Теплоавтоматика Danfoss, Clorius, Samson, Honeywell.

Наиболее остро проблемы учета количества теплоты и массы теп­лоносителя в водяных системах теплоснабжения встали после выхода «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя» [1], которые не только не решили, но и усугубили их. Наличие дан­ных проблем ставит под сомнение достоверность учета количества тепло­ты и массы теплоносителя в водяных системах теплоснабжения, особенно это касается открытых систем теплоснабжения.

В чем же заключаются данные проблемы? Проблемы в области учета количества теплоты и массы теплоносителя можно классифицировать следующим образом:

• несовершенство нормативно-технической базы в данной области;
• недостаточная метрологическая надежность средств измерений, входящих в состав узла учета количества теплоты;
• защита средств измерений, входящих в состав узла учета количе­ства теплоты от несанкционированного вмешательства.

Рассмотрим более подробно каждую из них в отдельности.

Несовершенство нормативно-технической базы

Начнем с алгоритма вычисления количества теплоты, израсходован­ного потребителем за расчетный период

В соответствии с [1], применяются две расчетные формулы: для закрытой системы теплоснабжения –

Q_пот=M₁(h₁-h₂),, (1)

а для открытой

Q_пот=M₁(h₁-h₂)+M_ут(h_2и-h_хв),, (2)

где М1, М2 - масса теплоносителя, прошедшего по подающему и обратному трубопроводам системы теп­лоснабжения потребителя;

h1, h2 - энтальпия теплоносителя соответственно в подающем и обратном трубопроводе системы тепло­снабжения потребителя;

Мут - масса утечки теплоносителя в системе тепло­снабжения потребителя, Мут = М1, - М2,

h2и - энтальпия теплоносителя в обратном трубо­проводе системы теплоснабжения на вводе источника теплоты;

hхв - энтальпия холодной воды, используемой для подпитки системы теплоснабжения на источнике теплоты.

Величины h2и и hхв определяются по измеренным на источнике теплоты температурам.

Анализ формул (1) и (2) показывает:

• в закрытой системе теплоснабжения количество теплоты, израсходованное потребителем за расчет­ный период, измеряется теплосчетчиком, установлен­ным у потребителя;
• в открытой системе теплоснабжения измеряется только первое слагаемое формулы (2), а второе сла­гаемое рассчитывается энергоснабжающей организа­цией по показаниям приборов (теплоавтоматика), установленных на источнике, т. е. налицо приборно-расчетный метод.

Чтобы уйти от приборно-расчетного метода, раз­работчики «Правил...» предложили примерно через год после их выхода в формуле (2) заменить л2и на л2, a hm принять в качестве константы. Данные предложе­ния были опубликованы в бюллетенях Главгосэнерго-надзора. Однако официальные документы об измене­нии расчетной формулы (2), приведенной в [1], на данный момент отсутствуют.

На сегодняшний деньдля расчета израсходованного потребителем количества теплоты в открытых системах теплоснабжения используются формулы, приведенные в [2], в частности, формула:

Q_пот=М₁(h₁-h₂)+(М₁-M₂)(h₂-h_хв),, (3)

легко заметить, что формула (2) превращается в формулу (3), если в ней заменить h2и на h2. Если рас­крыть скобки в формуле (3) и привести подобные члены, то получим формулу

Q_пот=М₁(h₁-h_хв)-M₂(h₂-h_хв), (4)

которую можно использовать как для открытых, так и для закрытых систем и которая также приведена в [2].

Сегодня во всех теплосчетчиках используются алгоритмы, приведенные в [2], однако это не соот­ветствует [1] и поэтому легко может быть оспоре­но в суде при возникновении противоречий при расчетах за израсходованное тепло между потре­бителем и энергоснабжающей организацией. Если таких противоречий нет, то все делают вид, что алгоритмы расчета, взятые из [2] и используе­мые в теплосчетчиках, не противоречат [1 ].

Как видно из вышеизложенного, на сего­дняшний день отсутствует нормативно-техниче­ская база, в которой были бы строго регламенти­рованы алгоритмы вычисления количества теп­лоты, израсходованного потребителем в систе­ме водяного теплоснабжения. Алгоритмы, про­писанные в [2], по которым сегодня ведется учет количества теплоты, носят рекомендательный характер, а алгоритм, прописанный в [1], хоть и носит законодательный характер, однако на практике не используется, т. к. он противоречит общим законам физики.

