CC BY
40
УДК 681.121.8
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ РАСХОДОМЕРОВ НА ТЕПЛОФИКАЦИОННОЙ ВОДЕ
С.А.Мельник1, С.И.Половнева2, Е.А.Борисова3
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматриваются динамические и метрологические характеристики вихреакустического расходомера, классификация, краткая характеристика и принцип действия широко используемых расходомеров. Приводятся результаты исследований и эксплуатации вихреакустических и электромагнитных расходомеров в пределах межповерочного интервала (МПИ), полученные на автоматизированном лабораторно-исследовательском стенде. Даются практические рекомендации при выборе средств измерений расхода жидкостей на основе методики метрологической надежности. Ил. 8.Табл. 2.
Ключевые слова: энергосбережение; расходомеры; теплосчетчики; учет энергоносителей.
SOME OPERATION FEATURES OF FLOWMETERS ON THERMALCLAMPING WATER S.A. Melnik, S.I. Polovneva, E.A. Borisova
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors examine dynamic and metrological characteristics of a vortex-acoustical flowmeter, a classification, a brief description, and the operation principle of widely used flowmeters. They present the results of research and exploitation of vortex-acoustical and electromagnetic flowmeters within the calibration interval (CI), obtained on an automated laboratory research test bench. The authors give some practical advice on choice of devices for flow metering based on the procedure of metrological reliability. 8 figures. 2 tables.
Key words: energy-saving; flowmeters; heat-meters; account of energy-carriers.
В соответствии с Федеральным законом № 261 [1] все государственные учреждения должны иметь приборы учёта энергоресурсов, т.е. теплосчетчики и расходомеры горячего и холодного водоснабжения. В настоящее время известно большое число расходомеров различного принципа действия (рис. 1).
Каждый тип расходомеров имеет как достоинства, так и недостатки. При выборе расходомеров и проектировщикам, и покупателям средств измерений следует учитывать многие факторы, чтобы избежать появления нарастающей дополнительной погрешности и выполнять измерения в соответствии с требованиями ФЗ №102 [2]. Поэтому вопросы исследования различных типов расходомеров, разработки методики выбора и оценки их метрологической надёжности на основе динамических и метрологических характеристик являются актуальными. Эксплуатирующими организациями неоднократно ставился вопрос о научно обоснованных рекомендациях по выбору расходомеров и теплосчетчиков (ЗАО ИРМЕТ, БОСМ ОАО «Иркутскэнерго» и др.).
При учете теплоэнергоресурсов большое распро-
странение получили электромагнитные расходомеры, которые поступили в эксплуатацию более 40 лет назад и были в те годы практически единственными компактными расходомерами. Отсутствие гидродинамического сопротивления, подвижных механических элементов, а также линейная номинальная статическая характеристика, небольшие размеры и отсутствие других типов расходомеров - всё это способствовало распространению данного типа расходомеров на российском рынке. Так, в ЖКХ г. Братска это основной тип расходомеров, в г. Иркутске 80% установленных расходомеров являются электромагнитными. Но, как следует из принципа действия, работают эти расходомеры только при наличии магнитного поля, что является ловушкой для соединений железа, содержащихся в теплофикационной воде (ржавчина металлических труб). Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на зависимости ЭДС электромагнитной индукции, возникающей в потоке электропроводной жидкости, проходящей сквозь магнитное поле, от скорости течения среды, а значит и от объемного расхода:
1Мельник Сергей Александрович, аспирант, e-mail: MelnikSergey@istu.edu Melnik Sergey Alexandrovich, postgraduate student, e-mail: MelnikSergey@istu.edu
2Половнева Светлана Ивановна; кандидат технических наук, доцент, зам. директора НОЦ «Автоматика», тел.: 89041114727, e-mail: polovneva_si@mail.ru
Polovneva Svetlana Ivanovna, Candidate of technical sciences, associate professor, Deputy Director of SEC "Automatics", tel.: 89041114727, e-mail: polovneva_si@mail.ru
3Борисова Евгения Анатольевна, студент, тел.: 89500703874, e-mail: borisovaevgenya@gmail.com Borisova Evgenia Anatolievna, student, tel.: 89500703874, e-mail: borisovaevgenya@gmail.com
Рис. 1. Классификация расходомеров по принципу действия
E =
4 • Bmax • • Q
п-D
, (1)
где Втах - магнитная индукция в зазоре между полюсами электромагнита; О - внутренний диаметр проточной части расходомера; 0 - объемный расход жидкости; Е - ЭДС электромагнитной индукции; ш - круговая частота тока; I - время (рис.2).
Индикатор
I Ьш. еыхоп То МП ын хыход
RS232
ЭДС
электроэхаттггнон I мндгмшм г
Схема улраЕленю Пнгалне обноток н 1фепй|>;1Н1 ыння электромагнита
Рис. 2. Принципиальная схема электромагнитного расходомера
Как видно из уравнения (1) номинальной статической характеристики расходомера параметры О и Втах
входят в явном виде в уравнение и должны быть постоянными величинами для сохранения линейной зависимости Е=1:(0). Как известно, зависимость между входными и выходными параметрами будет линейной и однозначной только при постоянстве остальных членов уравнения, т.е. при D = const и Bmax=const. В реальных условиях эксплуатации эти условия не выполняются.
Если деформация, искажения магнитного поля происходят достаточно редко, эпизодически (работа сварочного аппарата, сетевые искажения), то изменение (уменьшение) параметра D идет по нарастающей, что ведет к возникновению дополнительной мультипликативной погрешности. Изменение параметра D может происходить по следующим причинам:
- осаждение оксидов железа, содержащихся в потоке теплофикационной воды, прошедшей по корродирующим стальным трубопроводам под действием магнитного поля (рис. 3);
- заиливание внутренней поверхности пластиковой вставки (фторопласт) проточной части расходомера вследствие её нарастающей шероховатости.
Избавиться от этих недостатков электромагнитных расходомеров практически невозможно, т.к. они обусловлены принципом действия и конструкцией расходомера. Все это ведет к увеличению погрешности измерений и превышению допускаемых значений в пределах межповерочного интервала.
Эти теоретические аспекты и практические наблюдения малоизучены и недоступны эксплуатирую-
Рис. 3. Фотографии проточной части электромагнитного расходомера с фторопластовой вставкой,
демонтированного для проведения поверки
4 е-
А- А
ПИ
пп
ОднОлучевОЙ преобразователь Ду 25-200 мм
А - А
ПП2
ПИ2
ПП 1
Двухлучевой преобрвэо ватель Ду 250; 300 мм
Рис. 4. Устройство вихреакустического преобразователя расхода
щему персоналу и покупателям измерительной техники, но они актуальны в современных условиях - при росте тарифов и курсе на энергоэффективность экономики. Выход есть - и он прост:
сократить межповерочный интервал (МПИ) до 2-х лет и подвергать чистке проточную часть в период поверки;
или использовать расходомеры других принципов действия - как отдельностоящие, так и в комплекте теплосчетчиков.
От указанных недостатков свободен другой тип расходомеров - вихреакустический, или вихревой, появившийся на рынке средств измерения России лет на 20 позже. Принцип действия вихреакустического расходомера основан на зависимости частоты образования вихрей за телом обтекания, установленным в проточной части преобразователя расхода, от объемного расхода потока. Частота вихреобразования («дорожки Кармана») определяется при помощи ультразвука, имеющего частоту 1МГц (ультразвуковое детектирование вихрей). Карман смог математически описать перемежающийся двойной ряд вихрей, образующийся за телом обтекания в турбулентном режиме течения жидкости. Важными чертами этого явления можно считать стабильность и высокую периодичность вихрей. Эта структура и именуется дорожкой Кармана.
Суть эффекта заключается в том, что образование вихрей происходит поочередно на противоположных ребрах тела обтекания. При этом частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости потока:
f = St
(3)
где f - частота образования вихрей Кармана; Б? - число Струхаля - эмпирическая величина, определенная геометрией расходомера и свойствами среды; и -скорость потока среды; б - ширина тела обтекания.
Вихреакустический преобразователь состоит из проточной части и электронного блока (рис. 4). В корпусе проточной части расположены тело обтекания -призма трапецеидальной формы 1, пьезоизлучатели ПИ 2, пьезоприемники ПП 3 и термодатчик 7. Электронный блок включает в себя генератор 4, фазовый детектор 5, микропроцессорный адаптивный фильтр с
блоком формирования выходных сигналов 6, собранные на двух печатных платах: приемника и цифровой обработки.
