемых на российском рынке теплосчетчиков можно найти в «Приборы учета воды и тепла для жилищно-коммунального хозяйства. Справочно-методическое пособие» и на сайтах производителей в сети Internet.