Состояние пара определяется его давлением, температурой и удельным весом. Давление пара, заключенного в сосуде, есть та сила, с которой он давит на единицу поверхности стенки сосуда. Оно измеряется в технических атмосферах (сокращенно ат); Одна техническая атмосфера равна давлению в 1 килограмм на квадратный сантиметр (кг/см2),

Величину давления пара, которое стенки котла, определяют по манометру. Если, например, установленный на паровом котле, показывает давление 5 ат„ то это значит, что каждый квадратный сантиметр поверхности стенок котла испытывает давление изнутри, равное 5 кг.

Если из герметически закрытого сосуда откачать газы или пары, то давление в нем будет меньше наружного. Разность между этими давлениями называется разрежением (вакуумом). Например, если наружное давление равно 1 ат, а в сосуде 0,3 ат, то разрежение в нем будет равно 1-0,3=0,7 ат. Иногда разрежение измеряют не долями атмосферы, а высотой столба жидкости, обычно ртути. Подсчитано, что давление в 1 техническую атмосферу, т. е. в 1 килограмм на 1 квадратный сантиметр, создает столб ртути высотой 736 мм. Если разрежение измерять высотой столба pTyfra, то в нашем примере оно, очевидно, равно: 0,7X736=515,2 мм.

Разрежение определяется по вакуумметрам, которые показывают его в долях атмосферы, или по высоте ртутного столба в миллиметрах.

Температурой называется степень нагретости тел (пара, ЁОДЫ, железа, камня и т. д.). Она определяется термометром. Как известно, нуль градусов по шкале Цельсия соответствует температуре таяния льда, а 100 градусов-температуре кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Градусы по Цельсию обозначаются через °С. Например, температура в 30 градусов по Цельсию обозначается так: 30°С.

Удельным весом пара называется вес одного кубического метра (м3) его. Если известно, например, что 5 м3 пара имеют вес 12,2 кг, то удельный вес этого пара равен 12,2: 5=2,44 кг на кубический метр (кг/м3). Следовательно, удельный вес пара равен общему весу его (в кг), деленному на общий его объем (в м3).

Удельным объемом пара называется объем одного килограмма пара, т. е. удельный объем пара равен общему объему его (в м3), деленному на общий его вес (в кг).

Чем выше давление, под которым находится вода, тем выше температура ее кипения (насыщения), следовательно, каждому давлению соответствует своя температура кипения. Так, если манометр, установленный на паровом котле, показывает давление, например, в 5 ат, то температура кипения воды (и температура пара) в этом котле равна 158°С. Если же давление поднять так, чтобы манометр показывал 10 ат, то и температура пара также поднимается и будет равна 183°С.

Рассмотрим теперь, как получается пар.

Допустим, что в стеклянном цилиндре под поршнем содержится ьода. Поршень плотно прилегает к стенкам цилиндра, но в то же время может свободно в нем передвигаться (1,/). Допустим также, что для измерения температуры воды и пара в цилиндре в поршень вставлен термометр.

Будем нагревать цилиндр и одновременно с этим наблюдать, что происходит с водой внутри его. Сначала мы заметим, что температура воды повышается, а объем ее незначительно увеличивается и поршень в цилиндре начинает медленно передвигаться вверх. Наконец, температура воды поднимается настолько, что вода закипает (1,//). Пузырьки пара, с силой вылетая из воды, увлекут за собой ее частицы в виде брызг, вследствие чего пространство над кипящей водой будет заполнено смесью из частиц пара и воды. Такая смесь называется влажным насыщенным паром или просто влажным паром (I, III).

Продолжая кипячение, мы заметим, что воды в цилиндре становится все меньше, а влажного пара все больше. Так как объем пара значительно больше объема воды,; из которой он получился, то по мере превращения воды в пар внутренний объем цилиндра будет значительно увеличиваться, и поршень быстро пойдет вверх.

Наконец, наступит такой момент, когда последняя частица воды в цилиндре превратится в пар. Такой пар называется сухим насыщенным (1 ,/К), или просто сухим. Температура пара и воды во время кипения (температура насыщения) остается постоянной и равной температуре, при которой вода начала кипеть.

Если нагревание цилиндра продолжать, то температура пара будет повышаться и вместе с тем увеличится его объем. Такой пар называется перегретым (1,V).

Если подогрев цилиндра прекратить, то пар начнет отдавать теплоту в окружающую среду, при этом температура его будет понижаться. Когда она станет равной температуре насыщения, пар снова превратится в сухой насыщенный. Затем будет происходить постепенное превращение его в жидкость, следовательно, пар станет влажным. Этот процесс протекает при постоянной температуре, равной температуре! кипедия. Когда; последняя ча!стица| пара превратится в воду, кипение воды прекратится. Затем будет происходить дальнейшее понижение температуры до температуры окружающего воздуха.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы.

Во-первых, пар может быть влажным, сухим и перегретым. Состояние сухого пара является очень неустойчивым и даже при самом незначительном" подогреве * или охлаждении он становится перегретым или влажным. Вследствие этого в практических условиях пар бывает только влажным или перегретым.

В о-в т о р ы х, наблюдая через стенки стеклянного цилиндра, за кипением в нем воды, можно заметить, что в начале кипения, когда воды в цилиндре ещё много, пар имеет плотную молочно- белую окраску. По мере выкипания воды, когда ее в паре становится все меньше и меньше, плотность этой окраски уменьшается;, пар становится прозрачнее. Наконец, когда последняя частица воды превратится в пар, он станет прозрачным. Следовательно, сам по себе водяной пар прозрачен, а белую окраску придают ему частицы воды, которые в нем содержатся. Частиц воды во влажном паре может быть разное количество. Поэтому для того, чтобы иметь полное представление о влажном паре, нужно знать не только его давление, но и степень сухости. Эта величина показывает; какое количество сухого пара в долях килограмма содержится в одном килограмме влажного пара. Например, если один килограмм влажного пара состоит из 0,8 кг сухого пара и 0,2 кг воды, то степень сухости такого пара равна 0,8. Степень сухости влажного пара, получаемого в паровых котлах, составляет 0,96-0,97.

В-третьих, в произведенном опыте нагрузка на поршень не менялась, значит, давление перегретого пара (так же, как блажного сухого) во время опыта оставалось неизменным, но температура его по мере нагревания повышалась. Следовательно, при одном и том же давлении температура Перегретого пара может быть различной. Поэтому для характеристики такого пара указывают не только его давление, но и температуру.

Итак, для характеристики влажного пара нужно знать его давление и степень сухости, а для характеристики перегретого пара - его давление и температуру.

В-ч е^г в е р ты х, перегретый пар начал образовываться только после того, как в цилиндре не осталось воды, следовательно, когда имеется. вода, можно получить только влажный пар. Ю

Поэтому в паровых котлах пар может быть только влажным. Если нужно получить перегретый пар, то влажный пар отводят из- котла в специальные устройства-п ароперёгреватели, отделяя его таким образом от воды. В пароперегревателях пар дополнительно нагревают, после чего он уже становится перегретым.

Хотя для получения перегретого пара и требуется устройство- пароперегревателя, что усложняет котельную установку, но благодаря преимуществам, которые имеет перегретый пар по сравнению с влажным; он применяется в судовых установках чаще. Основные из этих преимуществ следующие.

1. При охлаждении перегретого пара не происходит его конденсация. Это свойство перегретого пара очень важно. Как бы хороша не б!ыли изолированы трубы, по которым пар поступает из котла в машину и паровой цилиндр этой машины, они все-таки проводят теплоту, и поэтому пар, соприкасаясь с их стенками, охлаждается. Если пар йерегретый, то охлаждение связано только с уменьшением его температуры и удельного объема. Если же пар влажный, та происходит его конденсация, т. е. часть пара превращается в воду. Образование воды в паропроводе и особенно в цилиндре паровой машины вредно и может привести к крупной аварии.

2. Перегретый пар отдает теплоту хуже, чем влажный, поэтому, соприкасаясь с холодными стенками трубопроводов, цилиндров и т. п., он охлаждается меньше, чем влажный. В общем при работе перегретым паром получается экономия в расходе топлива в 10-15%.

Тепловая энергия - это система измерения теплоты, которая была изобретена и используется еще два столетия назад. Основным правилом работы с данной величиной было то, что тепловая энергия сохраняется и не может просто исчезнуть, но может перейти в другой вид энергии.

Существует несколько общепринятых единиц измерения тепловой энергии . В основном их используют в промышленных отраслях, таких как . Внизу описаны самые распространенные из них:

Любая единица измерения, входящая в систему СИ, имеет предназначение в определении суммарного количества того или иного вида энергии, такого как выделения тепла или электроэнергия. Время проведения измерения и количество не влияют на эти величины, почему можно их использовать как для потребляемой, так и для уже потребленной энергии. Кроме того, любая передача и прием, а также потери тоже исчисляются в таких величинах.

