Руководство по выбору расходомера. Часть 1
Определение метода измерения расхода в зависимости от характеристик измеряемой среды
В промышленности на узлах технического и коммерческого учета энергоресурсов, в системах регулирования и дозирования в настоящее время чаще всего применяют ультразвуковые, электромагнитные, вихревые и кориолисовые расходомеры. Учитывая многообразие измеряемых сред и возникающих измерительных задач, выбор подходящего по своим характеристикам измерителя расхода является достаточно сложной задачей. Даже если выбирать только среди указанных четырех типов расходомеров.
Цель этого руководства — дать начальное представление о пригодности каждого из четырех методов измерения расхода для решения имеющейся измерительной задачи. А также существующих ограничениях и особенностях применения расходомеров каждого типа.
К основным (базовым) критериям выбора типа измерителя расхода относятся:
В данной части руководства рассмотрим применимость расходомеров с кориолисовым, ультразвуковым, электромагнитным и вихревым методом измерения в зависимости от характеристик измеряемой среды.
Физико-химические свойства измеряемой среды играют определяющее значение при выборе метода измерения расхода и конструктивного исполнения расходомера. К физико-химическим свойствам среды относятся такие параметры как агрегатное состояние среды, ее температура и давление (номинальные, минимальные и максимальные), вязкость и химическая активность, наличие в ней примесей, склонность к образованию отложений и т.п.
Так электромагнитные расходомеры предназначены только для измерения электропроводящих жидкостей, растворов и пульпы. Измерение расхода химически обессоленной воды, пара и газов невозможно с помощью расходомеров данного типа. При выборе конкретной модификации электромагнитного расходомера особое внимание нужно уделить материалу футеровки измерительной части, так как именно от нее зависит температурная и коррозионная стойкость измерительной части датчика. Неправильный выбор материала футеровки может привести к ее вспучиванию, отслоению и как результат, к недостоверным показаниям или выходу расходомера из строя.
Основные материалы, применяемые для футеровки измерительной части электромагнитных расходомеров, приведены в таблице 1.
| Материал футеровки | Область применения | Диапазон температур измеряемой среды, °С |
|---|---|---|
| PFA (перфторалоксид) | Превосходная стойкость к воздействию высоких температур, коррозионно-активных веществ и механическим напряжениям. Низкая устойчивость к истиранию. | -29. +177 |
| PTFE (Политетрафторэтилен) | Более экономичный в сравнении с PFA. Отличная стойкость к воздействию химикатов, но меньшая износостойкость по сравнению с PFA. Хорошая размерная стабильность. | -29. +177 |
| ETFE (этилентетрафторэтилен) | Высокая прочность на разрыв и ударопрочность. Характеристики стойкости к воздействию химикатов и к износу аналогичные PTFE, но максимальная температура ниже. | -29. +149 |
| Полиуретан, твердая резина | Обычно используется для чистой воды (без химикатов). Износостойкость к шламу, содержащему мелкие частицы. | -18. +60 |
| Неопрен | Обычно используется для пресной и морской воды. Износостойкость к шламу, содержащему мелкие частицы. | -18. +85 |
| Linatex | Обычно используется для горного шлама, высокая стойкость к износу от обломков породы. | -18. +70 |
В зависимости от производителя расходомеров и способа нанесения футеровки, температурные и механические характеристики могут незначительно отличаться.
Электромагнитные расходомеры, в зависимости от конструктивного исполнения, способны работать в диапазоне температур измеряемой среды от −30 до +180°С, давлении до 16 МПа и выше, вязкости измеряемой среды от 0,1 до 100 000 мПа*с. Следует учитывать, что некоторые электромагнитные расходомеры, в зависимости от материала футеровки, могут иметь ограничения на установку на всасывающем трубопроводе насосов, так как понижение давления может привести к отслаиванию футеровки.
Вихревые расходомеры являются самыми «всеядными» в плане измеряемых сред. Расход холодных и горячих жидкостей, независимо от их электропроводящих свойств, насыщенного и перегретого пара, природного и технических газов может быть измерен с помощью расходомеров данного типа. Но и у них есть свои ограничения связанные с используемым методом измерения: вихревые датчики расхода не предназначены для измерения вязких и загрязненных сред и сред склонных к образованию отложений. Кроме того расходомеры данного типа наиболее чувствительны к турбулентности и неоднородности потока и вибрации трубопровода.
