У чому вимірюється витрата пари. Теплова енергія: одиниці виміру та їх правильне використання

Г. Сичов

У цій статті розповідається про вологу пару та засоби її обліку, які застосовуються на парогенеруючих об'єктах (насамперед у практиці промислових котелень та теплоелектростанцій). Їхня енергоефективність багато в чому визначається точністю вимірювання, яка залежить як від принципу обліку, так і від якості витратоміра пари.

Властивості водяної пари

Насичена пара - це водяна пара, що знаходиться в термодинамічній рівновазі з водою, тиск і температура якого пов'язані між собою і розташовуються на кривій насичення, що визначає температуру кипіння води при даному тиску.

Перегрітою парою називають водяну пару, нагріту до температури вище температури кипіння води при даному тиску, одержуваний, наприклад, насиченої пари шляхом додаткового нагріву.

Суха насичена пара є безбарвним прозорим газом, будучи гомогенним, тобто однорідним середовищем. До певної міри його можна вважати абстракцією, тому що отримання його важко - в природі він зустрічається тільки в геотермальних джерелах, а парові котли, що виробляється, насичена пара не є сухим - типові значення ступеня сухості для сучасних котлів становлять 0,95-0,97. При нештатних ситуаціях (крапельному винесенні котлової води під час роботи котла при зниженому робочому тиску або різкому зростанні споживання пари) ступінь сухості ще нижче. Крім того, суха насичена пара метастабільна: при надходженні тепла ззовні вона легко стає перегрітою, а при віддачі тепла - вологою насиченою.

Волога насичена пара являє собою механічну суміш сухої насиченої пари з зваженою дрібнодисперсною рідиною, що знаходиться з парою в термодинамічній і кінетичній рівновазі. Флуктуація щільності газової фази, наявність сторонніх частинок, зокрема несучих електричні заряди - іони, призводить до виникнення центрів конденсації, що носить гомогенний характер. У міру зростання вологості насиченої пари, наприклад, через теплові втрати або підвищення тиску, дрібні крапельки води стають центрами конденсації і поступово ростуть у розмірах, а насичена пара стає гетерогенною, тобто двофазним середовищем (пароконденсатною сумішшю у вигляді туману). Насичена пара, що представляє газову фазу пароконденсатної суміші, при русі передає частину своєї кінетичної та теплової енергії рідкій фазі. Газова фаза потоку несе у своєму обсязі крапельки рідкої фази, але швидкість рідкої фази потоку істотно нижче швидкості його парової фази. Волога насичена пара може формувати межу розділу, наприклад, під впливом гравітації. Структура двофазного потоку при конденсації пари в горизонтальних та вертикальних трубопроводах змінюється залежно від співвідношення часток газової та рідкої фаз.

Характер перебігу рідкої фази залежить від співвідношення сил тертя та сил тяжіння. У горизонтально розташованому трубопроводі при високій швидкості пари перебіг конденсату може залишатися плівковим, як і у вертикальній трубі, при середній може набувати спіралеподібної форми, а при низькій - плівковий перебіг спостерігається тільки на верхній внутрішній поверхні трубопроводу, а в нижній формується безперервний потік, «струмок ».

Вимірювання масової витрати та теплової енергії вологої насиченої пари пов'язане з такими проблемами:

1) газова та рідка фази вологої насиченої пари рухаються з різною швидкістю і займають змінну еквівалентну площу поперечного перерізу трубопроводу;

2) щільність насиченої пари зростає в міру зростання її вологості, причому залежність щільності вологої пари від тиску при різному ступені сухості неоднозначна;

3) питома ентальпія насиченої пари знижується зі зростанням її вологості;

4) визначення ступеня сухості вологої насиченої пари в потоці важко.

Разом з тим підвищення ступеня сухості вологої насиченої пари можливе двома відомими способами: «м'яттям» пари (зниженням тиску і, відповідно, температури вологої пари) за допомогою редукційного клапана і відділенням рідкої фази за допомогою сепаратора пари і конденсатовідвідника. Ці методи відомі понад сто років. Так, А.С. Ломшаков у роботі «Випробування парових котлів» (СПб, 1913) писав: «відділення води від пари в паропроводі не становить труднощів. Якщо пара рухається зі швидкістю близько 15 м/с і швидше, більшість водовіддільників осушують його до 1 % вмісту води, навіть у тому випадку, якщо до водовідділювача він був дуже вологий. Це було підтверджено дослідами Зентнера». Сучасні сепаратори пари забезпечують майже 100% осушення вологої пари.

Принципи вимірювань витрати пари

Вимірювання витрати двофазних середовищ - вкрай складне завдання, яке досі не вийшло за межі дослідницьких лабораторій. Це особливо стосується пароводяної суміші. Більшість витратомірів пари є швидкісними, тобто вимірюють швидкість потоку пари. До них відносяться витратоміри змінного перепаду тиску на основі звужуючих пристроїв, вихрові, ультразвукові, тахометричні, кореляційні, струменеві витратоміри. Особняком стоять коріолісові і теплові витратоміри, що безпосередньо вимірюють масу середовища.

Витратоміри змінного перепаду тиску на основі звужуючих пристроїв (діафрагм, сопел, труб Вентурі та інших місцевих гідравлічних опорів) досі є основним засобом вимірювання витрати пари. Однак, відповідно до підрозділу 6.2 ГОСТ Р 8.586.1-2005 «Вимірювання витрати та кількості рідин та газів методом перепаду тиску», за умов застосування стандартних пристроїв звуження, контрольоване «середовище повинно бути однофазним і однорідним за фізичними властивостями».

За наявності у трубопроводі двофазного середовища пари та води вимірювання витрати теплоносія приладами змінного перепаду тиску з нормованою точністю не забезпечується. У цьому випадку можна було б говорити про виміряну витрату парової фази (насиченої пари) потоку вологої пари при невідомому значенні ступеня сухості. Таким чином, застосування таких витратомірів для вимірювання витрати вологої пари призведе до недостовірних показань.

Оцінка методичної похибки, що виникає (до 12 % при тиску до 1 МПа і ступеня сухості 0,8) при вимірюванні вологої пари витратомірами змінного перепаду тиску на базі звужуючих пристроїв проведена в роботі Е. Абаринова та К. Сарело «Методичні похибки вимірювання енергії вологої пари теплолічильниками на суху насичену пару».

Ультразвукові витратоміри

Ультразвукові витратоміри, що успішно застосовуються при вимірюванні витрати рідин і газів, ще не знайшли широкого застосування при вимірюванні витрати пари, незважаючи на те, що окремі типи їх випускаються серійно або були анонсовані виробником. Проблема полягає в тому, що ультразвукові витратоміри, що реалізують доплерівський принцип вимірювань, заснований на зсуві частоти ультразвукового променя, не придатні для вимірювання перегрітої та сухої насиченої пари через відсутність неоднорідностей у потоці, необхідних для відбиття променя, а при вимірюванні витрати вологості занижують показання через відмінність швидкостей газової та рідкої фази. Ультразвукові витратоміри імпульсного типу навпаки непридатні для вологої пари через відбиття, розсіювання та заломлення ультразвукового променя на краплях води.

Вихрові витратоміри

Вихрові витратоміри різних виробників при вимірі вологої пари поводяться неоднаково. Це визначається як конструкцією первинного перетворювача витрати, принципу детектування вихорів, електронної схеми, і програмного забезпечення. Важливим є вплив конденсату працювати чутливого елемента. У деяких конструкціях серйозні проблеми виникають при вимірюванні витрати насиченої пари, коли одночасно в трубопроводі існує газова та рідка фаза. Вода концентрується вздовж стінок труби і перешкоджає нормальному функціонуванню датчиків тиску, встановлених урівень зі стінкою труби. В інших конструкціях конденсат може затоплювати сенсор та блокувати вимірювання витрати зовсім. Натомість у деяких витратомірів це практично не впливає на свідчення.

Крім цього, двофазний потік, набігаючи на тіло обтікання, формує цілий спектр вихрових частот, пов'язаних як зі швидкістю газової фази, так і зі швидкостями рідкої фази (краплинної форми ядра потоку та плівкової або струминної пристінкової області) насиченої вологої пари. При цьому, амплітуда вихрового сигналу рідкої фази може бути дуже значною, і, якщо електронна схема не передбачає цифрової фільтрації сигналу за допомогою спектрального аналізу та спеціального алгоритму виділення «справжнього» сигналу, пов'язаного з газовою фазою потоку, що характерно для спрощених моделей витратомірів, то відбуватиметься сильне заниження показань витрати. Кращі моделі вихрових витратомірів володіють системами DSP (цифрової обробки сигналу) та SSP (спектральної обробки сигналу на основі швидкого перетворення Фур'є), які дозволяють не тільки підвищити ставлення сигнал/шум, виділити «справжній» вихровий сигнал, але й усунути вплив вібрацій трубопроводу та електричних перешкод.

