Отправить заявку

Измерение количества природного газа и тепловой энергии.


обложка Методы и Средства

Измерение количества природного газа и тепловой энергии.

В соответствии с ФЗ № 261 об «Энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ», практически все потребители энергоресурсов должны быть оснащены приборами учета используемых воды, природного газа, тепловой энергии, электрической энергии, являющимися основными энергоресурсами. Основой для учета какого-либо энергоресурса является измерение его количества (или расхода). Под расходом среды в общем случае понимают количество данной среды, протекающее через поперечное сечение в единицу времени. Рассмотрим для определенности природный газ.

Для коммерческого учета, т.е. взаимных финансовых расчетов между поставщиком природного газа, газораспределительной организацией и потребителем, в соответствии с Правилами учета газа, расход природного газа  определяют в единицах объемного расхода, приведенного к нормальным условиям. При этом содержание термина «нормальные условия» в данном случае отличается от принятого  в курсе физики, но совпадает с термином «стандартные условия». Так, при взаимных финансовых расчетах нормальные условия то же самое, что и стандартные условия, а именно  —  это состояние вещества с параметрами: абсолютное давление Рс = 0,101325 МПа = 1,03323 кгс/см2, температура Тс = 293,15К (tc=20°C). Для сравнения,   в физике «нормальные условия » это состояние с параметрами: абсолютное давление:  Рс  = 0,101325 МПа = 1,03323 кгс/см 2, Т=273,15 К (tc = 0°C).

То, что взаиморасчеты ведутся в единицах объемного расхода, приведенного к нормальным (или стандартным) условиям связано с тем, что именно этот вид расхода прямо пропорционален массовому расходу, для которого справедлив  принцип неразрывности потока: массовый расход стационарного потока одинаков для любого сечения трубопровода.

Уравнение, связывающее массовый и объемный расходы имеет следующий вид:

Gм = Gо * ρ = Gс * ρс        (1)

где Gм – массовый расход газа, Gо – объемный расход газа, Gс — объемный расход, приведенный к нормальным (стандартным) условиям, ρ — плотность газа при рабочих условиях, ρс — плотность газа при нормальных (стандартных) условиях. Обычно принимается, что плотность газа при стандартных условиях – величина условно постоянная в течение финансового периода – календарного месяца. Плотность реального газа при рабочих условиях обычно определяют косвенным методом, через давление и температуру, с учетом фактора сжимаемости газа Z по формуле:

ρ = 103μ*Р/(R*T*Z)        (2)

где μ — молярная масса, в кг, R — универсальная газовая постоянная. Плотность газа при стандартных условиях определяется при Р=Рс  и Т=Тс, т.е. по соотношению: ρс = 103μ*Рс/(R*Tс*Zс)     (3)

Подставляя (2) и (3) в уравнение (1) и учитывая стандартные численные значения Рс и Тс  в системе СИ, получим итоговую формулу для пересчета измеренных параметров газового потока в искомую величину — расход при нормальных (стандартных условиях), которая используется для финансовых расчетов.

Gс= Gо*ρ/ρс=2893,17Gо*и +0, 101325)/((273, 15 + tи)*К)   (4)

где К= Z/Zс — коэффициент сжимаемости; Ри — избыточное давление; tи  — температура газа (в °С). Из выражения  (4) видно, что для получения расхода при нормальных (стандартных) условиях необходим комплект средств измерений (СИ), а именно – собственно расходомер газа, датчик избыточного давления, датчик температуры и вычислитель. Этот комплект средств измерений обычно называется измерительным комплексом или узлом учета газа. Возникает естественный вопрос: почему же при учете газа населением они используют обычные бытовые счетчики, не оснащенные дополнительными СИ? Ответ следующий. Бытовые счетчики для населения устанавливаются в помещении после регулятора  давления на так называемую «низкую сторону», при этом избыточное давление перед счетчиком составляет порядка 0,002 МПа. При установке счетчика в помещении молчаливо предполагается, что температура газа в районе счетчика близка к 20°С, а избыточное давление в 0,002 МПа пренебрежимо мало по сравнению со слагаемым 0,101325 МПа. Подставляя в выражение (4) значения избыточного давления в 0,002 МПа и температуры в 20°С, получим, что значения Gо совпадает со значением Gс с погрешностью порядка 2%, что меньше  обычной погрешности бытовых счетчиков порядка 3- 4%.