Если же рассматривать алгоритмы вычисле­ния количества теплоты при работе теплосчетчи­ков в нештатных ситуациях, то здесь вырисовывается еще более неприглядная картина. Поскольку отсутствуют законодательно закреп­ленные алгоритмы вычисления количества теп­лоты в нештатных ситуациях, то фирмы-изгото­вители тепловычислителей и теплосчетчиков самостоятельно изобретают данные алгоритмы и внедряют их в свою продукцию. То есть в дан­ном случае никакого единства измерений быть в принципе не может, что и показали эксплуата­ционные испытания теплосчетчиков, проведен­ные Хабаровским центром энергоресурсосбере­жения [4-6].

В соответствии с п. 5.1.1 [1], узел учета тепло­вой энергии оборудуется средствами измерения -тепло-, водосчетчиками, тепловычислителями, преобразователями температуры, зарегистриро­ванными в Госреестре средств измерений и имеющими сертификат Главгосэнергонадзора РФ. Необходимо отметить, что Главгосэнергонад-зор РФ не имел права выдавать сертификаты -это была прерогатива Госстандарта, поэтому сер­тификат заменили на заключение. Кроме этого, Главгосэнергонадзор РФ сегодня не существует -есть лишь управление Госэнергонадзора при Ростехнадзоре. Однако до настоящего времени этот орган выдает заключения, хотя в Положении о Ростехрегулировании данные функции не прописаны.

Узел учета может быть оборудован, как видно из п. 5.1.1 [1]:

• единым теплосчетчиком, в состав которого входят преобразователи расхода, температуры и информационно-вычислительный блок и кото­рый занесен в Госреестр средств измерений как отдельное средство измерения;
• комбинированным (составным) теплосчет­чиком, состоящим из отдельных средств измере­ний (преобразователи расхода, температуры и тепловычислитель), занесенных в Госреестр и объединенных в теплосчетчик на месте эксплуа­тации; при этом он может быть и не занесен в Госреестр как отдельное средство измерения в качестве теплосчётчика.

Однако позднее в разрез с [1] Главгосэнерго-надзор уточнил [3], что «непосредственно на узле учета потребителя не допускается комплектовать теплосчетчик из приборов, которые независимо друг от друга зарегистрированы в Госреестре и не объединялись при регистрации как теплосчет­чик общей технической документацией». Из дан­ной фразы следует, что можно собрать паспорта на все функциональные блоки, объединить их общей документацией (например, составить паспорт на теп­лосчетчик, в состав которого включить все паспорта на отдельные функциональные блоки) и предъявить данный узел учета энергоснабжающей организации или же (как понимает Госэнергонадзор) необходимо объединить все отдельные средства измерения (пре­образователи расхода, температуры, тепловычисли-тели) в единое средство измерения - теплосчетчик, занести его в Госреестр как комбинированный тепло­счетчик и получить на данное средство измерения заключение Госэнергонадзора.

Чтобы не вступать в конфликт с Госэнергонадзо-ром, производители тепловычислителей выбрали второй вариант. Поэтому на сегодняшний день суще­ствуют такие комбинированные средства измерения, как СПТ-К, TCK и другие, которые состоят из тепло-вычислителя (СПТ или BKT) и множества преобразо­вателей расхода и температуры. Причем необходимо отметить, что тепловычислитель делает одна фирма, а преобразователи расхода и температуры, входя­щие в состав такого теплосчетчика, изготавливаются на других предприятиях-изготовителях, которые не имеют никакого отношения к фирме-изготовителю тепловычислителя, которая заносит данный тепло­счетчик в Госреестр и получает затем заключение Госэнергонадзора.

Помимо этого, все средства измерения, входя­щие в состав комбинированного теплосчетчика, поверяются раздельно, а сам он как единое целое не поверяется ни на заводе-изготовителе, ни на месте эксплуатации.

