теплосчетчик и способ определения тепловой энергии теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения

Формула изобретения

1. Теплосчетчик для определения тепловой энергии теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения с подающим, обратным трубопроводами и с подпиточным трубопроводом, содержащий на подающем и обратном трубопроводах объемные электромагнитные расходомеры, имеющие линейную градуировочную характеристику, преобразователи давления и температуры, блоки вычисления плотности ₁, ₂, энтальпии h₁ , h₂ теплоносителя, а на подпиточном трубопроводе - преобразователь температуры холодной воды, выход которого через блок вычисления энтальпии холодной воды соединен со входом индикатора, при этом выходы объемных электромагнитных расходомеров, блоков вычисления энтальпии h₁, h ₂ соединены с соответствующими входами индикатора, выходы преобразователей давления и температуры теплоносителя - со входами блоков вычисления плотности ₁, ₂ и энтальпии h₁ , h₂, отличающийся тем, что дополнительно введены блок измерения разности объемных расходов _qэ теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, с которым соединены выходы объемных электромагнитных расходомеров, блок разности плотностей , с которым соединены выходы блоков вычисления плотности ₁, ₂, блок вычисления массового расхода m₂ теплоносителя в обратном трубопроводе, блок вычисления разности массовых расходов m и блок вычисления массы M отобранного из сети теплоносителя, с которым соединены выходы объемного электромагнитного расходомера подающего трубопровода, блоков разности плотностей , вычисления плотности ₁ и блока измерения q_э, при этом выходы объемного электромагнитного расходомера обратного трубопровода и блока вычисления плотности ₂ через блок вычисления m ₂ присоединены ко входу индикатора, выходы блоков вычисления разности массовых расходов m соединены со входами блока вычисления массы М и индикатора.

2. Способ определения тепловой энергии теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения, заключающийся в том, что в подающем и обратном трубопроводах измеряют объемные расходы q₁, q₂, а также температуру и давление для вычисления плотности ₁, ₂ и энтальпии h₁ , h₂ теплоносителя, измеряют температуру холодной воды в подпиточном трубопроводе для вычисления энтальпии h_хв холодной воды, отличающийся тем, что измеряют разность q_э объемных расходов q ₁, q₂ и разность плотностей ₁, ₂ теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах и определяют значение тепловой энергии Q за время от ₀ до ₁ как

где m₂= ₂·q₂ - массовый расход теплоносителя в обратном трубопроводе,

- масса отобранного из сети теплоносителя,

при этом разность массовых расходов m получают как m= ₂ q_э+q₁ .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к экспериментальной технике и может быть использовано в энергетике, коммунальном хозяйстве, нефтяной, газовой, химической промышленности и т.д.

Известен теплосчетчик для измерений тепловой энергии и количества (объем, масса) теплоносителя в водяных системах теплоснабжения. Конструкция расходомеров, применяемых в этом теплосчетчике, содержит: канал (металлический патрубок), два измерительных термопреобразователя, два компенсационных термопреобразователя (пленочные терморезисторы), включенные в схемы неуравновешенных мостов постоянного тока с усилителями, блок управления нагревателями и вычислительный блок. Блок управления нагревателями периодически включает нагреватель, генерируя в поток тепловые метки. При включении нагревателя в вычислительном блоке реализуется команда на начало измерения времени и начинается отсчет времени переноса метки терморезисторами. Далее определяется время переноса метки по измерительному участку известной длины и площади поперечного сечения, откуда получают значения скорости потока и объемного расхода. По разности времени определяется плотность теплоносителя и затем определяют величину массового расхода.

Такое решение позволяет измерять объемный расход теплоносителя косвенным способом (Динамический термоконвективный метод измерения массового расхода бинарных растворов жидкости «Коммерческий учет энергоносителей». Материалы 20-й Международной научно-практической конференции 23-24 ноября 2004 г., стр.150-154. Авторы: Соколов Г.А., Сягаев Н.А., Тугушев К.Р.).

Недостатки этого теплосчетчика: значительная погрешность определения массового расхода 1,2-1,8%; затруднен контроль плотности измеряемой среды, состоящей из двух компонентов и больше, затруднено измерение скорости жидкости при разной вязкости, большая длительность времени измерения.

Известен способ определения объемного расхода теплоносителя (теплофикационной воды):

- путем анализа характеристик теплопроводности и конвекции определяют объемный расход жидкости при реализации меточного метода измерений процесса переноса теплоты от источника меток (нагревателя) в поток вещества и от потока к термопреобразователям;

- показывают, что время переноса метки по контрольному участку однозначно связано с объемным расходом и не зависит от свойств и состава измеряемой среды;

- аналитически определяют одномерные задачи о распространении теплового импульса в потоке жидкости и достигают максимума метки в зоне регистрации.