Где применяют единицы измерения тепловой энергии

Единицы измерения энергии, переведенные в тепловую

Для наглядного примера ниже приведены сравнения различных популярных показателей СИ с тепловой энергией:

• 1 ГДж равен 0,24 Гкал, что в электрическом эквиваленте равняется 3400 миллионов кВт на час. В эквиваленте тепловой энергии 1 ГДж = 0,44 тонны пара;
• В то же время 1 Гкал = 4,1868 ГДж = 16000 млн. кВт на час = 1,9 тонн пара;
• 1 тонна пара равняется 2,3 ГДж = 0,6 Гкал = 8200 кВт на час.

В данном примере приводимая величина пара принята за испарение воды при достижении 100°С.

Чтобы провести расчеты количества тепла, используется следующий принцип: для получения данных о количестве тепла его используют в нагревании жидкости, после чего масса воды умножается на пророщенную температуру. Если в СИ масса жидкости измеряется килограммами, а температурные перепады в градусах Цельсия, то результатом таких расчетов будет количество теплоты в килокалориях.

Если есть необходимость в передаче тепловой энергии от одного физического тела другому, и вы хотите узнать возможные потери, то стоит массу получаемого тепла вещества умножить на температуру повышения, а после узнать произведение получаемого значения на «удельную теплоемкость» вещества.

Г. Сычев

В настоящей статье рассказывается о влажном паре и средствах его учета, которые применяются на парогенерирующих объектах (прежде всего в практике промышленных котельных и теплоэлектростанций). Их энергоэффективность во многом определяется точностью измерения, которая зависит как от принципа учета, так и от качества расходомера пара.

Свойства водяного пара

Насыщенный пар - это водяной пар, находящийся в термодинамическом равновесии с водой, давление и температура которого связаны между собой и располагаются на кривой насыщения, определяющей температуру кипения воды при данном давлении.

Перегретым паром называют водяной пар, нагретый до температуры выше температуры кипения воды при данном давлении, получаемый, например, из насыщенного пара путем дополнительного нагрева.

Сухой насыщенный пар представляет собой бесцветный прозрачный газ, являясь гомогенной, то есть однородной средой. До некоторой степени его можно считать абстракцией, так как получение его затруднительно - в природе он встречается только в геотермальных источниках, а производимый паровыми котлами насыщенный пар не является сухим - типичные значения степени сухости для современных котлов составляют 0,95-0,97. При нештатных ситуациях (капельном выносе котловой воды при работе котла при пониженном рабочем давлении или при резком возрастании потребления пара) степень сухости еще ниже. Кроме того, сухой насыщенный пар метастабилен: при поступлении тепла извне он легко становится перегретым, а при отдаче тепла - влажным насыщенным.

Влажный насыщенный пар представляет собой механическую смесь сухого насыщенного пара с взвешенной мелкодисперсной жидкостью, находящейся с паром в термодинамическом и кинетическом равновесии. Флуктуация плотности газовой фазы, наличие посторонних частиц, в том числе несущих электрические заряды - ионы, приводит к возникновению центров конденсации, носящей гомогенный характер. По мере роста влажности насыщенного пара, например, из-за тепловых потерь или повышения давления, мельчайшие капельки воды становятся центрами конденсации и постепенно растут в размерах, а насыщенный пар становится гетерогенным, то есть двухфазной средой (пароконденсатной смесью в виде тумана). Насыщенный пар, представляющий газовую фазу пароконденсатной смеси, при движении передает часть своей кинетической и тепловой энергии жидкой фазе. Газовая фаза потока несет в своем объеме капельки жидкой фазы, но скорость жидкой фазы потока существенно ниже скорости его паровой фазы. Влажный насыщенный пар может формировать границу раздела, например, под воздействием гравитации. Структура двухфазного потока при конденсации пара в горизонтальных и вертикальных трубопроводах меняется в зависимости от соотношения долей газовой и жидкой фаз.

Характер течения жидкой фазы зависит от соотношения сил трения и сил тяжести. В горизонтально расположенном трубопроводе при высокой скорости пара течение конденсата может оставаться пленочным, как и в вертикальной трубе, при средней может приобретать спиралевидную форму, а при низкой - пленочное течение наблюдается только на верхней внутренней поверхности трубопровода, а в нижней формируется непрерывный поток, «ручей».

Таким образом, в общем случае поток пароконденсатной смеси при движении представляет собой три составляющих: сухой насыщенный пар, жидкость в виде капель в ядре потока и жидкость в виде пленки или струи на стенках трубопровода. Каждая из этих фаз имеет свою скорость и температуру, при этом при движении пароконденсатной смеси возникает относительное скольжение фаз.

Измерение массового расхода и тепловой энергии влажного насыщенного пара связано со следующими проблемами:

1) газовая и жидкая фазы влажного насыщенного пара движутся с различной скоростью и занимают переменную эквивалентную площадь поперечного сечения трубопровода;

2) плотность насыщенного пара возрастает по мере роста его влажности, причем зависимость плотности влажного пара от давления при различной степени сухости неоднозначна;

3) удельная энтальпия насыщенного пара снижается по мере роста его влажности;

4) определение степени сухости влажного насыщенного пара в потоке затруднительно.

Вместе с тем, повышение степени сухости влажного насыщенного пара возможно двумя известными способами: «мятием» пара (снижением давления и, соответственно, температуры влажного пара) с помощью редукционного клапана и отделением жидкой фазы с помощью сепаратора пара и конденсатоотводчика. Эти методы известны более ста лет. Так, А.С. Ломшаков в работе «Испытание паровых котлов» (СПб, 1913) писал: «отделение воды от пара в паропроводе не представляет затруднений. Если пар движется со скоростью около 15 м/с и быстрее, то большинство водоотделителей осушают его до 1 % содержания воды, даже в том случае, если до водоотделителя он был очень влажен. Это было доказано опытами Зентнера». Современные сепараторы пара обеспечивают почти 100 % осушение влажного пара.

Принципы измерений расхода пара

Измерение расхода двухфазных сред - крайне сложная задача, до сих пор не вышедшая за пределы исследовательских лабораторий. Это в особой степени касается пароводяной смеси. Большинство расходомеров пара являются скоростными, то есть измеряют скорость потока пара. К ним относятся расходомеры переменного перепада давления на базе сужающих устройств, вихревые, ультразвуковые, тахометрические, корреляционные, струйные расходомеры. Особняком стоят кориолисовые и тепловые расходомеры, непосредственно измеряющие массу протекающей среды.

Расходомеры переменного перепада давления на базе сужающих устройств (диафрагм, сопел, труб Вентури и других местных гидравлических сопротивлений) до сих пор являются основным средством измерения расхода пара. Однако, в соответствии с подразделом 6.2 ГОСТ Р 8.586.1-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом перепада давления», по условиям применения стандартных сужающих устройств, контролируемая «среда должна быть однофазной и однородной по физическим свойствам».

При наличии в трубопроводе двухфазной среды пара и воды измерение расхода теплоносителя приборами переменного перепада давления с нормированной точностью не обеспечивается. В этом случае можно было бы говорить об измеренном расходе паровой фазы (насыщенного пара) потока влажного пара при неизвестном значении степени сухости. Таким образом, применение таких расходомеров для измерения расхода влажного пара приведет к недостоверным показаниям.

Оценка возникающей методической погрешности (до 12 % при давлении до 1 МПа и степени сухости 0,8) при измерении влажного пара расходомерами переменного перепада давления на базе сужающих устройств проведена в работе Е. Абаринова и К. Сарело «Методические погрешности измерения энергии влажного пара теплосчетчиками на сухой насыщенный пар».

Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры, успешно применяемые при измерении расхода жидкостей и газов, еще не нашли широкого применения при измерении расхода пара, несмотря на то, что отдельные их типы выпускаются серийно или были анонсированы производителем. Проблема заключается в том, что ультразвуковые расходомеры, реализующие доплеровский принцип измерений, основанный на сдвиге частоты ультразвукового луча, не пригодны для измерения перегретого и сухого насыщенного пара из-за отсутствия неоднородностей в потоке, необходимых для отражения луча, а при измерении расхода влажного пара сильно занижают показания из-за отличия скоростей газовой и жидкой фазы. Ультразвуковые расходомеры импульсного типа наоборот неприменимы для влажного пара из-за отражения, рассеивания и преломления ультразвукового луча на каплях воды.

Вихревые расходомеры

Вихревые расходомеры разных производителей при измерении влажного пара ведут себя неодинаково. Это определяется как конструкцией первичного преобразователя расхода, принципа детектирования вихрей, электронной схемы, так и программного обеспечения. Принципиальным является влияние конденсата на работу чувствительного элемента. В некоторых конструкциях серьезные проблемы возникают при измерении расхода насыщенного пара, когда одновременно в трубопроводе существует газовая и жидкая фаза. Вода концентрируется вдоль стенок трубы и препятствует нормальному функционированию датчиков давления, установленных заподлицо со стенкой трубы. В других конструкциях конденсат может затапливать сенсор и блокировать измерение расхода вовсе. Зато у некоторых расходомеров это практически не влияет на показания.

