Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 122.

Вихревая расходометрия в ПГ «Метран»: совершенствование и развитие

Современная тенденция повсеместного внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий предъявляет все более жесткие требования к системам коммерческого учета любых видов энергоносителей, технологических сред, готовой продукции, что, прежде всего, касается измерения расхода как ключевого звена в организации учета. Не вызывает сомнений, что именно измерение расхода является наиболее ответственным и в то же время, наиболее «уязвимым» с точки зрения влияния факторов реальной эксплуатации. Качественные параметры процесса: cостояние технологических трубопроводов, физический и химический состав среды, уровень вибрации и внешних электромагнитных помех, пульсации температуры, давления и пр. - оказывают существенное влияние, прежде всего, на реальные метрологические характеристики расходомера, вызывая непредсказуемые отклонения погрешности измерения расхода от заявленных значений, что, в конечном счете, может обернуться дополнительными финансовыми потерями как для поставщика, так и для потребителя. По мере накопления и обобщения опыта эксплуатации расходомеров различных принципов действия, широко представленных на Российском рынке, фактор метрологической стабильности, в сочетании с «достойными» техническими характеристиками, приобретает все больший «вес» для потребителя.

Принципом измерения расхода, обеспечивающим высокую метрологическую стабильность и надежность в сочетании с универсальностью к типам измеряемых сред и техническими характеристиками, соответствующими современным требованиям, по праву является вихревой. Мерой расхода в данном случае служит частота образования вихрей, которые возникают в потоке среды при обтекании препятствия («тела обтекания»), установленного в проточной части расходомера. Измерение частоты вихреобразования (фактически, «подсчет вихрей») может основываться на различных физических принципах, что определяет функциональное и конструктивное разнообразие вихревых расходомеров различных производителей.

Активное развитие вихревой расходометрии как альтернативы традиционному методу переменного перепада давления на стандартных СУ началось в середине 90-х гг. XX в., и ПГ «Метран» явилась одним из «пионеров» данного направления. При разработке расходомера для воды, в т.ч. теплофикационной, и водных растворов ставка была сделана на ультразвуковой («акустический») принцип съема сигнала, в то время как большинство разработчиков и производителей вихревых расходомеров предпочли «считать вихри» с помощью постоянного магнитного поля, что давало преимущество в простоте конструкции и цене.

Опыт 8-летней эксплуатации различных расходомеров подтвердил основное преимущество вихреакустического метода – его высокую метрологическую стабильность в течение длительного срока эксплуатации. Применение ультразвукового принципа съема сигнала исключает влияние ферромагнитных примесей, содержащихся в воде как в растворенном состоянии, так и в виде частиц ржавчины, окалины и т.п., на метрологические характеристики расходомера, что является «узким местом» расходомеров, использующих магнитные поля. При этом, прибор, в отличие от традиционных ультразвуковых расходомеров, использующих время прохождения ультразвуковых импульсов через сечение потока в качестве меры расхода, практически лишен их основного недостатка - влияния на метрологические характеристики прибора пульсаций температуры и давления, т.к ультразвук в данном случае играет лишь роль «счетчика вихрей», а мерой расхода является разность фаз модулированных ультразвуковых колебаний и опорного сигнала.

«Зарастание» проточной части расходомера также является одним из основных факторов, нарушающих стабильность метрологических характеристик расходомера любого принципа действия в условиях эксплуатации. Не случайно требование очистки проточной части от отложений перед поверкой является обязательным для абсолютного большинства расходомеров.

Вихреакустический принцип действия в сочетании с конструктивными решениями проточной части расходомера минимизирует образование отложений в проточной части. Проточная часть расходомера Метран-300ПР, изготовленная из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, имеющая 14 класс мехобработки поверхности, вследствие «моющего эффекта» вихрей и отсутствия магнитных полей, способствующих образованию отложений, остается практически «чистой» в течение межповерочного интервала.

Технические характеристики прибора постоянно совершенствуются в течение всего срока выпуска. Последняя модификация, серийно выпускаемая в настоящий момент, имеет динамический диапазон 1:100, расширенный в область малых расходов, что особенно актуально при применении в системах комплексного учета тепловой энергии, ГВС и ХВС, а также в системах регулирования. Чрезвычайно чувствительный ультразвуковой детектор с акустическим трактом, аналогичным тракту ультразвуковых сигнализаторов уровня, цифровой адаптивный фильтр, обеспечивающий наивысшую степень подавления различных помех, температурная коррекция в области малых значений расхода при числах Re<104, позволили довести нижний предел измеряемого расхода до значений, соответствующих скорости потока 3-4 см/с.

Наличие базовых числоимпульсных выходных сигналов, а также 3- строчного ЖКИ, полной гаммы аналоговых токовых выходных сигналов, цифрового выхода по HART-протоколу на базе интерфейса RS485 в виде дополнительных опций, обеспечивают применение расходомера в составе теплосчетчиков, в качестве водосчетчиков, а также для технологических измерений расхода, в т.ч., в составе аналоговых и цифровых АСУТП.

Конструктивные решения последней модели расходомера «Метран-300ПР-А» учитывают опыт 8-летней эксплуатации предыдущих модификаций прибора. В данной модификации упрощена схема ультразвукового съема сигнала, осуществлен переход с традиционной 2-х лучевой схемы на однолучевую, при этом увеличена мощность выходного каскада. Тем самым повышена надежность работы прибора при неизменных технических характеристиках. За счет перехода на комплектацию электроники индустриального исполнения достигнут нижний предел температуры окружающего воздуха –40оС. Существенно усовершенствована конструкция сопряжения проточной части расходомера с трубопроводом. Дополнительная стабилизация профиля скорости потока, осуществлявшаяся в предыдущих модификациях с помощью патрубков специальной формы «конфузор – диффузор», входивших в комплект монтажных частей, в модели «А» производится за счет изменения профиля самой проточной части. Жесткое «автоматическое» центрирование расходомера на трубопроводе при монтаже, являющееся «фирменной» отличительной особенностью расходомеров «Метран-300ПР», обеспечивается специальной конструкцией фланцев.

Очередным этапом совершенствования вихреакустического расходомера «Метран-300ПР» явилась разработка и освоение серийного производства модели с автономным батарейным питанием – преобразователя расхода «Метран-320».

Впервые в отечественной расходометрии ультразвуковой съем сигнала реализован на основе батарейного питания. Преимущества автономного батарейного питания – энергонезависимость, исключение влияния колебаний напряжения в сети, «перекоса фаз», зачастую приводящего к выходу расходомеров из строя, и т.д – не вызывают сомнений. Ранее энергонезависимый малопотребляющий вариант исполнения имели лишь вихревые расходомеры с электромагнитным съемом сигнала, уступающие вихреакустическим расходомерам в метрологической стабильности. Вихреакустический преобразователь расхода «Метран-320» сочетает эксплуатационные преимущества расходомера «Метран-300ПР» с преимуществами автономного питания. В настоящее время типоразмерный ряд расходомеров «Метран-320» включает типоразмеры Dу 25…100 мм. Основные технические характеристики: динамический диапазон, пределы измерения, основная относительная погрешность измерения объема и расхода – идентичны характеристикам расходомера «Метран-300ПР».

Расходомер имеет числоимпульсный выход «открытый коллектор», обеспечивающий применение в составе теплосчетчика, и как дополнительную опцию – 3-строчный ЖКИ, что позволяет использовать «Метран-320» в качестве автономного водосчетчика. Индикация параметров на ЖКИ производится по нажатию специального магнитного ключа. Срок службы элементов питания и межповерочный интервал составляет 3 года. На базе вихреакустического расходомера «Метран-320» сертифицирован полностью энергонезависимый комплект теплосчетчика «Метран-421», в состав которого включены 3 популярных тепловычислителя с автономным батарейным питанием, в т.ч., перспективный тепловычислитель «Эльф» производства НПП «Уралтехнология», г. Екатеринбург.

Характеристики процесса вихреобразования достаточно легко воспроизводятся с помощью имитационных методов, что позволяет реализовать простую и эффективную методику имитационной поверки вихревых расходомеров с минимальными затратами для потребителя. Вихреакустические расходомеры «Метран-300ПР» и «Метран-320» обеспечены как проливной, так и имитационной методикой поверки. Имитационная методика допускает в т.ч. бездемонтажную поверку с помощью портативного имитатора расхода «Метран-550ИР».

Традиционной областью применения вихревых расходомеров в мировой практике является измерение расхода газовых сред и пара. В сфере измерения расхода газа вихревые расходомеры составляют конкуренцию распространенным турбинным расходомерам, существенно выигрывая в надежности. В области измерения расхода пара вихревой метод является, по сути, единственным «работоспособным» методом, за исключением традиционного метода переменного перепада давления. При организации узлов учета газовых сред и пара немаловажным фактором являются потери давления на расходомере. Данный показатель для вихревых расходомеров в 10 раз ниже, чем для традиционных диафрагм, и в 5 раз ниже, чем для турбинных расходомеров. Указанные факторы обуславливают широкую перспективу вихревых расходомеров на отечественном рынке измерения расхода газовых сред и пара, в настоящее время на 90% принадлежащем диафрагменным расходомерам.

Важнейшим шагом в развитии вихревой расходометрии в 2003 г. стало освоение серийного производства вихревых счетчиков газовых сред «Метран-331» и пара – «Метран-332», предназначенных для коммерческого учета данных сред. Счетчики «Метран-331» позволяют производить учет природного газа, сжатого воздуха, кислорода, азота, аргона , СО2. Счетчики пара «Метран-332» позволяют производить учет насыщенного и перегретого пара низких параметров (ТЈ200оС, РЈ1,6МПа) в открытых системах без возврата конденсата.

В конструктивном решении счетчиков реализован принцип «многопараметрических» измерений. При этом измерения всех параметров, необходимых для организации коммерческого учета газовых сред и пара, производятся фактически «в одной точке», что исключает дополнительную погрешность за счет влияния градиентов температуры и давления. Сенсоры расхода, избыточного давления и температуры размещены в едином конструктиве многопараметрического датчика (МПД). «Подсчет вихрей» в данном случае осуществляется путем определения частоты пульсаций давления в зоне вихреобразования с помощью 2 пьезоэлектрических датчиков, установленных симметрично за телом обтекания. Сенсор избыточного давления размещен непосредственно перед телом обтекания в верхней части конструктива МПД. Сенсор температуры размещен внутри тела обтекания. Электроника МПД, выполненная на базе 2 микропроцессоров, обеспечивает непосредственное преобразование «естественных» сигналов сенсоров в цифровой формат, минуя промежуточные аналоговые преобразования, что также способствует повышению метрологических характеристик счетчика. Передача данных по расходу, объему, температуре, давлению от МПД на вычислительное устройство счетчика в цифровом формате увеличивает помехозащищенность сигнала и, кроме того, обеспечивает существенную экономию при монтаже за счет сокращения кабельных линий. Вычислительные устройства счетчиков «Метран-331, -332» производят вычисление «коммерческих» параметров (объема газа, приведенного к «нормальным» условиям, и количества тепловой энергии пара соответственно), архивирование данных, формирование отчетов и вывод информации на устройства вычислительной техники, в т.ч. в системы диспетчеризации.

Типоразмерный ряд счетчиков «Метран-331, -332» включает 5 типоразмеров: Dу 32…150 мм. Динамический диапазон по расходу составляет 1:30, что на порядок превышает соответствующий показатель традиционного СУ. Предел основной допускаемой относительной погрешности определения объема газа при НУ для счетчика «Метран-331» составляет ±1,5%. Предел основной допускаемой относительной погрешности определения количества тепловой энергии, переносимой паром, для счетчика «Метран-332» составляет ±4,0%. Приборы обеспечены методикой имитационной поверки по каналу расхода. Межповерочный интервал счетчиков на данный момент составляет 2 года.

«Интегральная» конструкция МПД дополнительно обеспечивает существенное удешевление стоимости узла учета по сравнению с диафрагменным, как за счет непосредственной стоимости оборудования, так и за счет монтажа. На сегодняшний момент вихревые счетчики «Метран-331, -332» оптимально сочетают технические и ценовые показатели и последовательно занимают позиции на рынке, удовлетворяя потребность многочисленной группы потребителей промышленной, жилищно-коммунальной и бюджетной сфер в относительно недорогих отечественных приборах с необходимыми техническими характеристиками.

Сложный, динамично развивающийся рынок измерений расхода различных сред ставит все новые задачи, оптимальным решением которых является применение недорогих и надежных расходомеров вихревого принципа действия.

КИРИЧЕНКО И. Б., менеджер ЗАО «Промышленная группа «Метран»», г.Челябинск