Еще раз отметим, что в общем случае, в  соответствии с формулой (4),  большинство узлов учета природного газа, используемых для взаимных финансовых расчетов  содержат:  датчик избыточного давления, датчик температуры, датчик объемного расхода (или количества) газа при рабочих условиях, а также  вторичный электронный блок, производящий измерения времени и необходимые вычисления.

Если энергоресурсом  является  горячая вода, а целью учета — количество теплотой энергии, то в основе измерений лежит первый закон термодинамики – закон сохранения и превращения энергии.

Уравнение первого закона термодинамики для потока жидкости (в данном случае горячей воды) имеет следующий вид:

Q1-2 = G*(i2 –i1 )+G* (w22/2 – w12/2) +G*g*(h2 — h1) + Lтехн.+ Lтр  (5)

где Q1-2 – подводимое или отводимое от потока жидкости между сечениями 1-2 тепло, G – массовый расход жидкости, (i2i1) – изменение удельной энтальпии потока,  w2 ,w1  — скорости потока в сечении 2 и 1, (h2h1) — разность высот, на которых расположены сечения 1 и 2, g – ускорение свободного падения, Lтехн. и Lтр – соответственно техническая работа и работа на преодоление сил трения на стенках канала (трубопровода). При этом полагается, что течение стационарное, среда однофазная, без отвода или подвода массы.

С учетом того, что Q1-2 складывается из тепла, поступающего извне Q1-2внешн. и тепла трения Q1-2трения: Q1-2 = Q1-2внешн. +Q1-2трения , а Q1-2трения = Lтр , то

Q1-2внешн = G*(i2 –i1 )+G*(w22/2 – w12/2) +G*g*(h2 — h1) + Lтехн.  (6)

Если рассматриваемый участок находится на одном геометрическом уровне h2 = h1, если поток не совершает на нем никакой технической работы (не вращает, к примеру, турбину) Lтехн.=0, и его скорость не меняется w2 =w1, то

Q1-2внешн = G*(i2 –i1)

Это уравнение показывает, что тепло, подводимое к потоку или отводимое от него, расходуется на изменение энтальпии жидкости или газа.

Для закрытой системы теплоснабжения, т. е. системы, где нет отбора горячей воды из системы, а тепло отводится от потока для обогрева помещения, уравнение запишем в виде

Q = G*(i1i2)      (7)

где  i1  и i2 – энтальпия воды соответственно в подающем и обратном трубопроводе.

В общем случае, энтальпия является функцией температуры и давления теплоносителя.

Считая воду практически несжимаемой, можно пренебречь зависимостью энтальпии от давления, и с пригодной для практических расчетов точностью вычислить удельную энтальпию воды по формуле:

i12* t + В3* t2 , кДж/кг

где t,ºС —  температура, В1 ¸ В3 – коэффициенты, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Значения коэффициентов для расчета удельной энтальпии воды.

Диапазон температуры, град. С В1           В2    В3*10000
0-90 0,61909182 4,1793106 0,5681181
90-150 7,318027 4,0298544 9,0537089

Измеряя соответствующими датчиками (измерительными преобразователями) массовый расход воды, а также температуру воды в прямом и обратном трубопроводах и производя вычисления по формуле (4.7) можно получить значение тепловой энергии.

Таким образом, как и в случае с природным газом, для измерений количества теплоты необходимо иметь измерительный комплекс (узел учета тепла), включающий в себя, в данном  случае,  датчик массового расхода и два датчика температуры.

Совершенно аналогично обстоит дело и с измерением любого другого энергоресурса — необходимо иметь измерительный комплекс (узел учета), состоящий из соответствующего набора датчиков и вычислителя.   Этими датчиками являются датчики давления, датчики температуры, датчики расхода (или количества).