Кроме этого, двухфазный поток, набегая на тело обтекания, формирует целый спектр вихревых частот, связанных как со скоростью газовой фазы, так и со скоростями жидкой фазы (капельной формы ядра потока и пленочной или струйной пристеночной области) влажного насыщенного пара. При этом, амплитуда вихревого сигнала жидкой фазы может быть весьма значительной, и, если электронная схема не предполагает цифровой фильтрации сигнала с помощью спектрального анализа и специального алгоритма выделение «истинного» сигнала, связанного с газовой фазой потока, что характерно для упрощенных моделей расходомеров, то будет происходить сильное занижение показаний расхода. Лучшие модели вихревых расходомеров обладают системами DSP (цифровой обработки сигнала) и SSP (спектральной обработки сигнала на основе быстрого преобразования Фурье), которые позволяют не только повысить отношение сигнал/шум, выделить «истинный» вихревой сигнал, но и устранить влияние вибраций трубопровода и электрических помех.

Несмотря на то, что вихревые расходомеры предназначены для измерения расхода однофазной среды, они могут быть использованы для измерения расхода двухфазных сред, в том числе, пара с каплями воды при некоторой деградации метрологических характеристик. Так, по экспериментальным исследованиям компаний EMCO и Spirax Sarco, влажный насыщенный пар со степенью сухости свыше 0,9 можно считать гомогенным и за счет «запаса» по точности расходомеров PhD и VLM (±0,8-1,0 %), показания массового расхода и тепловой мощности будут находиться в пределах погрешностей, нормированных в «Правилах учета тепловой энергии и теплоносителя».

При степени же сухости 0,7-0,9 относительная погрешность измерений массового расхода этих расходомеров может достигать 10 % и более.

Чтобы избежать блокирование чувствительного элемента вихревого расходомера, например, чувствительного крыла конденсатом, некоторые производители рекомендуют ориентировать первичный преобразователь таким образом, чтобы ось чувствительного элемента была параллельна поверхности раздела пар/конденсат.

Другие типы расходомеров

Расходомеры переменного перепада/переменной площади, обтекания с подпружиненной заслонкой и мишенные переменной площади не допускают измерение двухфазной среды из-за возможного эрозионного износа проточной части при движении конденсата.

Принципиально только массовые расходомеры кориолисового типа могли бы измерять двухфазную среду, однако исследования показывают, что погрешности измерений кориолисовых расходомеров в значительной степени зависят от соотношения долей фаз, а «попытки разработать универсальный расходомер для многофазных сред скорее ведут в тупик» (доклад В. Кравченко и М. Риккен «Измерения расхода с помощью кориолисовых расходомеров в случае двухфазного потока» на XXIV международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей» в Санкт-Петербурге). В то же время кориолисовые расходомеры интенсивно развиваются, и, возможно, успех будет достигнут уже скоро, но пока таких промышленных средств измерений на рынке нет.

Коррекция степени сухости пара

Для вычисления массового расхода и тепловой мощности влажного пара необходимо измерение степени сухости. Многие тепловычислители и теплоэнергоконтроллеры российского производства имеют в качестве опции введение константы «степень сухости пара», с помощью которой производится коррекция удельной плотности и энтальпии влажного насыщенного пара.

Плотность насыщенного водяного пара определяют по формуле:

ρ1 . ρ2

ρ = --------------------- ,

ρ2 . (1 - X) + ρ1 . X

X - степень сухости насыщенного водяного пара, кг/кг.

Фиксированное значение степени сухости может быть установлено на базе экспертной оценки или баланса масс (последний можно установить при анализе статистических данных и наличии одного источника и одного потребителя пара), однако эти методы будут создавать существенную погрешность, поскольку не учитывают динамические погрешности, связанные с изменением степени сухости в процессе работы.

В разные годы в России и СНГ появлялась информация о реализации измерителей сухости пара в потоке (поточных влагомеров) основанных, например, на диэлькометрическом методе измерений (зависимости диэлектрической проницаемости от влажности пара), радиационного просвечивания трубопровода гамма-лучами, однако промышленных влагомеров пара до сих пор не появилось на рынке.

На самом деле американская компания EMCO (с 2005 г. бренд Spirax Sarco) выпускала вычислитель потока FP-100, имеющий токовый вход 4-20 мА с функцией ввода «влажности пара» и собственно измеритель влажности пара, действующий на зависимости степени поглощения СВЧ энергии в потоке влажного пара. Однако, в начале 90-х гг. этот вход перестал использоваться, а измеритель влажности перестал производиться, поскольку стало совершенно очевидно, что использование влажного пара для каких-либо целей, кроме весьма ограниченных технологических, неприемлемо из-за снижения энергоэффективности пароконденсатных систем, повышенного износа паропроводов, арматуры, фитингов и других устройств, возрастания риска аварий и катастроф в опасных промышленных и других объектах.

Решение проблемы измерения расхода влажного пара

Единственно правильным решением осуществления метрологически достоверного и надежного учета тепловой мощности и массового расхода влажного насыщенного пара, является следующий метод:

1) сепарирование влажного пара с помощью сепаратора и конденсатоотводчика;

2) измерение расхода сухого насыщенного пара любым пригодным для этого расходомером;

3) измерение расхода конденсата любым пригодным для этого расходомером;

4) расчет массовых расходов и тепловых мощностей пара и конденсата;

5) интегрирование параметров во времени, архивирование и формирование протоколов измерений.

Измерение расхода конденсата должен производиться в той части конденсатопровода, где обеспечено однофазное состояние конденсата (без пара вторичного вскипания), например, после конденсатного бака (ресивера), имеющего связь с атмосферой (вестовую трубу), с использованием конденсатного насоса или перекачивающего конденсатоотводчика.

Измерение пульсирующих расходов

Измерение быстроменяющихся (пульсирующих) потоков расходомерами переменного перепада давления в некоторых случаях может достичь недопустимо больших значений. Это связано с большим числом источников погрешности: влияния квадратичной зависимости между расходом и перепадом давления, влиянием местного ускорения, влияния акустических явлений и импульсных (соединительных) трубок. Поэтому п.6.3.1 ГОСТ Р 8.586.1-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом перепада давления» устанавливает, что: «Расход должен быть постоянным или медленно меняющимся во времени».

Измерение пульсирующих расходов вихревыми расходомерами не представляет проблем, так как эти расходомеры имеют достаточное быстродействие при измерении расхода пара. Диапазон частот срыва вихрей с тела обтекания при измерении расхода пара составляют сотни и тысячи герц, что соответствует временным интервалам от единиц до десятков миллисекунд. Современные электронные схемы вихревых расходомеров анализируют спектр сигнала за 3-7 периодов синусоидального вихревого сигнала, обеспечивая отклик в течение менее 30-70 мс, достаточный для отслеживания быстропротекающих процессов.

Измерение расхода пара в переходных режимах

Пусковые режимы трубопровода связаны с прогревом трубопровода насыщенным или перегретым паром и интенсивным образованием конденсата. Наличие конденсата будет подвергать опасности гидроударов кинетического и термодинамического типа как сами паропроводы, так и арматуру, фитинги и другие устройства, установленные на паропроводе, при контакте пара с конденсатом. Дренаж паропроводов совершенно необходим не только в режиме прогрева и пуска, но и при нормальной эксплуатации. При этом сепарация образующегося в переходных режимах конденсата, с помощью сепараторов пара и конденсатоотводчиков, наряду с получением сухого насыщенного пара, обеспечивает отвод конденсата, который может быть измерен расходомером жидкости любого пригодного для этой среды типа.

Наличие конденсата во влажном паре представляет серьезную угрозу возникновения гидроударов. При этом возможно как образование пробки конденсата, так и мгновенная конденсация пара при контакте с жидкостью. Расходомеры на сужающих устройствах не боятся гидроударов, а с вихревыми устройствами несколько сложнее. Дело в том, что в вихревых расходомерах на основе пульсаций давления чувствительные элементы находятся под тонкой мембраной, а потому не защищены от гидроударов. Производители, как правило, честно предупреждают об этом, напоминая, что гарантия на прибор в этом случае недействительна. В вихревых же расходомерах на основе изгибных напряжений чувствительный элемент отделен от измеряемой среды и не может быть поврежден в случае гидроудара.

В настоящее время на рынке известны сотни производителей вихревых расходомеров, но мировыми лидерами по разработке и выпуску этого типа приборов являются корпорация Yokogawa Electric (Япония), Endress+Hauser (Германия) и EMCO (США).

Наиболее широко применяющиеся приборы для измерения расходов веществ, протекающие по трубопроводам, можно разделить на следующие группы:

1. Расходомеры переменного перепада давления.

2. Расходомеры постоянного перепада давления.

3. Электромагнитные расходомеры.

4. Счетчики.

5. Другие.

Расходомеры переменного перепада давления.

Расходомеры переменного перепада давления основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого устройством, которое установлено в трубопроводе, или же самим элементом последнего.

