15.10.2006

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

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

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

Авторы статьи предлагают сравнить эти два метода, при этом обращая внимание читателей на два ключевых момента:

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

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

Параметр	СУ	ВР
Погрешность измерения	от 2 до 5%	от 1,5 до 2,5%
Динамический диапазон (ДД)	до 1:10	до 1:40
Межповерочный интервал (МПИ)	1 год	3…4 года
Стоимость	низкая	средняя

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Представим, что прошло три года и инженеры решили собраться и поделиться опытом. Проанализировав изложенное выше, инженеры сформулировали следующие требования к прибору для измерения расхода пара:

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

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

С легким паром!