Учитывая, что измерительная часть вихревых расходомеров выполнена из металла, без применения полимерных футеровок, данный тип датчиков расхода может использоваться для измерения с температурой от −40 до +250°С. Давление среды обычно не должно превышать 10 МПа, максимальная вязкость ограничена величиной примерно 10 мПа*с.
При измерении высокотемпературных сред для защиты электроники электронного блока расходомера от перегрева и обеспечения удобной и безопасной их эксплуатации рекомендуется использовать разнесенное исполнение (независимо от типа расходомера и метода измерения). При разнесенном исполнении измерительная часть расходомера располагается на трубе, а блок электроники и индикации на некотором удалении от нее, в удобном для обслуживания месте с нормальным температурным режимом.
Ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения расходов чистых (гомогенных) и загрязненный (гетерогенных) жидкостей и газов в зависимости от метода измерения. Для измерения чистых однородных сред следует выбирать ультразвуковой расходомер с время-импульсным методом измерения. Для измерения загрязненный многофазных сред следует выбирать расходомер с доплеровским методом измерения.
Ультразвуковые расходомеры имеют наиболее широкий диапазон применения по температуре и давлению измеряемой среды. Так для расходомеров с врезными датчиками температура измеряемой среды может быть в пределах от −200 до +200°С, давление до 4 МПа, вязкость среды от 0 до 350 мПа*с. Расходомеры с накладными датчиками рассчитаны на температуру измеряемой среды от −40 до +120°С и не имеют ограничений по максимальному давлению (величина максимального давления ограничивается только прочностными характеристиками самого трубопровода). Вязкость измеряемой среды может быть в пределах от 0,5 до 2500 мПа*с.
Кориолисовые расходомеры используются для высокоточного измерения расхода (массы) жидкостей, в том числе жидкостей с высокой вязкостью, а также жидкостей с включением твердых компонентов и растворенных газов (до нескольких процентов по объему). Наибольшее применение расходомеры данного типа получили для измерения расхода и дозирования коррозионно-активных веществ, топлива и сжиженных углеводородных газов.
Кориолисовые расходомеры обеспечивают высокоточное измерение массового расхода при изменении температуры и давления измеряемой среды в широких пределах, не чувствительны к турбулентности потока, поэтому не требуют прямолинейных участков до и после расходомера. Рассчитаны на измерение расхода среды с температурой от −50 до +180°С, давлением до 40 МПа и вязкостью от 0 до 100 000 мПа*с.
Для удобства выбора типа расходомера в зависимости от физико-химических свойств среды и измерительной задачи, все данные по четырем рассмотренным выше методам измерения, сведены в таблицы 2 и 3.
| Метод измерения | Измеряемая среда | Диапазон температур, °С | Максимальное давление, МПа | Диапазон вязкости, мПа*с |
|---|---|---|---|---|
| Электромагнитный | Электропроводящие жидкости | -30. +180 | 16 | 0,1. 100000 |
| Вихревой | Жидкости, пар, газы | -40. +250 | 10 | 0. 10 |
| Ультразвуковой (врезные датчики) | Жидкости, газы | -200. +200 | 4 | 0. 300 |
| Ультразвуковой (накладные датчики) | Жидкости, газы | -40. +120 | Нет ограничений | 0,5. 2500 |
| Кориолисовый | Жидкости, газы | -50. +180 | 40 | 0. 100000 |
| Метод измерения | Возможность применения в системах коммерческого учета | Возможность применения в системах дозирования | Измерение массового расхода | Измерение реверсивных потоков |
|---|---|---|---|---|
| Электромагнитный | + | + | — | + |
| Вихревой | + | — | + | — |
| Ультразвуковой | + | — | + | + |
| Кориолисовый | + | + | + | + |
Необходимо помнить, что приведенных выше данных еще недостаточно для того, чтобы сделать однозначный обоснованный выбор в пользу того или иного метода измерений и уж тем более выбрать конкретный тип и модификацию расходомера. Данная информация позволяет лишь сразу отбросить те методы измерений, которые однозначно нельзя использовать для решения конкретной измерительной задачи. Чтобы снизить вероятность ошибки, в процессе выбора рекомендуется активно взаимодействовать со специалистами компании «РусАвтоматизация».
Источник: Компания «РусАвтоматизация»
Рекомендации по выбору преобразователей расхода и установке их на трубопроводах узлов учета тепловой энергии
Ю. Н. Осипов, Дирекция «Энергосбыт» ГУП «ТЭК Санкт-Петербурга»
За минувшие годы перестройки появилось много новых отечественных производителей средств автоматизации и, в частности, приборов для измерения тепловой энергии теплоносителя. Нормативные и технические требования к монтажу средств автоматизации остались на уровне 1985–1995 годов и почти полностью отсутствуют для нового приборного парка, имеющего прямое отношение к учету тепловой энергии.