Такое решение позволяет определить объемный расход жидкости (Динамический термоконвективный метод измерения массового расхода бинарных растворов жидкости «Коммерческий учет энергоносителей». Материалы 20-й Международной научно-практической конференции 23-24 ноября 2004 г., стр.150-154. Авторы: Соколов Г.А., Сягаев Н.А., Тугушев К.Р.).

Недостатки этого способа заключаются в том, что в процессе измерения время переноса метки потоком состоит из длительности процесса кондуктивного переноса теплоты от нагревателя к потоку жидкости и от потока через стенку камеры (металлической трубы) к термопреобразователю, т.е. способ обладает большой инерционностью, что может привести к существенным ошибкам в результатах измерений.

Известны теплосчетчики для определения тепловой энергии и объемного расхода теплоносителя и воды горячей и холодной. Теплосчетчики электромагнитные предназначены для измерений и коммерческого учета тепловой энергии, объема и массы теплоносителя, потребленных жилыми, промышленными, общественными зданиями и т.д., в закрытых и открытых водяных системах теплоснабжения для измерения и регистрации объемного и массового расхода и параметров теплоносителя в обоих направлениях через первичные преобразователи расхода, а также для использования в автоматизированных системах учета, контроля и регулирования тепловой энергии, количества теплоносителя, горячей и холодной воды. В состав теплосчетчика входит один или два объемных электромагнитных расходомера и по два преобразователя температуры и давления.

Электронный блок представляет собой промышленный контроллер с программным обеспечением. Конструктивно он выполнен в пылевлагозащитном корпусе, размещенном непосредственно на объемном электромагнитном расходомере. В комплект теплосчетчика включается один или два объемных расходомера, два термопреобразователя, один термопреобразователь для измерения температуры окружающего воздуха и два преобразователя давления.

Электронный блок выполняет измерение, оцифровку и последующую обработку выходных сигналов преобразователей объемных электромагнитных расходомеров (ОЭР), температуры (ПТ) и давления теплоносителя (ПД). Вычисленные параметры теплоносителя могут быть переданы в реальных единицах измерения (т/ч, кПа, °С).

Такой теплосчетчик позволяет определять тепловую энергию, объемный (массовый) расход, температуру и давление теплоносителя в открытых и условно открытых водяных системах теплоснабжения (Теплосчетчики электромагнитные КМ-5 «Руководство по эксплуатации. Часть 1 АКП 42/8 2003», стр.3-4, стр.10, 14).

Недостатки этого счетчика: низкая точность измерений тепловой энергии: от 4 до 5% из-за того, что не учтено влияние тепловых шумов, остаточной деформации, и старение материалов конструкции ОЭР при длительном времени эксплуатации.

Известен способ определения тепловой энергии и массы отобранного из тепловой сети теплоносителя. С помощью теплосчетчиков типа КМ-5 объемный и массовый расход, а также тепловую энергию определяют следующим образом:

- Подобранную пару платиновых термопреобразователей, установленную на подающем и обратном трубопроводах системы водяного теплоснабжения, присоединяют к входу КМ-5.

- Определяют тепловую энергию по одному из уравнений МИ 2412-97. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя. Так, для закрытой водяной системы теплоснабжения используется уравнение Q=V· (h₁-h₂), где V-объем теплоносителя, протекающего через подающий (обратный) трубопровод за время наблюдения; - плотность теплоносителя (сетевой воды), соответствующая температуре теплоносителя в подающем (обратном) трубопроводе, согласно ГСССД 188-99; h₁, h ₂ - удельная энтальпия теплоносителя (сетевой воды), соответственно, в подающем и обратном трубопроводах, согласно ГСССД 188-99.

Определяют объемы измеряемой среды V₁ и V₂, прошедшие через объемные расходомеры по подающему и обратному трубопроводу за время наблюдений = ₁- ₀ как и где G_V,i ( ) - значение объемного расхода в момент времени ; где i=1 для подающего, а i=2 для обратного трубопровода.

- Определяют массовый расход G_M( ) и массу измеряемой среды М за время наблюдений = ₁- ₀, как G_M( )= (t, Р)·G_V( ); тогда по подающему и обратному трубопроводу будет и

Где ₁ и ₂ - плотности теплоносителя (сетевой воды), соответственно, в подающем и обратном трубопроводах, согласно ГСССД 188-99. Массу теплоносителя отобранного из сети определяют как M=M₁-M₂, где M₁ - масса теплоносителя, прошедшего по подающему, а М2 по обратному трубопроводам.

Такое решение позволяет определить тепловую энергию и массу теплоносителя в подающих и обратных трубопроводах открытых и условно открытых систем водяного теплоснабжения (Теплосчетчики электромагнитные КМ-5 «Руководство по эксплуатации. Часть 1 АКП 42/8 2003», стр.3-4, стр.10, 14).

