Jakub Petruška1 SLEDOVÁNÍ ENERGETICKY NÁROČNÝCH PROCESŮ Abstrakt Tento článek shrnuje průběh odborné stáže „Partnerství v oblasti energetiky“, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080 pod záštitou Evropské unie. Prvním řešeným úkolem byl teoretický rozbor prádelenských strojů a měřících přístrojů a následná tvorba katalogových listů potřebných pro testovací provoz výzkumné laboratoře. Součástí stáže byl též komplexní rozbor trhu s přístroji a doplňky měření průtoků a spotřeb různých médií následovaný návrhem přenosné sestavy pro měření jak v laboratoři, tak v terénu. Toto bylo ještě rozšířeno o studii podmínek a zásad tvorby potrubních systémů a rozvodů. Klíčová slova Průtok, P&ID, spotřeba, měření, neinvazní, invazní, schéma. Abstract This article summarizes a progress of the technical study “Partnership in power engineering area” under the patronage of the European Union. A part of this study were theoretical analysis of installed laundry machines and measuring device and subsequent creation of catalog pages needed for test operation of the R&D laboratory. A part of the study was also complex analysis of market with devices and complements of measuring flows and consumption of various media following by project of portable set for measuring both in laboratory and field. This was extended by a study of conditions and principles of production of pipe systems and distributions. Keywords Flow, P & ID, consumption, measurement, non-invasive, invasive, scheme.
1
ÚVOD
V době, kdy ceny energií neustále rostou, je třeba brát zřetel na spotřeby používaných strojů. Spotřeba vybraného stroje bohužel nebývá stálá, nýbrž se časem zvyšuje stejně tak, jako se časem zhoršují i jeho provozní vlastnosti. Často také požadujeme po výrobku vysoké přesnosti v určitých parametrech, které výrobce neuvádí.
1
Jakub Petruška, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2 Brno 616 69, e-mail:
[email protected].
1
Proto je pro firmu výhodné využít nabídky energetického auditu. Dlouhodoběji je však ještě výhodnější mít vlastní univerzální sestavu pro provádění občasných energetických auditů, jak ve vlastních prostorách, tak pro případ výjezdu do jiných firem.Samozřejmě čím menší a kompaktnější sestava je, tím je i snadnější manipulace a vlastní měření. Stěžejním cílem stáže tedy bylo navrhnout polní laboratorní stanici využitelnou v co největším možném spektru firem. To bylo provedeno ve spolupráci s výzkumným centrem a pod dohledem odborníků z firmy Primus. Měřící technika se testovala jak v laboratořích NETME centra tak v provozu BLAHA V, s.r.o.
2
CÍL
„Navrhnout polní instrumentaci vhodnou pro krátko- až střednědobé měření pro konkrétní případ laboratoře ENP v NETME Centre s ohledem na minimální zásah do stávající infrastruktury.“ Instrumentace by měla být kompatibilní s co největším rozsahem potrubních a energetických systémů. Měla by být rychle smontovatelná a s uceleným přehledným výstupem.
2.1 Požadavky Měření je uskutečňováno na potrubí co nejblíže ke stroji, aby se zamezilo nepřesnostem z vlivu ostatních strojů. Přednostně jsou brány přístroje s co nejnižší hmotností a co nejjednodušším připojením do procesu. Výhodou je také jednotný výstup z měřidel. Pro měření průtoku byl vybrán pulzní výstup. Výhodou pulzního výstupu je možnost měření celkové spotřeby media. Což by se u analogového signálu muselo řešit přes integraci plochy grafu. Přínosem by měla být oboustranně výhodná spolupráce mezi firmami předpokládající další rozvoj energeticky úspornějších strojů a přesnějších testovacích přístrojů.
3
VLASTNÍ MĚŘIDLA
Měřící přístroje můžeme rozdělit do dvou skupin. První skupinou, pro nás výhodnější, jsou neinvazivní měřidla. Ta jsou v provozu použitelná bez jediného zásahu do potrubí a kabeláže. Tedy je možné instalovat a spustit měření bez přerušení provozu. Druhou skupinou jsou invazivní měřidla. Pro jejich začlenění je nutný zásah. Provoz musí být v tomto případě přerušen.