В состав расходомера входят: преобразователь расхода, создающий перепад давления; дифференциальный манометр, измеряющий этот перепад и соединительные (импульсные) трубки между преобразователем и дифманометром. При необходимости передать показания расходомера на значительное расстояние к указанным трём элементам добавляются ещё вторичный преобразователь, преобразующий перемещение подвижного элемента дифманометра в электрический и пневматический сигнал, который по линии связи передаётся к вторичному измерительному прибору. Если первичный дифманометр (или вторичный измерительный прибор) имеет интегратор, то такой прибор измеряет не только расход, но и количество прошедшего вещества.

В зависимости от принципа действия преобразователя расхода данные расходомеры подразделяются на шесть самостоятельных групп:

1. Расходомеры с сужающими устройствами.

2. Расходомеры с гидравлическим сопротивлением.

3. Центробежные расходомеры.

4. Расходомеры с напорным устройством.

5. Расходомеры с напорным усилителем.

6. Расходомеры ударно — струйные.

Рассмотрим поподробнее расходомеры с сужающим устройством, так как они получили наибольшее распространение в качестве основных промышленных приборов для измерения расхода жидкости, газа и пара, в том числе на нашем предприятии. Они основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого сужающим устройством, в результате которого происходит преобразование части потенциальной энергии потока в кинетическую.

Имеется много разновидностей сужающих устройств. Так на рис.1, а и б показаны стандартные диафрагмы, на рис. 1, в – стандартное сопло, на рис. 1, г, д, е – диафрагмы для измерения загрязнённых веществ – сегментная, эксцентричная и кольцевая. На следующих семи позициях рис. 1 показаны сужающие устройства применяемые при малых числах Рейнольдса (для веществ с большой вязкостью); так, на рис. 1, ж, з, и изображены диафрагмы – двойная, с входным конусом, с двойным конусом, а на рис.1, к, л, м, н – сопла-полукруга, четверть круга, комбинированное и цилиндрическое. На рис. 1, о изображена диафрагма с переменной площадью отверстия, автоматически компенсирующая влияние изменения давления и температуры вещества. На рис. 1, н, р, с, т приведены расходомерные трубы – труба Вентури, сопло Вентури, труба Далла и сопло Вентури с двойным сужением. Для них характерна очень маленькая потеря давления.

Рисунок 1.

Разность давлений до и после сужающего устройства измеряется дифманометром. В качестве примера рассмотрим принцип действия приборов 13ДД11 и Сапфир –22ДД.

Рисунок 2.

Принцип действия преобразователей разности давлений 13ДД11 основан на пневматической силовой компенсации. Схема прибора представлена на рис. 2. В плюсовую 2 и минусовую 6 полости преобразователя, образованные фланцами 1, 7 и мембранами 3,5 подводится давление. Измеряемый перепад давления воздействует на мембраны, приваренные к основанию 4. Внутренняя полость между мембранами заполнена кремнийорганической жидкостью. Под воздействием давления мембраны поворачивают рычаг 8 на небольшой угол относительно опоры – упругой мембраны вывода 9. Заслонка 11 перемещается относительно сопла 12, питаемого сжатым воздухом. При этом сигнал в линии сопла управляет давлением в усилителе 13 и в сильфоне отрицательной обратной связи 14. Последний создает момент на рычаге 8, компенсирующий момент, возникающий от перепада давления. Сигнал, поступающий в сильфон 14,пропорциональный измеряемому перепаду давления, одновременно направляется в выходную линию преобразователя. Пружина корректора нуля 10 позволяет устанавливать начальное значение выходного сигнала, равное 0,02 МПа. Настройка преобразователя на заданный предел измерения осуществляется перемещением сильфона 14 вдоль рычага 8. Измерительные пневматические преобразователи других модификаций выполнены аналогично.

Рисунок 3.

Преобразователи разности давлений Сапфир-22ДД (рис. 3) имеет две камеры: плюсовую 7 и минусовую 13, к которым подводится давление. Измеряемая разность давлений воздействует на мембраны 6, приваренные по периметру к основанию 9. Фланцы уплотняются прокладками 8. Внутренняя полость 4, ограниченная мембранами и тензопребразователем 3, заполненная кремнийоранческой жидкостью. Под воздействием разности давлений мембраны перемещают тягу 11, которая через шток 12 передает усилие на рычаг тензопреобразователя 3. Это вызывает прогиб мембраны тензопреобразователя 3 и соответствующий электрический сигнал, передаваемый в электронное устройство 1 через гермовывод 2.

Расходомеры постоянного перепада давления.

Принцип их действия основан на восприятии динамического напора контролируемой среды, зависящего от расхода, чувствительным элементом (например, поплавком), помещенным в поток. В результате воздействия потока чувствительный элемент перемещается, и величина перемещения служит мерой расхода.

Приборы, работающие на этом принципе – ротаметры (рис. 4).

Рисунок 4.

Поток контролируемого вещества поступает в трубку снизу вверх и увлекает за собой поплавок, перемещая его вверх, на высоту Н. При этом увеличивается зазор между ним и стенкой конической трубки, в результате уменьшается скорость жидкости (газа) и возрастает давление над поплавком.

На поплавок действует усилие снизу вверх:

G1=P1·S ⇒ Р1=G1/S

и сверху вниз

G2=P2·S+q ⇒ P2=G2/S-q/S,

где P1, P2 – давление вещества на поплавок снизу и сверху;

S — площадь поплавка;

q — вес поплавка.

Когда поплавок находится в состоянии равновесия G1=G2, следовательно:

P1 — P2=q/S,

так как q/S=const, значит:

P1 — P2=const,

поэтому такие приборы называют расходомерами постоянного перепада давления.

При этом объемный расход может быть рассчитан по формуле:

где Fс – площадь сечения конической трубки на высоте h, м2; F-площадь верхней торцевой поверхности поплавка, м2; p-плотность измеряемой среды, кг·м3; с – коэффициент, зависящий от размеров и конструкции поплавка.

Ротаметры со стеклянной трубкой применяются только для визуальных отсчётов расхода и лишены устройств, для передачи сигнала на расстояние.

Ротаметр не следует устанавливать в трубопроводах, подверженным сильным вибрациям.

Длина прямого участка трубопровода перед ротаметром должна быть не менее 10 Ду, а после ротаметра не менее 5 Ду.

Рисунок 5.

Ротаметр пневматический фторопластовый типа РПФ

Ротаметры типа РПФ предназначены для измерения объемного расхода плавно меняющихся однородных потоков чистых и слабозагрязненных агрессивных жидкостей с дисперсными немагнитными включениями инородных частиц, нейтральных к фторопласту и преобразование величины расхода в унифицированный пневматический сигнал.

РПФ состоит из ротаметрической и пневматической части (пневмоголовки).

Корпус ротамометрической части 1 (рис.5) представляет собой прямоточную трубу с приваренными на концах кольцами 6.

Внутри корпуса расположены: перемещающийся под действием измеряемого потока поплавок 2, жестко связанный со сдвоенными магнитами 7, конус мерительный 4, направляющие 3, 12.

Корпус ротамометрической части футерован фторопластом-4, а направляющие 3, 12, поплавок 2, конус мерительный 4 выполнены из фторопласта-4.

Пневмоголовка предназначена для обеспечения местных показаний и представляет круглый корпус 20, в котором размещены: сервопривод 16, реле пневматическое 13, манометры 18, стрелка 9, механизм перемещения 10, шкала местных показаний, входной и выходной штуцера.

Сервопривод 16 представляет собой металлический стакан 15, в котором находится узел сильф она 17. Сильфон 17 разделяет внутреннюю полость сервопривода от внешней среды и в комплекте с пружиной 24 служит в качестве упругого элемента.

Нижний конец сильфона припаян к подвижному дну, с которым жестко связан шток 14. На противоположном конце штока 14 закреплено сопло 25 и реле механическое 8.

При работе реле механическое обеспечивает закрытие сопла заслонкой при увеличении расхода и открытие сопла при уменьшении расхода.

Реле механическое (рис.6) состоит из кронштейна 1, закрепленного на колодке 3, заслонки 2, установленной вместе со следящим магнитом 5 на кернах в скобе 4. Скоба 4 крепится винтами к колодке 3. Регулировка положения реле механического относительно сопла производится перемещением реле механического вдоль оси штока сервопривода.

Рисунок 6.

Механизм перемещения 10 шарнирно соединен с реле механическим 8 тягой 11, преобразует перемещение вертикальное штока 14 во вращательное движение стрелки 9.

Все детали пневмоголовки защищены от воздействия окружающей среды (пыли, брызги) и механических повреждений крышкой.

Принцип действия ротаметра основан на восприятии поплавком, перемещающемся в мерительном конусе 4, динамического напора, проходящего снизу вверх измеряемого потока (рис.6).

При подъеме поплавка проходной зазор между мерительной поверхностью конуса и кромкой поплавка увеличивается, при этом уменьшается перепад давления на поплавке.