Недостаток этого способа определения тепловой энергии и массы отобранного из сети теплоносителя является не учет и не определение влияния остаточных деформаций от давления и температуры, особенно при длительном условии эксплуатации. Не учитывается влияние изменения окружающей температуры. ОЭР градуируется холодной водой. Масса отобранного из сети теплоносителя определяется по разности показаний расходомеров, что приводит к большой методической погрешности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является теплосчетчик, который содержит подающий, обратный, подпиточный трубопроводы. Подающий и обратный трубопроводы каждый содержит по-одному ОЭР и ПТ и ПД. Подпиточный трубопровод содержит ПТ и блок вычисления энтальпии холодной воды. Подающий и обратный трубопроводы также оснащены блоками вычисления энтальпии и плотности теплоносителя. На выходе каждого трубопровода определяется расход массы и объем теплоносителя. Отмечено, что комплектация измерительными компонентами для различных уравнений измерений может быть различной.

Например, теплосчетчик может комплектоваться ПД, либо давление может задаваться договорной константой.

Такое решение позволяет определить объемный расход теплоносителя прямым измерением в системах теплоснабжения (Коммерческий учет энергоносителей. Материалы 22-й Международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург 2005 г., стр.80-89. «К вопросу о типовых испытаниях теплосчетчиков для водяных систем теплоснабжения». Авторы М.Н.Бурдунин, А.А.Варгин).

Недостатки этого теплосчетчика: низкая точность определения объемного расхода из-за неучета влияния остаточной деформации, тепловых шумов ОЭР, ПТ и ПД.

Наиболее близким техническим решением является способ определения объемных расходов теплоносителя в водяных системах теплоснабжения.

Сущность способа определения объемных расходов теплоносителя заключается в следующем:

- В заданном интервале времени определяют массу теплоностителя в подающем и обратном трубопроводах как: M₁= ₁q₁ и М₂= ₂q₂ ;

где M₁, M ₂ - массы теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах;

q₁, q₂ - объемный расход в каждом трубопроводе; ₁, ₂ - плотность теплоносителя в каждом трубопроводе.

- На выходе теплосчетчика тепловую энергию теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения определяют как где = (Р, t) и h=h(Р, t), определяют по ГСССД 188-99; Р - избыточное давление, t - время. Массу теплоносителя, отобранного из сети, определяют как M=M₁-M₂, где М₂ масса теплоносителя, прошедшего по подающему, а М₂ по обратному трубопроводам.

- Причем градуируют теплосчетчик на холодноводной установке как: q=k(q)f, где k(q) - градуировочный коэффициент как функция расхода; f -выходной электрический сигнал.

Такой способ позволяет определить тепловую энергию, объемный и массовый расход, а также массу теплоносителя, отобранную в открытых и условно открытых водяных системах теплоснабжения (Коммерческий учет энергоносителей. Материалы 22-й Международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург 2005 г., стр.80-89. «К вопросу о типовых испытаниях теплосчетчиков для водяных систем теплоснабжения». Авторы М.Н.Бурдунин, А.А.Варгин).

Недостаток этого способа определения массы теплоносителя, отобранного из открытой или условно открытой водяной системы теплоснабжения, связан с тем, что измерение осуществляется по разности показаний расходомеров, установленных на подающем и обратном трубопроводах. Этот косвенный метод измерений M содержит большую методическую погрешность (±100% и более), что автоматически приводит и к большой погрешности измерений тепловой энергии.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения тепловой энергии и массы, отобранной из сети теплоносителя, за счет введения в теплосчетчик блока прямого измерения разности объемных расходов и блока измерения разности плотностей в подающем и обратном трубопроводах в открытых и условно открытых водяных системах теплоснабжения. Ведение в теплосчетчик блока прямого измерения разности объемных расходов и блока измерения разности плотностей в подающем и обратном трубопроводах позволяет производить определение значения массы отобранного из сети теплоносителя без применения операции вычитания значений масс теплоносителя, определенных по показаниям расходомеров, установленных на этих трубопроводах.