Как правило, на данный комбинированный тепло­счетчик завод-изготовитель выдает паспорт, в кото­ром ставится клеймо госповерителя о поверке дан­ного теплосчетчика как единого средства измерения, проставляются заводские номера его составных функциональных блоков (преобразователей расхода и температуры), изготовленных другими предприя­тиями-изготовителями. А иногда оставляются пустые места, в которые вписываются заводские номера функциональных блоков при непосредственной ком­плектации на месте эксплуатации.

При этом возникает интересный вопрос: «Каким образом поверяются комбинированные теплосчетчи­ки, и что из себя представляет методика их поверки?»

Чаще всего поверка комбинированных теплосчет­чиков сводится к поверке составных частей (элемен­тов) теплосчетчика при выпуске из производства или при вводе в эксплуатацию (раздельная поверка) и внешнему осмотру или поверке комплектности теплосчетчика при выпуске из производства или при вводе в эксплуатацию. На этом, как правило, поверка заканчивается, и затем выдается свиде­тельство на поверку, или ставится клеймо пове­рителя в паспорте на теплосчетчик. При этом погрешность теплосчетчика, т. е. его метрологи­ческие характеристики, как единого средства измерения не оценивается. В соответствии с [7], поверка средств измерения - установление органом Государственной метрологической службы пригодности средств измерений к при­менению на основании экспериментально опре­деляемых метрологических характеристик и под­тверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.

Из вышеизложенного непонятно, в чем же заключается поверка комбинированных тепло­счетчиков как единого средства измерения, занесенного в Госреестр. Если поверка заключа­ется в проверке комплектности теплосчетчика и в сравнении заводских номеров функциональных блоков теплосчетчика с паспортными, то это не поверка. Следовательно, можно на месте экс­плуатации комплектовать комбинированный счетчик, не занося его как единое средство измерения в Госреестр. При этом следует не просто убедиться, что все его функциональные блоки поверены, но и сделать поверку такого комбинированного теплосчетчика на месте экс­плуатации, оценив при этом фактическую погрешность измерения расхода, температуры и количества теплоты и сравнив их с предельно допустимыми величинами, приведенными в нор­мативно-технической документации.

Отсюда возникает еще одна проблема -оценки и нормирования погрешностей вычисле­ния количества теплоты в водяных системах теп­лоснабжения потребителей. Как показано в [8], данная проблема актуальна, имеет множество аспектов и различных подходов и периодически возникает при эксплуатации теплосчетчиков.

В настоящее время имеется несколько взаимо-противоречащих друг другу концепций, а именно:

1. Теплосчетчик - это измерительная систе­ма, состоящая из одного (закрытая система) или нескольких измерительных каналов (открытая система). Поэтому нет необходимости оцени­вать и нормировать погрешность вычисления количества теплоты - достаточно, чтобы погреш­ность каждого средства измерения, входящего в состав измерительного канала, не выходила за пределы нормированной погрешности измере­ния для данного средства измерения.
2. Теплосчетчики, как для закрытой, так и для открытой системы, должны вычислять количе­ство теплоты с погрешностью, не превышающей нормированное значение, указанное в [1].
3. Теплосчетчики должны вычислять количе­ство теплоты с погрешностью, не превышающей нормированное значение. При этом рассматри­ваются различные способы нормирования.

Заметим, что концепция № 1 существенно отличается от концепций № 2 и 3: по первой кон­цепции погрешность вычисления количества теплоты не надо нормировать вообще, а по кон­цепции № 2 и 3 погрешность вычисления количе­ства теплоты необходимо нормировать, только способы нормирования могут быть различными.

С вопросами нормирования погрешности вычисления количества теплоты в закрытых системах теплоснабжения (один измерительный канал) все более или менее понятно, хотя суще­ствуют различные мнения, например [1] или [9], а вот с вопросами нормирования этой величины в открытых системах теплоснабжения нет одно­значного решения. В [10] сделана попытка решить эту проблему, однако данная концепция далека от совершенства.

Из-за отсутствия четкой нормативно-техни­ческой базы при нормировании количества теп­лоты в открытых водяных системах теплоснабже­ния в последнее время энергоснабжающие орга­низации в различных регионах России стали под­вергать сомнению результаты вычисления коли­чества теплоты многоканальными теплосчетчи­ками. Мотивировка простая - погрешность вычисления количества теплоты теплосчетчика­ми в открытых системах теплоснабжения превы­шает нормированное значение, указанное в [1]. Однако при этом умалчивают тот факт, что нор­мированное в [1] значение погрешности вычис­ления количества теплоты справедливо только для закрытых систем теплоснабжения, т. е. для одноканалыных теплосчетчиков, а для открытых систем (двухканальный теплосчетчик) эта погрешность не нормирована, т. к. в формуле (2), по которой рассчитывается количество теплоты в [1], имеется второе слагаемое, рассчитывае­мое энергоснабжающей организацией.

Поэтому оценить погрешность измерения количества теплоты, а следовательно, и норми­ровать ее в открытых системах теплоснабжения в соответствии с [1] невозможно. В [1] нормирована не суммарная погрешность вычисления количества теп­лоты в открытых системах теплоснабжения, а только величина погрешности вычисления, входящая в пер­вое слагаемое формулы (2), а второе слагаемое при этом не нормируется.

Поэтому открытые системы теплоснабжения при использовании двухканальных теплосчетчиков величина нормируемой погрешности зависит от выбранного алгоритма вычисления количества теп­лоты [8] и может значительно превышать регламен­тированную в [1] величину и достигать 10 % и более.

Попытка нормирования погрешности вычисления количества теплоты в открытых системах теплоснаб­жения сделана в [10]. В [10] предлагается оценить относительную погрешность вычисления количества теплоты путем геометрического сложения погрешно­стей средств измерений, входящих в состав тепло­счетчика, и с учетом предельных режимов работы, для которых предназначен теплосчетчик.

Заметим, что это противоречит [1]: в [1] говорит­ся о режимах работ в условиях эксплуатации, в [10] -о предельных режимах работы, которые гораздо шире, чем в условиях эксплуатации. Если оценивать погрешность вычисления количества теплоты в усло­виях эксплуатации в соответствии с [10], то получа­ется значение величины, которое значительно пре­вышает нормированное значение величины, приве­денное в [1].

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Относительная погрешность вычисления коли­чества теплоты зависит от алгоритма его вычисле­ния, она минимальна для алгоритмов, где не исполь­зуется вычисление разности расходов, и максималь­на в противном случае. Оценивать погрешность вычисления количества теплоты надо не для гипоте­тических режимов, а в условиях эксплуатации. При­чем ее можно оценивать путем геометрического сло­жения погрешностей средств измерений, входящих в состав учета, или путем алгебраического сложения. Различие в этом случае может достигать 25-40 %. Геометрическое суммирование используется в слу­чае, если погрешности отдельных средств измере­ний не коррелированны между собой, а алгебраиче­ское - если они коррелированны. Отметим, что при геометрическом сложении с доверительной веро­ятностью ниже 100 % получается фактически зани­женный результат.
2. «Правилами учета...» нормирована только предельно допустимая погрешность вычисления количества теплоты для одноканального тепло­счетчика, в котором реализован алгоритм расче­та количества теплоты для закрытой системы, т. е. О = - h2), причем там же эта величина нормирована в виде численного значения 60П0П < 5 %, а в ГОСТе на теплосчетчики - в виде формулы 50д0|| =
3. «Правилами учета...» допустимая погреш­ность вычисления количества теплоты для двух и более канальных теплосчетчиков, использую­щихся в открытых системах, не нормирована. Она нормирована только в ГОСТ Р 8.591-2002, и для реальных значений эксплуатации допусти­мая погрешность вычисления количества тепло­ты может лежать в пределах от 6 до 9 %, что значительно превышает 4-5 %, предусмотрен­ных «Правилами учета...». Причем в данном ГОСТе используется геометрическое сложение погрешностей отдельных средств измерений с доверительной вероятностью менее 100 %, а если использовать алгебраическое сложение, то эта величина будет около 10 %, что соответству­ет реальности.
4. Отсутствует единый подход к оценке и нор­мированию погрешности вычисления количества теплоты, особенно это касается открытых систем теплоснабжения.

