Цифровая система учета энергии и энергоносителей «Ф15-Скорпион»

В статье рассматривается профессиональная цифровая система учета энергии и энергоносителей «Ф15-Скорпион» на основе высокоточного дифференциально-интегрирующего способа измерения разности масс и стандартных сужающих устройств. Приведены примеры использования и возможные преимущества.

В настоящее время на источниках теплоты, а также при осуществлении учета отпуска тепловой энергии и теплоносителя потребителям повсеместно применяется разностный метод измерения расхода массы подпиточной воды, которая в качестве теплоносителя отпускается на нужды горячего водоснабжения потребителей (ГВС) в открытых системах теплоснабжения или используется для компенсации утечек, если система теплоснабжения является закрытой. При таком методе масса подпиточного теплоносителя определяется как разность масс теплоносителя, прошедшего через подающий и обратный трубопроводы.

Применение разностного метода обусловлено исторически сложившейся конфигурацией систем теплоснабжения, во многих случаях не позволяющей произвести прямое измерение массы теплоносителя, отпускаемого на нужды ГВС или израсходованного на подпитку. Главным недостатком разностного метода измерений является неудовлетворительная точность измерений разности масс теплоносителя. Как следствие, это приводит к существенной недостоверности результатов учета суммарного количества потребленной тепловой энергии, в том числе тепловой энергии, которая отпускается на нужды ГВС. Указанная недостоверность измерений с погрешностью в десятки и сотни процентов является главной причиной возникновения небалансов тепловой энергии и теплоносителя в энергоснабжающих организациях и зачастую приводит к конфликтам между энергоснабжающими организациями и потребителями.

Основной вклад (до 95–99%) в результирующую погрешность измерения тепловой энергии вносят расходомеры, устанавливаемые в подающем и обратном трубопроводах тепломагистрали. В случае применения расходомеров переменного перепада давления (РППД) основным источником погрешности измерения разности расходов служат неисключенные систематические погрешности измерительных преобразователей переменного перепада давления.

Профессиональная цифровая система учета энергии и энергоносителей «Ф15-Скорпион» на основе высокоточного дифференциально-интегрирующего способа измерения разности масс и стандартных сужающих устройств является совместной инновационной разработкой компаний «Иокогава Электрик СНГ» (Москва) и «Форус» (Санкт-Петербург). Эта система предназначена для высокоточного учета тепловой энергии и количества энергоносителей с метрологическими характеристиками, превосходящими метрологические характеристики существующих систем учета в десятки и сотни раз в зависимости от режимов работы тепломагистралей. Применение данной системы обеспечивает практическое решение проблемы небалансов на источниках теплоты, позволяя осуществлять высокоточное измерение утечек теплоносителя в закрытых системах теплоснабжения.

Основные преимущества системы:

- это полностью цифровая система измерения, поэтому она позволяет исключить погрешности преобразования аналоговых сигналов первичных датчиков в вычислителе и существенно повысить точность и стабильность измерений;

- цифровые датчики серии EJX производства компании Yokogawa Electric (Япония) одновременно измеряют перепад давления на сужающем устройстве и давление в магистрали, при этом отдельный датчик давления не требуется; 

- относительное взаимное рассогласование каналов измерения давления, перепадов давления и расчета часовых масс теплоносителя для пары трубопроводов в диапазоне изменения перепадов давления 1:400 (диапазон расхода 1:20) не превышает ± 0,001 %;

- измерение температуры согласованной парой термометров (Pt100) c двухканальным преобразователем RTT25-F в цифровой сигнал обеспечивает погрешность измерения разности температур не более ± 0,05+0,001|dt| °С;

- высокоточный расчет теплофизических параметров сред по ГСССД МР 147-2008 и расходов по ГОСТ 8.586-2005 имеет относительную погрешность не более ± 0,005 %;

- относительная погрешность измерения суммарной потребленной тепловой энергии и энергоносителя составляет не более ± 0,5 % в рабочих условиях в диапазоне расходов 1:10 (уточняется по результатам расчета в зависимости от типа сужающего устройства и режима работы магистрали);

- высокоточное измерение утечек в закрытых магистралях – не более чем ± 0,05 % от циркуляции теплоносителя;

- расширение диапазона измерения энергии и количества теплоносителя при сохранении заданной погрешности измерения;

- одновременно с показателями потребленной энергии и количества теплоносителя рассчитываются относительные погрешности их измерения за любой учетный период;

- показатели по точности и стабильности измерений (в том числе и долговременных) превосходят все другие аналоги в десятки и сотни раз в зависимости от режимов работы магистрали.

Принцип работы системы состоит в циклической взаимной перемене мест преобразователей перепада давления на сужающих устройствах по отношению к самим сужающим устройствам. Для этого в процессе проведения измерений посредством трехходовых клапанов, расположенных на импульсных трубках, циклически изменяется схема гидравлической связи преобразователей перепада давления с сужающими устройствами. Расчет количества энергии и энергоносителей осуществляется путем интегрирования результатов измерений в течение всего учетного периода таким образом, что на протяжении минимального учетного периода времени ровно половина измерений перепада давления на каждом сужающем устройстве производится одним преобразователем перепада давления и точно такое же количество измерений – другим преобразователем перепада давления. В результате при расчете разности масс теплоносителя происходит практически полная взаимная компенсация систематических погрешностей измерения и существенно уменьшается погрешность измерения суммарной тепловой энергии.

Функциональная схема проведения измерений приведена на рис. 1. 

При проектировании системы использованы лучшие мировые образцы методов и средств измерений, а также технические средства, применение которых позволило достичь наиболее высоких метрологических показателей и таких показателей, как надежность, стабильность и повторяемость результатов измерений.

В качестве измерительных преобразователей перепада давления использованы приборы серии EJX компании «Иокогава Электрик» с цифровой шиной FF (Foundation Fieldbus) для передачи измерительных данных. Приборы одновременно с перепадом давления измеряют давление в любой из своих камер, и, кроме того, по показателям точности и долговременной стабильности эта серия приборов не имеет аналогов в мире по причине уникального принципа измерения перепада давления. Этот принцип основан на использовании дифференциальных силиконовых резонаторов, выдающих цифровой сигнал давления и перепада давления без применения аналоговых схем обработки и преобразования сигнала. В качестве контроллера (тепловычислителя и вычислителя расхода и количества энергоносителей), управляющего всем процессом проведения измерений и обработки результатов измерений, применен высоконадежный измерительно-вычислительный и управляющий комплекс STARDOM FCN/FCJ производства компании «Иокогава Электрик СНГ» с сертифицированным программным обеспечением расчета расходов и количества энергии и энергоносителей STARDOM-FLOW производства компании «Иокогава Электрик СНГ». Контроллер имеет обширные программные средства разработки прикладного программного обеспечения и коммуникации с первичными преобразователями и внешними системами. Гарантированное среднее время наработки на отказ составляет 10,5 лет.

Структура программного обеспечения системы является структурой автономного программного обеспечения и соответствует требованиям МИ 2891-2004. Все метрологически контролируемые функции и параметры программного обеспечения охвачены защищенным интерфейсом. Защита модулей программного обеспечения от несанкционированного доступа осуществляется встроенными в операционную систему комплекса STARDOM механизмами защиты. Операционная система является закрытой системой и прошивается индивидуально в каждый комплекс, во внутреннюю энергонезависимую память с индивидуальной системной лицензией, исключающей копирование и работу на других комплексах и контроллерах. 

Система позволяет учитывать:

- массу и объем теплоносителя по каждому трубопроводу нарастающим итогом, а также за каждый час, сутки, месяц;

- массу теплоносителя, израсходованного на горячее водоснабжение или подпитку нарастающим итогом, а также за каждый час, сутки, месяц;

- тепловую энергию, израсходованную в системе теплопотребления или отпущенную в систему теплоснабжения нарастающим итогом, а также за каждый час, сутки, месяц;

- среднечасовые, среднесуточные и среднемесячные значения всех измеряемых параметров.

Преимущества системы «Ф15-Скорпион» удобно проиллюстрировать в сравнении с обычными (классическими) узлами учета, оснащенными расходомерами, имеющими относительную погрешность измерения расхода 1 %. На рис. 2 приведены расчетные графики зависимости погрешности измерения массы теплоносителя, потребленного на ГВС, от относительного водоразбора (расход ГВС в % от расхода в подающем трубопроводе). На графиках видно, что требование в 2 %, предъявляемое к погрешности измерения массы, в классической системе выполняется только для относительных водоразборов, лежащих в диапазоне от 100 до 55 % от максимального значения расхода в подающем трубопроводе. Дифференциально-интегрирующая система «Ф15-Скорпион» удовлетворяет этому требованию в диапазоне расходов ГВС от 100 до 2 % от максимального значения расхода в подающем трубопроводе. Выигрыш в расширении диапазона измерения расходов ГВС при использовании системы «Ф15-Скорпион» – 28 раз, причем в крайней точке 2 % водоразбора выигрыш по точности измерения массы ГВС составляет 32 раза.

Результат сравнения для суммарного теплопотребления при температуре теплоносителя в подающем трубопроводе 90 °С, в обратном трубопроводе 70 °С, в трубопроводе холодной воды 10 °С приведен на рис. 3, из чего видно, что обычный узел учета не отвечает 4-процентному допуску по погрешности измерения энергии в зоне относительных водоразборов от 7% и ниже, а выигрыш в точности измерений при применении дифференциально-интегрирующей системы составляет 6,5 раз при расширении диапазона измеряемых расходов ГВС в 6 раз.

В целом относительно профессиональной цифровой системы учета энергии и энергоносителей «Ф15-Скорипион» в сравнении с существующими методами измерений можно сделать следующие выводы:

- примененный в этой системе принцип измерения расхода методом переменного перепада давления имеет чрезвычайно высокие метрологические характеристики стабильности, а также характерис­тики повторяемости и воспроизводимости результатов измерений, которые основаны на простой и точной конструкции и хорошо проработанной математической основе метода;

- описанная дифференциально-интегрирующая система имеет беспрецедентно высокие метрологические характеристики в части измерения как энергии, так и массы энергоносителей, недостижимые ни одним из существующих способов учета на двухтрубных магистралях;

- выигрыш в точности измерения энергии составляет разы и десятки раз, выигрыш в точности измерения разности масс – десятки и сотни раз, выигрыш в расширении диапазонов измеряемых масс и энергий – десятки раз, при этом величина выигрыша зависит от степени открытости магистрали и ее теплового режима;

- выигрыш в точности увеличивается по мере уменьшения водоразбора и уменьшения разности температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах.

Cистема учета энергии и энергоносителей «Ф15-Скорпион» является еще одним примером надежной, высокоточной и высокотехнологичной продукции в духе лозунга компании «Иокогава Электрик»: «Vigilant Plant – надежное предприятие: видеть четко, знать заблаговременно, действовать быстро».

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(27)_2010

Д.В. Миночкин, менеджер по развитию проектов в энергетике,

ООО «Иокогава Электрик СНГ», г. Москва,

тел.: (495) 737-7868,

e-mail: info@ru.yokogawa.com;

В.И. Шутиков, генеральный директор,

ЗАО «Форус», г. Санкт-Петербург,

тел.: (812) 336-5325,

e-mail: mail@forus.spb.ru