Технический результат достигается тем, что в теплосчетчик, используемый в водяных системах теплоснабжения, содержащий трубопроводы подающий, обратный, каждый трубопровод в отдельности подающий, обратный оснащены по одному объемному электромагнитному расходомеру (либо расходомеру другого вида, имеющему линейную градуировочную характеристику), преобразователю давления и температуры, блоками вычисления плотности, энтальпии, расхода массы, блок вычисления энтальпии холодной воды и преобразователь вычисления холодной воды, выход которого через блок вычисления энтальпии холодной воды соединен с входом индикатора, выходы объемных расходомеров соединены с входом блоков вычисления расхода массы теплоносителя, выходы преобразователей давления и температуры соединены с входом блоков вычитания плотности энтальпии теплоносителя подающего и обратного трубопроводов, выход блоков плотности соединен с входом блока вычисления разности масс теплоносителя, дополнительно введены блок прямого измерения разности объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах, блок вычисления разности массовых расходов, блок определения массы отобранного из сети теплоносителя, выходы блоков вычисления плотности соединены с входом блока вычитания плотностей, выходы объемных электромагнитных расходомеров соединены с входами определения объемных расходов, выходы последнего блока объемного электромагнитного расходомера подающего трубопровода и выход блока вычитания плотности соединены со входом блока разности массовых расходов, выходы последнего блока соединены со входом блока масс, отобранных из сети теплоносителя и индикатора.

Технический результат также достигается тем, что в способе определения расхода теплоносителя и тепловой энергии в открытых водяных системах теплоснабжения определяют объемный расход, тепловую энергию, плотность, температуру, энтальпию, массы теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, в нем в подающий и обратный трубопроводы стадии градуировки пары ОЭР теплосчетчика задают многочисленные значения разности объемных расходов теплоносителя q=0 q₁ q₂... q_n=const, при этих значениях g=const строят зависимость между собой выходных сигналов с выходов ОЭР подающего и обратного трубопроводов U(q ₂) от U(q₂), эти зависимости хранят в блоке определения объемных расходов теплоносителя, далее путем эквивалентных преобразований уравнений тепловой энергии Q и массы отобранного из сети теплоносителя M в явном виде выделяют разность объемных расходов, измеряемую без применения операции вычитания и разность плотностей и измеряют отдельно объемные расходы и плотность теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, разность массовых расходов получают как m= ₂· q_э+q₁ , где ₂ - плотность теплоносителя в обратном трубопроводе; q_э - действительное значение разности объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах, = ₁- ₂ - разность плотностей; массу отобранного из сети теплоносителя определяют как где m - разность массовых расходов за время от ₀ до ₁, причем значение тепловой энергии за время от ₀ до ₁ определяют как: m₂ - массовый расход в обратном трубопроводе; h₁, h₂ , h_хв - энтальпия теплоносителя в подающем, обратном трубопроводах и холодной воды соответственно, затем в процессе эксплуатации теплосчетчиков в сетях теплоснабжения с выхода ОЭР регистрируют сигналы U(q₂) _э от U(q₁)_э , подают в блоки определения объемных расходов теплоносителя в индикаторе и в результате деления выходных напряжений между собой U(q₁)_э/U(q ₂)_э и на выходе индикатора получают действительное отличие значение величины прямого измерения разности объемных расходов q теплоносителя.

На фиг.1 изображена блок-схема теплосчетчика с прямым измерением разности объемных расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах в открытых и условно открытых водяных системах теплоснабжения. На фиг.2 - фиг.5 изображены градуировочные характеристики канала прямого измерения разности расходов пары расходомеров предлагаемого устройства и оценка пределов погрешности канала прямого измерения разности расходов (зависимость выходного напряжения расходомера обратного трубопровода от выходного напряжения расходомера подающего трубопровода). На блок-схеме теплосчетчика изображены подающий 7, обратный 2 трубопроводы, которые условно показаны прямыми линиями. Теплосчетчик на подающем трубопроводе 1 содержит объемный электромагнитный расходомер q₁ 3 (ОЭР), преобразователь температуры t₁ (ПТ) 5 и давления P ₁ (ПД) 4, блоки вычисления плотности ₁ 6, энтальпии h₁ 7, обратный трубопровод содержит аналогичные блоки, т.е. ОЭР q₂ 8, ПТ t₂ 9, ПД P₂ 10, блоки вычисления плотности ₂ 11 и энтальпии h ₂ 12 теплоносителя. Подпиточный трубопровод 15 содержит блок ПТ измерений температуры холодной воды t _хв 13 и блок вычисления энтальпии холодной воды h _хв 14. Блоки разности плотностей 16, прямого измерения разности объемных расходов q 17 теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, блоки вычисления массового расхода в обратном трубопроводе m ₂ 19 (m₂=p₂ q₂), массы отобранного из сети теплоносителя М 20, блок вычисления разности массовых расходов m 18, блок вычисления измеряемой тепловой энергии Q (индикатор) 21.