Когда перепад давления становится равным весу поплавка, приходящемуся на единицу площади его поперечного сечения, наступает равновесие. При этом каждой величине расхода измеряемой жидкости при определенной плотности и кинематической вязкости соответствует строго определенное положение поплавка.

В принципе магнитопневматического преобразователя используется свойство восприятия следящим магнитом 6, механического перемещения сдвоенных магнитом 7, жестко связанным с поплавком, и преобразование этого перемещения в выходной пневматический сигнал (рис.7).

Перемещение поплавка вверх вызывает изменение положения следящего магнита 6 и жестко связанной с ним заслонки 5. При этом зазор между соплом и заслонкой уменьшается, командное давление увеличивается, Увеличивая давление на выходе пневматического реле 4 (рис. 7).

Усиленный по мощности сигнал поступает во внутреннюю полость стакана 15 (рис.5). Под действием этого сигнала происходит сжатие упругого элемента (сильфон 17-пружина 24) сервопривода 16, перемещение вверх штока 14, жестко связанного с нижним концом сильфона 17, сопла 25, реле механического 8, укрепленных на штоке 14.

Движение штока 14 происходит до тех пор, пока следящий магнит 5 с заслонкой не займут первоначальное положение относительно сдвоенных магнитов 7.

Рисунок 7.

При движении поплавка вниз изменяется положение следящего магнита 5 и связанной с ним заслонки, при этом зазор между заслонкой и соплом 25 увеличивается, уменьшая тем самым командное давление и давление на выходе пневматического реле. Избыточный воздух из полости стакана 15 (рис. 4) через клапан пневматического реле стравливается в атмосферу. Так как давление в стакане 15 уменьшилось, шток 14 под действием упругого элемента (сильфон-пружина) месте с механическим реле 8 перемещается вниз (в сторону движения поплавка) до тех пор, пока следящий магнит 5 с заслонкой не займут первоначальное положение относительно сдвоенных магнитов.

Пневматическое реле предназначено для усиления выходного пневмосигнала по мощности.

Принцип действия расходомера ВИР основан на ротаметрическом способе измерения, то есть мерой расхода в нём является вертикальное перемещение поплавка под воздействием обтекающего его потока жидкости. Перемещение поплавка преобразуется в электрический сигнал.

Рисунок 8.

Принципиальная электрическая схема ВИР со схемой подключения к преобразователю (КСД) представлена на рис. 8.

ВИР представляет из себя ротаметрическую пару (мерительный конус, поплавок-сердечник), реагирующую на изменение потока измеряемой жидкости, посредством дифференциального трансформатора Т1, преобразующего перемещение поплавка-сердечника в напряжение переменного тока. Преобразователь (КСД) предназначен для питания первичной обмотки трансформатора Т1 датчика и преобразования напряжения переменного тока, индуктирующегося во вторичной обмотке дифференциального трансформатора Т1 датчика, в показания на шкале прибора, соответствующее протекаемому расходу жидкости.

Изменение напряжения на вторичной обмотке дифференциального трансформатора Т2, вызванное перемещением сердечника-поплавка в датчике, усиливается и передаётся на реверсивный двигатель.

Подвижный сердечник дифференциального трансформатора Т2 является элементом отрицательной обратной связи, компенсирующей изменение напряжения на входе трансформатора Т2. Перемещение сердечника осуществляется через кулачок при вращении реверсивного двигателя РД. Одновременно вращение реверсивного двигателя передаётся на стрелку прибора.

Датчик ротаметра (рис. 9) состоит из корпуса 1, ротаметрической трубки 2, катушки дифференциального трансформатора 3, поплавка-сердечника 4 и клеммной коробки 5.

Корпус представляет собой цилиндр с крышками 9, внутри которого проходит ротаметрическая труба, а к его боковой поверхности приварена клеммная коробка с крышкой 6, которая крепится шестью болтами. В корпусе находится катушка дифференциального трансформатора, залитая компаундом 10 (ВИКСИНТ К-18).

Ротаметрическая труба представляет собой трубу из нержавеющей стали, на концах которой приварены фланцы 7, служащие для крепления датчика на технологическую линию. Внутри ротаметрической трубы находится фторопластовая труба 8 с внутренним мерительным конусом.

Рисунок 9.

Катушка дифференциального трансформатора намотана непосредственно на ротаметрическую трубу, концы обмоток катушки присоединены к проходным зажимам клеммной коробки.

Поплавок-сердечник состоит из поплавка специальной конструкции, выполненного из фторопласта-4 и сердечника из электротехнической стали, расположенного внутри поплавка.

Катушка дифференциального трансформатора с поплавком сердечником составляет дифференциальный трансформатор датчика, первичная обмотка которого питается от преобразователя, а напряжение, индуктируемое во вторичной обмотке, поступает на преобразователь.

Электромагнитные расходомеры.

В основе электромагнитных расходомеров лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, подчиняющееся закону электромагнитной индукции.

Основное применение получили такие электромагнитные расходомеры, у которых измеряется ЭДС, индуктируемая в жидкости, при пересечении ею магнитного поля. Для этого (рис. 10) в участок 2 трубопровода, изготовленного из немагнитного материала, покрытого изнутри неэлектропроводной изоляцией и помещённого между полюсами 1 и 4 магнита или электромагнита, вводятся два электрода 3 и 5 в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и к направлению силовых линий магнитного поля. Разность потенциалов Е на электродах 3 и 5 определяется уравнением:

где – В – магнитная индукция; D – расстояние между концами электродов, равное внутреннему диаметру трубопровода; v и Q0 – средняя скорость и объёмный расход жидкости.

Рисунок 10.

Таким образом, измеряемая разность потенциалов Е прямо пропорциональна объёмному расходу Q0. Для учёта краевых эффектов, вызываемых неоднородностью магнитного поля и шунтирующим действием трубы, уравнение умножается на поправочные коэффициенты kм и kи, обычно весьма близкие к единице.

Достоинства электромагнитных расходомеров: независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества, возможность применения в трубах любого диаметра, отсутствие потери давления, линейность шкалы, необходимость в меньших длинах прямых участков труб, высокое быстродействие, возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей. Но электромагнитные расходомеры неприменимы для измерения расхода газа и пара, а также жидкостей диэлектриков, таких, как спирты и нефтепродукты. Они пригодны для измерения расхода жидкости, у которых удельная электрическая проводимость не менее 10-3 См/м.

Счётчики.

По принципу действия все счетчики жидкостей и газов делятся на скоростные и объемные.

Скоростные счетчики устроены таким образом, что жидкость, протекающая через камеру прибора, приводит во вращение вертушку или крыльчатку, угловая скорость которых пропорциональна скорости потока, а, следовательно, и расходу.

Объемные счетчики . Поступающая в прибор жидкость (или газ) измеряется отдельными, равными по объему дозами, которые затем суммируются.

Скоростной счетчик с винтовой вертушкой.

Скоростной счетчик с винтовой вертушкой служит для измерения больших объёмов воды.

Рисунок 11.

Поток жидкости 4 рис. 11 поступая в прибор, выравнивается струевыпрямителем 3 и попадает на лопасти вертушки 2, которая выполнена в виде многозаходного винта с большим шагом лопасти. Вращение вертушки через червячную пару и передаточный механизм 4 передается счетному устройству. Для регулировки прибора одна из радиальных лопастей струевыпрямителя делается поворотной, благодаря чему, изменяя скорость потока, можно укорить или замедлить скорость вертушки.

Скоростной счетчик с вертикальной крыльчаткой.

Этот счетчик применяется для измерения сравнительно небольших расходов воды и выпускается на номинальные расходы от 1 до 6,3 м3/ч при калибрах от 15 до 40 мм.

Рисунок 12.

В зависимости от распределения потока воды, поступающей на крыльчатку, различают две модификации счетчиков — одноструйные и многоструйные.

На рис.12 показано устройство одноструйного счетчика. Жидкость подводится к крыльчатке тангенциально к окружности, описываемой средним радиусом лопастей.

Преимуществом многоструйных счетчиков является сравнительно небольшая нагрузка на опору и ось крыльчатки, а недостатком — более сложная по сравнению с одноструйными конструкция, возможность засорения струеподводящих отверстий. Вертушки и крыльчатки счетчиков изготавливают из целлулоида, пластических масс и эбонита.

Счетчик устанавливается на линейном участке трубопровода, при чем на расстоянии 8-10 D перед ним (D-диаметр трубопровода) не должно быть устройств, искажающих поток (колена, тройники, задвижки и др.). В тех случаях, когда все же ожидается некоторое искажение потока, перед счетчиками устанавливают дополнительные струевыпрямители.

Счетчики с горизонтальной вертушкой можно устанавливать на горизонтальных, наклонных и вертикальных трубопроводах, тогда как счетчики с вертикальной крыльчаткой — только на горизонтальных трубопроводах.

Жидкостной объёмный счётчик с овальными шестернями.

Действие этого счетчика основано на вытеснении определенных объемов жидкости из измерительной камеры прибора овальными шестернями, находящимися в зубчатом зацеплении и вращающимися под действием разности давлений на входном и выходном патрубках прибора.

