Без точных расчетов невозможны рациональное расходование ресурсов и разумная экономия. Системный подход к учету, его оптимизация и автоматизация становятся сегодня не просто данью моде, а признаком цивилизованности. Ниже представлены общие сведения о приборах и системах учета воды и тепловой энергии. Описываются типы расходомеров и водосчетчиков, а также назначение каждого из них; приведена классификация теплосчетчиков и алгоритмы их работы; дается информация об особенностях построения систем учета используемых на различных объектах.
Расходомеры и водосчетчики — назначение и типы
Для измерения расхода воды в трубопроводах применяются расходомеры и водосчетчики. Водосчетчик — это измерительный прибор, предназначенный для измерения количества — объема или массы — воды, протекающей через поперечное сечение трубопровода. Расходомер, как это следует из его названия, служит для измерения расхода, т.е. количества воды, протекающего через данное сечение за единицу времени. Расход измеряется в единицах массы, деленных на единицу времени (кг/с, кг/мин, кг/ч, г/с и т.д.) или в единицах объема, деленных на единицу времени (м3/c, м3/мин, м3/ч, см3/с и т.д.). В первом случае имеем массовый, а во втором — объемный расход.
Существует достаточно много способов измерения количества и расхода жидкости, и, соответственно, типов водосчетчиков и расходомеров. Наиболее простой принцип действия имеют так называемые тахометрические водосчетчики. Основа их конструкции — помещенная в поток жидкости крыльчатка или турбинка. Она связана со счетным механизмом, который преобразует количество ее оборотов в литры или кубические метры. В России тахометрические водосчетчики производят, например, ЗАО «Тепловодомер» (г. Мытищи), ООО ПКФ «Бетар» (г. Чистополь) и др. Широко применяются и водосчетчики зарубежных фирм: Zenner, Wehrle, Sensus и пр.
В не меньшей степени используются и расходомеры других типов: ультразвуковые, вихревые, электромагнитные (индукционные). Их общее отличие от тахометрических состоит в том, что в конструкции прибора отсутствуют какие бы то ни было подвижные части, а в измерениях участвуют электронные устройства.
Принцип действия вихревого расходомера основан на следующем эффекте: если в поток жидкости поместить некое тело (стержень) особой формы, то частота возникающих на нем вихрей будет пропорциональна скорости потока. В России вихревые расходомеры производят, например, ПГ «Метран», ЗАО «ПромСервис», ЗАО НПО «Промприбор».
Электромагнитные расходомеры основаны на взаимодействии движущейся жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуктируется э.д.с., пропорциональная скорости движения жидкости. Со времен СССР широко известны электромагнитные расходомеры производства таллиннской фирмы Aswega; в современной России наиболее крупными производителями приборов такого типа являются петербургские предприятия «Взлет» и «Теплоком».
Ультразвуковой расходомер измеряет расход жидкости путем анализа того или иного акустического эффекта, возникающего при проходе через поток ультразвуковых колебаний. В СССР и России ультразвуковая расходометрия развивалась в Самаре и Чебоксарах, теперь же этот метод измерений кажется незаслуженно забытым или, по меньшей мере, отодвинутым на второй план. В то же время, потребность в таких приборах есть, и на рынке начинают появляться как новые российские разработки, так и продукция зарубежных фирм, например, «СЕМПАЛ», Киев.
Расходомер любого из перечисленных выше типов конструктивно может представлять из себя как «компактный» прибор, так и иметь раздельное исполнение. У «компакта» электронный модуль с устройством индикации выполнен как одно целое с измерительным участком (т.е. размещен непосредственно на трубопроводе). Раздельное исполнение предполагает, что электронный блок соединен с измерительным участком кабелями и может располагаться удаленно. Как компактный, так и раздельный расходомер могут быть оборудованы интерфейсом передачи данных, либо иметь электрический (токовый, частотный, импульсный) выход для трансляции сигнала об измеряемом расходе на расстояние. Более подробно об интерфейсах будет рассказано ниже на примере теплосчетчиков. Расходомер или счетчик, не оборудованный устройством индикации, а выдающий только электрический сигнал, информирующий о величине измеряемого объема или расхода, следует называть преобразователем расхода. Для чего нужны преобразователи, станет ясно также из материала о счетчиках тепла.
Многообразие типов водосчетчиков и расходомеров неизбежно порождает традиционные потребительские вопросы: «что выбрать?» и «какой прибор лучше?». Однозначно ответить на него нельзя, тем более — в рамках данной статьи. Можно лишь сказать несколько слов о сложившейся практике применения расходомеров того или иного типа. Так, например, для измерений в трубах «квартирных» диаметров (Dу15) практически нет альтернативы тахометрическим водосчетчикам — все их эксплуатационные недостатки с лихвой компенсируются сверхнизкой ценой. Но, начиная с диаметра 25 мм, конструкция тахометрического водосчетчика усложняется, цена резко возрастает — она становится сопоставима с ценой, например, вихревого расходомера. Но в последнем нет ни одной движущейся (вращающейся, трущейся) части, и уже потому он потенциально надежней, долговечней, метрологически стабильней. Еще более дорогими являются ультразвуковые и электромагнитные расходомеры, но в их активе — более высокие метрологические характеристики и, что немаловажно, минимальные потери давления измеряемой жидкости в канале расходомера. Конструкция ультразвуковых расходомеров, к тому же, позволяет использовать их на трубопроводах таких больших диаметров (от 300-500 мм), на какие ни вихревые, ни электромагнитные приборы выполнены быть не могут. Интересно заметить, что если за рубежом в целом наибольшее распространение нашли тахометрические и ультразвуковые расходомеры, то у нас в России — тахометрические и электромагнитные.