Выходы блоков измерения температуры 5, 9 и давления ПД 4, 10 соответственно соединены с входами блоков вычисления энтальпии (h₁, h₂ ) 7, 12 и плотности ( ₁, ₂) 6, 11. Выходы блоков энтальпии 7, 12 соединены с входами индикатора 21, где происходит вычисление измеряемой тепловой энергии Q, в открытой системе водяного теплоснабжения. Выходы блоков вычисления плотности 6, 11 через блоки вычитания плотности ( ₁- ₂) 16 и разности массовых расходов m 18 присоединены к входу блока вычисления М 20 массы отобранного из сети теплоносителя, равной разности масс теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах. Выходы блоков ОЭР 3, 8 через блоки прямого измерения разности объемных расходов подающего и обратного трубопроводов q 17, массового расхода m₂ 19 присоединены к входу индикатора 21. Также выход ОЭР q₁ 3 через блок 18 соединен с индикатором 21. Выходы ОЭР q ₂ 8 и блока вычисления плотности ₂ 11 присоединены к входу блока вычисления массового расхода в обратном трубопроводе m₂ 19. Выходы блока 19 и блока вычисления энтальпии h ₂ 12 соединены с индикатором 21. Выход блока ПТ t _хв 13 подпиточного трубопровода 75 соединен с входом блока энтальпии холодной воды h_хв 14. Выходы блоков 14, 7, 3 и 8 присоединены к входам индикатора 21.

В подающем, обратном и подпиточном трубопроводах использованы известные ПТ по ГОСТ 6651 из платины и номинальным сопротивлением 100, 500 Ом. Критерием выбора ПТ является стабильность, точность, стоимость. Способ соединения ПТ 100 Ом с усилителем по четырехпроводной линии связи с двумя токовыми и двумя потенциальными проводами. Для ПТ 500 Ом применяется двухпроводная схема. При этом входные сопротивления усилителя должны быть сотни МОм. ПТ измеряют температуру в подающем, обратном и подпиточном трубопроводах. Погрешность измерения ПТ выбирается исходя из требуемых пределов допускаемой относительной погрешности комплекта ПТ (подобной пары) при измерении разности температур t, %, т.е. _t=±(0,5+ t_min/ t), где t - численное значение разности температур, t_min - нижний предел диапазона разности температур, выбирается из ряда 1, 2, 3°С в зависимости от класса применяемого комплекта ПТ.

Избыточное давление в подающем и обратном трубопроводах контролируется с помощью одного из известных типов ПД-ПД 4, 10 контролирует избыточное статическое давление. Их виды разнообразны. Наиболее распространенными считаются тензометрические, емкостные, индуктивные, магнитоупругие, пьезоэлектрические и т.д. На выходе ПД установлены усилители согласования и усиления, которые также входят в комплект теплосчетчика - стандартный. Точность измерения избыточного давления 0,1-0,5%.

Принцип преобразования давления в электрический сигнал в том, что при изменении давления на Р изменяется сопротивление ПД на R и емкостного ПД изменяется на ДС и соответственно изменяется приращение R/R и С/С. Выходное напряжение тензометрического ПД изменяется пропорционально R/R и емкостного ПД пропорционально С/С и напряжению поляризации.

В блоках вычисления плотности 6, 11, энтальпии 7, 12, 14 соответственно вычисляют зависимости _i= _i(Р_i, t _i); h_i=h_i(P _i, t_i), а в блоках вычисления m 18; массы m₂ 19 и массы отобранного из сети теплоносителя М 20 вычисления этих параметров осуществляют согласно требованию нормативных документов, например ГСССД 188-99 или МИ 2412-97. Все эти блоки и индикатор известны в электронной технике, они стандартные. В теплосчетчик дополнительно введены блоки прямого измерения разности объемных расходов q 17, разности плотности ( ₁- ₂) 16, разности массовых расходов m 18 и массы отобранного из сети теплоносителя M 20. В блоке 17 прямого измерения разности расходов в подающем и обратном трубопроводах при заданных дискретных значениях g: 0; 2%; 4%; ...10% (большие значения разностей расхода q на практике встречаются крайне редко, кроме того, погрешность измерений при возрастании q существенно уменьшается) строят зависимость выходного напряжения ОЭР U (q₂) 8, U (q ₁) 3, между собой фиг.2. Когда q=0, подразумевают, что между показаниями идентичных расходомеров в подающем и обратном трубопроводах нет асимметрии, т.е. при одинаковых значениях объемного расхода выходные напряжения обоих ОЭР равны (U₁=U₂), тогда q₁=0 и градуировочная характеристика (прямая) симметрична относительно оси координат (Фиг.2). На практике даже при q₁=0 градуировочная характеристика пары расходомеров будет несимметричной, что для одной точки показано на фиг.3. Асимметрия выходных напряжений между подающим и обратным трубопроводами возникает, когда q>0=const, зависимость U₂ от U ₁, между собой становится несимметричной и U(q ₁)>U(q₂) (фиг.4), причем для наглядности графической интерпретации взяты большие значения q, которые на практике встречаются крайне редко, обычно q<q₁. Эти зависимости определены на градуировочных стендах ОЭР и прошиты в блоке 17. Окончательно вычисление разности массовых расходов без применения операции вычитания осуществлено в блоке 18 и масса отобранного из сети теплоносителя М вычисляется в блоке 20. Затраченное значение тепловой энергии за время эксплуатации от ₀ до ₁ вычислено в индикаторе 21. Все математические выражения прошиты в соответствующих блоках.

