Моделирование интеллектуальных сенсорных систем измерения расхода горячей воды для определения, распределения теплоэнергии между потре

  2.1.4. Типы монтажных схем приборов учета тепла на примере теплосчетчика ТЭМ-104

  Монтажные схемы теплосчетчика зависят от конфигурации прибора. Примеры таких конфигураций были приведены выше.

  После выбора конфигурации выбирается схема  монтажа в зависимости от того, в какой точке системы теплосети  или системы горячего водоснабжения, подключается прибор. Таких монтажных  схем есть 11 видов:

1. Схема «Подача». Закрытая система теплопотребления с преобразователем расхода на подающем трубопроводе. В данном случае, давление не измеряется, а устанавливается программно.[3]         Рисунок 2.1.4.1. Монтажная схема «Подача». [3]
2. Схема «Обратка».  Закрытая система теплопотребления с преобразователем расхода на обратном трубопроводе. Давление не измеряется, а устанавливается программно. Данная схема имеет одинаковое электрическое исполнение со схемой «Подача». [3] Рисунок 2.1.4.2. Монтажная схема «Обратка». [3]
3. Схема «Открытая». Циркуляционная система горячего водоснабжения или система отопления, в которой по нормативным требованиям должны быть установлены датчики расхода на подающем и обратном трубопроводах. Давление не измеряется, а устанавливается программно. В обратном трубопроводе допускается изменение направления потока – реверс. [3]                                      Рисунок 2.1.4.3. Монтажная схема «Открытая». [3]
4. Схема «Тупиковая система горячего водоснабжения». Закрытая система горячего водоснабжения и система отопления с преобразователем расхода на подающем трубопроводе. Давление и температура холодной воды не измеряются, а устанавливаются программно.[3]

  Рисунок 2.1.4.4. Монтажная схема «Тупиковая система горячего водоснабжения».[3]

5. Схема «Подача. Пофасадное отопление». Две закрытые системы отопления с преобразователями расхода на подающих трубопроводах. Давление устанавливается программно.[3]

  Рисунок 2.1.4.5. Монтажная схема «Подача. Пофасадное отопление».[3]

6. Схема «Циркуляционная ГВС. Система отопления». Схема, в которой по нормативным требованиям должны быть установлены датчики расхода на подающем и обратном трубопроводах и закрытая система отопления с преобразователем расхода на подающем трубопроводе. Давление и температура холодной воды не измеряются, а устанавливаются программно. [3]                Рисунок 2.1.4.6. Монтажная схема «Циркуляционная ГВС. Система отопления». [3]
7. Схема «Закрытая система отопления». Закрытая система отопления с преобразователем расхода на подающем трубопроводе и циркуляционная система ГВС. Давление и температура холодной воды не измеряются, а устанавливаются программно.[3]         Рисунок 2.1.4.7. Монтажная схема «Закрытая система отопления».[3]
8. Схема «Открытая. ГВС циркуляция». Циркуляционная система ГВС или система отопления, в которой по нормативным требованиям должны быть установлены датчики расхода на подающем и обратном трубопроводах и циркуляционная система ГВС. Давление и температура холодной воды не измеряются, а устанавливаются программно.[3]     Рисунок 2.1.4.8. Монтажная схема «Открытая. ГВС циркуляция».[3]
9. Схема «Открытая. Расходомер V». Циркуляционная система ГВС или система отопления, в которой по нормативным требованиям должны быть установлены датчики расхода на подающем и обратном трубопроводах и расходомер. Давление не измеряется, а устанавливается программно.[3]                                  Рисунок 2.1.4.9. Монтажная схема «Открытая. Расходомер V».[3]
10. Схема «Две закрытые системы отопления». Две закрытые системы отопления с преобразователями расхода на подающих трубопроводах и две тупиковые системы горячего водоснабжения. Давление и температура холодной воды не измеряются. [3]            Рисунок 2.1.4.10. Монтажная схема «Две закрытые системы отопления».[3]
11. Схема «Закрытая система отопления с преобразователями расхода». Закрытая система отопления с преобразователями расхода на подающем трубопроводе, циркуляционная система горячего водоснабжения и расходомер. Давление и температура холодной воды не измеряются, а устанавливаются программно. [3]     Рисунок 2.1.4.11. Монтажная схема «Закрытая система отопления с преобразователями расхода».[3]

  2.1.5. Алгоритмы вычислений теплосчетчиков

  Теплосчетчик – это средство измерений, состоящее, как правило, из преобразователей расхода, температуры, давления, а также тепловычислителя. Преобразователи монтируются на трубопроводах и поставляют информацию, соответственно, о расходе, температуре и давлении теплоносителя в данных трубопроводах, а вычислитель по определенным алгоритмам рассчитывает на основе этих данных величину потребленной тепловой энергии. Также вычислитель архивирует результаты измерений (показания преобразователей), чтобы в дальнейшем можно было анализировать режимы работы системы теплоснабжения, фиксировать внештатные и аварийные ситуации и т. п. То есть, теплосчетчик выполняет сразу две задачи: обеспечивает коммерческий учет, результаты которого используются при расчетах между поставщиком и потребителем тепла, и является средством технологического контроля в системах теплоснабжения.