Рисунок 13.

Схема такого счетчика приведена на рис 13. В первом исходном положении (рис. 13, а) поверхность га шестеренки 2 находится под давлением поступающей жидкости, а равная ей поверхность вг — под давлением выходящей жидкости. Меньшим входного. Эта разность давлений создает крутящий момент, вращающий шестерню 2 по часовой стрелке. При чем жидкость из полости 1 и полости, расположенной под шестерней 3, вытесняется в выходной патрубок. Крутящий момент шестерни 3 равен нулю, так как поверхности а1г1 и г1в1 равны и находятся под одинаковым входным давлением. Следовательно, шестерня 2-ведущая, шестерня 3-ведомая.

В промежуточном положении (рис. 13, б) шестерня 2 вращается в прежнем направлении, но ее крутящий момент будет меньше, чем в положении а, из-за противодействующего момента, созданного давлением на поверхность дг (д-точка контакта шестерней). Поверхность а1в1 шестерни 3 находится под давлением входящей, а поверхность в1 б1 -под давлением выходящей. Шестерня испытывает крутящий момент, направленный против часовой стрелки. В этом положении обе шестерни ведущие.

Во втором исходном положении (рис. 13, в) шестерня 3 находится под действием наибольшего крутящего момента и является ведущей, в то время как крутящий момент шестерни 2 равен нулю, она ведомая.

Однако суммарный крутящий момент обеих шестерен для любого из положений остается постоянным.

За время полного оборот шестерен (один цикл работы счётчика) полости 1 и 4 два раза заполняются и два раза опорожняются. Объем четырех доз жидкости, вытесненных из этих полостей, и составляет измерительный объем счетчика.

Чем больше расход жидкости через счетчик, тем с большей скоростью вращаются шестерни. Вытесняя отмеренные объемы. Передача от овальных шестерен счетному механизму осуществляется через магнитную муфту, которая работает следующим образом. Ведущий магнит укреплен в торце овальной шестерни 3, а ведомый на оси, связывающий муфту редуктором 5. Камера, где расположены овальные шестерни, отделена от редуктора 5 и счетного механизма 6 немагнитной перегородкой. Вращаясь, ведущий вал укрепляет за собой ведомый.

• Клапаны газовые (клапаны электромагнитные, предохранительные запорные клапаны, предохранительные сбросные клапаны, клапаны отсечные и блоки клапанов)
• Пункты шкафные с одной линией редуцирования и байпасом
• Пункты шкафные с основной и резервной линией редуцирования

Приборы газовой безопасности, в т. ч. сигнализаторы загазованности

Средства для измерения и регулирования давления

• Манометры, вакуумметры, мановакуумметры показывающие и сигнализирующие
• Напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры показывающие и сигнализирующие
• Сопутствующее оборудование (разделители сред мембранные, гасители пульсаций, позиционеры и др.)

Средства для измерения и регулирования температуры

• Измерители температуры, измерители-регуляторы и регуляторы температуры
• Контроллеры для регулирования температуры в системах отопления
• Устройства контроля температуры, многоканальные измерители и регуляторы

Средства для измерения и регулирования уровня

• Сопутствующее оборудование приборов измерения и регулирования уровня

Запорная арматура и запорно-регулирующая арматура

• Клапаны регулирующие, смесительные, запорно-регулирующие и регуляторы давления воды
• Сопутствующее оборудование (определители герметичности, КОФы, термочехлы и т.д.)

Промышленное газовое отопление, газовое инфракрасное лучистое отопление

• Промышленные газовые инфракрасные излучатели светлого типа
• Промышленные газовые инфракрасные излучатели тёмного типа
• Воздушные завесы, газовоздушные обогреватели, теплогенераторы
• Потолочные, стеновые (стенные) инфракрасные панели и ленточные системы инфракрасного отопления

Ваша Заявка

Купите необходимый Вам товар. Для этого перейдите на страницу с его описанием и нажмите кнопку
"Добавить товар в заявку".

Учет расхода пара. Приключения инженеров КИП или вихревые расходомеры как реальная альтернатива сужающим устройствам

Издание: Энергоанализ и Энергоэффективность № 6 . Год: 2006

15.10.2006

В настоящее время вопросам учета энергоресурсов справедливо уделяется повышенное внимание. Это определяется тем, что, с одной стороны, без наличия достоверной информации о потребляемых ресурсах невозможно грамотно проводить мероприятия по энергосбережению, что, в условиях постоянного роста цен на энергоносители, жизненно необходимо как отдельным предприятиям, так и каждой из отраслей и экономике страны в целом. С другой стороны, в условиях многократного увеличения количества приборов учета на первый план выходит проблема стоимости их обслуживания, а точнее поддержания в рабочем состоянии.

Измерение расхода пара в силу специфики этой среды выделяют из области задач учета газа. Это определяется прежде всего высокими температурами и давлением в паропроводах, а также наличием в них, в том числе в результате повышенного износа трубопроводов в указанных экстремальных условиях, различных механических включений (продуктов коррозии, накипи и т.д.), а также конденсата. Поэтому при всем разнообразии методов измерения расхода, для решения задачи учета пара реально существует только две альтернативы:

• расходомеры, основанные на методе переменного перепада давления на сужающем устройстве (СУ);
• вихревые расходомеры (ВР).

1. Следует ли выбирать расходомер, основываясь только на показателях стоимости, динамического диапазона (ДД), точности и величины межповерочного интервала (МПИ)?
2. Действительно ли соответствуют технические характеристики расходомеров российского производства лучшим зарубежным аналогам?

В голове среднестатистического метролога сложились следующие характеристики рассматриваемых методов измерения расхода:

Соответственно, вывод очень простой: если есть средства, то лучше приобрести вихревой расходомер, так как он точнее и поверка реже; если финансирование ограничено, то остается только «старая добрая» диафрагма.

На этом выводе можно было бы и завершить статью, если бы не ключевые моменты, обозначенные в преамбуле. Поэтому предлагаем забыть образы и цифры по исследуемым методам измерения и начать выбор расходомера на пар с чистого листа.

Для начала вспомним, что собой представляют расходомеры на СУ и вихревые расходомеры.

Первый состоит из некоего сужающего устройства, установленного в трубопроводе. Обычно, в качестве сужающего устройства используется так называемая диафрагма: диск, внутренний диаметр которого меньше внутреннего диаметра трубопровода. За счет локального сужения диафрагма создает перепад давления, величина которого измеряется датчиком дифференциального давления. Одновременно измеряются абсолютное давление пара в трубопроводе и температура пара. Если коэффициент расхода диафрагмы известен данной информации достаточно, чтобы вычислить расход газа или пара и, соответственно, определить количество потребленного продукта за отчетный период.

Вихревой принцип измерения расхода основан на эффекте фон Кармана, заключающемся в том, что при обтекании потоком жидкости или газа плохо обтекаемого тела происходит регулярное вихреобразование, т.е. поочередное формирование и срыв вихрей с обеих сторон указанного тела, причем частота следования вихрей пропорциональна скорости потока. Данное вихреобразование сопровождается регулярными периодическими пульсациями давления и скорости потока в следе за телом обтекания. Соответственно, измерив частоту данных пульсаций, можно определить скорость или расход газа или пара при рабочих условиях. Для того, чтобы определить количество прошедшего пара необходимо, как и в случае с СУ, дополнительно измерить давление и температуру пара.

В статье мы рассмотрим характеристики двух подтипов вихревых расходомеров (ВР), получивших распространение в России, которые отличаются способом детектирования вихрей:

1. Пульсации давления или скорости фиксируются датчиками, находящимися на поверхности проточной части.
2. Пульсации давления воздействуют на чувствительный элемент (крыло, трубка, пьезомикрофон и др.) за телом обтекания, который, передает их на спрятанный вглубине прибора сенсор.

Итак, вернемся к поставленной задаче - нам необходимо установить узел учета пара.

Вероятнее всего, значение расхода пара будет изменяться в зависимости от времени года, объемов производства и других факторов, поэтому необходимо обеспечить запас диапазона измерений расходомера.

Стандартное соотношение максимального и минимально значений расхода, измеряемого с помощью СУ, составляет 1:3, но может достигать 1:10 (если использовать многопредельные «интеллектуальные», но и весьма недешевые датчики перепада давлений). Уже неплохо, но стоимость узла в этом случае также установится на максимум своего «динамического диапазона».

Широкий динамический диапазон – это несомненное достоинство вихревых расходомеров. Этот показатель варьируется от 1:20 до 1:40. Но и здесь не все гладко. Ведь коэффициент преобразования вихревого расходомера (т.е. отношение частоты вихреобразования к величине мгновенного расхода измеряемой среды через измерительное сечение прибора) стабильно в весьма ограниченном диапазоне расходов, определяемом числом Рейнольдса Re (гидродинамическим критерием подобия). Для достижения максимальной точности необходимо вводить индивидуальные поправочные коэффициенты, обеспечивающие точность измерений на всем диапазоне. Использование массива коэффициентов требует хорошей вычислительной мощности процессора, поэтому в современных интеллектуальных вихревых расходомерах должны быть установлены процессоры последнего поколения. К сожалению далеко не во всех отечественных приборах используется цифровая обработка сигнала с коррекцией зависимости Кармана, поэтому погрешность измерений в таких приборах увеличивается с ростом динамического диапазона.