В укрупненном виде данная операция показана на фиг.5. Видно, что q₁+L q₂-l, где L и l расстояния точки ( и ) до ближайших градуировочных характеристик. На фиг.5 дают также оценку пределов значений погрешности определения разности расходов. Данные пределы получают, складывая погрешности определения градуировочной характеристики (полоса ее изменения показана пунктирными линиями) и погрешностей расходомеров (полосы их изменения показаны штрихпунктирными линиями). На графике показывают, что наименьшие значения этой погрешности составляет а наибольшее Таким образом, например, при =1%, пределы погрешности измерений разности расходов составят ±2,8%.

В реальных системах теплоснабжения температура и давление в трубопроводах разные. В обратном трубопроводе плотность больше, поскольку здесь ниже температура, и отсюда вытекает, что в объемный расход в обратном трубопроводе, исходя из баланса масс, должен быть настолько же меньше, насколько здесь больше плотность воды по сравнению с подающим трубопроводом даже в закрытой системе теплоснабжения, т.е. при отсутствии отбора из системы теплоносителя.

Поскольку из экономических соображений в теплосчетчиках применяются только объемные расходомеры, то их градуировка обязательно должна проводиться при q>0.

ОЭР прямого измерения средней скорости потока с индукционной системой Теплоноситель протекает через трубопроводы 1, 2, расположенные в магнитном поле и электрически изолированы от металлической трубы, индукция которого равна В. Если жидкость протекает через трубопровод со средней скоростью V, то индуцируемые в ней электрически заряды образуют разность потенциалов e=VBd, где d - внутренний диаметр трубопровода. Это выражение можно представить как: где q - средний расход теплоносителя - жидкости, воды и т.д. в мл/с. Питание расходомера переменным или постоянным напряжением. Питание расходомера переменным напряжением устраняет электролитическую поляризацию ОЭР, если частота достаточно высокая, а также позволяет использовать усилители переменного тока для усиления и согласования выходного напряжения ОЭР. Выходное напряжение ОЭР не зависит от характера потока теплоносителя ламинарный или турбулентный и от профиля скоростей потока. Однако значимая осевая несимметрия потока может влиять на входной сигнал ОЭР. Используемые расходомеры стандартные, например КМ-5. Электронные блоки усилителя монтированы рядом с ОЭР и в одном корпусе и от окружающей среды изолированы герметично.

Принцип работы расходомера теплосчетчика основан на явлении электромагнитной индукции, при прохождении электропроводящей жидкости через подающий 1, обратный 2 трубопроводы и магнитное поле с индукцией В, ОЭР 3, 8 наводится ЭДС. Снимаемый сигнал с выходов ОЭР 3, 8 пропорционален индукции В магнитного поля, средней скорости V прохождения потока теплоносителя и напряжению поляризации ОЭР.

Способ определения тепловой энергии теплоносителя в открытых системах теплоснабжения осуществляют следующим образом.

1 этап. В стадии градуировки пары ОЭР в подающем и обратном трубопроводах задают разность объемных расходов теплоносителя q=0=const, для этого пропускают через ОЭР 3, 8 объемные расходы теплоносителя q₁=q ₂ - от 0 до номинального и строят зависимость U(q ₁) (с выхода ОЭР 3) от U(q₂) при заданных объемных расходах q₁. Эта зависимость проходит близко к прямой, проведенной через начало координат под углом 45°. Линейность градуировочной характеристики q7=0 вытекает из того, что амплитудные (градуировочные) характеристики ОЭР линейны (это выгодно отличает ОЭР от расходомеров других видов, например, вихревых, турбинных, ультразвуковых и т.д.). Близость прямой q=0 вытекает из того, что расходомеры берутся идентичные из одного производства, поэтому при одном и то же значении расхода жидкости выходные сигналы у них будут примерно одинаковы.

Затем задают новые многочисленные дискретные значения с шагом дискретности 1-2% от номинала q₁=... q_n=const и строят зависимость семейства кривых U(q₁) от U(q₁ ) фиг.4. Эти зависимости зашивают (хранят) в блоке определения разности объемных расходов q 17. По команде индикатора в заданных режимах в соответствующих блоках вычисляют плотность, энтальпию теплоносителя и в виде электрического сигнала подают на соответствующие блоки. Давление и температура, преобразованные в электрический сигнал под командой индикатора, тоже поступают на необходимые блоки.

