Рекомендации по выбору преобразователей расхода

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

Наименование трубопровода	Расход	Схемы узлов присоединения при двухтрубной схеме подключения
		Непосредственная или с элеватором	Непосредственная или с элеватором и с открытым ГВС
Т1	Gmax	Gот.ном. + Gв.ном. + Gн.ут.	Gот.ном. + Gв.ном. + + Gгвс max + Gн.ут.
	Gmin	0,5Gот.ном. + Gв.min + Gн.ут.	0,5Gот.ном. + Gв.min + + (0,1÷0,2)Gгвс ср. + Gн.ут.
Т2	Gmax	Gот.ном. + Gв.ном.	Gот.ном. + Gв.ном.
	Gmin	0,5Gот.ном. + Gв.min	0,5Gот.ном. + Gв.min
Т3	Gmax	-	Gгвс max
	Gmin	-	(0,1÷0,2)Gгвс ср.
		С насосами смешения или теплообенниками и закрытым ГВС	С насосами смешения или теплообенниками и с открытым ГВС и циркуляцией
Т1	Gmax	Gот.ном. + Gв.ном. + + Gб.гвс max + Gн.ут.	Gот.ном. + Gв.ном. + + (1 + К)Gгвс max + Gн.ут.
	Gmin	0,15Gот.ном. + Gв.min + + (0,1÷0,2)Gб.гвс ср. + Gн.ут.	0,15Gот.ном. + Gв.min + + Gн.ут. + Gгвс ср. +
Т2	Gmax	Gот.ном. + Gв.ном. + Gб.гвс ср.	Gот.ном. + Gв.ном. + Gгвс ср.
	Gmin	0,15Gот.ном. + Gв.min + + (0,1÷0,2)Gб.гвс ср.	0,15Gот.ном. + Gв.min + Gгвс ср.
Т3	Gmax	-	(1+К)Gгвс max
	Gmin	-	(0,1÷0,2)Gгвс ср.
Т4	Gmax	-	Gц.гвс
	Gmin	-	0,05Gц.гвс

Обозначения:

Gот.ном. – расчетный расход на систему отопления в первичном контуре или до узла смешения при -26°C (для Санкт-Петербурга);

Gв.ном. – расчетный расход на систему вентиляции в первичном контуре при -26°C или -11°C (для Санкт-Петербурга);

Gв.min – расчетный расход на систему вентиляции в первичном контуре при +8°C или полном отключении;

Gгвс max – максимальный часовой расход на ГВС;

Gгвс ср. – среднечасовой расход на ГВС;

Gб.гвс max – максимальный часовой расход через бойлер ГВС при -26°C;

Gб.гвс ср. – среднечасовой расход через бойлер ГВС при -26°C;

Gц.гвс – расчетный циркуляционный расход в системе ГВС;

Gн.ут. – нормативные утечки систем отопления и вентиляции;

К – определяется по табл. 2 или по следующей приближенной формуле К = 0,58713 (2,1 - Gгвс max / Gц)^0,6145.

Таблица 2

Gгвс max/Gц	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6
К	0,57	0,48	0,43	0,4	0,38
Gгвс max/Gц	1,7	1,8	1,9	2,0	≥ 2,1
К	0,36	0,33	0,25	0,12	0

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

Наименование трубопровода	Расход	Схемы узлов присоединения при четырехтрубной схеме подключения
		-	Непосредственная или с элеватором и с открытым ГВС в тупик
Т1	Gmax	-	Gот.ном. + Gв.ном. + Gн.ут.
	Gmin	-	0,5Gот.ном. + Gв.min + Gн.ут.
Т2	Gmax	-	Gот.ном. + Gв.ном.
	Gmin	-	0,5Gот.ном. + Gв.min
Т3 G	max	-	Gгвс max
	Gmin	-	(0,1÷0,2)Gгвс ср.
		С насосами смешения или теплообенниками и закрытым ГВС	С насосами смешения или теплообенниками и с открытым ГВС и циркуляцией
Т1	Gmax	Gот.ном. + Gв.ном. + Gн.ут.	Gот.ном. + Gв.ном. + + (1 + К)Gгвс max + Gн.ут.
	Gmin	0,15Gот.ном. + + Gв.min + Gн.ут.	0,15Gот.ном. + Gгвс ср. + + Gв.min + Gн.ут.
Т2	Gmax	Gот.ном. + Gв.ном.	Gот.ном. + Gв.ном. + Gгвс ср.
	Gmin	0,15Gот.ном. + Gв.min	0,15Gот.ном. + Gв.min + Gгвс ср.
Т3	Gmax	Gб.гвс max	(1 + К)Gгвс max
	Gmin	(0,1÷0,2)Gб.гвс ср.	(0,1÷0,2)Gгвс ср.
Т4	Gmax	Gб.гвс ср	Gц.гвс
	Gmin	(0,1÷0,2)Gб.гвс ср.	0,05Gц.гвс

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.

Таблица 4

Факторы, влияющие на измерение расхода	Вид преобразования
	Вихре- вой индук- цион- ный	Вихре- вой акусти-ческий	Тахо- метри- ческий крыль- чатый	Тахо- метри- ческий турбин- ный	Индук-ционный	Ультра-звуковой корреля-ционный	Ультра-звуковой двуна-правлен- ный	Перепад давлений
Химический состав	+	+	-	-	+	-	-	-
Удельная проводимость	+	+	-	-	+	-	-	-
Несоосность расходомера к трубам	+	+	+	+	+	-	-	+
Сварочные токи	+	+	-	-	+	-	-	-
Ферромагнитный осадок	+	-	+	+	+	-	-	-
Кальцинированный осадок	+	-	+	+	+	-	-	+
Плохое заземление	+	+	-	-	+	-	-	+
Температура окружающего воздуха	+	-	-	-	+	-	-	+
Электромагнитные наводки	+	+	-	-	+	+	-	+
Механические включения	+	-	+	+	-	-	-	-
Гидравлическое сопротивление	+	+	+	+	-	-	-	-
Износ движущихся деталей	-	-	+	+	-	-	-	-

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.

Таблица 5

Тип прибора	Удельная проводимость, См/м	Динамический диапазон	Относительная погрешность, %	Гидравлические потери, кгс/см2
Вихревой индукционный (ВИ)
ВЭПС Т(И)	≥5•10-4	~=(1:25)	±1	0,3
ВЭПС (ПБ)	≥5•10-4	~=(1:31)	±1,5	0,3
Вихревой акустический (ВА)
«Метран-300ПР»	-	~=(1:50)	±1,5	0,3
«Метран-336»	-	~=(1:35)	±1,5	0,3
Тахометрический крыльчатый (ТК) или турбинный (ТТ)
ТЭМ	-	1:25	±2	1,0
ВСТ	-	~=(1:20)	±2	1,0
Индукционный (И)
МР200 EESA	≥5 • 10-4	1:257	±2	-
РМ-5	от 10-3до 10	1:1000	±1	-
ПРЭМ-3	от 10-3до 10	1:450	±2	-
Ультразвуковой корреляционный (УК)
ДРК-З	-	~=(1:100)	± 2	-
Ультразвуковой двунаправленный (УД)
Ultraflow	-	1:50	±2	0,04
Перепад давлений (ПД)
«Метран-350»	-	1:10	±0,5	0,1

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.

Спецификация оборудования и материалов рабочего проекта должна содержать сведения о ремонтных вставках для периодической метрологической поверки и ремонта преобразователей расхода. Ремонтные вставки должны иметь технические требования на изготовление и монтаж, паспорт на изделие.

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;
• катеты и качество сварных швов.