  Алгоритм  работы счетчика не сложный. Необходимо измерить расход теплоносителя на входе, то есть 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 вычисляется величина потребленной тепловой энергии:

  Q = G1 (h1 - h2)       - формула (2.1.5.1),

  где G1 – масса теплоносителя, поступившего потребителю по подающему трубопроводу;

   h1 и h2 – энтальпии теплоносителя,  соответственно, в подающем и  обратном трубопроводах. Но формула (2.1.5.1) справедлива лишь для так называемых закрытых систем теплоснабжения.

  Закрытые  системы получили широкое распространение  в странах Европы. В такой системе  теплоноситель (горячая вода) проходит через теплообменный аппарат  потребителя и возвращается на источник тепла (котельная, ТЭЦ) в том же количестве, но с уже меньшей температурой.

  Но  есть один специфичный для Беларуси фактор: даже в системах, спроектированных как закрытые, теплоноситель порой несанкционированно разбирают на хозяйственные нужды. Самый часто встречающийся пример – врезанные в радиаторы отопления краны, через которые технический персонал получает горячую воду для мытья полов. Также нередки случаи, когда в сложной системе теплоснабжения здания обнаруживается незадокументированный отвод, байпас и т. п., который пускает значительную долю тепла «мимо счетчика». Стоит отметить и физическое состоянии труб, которое не самое хорошее, хотя сейчас и идет постепенная замен труб. Следовательно, становится понятным возникающее у поставщика тепла желание даже в закрытой системе организовать учет как в условно открытой. То есть не приравнивать априори расход теплоносителя в подающем трубопроводе к расходу в обратном, как это предполагает формула (2.1.5.1), а измерять его и там, и там. При этом учитывать еще и разбор теплоносителя на нужды горячего водоснабжения (ГВС) и, возможно, фиксировать температуру воды в трубопроводе горячего водоснабжения. И вот мы получаем типичный прибор: обязательно (точнее, как минимум) два расходомера, водосчетчик(и) ГВС, термопреобразователи и вычислитель, реализующий с десяток алгоритмов учета. С десяток – это потому, что с алгоритмами существует некоторая неопределенность. Так, в действующих с 1995 года «Правилах учета тепловой энергии и теплоносителя» приводится, по сути, всего одна формула:

  Q = Qи + Qп + (Gи + Gгв + Gу) (h2 - hхв), - формула (2.1.5.2)

  где Qи – Q по формуле (2.1.5.1);

    Qп – тепловые потери на участке от границы балансовой принадлежности системы теплоснабжения потребителя до его узла учета;

    Gи – масса сетевой воды, израсходованной потребителем на подпитку систем отопления;

    Gгв – масса сетевой воды, израсходованной потребителем на водоразбор;

  Gу – масса утечек сетевой воды;

  hхв – энтальпия холодной воды, израсходованной на источнике теплоты на подпитку систем теплоснабжения.

  Но  в правилах не конкретизируется, каким образом должны быть измерены (определены, оценены) и введены в теплосчетчик значения Qп, Gи, Gу, Gгв и hхв, и должны ли они вообще быть в него введены. Так как в принципе, счетчик может лишь измерить Qи (по формуле (1)), а расчет Q по формуле (2.1.5.2) производить «внешними средствами», например, на компьютере предприятия теплосети.

  Однако  естественное желание снизить себестоимость и минимальными средствами максимально автоматизировать подготовку отчетности по энергопотреблению, подкрепленное вычислительными возможностями современных теплосчетчиков, ведет к тому, что алгоритм расчета по формуле (2.1.5.2) закладывается непосредственно в прибор. При этом параметры, которые невозможно измерить при помощи самого теплосчетчика, вводятся в него как согласованные между потребителем и поставщиком тепла константы.

  Математически преобразуя формулу (2.1.5.2), можно получить достаточно много форм ее, наиболее привычной из которых является следующая:

  Q = G1 (h1 - hхв) - G2 (h2 - hхв), - формула (2.1.5.3)

  Все эти формы записи как раз и  обусловливают тот самый «десяток алгоритмов», из которых лишь один –  тот, что основан на формуле (2.1.5.1) – является «законным», а остальные существуют «факультативно», по усмотрению сторон. Выбор того или иного алгоритма осуществляется при конфигурировании вычислителя теплосчетчика, что может производиться либо при помощи его собственной клавиатуры, либо при подключении его к компьютеру. Обычно алгоритм согласовывается потребителем и поставщиком тепла при разработке проекта и не может быть изменен после ввода теплосчетчика в эксплуатацию. Но существуют и счетчики, алгоритм работы которых определен производителем и не может быть изменен без вмешательства в рабочую программу прибора. [4]

  2.1.6. Классификация теплосчетчиков.