3.2 Bezzásahová (neinvazivní) měřidla Neinvazní měřící přístroje jsou nejlepší možností pro přenosnou měřící stanici. Pouhé přiložení přístroje k vnější stěně potrubí či zachycení do měřících kleští stačí jako příprava k odběru potřebných informací. Neinvazní průtokoměry fungují na bázi ultrazvuku a to buď na Dopplerově principu nebo na principu měření doby průchodu médiem. U Dopplerova principu vyšle vysílač signál o předem dané frekvenci a příjme signál o změněné frekvenci odražený od částic média. V druhém případě je měřící přístroj rozdělen na vysílač a přijímač. Případně se může jednat i o více vysílacích a přijímacích párů. Vysílač na jedné straně vyšle signál pod určitým
2
úhlem po směru proudění a přijímač na druhé straně potrubí ho zachytí a vyhodnotí dobu průchodu. Vysílač na druhé straně pošle proti proudu signál zpět do jemu párového přijímače a opět proběhne vyhodnocení. Tyto přístroje potřebují ke správné činnosti sypké látky nebo kapaliny o předem dané minimální hustotě. Nově je také možné se speciálními typy těchto přístrojů měřit i průtok některých plynů. Nevýhodou však je požadavek na vysoký tlak (u zemního plynu cca od 7Bar), který se vyskytuje převážně jen u dálkových potrubí. Je tedy možné říci, že pro laboratorní měření jsou neinvazní průtokoměry nevhodné v zaměření na páru, plyn či spaliny. Pro měření průtoku vody jsou lehce nahraditelné klasickými invazními měřidly, vůči nimž jsou více jak stonásobně dražší. Neinvazně lze měřit také spotřebu elektrické energie. Zde je však pojmenování „neinvazně“ poněkud zavádějící. Je třeba totiž oddělit jednotlivé fáze od sebe a měřit každou zvlášť. Není ale třeba vedení přerušovat a vkládat měřící prvek mezi přerušené části. Měření probíhá ve formě zkoumání magnetického pole v okolí vodiče (elektromagnetická indukce).
3
Obr. 1 - Katalog neinvazních průtokoměrů
4
3.3 Invazivní prvky Pro invazivní měření průtoku vody postačí odpojení přívodních hadic a vložení jednoduchého průtokoměru (v případě připojení studené vody) či průtokoměru pro vysoké teploty a teplotního čidla připojeného přes T-fitinku (v případě horké vody). Pro takovýto zásah do systému není třeba žádné speciální oprávnění. Při měření průtoku plynu je třeba zjišťovat přesnou hodnotu, která je závislá na teplotě a tlaku. To se dá řešit buď zapojením teploměru, tlakového senzoru a následném vyhodnocení naměřených hodnot nebo pořízením dražšího přístroje s již zabudovaným vyhodnocovacím systémem. K přípravě potrubí pro zapojení plynoměru je třeba vlastnit oprávnění „Montér vnitřního rozvodu plynu a zařízení“ nebo „instalatér“. Problém závislosti objemu na tlaku a teplotě je třeba řešit i v případě měření páry. Zde je ale třeba zajistit vysokoteplotní odolnost sestavy. Pro tento problém se hodí nejvíce nepřímá měření za pomoci clonových tratí, různých dýz nebo vírových průtokoměrů. V prvních dvou případech se jedná o měření tlakové diference před a za překážkou. Ve třetím případě jde o měření frekvence vibrací jež překážka vytváří.Nevýhodou těchto způsobů měření je nutnost zařazení delších rovných úseků před a za měřící přistroj kvůli zamezení ovlivnění měření turbulencemi z okolního potrubí. V případě spalin je nevýhodou velký (a nenormovaný) průměr potrubí. V tomto případě se vyplatí poohlédnout se spíše po čidle, které je možno vložit průzorem ve stěně potrubí, než po kompletní náhradě potrubního úseku. Pak je ale třeba řešit přepočet rychlostního průtoku na průtok objemový či hmotnostní. U spalin je důležité zaobírat se i jejich složením. Například obsah kyslíku udává dokonalost spalování zemního plynu.
4
CLONOVÉ TRATĚ
Clonové tratě jsou speciální přístroje na souhrnné měření více různých parametrů média. Je tedy třeba zvlášť prozkoumat jejich vhodnost pro přenosnou sestavu. Měření průtoku za pomoci clony resp. Clonové tratě se řadí mezi nepřímé měření. Samotný průtok je zjišťován z rozdílu tlaku před a za clonou. Clonová trať se skládá z vlastní clony, přídavného rovného kusu potrubí před a za clonou, různých vstupů pro další měření a přídavných měřících zařízení. Z důvodu nestálých parametrů plynů a par je zde zařazeno čidlo teploty a přídavné tlakové čidlo. To může být pro vysokoteplotní měření zajištěno kondenzační smyčkou, která čidlo ochrání před poškozením. Všechny boční vývody musí být samozřejmě zajištěny uzavíratelnými kohouty a těsněním proti případnému úniku měřené látky do okolního prostoru.