Незважаючи на те, що вихрові витратоміри призначені для вимірювання витрати однофазного середовища, вони можуть бути використані для вимірювання витрати двофазних середовищ, у тому числі пара з краплями води при деякій деградації метрологічних характеристик. Так, за експериментальними дослідженнями компаній EMCO та Spirax Sarco, вологу насичену пару зі ступенем сухості понад 0,9 можна вважати гомогенною і за рахунок «запасу» за точністю витратомірів PhD і VLM (±0,8-1,0 %), показання масового витрати та теплової потужності будуть знаходитися в межах похибок, нормованих у «Правилах обліку теплової енергії та теплоносія».

При ступеня сухості 0,7-0,9 відносна похибка вимірювань масового витрати цих витратомірів може досягати 10% і більше.

Щоб уникнути блокування чутливого елемента вихрового витратоміра, наприклад чутливого крила конденсатом, деякі виробники рекомендують орієнтувати первинний перетворювач таким чином, щоб вісь чутливого елемента була паралельна поверхні розділу пар/конденсат.

Інші типи витратомірів

Витратоміри змінного перепаду/змінної площі, обтікання з підпружиненою заслінкою та мішені змінної площі не допускають вимірювання двофазного середовища через можливе ерозійне зношування проточної частини при русі конденсату.

Принципово лише масові витратоміри коріолісового типу могли б вимірювати двофазне середовище, проте дослідження показують, що похибки вимірювань коріолісових витратомірів значною мірою залежать від співвідношення часток фаз, а «спроби розробити універсальний витратомір для багатофазних середовищ швидше ведуть у глухий кут» (доповідь). М. Ріккен "Вимірювання витрати за допомогою коріолісових витратомірів у разі двофазного потоку" на XXIV міжнародній науково-практичній конференції "Комерційний облік енергоносіїв" у Санкт-Петербурзі). У той же час коріолісові витратоміри інтенсивно розвиваються, і, можливо, успіху буде досягнуто вже скоро, але поки що таких промислових засобів вимірювань на ринку немає.

Корекція ступеня сухості пари

Для обчислення масової витрати та теплової потужності вологої пари необхідний вимір ступеня сухості. Багато теплообчислювачів і теплоенергоконтролерів російського виробництва мають як опцію введення константи «ступінь сухості пари», за допомогою якої проводиться корекція питомої щільності та ентальпії вологої насиченої пари.

Щільність насиченої водяної пари визначають за формулою:

ρ1. ρ2

ρ = --------------------- ,

ρ2. (1 - X) + ρ1. X

X - ступінь сухості насиченої водяної пари, кг/кг.

Фіксоване значення ступеня сухості може бути встановлено на базі експертної оцінки або балансу мас (останній можна встановити при аналізі статистичних даних та наявності одного джерела та одного споживача пари), проте ці методи будуть створювати суттєву похибку, оскільки не враховують динамічні похибки, пов'язані зі зміною ступеня сухості у процесі роботи.

У різні роки в Росії і СНД з'являлася інформація про реалізацію вимірювачів сухості пари в потоці (потокових вологомірів) заснованих, наприклад, на діелькометричному методі вимірювань (залежності діелектричної проникності від вологості пари), радіаційного просвічування трубопроводу гамма-променями, проте промислових вологомірів пара до цих досі не з'явилося на ринку.

Насправді американська компанія EMCO (з 2005 р. бренд Spirax Sarco) випускала обчислювач потоку FP-100, що має струмовий вхід 4-20 мА з функцією введення «вологості пари» і власне вимірювач вологості пари, що діє залежно від ступеня поглинання НВЧ енергії в потік вологої пари. Проте, на початку 90-х років. цей вхід перестав використовуватися, а вимірник вологості перестав вироблятися, оскільки стало цілком очевидно, що використання вологої пари для будь-яких цілей, крім дуже обмежених технологічних, неприйнятне через зниження енергоефективності пароконденсатних систем, підвищеного зносу паропроводів, арматури, фітингів та інших пристроїв , зростання ризику аварій та катастроф у небезпечних промислових та інших об'єктах

Вирішення проблеми вимірювання витрати вологої пари

Єдино правильним рішенням здійснення метрологічно достовірного та надійного обліку теплової потужності та масової витрати вологої насиченої пари є наступний метод:

1) сепарування вологої пари за допомогою сепаратора та конденсатовідвідника;

2) вимірювання витрати сухої насиченої пари будь-яким придатним для цього витратоміром;

3) вимірювання витрати конденсату будь-яким придатним для цього витратоміром;

4) розрахунок масових витрат і теплових потужностей пари та конденсату;

5) інтегрування параметрів у часі, архівування та формування протоколів вимірювань.

Вимірювання витрати конденсату повинен проводитися в тій частині конденсатопроводу, де забезпечено однофазний стан конденсату (без пари вторинного закипання), наприклад, після конденсатного бака (ресивера), що має зв'язок з атмосферою (вістову трубу), з використанням конденсатного насоса або конденсатовідвідника, що перекачує.

Вимірювання пульсуючих витрат

Вимірювання швидкомінних (пульсуючих) потоків витратомірами змінного перепаду тиску в деяких випадках може досягти неприпустимо великих значень. Це пов'язано з великою кількістю джерел похибки: впливу квадратичної залежності між витратою та перепадом тиску, впливом місцевого прискорення, впливу акустичних явищ та імпульсних (з'єднувальних) трубок. Тому п.6.3.1 ГОСТ Р 8.586.1-2005 «Вимірювання витрати та кількості рідин і газів методом перепаду тиску» встановлює, що: «Витрата має бути постійною або повільно змінюється в часі».

Вимірювання пульсуючих витрат вихровими витратомірами не становить проблем, оскільки ці витратоміри мають достатню швидкодію при вимірі витрати пари. Діапазон частот зриву вихорів з тіла обтікання при вимірі витрати пари становлять сотні та тисячі герц, що відповідає часовим інтервалам від одиниць до десятків мілісекунд. Сучасні електронні схеми вихрових витратомірів аналізують спектр сигналу за 3-7 періодів синусоїдального вихрового сигналу, забезпечуючи відгук протягом менше 30-70 мс, достатній для відстеження процесів, що швидко протікають.

Вимірювання витрати пари в перехідних режимах

Пускові режими трубопроводу пов'язані з прогріванням трубопроводу насиченою або перегрітою парою та інтенсивним утворенням конденсату. Наявність конденсату наражатиме на небезпеку гідроударів кінетичного і термодинамічного типу як самі паропроводи, так і арматуру, фітинги та інші пристрої, встановлені на паропроводі, при контакті пари з конденсатом. Дренаж паропроводів необхідний не тільки в режимі прогріву і пуску, але і при нормальній експлуатації. При цьому сепарація утворюється в перехідних режимах конденсату, за допомогою сепараторів пари і конденсатовідвідників, поряд з отриманням насиченої сухої пари, забезпечує відведення конденсату, який може бути вимірюваний витратоміром рідини будь-якого придатного для цього середовища типу.

Наявність конденсату у вологій парі є серйозною загрозою виникнення гідроударів. При цьому можливе як утворення пробки конденсату, так і миттєва конденсація пари при контакті з рідиною. Витратоміри на пристроях, що звужують, не бояться гідроударів, а з вихровими пристроями дещо складніше. Справа в тому, що вихрові витратоміри на основі пульсацій тиску чутливі елементи знаходяться під тонкою мембраною, а тому не захищені від гідроударів. Виробники зазвичай чесно попереджають про це, нагадуючи, що гарантія на прилад у цьому випадку недійсна. У вихрових витратомірах на основі згинальних напруг чутливий елемент відділений від вимірюваного середовища і не може бути пошкоджений у випадку гідроудару.

На даний час на ринку відомі сотні виробників вихрових витратомірів, але світовими лідерами з розробки та випуску цього типу приладів є корпорація Yokogawa Electric (Японія), Endress+Hauser (Німеччина) та EMCO (США).

Точність вимірювання витрати пари залежить від цілого ряду факторів. Один із них – ступінь його сухості. Часто цим показником нехтують при підборі приладів обліку та вимірювання, і даремно. Справа в тому, що насичена волога пара по суті є середовищем двофазним, і це викликає ряд проблем у вимірі його масової витрати та теплової енергії. Як вирішити ці проблеми ми сьогодні розберемося.

Властивості водяної пари

Для початку, визначимося з термінологією та з'ясуємо, які особливості вологої пари.

Насичена пара - водяна пара, що знаходиться в термодинамічній рівновазі з водою, тиск і температура якого пов'язані між собою і розташовуються на кривій насичення (рис.1), що визначає температуру кипіння води при даному тиску.

Перегріта пара - водяна пара, нагріта до температури вище температури кипіння води при даному тиску, одержуваний, наприклад, з насиченої пари шляхом додаткового нагріву.