Следует иметь в виду, что при определении разность массовых расходов m масса отобранного из сети M и действительное значение разности объемных расходов q в подающем и обратном трубопроводах не являются результатами вычитания соответствующих значений, т.е. m m₁m₂, M M₁-M₂ и q q₁-q₂. Величины m, M и q задают или вычисляют, определяют в стадии градуировки пары ОЭР и в соответствующих блоков.

2 этап. В условиях эксплуатации теплосчетчика в системах теплоснабжения на выходе ОЭР регистрируют и подают на входы индикатора 21 выходные напряжения U(q₁)_э, U(q ₂)_э и объемные расходы q _1э, q_2э и в индикаторе делят между собой выходные сигналы, полученные с выходов ОЭР обоих трубопроводов в стадии градуировки и эксплуатации, т.е. имеют зависимости U(q ₁)_э/U(q₂); U(q₁)_э/U(q ₂) и определяют действительное значение объемного расхода теплоносителя q_э прямым измерением. Аналогично определяют массовой расход в обратном трубопроводе m ₂, разность массовых расходов m, массу отобранного из сети теплоносителя M и тепловой энергии Q за время от _э до ₁.

3 этап. Уравнения тепловой энергии Q и массы отобранного из сети теплоносителя M путем эквивалентных преобразований приводят к виду, где из разности массовых расходов в явном виде выделяют величины разности объемных расходов, а также разности плотностей теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе. Необходимость такой замены обусловлена тем, что в водяных системах теплоснабжения из экономических соображений применяют не массовые, а объемные расходомеры, из которых наиболее целесообразно применять ОЭР, имеющие из всех видов расходомеров градуировочную характеристику, наиболее близкую к линейной.

Поэтому в предлагаемом изобретении предлагают отдельно измерять разности объемных расходов и плотностей теплоносителя, в подающем и обратном трубопроводах. Причем при определении разности плотностей теплоносителя допускается применять операцию вычитания значений плотностей в подающем и обратном трубопроводе, т.к. плотности определяются по значениям температур, измеренных с помощью согласованной пары (комплекта) термопреобразователей и минимизация погрешности здесь производится на этапе подбора термопреобразователей в комплект.

Информация об объемных расходах q₁, q₂ и измеренном значении разности объемных расходов q в виде электрического сигнала поступает с выходов ОЭР 3, 8. Информация о плотности ₁, ₂, теплоносителя поступает с выходов блоков 6, 11, 16, информацию о разности массовых расходов получают из блока 18 как: m= ₂ q+q₁ (=m₁-m₂), где ₂ - плотность теплоносителя обратного трубопровода, поступает с выхода блока; q - измеренное значение разности объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах, m₁ - массовый расход в подающем трубопроводе. Значение q получают по значениям U₁, U ₂ - выходных сигналов расходомеров на подающем и обратном трубопроводах, и градуировочной характеристике (фиг.4) пары расходомеров непосредственно по q, (полученной на специальной установке, патентуемой одновременно с настоящим теплосчетчиком). По величинам сигналов U ₁, U₂ определяют также значения объемных расходов в подающем q₁, и обратном q ₂ трубопроводах.

Значение получают с выхода блока вычитания ( ₁- ₂) 16. Определяют массовый расход в обратном трубопроводе 2 как: m₂= ₂·q₂, где ₂, ·q₂ - соответственно плотность и объемный расход теплоносителя обратного трубопровода, который поступает в блок m₂ 19 с выходов блоков q₂, ₂ 8, 11.

4 этап. Массу отобранного из сети теплоносителя определяют в блоке M 20 как: где m - разность массовых расходов, поступает с выхода блока 18 за время от ₀ до ₁. Затем значение тепловой энергии за время от ₀ до ₁ вычисляют в индикаторе 21 как:

где значения m₂, h ₁, h₂, h_хв, m в блок 21 поступают с соответствующих выходов блоков 19, 7, 12, 14, 18. После вычисления параметров составляют паспорт для каждого теплосчетчика.

Удобство применения новых уравнений измерения Q и M обосновывают тем, что в них входит в явном виде величина разности объемных расходов. Прямое измерение разности объемных расходов q приводит к повышению точности измерения тепловой энергии и массы отобранного из сети теплоносителя. Также оценивают величину погрешности разности плотностей (p₁-p₂) через погрешность разности температур воды в подающем и обратном трубопроводах (t₁-t₂), где t₁ - температура теплоносителя в подающем, a t₂ в обратном трубопроводе.