Obr. 2 - změna tlaku při průtoku clonou
5
4.1 Využití Této metody se využívá hlavně u médií u kterých není možné (příp. velmi složité) použít přímých metod. To jsou hlavně různé páry, spaliny či plyny. Podle druhu média se také řeší úhel nastavení dvou výstupů ze clony. Například pro měření průtoku páry je nejpříhodnější úhel 180°. K výstupům se totiž v tomto případě připojují kondenzační nádoby s tekutinou, která přenáší měřený tlak do diferenciálního tlakoměru. U měření plynů za relativně nízkých teplot nejsou nádoby potřeba a je tedy možné nastavení úhlu výstupů libovolně v závislosti na okolních podmínkách. V praxi se s těmito měřícími systémy shledáme jen zřídka a to v případech různých testovacích hal nebo laboratoří. Firmy se obyčejně nezabývají spotřebou energií takto do hloubky.
Obr. 3 - clonová trať upravená pro páru
4.2 Výhody a nevýhody Výhodou je tedy možnost měření průtoku jakékoliv tekuté látky s velkou teplotní variabilitou. Hlavní nevýhodou je nutnost zařazení přímých úseků potrubí před a za clonu. V praxi se jedná přibližně o desetinásobek vnitřního průměru potrubí i více. Od toho se odvíjí i problémy s rozměry a hmotností sestavy. Například sestava pro měření průtoku horké páry potrubím o průměru 80mm bude měřit 1,5 metru a může vážit až 60 kilogramů.
6
5
VYBRANÁ SESTAVA
Pro sestavu byly vybírány přístroje s pulzním výstupem nebo za použití USB a RS485 připojení (u složitějších přístrojů). Pro průtok vody se vzhledem k ceně hodí nejvíce klasický vodoměr s pulzním výstupem v ceně do 500 kč. Ve stejné cenové kategorii se nachází i teplotní čidlo, u kterého je ale vzhledem k jeho odporovému výstupu třeba použít operačního zesilovače pro úpravu výstupního proudu.
Obr. 4 - průzkum trhu s průtokoměry na vodu Vybraný plynoměr v ceně od 20000 kč má už integrovány snímače teploty a tlaku. Tzn. že výstupní signál již udává přesnou hodnotu průtoku. Levnější domovní plynoměry v ceně kolem tisíce korun by bylo nutné doplnit čítačem impulzů, tlakoměrem a teplotním čidlem. Což také není levná záležitost. Navíc je třeba vyřešit softwarové vybavení pro přepočet na reálnou hodnotu průtoku. Průtokoměry na páru nejsou obvyklým zbožím, proto se jejich ceny pohybují ve vyšších sférách. Pro vybraný průtokoměr OPTISWIRL uvádí prodejce cenu od 40000kč. Hodnota potřebné objednávky bude ale dle předpokladu ještě o polovinu vyšší. Průtok spalin je situován v potrubí o velkém průměru a proto se zde nevyplatí používat klasický průtokoměr nahrazující celý průměr potrubí. Mnohem lépe se pro toto hodí čidlo, které se vsune do potrubí relativně malým otvorem ve stěně. Nedochází tedy k tak masivnímu porušení systému. Vhodné přístroje pro tuto operaci jsou hlavně vrtulková čidla a pitotovy nebo prandtovy trubice. Z hlediska ceny a přesnosti se zde nejlépe uplatní právě pitotova trubice. Ta pracuje na principu rozdílu tlaku ve směru proudění a tlaku ve směru na něj kolmém.
Obr. 5 – vybrané typy přístrojů
7
5
KATALOGIZACE STROJŮ, PŘÍSTROJŮ A MĚŘENÍ
Na trhu se vyskytuje mnoho výrobců a každý uvádí u strojů parametry dle svého uvážení a potřeb. Potřeby odběratele se ale mohou lišit. Bylo tedy třeba zobecnit nejdůležitější z parametrů a vytvořit komplexní katalogový list s číselnými kódy k jednotlivým parametrům. Hlavní myšlenkou byla jednoduchost a snadné zařazení do webového rozhraní o co nejužším bitovém rozsahu. Jedná se tedy převážně o podporu programátora PHP. Pro vytvoření kódů bylo využito znakové normy ČSN ISO 3511 respektive její posloupnosti parametrů.
5.1 Katalogové listy Další částí úkolu bylo vytvoření katalogových listů pro zadávání informací jak ručně tak v elektronické formě (XML kód). Tištěné katalogové listy budou sloužit pro okamžitý soupis informací k testovanému stroji. Budou zde zaznamenány přesné parametry dané výrobcem i dimenze připojených médií. Elektronická forma bude sloužit k dlouhodobému uskladnění a případnému exportu dat do dalšího procesu.
6
PRAVIDLA A ZÁSADY TVORBY POTRUBNÍCH SYSTÉMŮ
Jelikož bude měřící sestava převážně invazivního charakteru, je třeba znát potřebné předpisy a zásady. Případně kde a jak získat potřebná povolení a autorizace. Základem pro tvorbu systému rozvodu elektřiny a tekutých médií je projektová dokumentace. Autoři musí splňovat několik podmínek dle toho, o jaký typ dokumentace jde. Pro obor elektrotechnika je třeba Elektrotechnická kvalifikace dle vyhlášky 50/1978Sb. §10. Pro návrh vodovodního a plynového potrubí je třeba udělení autorizace od České komory autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě dle zákona 360/92Sb. §5. Každý typ potrubí má vlastní přesně dané podmínky návrhu a instalace. [3,4] Například podmínky návrhu parního potrubí:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Obr. 6 - shéma parovodního systému Potrubí se ukládá se spádem ve směru proudění(1:100 až 1:200) Provádí se kompenzace délkové roztažnosti Parovody jsou velmi horké a roztahují se tomu odpovídající intenzitou, proto je třeba pečlivě vřazovat pevné body i volná uložení Dostatečné množství míst k vypouštění vody Odvodnění nízko uložených míst Odvodnění konců potrubí Je třeba bezpodmínečně zajistit odvzdušnění parovodů.
8
6.1 P&ID schéma „Jedním z nejkomplexnějších zobrazení jsou technologická schémata P&ID (Process and Instrumentation Diagram). Nesou základní grafické informace o technologii daného výrobního procesu. Jsou nezbytná při návrhu, výstavbě i provozování celého technologického zařízení. Přehledně zachycují veškeré toky látek a energií. A to jak látek a energií přímo účastnících se výroby (suroviny, palivo), tak i pomocných, které zabezpečují správný chod a bezpečnost celého procesu (tlakový ovládací vzduch, chladící voda, atd.). Technologická schémata zobrazují veškerá potřebná zařízení od armatur přes tepelné výměníky, čerpadla, ventilátory, dopravníky až po nejrůznější měřidla a ovládací prvky.“
6.1.1 Pravidla tvorby P&ID schémat „Základním požadavkem při tvorbě technologických schémat je, aby obsahovaly co možná nejvíce informací při současném zachování přehlednosti a čitelnosti.“ Toky hlavních médií směřují vždy zleva doprava nebo odspodu nahoru. Ve schématech platí zákon gravitace, tzn. kapalina se v nádrži vyskytuje ve spodní části, popílek z dopravníku padá směrem dolů, horké plyny (pára, spaliny) stoupají vzhůru. Dodržovat základní tvary zobrazovaných zařízení tak, aby jejich schématické vyjádření co možná nejlépe vystihovalo jejich tvar či funkci. Pro většinu běžně používaných přístrojů lze nalézt schématické značky v normách. Důležité je dodržovat směr toku média zařízením. Například pohon dopravníku, vzhledem ke směru dopravovaného média, by se měl vyskytovat na správné straně. Při křížení čar důsledně vyznačit zda jde o směšovací uzel, nebo zda se potrubní trasy nezávisle míjejí. ČSN normy značení byly zrušeny (dříve ČSN ISO 14617). V praxi se nyní můžete setkat s více možnými kombinacemi značení. V elektrárenství se pro jednotné značení používá norma KKS-ČEZ. [1]
Obr. 7 - P&ID schéma
9
7
PRAKTICKÉ MĚŘENÍ
Praktické měření spotřeb energeticky náročných procesů proběhlo ve dnech 12. a 13.8.2013 ve firmě BLAHA V, s.r.o. Jednalo se o měření spotřeby plynu, páry a vody, a odtahu a složení spalin jak při práci jednoho stroje, tak při chodu všech strojů v hale. Pro měření práce jednoho stroje bylo nutné zastavit provoz ostatních strojů z důvodu odečítání některých parametrů z čidel snímajících celou budovu.Souhrnné měření probíhalo za normálního plného provozu.
7.1 Cíl Hlavním cílem bylo zjistit ztrátovost procesu a možnosti jeho vylepšení. Dalšími cíli bylo otestování funkčností a přesností jak instalovaných měřících přístrojů tak vlastní měřící sestavy.
7.2 Měření Měření probíhalo jak na vlastních přístrojích (anemometr, analyzátor spalin,…) tak na již instalovaných měřičích (plynoměr s vyhodnocovačem). Nevýhodou u integrovaných přístrojů bylo jejich umístění v procesu. Jejich zapojení před celým komplexem dalších částí rozvodů znesnadňovalo určování spotřeb pro jednotlivé stroje. Proto bylo třeba zajistit aby v celém komplexu běžel po potřebnou dobu pouze jeden přístroj.
7.3 Vyhodnocení
Obr. 8 - Instalace a využití vlastních měřidel v praxi Výsledná zpráva s návrhy vylepšení přispěla jak testované firmě tak výzkumnému centru. Majitel firmy nyní zvažuje modernizaci a úpravu stávajícího vybavení a patrně i pořízení nového, energeticky méně náročného. Výzkumné centrum nabylo praxe v použití vlastního vybavení v externích podmínkách. Dalším pozitivem bylo otestování nových měřících přístrojů a zjištění vyžadovaných parametrů pro pořízení dalšího vybavení.
10
Firma Primus tímto získala náhled do provozu odběratele širšího sortimentu výrobků a přehled o jejich potřebných parametrech pro daný provoz. Získala také možnost přímé konzultace s potenciálním zákazníkem.
8
ZÁVĚR
Práce byla pro výzkum přínosem a bude využita jako podklad pro dokumentaci k nákupu reálné měřící sestavy. Také jí bylo poukázáno na některé nedostatky na stávajícím trhu s měřicími přístroji. Neinvazivní měřiče pro pomalé průtoky v malých průměrech potrubí v podstatě neexistují. To dává možnost dalšímu bádání. Tato práce byla i pro mne velmi přínosná. Naučil jsem se zde správnému zhodnocení dostupných informací a jejích zpracování k dalšímu využití. Zjistil jsem, že výzkum v praxi není jen o měření a zpracování informací, že je mnoho dalších důležitých činností mnohdy důležitějších, než samotný sběr informací. Získal jsem široký přehled o procesech, strojích a přístrojích v oboru energeticky náročných procesů. To vše bylo obohaceno o znalosti norem a zákonů o navrhování potrubních a elektrických systémů.
Poděkování Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080.
11
[1]
[2] [3]
[4]
[5]
[6]
Literatura MICHL, Vladimír. Technologická schémata P&ID. In: CAD wiki: CAD Fórum WIKI [18.Juny 2011]. [cit. 2013-09-27]. Dostupné z: http://www.cadwiki.cz/Technologicka-schemata-P-ID.ashx ČSN 3511. Měření, řízení a přístrojové vybavení technologických procesů: Schématické zobrazování. Praha: ČESKÝ NORMALIZAČNÍ INSTITUT, 2005. VYHLÁŠKA Českého úřadu bezpečnosti práce a Českého báňského úřadu: O odborné způsobilosti v elektrotechnice. In: 50/1978 Sb. 19.května 1978. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/pravni-predpisy/vyhlaska-c-50-1978-sb-ceskeho-uradubezpecnosti-prace-a-ceskeho-banskeho-uradu-o-odborne-zpusobilosti-velektrotechnice ZÁKON České národní rady: O výkonu povolání autorizovaných architektů a o výkonu povolání autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě. In: 360/1992 Sb. 7.května 1992. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/pravnipredpisy/zakon-c-360-1992-sb-o-vykonu-povolani-autorizovanych-architektu-a-ovykonu-povolani-autorizovanych-inzenyru-a-techniku-cinnych-ve-vystavbe BAŠTA, Jiří. Značky pro kreslení dokumentace ve vytápění. In: TZB-info [24.October 2000]. 24.10.2000 [cit. 2013-09-27]. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/tabulky-avypocty/114-znacky-pro-kresleni-dokumentace-ve-vytapeni PRIMUS. PRIMUS: Laundry equipment [online]. [cit. 2013-09-27]. Dostupné z: http://www.primuslaundry.com/cz/
12