Сухий насичений пар (рис.1) – безбарвний прозорий газ, є гомогенною, тобто. однорідним середовищем. Певною мірою це абстракція, тому що отримання його важко: у природі він зустрічається тільки в геотермальних джерелах, а парові котли, що виробляється, насичена пара не є сухою - типові значення ступеня сухості для сучасних котлів 0,95-0,97. Найчастіше ступінь сухості ще нижчий. Крім того, суха насичена пара метастабільна: при надходженні тепла ззовні він легко стає перегрітим, а при віддачі тепла - вологим насиченим:

Рисунок 1. Лінія насичення водяної пари

Волога насичена пара (рис.2) являє собою механічну суміш сухої насиченої пари з виваженою дрібнодисперсною рідиною, що знаходиться з парою в термодинамічній і кінетичній рівновазі. Флуктуація щільності газової фази, наявність сторонніх частинок, зокрема несучих електричні заряди – іони, призводить до виникнення центрів конденсації, що має гомогенний характер. У міру зростання вологості насиченої пари, наприклад, через теплові втрати або підвищення тиску, дрібні крапельки води стають центрами конденсації і поступово ростуть у розмірах, а насичена пара стає гетерогенною, тобто. двофазним середовищем (пароконденсатною сумішшю) у вигляді туману. Насичена пара, що представляє газову фазу пароконденсатної суміші, при русі передає частину своєї кінетичної та теплової енергії рідкій фазі. Газова фаза потоку несе у своєму обсязі крапельки рідкої фази, але швидкість рідкої фази потоку істотно нижче швидкості його парової фази. Волога насичена пара може формувати межу розділу, наприклад, під впливом гравітації. Структура двофазного потоку при конденсації пари в горизонтальних та вертикальних трубопроводах змінюється залежно від співвідношення часток газової та рідкої фаз (рис.3):

Малюнок 2. PV-діаграма водяної пари

Малюнок 3. Структура двофазного потоку у горизонтальному трубопроводі

Характер перебігу рідкої фази залежить від співвідношення сил тертя і сил тяжіння, і в горизонтально розташованому трубопроводі (рис.4) при високій швидкості пари протягом конденсату може залишатися плівковим, як і у вертикальній трубі, при середній може набувати спіралеподібної форми (рис.5) , а при низькій плівковій течії спостерігається тільки на верхній внутрішній поверхні трубопроводу, а в нижній формується безперервний потік, «ручок».

Таким чином, у загальному випадку потік пароконденсатної суміші при русі є три складовими: суха насичена пара, рідина у вигляді крапель в ядрі потоку і рідина у вигляді плівки або струменя на стінках трубопроводу. Кожна з цих фаз має свою швидкість і температуру, при цьому при русі пароконденсатної суміші виникає відносне ковзання фаз. Математичні моделі двофазної течії в паропроводі вологої насиченої пари представлені в роботах.

Малюнок 4. Структура двофазного потоку у вертикальному трубопроводі

Малюнок 5. Спіралеподібний рух конденсату.

Проблеми виміру витрати

Вимірювання масової витрати та теплової енергії вологої насиченої пари пов'язане з такими проблемами:
1. Газова та рідка фази вологої насиченої пари рухаються з різною швидкістю і займають змінну еквівалентну площу поперечного перерізу трубопроводу;
2. Щільність насиченої пари зростає зі зростанням її вологості, причому залежність щільності вологої пари від тиску при різному ступені сухості неоднозначна;
3. Питома ентальпія насиченої пари знижується зі зростанням її вологості.
4. Визначення ступеня сухості вологої насиченої пари в потоці важко.

Вимірювання витрати двофазних середовищ – вкрай складне завдання, яке досі не вийшло за межі дослідницьких лабораторій. Це особливо стосується пароводяної суміші.

Більшість витратомірів пари є швидкісними, тобто. вимірюють швидкість потоку пари. До них відносяться витратоміри змінного перепаду тиску на основі звужуючих пристроїв, вихрові, ультразвукові, тахометричні, кореляційні, струменеві витратоміри. Особняком стоять коріолісові і теплові витратоміри, що безпосередньо вимірюють масу середовища.

Розглянемо, як різні види витратомірів справляються зі своїм завданням, якщо мають справу з вологою парою.

Витратоміри змінного перепаду тиску

Витратоміри змінного перепаду тиску на основі звужуючих пристроїв (діафрагм, сопел, труб Вентурі та інших місцевих гідравлічних опорів) досі є основним засобом вимірювання витрати пари. Однак, відповідно до підрозділу 6.2 ГОСТ Р 8.586.1-2005 «Вимірювання витрати та кількості рідин та газів методом перепаду тиску»: За умовами застосування стандартних пристроїв звуження, контрольована « середовище має бути однофазним і однорідним за фізичними властивостями":

За наявності у трубопроводі двофазного середовища пари та води вимірювання витрати теплоносія приладами змінного перепаду тиску з нормованою точністю не забезпечується. В цьому випадку «можна було б говорити про виміряну витрату парової фази (насиченої пари) потоку вологої пари при невідомому значенні ступеня сухості».

Таким чином, застосування таких витратомірів для вимірювання витрати вологої пари призведе до недостовірних показань.

Ультразвукові витратоміри

Ультразвукові витратоміри, що успішно застосовуються при вимірюванні витрати рідин і газів, ще не знайшли широкого застосування при вимірюванні витрати пари, незважаючи на те, що окремі типи їх випускаються серійно або були анонсовані виробником. Проблема полягає в тому, що ультразвукові витратоміри, що реалізують доплерівський принцип вимірювань, заснований на зсуві частоти ультразвукового променя, не придатні для вимірювання перегрітої та сухої насиченої пари через відсутність неоднорідностей у потоці, необхідних для відбиття променя, а при вимірюванні витрати вологості занижують показання через відмінність швидкостей газової та рідкої фази. Ультразвукові витратоміри часимпульсного типу навпаки непридатні для вологої пари через відбиття, розсіювання та заломлення ультразвукового променя на краплях води.

Вихрові витратоміри

Вихрові витратоміри різних виробників при вимірі вологої пари поводяться неоднаково. Це визначається як конструкцією первинного перетворювача витрати, принципу детектування вихорів, електронної схеми, і особливостями програмного забезпечення. Важливим є вплив конденсату працювати чутливого елемента. У деяких конструкціях «серйозні проблеми виникають при вимірі витрати насиченої пари, коли одночасно в трубопроводі існує газова та рідка фаза. Вода концентрується вздовж стінок труби і перешкоджає нормальному функціонуванню датчиків тиску, встановлених урівень зі стінкою труби". В інших конструкціях конденсат може затоплювати сенсор і блокувати вимірювання витрати зовсім. Зате у деяких витратомірів це практично не впливає на показання.

Крім цього, двофазний потік, набігаючи на тіло обтікання, формує цілий спектр вихрових частот, пов'язаних як зі швидкістю газової фази, так і зі швидкостями рідкої фазою (краплинної форми ядра потоку і плівкової або струминної пристінкової області) вологої насиченої пари. При цьому амплітуда вихрового сигналу рідкої фази може бути дуже значною і, якщо електронна схема не передбачає цифрової фільтрації сигналу за допомогою спектрального аналізу та спеціального алгоритму виділення «справжнього» сигналу, пов'язаного з газовою фазою потоку, що характерно для спрощених моделей витратомірів, то відбуватиметься сильне заниження показань витрати. Кращі моделі вихрових витратомірів володіють системами DSP (цифрової обробки сигналу) та SSP (спектральної обробки сигналу на основі швидкого перетворення Фур'є), які дозволяють не тільки підвищити ставлення сигнал/шум, виділити «справжній» вихровий сигнал, але й усунути вплив вібрацій трубопроводу та електричних перешкод.

Незважаючи на те, що вихрові витратоміри призначені для вимірювання витрати однофазного середовища, в роботі показано, що вони можуть бути використані для вимірювання витрати двофазних середовищ, у тому числі пара з краплями води при деякій деградації метрологічних характеристик.

Вологу насичену пару зі ступенем сухості понад 0,9 за експериментальними дослідженнями EMCO та Spirax Sarco можна вважати гомогенним і за рахунок «запасу» за точністю витратомірів PhD і VLM (±0,8-1,0%), показання масової витрати та теплової потужності будуть у межах похибок.

При ступеня сухості 0,7-0,9 відносна похибка вимірювань масової витрати цих витратомірів може досягати десяти і більше відсотків.

Інші дослідження, наприклад, дають більш оптимістичний результат – похибка вимірювання масової витрати вологої пари соплами Вентурі на спеціальній установці для калібрування витратомірів пари знаходиться в межах ±3,0% для насиченої пари зі ступенем сухості понад 0,84.

Інші типи витратомірів

Принципово лише масові витратоміри коріолісового типу могли б вимірювати двофазне середовище, проте дослідження показують, що похибки вимірювань коріолісових витратомірів значною мірою залежать від співвідношення часток фаз, а спроби розробити універсальний витратомір для багатофазних середовищ швидше ведуть у глухий кут. У той же час коріолісові витратоміри інтенсивно розвиваються, і, можливо, успіху буде досягнуто вже скоро, але поки що таких промислових засобів вимірювань на ринку немає.

к. т. н., О. В. Коваленко

Вимірювачі перегрітої пари, що використовуються, визначають: тиск, температуру, і, один"Витратний параметр". Як зазначалося, цієї інформації недостатньо визначення тепла і маси вологого пара .