  Рассмотрим классификацию теплосчетчиков. Как уже говорилось выше, аппаратно счетчик представляет собой комплект средств измерений: вычислителя и преобразователей расхода, температуры и давления ( последние используются лишь на объектах с тепловой нагрузкой свыше 0,5 Гкал/ч). И если преобразователи температуры и давления для теплосчетчиков в общем  сходны по конструкции и принципу действия, то типов преобразователей расхода существует достаточно много. Кроме того, преобразователь расхода в большой степени определяет метрологические и эксплуатационные характеристики теплосчетчика. Именно поэтому основным критерием классификации счетчиков является тип входящих в их состав расходомеров. В зависимости от него различают тахометрические, вихревые, ультразвуковые, электромагнитные (индукционные) и другие теплосчетчики.

  В целом, сложилась устойчивая практика применения приборов того или иного  типа в конкретных условиях эксплуатации. Например, на малых объектах (диаметр  труб 15–20 мм) чаще всего используются тахометрические теплосчетчики. Когда диаметр труб средний, но бюджет ограничен, и/или нет возможности подвести сетевое электропитание, монтируют вихревые приборы. Если проблем с электропитанием нет, и важно не повышать гидравлическое сопротивление в точках измерений – используются электромагнитные счетчики. Трубопроводы больших диаметров (крупные потребители, магистрали) – это сфера применения ультразвуковых счетчиков.

  Данное распределение не абсолютно: есть и тахометрические счетчики для магистралей, и ультразвуковые – для квартир. Важную роль при выборе приборов того или иного типа играет и качество теплоносителя, и диапазон расходов, которые необходимо измерять, и т. п.

  Следующий критерий классификации – это  конструктивное исполнение теплосчетчика. Здесь можно выделить компактные счетчики, «единые» и составные (комбинированные).

  Компакты  предназначены в основном для  квартирного учета или для  учета в закрытой системе с  малой тепловой нагрузкой. У них  вычислитель конструктивно совмещен с корпусом единственного преобразователя  расхода; в некоторых моделях  может использоваться и второй преобразователь, подключаемый кабелем.

  Единый  теплосчетчик – это прибор, у которого электронные блоки расходомеров находятся в корпусе вычислителя, а выходной сигнал преобразователей расхода не нормирован. Таким образом, вычислитель данного счетчика может работать только с данными конкретными преобразователями.

  Но  наибольшую популярность приобрели комбинированные теплосчетчики: их основой является универсальный вычислитель, способный работать с любым датчиком, имеющим стандартный выходной сигнал. Таким образом, комбинированный счетчик на базе одного и того же вычислителя может быть и тахометрическим, и ультразвуковым, и вихревым – другими словами, комбинированный счетчик существует во множестве модификаций различных типов.

  Главное достоинство комбинированных приборов состоит в том, что, адаптируя  их к различным условиям измерений  путем выбора тех или иных преобразователей, мы сохраняем единый пользовательский интерфейс, обеспечиваемый вычислителем, а также заранее знаем метрологические  характеристики той или иной модификации, приведенные в описании теплосчетчика и заверенные при его сертификации. Таким образом, можно оснастить приборами целый город, применяя на одних объектах, скажем, недорогие тахометрические расходомеры, а на других – высокоточные электромагнитные преобразователи, но т. к. все вычислители будут одинаковыми, то у сервисного персонала не возникнет проблем с техническим обслуживанием и со сбором и обработкой данных. Кроме того, значительно упростится процесс интеграции отдельных теплосчетчиков в единую систему учета. [4]

  2.1.7. Комплектация приборов учета  тепла

  Основными в комплектации прибора учета  тепла являются расходомеры, температурные  преобразователи и преобразователи  давления. От типа расходомера зависит  и тип прибора учета тепла. Так они бывают: ультразвуковыми, тахометрическими, электромагнитными, вихревыми.  Расходомеры и их количество в системе выбирается в зависимости от диаметра трубы и системы (система горячего водоснабжения, закрытая либо открытая система отопления и др.).

  В зависимости от выбранной монтажной  схемы выбираются преобразователи  температуры и давления.

  Неизменным  в приборе соответствующей модели и фирмы изготовителя остается вычислитель. Его настройки можно изменять в соответствии с конфигурацией  и монтажной схемой.

  Теплосчетчики выпускаются в четырех типовых исполнениях:

1. ТЭМ-104 (1) - соответствует ТЭМ-104/1. [5]Данная модификация прибора позволяет использовать его для учета тепловой энергии в тупиковой системе горячего водоснабжения, в системе отопления без контроля утечек, а также в других системах теплоснабжения, где возможно использование только одного расходомера.[6] Максимальная комплектность теплосчетчика ТЭМ-104/1: