CC BY
20
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
УДК 006.91
В.П. Черненков, B.C. Ионов
ЧЕРНЕНКОВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ - кандидат технических наук, профессор кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: cvp_dv@mail.ru
ИОНОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ - ассистент кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: ionov.vs@yandex.ru
ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ПУЛЬСАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ
ТАХОМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ РАСХОДА
Приведены результаты экспериментальных исследований влияния интенсивности пульсационного воздействия на измерительный механизм тахометрических преобразователей расхода, названы причины возникновения пульсаций давления в современных системах учета количества теплоты и массы теплоносителя. Представлено разработанное авторами устройство гашения пульсаций давления в современных узлах учета холодной и горячей воды (патент на полезную модель «Узел учета расхода воды» № 132811 от 27 сентября 2013 г.). Проведены авторские экспериментальные исследования влияния пульсаций давления и расхода на относительную погрешность измерения тахометрических счетчиков с применением новой конструкции узла учета расхода воды, оснащенную механизмом гашения пульсаций. Данные, полученные в результате экспериментов, показывают снижение относительной погрешности измерения приборов учета воды по сравнению с данными, полученными для традиционных конструкций узлов учета.
Ключевые слова: преобразователь расхода, метрологические характеристики, пульсации давления, расходомер, относительная погрешность, измерительный механизм.
The effect of the intensity of pressure pulsation on the measuring mechanism of tach-ometric flow metres. Vladimir P. Chernenkov, Vladimir S. Ionov, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok.
The article presents the results of experimental investigations into the effect, which the intensity of pulsation has on the measuring mechanism of tachometric flowmetres. Revealed are the causes originating pressure fluctuations in modern systems metering the amount of heat and the
© Черненков В.П., Ионов В.С., 2013
mass of heat-transfer medium. Presented is the device developed by the authors to dampen pressure pulsations in the modern units metering cold and hot water (the patent on the serviceable model Metering of Water Consumption No. 132811, September 27, 2013.) Presented is also the authors' experimental investigation into the effect, which the pressure pulsations and flow have on the relative measurement error of tachometer counters applying new constructions of the water meterin unit equipped with the pulsation damper mechanism rement among water metering units decreases in comparison with the data obtained for metering units of traditional types.
Key words: flow transmitter, the metrological characteristics, pressure pulsation, flow meter, the relative error of measurement, the measuring system.
Согласно статье 13 Федерального закона от 23 ноября 2009 года № 261-Ф3 «Об энергосбережении...», производимые, передаваемые, потребляемые энергетические ресурсы подлежат обязательному учету с применением приборов учета используемых энергетических ресурсов. Всесторонний учет энергоресурсов (точный контроль производимых энергоресурсов, определение потерь при транспортировке, своевременное обнаружение утечек) предполагает положительный эффект не только в сфере их производства, но и в сфере снабжения этими ресурсами потребителя. Это позволит осуществлять взаиморасчеты за действительно потребленный продукт, что снизит существующую в нашей стране напряженность в отношениях потребителя и поставщика энергоресурсов.
В жилищно-коммунальном хозяйстве потребляются следующие ресурсы: тепловая энергия, электрическая энергия, горячая и холодная вода, газ. Для целей учета данных ресурсов применяют теплосчетчики (состоящие из тепловычислителя, комплекта датчиков температуры и давления, а также преобразователей расхода), электросчетчики, счетчики воды и газа.
Широкое внедрение приборного контроля распределения и потребления является основным инструментом сбережения такого важного для жизнеобеспечения населенных пунктов и предприятий ресурса, как вода.
Практика использования различных типов расходомерных устройств и водосчетчиков показала, что соответствие реальных метрологических характеристик устройства указанным в паспорте во многом зависит от условий эксплуатации, а межповерочный интервал данных приборов далеко не всегда соответствуют заявленному производителем [2].
Данные приборы имеют непосредственный контакт с измеряемой средой (водой), следовательно, даже небольшие отклонения эксплуатационных условий от нормативных могут вызвать появление дополнительных погрешностей измерения. В результате работы расходо-мерных устройств в неблагоприятных условиях уже через несколько месяцев данные приборы приобретают превышающую допустимую погрешность в показаниях и становятся метрологически ненадежными. Одним из факторов, оказывающих влияние на метрологические характеристики расходомерных устройств, может быть нестабильность потока теплоносителя, наличие пульсаций давления.
Пульсации давления могут возникать в сети магистральных трубопроводов, внутри-домовых системах теплоснабжения из-за присутствия большого количества гидравлических сопротивлений, запорно-регулирующей арматуры, гидравлических регуляторов расхода и давления и других элементов систем теплоснабжения. Также немаловажную роль в форми-
ровании пульсаций давления играют конструктивные особенности водоразборных устройств в периоды водопотребления.
Пульсации, возникающие по всем вышеперечисленным причинам, влияют на работу не только общедомовых, но и индивидуальных (поквартирных) приборов учета количества теплоносителя. Индивидуальными принято считать приборы с условным диаметром 15 мм. В качестве индивидуальных (поквартирных) приборов учета в России используются в основном тахометрические крыльчатые счетчики горячей и холодной воды. Опыт эксплуатации различных видов расходомерных устройств и водосчетчиков говорит о том, что тахометри-ческие счетчики наименее надежны в существующих условиях эксплуатации систем теплоснабжения нашей страны [3].
Рассмотрим работу тахометрических счетчиков воды в реальных условиях эксплуатации. На рис. 1 представлена конструкция типового тахометрического крыльчатого счетчика горячей воды. Принцип действия такого счетчика основан на измерении числа оборотов крыльчатки. Вращение крыльчатки через магнитную муфту передается масштабирующему редуктору отсчетного устройства, который переводит число оборотов крыльчатки к значению объема протекающей воды.
2
Рис. 1. Конструкция типового тахометрического счетчика горячей воды: 1 - корпус; 2 - циферблат; 3 - счетный механизм; 4 - магнитная муфта; 5 - рабочее колесо
Потребность в холодной и горячей воде у потребителя возникает в произвольные моменты времени. В течение дня значения расхода воды являются непостоянными, вода включается потребителями десятки раз, в результате крыльчатка счетчика проходит множество циклов запуска и остановки. Из-за малой инерционности, обусловленной особенностями конструкции данного типа приборов учета и резкими колебаниями в значениях расхода воды, часть расхода, проходящего через измерительный участок при запуске и остановке крыльчатки, может не учитываться. В результате суммарное количество воды, зарегистрированное индивидуальными (поквартирными) приборами, не будет равно расходу, зарегистрированному общедомовым расходомером [1].
Пульсации давления, возникающие при открытии или закрытии современных смесительных устройств, создают дополнительные напряжения в механизме счетчика, что со временем значительно увеличивает погрешность измерений: метрологический отказ прибора учета происходит за период времени, гораздо меньший межповерочного интервала.
Обобщая изложенное, выделим виды возникающих пульсаций давления:
1) возникающие при многократном включении воды у потребителей;
2) вызванные большими местными сопротивлениями;
3) возникающие при работе гидравлических регуляторов, установленных в индивидуальных тепловых пунктах;
4) возникающие в магистральных трубопроводах системы теплоснабжения.
Решением данной проблемы может быть внесение поправочного коэффициента в показания приборов учета в зависимости от интенсивности его использования, т.е. от количества пульсаций давления, воспринятых крыльчаткой счетчика воды, и от их силы. Для этого необходимо провести исследования влияния пульсаций давления на метрологические характеристики приборов учета, вывести зависимость повышения погрешности измерения прибора учета от количества пульсаций давления. На данный момент достоверных статистических данных о влиянии пульсаций давления на показания тахометрических расходомеров нет.
На кафедре инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ был разработан исследовательский стенд, а также методика проведения экспериментов на нем с целью изучения влияния пульсаций давления на метрологические характеристики тахомет-рических расходомеров малых диаметров.
В результате серии экспериментов с использованием тахометрических счетчиков горячей воды условным диаметром 15 мм фирмы «Ростехком» удалось установить, что даже незначительные пульсации давления могут вызвать значительные изменения погрешности измерения приборов, в результате чего они становятся метрологически ненадежными.
Результаты, представленные в таблице, показывают возрастание относительной погрешности испытуемых счетчиков горячей воды с возрастанием количества воспринятых пульсаций, что доказывает динамическую составляющую влияния пульсаций давления на погрешность измерения счетчиков горячей воды. На рис. 2 приведена графическая интерпретация экспериментальных данных.
Рис. 2. Возрастание фактической погрешности счетчиков горячей воды «Ростехком» относительно начальной поверки
Возрастание фактической погрешности счетчиков горячей воды «Ростехком»
относительно начальной поверки
№ счетчика х 10 пуль- х 20 пульса- х 30 пульсаций х 40 пуль- х 50 пульсаций Возрастание относитель-
сации ций саций но начальной поверки
1 1,70 2,93 4,63 6,27 7,57 2,59
2 1,51 2,62 4,55 6,06 7,39 3,25
3 1,48 2,63 4,02 5,30 6,16 1,20
4 1,65 2,85 4,17 5,58 6,51 2,11
5 1,51 2,75 4,53 6,02 7,37 2,65
6 1,06 2,07 3,26 4,20 5,16 0,58
7 1,26 1,78 3,22 4,68 6,10 2,06
8 1,60 2,84 4,80 6,66 8,14 3,94
9 1,68 2,70 4,20 5,38 6,36 1,20
10 1,75 2,83 4,55 5,64 6,63 1,45
Х ср 1,52 2,60 4,19 5,58 6,74 2,10
Примечание. Хср - средняя погрешность.
Рис. 3. Снижение относительной погрешности счетчиков расхода воды с применением новой конструкции узла учета расхода воды для 10 (верхний рисунок) и 50 (нижний рисунок) пульсаций давления во время контрольной поверки
В результате исследования тахометрических счетчиков воды условным диаметром 15 мм производства «Ростехком» в количестве 10 шт. на предмет изменения их метрологических характеристик под воздействием пульсаций давления были сделаны следующие выводы.
1. Десять из десяти приборов не прошли входной контроль: их погрешность измерения выходит за пределы допустимой, указанной в паспорте на данные приборы (± 2%).
2. В ходе проведения испытаний были выявлены статическая и динамическая составляющая влияния пульсаций давления на погрешность измерений испытуемых приборов.
Для обеспечения возможности снижения влияния пульсаций давления на изменение относительной погрешности тахометрических счетчиков расхода воды нами была разработана принципиально новая конструкция узла учета расхода воды. Получен патент на полезную модель «Узел учета расхода воды» № 132811 от 27 сентября 2013 г. [4].
Проведены экспериментальные исследования влияния пульсаций давления и расхода на относительную погрешность измерения тахометрических счетчиков с применением новой конструкции узла учета расхода воды, оснащенную механизмом гашения пульсаций (рис. 3). Данные, полученные в результате экспериментов, показывают снижение относительной погрешности измерения приборов учета воды по сравнению с данными, полученными для традиционных конструкций узлов учета.
Верхняя линия (см. рис. 3) показывает уровень относительной погрешности измерения для традиционной конструкции узла учета расхода воды, нижняя - уровень относительной погрешности для новой конструкции узла учета расхода воды.
Результаты проведенных экспериментов показывают снижение относительной погрешности измерения счетчиков расхода воды при применении устройств гашения пульсаций (в частности, в разработанном узле учета используются расширительные баки и эжектор в качестве устройств для гашения пульсаций). Данный факт доказывает значительное влияние пульсаций давления и расхода на изменение относительной погрешности измерения та-хометрических преобразователей расхода в современных узлах учета расхода воды. Этот вывод свидетельствует о необходимости продолжения исследований и внесения на их основе дополнительных требований в существующие правила учета.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Исаев В.Н. Особенности учета горячей воды при переходе на энергосберегающую эксплуатацию жилых зданий // Энергосбережение. 2010. № 4. С. 46-52.
2. Канев С.Н. Учет количества теплоты и массы теплоносителя в водяных системах потребителей. Хабаровск, 2005. 132 с.
3. Ромадов В. Критерии выбора и области применения промышленных счетчиков воды // Строительный инжиниринг. 2007. № 12. С. 1-9.
4. Узел учета расхода воды: Пат. на полезную модель / В.С. Ионов, Г.А. Захаров, В.П. Черненков, Г А. Тимошенко. № 132811 от 27 сент. Опубл. 27.09.2013, Бюл. № 27.
REFERENCES
1. Isaev V.N., Features of the calculation of hot water in the transition to energy-efficient opération of the residential buildings, Power Saver. 2010;4:46-52. [Isaev V.N. Osobennosti ucheta goryachey vody
pri perekhode na energosberegayushchuyu ekspluatatsiyu zhilykh zdaniy // Energosberezheniye. 2010. № 4. S. 46-52].
2. Kanev S.N., Accounting for the amount of heat and mass of the coolant in the water systems of consumers. Khabarovsk, 2005, 132 p. [Kanev S.N. Uchet kolichestva teploty i massy teplonositelya v vodyanykh sistemakh potrebiteley. Khabarovsk, 2005. 132 s.].
3. Romadov V., Criteria for the selection and application of industrial water meters, Construction engineering. 2007;12: 1-9. [Romadov V. Kriterii vybora i oblasti primeneniya promyshlennykh schetchikov vody // Stroitel'nyy inzhinirmg. 2007. № 12. S. 1-9].
4. Metering of water consumption, Pat. Utility Model, V. Ionov, G. Zakharov, V. Chernenkov, G. Timo-shenko. № 132811, 27 Sept. 2013 Bull. N 27. [Uzel ucheta raskhoda vody: Pat. na poleznuyu model' / V. Ionov, G. Zakharov, V. Chernenkov, G. Timoshenko, № 132811 ot 27 sent. Byul. № 27].