В нормативно-технических документах ассоциации «МонтажАвтоматика» не рассмотрены технические требования к монтажу приборов КИП, применяемых в узлах учета тепловой энергии. В связи с этим в данной статье предпринята попытка рассмотреть ряд вопросов, связанных с особенностями монтажа пребразователей расхода на трубопроводах, которые могут оказывать существенное влияние на метрологические характеристики приборов и конечный результат измерений, а также приведены рекомендации по выбору типов и моделей преобразователей расхода.
Выбор преобразователей расхода следует производить в следующей последовательности:
1. Определяется динамический диапазон измеряемых расходов в каждом трубопроводе двух- или четырехтрубных схем присоединения теплопотребляющих установок к тепловым сетям теплоснабжающих предприятий для отопительного и межотопительного сезонов.
2. Определяются требуемые нижние пределы измерения преобразователей расхода по п. 5.2.4 «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя».
3. Определяются скорости потоков для преобразователей расхода, которые удовлетворяют измерение расхода во всем динамическом диапазоне измеряемых расходов.
4. Определяются диаметры условного прохода преобразователей расхода, которые удовлетворяют по допустимым скоростям в трубопроводах для общественных, административно-бытовых и промышленных зданий и помещений.
5. Определяется вид преобразования расхода в электрический сигнал и выбирается его тип.
6. Определяются потери давления на сужениях для каждого преобразователя расхода и сравниваются с предельно допустимыми значениями.
7. Определяется тепловычислитель, алгоритмы которого обеспечивают измерение тепловой энергии для конкретной схемы присоединения в отопительный и межотопительный сезоны.
8. Проверяется наличие действующих экспертных заключений и сертификатов соответствия и об утверждении типа измерения теплосчетчика, тепловычислителя и преобразователей расхода.
9. Производится проверка возможности использования выбранного типа преобразователя расхода в составе выбранного тепловычислителя по его сертификату об утверждении типа средств измерений и экспертному заключению.
10. Проверяется наличие сведений о проведении испытаний на электромагнитную совместимость всех приборов, входящих в выбранную конфигурацию теплосчетчика.
Определение динамического диапазона измеряемых расходов (табл. 1–3)
Динамический диапазон измеряемых расходов определяется для каждого трубопровода узла присоединения с учетом схемы присоединения к тепловым сетям, схемы узла присоединения и схемы летнего горячего водоснабжения.
В случае наличия у потребителя двух и более узлов присоединения от одного ввода следует определять тепловые потери и нормативные утечки в тепловых сетях от общего узла учета тепловой энергии до узлов присоединений и соответственно учитывать эти расходы в расчетах динамического диапазона измеряемых расходов.
Определение динамического диапазона измеряемых расходов на нужды подпитки вторичного контура независимых систем при подключении подпиточного трубопровода после преобразователя расхода следует производить с учетом приведенных ниже условий.
В случае подключения подпиточного трубопровода к трубопроводу горячего водоснабжения после преобразователя расхода (при двухтрубном присоединении) минимальные и номинальные расходы подпиточной воды следует добавить к расходам в трубопроводе Т1 и Т3. Преобразователь расхода, установленный на Т3, должен выдерживать максимальный расход в режиме заполнения системы.
| Таблица 1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Таблица 2 | ||||||||||||||||||||||||
|
В случае подключения подпиточного трубопровода к трубопроводу Т2 до преобразователя расхода (при двухтрубном присоединении) минимальные и номинальные расходы подпиточной воды следует добавить к расходам в трубопроводе Т1.
Способ учета подпиточной воды, приведенный в «Правилах учета тепловой энергии и теплоносителя», является самым нерациональным, т. к. требует наличия дополнительного канала измерения в тепловычислителе и применения высокоточного и широкодиапазонного преобразователя расхода. При этом для корректного измерения разности расхода теплоносителя на Т1 и Т2 требуется установка преобразователей расхода с относительной погрешностью ±1 %, при установке на подпиточном трубопроводе – преобразователя расхода с относительной погрешностью ±2 %. Все это приводит к значительному завышению стоимости узла учета при строительстве и эксплуатации.