З метою забезпечення можливості контролю тепла та маси вологої пари для таких вимірювачів планують використання обчислювачів з можливістю введення корекції за параметром «ступеня сухості». Однак таке рішення задачі контролю параметрів вологої пари, на базі відомого рівня техніки, слід визнати недостатньо ефективним.

У паропроводах перегрітої пари сигнал "витратного параметра" цих вимірювачів відповідає масовій витраті контрольованого потоку. Витрата перегрітої пари може бути представлений наступним математичним виразом:

, (1 .1)

де: - Витрата перегрітої пари;

Щільність перегрітої пари;

Швидкість перегрітої пари в паропроводі;

Перетин контрольованого потоку.

Щільність перегрітої пари є відомою функцією тиску та температури пари в контрольованому паропроводі.

Для визначення швидкості потоку перегрітої пари () може бути використаний будь-який прийнятний вимірювач «витратного параметра», наприклад, вимірювальна діафрагма.

Таким чином, витрата перегрітої пари визначається за вимірюваними сигналами «витратного параметра», температури та тиску. Для визначення параметрів перегрітої пари ця розрахункова модель ідеальна.

Однак перегріта пара, в процесі використання, або втрат, її теплової енергії, неминуче стає вологою парою.

Витрата вологої пари може бути представлена наступним математичним виразом:

, (1.2)

де: - Витрата вологої пари;

Витрата парової фази вологої пари (фаза насиченої пари);

Витрата рідкої фази вологої пари;

Швидкість руху рідкої фази потоку.

Насичена пара з температурою насиченої пари; - волога пара; - вода з температурою насиченої пари.

Щільності фаз вологої пари є відомими функціями тиску пари в контрольованому паропроводі. Інші параметри вологої пари, наприклад, такі як: , , , , , вимірювачами перегрітої пари не можуть бути визначені. У цій ситуації немає сенсу корекція сигналу «витратного параметра» виміряним значенням ступеня сухості через те, що цей сигнал фізично відповідає витраті потоку чи його фаз. Такий сигнал «витратного параметра потребує не корекції, а … припасування.

Позначена проблема контролю тепла та маси вологої пари може бути в деталях показана на конкретних прикладах.

Приклад системи вимірювання витрати. Система вимірювання витрати пари з використанням напірних трубок спеціальної конструкції за патентом на винахід № 2243508 (UA ). У цій системі (пристрої) визначення витрати вимірюються статичний тиск і перепад тисків () між двома напірними трубками в контрольованому потоці пари на виході реактора, приймальне вікно однієї трубки напірної спрямоване назустріч потоку, а інший - по потоку .

З опублікованих джерел відомо, що результати випробувань цієї системи в паропроводах АЕС і ТЕС показують перевагу використання трубок напірних перед іншими вимірювачами параметрів пари. Зокрема, показано їх перевагу перед вимірювальними діафрагмами, у надійності та простоті конструкції, простоті та зручності монтажу, у практичній відсутності втрат напору.

У паропроводі реактора, наприклад енергоблоків ВВЕР-1000, тече волога пара зі ступенем сухості, що не перевищує значення 0,98. У зв'язку з цим перепад тиску () вимірюваний двома напірними трубками пристрою формується обома фазами контрольованого потоку. Залежність цього перепаду тисків на трубах напірних від параметрів потоку може бути представлена наступним математичним виразом:

(1.3)

де: - Коефіцієнт сигналу двох вимірювальних трубок;

Справжнє об'ємне парозміст потоку вологої пари;

швидкість руху парової фази потоку;

швидкість руху рідкої фази потоку;

Щільність парової фази;

Щільність рідкої фази.

Наведене вище рівняння (1.3) міститьтриневідомих параметрів потоку (, , ) та коефіцієнт ( ) сигналу вимірювальних трубок пристрою. Іншої інформації для вирішення завдання до цієї системи не надходить. У зв'язку з цим завдання визначення витрати вологої пари не може бути вирішено без використання додаткової інформації або введення умов, що обмежують.

Розглядається, для визначення витрати контрольованого потоку вологої пари необхідно якось визначати, або, десь брати значення , , та .

Цей пристрій використовується у системі регулювання рівня теплоносія у реакторах АЕС. Система обробки інформації пристрою використовує однофазну модель потоку. Це випливає з тексту та формул у його описі. Таким чином, реальна присутність рідкої фази, контрольованому потоці, цим пристроєм ігнорується. Основна розрахункова формула пристрою за патентом на винахід № 2243508 (RU ) може бути представлена наступним чином:

(1.4)

Тобто, використовується рівняння (1.3) при фіксованому значенні (рівному одиниці) істинного об'ємного парозмісту ( ). Безпосередньо з рівняння (1.4) видно, як це спотворює розрахункове значення параметра швидкості парової фази потоку. Ліва сторона формули - вимірюваний параметр, який формується двома рухомими з різними швидкостями (суцільною паровою і, в її обсязі, дисперсною рідкою) фазами потоку. Права сторона формули - добуток щільності парової фази (функція статичного тиску) на квадрат швидкості парової фази потоку.

Інший приклад. Пристрій за патентом № 2444726 (UA ) містить паропровід з вибірковим (селективним) до властивостей і параметрів парової фази вимірювачем «витратного параметра» (наприклад, трубку Піто приймальне вікно якої, спрямоване по потоку), вимірювач статичного тиску, вимірювач ступеня сухості .

- За сигналомстатичного тиску () визначають необхідні «табличні» параметри потоку, наприклад: щільності та питомі теплоутримання його фаз:

Щільність парової фази;

Щільність рідкої фази;

Ентальпію парової фази;

Ентальпію рідкої фази.

З вигнаввимірювача динамічного розрідження (якщо попередньо визначений або десь взятий коефіцієнт) дозволяє визначити швидкість парової фази потоку:

,(2.1)

де: - Сигнал вимірювача динамічного розрідження;

Коефіцієнт сигналу вимірювача динамічного розрідження;

Щільність парової фази;

Швидкість парової фази потоку вологої пари.

- За сигналом вимірювача ступеня сухостівизначають відношення витрати парової фази (фази насиченої пари) до загальної витрати контрольованого потоку:

, (2.2)

Розв'язання системи двох рівнянь (2.1) та (2.2) з трьома невідомими параметрами: , , , і четвертим невідомим коефіцієнтом можливе лише із залученням додаткової інформації.

Такою додатковою інформацією для розв'язання задачі може стати параметр ковзання фаз (). Відношення «місцевої» величини (справжній об'ємний парозміст) до «витратної» величини (витратний об'ємний парозміст) у техніці параметром ковзання фаз ( ). Параметр ковзання фаз () є слабкою функцією тиску, і може бути визначений за емпіричною формулою () .

Таким чином, для вирішення задачі одержують третє рівняння:

, (2.3)

Якщо визначити або десь взяти коефіцієнти ( , , ) система трьох рівнянь (2.1), (2.2), (2.3) з трьома невідомими параметрами потоку ( , , ) за сигналами вимірювачів пристрою (за патентом № 2444726) дозволяє вирішувати завдання контролю тепла та маси потоку вологої пари. Показане рішення виглядає дуже громіздким, однак у деяких умовах реалізації зазначений недолік є незначним. Слід також брати до уваги те, що параметри пари, що визначаються цим пристроєм відстають від поточного моментуна час запізнення визначуваного параметра ступеня сухості (близько 30-40 сек).

У поданій роботі на конкретних прикладах показано, що:

- Відомівимірники перегрітої пари, не забезпечують можливості створення системи контролю тепла та маси вологої та насиченої пари .

Слід визнати безперспективність вузлів контролю тепла та маси вологої пари з використанням вимірювачів перегрітої пари. Самі по собі вони не контролюють тепло і масу потоку вологої пари, а при їх доповненні засобами контролю ступеня сухості, у кращому випадку, утворюють громіздку систему контролю, що не забезпечує необхідної точності, з істотним запізненням визначених параметрів пари.

Слід звернути увагу на рівень техніки доступний для вирішення завдань контролютепла та маси вологої пари: .

Пропоновані технічні рішення є ядром (варіанту) системи контролю поточних параметрів вологої пари, що забезпечує можливість нормування точності за опорними сигналами вимірювачів ступеня сухості. Безпосередньо нормується точність контролю істинного об'ємного парозмісту та швидкостей фаз потоку. Детальний опис цього варіанту системи контролю тепла та маси потоку вологої пари буде пізніше представлено окремою роботою.

Література:

1. Коваленко А. В. Питання створення системи контролю вологої пари для завдань обліку

та технологічних цілей. Стаття на порталі РосТепло. Опубліковано 06.02.2012 р.

2. А.Г. Агєєв, Р.В. Васильєва, Ю.С. Горбунов, Б.М. Корольків. Випробування системи вимірювання витрати пари у паропроводах парогенераторів енергоблоку № 3 Балаківської АЕС у динамічних режимах. / Журнал "Нове у Російській електроенергетиці", № 11, 2007 р./

3. Агєєв А.Г. та ін Патент РФна винахід № 2243508. Пристрій для вимірювання витрати пари в паропроводі. Бюлетень винаходів, 27.12.2004 р. / Патентовласник ЕНІЦ/

4. Коваленко О.В. Патент РФна винахід № 2444726 (UA). Пристрій для контролю теплової потужності, масової витрати, ентальпії та ступеня сухості потоку вологої пари. Бюлетень винаходів № 7, 2012

5. Тонг Л. Теплопередача при кипінні та двофазний перебіг. М: Мир, 1969. -344 с.

6. Коваленко О.В. Патент РФна винахід № 2380694 (RU ), МКП G 01N 25/60. Спосіб контролю ступеня сухості вологої пари/А.В. Коваленко // Бюлетень винаходів. 2010. №3. №2008119269. Пріоритет 15.05.2008 р.

7. Коваленко А. В. Патент РФна винахід № 2459198 (RU ), Пристрій для контролю ступеня сухості, ентальпії, теплового та масового витрат вологої пари. Бюлетень винаходів № 23, 2012 р.

8. Коваленко О.В. Заявка на винахід № 2011129977 (UA). Пристрій визначення ступеня сухості потоку вологої пари. Пріоритет від 19.07.2011 р. Рішення про видачу патенту на винахід від 09.07.2012 р.

9. Коваленко О.В. Заявка на винахід № 2011120638 (UA). Спосіб контролю істинного об'ємного парозмісту та швидкостей фаз потоку вологої пари в паропроводі парогенератора. Пріоритет від 20.05.2011 р. Рішення про видачу патенту на винахід від 12.10.2012 р.

10. Коваленко О.В. Заявка на винахід № 2011121705 (UA). Спосіб контролю істинного об'ємного парозмісту та швидкостей фаз потоку вологої пари в паропроводі на потоці. Пріоритет від 27.05.2011 р. Рішення про видачу патенту на винахід від 12.10.2012 р.

Стан пари визначається її тиском, температурою та питомою вагою. Тиск пари, укладеної в посудині, є сила, з якою він тисне на одиницю поверхні стінки судини. Воно вимірюється у технічних атмосферах (скорочено ат); Одна технічна атмосфера дорівнює тиску 1 кілограм на квадратний сантиметр (кг/см2),

Величину тиску пари, який стінки котла, визначають за манометром. Якщо, наприклад, встановлений на паровому котлі, показує тиск 5 ат„ це означає, що кожен квадратний сантиметр поверхні стінок котла відчуває тиск зсередини, що дорівнює 5 кг.

Якщо з герметично закритої судини відкачати гази або пари, то тиск у ньому буде меншим за зовнішній. Різниця між цими тисками називається розрідженням (вакуумом). Наприклад, якщо зовнішній тиск дорівнює 1 ат, а в посудині 0,3 ат, то розрідження в ньому дорівнює 1-0,3 = 0,7 ат. Іноді розрідження вимірюють частками атмосфери, а висотою стовпа рідини, зазвичай ртуті. Підраховано, що тиск на 1 технічну атмосферу, тобто на 1 кілограм на 1 квадратний сантиметр, створює стовп ртуті заввишки 736 мм. Якщо розрідження вимірювати висотою стовпа pTyfra, то нашому прикладі воно, очевидно, дорівнює: 0,7X736=515,2 мм.

Розрідження визначається вакуумметрами, які показують його в частках атмосфери, або по висоті ртутного стовпа в міліметрах.

Температурою називається ступінь нагрітості тіл (пара, ЙОД, заліза, каменю і т. д.). Вона визначається термометром. Як відомо, нуль градусів за шкалою Цельсія відповідає температурі танення льоду, а 100 градусів - температурі кипіння води за нормального атмосферного тиску. Градуси за Цельсієм позначаються через °С. Наприклад, температура 30 градусів за Цельсієм позначається так: 30°С.

Питомою вагою пари називається вага одного кубічного метра (м3) його. Якщо відомо, наприклад, що 5 м3 пари мають вагу 12,2 кг, то питома вага цієї пари дорівнює 12,2: 5=2,44 кг на кубічний метр (кг/м3). Отже, питома вага пари дорівнює загальної ваги його (в кг), поділеному на загальний його обсяг (м3).

Питомим об'ємом пари називається об'єм одного кілограма пари, тобто питомий об'єм пари дорівнює загальному об'єму його (м3), поділеному на загальну його вагу (в кг).

Чим вищий тиск, під яким знаходиться вода, тим вища температура її кипіння (насичення), отже, кожному тиску відповідає своя температура кипіння. Так, якщо манометр, встановлений на паровому котлі, показує тиск, наприклад, 5 ат, то температура кипіння води (і температура пари) в цьому котлі дорівнює 158°С. Якщо ж тиск підняти так, щоб манометр показував 10 ат, то і температура пари також піднімається і дорівнюватиме 183°С.

Розглянемо тепер, як виходить пара.

Припустимо, що у скляному циліндрі під поршнем міститься йоду. Поршень щільно прилягає до стінок циліндра, але водночас може вільно у ньому пересуватися (1,/). Допустимо також, що для вимірювання температури води та пари в циліндрі поршень вставлений термометр.

Нагріватимемо циліндр і одночасно з цим спостерігатимемо, що відбувається з водою всередині нього. Спочатку ми зауважимо, що температура води підвищується, а об'єм її трохи збільшується і поршень у циліндрі починає повільно пересуватися вгору. Нарешті температура води піднімається настільки, що вода закипає (1,//). Бульбашки пари, з силою вилітаючи з води, захоплять її частинки у вигляді бризок, внаслідок чого простір над киплячою водою буде заповнено сумішшю з частинок пари і води. Така суміш називається вологою насиченою парою або просто вологою парою (I, III).

Продовжуючи кип'ятіння, ми зауважимо, що води в циліндрі стає все менше, а вологої пари все більше. Так як об'єм пари значно більший за об'єм води,; з якої він вийшов, то в міру перетворення води в пару внутрішній об'єм циліндра значно збільшуватиметься, і поршень швидко піде вгору.

Нарешті, настане такий момент, коли остання частка води в циліндрі перетвориться на пару. Така пара називається сухою насиченою (1,/К), або просто сухою. Температура пари та води під час кипіння (температура насичення) залишається постійною та рівною температурі, при якій вода почала кипіти.

Якщо нагрівання циліндра продовжувати, то температура пари підвищуватиметься і разом з тим збільшиться його об'єм. Така пара називається перегрітою (1,V).

Якщо підігрів циліндра припинити, то пара почне віддавати теплоту в навколишнє середовище, при цьому температура його знижуватиметься. Коли вона стане рівною температурі насичення, пара знову перетвориться на суху насичену. Потім відбуватиметься поступове перетворення його на рідину, отже, пара стане вологою. Цей процес протікає при постійній температурі, що дорівнює температурі! кіпедія. Коли; остання ча!стіца| пара перетвориться на воду, кипіння води припиниться. Потім відбуватиметься подальше зниження температури до температури навколишнього повітря.

Зі сказаного вище можна зробити такі висновки.

По-перше, пара може бути вологою, сухою і перегрітою. Стан сухої пари є дуже нестійким і навіть при незначному "підігріві" або охолодженні він стає перегрітим або вологим. Внаслідок цього в практичних умовах пар буває тільки вологим або перегрітим.

По-друге, спостерігаючи через стінки скляного циліндра, за кипінням у ньому води, можна помітити, що на початку кипіння, коли води в циліндрі ще багато, пара має щільне молочно-біле забарвлення. У міру википання води, коли її в парі стає все менше і менше, щільність цього забарвлення зменшується; пара стає прозоріше. Нарешті, коли остання частка води перетвориться на пару, вона стане прозорою. Отже, сама по собі водяна пара прозора, а біле забарвлення надають йому частинки води, які в ньому містяться. Частинок води у вологій парі може бути різною кількістю. Тому для того, щоб мати повне уявлення про вологу пару, потрібно знати не тільки її тиск, а й ступінь сухості. Ця величина показує; скільки сухої пари в частках кілограма міститься в одному кілограмі вологої пари. Наприклад, якщо один кілограм вологої пари складається з 0,8 кг сухої пари та 0,2 кг води, то ступінь сухості такої пари дорівнює 0,8. Ступінь сухості вологої пари, що отримується в парових котлах, становить 0,96-0,97.

По-третє, у виробленому досвіді навантаження на поршень не змінювалася, отже, тиск перегрітої пари (як і, як блажного сухого) під час досвіду залишалося незмінним, але температура його з нагрівання підвищувалася. Отже, при тому самому тиску температура Перегрітої пари може бути різною. Тому для характеристики такої пари вказують не лише її тиск, а й температуру.

Отже, для характеристики вологої пари потрібно знати її тиск і ступінь сухості, а для характеристики перегрітої пари - її тиск та температуру.