Интересно, что применение цифровой спектральной обработки сигнала позволило преодолеть другой досадный в прошлом недостаток ВР. Дело в том, что принцип измерения предполагает детектирование пульсаций потока. При этом внешние вибрации могли накладываться на полезный сигнал и даже полностью его перекрывать. Помехи приводили к снижению точности измерений и возможности появления выходного сигнала при отсутствии расхода в трубопроводе, так называемому явлению «самохода».

Современные интеллектуальные ВР анализируют спектр сигналов, отсекая шумы и усиливая полезные гармоники, благодаря чему гарантируется точность измерений. При этом показатели виброустойчивости выросли в среднем на порядок.

К особенностям учета пара, которые следует учитывать при выборе средства измерения, относят высокую температуру среды, возможное засорение трубопровода вблизи расходомера, возможность появления отложений на внутренних поверхностях расходомера, а также вероятность периодического возникновения гидроударов и термоударов. Рассмотрим влияние этих факторов.

Температура пара может варьироваться в диапазоне от 100 0С до 600 0С. При этом расходомеры на СУ могут применяться во всем обозначенном диапазоне. Однако, точность измерений расходомеров на СУ будет ухудшаться с ростом температуры, что связано с изменением внутреннего диаметра трубопровода и диаметра диафрагмы, а также дополнительной температурной погрешностью датчика давления. Влияние изменения геометрических размеров особенно критично при измерениях на трубопроводах диаметром менее 300 мм, а дополнительная температурная погрешность датчика давления (например, «Метран-100») составляет 0,9% на 100?С.

Температурный диапазон работы ВР может соответствовать150, 200, 350, 450 0С, в зависимости от моделей и производителя. Причем последние два значения соответствуют характеристикам импортных приборов. Надеемся, что читатели хорошо представляют себе разницу между понятием «прибор работает и что-то показывает» и «прибор работает в соответствии с заявленными характеристиками». Очень часто производители ВР умалчивают о дополнительной температурной погрешности, связанной с изменением геометрических размеров элементов проточной части. В зарубежных расходомерах производится автоматическая коррекция показаний расхода по температуре, достигающая порой 0,2% на каждые 100 0С. В отечественных интеллектуальных ВР также производится температурная коррекция. Поэтому не забудьте уточнить у производителя, о наличии такой коррекции погрешности при выборе расходомера.

Засорение трубопровода и появление отложений на основных элементах преобразователя расхода со временем могут свести к нулю Ваши усилия по выбору и установке узла учета. Причина проста: конструкция расходомера на СУ предполагает образование отложений на днище трубопровода у передней стенки диафрагмы. По мере увеличения засорения, увеличивается его влияние на погрешность СУ, которая достигает порой десятков процентов. Налипание вещества на поверхность диафрагмы, также как и износ ее кромок, способствует превращению узла учета в датчик наличия потока в трубопроводе. Чтобы этого не произошло необходимо периодически (каждые два месяца) прочищать расходомер на СУ.

А что же ВР? На процесс вихреобразования загрязнения оказывают существенно меньшее влияние, чем на перепад давления на СУ, к тому же полостей и карманов, где могут скапливаться отложения в ВР просто нет, поэтому стабильность показаний последних значительно выше. Кроме того, экспериментально доказано, что вихреобразование приводит к самоочистке не только самого тела обтекания, но и участка трубопровода на расстоянии примерно в 1 диаметр условного прохода трубопровода (Ду) до и 2-4 Ду после тела обтекания. Использование специальных форм и размеров тел обтекания позволили дополнительно снизить влияние указанных изменений геометрических размеров проточной части ВР.

Сегодня производители применяют тела обтекания специальной формы. Они сконструированы таким образом, что их изменение влияет на точность измерений существенно меньше, чем у СУ и ВР с прямоугольными или, тем более, цилиндрическими телами обтекания. Тем не менее, следует помнить, что в наших трубопроводах вместе с паром могут иногда «транспортироваться» тряпки, гаечные ключи и другие виды «механических примесей». Поэтому если до узла учета не установлен фильтр (как минимум, крупная сетка), то следует обратить внимание на ВР со съемным телом обтекания . Такой прибор можно прочищать без демонтажа и последующей поверки.

Важным показателем надежности узла учета пара является его стойкость к гидравлическим ударам, которые нередко возникают в результате сбоев в работе источников тепла и «личной инициативы» обслуживающего персонала. Чтобы у читателя появилось уважение к этому явлению, отметим, что гидроудары и обычно следующее за ними нарастание давления приводят к разрыву отопительных батарей и часто являются основной причиной выхода из строя датчиков.

Расходомеры на СУ гидроударов не боятся, а ВР разделились на два лагеря. В ВР на основе пульсаций давления чувствительные элементы находятся под тонкой мембраной, а потому не защищены от гидроударов. Производители, как правило, честно предупреждают об этом, напоминая, однако, что гарантия на прибор в этом случае недействительна. В ВР на основе изгибных напряжений чувствительный элемент отделен от измеряемой среды , поэтому ничего не знает о гидроударах.

При подаче пара по остывшему трубопроводу происходит резкое повышение температуры, при этом чувствительные элементы датчика оказываются сильно нагретыми с внутренней стороны и охлажденными с внешней. Такое повышение температуры носит название термоудар и, соответственно, оно также опасно только для ВР пульсаций давления , чувствительные элементы которых находятся в непосредственной близости к измеряемой среде.

Теперь давайте представим себе трубопровод, на который будем монтировать узел учета. Если узел учета устанавливается на улице или в неотапливаемом помещении, то СУ будет требовать к себе повышенного внимания: импульсные линии, соединяющие датчик давления с трубопроводом могут замерзать, поэтому их нужно будет подогревать и продувать.

Вихревые расходомеры не прихотливы к месту установки и не требуют обслуживания. Рекомендуем Вам только удостовериться, что прибор соответствует климатическому исполнению С3 от (-40 до +70) 0С и позаботиться о том, чтобы вычислитель находился в тепле.

Кстати о вычислителях. Сам по себе объемный расход пара, значения которого выдает расходомер, не представляет практической ценности. Требуется знать либо массу пара, либо тепловую энергию, которую он переносит. Для этих целей используются тепловычислители, подсчитывающие требуемые параметры на основании данных датчиков расхода, давления и температуры. К необходимым и обязательным функциям вычислителя относятся ведение архива измеренных параметров, а также контроль и запись внештатных ситуаций.

Подключить расходомер к вычислителю можно используя токовый сигнал 4-20 мА, который имеется, пожалуй, у всех, расходомеров, как у СУ, так и у вихревых.

К достоинствам вихревых расходомеров относят дополнительный выходной частотный сигнал . Его преимуществами является более высокая точность. Обратите внимание, что производители указывают для частотного сигнала относительную погрешность, а для токового выхода – приведенную погрешность. Приведенная погрешность означает, что точность значений будет пропорционально ухудшаться по мере удаления от максимального значения расхода. К примеру, если для расходомера с ДД 1:10 указана приведенная погрешность скажем 1,0%, то это означает, что на максимальном расхода относительная погрешность действительно будет составлять 1,0%, а на минимуме будет соответствовать уже 10%. Вывод прост: частотный сигнал предпочтителен. Тем более, что у всех современных вычислителей есть частотный входной сигнал 0-1000 Гц или 0-10000 Гц.

У зарубежных производителей цифровой выходной сигнал рассматривается как дополнительная опция, поскольку потребители давно оценили преимущества цифровых коммуникаций. В России пока складывается обратная ситуация: цифровой сигнал предлагается как бесплатный бонус, но реально применяется в редких случаях. Этому часто способствуют российские производители вторичной аппаратуры, считая поддержку цифровых входных сигналов излишней. К тому же для прохождения цифрового сигнала требуются более качественные линии связи, которые в настоящее время есть далеко не везде. Тем не менее, наличие цифрового канала в расходомере может оказаться весьма кстати, при автоматизации технологических процессов или просто при выводе показаний приборов на ПК. Отметим важный момент: выбирайте приборы со стандартизованными признанными в мире цифровыми протоколами HART, Foundation Field Bus, ProfiBus, Modbus. В противном случае проку от закрытых стандартов, понятных только изготовителю прибора, будет мало.

Вернемся однако к трубопроводу и месту установки узла учета пара. Большинство средств измерения расхода должны устанавливаться на прямых участках трубопровода длиной от 1 до 100 диаметров условного прохода (Ду). Самые протяженные прямые участки от 30 до 100 Ду требуются расходомерам с СУ. Несоблюдение этих требований ведет к искажению равномерности потока среды и, как следствие, снижению точности измерения.

