в чем измеряется количество пара
Kessler-Ellis Products
Flow Products • Flat Panel Monitors • Industrial Instruments • Operator Interfaces • HMI Software
При автоматизации в легкой и пищевой промышленности перед инженерами часто встает проблема измерения расхода пара. В силу ряда физических особенностей парообразного состояния веществ решение задачи автоматического измерения расхода является весьма непростым. По этой причине, для начинающих и опытных специалистов в области метрологии, мы открыли на нашем сайте справочный раздел, посвященный проблемам измерения расхода веществ в парообразном состоянии. Основной упор в этом разделе будет сделан на применение приборов фирмы KEP в связке и первичными преобразователями расхода и другими приборами. Так же часть публикаций будет посвящена теоретическим вопросам в данной области.
Измерение расхода пара при помощи ультразвуковых расходомеров
Несмотря на анонсирование производителями серийно выпускаемых типов ультразвуковых расходомеров как приборов, которые могут применяться для измерения расхода пара, в этой сфере, в отличие от измерения расходов газов и жидкостей, успешного применения они пока что не нашли. Дело в том, что устройства реализуют доплеровский принцип измерений, который основывается на изменении частоты ультразвукового луча. Но при измерениях сухого насыщенного или перегретого пара этот принцип не может быть применен, так как поток не имеет неоднородностей, от которых луч может отражаться. А измерения влажного пара так же неэффективны из-за больших занижений показателей, происходящих вследствие различия между скоростями жидкой и газовой фаз. Подобные же расходомеры импульсного типа неприемлемы при измерении влажного пара из-за обратной проблемы – преломления, рассеивания и отражения лучей от капель воды.
Измерение расхода пара при помощи вихревых расходомеров
Для того, чтобы вычислить тепловую мощность и массовый расход влажного пара, требуется измерить степень его сухости. Большинство теплоэнергоконтроллеров и тепловычислителей российского производства имеют опцию, позволяющую ввести константу «степень сухости пара», которая корректирует энтальпию и удельную плотность влажного насыщенного пара.
Насыщенным паром называется пар, который находится с водой в термодинамическом равновесии. Температура и давление насыщенного пара взаимосвязаны и расположены на кривой насыщения, которой определяется температура воды, соответствующая данному давлению.
Подогретый пар представляет собой водяной пар, который нагрет до температуры, превышающей при данном давлении температуру кипения воды. Может получаться, к примеру, при дополнительном нагреве насыщенного пара.
Сухой насыщенный пар – это бесцветный прозрачный газ. Представляет собой гомогенную, то есть однородную среду. В некотором смысле такой пар может считаться некой абстракцией, потому что получение его достаточно затруднительно. В природе сухой насыщенный пар может быть встречен лишь в геотермальных источниках, а насыщенный пар, производимый паровыми котлами, таковым не является: типичное для него значение сухости колеблется в пределах 0,95–0,97. В нештатных же случаях (например, во время резкого возрастания потребления пара, при выносе котловой воды во время работы котла с пониженным давлением) степень сухости становится еще ниже. К тому же такой пар метастабилен: во время отдачи тепла он становится влажным насыщенным, а если же тепло поступает извне, сухой насыщенный пар легко становится перегретым.
Сложности, связанные с измерением влажного насыщенного пара, требуют комплексного решения. Единственно правильным вариантом надежного и метрологически достоверного учета массового расхода и тепловой мощности такого пара становится следующий комплексный метод, состоящий из нескольких этапов:
1)влажный пар сепарируется при помощи конденсатоотводчика и сепаратора;
2) сухой насыщенный пар измеряется любым из пригодных для этого расходомеров;
3) любым из пригодных для этого расходомеров измеряется расход конденсата;
4) производится расчет тепловых мощностей и массовых расходов конденсата и пара;
5) параметры интегрируются по времени, протоколы измерений формируются и архивируются.