Нормативная утечка 0,75 % от объема заполнения открытых систем теплопотребления и тепловых сетей потребителя с зависимым присоединением должна учитываться узлом учета.
| Таблица 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Для открытых и закрытых систем теплопотребления с независимым присоединением верхний предел измерения преобразователя расхода на подпитке должен охватывать значения максимального расхода через редукционный клапан (регулятор давления прямого действия «после себя»), пропускная способность которого определяется с учетом нормативной утечки, давления в обратном трубопроводе и в трубопроводе прямой воды вторичного контура до насосов. Минимальный измеряемый расход должен нормироваться как 4 % от максимального расхода.
В случае применения электромеханического реле давления и соленоидного клапана максимальный подпиточный расход определяется его пропускной способностью по коэффициенту Кv. В этом случае минимальный расход не нормируется.
Определение нижних пределов измерения преобразователя расхода
Определение нижних пределов измерения преобразователей расхода следует производить по п. 5.2.4 «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя», т. е. 4 % от максимального расхода в каждом трубопроводе.
В ряде случаев расчетный минимальный расход теплоносителя может быть ниже требуемого нижнего предела измерения. В этом случае требования в сторону расширения нижнего предела измерения должен предъявлять потребитель.
Для двухтрубной открытой зависимой или независимой системы присоединения с циркуляцией горячего водоснабжения преобразователь расхода, установленный на подающем трубопроводе горячего водоснабжения, должен охватывать пределами измерения летний минимальный расход при работе в тупик и зимний максимальный расход при минимальной циркуляции,
т. е. Gпод гвс max = Gгвс max + Gц min.
Для четырехтрубной открытой зависимой системы присоединения с циркуляцией горячего водоснабжения требования к пределам преобразователя, установленного на подающем трубопроводе, такие же.
Нижний предел преобразователей расхода, установленных на Т1 и Т2, должен охватывать расходы теплоносителя при температуре наружного воздуха 8 °C.
Определение допустимой скорости потока теплоносителя и диаметра условного прохода преобразователя расхода
Скорости потока теплоносителя в преобразователях расхода следует определять при максимальных рабочих параметрах для максимального измеряемого расхода в преобразователе расхода.
При определении требуемого условного прохода преобразователя расхода следует учитывать, что скорость потока максимального расхода теплоносителя в преобразователе расхода не должна превышать допустимых значений допустимого эквивалентного уровня звука в помещении (СНиП 2.04.05–91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование»):
— 1,5 м/с для общественных зданий;
— 2 м/с для административно-бытовых зданий;
— 3 м/с для промышленных зданий.
Требуемые пределы измерения преобразователя расхода определяются таким образом, чтобы измерялся минимальный расход теплоносителя по п. 5.2.4 «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя» и максимальный расход в отопительный период.
Требуемые пределы измерения преобразователя расхода определяются для каждого трубопровода одиночного узла присоединения.
В случае организации общего узла учета для двухтрубного присоединения нескольких узлов присоединений требуется учитывать минимальный летний и максимальный зимний расходы.
В ряде случаев невозможно подобрать преобразователь расхода с соответствующими пределами измерения, и требуется установка преобразователя расхода на летний период. В этом случае следует использовать схему установки летнего преобразователя расхода, приведенную на рисунке.
 |
Определение вида и типа преобразования расхода
При определении требуемого вида преобразования измеряемого расхода следует учитывать достоинства и недостатки каждого вида.
В табл. 4 приведены факторы, оказывающие влияние на измерение расхода теплоносителя. При этом следует учитывать фазовое состояние теплоносителя, динамический диапазон измеряемых расходов, требуемую точность измерения и гидравлические потери давления.
В качестве примера в табл. 5 приведены технические характеристики некоторых преобразователей расхода с учетом вида преобразования измеряемого расхода.
Выбор типа преобразователя расхода осуществляется по основным критериям. К ним следует отнести:
— пределы измерения должны охватывать динамический диапазон измеряемых расходов;
— потери давления при измерении максимального расхода должны удовлетворять допустимым значениям.
Остальные критерии являются второстепенными, и их влияние на выбор вида преобразования не значительно.
Определение гидравлических потерь давления в сужении
К учитываемым местным сопротивлениям относятся строительная длина преобразователя расхода, прямолинейные участки трубопровода, переходы, запорная арматура на участке сужения между переходами.
В расчетах гидравлических потерь давления в сужении следует учитывать влияние коэффициента неравномерности распределения поля скоростей при максимальных значениях рабочих параметров теплоносителя.