В сравнении с СУ, ВР предъявляют менее жесткие требования к длинам прямолинейных участков. Соответствующие рекомендации составляют 30Ду, с возможным сокращением до 10Ду в зависимости от конфигурации трубопровода. В большинстве случаев сокращение до 10Ду без ухудшения точности возможно только после введения дополнительных поправочных коэффициентов, учитывающих особенности места установки.

Отметим, что некоторые российские производители ВР рапортуют о «победе над законами гидродинамики» и указывают требования к прямым участкам от 3 до 5Ду, что в 2 и даже в 3 раза лучше, чем у зарубежных образцов. Оставим занижение требований к длинам прямых участков на совести этих производителей. А потребителям порекомендуем не заниматься самообманом и устанавливать ВР на трубопроводах с прямыми участками длиной хотя бы 10Ду, а СУ - не менее 30Ду.

А теперь предлагаем читателям напрячь свое воображение и представить уже не один, а сразу три одинаковых трубопровода с паром и трех инженеров Шайбова, Фишкина и Вихрева, каждому из которых мы доверим установить и обслуживать узел учета на одном из трубопроводов.

Инженеры решили пойти различными путями решения задачи учета пара и выбрали соответственно счетчик на базе СУ, импортный узел учета пара на базе ВР, отечественный узел учета пара на базе ВР. При этом Шайбов прежде всего руководствовался стоимостью узла учета. Фишкин решил раскошелиться, считая, что «скупой платит дважды», и приобрел импортный вихревой расходомер. Вихрев изучил вопрос основательно и, по принципу «если нет разницы, зачем платить больше?», остановился на отечественном вихревом расходомере изгибных напряжений. Давайте понаблюдаем за нашими персонажами.

Неприятности поджидали наших героев уже на первом этапе, при покупке расходомеров.

При расчетах Шайбов не подозревал, что стоимость датчика давления возрастет на треть из-за того, что узел будет находиться в неотапливаемом помещении, да и импульсные линии с вентильными блоками оказались не такими дешевыми, как предполагалось. В итоге стоимость узла учета на СУ сравнялась с решением на базе отечественного ВР.

Фишкин немного расстроился, когда после 5 недель ожидания получения оборудования узнал, что придется подождать еще пару недель из-за задержек на таможне.

К проблемам Вихрева на этом этапе можно отнести разве что, затруднение в выборе из большого ассортимента вычислителей. (Впрочем, мы бы хотели не касаться проблемы выбора вычислителя в этой статье, поэтому доверимся выбору Вихрева и даже не будем спрашивать у него, какой именно вычислитель он приобрел).

Наконец все инженеры получили оборудование, осталось его установить и первый этап пройден. Быстрее всех управился Вихрев, потому что технологическая вставка и комплект монтажных частей были поставлены вместе с расходомером. Шайбову пришлось затратить значительно больше времени, чтобы соблюсти все обязательные требования к установке диафрагмы: обеспечить соответствие диаметров трубопровода и корпусов диафрагмы, соосность СУ и трубопровода, соединить импульсными линиями камеры СУ с датчиком перепада давления. Пришлось Шайбову также смириться с тем фактом, что точность узла учета будет ниже заявленной из-за неучтенных факторов : шероховатости трубопровода и несоответствия фактического внутреннего диаметра трубопровода расчетным данным.

Монтаж узла учета на базе импортного оборудования прошел гладко, благодаря хорошо иллюстрированным руководствам по эксплуатации. Однако «ложку дегтя» подкинул местный дилер, отказавшись поставлять комплект монтажных частей к расходомеру и переложив его изготовление на Фишкина. Радость Фишкина по поводу успешной установки узла также была недолгой, так как программирование приборов оказалось затруднено из-за отсутствия русскоязычного меню и явных ошибок перевода сопроводительной документации. Звонок местному поставщику показал, что специалиста по настройке оборудования у них нет, поэтому все вопросы перенаправлялись в головной офис представительства фирмы в России. И ответы на свои вопросы Фишкин ждал долго. Впрочем, Фишкин уже привык ждать...

Итак, оборудование установлено и подключено, узел сдан. Однако прошло время и у Шайбова появилось подозрение, что показания СУ не соответствуют действительности. После вскрытия, очистки диафрагмы и прилежащего участка трубопровода от засорений и продувки импульсных линий, показания стали соответствовать ожидаемым, однако, вывод был неутешителен: раз в два месяца требуется чистка узла .

Фишкин и Вихрев с некоторым злорадством наблюдали за суетой своего коллеги, думая, что вспомнят о своих узлах на ВР только через три года, когда придет время их поверки. Однако вышедшее постановление местного ЦСМ развеяло ожидания: в регионе ввели распоряжение о поверке всех расходомеров-счетчиков тепловой энергии каждый год, вне зависимости от предписания федеральных постановлений.

Настал звездный час Шайбова: вся поверка узла учета вылилась в очередное снятие диафрагмы (за год дружбы с СУ инженер научился быстро снимать диафрагму, так как проводил эту процедуру регулярно) и замер ее геометрии в присутствии представителя ЦСМ, а также в поверку датчиков давления и температуры.

Импортный расходомер Фишкина можно поверять двумя способами: проливкой прибора на водном стенде или по беспроливной методике. Второй вариант оказался более предпочтительным. Процедура поверки оказалась довольно проста: измерение геометрии тела обтекания и поверка электронного блока. Правда Фишкину пришлось дополнительно приобретать специальный дорогостоящий комплект для поверки, без которого можно было бы обойтись, если бы в приборе использовались стандартные, а не уникальные фирменные разъемы.

Вихрев был готов к процедуре поверки и даже ждал ее, так как еще на этапе покупки он сделал выбор в пользу ВР изгибных напряжений, которые благодаря своей универсальности можно поверять не только на воздушном, но и на водяном поверочном стенде, который есть в любом областном центре. Приятным сюрпризом для Вихрева оказалось наличие официально утвержденной методике беспроливной поверки аналогичной расходомеру Фишкина.

Напоследок предлагаем Вам представить, что у инженеров расходомеры вышли из строя. Пожалеем только Шайбова: ведь он и так уже не отходит от СУ, являясь неотъемлемой частью узла учета. Пусть поломки расходомеров Фишкина и Вихрева будут иметь одинаковый характер, давайте, например, представим, что у обоих приборов вышел из строя частотный выход по вине рабочего, перепутавшего полярность подключения контактов.

Итак, посетовав на рабочих, Фишкин и Вихрев принялись изучать руководства по эксплуатации на расходомер. Воспользовавшись функцией встроенной самодиагностики, Фишкин убедился, что вышел из строя только частотный выход. Позвонив в сервисный центр (СЦ) он узнал, что замена электроники – это пятиминутная процедура, благодаря модульной конструкции прибора. Однако в СЦ отказались предоставить ремонтную документацию и сменный модуль, объяснив такую скрытость политикой компании производителя. Пришлось Фишкину отправлять прибор в СЦ, где, как позже выяснилось, именно такого модуля в данный момент на складе не было, поэтому его заказали за границей. Вот тебе и пятиминутная процедура. Впрочем, ждите, Фишкин, ждите. Вы же привыкли.

Вихрев тоже позвонил в СЦ и даже, зная злоключения Фишкина, был готов к отправке туда прибора. Но в СЦ его приятно удивили. Вихреву, сообщили, что его прибор можно ремонтировать в полевых условиях и прислали ремонтную документацию, предложив на выбор, либо заменить модуль самостоятельно, либо снять прибор и направить его в ближайший СЦ. Увидев, что для замены электроники требуется всего-то навсего открутить пару болтов, при этом не нужно демонтировать весь расходомер и тем более останавливать подачу пара в трубопроводе, Вихрев решил провести ремонт самостоятельно. Через пару дней с завода-изготовителя Вихреву прислали сменный электронный модуль, который он получил утром; а уже к обеду неисправный модуль был заменен и прибор вновь заработал.

• следует выбирать ВР, т.к. СУ требует постоянного обслуживания. В противном случае погрешность измерения СУ будет значительно превышать заявленные значения;
• все сопроводительные документы должны быть на русском языке;
• расходомер должен иметь официально утвержденную беспроливную методику поверки и быть универсальным для обеспечения возможности его поверки на водяном стенде;
• чувствительный элемент расходомера должен быть надежно защищен от гидро- и термоударов;
• конструкция расходомера должна быть модульной, с возможностью быстрой и удобной замены в полевых условиях каждого из модулей;
• ремонтная документация должна предоставляться производителем по требованию потребителей;
• региональный СЦ производителя должен обеспечивать возможность быстрого ремонта вышедшего из строя расходомера, в том числе – и непосредственно на месте эксплуатации.

К рекомендациям наших вымышленных персонажей от себя добавим, что при выборе расходомера следует принимать решение не только на основании цифр, крупно выделенных в рекламных проспектах, но и по другим важным техническим и эксплуатационным характеристикам.

С легким паром!