Нормируемые значения погрешности вычисления количества теплоты, рассчитанные на основе различных нормативных документов, различаются в несколько раз. Поэтому оценка и нормирование погрешности вычисления количества теплоты теряет всякий смысл. И, следовательно, наиболее оптималь­ной на сегодняшний день является концепция «теплосчетчик - это измерительная система, состоящая из измерительных каналов, включаю­щих в себя аттестованные средства измерения».

Следовательно, нет необходимости сертифи­цировать отдельно теплосчетчик как средство измерения и вносить его в Реестр средств изме­рений, достаточно, чтобы были сертифицирова­ны все средства измерения, входящие в состав его измерительных каналов.

Метрологическая надежность средств измерений, входящих в состав узла учета

Ни у кого не вызывает сомнений тот факт, что узел учета в целом и средства измерений, входя­щие в его состав, должны быть метрологически надежны. Однако, что понимается под метрологи­ческой надежностью средств измерений, входящих в состав узла учета? Ответ на этот вопрос, вроде бы, очевиден: «Средство измерения считается мет­рологически надежным, если его характеристики не выходят за пределы допускаемой погрешности в течение межповерочного интервала (МПИ)».

Однако сразу возникают дополнительные вопросы:

1. Насколько достоверна информация о дли­тельности МПИ, приведенная в нормативно-тех­нической документации на данное средство измерения?
2. Как изменяются метрологические характе­ристики средств измерений, входящих в состав узла учета, в процессе эксплуатации, не выходят ли они за пределы допускаемой относительной погрешности?

Для государственных органов (антимонополь­ные органы, ЦСМ) таких вопросов не возникает. Они считают, что средство измерения является метрологически надежным, если оно занесено в Госреестр РФ, и никакие другие факторы при этом во внимание не берутся.

На самом деле это условие является необходи­мым, но недостаточным. Поясним это на следующих примерах. Длительность МПИ для конкретного средства измерения устанавливается в результате проведения испытаний для целей утверждения типа при внесении его в Госреестр РФ, как правило, волюнтаристски, т. е. путем так называемых уско­ренных испытаний. Любому здравомыслящему человеку понятно, что нельзя установить длитель­ность МПИ четыре-пять лет на основе ускоренных испытаний в течение двух-четырех недель, а иногда и того меньше. Фактическую длительность МПИ для конкретного средства измерения можно оценить более или менее достоверно путем статической обработки данных, полученных при поверке данного средства измерения после одного-четырех лет экс­плуатации.

Опыт эксплуатации тахометрических и электро­магнитных преобразователей расхода Хабаровского центра энергоресурсосбережения показывает, что при эксплуатации этих приборов в г. Хабаровске фак­тическая длительность МПИ для тахометрических преобразователей не превышает одного года (пас­портный МПИ - 4-5 лет), а для электромагнитных -два года (паспортный МПИ - 3-4 года).

Далее рассмотрим второй вопрос: «Как изменяют­ся метрологические характеристики средств измере­ний, входящих в состав узла учета, в процессе экс­плуатации, не выходят ли они за пределы допускае­мой относительной погрешности измерений?»

Как уже подчеркивалось в многочисленных пуб­ликациях, на метрологические характеристики пре­образователей расхода сильное влияние оказывают различные показатели: температура теплоносителя, качество теплоносителя (механические и воздушные примеси), внешние воздействия (вибрация, электро­магнитные поля и т. д.), которые не учитываются при проведении испытаний для целей утверждения типа, в результате чего в процессе эксплуатации эти мет­рологические характеристики часто выходят за пре­делы допуска.

Чтобы этого не происходило, необходимо в про­цессе эксплуатации узла учета проводить профилак­тические мероприятия в рамках договоров на техни­ческое обслуживание узлов учета. Например, для электромагнитных расходомеров периодически очи­щать измерительный участок от отложений и т. д.

Необходимо признать (это является объектив­ным фактом), что все отечественные и большинство зарубежных теплосчетчиков при эксплуатации их в российских системах теплоснабжения требуют технического обслуживания. В противном слу­чае их метрологические характеристики суще­ственно изменяются в процессе эксплуатации и выходят за пределы допуска через 2-3 мес. экс­плуатации. Особенно это проявляется для теп­лосчетчиков на базе электромагнитных расходо­меров, когда масса теплоносителя по обратному трубопроводу начинает превышать массу тепло­носителя по подающему трубопроводу, т. е. появляется «отрицательный» водоразбор, пре­вышающий пределы допускаемой погрешности измерения. Поэтому в инструкции по эксплуата­ции некоторых электромагнитных преобразова­телей расхода прямо указано, что в процессе эксплуатации их необходимо периодически демонтировать и очищать стенки измерительно­го канала от налета, образующегося на стенках канала в процессе эксплуатации. При этом отметим, что не указано, как часто необходимо проводить данную процедуру.

В отличие от отечественных, в некоторых зарубежных преобразователях расхода имеется внутренняя самодиагностика, которая позволяет выявлять и устранять факторы, приводящие к изменению метрологических характеристик, например, по следующим параметрам:

• наличие газовых включений в теплоносителе;
• коррозия электродов;
• повреждение футеровки измерительного участка;
• загрязнение электродов;
• влияние внешних магнитных полей;
• короткое замыкание на электродах.

Большое количество тестов дает уверенность в том, что данное средство измерения даже в сложных условиях эксплуатации будет работать надежно, и при этом можно быть уверенным в достоверности полученных результатов.

Если оценивать надежность отечественных и зарубежных теплосчетчиков по шкале от 0 до 1, то автор в своей практике эксплуатации тепло­счетчиков (а это более 16 лет) не встречал отече­ственных теплосчетчиков, у которых надежность превышала бы 0,8. Обычно величина для отече­ственных приборов составляет от 0,1 до 0,8. Для зарубежных приборов показатель надежности приближается к 1,0.

Объективности ради надо отметить, что зару­бежные теплосчетчики с системой самодиагностики стоят в 3-5 раз дороже отечественных при­боров аналогичного типа, но без самодиагности­ки. Однако, как известно, скупой платит дважды. Поэтому, если хочешь иметь достоверный учет, то надо приобретать дорогие и качественные средства учета.

Литература

1. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя [Текст]. - М.: Издательство МЭИ, 1995.
2. МИ 2412-97. Рекомендации. ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоты [Текст]. - М.: ВНИИМС, 1997.
3. Теплоснабжение [Текст]: информационный бюл­летень Главгосэнергонадзора РФ. - 1996. - № 2.
4. Глухов А. П. Результаты эксплуатационных испы­таний систем учета тепла [Текст]: материалы 9-й Между­народной научно-практической конференции «Коммер­ческий учет энергоносителей» /А. П. Глухов, С. Н. Канев, А. А. Старовойтов. - Санкт-Петербург, 1999.
5. Глухов А. П. Эксплуатационные испытания измери­тельных комплексов учета тепла и воды [Текст]: материа­лы 11 -й Международной научно-практической конферен­ции «Коммерческий учет энергоносителей» / А. П. Глухов, С. Н. Канев, А. А. Старовойтов. - Санкт-Петербург, 2000.
6. Глухов А. П. Эксплуатационные испытания тепло­счетчиков [Текст]: материалы 25-й Международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей» / А. П. Глухов, С. Н. Канев, А. А. Старо­войтов. - Санкт-Петербург, 2007.
7. ГСИ. Метрология. Основные требования и опре­деления [Текст]: РМГ 29-99: утв. Межгоссовет по станд., метр, и серт. 26.05.1999; Госстандарт России 17.05.2000: ввод, в действие 01.01.2001. - М.: Изд-во стандартов, 2003.
8. Канев С. Н. Оценка погрешностей вычисления количества теплоты в водяных системах теплоснабжения потребителей [Текст]: материалы 26-й Международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей» / С. Н. Канев. - Санкт-Петербург, 2007.
9. ГОСТ Р 51649-2000. Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия [Текст]. - Введ. 2001 -07-01. - М.: Изд-во стандартов, 2001.
10. ГОСТ Р 8?591-2002. ГСОЕИ. Теплосчетчики двухка-нальные для водяных систем теплоснабжения. Нормиро­вание пределов допускаемой погрешности при измере­ниях потребленной абонентами тепловой энергии [Текст]. -Введ. 2003-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 2003.

Источник журнал «Энергосбережение»