Использование расходомеров переменного перепада давления для измерения пульсирующих (быстроменяющихся) потоков в некоторых случаях приводит к недопустимо большим значениям. Такое положение связано со многими источниками погрешности: влиянием соединительных (импульсных) трубок, влиянием квадратичной зависимости между перепадом давления и расходом, влиянием акустических явлений. Поэтому ГОСТом Р 8.586.1-2005, регламентирующим измерение подобных потоков расходомерами в пункте 6.3.1 устанавливается положение, согласно которому измеряемый расход должен медленно изменяющимся во времени или вообще постоянным.
При этом применение вихревых расходомеров для измерения пульсирующих расходов проблемы не составляет. Причиной этого становится их достаточное быстродействие в время изменения расхода пара. Во время измерения расхода пара, частоты срывов с тела обтекания вихрей находятся в диапазоне в сотни и тысячи герц. Во временных интервалах такой диапазон соответствует десяткам и даже единицам миллисекунд. Спектр сигналов, анализирующихся современными электронными схемами вихревых расходомеров, составляет 3–7 периодов синусоидальных вихревых сигналов. Отклик, который обеспечивается вихревым расходомером, вполне достаточен для того, чтобы отследить быстропротекающие процессы и составляет порядка 30–70 миллисекунд.
Измерение расхода пара в переходных режимах
Данная статья рассмотрит типовую систему измерения параметров парового потока с применением расходомера на базе электронных вычислителей параметров потока, а также датчиков давления. Здесь будут рассмотрены принципы построения измерительных систем параметров потока пара, базой построения которых являются датчики дифференциального давления.
Итак, типовая система, предназначенная для измерений параметров потока пара, основана на нескольких элементах.
К данным элементам относятся:
— расходомер, который устанавливается в паропроводе
— передатчик, который устанавливается вблизи расходомера или непосредственно на нём (могут быть несколько);
— статистический преобразователь давления, предназначенный для измерения парового давления;
— вычислитель, предназначенный для расчета параметров парового потока;
— модем для осуществления обмена данными с внешним устройством.
В случае необходимости удаленного измерения, система способна дополнятся программным обеспечением, модемом, а также удалённым компьютером.
Осуществление установки.
В процессе установки расходомера, статического преобразователя давления, а также дифференциального датчика давления, монтаж осуществляется согласно отраслевой руководящей документации и инструкциям заводов изготовителей.
Кроме этого должны учитываться, поставляемые производителем, отдельная документация калибровки и настройки.
Осуществление запуска.
В процессе осуществления запуска отдельных компонентов системы, необходимо произвести их конфигурацию для обеспечения корректной работы. В процессе этого необходимо на датчиках давления произвести двойную проверку по каждому диапазону измерений.
Измерение тепловой энергии и массового расхода влажного насыщенного пара связанно с определенными проблемами, вызванными строением пароконденсатной смеси:
1) скорость жидкой и газовой фаз влажного насыщенного различна, при этом каждая из них занимает в поперечном сечении трубопровода переменную эквивалентную площадь;
2) по мере возрастания влажности насыщенного пара, растет и его плотность, причем зависимость между плотностью влажного пара и давлением неоднозначна и, в свою очередь, находится в зависимости от степени его сухости;
3) по мере того, как влажность насыщенного растет, снижается его удельная энтальпия;
4) затруднительно определять степень сухости насыщенного пара, находящегося в потоке.
Измерение расхода пара, газа и жидкости
Лекция №9
Вакуумметр
Вакуумме́тр — вакуумный манометр, прибор для измерения давления разреженных газов.
По принципу действия вакуумметры можно подразделить на следующие типы:
· классические — являются обычными манометрами (жидкостными либо анероидами) для измерения малых давлений. В жидкостных вакуумметрах в измерительном колене применяется масло с известной плотностью и с по возможности малым давлением пара с тем, чтобы не нарушать вакуум. Обычно жидкостные манометры изолируют от остальной вакуумной системы при помощи азотных ловушек — специальных устройств наполняемых жидким азотом и служащих для вымораживания паров рабочего вещества манометра. Область измеряемых давлений от 10 до 100000 Па.
· ёмкостные — основаны на изменении ёмкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Одна из обкладок конденсатора выполняется в виде гибкой мембраны. При изменении давления мембрана изгибается и меняет ёмкость конденсатора, которую можно измерить. После градуировки возможно использовать прибор для измерения давлений. Область измеряемых давлений от 1 до 1000 Па.
· термопарные — принцип действия основан на охлаждении за счёт теплопроводности. Термопара находится в контакте с нагреваемым проводом. Чем лучше вакуум, тем меньше теплопроводность газа, и следовательно выше температура проводника (теплопроводность разрежённого газа прямо пропорциональна его давлению). Проградуировав подключенный к термопаре гальванометр при известных давлениях можно использовать измеряемое значение температуры для определения давления. Область измеряемых давлений от 10−3 до 10 Torr
· ионизационные — принцип действия основан на ионизации газа. При понижении давления газа уменьшается число атомов, способных подвергнуться ионизации, и соответственно ионизационный ток, текущий между электродами при данном напряжении. Область измеряемых давлений от 10−12 до от 10−1 Torr. Подразделяются на вакуумметры с холодным катодом (Пеннинга и магнетронные) и с накаливаемым катодом.
Термопарный и ионизационный вакууметры широко применяются в промышленности и экспериментах, так как являются массовыми, хорошо повторяемыми приборами. Практически выполняются в виде электронных ламп со стеклянным отростком, соединяющимся с исследуемым объёмом с помощью шланга или припаивания.
Количество вещества выражается в единицах объема или массы (т.е. в м3 или килограммах). Количество жидкости с равной степенью точности может быть измерено и объемным, и массовым методами, количество газа – только объемным. Для твердых и сыпучих материалов используется понятие насыпной или объемной массы, которая зависит от гранулометрического состава сыпучего материала. Для более точных измерений количество сыпучего материала определяется взвешиванием.
Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Массовый расход измеряется в кг/с, объемный – в м3/с.
Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества.
В качестве электрических расходомеров могут быть использованы вихреакустические, вихревые, кориолисовые преобразователи расхода или расходомеры переменного перепада давления.
Учет расхода пара. Расходомеры и счетчики на пар
НАСЫЩЕННЫЙ И ПЕРЕГРЕТЫЙ ПАР, ОБЩИЕ ВОПРОСЫ, АСПЕКТЫ И ОСОБЕННОСТИ УЧЕТА
Например, когда степень сухости насыщенного пара падает ниже 70%, вследствие изменения параметров рабочего процесса, среда становится двухфазной.
Причины могут быть в повреждении теплоизоляции трубопровода или в превышении требуемого размера диаметра трубы. Это ведет к снижению температуры или давления.
Еще один фактор – коррозия и накипь, которые способствуют появлению в потоке механических включений. Кроме того, вероятно возникновение термоударов и гидроударов. Следовательно, средство измерения должно быть рассчитано на высокие перегрузки. В соответствии с требованиями нормативных документов по измерению пара расходомер должен иметь возможность коррекции показаний по температуре и давлению.
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕТОДИКИ И НОРМАТИВЫ
При всем разнообразии существующих методов измерения, выбор расходомеров для учета пара ограничен. В данной статье предлагаем рассмотреть два основных способа – с помощью сужающих устройств и вихревых расходомеров.
Первый метод предусматривает установку в трубопроводе сужающего устройства (СУ). Преимущественно в качестве СУ используются диафрагмы, но также возможно применение сопел, труб Вентури и других местных гидравлических сопротивлений.
При прохождении потока через диафрагму характер его течения меняется. Непосредственно перед сужающим устройством давление среды возрастает, а после него – снижается. Чем больше разница давления до диафрагмы и после неё, тем выше расход.
Давление среды, а также его перепад на сужающем устройстве измеряют методами и СИ, соответствующими требованиям ГОСТ 8.586.5. Учет пара данным методом также регламентируется ГОСТ Р 8.586.1 – 2005, в котором, в частности, прописано, что по условиям применения стандартных сужающих устройств, контролируемая среда должна быть однофазной и однородной по физическим свойствам (п. 6.2.2), а её расход должен быть постоянным или медленно изменяющимся во времени. (п. 6.3.1)
Второй метод с помощью вихревых расходомеров основан на эффекте фон Кармана. За телом обтекания по обеим его сторонам в потоке происходит поочередное образование вихрей. Частота вихреобразования пропорциональна скорости потока. Измерив пульсацию давления, возникающего в потоке вихрей за телом обтекания, возможно узнать расход.
При учете пара вихревыми расходомерами, помимо расхода в рабочих условиях, также необходимо дополнительно измерять давление и температуру среды. Измеренные параметры поступают в тепловычислитель, который рассчитывает значение массы пара либо тепловой энергии.
Отметим, что для измерения массы насыщенного пара достаточно только одного внешнего датчика на выбор, поскольку определенное значение давления соответствует значению температуры.
Таблица температуры и давления насыщенных паров здесь
Алгоритмы расчета теплофизических свойств пара прописаны в методике Государственной службы стандартных справочных данных ГСССД МР 147-2008.
Как правило, в составе средств измерения указанные выше алгоритмы являются принадлежностью вычислителя или контроллера. Однако, применительно к вихревым расходомерам торговой марки «ЭМИС», такие алгоритмы являются составной частью программного обеспечения электронного блока вторичного преобразователя самого счетчика – расходомера.
В соответствии с данными алгоритмами «ЭМИС»-ВИХРЬ 200» самостоятельно осуществляет коррекцию и вычисления, благодаря возможностям электронного блока с функцией вычислителя («ВВ»), предусматривающего подключение внешних датчиков давления и температуры.
Прибор рассчитывает следующие параметры: мгновенный и массовый расход пара, его плотность, энтальпию и накопленную энергию.
Таблица: Параметры алгоритмов расчета
При этом важно отметить, что при поверке функции «ВВ» расходомера в момент его выпуска из производства данная процедура должна осуществляться с применением датчика давления и температуры.
Помимо встроенных аттестованных алгоритмов, в соответствие с ГСССД, в числе преимуществ вихревых расходомеров также следующие возможности:
-удаленная передача данных, в том числе беспроводная;
-цифровая фильтрация сигнала;
-имитационная поверка без снятия с трубопровода;
-бесплатное фирменное сервисное и диагностическое ПО «ЭМИС»-Интегратор».
Вместе с тем необходимо заметить, что при требовании или желании заказчика может поставляться узел учета тепловой энергии «ЭМИС-Эско 2210», в состав которого также будет входить вычислитель, как отдельное средство СИ.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПАРА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Учитывая тот факт, что зачастую значение расхода пара изменяется, в зависимости от объемов производства и других факторов, существенную роль играет диапазон измерений. У вихревого расходомера этот показатель составляет от 1:20 до 1:40. Если же в качестве средства измерения используется сужающее устройство, то в комплектации с интеллектуальными датчиками давления его динамический диапазон с приемлемой для заказчика погрешностью будет в пределах 1:10. При этом стоимость комплекса будет сопоставима с вихревыми расходомерами.
Еще один важный момент, который надо учесть, это максимальная температура пара, которая может быть от +100 до +600 градусов. Расходомеры перепада давления способны работать во всем обозначенном диапазоне, предел для вихревых расходомеров составляет +450 градусов.
При этом прибор имеет конструктивные особенности и исполнения: перфорированную стойку, которая не допускает перегрева преобразователя, а также два датчика пульсации давления, расположенных за телом обтекания по обе стороны от него без выступления в проточную часть. Эти датчики также содержат пьезоэлементы, которые преобразуют пульсации давления в электрические сигналы.
УЗЛЫ УЧЕТА ПАРА НА БАЗЕ ДИАФРАГМЫ
В 2020 году в продуктовой линейке компании «ЭМИС» ожидается появление измерительных комплексов на базе сужающих устройств, в качестве которых используется диафрагма, что стало закономерным шагом в связи с запуском в 2018 году производства интеллектуальных датчиков давления «ЭМИС»-БАР». Их основная приведенная погрешность составляет от ±0,04 %, что позволяет осуществлять учет методом перепада давления с требуемой точностью.
По запросу заказчиков, компания «ЭМИС» готова поставлять полностью укомплектованные комплексы, включающие диафрагму, интеллектуальные датчики абсолютного и дифференциального давления «ЭМИС»-БАР», термопреобразователь, откалиброванные прямолинейные участки, фланцы, импульсные трубки, клапанные блоки, конденсационные и уравнительные сосуды и другие комплектующие для монтажа.
Узлы учета пара на базе вихревых расходомеров.
Как уже говорилось ранее, для измерения пара компания «ЭМИС» по требованию или желанию заказчика может поставлять измерительные комплексы «ЭМИС-Эско 2210» как средство измерения (внесены в Госреестр СИ под №72830-18), в состав которых входят: вихревой расходомер «ЭМИС»-ВИХРЬ 200», датчик давления «ЭМИС»-БАР», тепловычислитель и первичный преобразователь температуры утвержденного типа.
При использовании узла учета «ЭМИС-Эско 2210», в составе которого имеется контроллер, сохраняются ранее перечисленные преимущества вихревых расходомеров, но при этом появляются и дополнительные:
Наилучшим подтверждением надежности измерений с использованием вихревых расходомеров является многолетний опыт эксплуатации. В частности, расходомеры «ЭМИС»-ВИХРЬ 200» уже более 10 лет безотказно выполняют задачи по учету теплоносителей на предприятии «Магнезит». В своём отзыве заказчик отмечает, что с 2010 года по настоящее время для учета перегретого пара используются три измерительных узла на базе приборов «ЭМИС»-ВИХРЬ 200». Замечаний по их работе не выявлено. В процессе эксплуатации расходомеры показали себя надежным средством измерения, полностью соответствующим заявленным производителем параметрам.
Положительные отзывы поступили от многих заказчиков, в числе которых также специалисты «Уральского электрохимического комбината», входящего в госкорпорацию «Росатом»:
«Службой Главного энергетика АО «УЭХК» более 10 лет на коммерческих узлах учета пара используются преобразователи расхода вихревые «ЭМИС»-ВИХРЬ 200» Ду – 25, 50, 150. Приборы установлены как в помещениях, так и на улице. Общее количество – 14 штук. За время эксплуатации замечаний к их работе не зафиксировано, отрицательных результатов поверки не отмечено».
УЗЛЫ УЧЕТА АИП НА БАЗЕ «ЭМИС»-ВИХРЬ 200″ И ДИАФРАГМЫ
Обратная связь от заказчиков и их пожелания зачастую становятся стимулом к поиску новых задач измерения расхода. Так по запросу одной из нефтедобывающих компаний в 2011 году инженерный центр ЗАО «ЭМИС» первым в России разработал и запатентовал узел учета пара с автономным источником питания.
Измерительный комплекс запитывается от теплогенератора (ТЭГ), тепловая энергия преобразуется в электрическую, а показатели измеряемых параметров передаются оператору по GSM-каналу.
Принцип действия ТЭГ основан на эффекте Пельтье. Генератор устанавливается на трубопроводе ниже по потоку после расходомера, датчиков давления и температуры. Питание с ТЭГ посредством специального преобразователя напряжения передается на измерительные приборы, расположенные в шкафу. Сигналы с них поступают на расчетно-измерительный преобразователь или в электронный блок вихревого расходомера, который осуществляет вычисления и архивирует результаты. Также он обеспечивает связь с ПК для конфигурирования и передачи любых измеренных параметров по каналам связи общего пользования GSM/GPRS с помощью контроллера.
По желанию заказчиков термоэлектрический генератор может быть применен в качестве автономного источника питания и для узла учета на базе диафрагмы. Сигналы с датчиков давления и температуры будут поступать на вычислитель, далее при помощи передающего контроллера измеренные и вычисленные значения будут передаваться в сеть по GSM/GPRS/.
ЗАО «ЭМИС», предлагая различные варианты технических решений по учету пара, стремится максимально удовлетворить все требования и пожелания Заказчика, руководствуясь при этом основными принципами:
Если у вас остались вопросы по работе расходомеров или узлов учета, вы можете задать свой вопрос инженерам компании “ЭМИС”:
Понятие расхода. Характеристики потока среды
ПОНЯТИЕ РАСХОДА:
Объемный расход определяется по формуле:
Q = V • S,
где Q — объемный расход;
V — скорость потока;
S — площадь поперечного сечения потока.
Массовый расход определяется через плотность и объемный расход:
Qm = Q • ρ,
где Qm — массовый расход;
ρ — плотность измеряемой среды.
Как правило, в качестве объемных единиц измерения количества среды используют: литр (л), кубический сантиметр (см³) и кубический метр (м³); а массовых — грамм (г), килограмм (кг) и тонну (т).
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА:
Наиболее важными характеристиками потока, влияющими на характер движения среды, являются:
Вязкостью (динамической) называют физическое свойство текучей среды, характеризующее внутреннее трение между ее слоями. Единицей измерения вязкости является Пуаз (П), вязкость маловязких жидкостей и газов измеряют в сотых долях Пуаза — сантипуазах (сП).
Наряду с динамической вязкостью используют величину, называемую кинематической вязкостью:
где ν — кинематическая вязкость;
µ — вязкость.
Единицей измерения кинематической вязкости служит Стокс (Ст), на практике чаще используется его сотая часть — сантистокс (сСТ).
Вязкость жидких сред с увеличением температуры уменьшается, причем для различных жидкостей данная зависимость различна. В то же время, вязкость жидких сред зависит и от давления, обычно возрастая при его увеличении. Однако, при давлениях, встречающихся в большинстве случаев (до 20 МПа), это изменение незначительно и, как правило, не учитывается.
Для газообразных сред зависимость вязкости от давления и от температуры весьма существенна: с увеличением давления кинематическая вязкость газов уменьшается, а с увеличением температуры — увеличивается.
ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ:
Скорость потока, вязкость и плотность жидкости определяют режим движения жидкости в трубопроводе. Исследование вопроса о механизме движения сред привело к заключению о существовании двух режимов движения жидкости:
Критерием оценки обоих режимов является число Рейнольдса:
Re = (V • D • ρ)/µ = (V • D)/ν,
где Re — число Рейнольдса;
D — внутренний диаметр трубопровода.
Ламинарный режим движения наблюдается при Re 4000, хотя данное значение, в зависимости от условий движения потока, может оказаться большим. Режим движения при 2000 При турбулентном же режиме эпюра скоростей имеет более сглаженный характер. Закон распределения скорости по сечению трубопровода играет важную роль при определении действительного расхода среды. Так как данный закон в большинстве случаев неизвестен, используется определение средней скорости потока — скорость, с которой должны двигаться через поперечное сечение потока все частицы, чтобы расход среды был равен расходу, полученному с действительными неодинаковыми для различных частиц скоростями.
В зависимости от принципа измерения, осреднение скорости потока производится либо конструктивным путем, либо вытекает из самого принципа измерения. «Качество» осреднения скорости потока напрямую влияет на точность работы расходомера.
При прохождении потока среды через местные сопротивления (колена, тройники, клапаны ) нарушается распределение скорости потока по сечению трубопровода (поток дестабилизируется). Поэтому, как правило, после местных сопротивлений перед расходомером необходимо выдержать прямой участок для стабилизации потока, в противном случае погрешность измерений может увеличиться. Как правило, для современных расходомеров прямой участок «до» составляет порядка 5…20 DN. Более детальные данные о величине прямых участков приводятся в техническом описании конкретного прибора.