В-ч е ^ г вер тих, перегріта пара почала утворюватися тільки після того, як у циліндрі не залишилося води, отже, коли є. вода, можна отримати лише вологу пару. Ю

Тому в парових котлах пара може бути лише вологою. Якщо потрібно отримати перегріту пару, то вологу пару відводять з котла в спеціальні пристрої-параперегрівачі, відокремлюючи її таким чином від води. У пароперегрівачах пар додатково нагрівають, після чого він стає перегрітим.

Хоча для отримання перегрітої пари і потрібен пристрій-пароперегрівач, що ускладнює котельну установку, але завдяки перевагам, які має перегріта пара в порівнянні з вологою; він застосовується у суднових установках частіше. Основні з цих переваг такі.

1. При охолодженні перегрітої пари не відбувається її конденсація. Ця властивість перегрітої пари дуже важлива. Як би хороша не були ізольовані труби, по яких пара надходить з котла в машину і паровий циліндр цієї машини, вони все-таки проводять теплоту, і тому пара, стикаючись з їх стінками, охолоджується. Якщо пара єрегрета, то охолодження пов'язане тільки зі зменшенням її температури та питомого обсягу. Якщо пар вологий, та відбувається його конденсація, т. е. частина пари перетворюється на воду. Утворення води в паропроводі і особливо в циліндрі парової машини шкідливе і може призвести до великої аварії.

2. Перегріта пара віддає теплоту гірше, ніж волога, тому, стикаючись з холодними стінками трубопроводів, циліндрів тощо, вона охолоджується менше, ніж волога. Загалом під час роботи перегрітою парою виходить економія у витраті палива в 10-15%.

Клапани газові (клапани електромагнітні, запобіжні запірні клапани, запобіжні скидні клапани, клапани відсічні та блоки клапанів)
Пункти шафні з однією лінією редукування та байпасом
Пункти шафні з основною та резервною лінією редукування

Прилади газової безпеки, у т. ч. сигналізатори загазованості

Засоби для вимірювання та регулювання тиску

Манометри, вакуумметри, мановакуумметри, що показують і сигналізують.
Напороміри, тягоміри та тягонапороміри, що показують і сигналізують
Супутнє обладнання (розділювачі середовищ мембранні, гасителі пульсацій, позиціонери та ін.)

Засоби для вимірювання та регулювання температури

Вимірювачі температури, вимірники-регулятори та регулятори температури
Контролери для регулювання температури в системах опалення
Пристрої контролю температури, багатоканальні вимірювачі та регулятори

Засоби для вимірювання та регулювання рівня

Супутнє обладнання приладів вимірювання та регулювання рівня

Запірна арматура та запірно-регулююча арматура

Клапани регулюючі, змішувальні, запірно-регулюючі та регулятори тиску води
Супутнє обладнання (визначники герметичності, КОФи, термочохли тощо)

Промислове газове опалення, газове інфрачервоне променисте опалення

Промислові газові інфрачервоні випромінювачі світлого типу
Промислові інфрачервоні газові випромінювачі темного типу
Повітряні завіси, газоповітряні обігрівачі, теплогенератори
Стельові, стінові (стінні) інфрачервоні панелі та стрічкові системи інфрачервоного опалення

Ваша заявка

Купуйте необхідний Вам товар. Для цього перейдіть на сторінку з його описом та натисніть кнопку
"Додати товар у заявку".

Облік витрати пари. Пригоди інженерів КВП або вихрові витратоміри як реальна альтернатива пристроям, що звужують

Видання: Енергоаналіз та Енергоефективність №6. Рік: 2006

15.10.2006

Наразі питанням обліку енергоресурсів справедливо приділяється підвищена увага. Це визначається тим, що, з одного боку, без наявності достовірної інформації про споживані ресурси неможливо грамотно проводити заходи щодо енергозбереження, що в умовах постійного зростання цін на енергоносії життєво необхідно як окремим підприємствам, так і кожній з галузей та економіці країни в цілому . З іншого боку, за умов багаторазового збільшення кількості приладів обліку першому плані виходить проблема вартості їх обслуговування, а точніше підтримки у робочому стані.

Вимірювання витрати пари в силу специфіки цього середовища виділяють із галузі завдань обліку газу. Це визначається насамперед високими температурами та тиском у паропроводах, а також наявністю в них, у тому числі внаслідок підвищеного зносу трубопроводів у зазначених екстремальних умовах, різних механічних включень (продуктів корозії, накипу тощо), а також конденсату. Тому при всій різноманітності методів вимірювання витрати для вирішення завдання обліку пари реально існує тільки дві альтернативи:

витратоміри, засновані на методі змінного перепаду тиску на пристрої, що звужує (СУ);
вихрові витратоміри (ВР).

Чи слід вибирати витратомір, ґрунтуючись лише на показниках вартості, динамічного діапазону (ДД), точності та величини міжповірочного інтервалу (МПІ)?
Чи справді відповідають технічні характеристики витратомірів російського виробництва найкращим закордонним аналогам?

У голові середньостатистичного метролога склалися такі характеристики аналізованих методів виміру витрати:

Відповідно, висновок дуже простий: якщо є кошти, то краще придбати вихровий витратомір, оскільки він точніший і перевірка рідше; якщо фінансування обмежене, залишається лише «стара добра» діафрагма.

На цьому висновку можна було б завершити статтю, якби не ключові моменти, зазначені в преамбулі. Тому пропонуємо забути образи та цифри за досліджуваними методами вимірювання та почати вибір витратоміра на пару з чистого аркуша.

Для початку пригадаємо, що являють собою витратоміри на СУ та вихрові витратоміри.

Перший складається з якогось пристрою, що звужує, встановленого в трубопроводі. Зазвичай як звужувальний пристрій використовується так звана діафрагма: диск, внутрішній діаметр якого менше внутрішнього діаметра трубопроводу. За рахунок локального звуження діафрагми створює перепад тиску, величина якого вимірюється датчиком диференціального тиску. Одночасно вимірюються абсолютний тиск пари в трубопроводі та температура пари. Якщо коефіцієнт витрати діафрагми відомий даної інформації достатньо, щоб обчислити витрати газу або пари та, відповідно, визначити кількість спожитого продукту за звітний період.

Вихровий принцип вимірювання витрати заснований на ефекті фон Кармана, що полягає в тому, що при обтіканні потоком рідини або газу тіла, що погано обтікається відбувається регулярне вихреобразование, тобто. почергове формування і зрив вихорів з обох боків вказаного тіла, причому частота проходження вихорів пропорційна швидкості потоку. Дане вихреутворення супроводжується регулярними періодичними пульсаціями тиску та швидкості потоку в сліді за тілом обтікання. Відповідно, вимірявши частоту даних пульсацій, можна визначити швидкість або витрату газу або пари за робочих умов. Для того щоб визначити кількість минулої пари необхідно, як і у випадку з СУ, додатково виміряти тиск і температуру пари.

У статті ми розглянемо характеристики двох підтипів вихрових витратомірів (ВР), що набули поширення в Росії, які відрізняються способом детектування вихорів:

Пульсації тиску чи швидкості фіксуються датчиками, що знаходяться на поверхні проточної частини.
Пульсації тиску впливають на чутливий елемент (крило, трубка, п'єзомікрофон та ін.) за тілом обтікання, що передає їх на захований углибині приладу сенсор.

Отже, повернемося до поставленого завдання – нам необхідно встановити вузол обліку пари.

Найімовірніше, значення витрати пари змінюватиметься в залежності від пори року, обсягів виробництва та інших факторів, тому необхідно забезпечити запас діапазону вимірювань витратоміра.

Стандартне співвідношення максимального та мінімально значень витрати, що вимірюється за допомогою СУ, становить 1:3, але може досягати 1:10 (якщо використовувати багатограничні «інтелектуальні», але й дуже недешеві датчики перепаду тисків). Вже непогано, але вартість вузла в цьому випадку також встановиться на максимум «динамічного діапазону».

Широкий динамічний діапазон - це безперечна перевага вихрових витратомірів. Цей показник варіюється від 1:20 до 1:40. Але й тут не все гладко. Адже коефіцієнт перетворення вихрового витратоміра (тобто відношення частоти вихроутворення до величини миттєвої витрати вимірюваного середовища через вимірювальний переріз приладу) стабільно в дуже обмеженому діапазоні витрат, що визначається числом Рейнольдса Re (гідродинамічним критерієм подібності). Для досягнення максимальної точності необхідно вводити індивідуальні коефіцієнти поправки, що забезпечують точність вимірювань на всьому діапазоні. Використання масиву коефіцієнтів вимагає хорошої обчислювальної потужності процесора, тому в сучасних інтелектуальних вихрових витратомірах мають бути встановлені процесори останнього покоління. На жаль, далеко не у всіх вітчизняних приладах використовується цифрова обробка сигналу з корекцією залежності Кармана, тому похибка вимірювань у таких приладах збільшується зі зростанням динамічного діапазону.

Цікаво, що застосування цифрової спектральної обробки сигналу дозволило подолати інший прикрий у минулому недолік ВР. Справа в тому, що принцип виміру передбачає детектування пульсацій потоку. При цьому зовнішні вібрації могли накладатися на корисний сигнал і навіть його повністю перекривати. Перешкоди призводили до зниження точності вимірювань та можливості появи вихідного сигналу за відсутності витрати у трубопроводі, так званому явищу «самоходу».

Сучасні інтелектуальні ВР аналізують спектр сигналів, відсікаючи шуми та посилюючи корисні гармоніки, завдяки чому гарантується точність вимірів. У цьому показники вібростійкості зросли загалом порядок.

До особливостей обліку пари, які слід враховувати при виборі засобу вимірювання, відносять високу температуру середовища, можливе засмічення трубопроводу поблизу витратоміра, можливість появи відкладень на внутрішніх поверхнях витратоміра, а також можливість періодичного виникнення гідроударів і термоударів. Розглянемо вплив цих чинників.

Температура пари може змінюватись в діапазоні від 100 0С до 600 0С. При цьому витратоміри на СУ можуть застосовуватись у всьому позначеному діапазоні. Однак, точність вимірювань витратомірів на СУ погіршуватиметься зі зростанням температури, що пов'язано зі зміною внутрішнього діаметра трубопроводу та діаметра діафрагми, а також додатковою температурною похибкою датчика тиску. Вплив зміни геометричних розмірів особливо критичний при вимірюваннях на трубопроводах діаметром менше 300 мм, а додаткова температурна похибка датчика тиску (наприклад, «Метран-100») становить 0,9% на 100?

Температурний діапазон роботи ВР може відповідати 150, 200, 350, 450 0С, залежно від моделей та виробника. Причому останні два значення відповідають характеристик імпортних приладів. Сподіваємося, що читачі добре уявляють різницю між поняттям «прилад працює і щось показує» і «прилад працює відповідно до заявлених характеристик». Дуже часто виробники ВР замовчують додаткову температурну похибку, пов'язану зі зміною геометричних розмірів елементів проточної частини. У зарубіжних витратомірах проводиться автоматична корекція показань витрати за температурою, що часом досягає 0,2% на кожні 100 0С. У вітчизняних інтелектуальних ВР також провадиться температурна корекція. Тому не забудьте уточнити у виробника про наявність такої корекції похибки при виборі витратоміра.

Засмічення трубопроводу та поява відкладень на основних елементах перетворювача витрати з часом можуть звести до нуля Ваші зусилля щодо вибору та встановлення вузла обліку. Причина проста: конструкція витратоміра на СУ передбачає утворення відкладень на днищі трубопроводу передньої стінки діафрагми. У міру збільшення засмічення збільшується його вплив на похибку СУ, яка досягає часом десятків відсотків. Налипання речовини на поверхню діафрагми, також як і знос її кромок, сприяє перетворенню вузла обліку датчик наявності потоку в трубопроводі. Щоб цього не сталося, необхідно періодично (кожні два місяці) прочищати витратомір на СУ.

А що ж ВР? На процес вихроутворення забруднення мають істотно менший вплив, ніж на перепад тиску на СУ, до того ж порожнин і кишень, де можуть накопичуватися відкладення у ВР просто немає, тому стабільність показань останніх значно вища. Крім того, експериментально доведено, що вихреобразование призводить до самоочищення як самого тіла обтікання, а й ділянки трубопроводу з відривом приблизно 1 діаметр умовного проходу трубопроводу (Ду) до і 2-4 Ду після тіла обтікання. Використання спеціальних форм та розмірів тіл обтікання дозволили додатково знизити вплив зазначених змін геометричних розмірів проточної частини ВР.

Сьогодні виробники застосовують тіла обтікання спеціальної форми. Вони сконструйовані таким чином, що їх зміна впливає на точність вимірювань істотно менше, ніж у СУ і ВР з прямокутними або тим більше циліндричними тілами обтікання. Проте слід пам'ятати, що в наших трубопроводах разом з парою можуть іноді «транспортуватися» ганчірки, гайкові ключі та інші види «механічних домішок». Тому якщо до вузла обліку не встановлено фільтр (як мінімум, велика сітка), слід звернути увагу на ВР зі знімним тілом обтікання. Такий прилад можна прочищати без демонтажу та подальшої перевірки.

Важливим показником надійності вузла обліку пари є його стійкість до гідравлічних ударів, які нерідко виникають внаслідок збоїв у роботі джерел тепла та «особистої ініціативи» обслуговуючого персоналу. Щоб у читача з'явилася повага до цього явища, зауважимо, що гідроудари та зазвичай наступне за ними наростання тиску призводять до розриву опалювальних батарей і часто є основною причиною виходу з ладу датчиків.

Витратоміри на СУ гідроударів не бояться, а ВР розділилися на два табори. У ВР з урахуванням пульсацій тиску чутливі елементи перебувають під тонкою мембраною, тому не захищені від гидроударов. Виробники зазвичай чесно попереджають про це, нагадуючи, однак, що гарантія на прилад у цьому випадку недійсна. У ВР на основі згинальних напруг чутливий елемент відокремлений від вимірюваного середовищатому нічого не знає про гідроудари.

При подачі пари по остиглому трубопроводу відбувається різке підвищення температури, при цьому чутливі елементи датчика виявляються сильно нагрітими з внутрішньої сторони та охолодженими із зовнішньої. Таке підвищення температури носить назву термоудар і, відповідно, воно також небезпечно лише для ВР пульсацій тиску, чутливі елементи яких знаходяться у безпосередній близькості до вимірюваного середовища.

Тепер давайте уявімо трубопровід, на який монтуватимемо вузол обліку. Якщо вузол обліку встановлюється на вулиці або в приміщенні, що не опалюється, то СУ вимагатиме до себе підвищеної уваги: імпульсні лінії, що з'єднують датчик тиску з трубопроводом можуть замерзати, тому їх потрібно буде підігрівати і продувати.

Вихрові витратоміри не вибагливі до місця встановлення та не вимагають обслуговування. Рекомендуємо Вам лише переконатися, що прилад відповідає кліматичному виконанню С3 від (-40 до +70) 0С та подбати про те, щоб обчислювач перебував у теплі.

До речі про обчислювачів. Сам собою об'ємний витрата пари, значення якого видає витратомір, не становить практичної цінності. Потрібно знати чи масу пари, чи теплову енергію, що він переносить. Для цих цілей використовуються теплові обчислювачі, що підраховують необхідні параметри на підставі даних датчиків витрати, тиску та температури. До необхідних та обов'язкових функцій обчислювача належать ведення архіву виміряних параметрів, а також контроль та запис позаштатних ситуацій.

Підключити витратомір до обчислювача можна використовуючи струмовий сигнал 4-20 мА, який є, мабуть, у всіх витратомірів, як у СУ, так і вихрових.

До переваг вихрових витратомірів відносять додатковий вихідний частотний сигнал. Його перевагами є вища точність. Зверніть увагу, що виробники вказують на частотний сигнал відносну похибку, а для струмового виходу – наведену похибку. Наведена похибка означає, що точність значень буде погіршуватися пропорційно в міру віддалення від максимального значення витрати. Наприклад, якщо для витратоміра з ДД 1:10 зазначена наведена похибка скажімо 1,0%, це означає, що у максимальному витрати відносна похибка справді становитиме 1,0%, але в мінімумі відповідатиме вже 10%. Висновок простий: частотний сигнал кращий. Тим більше, що всі сучасні обчислювачі мають частотний вхідний сигнал 0-1000 Гц або 0-10000 Гц.

У зарубіжних виробників цифровий вихідний сигнал сприймається як додаткова опція, оскільки споживачі давно оцінили переваги цифрових комунікацій. У Росії поки складається зворотна ситуація: цифровий сигнал пропонується як безкоштовний бонус, але реально застосовується в окремих випадках. Цьому часто сприяють російські виробники вторинної апаратури, вважаючи зайву підтримку цифрових вхідних сигналів. До того ж для проходження цифрового сигналу потрібні якісніші лінії зв'язку, які нині є далеко не скрізь. Тим не менш, наявність цифрового каналу у витратомірі може виявитися дуже доречним, при автоматизації технологічних процесів або просто при виведенні показань приладів на ПК. Зауважимо важливий момент: вибирайте прилади зі стандартизованими визнаними у світі цифровими протоколами HART, Foundation Field Bus, ProfiBus, Modbus. В іншому випадку користі від закритих стандартів, зрозумілих тільки виробнику приладу, буде мало.

Однак повернемося до трубопроводу та місця встановлення вузла обліку пари. Більшість засобів вимірювання витрати повинні встановлюватись на прямих ділянках трубопроводу завдовжки від 1 до 100 діаметрів умовного проходу (Ду). Протяжні прямі ділянки від 30 до 100 Ду потрібні витратомірам з СУ. Недотримання цих вимог веде до спотворення рівномірності потоку середовища проживання і, як наслідок, зниження точності виміру.

Порівняно з СУ, ВР висувають менш жорсткі вимоги до довжин прямолінійних ділянок. Відповідні рекомендації складають 30Д, з можливим скороченням до 10Д залежно від конфігурації трубопроводу. У більшості випадків скорочення до 10Д без погіршення точності можливе тільки після введення додаткових поправочних коефіцієнтів, що враховують особливості місця установки.

Зазначимо, що деякі російські виробники ВР рапортують про «перемогу над законами гідродинаміки» та вказують вимоги до прямих ділянок від 3 до 5Ду, що у 2 і навіть у 3 рази краще, ніж у закордонних зразків. Залишимо заниження вимог до довжин прямих ділянок на совісті цих виробників. А споживачам порекомендуємо не займатися самообманом і встановлювати ВР на трубопроводах із прямими ділянками завдовжки хоча б 10Ду, а СУ – не менше 30Ду.

А тепер пропонуємо читачам напружити свою уяву і представити вже не один, а одразу три однакові трубопроводи з парою та трьох інженерів Шайбова, Фішкіна та Вихрєва, кожному з яких ми довіримо встановити та обслуговувати вузол обліку на одному з трубопроводів.

Інженери вирішили піти різними шляхами вирішення завдання обліку пари та вибрали відповідно лічильник на базі СУ, імпортний вузол обліку пари на базі ВР, вітчизняний вузол обліку пари на базі ВР. При цьому Шайбов насамперед керувався вартістю вузла обліку. Фішкін вирішив розщедритися, вважаючи, що «скуповий платить двічі», і придбав імпортний вихровий витратомір. Вихрьов вивчив питання ґрунтовно і, за принципом «якщо немає різниці, навіщо платити більше?», зупинився на вітчизняному вихровому витратомірі згинальних напруг. Давайте спостерігаємо за нашими персонажами.

Неприємності чекали на наших героїв вже на першому етапі, при купівлі витратомірів.

При розрахунках Шайбов не підозрював, що вартість датчика тиску зросте на третину через те, що вузол перебуватиме в неопалюваному приміщенні, та й імпульсні лінії з вентильними блоками виявилися не такими дешевими, як передбачалося. У результаті вартість вузла обліку на СУ зрівнялася із рішенням на базі вітчизняного ВР.

Фішкін трохи засмутився, коли після 5 тижнів очікування на отримання обладнання дізнався, що доведеться почекати ще пару тижнів через затримки на митниці.

До проблем Вихрьова на цьому етапі можна віднести хіба що утруднення у виборі з великого асортименту обчислювачів. (Втім, ми хотіли б не торкатися проблеми вибору обчислювача в цій статті, тому довіримося вибору Вихрєва і навіть не запитуватимемо у нього, який саме обчислювач він придбав).

Нарешті, всі інженери отримали обладнання, залишилося його встановити і перший етап пройдено. Найшвидше впорався Вихрьов, тому що технологічна вставка та комплект монтажних частин були поставлені разом із витратоміром. Шайбову довелося витратити значно більше часу, щоб дотриматися всіх обов'язкових вимог до встановлення діафрагми: забезпечити відповідність діаметрів трубопроводу і корпусів діафрагми, співвісність СУ і трубопроводу, з'єднати імпульсними лініями камери СУ з датчиком перепаду тиску. Довелося Шайбову також змиритися з тим, що точність вузла обліку буде нижчою за заявлену через невраховані фактори: шорсткості трубопроводу та невідповідності фактичного внутрішнього діаметра трубопроводу розрахунковим даним.

Монтаж вузла обліку на базі імпортного обладнання пройшов гладко завдяки добре ілюстрованим посібникам з експлуатації. Однак «ложку дьогтю» підкинув місцевий дилер, відмовившись поставляти комплект монтажних частин до витратоміру і переклавши його на Фішкіна. Радість Фішкіна з приводу успішної установки вузла також була недовгою, оскільки програмування приладів виявилося утрудненим через відсутність російськомовного меню та явні помилки перекладу супровідної документації. Дзвінок місцевому постачальнику показав, що фахівця з налаштування обладнання вони не мають, тому всі питання перенаправлялися в головний офіс представництва фірми в Росії. І на свої запитання Фішкін чекав довго. Втім, Фішкін вже звик чекати...

Отже, обладнання встановлено та підключено, вузол зданий. Однак пройшов час і у Шайбова з'явилася підозра, що свідчення СУ не відповідають дійсності. Після розкриття, очищення діафрагми та прилеглої ділянки трубопроводу від засмічень та продувки імпульсних ліній, показання стали відповідати очікуваним, однак висновок був невтішний: раз на два місяці потрібно чистка вузла.

Фішкін і Вихрєв з деякою зловтіхою спостерігали за суєтою свого колеги, думаючи, що згадають про свої вузли на ВР лише через три роки, коли настане час їхньої повірки. Однак постанова місцевого ЦСМ, що вийшла, розвіяла очікування: в регіоні ввели розпорядження про повірку всіх витратомірів-лічильників теплової енергії щороку, незалежно від припису федеральних постанов.

Настала зіркова година Шайбова: вся повірка вузла обліку вилилася в чергове зняття діафрагми (за рік дружби з СУ інженер навчився швидко знімати діафрагму, оскільки проводив цю процедуру регулярно) і завмер її геометрії у присутності представника ЦСМ, а також у перевірку датчиків тиску та температури .

Імпортний витратомір Фішкіна можна повіряти двома способами: проливкою приладу на водному стенді або за безпроливною методикою. Другий варіант виявився кращим. Процедура перевірки виявилася досить проста: вимірювання геометрії тіла обтікання та перевірки електронного блоку. Правда Фішкіну довелося додатково придбати спеціальний дорогий комплект для перевірки, без якого можна було б обійтися, якби в приладі використовувалися стандартні, а не унікальні фірмові роз'єми.

Вихрьов був готовий до процедури повірки і навіть чекав на неї, оскільки ще на етапі покупки він зробив вибір на користь ВР згинальних напруг, які завдяки своїй універсальності можна повіряти не тільки на повітряному, а й на водяному перевірочному стенді, який є в будь-якому обласному центрі. . Приємним сюрпризом для Вихрєва виявилася наявність офіційно затвердженої методики безпроливної повірки, аналогічної витратоміру Фішкіна.

Насамкінець пропонуємо Вам уявити, що в інженерів витратоміри вийшли з ладу. Пошкодуємо лише Шайбова: адже він і так уже не відходить від СУ, будучи невід'ємною частиною вузла обліку. Нехай поломки витратомірів Фішкіна і Вихрєва будуть мати однаковий характер, давайте, наприклад, уявімо, що в обох приладів вийшов з ладу частотний вихід з вини робітника, який переплутав полярність підключення контактів.

Отже, нарікаючи на робітників, Фішкін і Вихрєв почали вивчати посібники з експлуатації на витратомір. Скориставшись функцією вбудованої самодіагностики, Фішкін переконався, що вийшов з ладу лише частотний вихід. Зателефонувавши до сервісного центру (СЦ) він дізнався, що заміна електроніки – це п'ятихвилинна процедура завдяки модульній конструкції приладу. Однак у СЦ відмовилися надати ремонтну документацію та змінний модуль, пояснивши таку прихованість політикою компанії виробника. Довелося Фішкіну відправляти прилад у СЦ, де, як пізніше з'ясувалося, саме такого модуля на складі не було, тому його замовили за кордоном. Ось тобі і п'ятихвилинна процедура. Втім, чекайте, Фішкін, чекайте. Ви ж звикли.

Вихрьов теж зателефонував до СЦ і навіть, знаючи пригоди Фішкіна, був готовий до відправлення туди приладу. Але у СЦ його приємно здивували. Вихреву повідомили, що його прилад можна ремонтувати в польових умовах і надіслали ремонтну документацію, запропонувавши на вибір або замінити модуль самостійно, або зняти прилад і направити його до найближчого СЦ. Побачивши, що для заміни електроніки потрібно всього лише відкрутити пару болтів, при цьому не потрібно демонтувати весь витратомір і тим більше зупиняти подачу пари в трубопроводі, Вихрєв вирішив провести ремонт самостійно. За кілька днів із заводу-виробника Вихреву надіслали змінний електронний модуль, який він отримав уранці; а вже до обіду несправний модуль замінено і прилад знову запрацював.

слід вибирати ВР, т.к. СУ потребує постійного обслуговування. В іншому випадку похибка вимірювання СУ значно перевищуватиме заявлені значення;
всі супровідні документи мають бути російською;
витратомір повинен мати офіційно затверджену безпроливну методику перевірки і бути універсальним для забезпечення можливості його перевірки на водяному стенді;
чутливий елемент витратоміра повинен бути надійно захищений від гідро- та термоударів;
конструкція витратоміра повинна бути модульною, з можливістю швидкої та зручної заміни у польових умовах кожного з модулів;
ремонтна документація повинна надаватися виробником на вимогу споживачів;
регіональний СЦ виробника повинен забезпечувати можливість швидкого ремонту витратоміра, що вийшов з ладу, у тому числі – і безпосередньо на місці експлуатації.

До рекомендацій наших вигаданих персонажів від себе додамо, що при виборі витратоміра слід приймати рішення не тільки на підставі цифр, виділених у рекламних проспектах, але і за іншими важливими технічними та експлуатаційними характеристиками.

З легким паром!