В целом же очевидно, что каждый тип расходомера имеет свою сферу применения, а выбор прибора для каждого конкретного случая — это поиск оптимального именно для этого случая сочетания цены, стоимости монтажа, стоимости обслуживания и т.п. В реальной жизни весьма важную роль играет еще и известность марки, репутация производителя и позиции его сбытовой и сервисной сети в регионах.
Теплосчетчики — определение, алгоритмы работы, классификация
Расходомеры, а точнее — преобразователи расхода — всех описанных выше типов могут применяться и для учета тепловой энергии в водяных системах теплоснабжения — в составе теплосчетчиков. Теплосчетчик — это средство измерений, состоящее, как правило, из преобразователей расхода, температуры, давления, а также тепловычислителя. Преобразователи монтируются непосредственно на трубопроводах, а вычислитель, принимая их сигналы, по определенным алгоритмам вычисляет на основе полученных данных величину потребленной тепловой энергии. Кроме того, он архивирует результаты измерений (показания преобразователей), чтобы в дальнейшем можно было анализировать режимы работы системы теплоснабжения, фиксировать внештатные и аварийные ситуации и т.п. Таким образом, теплосчетчик выполняет сразу две задачи: обеспечивает коммерческий учет, результаты которого используются при расчетах между поставщиком и потребителем тепла, а также является средством технологического контроля в системах теплоснабжения.
Алгоритм работы теплосчетчика, на первый взгляд, прост. Необходимо измерить расход теплоносителя на «входе», т.е. — в подающем трубопроводе, а также температуру и давление на «входе» и «выходе». Далее определяются плотности и энтальпии, являющиеся табличными функциями температур и давлений, а затем по формуле
Q = G1 (h1 – h2) (1)
вычисляется величина потребленной тепловой энергии. G1 здесь — масса теплоносителя, поступившего потребителю по подающему трубопроводу, h1 и h2 — энтальпии теплоносителя, соответственно, в подающем и обратном трубопроводах. Однако очевидно, что формула (1) справедлива лишь для так называемых закрытых систем теплоснабжения.
Такие системы получили широкое распространение в странах Европы. Теплоноситель (горячая вода) в закрытой системе проходит через теплообменный аппарат потребителя и возвращается на источник тепла (котельная, ТЭЦ) в том же количестве, но, разумеется, с уже меньшей температурой. В России же большинство систем — открытые: теплоноситель, пришедший к потребителю по подающему трубопроводу, используется не только для нагрева отопительных приборов, но и разбирается в целях горячего водоснабжения. Соответственно, по обратному трубопроводу на источник возвращается не тот же теплоноситель с меньшей энтальпией, а меньшее его количество. И вопрос здесь уже не только в том, «как измерить», но также и «что измерять», т.к. неясно, что же в открытой системе является «товаром» — теплота? тепловая энергия? или сам теплоноситель? Другими словами, за что потребитель должен платить: за тепло, за теплоноситель или же за услугу теплоснабжения?
Еще один специфичный для России фактор: даже в системах, спроектированных, как закрытые, теплоноситель порой несанкционированно разбирают на хозяйственные нужды. Самый избитый пример — врезанные в радиаторы отопления краны, через которые технический персонал получает горячую воду для мытья полов. Также не столь уж редки случаи, когда в сложной системе теплоснабжения здания обнаруживается где-то когда-то кем-то для чего-то сделанный — и незадокументированный — отвод, байпас и т.п., о котором и в самом деле никто не знал, но который пускает львиную долю тепла мимо счетчика». Наконец, не стоит забывать и о физическом состоянии наших российских труб, которое давно уже стало притчей во языцех. Из вышесказанного становится понятным возникающее у поставщика тепла желание даже в закрытой системе организовать учет, как в «условно открытой». Т.е., не приравнивать априори расход теплоносителя в подающем трубопроводе к расходу в обратном, как это предполагает формула (1), а измерять его и там, и там. При этом — учитывать еще и разбор теплоносителя на нужды горячего водоснабжения (ГВС), возможно — фиксировать температуру воды в трубопроводе ГВС. Поэтому типичный российский теплосчетчик — это обязательно (точнее, как минимум) два расходомера, водосчетчик(и) ГВС, термопреобразователи и вычислитель, реализующий с десяток алгоритмов учета, призванных «закрыть» как можно больше встречающихся на практике конфигураций систем теплоснабжения.