Определение модели тепловычислителя
Выбор тепловычислителя следует производить с учетом следующих критериев:
— преобразователи расхода должны входить в перечень разрешенных к применению в составе теплосчетчика, а их технические характеристики должны удовлетворять условиям эксплуатации;
— преобразователи расхода, тепловычислитель и теплосчетчик должны иметь действующие сертификаты соответствия со сведениями о проведении испытаний на электромагнитную совместимость, экспертные заключения, сертификаты об утверждении типа средств измерения;
— тепловычислитель должен иметь требуемое количество каналов измерения расхода, температуры, давления и обладать алгоритмами, необходимыми для обеспечения учета тепловой энергии теплопотребляющей установки в отопительный и межотопительный периоды в соответствии с требованиями «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя»;
— комплекты термопреобразователей сопротивления должны входить в перечень преобразователей, разрешенных к применению в составе теплосчетчика, и иметь действующие сертификаты об утверждении типа средств измерения;
— преобразователи давления должны входить в перечень преобразователей, разрешенных к применению в составе теплосчетчика, и иметь действующие сертификаты соответствия и сертификаты об утверждении типа средств измерения;
— межповерочный интервал измерительных приборов тепло-счетчика следует подбирать с одинаковыми значениями.
Монтаж преобразователей расхода
Установку преобразователей расхода на трубопроводах узлов учета тепловой энергии следует производить в соответствии с согласованным рабочим проектом, действующими правилами, нормами, инструкцией по эксплуатации изготовителя и техническими требованиями к монтажу сборочного узла измерительных участков преобразователя расхода (СУ).
Технические требования должны содержать сведения о допусках непараллельности, неперпендикулярности и несоосности деталей СУ.
Сварку стыковых швов соединений типа «концентрический переход – прямолинейный участок» и «прямолинейный участок – плоский фланец» следует производить по техническим требованиям к монтажу сборочного узла в соответствии со сборочным чертежом, в котором должны быть представлены сведения о толщине стенок и наружном диаметре прямолинейных участков и концентрических переходов, а также требования к разделке кромок под сварку. Предъявление сертификатов соответствия для деталей в эксплуатационной документации обязательно. Соединения типа «труба в переход» и наличие ступеньки между внутренними диаметрами преобразователя расхода и прямолинейного участка недопустимы.
Преобразователи расхода и присоединительные детали должны иметь отверстия, подготовленные для пломбирования в целях исключения несанкционированного демонтажа.
Переходы конфузорно-диффузорного типа должны иметь сборочный чертеж, технические требования на изготовление и монтаж, акт испытаний на прочность с применением методов неразрушающего контроля. Технические требования на изготовление должны содержать сведения о чистоте обработки внутренней поверхности изделия и продольных швов, эллипсности, неперпендикулярности, непараллельности, разделке торцов и кромок в соответствии с требованиями действующих стандартов, а также о способе монтажа.
Длина прямолинейных участков должна соответствовать требованиям инструкций по эксплуатации изготовителя с учетом влияния ближайшего местного сопротивления.
Наличие выступающего грата на продольных и поперечных сварных швах сборочного узла недопустимо.
В качестве материала для изготовления прямолинейных участков удобно применять трубы стальные бесшовные холоднодеформированные по ГОСТу 8734–75. В качестве составных переходов следует применять кованые стальные переходы по ГОСТу 22826–83, для одиночных переходов – по ГОСТу 17378–01 исполнения 1 или 2.
В случае применения одиночных переходов исполнения 2 длина прямолинейных участков должна быть увеличена в соответствии с рекомендациями изготовителя для местного сопротивления данного типа. Для переходов исполнения 1 допускается сохранение минимальных длин, т. к. угол раскрытия переходов находится в интервале (7–20)° в зависимости от их длины.
В случае применения комплекта переходов конфузорно-диффузорного типа с продольными сварными швами, каждый комплект должен иметь акт о прохождении термообработки по режиму нормализации как детали, подвергавшиеся пластической деформации при температуре ниже 70 °C. В акте следует указывать номера комплектов, прошедших термообработку, и полное отсутствие сварного грата.
При установке преобразователей расхода на сужении следует фиксировать трубопровод до и после сужения на неподвижных опорах с одинаковой отметкой для исключения искривления измерительного участка в результате ослабления трубопровода.
Измерительный участок, переходы и отборные устройства для измерения температуры необходимо изолировать тепловой изоляцией с составлением акта скрытых работ. В акте следует указывать:
— тип и толщину тепловой изоляции;
— тип, наружный диаметр, толщину, длину трубопроводов измерительных участков;
— тип, диаметры, толщину, длину конических переходов;