Для изучения метрологических характеристик расходомеров и получения объективных сравнительных данных на кафедре автоматизации производственных процессов ИрГТУ был модернизирован лабораторно-исследовательский стенд и создана автоматизированная система сбора, управления и визуализации данных на базе пакета WinCC и микроконтроллера S7-300 Siemens (рис. 5). Основными возможностями WinCC - программного обеспечения для создания человеко-машинного интерфейса являются:
• визуализация процесса измерения;
• конфигурирование и настройка связи с контроллером;
• отображение, обработка данных, архивирование и протоколирование сообщений Отображение, архивирование и протоколирование переменных;
• проектирование системы отчетности;
• простое построение систем клиент-сервер.
Исследуемый расходомер (поз. 1-1) монтируется
на трубопроводе после бака постоянного уровня Е3 и шарового регулирующего клапана (поз. 6-4). Вода из бака-сборника Е1 подается в напорную емкость E3 при помощи насоса (поз. 5-2) и далее из напорной емкости через шаровой регулирующий клапан и преобразователь расхода самотеком поступает в мерную емкость Е2. Регулирующий клапан (поз.6-4) служит для изменения расхода. Процент открытия регулирующего клапана можно задать при помощи кнопок "больше", "меньше" пульта управления стендом. При нажатии кнопки "пуск" клапан закрывается и измерительная емкость заполняется водой. По мере заполнения емкости срабатывают датчики уровня и реализуется следующий алгоритм:
• при нижнем уровне (НУ) - включается секундомер;
• при вехнем уровне (ВУ) - останавливается секундомер, автоматически открывается клапан для сброса воды.
Проведены испытания лабораторно-исследовательского стенда, подтверждающие его работоспособность, и получены результаты испытаний электромагнитного и вихреакустического расходомеров (табл. 1,2).
Таблица 1
Результаты измерений__
№ Время, с Расход средний, Показания расходомера, Относительная погреш-
п/п м3/ч м3/ч ность, %
1 22 1,47 1,464 0,421
2 То же 1,472 1,459 0,888
3 к 1,505 1,454 3,512
4 и 1,473 1,442 2,178
5 м 1,514 1,447 4,641
Таблица 2
Результаты эксперимента_
№ п/п ВЗЛЕТ-ЭР, МЕТРАН-300 Время заполнения Положение клапана Погрешность измерения
м3/ч ПР, мз/ч мерника, с на подаче воды, % МЕТРАН-300 ПР, %
1 2,615 1,64 23,2 50 1,639
2 2,615 1,826 18,8 60 1,825
3 2,615 2,116 14,7 70 2,115
4 2,615 1,54 26,3 45 1,539
5 2,605 1,842 17,6 60 1,841
6 2,574 2,19 14,5 70 2,189
7 2,609 2,25 12,9 80 2,249
8 2,6 1,91 16,3 60 1,909
9 2,554 1,55 29,9 40 1,549
10 2,573 1,62 24,6 50 1,619
11 2,546 1,9 17,3 60 1,899
12 2,548 2,13 14,3 70 2,129
13 2,517 2,31 14 80 2,309
14 2,542 2,2 14,1 80 2,219
15 2,566 1,95 16,2 60 1,949
16 2,552 1,945 16,3 60 1,944
17 2,549 1,275 31,3 40 1,274
18 2,53 1,315 31,5 40 1,314
♦ ti igíh
13áft«F*í 1251:00 РМ 1251Í5PM 1251 30 Р Ready "¡p l í£135 РМ
Операции поверяй
№ опыта Вреия сек. Расход мЗАгас
1 21.741 1,452
2 22,100 1,470
3 22,200 1,479
4 22,060 1,478
Текущее значения
Тайиер сек. 0
Расход иЗ.'час 1,507
Ноиер опыта 0
Результаты позер«
Вреия ср. сек. 22
Расход ср. и№ас 1,470
Расход рас. иЗ/час 1,463700
Относительная погрешность % 0,421
Метрам ЗООПР]
II:
НШ
|Расчет | Старт
Г1"1! \
Э Д
Рис. 5. Видеограф лабораторно-исследовательского стенда
В ходе исследований определены динамические характеристики вихреакустического расходомера (рис. 6), постоянная времени Т=10 с, коэффициент передачи К=0.1 м3/ч/%, время разгона т=35с. В процессе измерений была выявлена зависимость изменения по-
m
«
грешности измерения расходомера Метран-300 ПР от расхода (рис.7).
Среднеквадратическое отклонение по измеренному расходу расходомером Взлет ЭР (рис. 8) составило а = 0,034 м3/ч.
J ■ Q, i мЗ/ч
2 -
—
1 -
I \
I Vi
fl I I | I\ 1 1
, , 1 ; 1 1 ^ 15 30 Врегая, сек. 45
[мр 2:32:DB РМ
Рис. 6. Динамическая характеристика вихреакустического расходомера Метран-300 ПР
-Ряд1
-Ряд1
Расход, мЗУч
Рис. 7. Изменение относительной погрешности Метран-300 ПР по длине шкалы
Расход, м3/ч
2,64 п
2,62--
2,60
2,58--
2,56--
2,54--
2,52--
2,50
2,48--
2,46--
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
№ измерения
Измеренный расход Взлет -Средний расход Взлет ЭР
Рис. 8. Показания электромагнитного расходомера Взлет ЭР
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать следующее заключение:
1. Для исследования расходомеров различных типов создан лабораторно-исследовательский стенд, снабженный автоматизированной системой сбора и визуализации данных (БСАйА), показаны его возможности по определению метрологических и ди-
намических характеристик расходомеров.
2. На основании принципа действия электромагнитных расходомеров выявлены и практически подтверждены причины дополнительной погрешности электромагнитных расходомеров, предложены возможные пути решения проблемы точного измерения расхода.
1. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федер. закон Российской Федерации от 23.11. 2009 № 261.
2. Об обеспечении единства измерений: федер. закон Российской Федерации от 26.06.2008 № 102.
3. Кулаков М.В. Технические измерения и приборы для
Библиографический список
химических производств. 4-е изд. М.: Машиностроение, 2008. 424с.
4. Половнева С.И., Елшин В.В., Толстой М.Ю. Технические измерения и приборы. Измерение расхода газов и жидкостей: учеб. пособие. 2-е изд. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 88 с.
5. http://www.kipexpert.ru
УДК 621.313
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА УСЛОВИЙ САМОЗАПУСКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПРИ ДВУХ ВАРИАНТАХ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Р.А.Пузаткин1, Г.Г.Гоппе2, В.Е.Павлов3
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Исследованы с использованием вычислительных экспериментов алгоритмы самозапуска электроприводов технологической установки. Рассмотрено построение математической модели асинхронного двигателя (АД) с учетом эффекта вытеснения тока с применением датчиков тока и скольжения. Исследован характер переходных процессов в двигателе при пуске и набросе нагрузки. Ил. 7. Табл. 1. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: самозапуск электроприводов; асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; активные и индуктивные сопротивления; эффект вытеснения тока.
COMPARATIVE EVALUATION OF SELF-STARTING CONDITIONS OF TECHNOLOGICAL PLANT ELECTRIC DRIVES IN TWO VARIANTS OF THE MATHEMATICAL MODEL OF AN INDUCTION MOTOR R.A. Puzatkin, G.G. Goppe, V.E. Pavlov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors study the self-starting algorithms of technological plant electric drives with the use of computational experiments. They consider a mathematical modeling of an induction motor (AM), taking into account the effect of current displacement with the use of sensors of current and slippage. The authors study the nature of transient processes in the engine when starting and loading. 7 figures. 1 table. 8 sources.
Key words: self-starting of electric drives; squirrel-cage motor; ohmic and inductive resistances; effect of current displacement.
На крупных предприятиях химической, нефтеперерабатывающей, металлургической промышленности, машиностроения, энергетики и других эксплуатируется большое число электроприводов, насчитывающих от десятков до нескольких тысяч на одном
предприятии. Отключение электроприводов при кратковременных перерывах электропитания или существенном его снижении может привести к большим материальным потерям из-за расстройства технологического процесса, значительного времени восстановле-
1Пузаткин Роман Александрович, аспирант, тел.: (3952) 405128, e-mail: elprivod@istu.edu Puzatkin Roman Alexandrovich, postgraduate student, tel.: (3952) 405128, e-mail: elprivod@istu.edu
2Гоппе Гарри Генрихович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128, e-mail: elprivod@istu.edu
Goppe Harry Genrikhovich, Doctor of technical sciences, professor of the chair of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128, e-mail: elprivod@istu.edu
3Павлов Владимир Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128, e-mail: pvew52@ mail.ru
Pavlov Vladimir Evgenievich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128, e-mail: pvew52@mail.ru