Технико-экономический эффект в предлагаемом изобретении достигается за счет введения в теплосчетчике прямого измерения разности объемных расходов, позволяющего повысить точность измерений тепловой энергии и массы отобранного из сети теплоносителя. При этом уравнения измерений тепловой энергии и массы отобранного из сети теплоносителя для открытых и условно открытых водяных систем теплоснабжения путем эквивалентных преобразований приведены к виду, содержащему в явном виде разность объемных расходов. Такое решение позволяет также точнее определить количество отобранного из тепловой сети незаконным (несанкционированным) путем теплоносителя, что выгодно отличает предлагаемое изобретение от выбранного аналога и прототипа.

Повышение точности измерений массы отобранного из сети теплоносителя и, следовательно, тепловой энергии получаемое в результате отказа от применения операции вычитания значений масс теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах наиболее наглядно показывают при оценке предельных значений погрешностей результатов измерений.

В OOO «ТБН энергосервис» проведен анализ пределов допускаемых погрешностей градуировки предлагаемого устройства.

Пусть показания расходомеров будут M₁ и М ₂, а значения их относительных погрешностей при выполнении измерений будут ₁ и ₂. Требуется найти погрешность измерений разности M=M₁-M₂.

Абсолютные погрешности измеряемых величин определяют как

₁=M_{1 1} и ₂=М_{2 2}.

Измеренные значения массы теплоносителя с учетом погрешности пары расходомеров определяют как

M₁+ ₁=M₁+ ₁M₁ и М ₂+ ₂=М₂+ ₂М₂.

Абсолютная погрешность измерений разности ДМ по определению равна

_M=(M₁+ ₁M₁-M ₂- ₂M₂)-(M ₁-M₂).

Тогда относительная погрешность измерений разности M запишется как

после приведения подобных членов получают окончательно

Следует отметить, что формула (8) справедлива для разности значений любых физических величин (температур, давлений, расходов и т.д.). Применительно к измерению разности масс теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах эта формула приводится в нормативном документе МИ 2553-99. ГСОЕИ. «Энергия тепловая и теплоноситель в системах теплоснабжения. Методика оценивания погрешности измерений. Основные положения».

Для наглядности применения формулы для определения погрешности рассматривают практические примеры, в которых определяют относительную погрешность измерений массы условно отобранного из сети теплоносителя по разности значений масс теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, измеренных с помощью расходомеров теплосчетчика.

Для простоты в приведенных ниже примерах учитывают только погрешности расходомеров. Пределы допускаемой относительной погрешности обоих расходомеров в составе теплосчетчика обычно составляют ±1%. (Следовательно, такими же по условию будут пределы погрешности измерений массы по каждому трубопроводу).

Измеренные значения массы теплоносителя составляют: на подающем трубопроводе M₁=100 т, на обратном М ₂=90 т.

а. Пара расходомеров несогласованная. Пусть действительные значения погрешностей расходомеров, полученные на устройстве градуировки, составляют ₁=-0,6% и ₂=+0,3%, подставляя их (3) получают

б. Пара расходомеров согласованная. Пусть действительные значения погрешностей расходомеров на устройстве градуировки, по абсолютной величине будут такими же, как и в примере а, но знаки у них будут одинаковыми, отрицательными, т.е. ₁=-0,6% и ₂=-0,3%. Тогда получают

Видно, что согласование расходомеров по метрологическим характеристикам дает ощутимое повышение точности измерений.

в. Пусть выбирают пару согласованных расходомеров, а значения их погрешностей, как и в примере , будут ₁=-0.6% и ₂=-0.3%, но измеренные значения массы составят M₁=100 т и М₂ =99 т, тогда

Следовательно, для случая, рассмотренного в последнем примере, согласование расходомеров по метрологическим характеристикам не дает никакого эффекта.

Таким образом, из приведенных выше примеров видно, что основным источником погрешности измерений разности масс является применение метода измерений разности масс по разности показаний расходомеров. Погрешность измерений разности масс при вычитании показаний расходомеров неприемлемо высока, даже если погрешности обоих расходомеров находятся в допускаемых пределах и согласованы по знаку.

Анализ формулы погрешности определения массы отобранного из сети теплоносителя по разности показаний расходомеров позволяет сделать следующие выводы:

если знаки погрешностей обоих расходомеров совпадают, то погрешность измерений разности масс уменьшается, однако подбирать расходомеры в согласованную пару на расходомерной установке нецелесообразно т.к. погрешности обоих расходомеров на реальных объектах носят случайный характер и не сохраняют стабильность во времени, даже оставаясь при этом в допускаемых пределах.

Уменьшение значения измеряемой величины M₁-M ₂ приводит к возрастанию погрешности ее измерений независимо от величин и знаков погрешностей обоих средств измерений.

Таким образом, повышать точность измерений разности масс можно только отказавшись от применения косвенного метода измерений и перейти, как предлагается в предлагаемом изобретении, к способу прямого измерения искомой разности объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах.