Přesné měření množství tepla předaného vodou v potrubích o velké jmenovité světlosti

Provozovatelé energetických zdrojů, které využívají fosilní paliva, jsou povinni usilovat o minimalizaci objemu vypouštěných emisí a maximální hospodárnost při provozování elektráren, tepláren a zdrojů páry a horké vody v dalších oblastech průmyslu.

 Pro správné posouzení účinnosti výroby tepelné energie předávané ve vodě je nezbytné přesné měření objemového průtoku topné vody na výstupu zdroje za všech běžných provozních stavů.

Jde o měření objemového průtoku horké vody, které je charakterizováno vysokou hodnotou Reynoldsova čísla, a jde tedy v podstatě vždy o turbulentní proudění.

Průtokoměry k měření množství tepla předaného vodou mají mít pokud možno co nejnižší tlakovou ztrátu, dlouhodobou stabilitu a malou nejistotu měření.

Obvykle jsou tyto průtokoměry umístěny na výstupu tepelných zdrojů, kde jsou jen omezené délky přímých úseků potrubí. Vysoká hodnota Reynoldsova čísla mj. znamená, že se poruchy proudění šíří do velkých vzdáleností za rušivými prvky (např. koleny nebo oblouky).

Současně se stále častěji objevuje požadavek na sledování možných úniků vody z potrubních systémů horkovodů. V tomto případě se měří objemový průtok a teplota topné vody na výstupu ze zdroje v potrubí s vyšší teplotou i v potrubí s nižší teplotou.

V matematickém členu pro měření tepla předaného vodou je objemový průtok přepočten na hmotnostní průtok. Pro určení možného úniku vody z potrubí se pak porovnávají hmotnostní průtoky a protečená hmotnostní množství v potrubích s vyšší teplotou a s nižší teplotou.

Aplikace, která splňuje uvedené požadavky, byla v České republice uvedena do provozu v roce 2018 – ve významné energetické společnosti, která vyrábí elektřinu a teplo v kombinovaném cyklu. 

Popis úlohy

Provozovatel využívá třítrubkový systém. V zimních měsících proudí topná voda o vyšší teplotě potrubím DN 700, voda o nižší teplotě je dopravována dvěma potrubími DN 500 provozovanými paralelně. V letním provozu jsou využívána pouze potrubí DN 500 – jedno pro topnou vodu o vyšší teplotě, jedno pro topnou vodu o nižší teplotě.

Provozovatel požadoval měření množství tepla předaného vodou a také porovnání hmotnostního průtoku v potrubí s vyšší teplotou a v potrubí s nižší teplotou pro sledování možných netěsností potrubního systému.

Pro měření objemového průtoku byly dodány a instalovány tříkanálové ultrazvukové průtokoměry Krohne Optisonic 3400 F DN 400 a DN 500. Tyto průtokoměry mají celosvařovaný snímač, senzory nejsou opatřeny elastomerovým těsněním a přístroje získaly certifikát schválení typu měřidla pro aplikace mimo MID, platný v České republice, a to i pro měření v obou směrech.

Pro měření s malou nejistotou v celém požadovaném rozsahu průtoků byl průměr potrubí redukován. Před průtokoměry byly osazeny usměrňovače průtoku vyrobené v souladu s ČSN EN ISO 5167 (Měření průtoku tekutin pomocí snímačů diferenčního tlaku). Průtokoměr v potrubí DN 500 měří obousměrně v závislosti na provozním režimu soustavy potrubí, usměrňovače průtoku bylo proto nutné osadit na obě strany průtokoměru.

Odporové snímače teploty jsou osazeny v monolitických jímkách mimo přímé úseky průtokoměrů a senzor teploty je umístěn v ose potrubí.

Uspořádání měřicí sestavy je patrné ze schématu na obr. 1. Měřené hodnoty objemového průtoku a teploty topné vody jsou zpracovávány v matematickém členu Inmat 57D. Výsledky měření jsou přenášeny sběrnicí Modbus do řídicího systému zdroje tepla. 

Realizace měřicích sestav

Měřicí sestava byla instalována v létě 2018. Na obr. 2 jsou vidět přímé úseky se snímači průtokoměrů a usměrňovači průtoků. Redukce potrubí jsou pozvolné tak, aby přispívaly (spolu s usměrňovači průtoku) k další symetrizaci tvaru rychlostního profilu. Usměrňovače průtoku (obr. 3) se skládají z devatenácti trubek v přírubovém potrubním úseku. Tento typ usměrňovače průtoku se vyznačuje zanedbatelnou tlakovou ztrátou a je možné jej vyrobit v souladu s požadavky dodavatele průtokoměrů.

Převodníky ultrazvukových průtokoměrů byly spolu s matematickými členy Inmat 57D umístěny do společné rozvodné skříně zároveň s jisticími prvky a převodníky pro komunikaci. Celá měřicí sestava je napájena ze zálohovaného zdroje. 

Závěr a dosažené výsledky

Realizovaná sestava pro měření množství tepla předaného vodou splnila požadavky zadavatele. V letním i zimním provozu jsou množství vyrobeného tepla i hmotnostní průtok vody v potrubích s nižší a vyšší teplotou měřeny s nejistotou menší než 0,5 % z měřené hodnoty.

Potvrdily se vynikající vlastnosti tříkanálových ultrazvukových průtokoměrů Krohne Optisonic 3400, které ve spojení s usměrňovači průtoku představují nejlepší řešení dostupné na trhu pro měření tepla předaného vodou v tepelných napáječích.

[Podklady firmy KROHNE.]

Ing. Petr Komp, KROHNE CZ, spol. s r. o.

Obr. 1. Uspořádání měřicí sestavy

Obr. 2. Průtokoměry a jejich přímé úseky v průběhu montáže

Obr. 3. Usměrňovač průtoku

Obr. 4. Rozvodná skříň