Метрологические проблемы измерений тепловой энергии в открытых системах водяного теплоснабжения

1

9

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метрологические проблемы измерений тепловой энергии в открытых системах водяного теплоснабжения

Измерения количества тепла (тепловой энергии) относятся к наиболее дискуссионным и сложным проблемам прикладной метрологии. Эта дискуссионность закономерно дает о себе знать и в тех случаях, когда рассматривается, казалось бы, чисто техническая задача - задача измерений производимой и потребляемой тепловой энергии в системах водяного теплоснабжения. Решая такую задачу, надо сразу договориться, что речь идет как об измерениях изменения внутренней энергии теплоносителя, которое происходит при теплопередаче в теплообменных контурах, находящихся в ведении производителя и потребителя, так и об измерениях тепловой энергии, передаваемой с отбираемым теплоносителем. В технико-экономическом аспекте производимая и потребляемая тепловая энергия представляет собой товар, форма и качество которого должны отвечать запросам потребителя и подлежат оплате в соответствии с правилами, установленными в законодательных документах [ 1-3 ].

Сегодня на практике используются два вида систем водяного теплоснабжения: так называемые закрытые и открытые системы (обозначим их сокращенно ЗСВТС и ОСВТС) [ 4 ].

На рис.1а и 1б показаны условные схемы, соответственно, ЗСВТС и ОСВТС:

Рис.1а

На рис.1а и 1б приняты следующие обозначения:

m1 и m2 - массовый расход сетьевой воды, проходящей по подающему и обратному трубопроводам, соответственно;

t1 и t2 - температура сетьевой воды в подающем и обратном трубопроводах, соответственно;

mхв и tхв - массовый расход и температура подпитывающей холодной воды.

Обозначим через h энтальпию (удельную тепловую энергию) воды, являющуюся функцией температуры воды t ( h1 cоответствует температуре t1, h2 - температуре t2 ).

С учетом принятых обозначений для количества тепловой энергии Qпотр, передаваемой в ЗСВТС от производителя тепловой энергии к ее потребителю, можно в общем случае, рассматривая все величины как функции времени, записать:

к

Qпотр = m1() h1() - h2() d , ( 1 )

0

где 0 и к - начальный и конечный моменты считывания показаний теплосчетчика. Из выражения ( 1 ) следует, что в ЗСВТС потребитель получает и оплачивает только тепловую энергию, непосредственно представляющую собой изменение внутренней энергии теплоносителя, циркулирующего в замкнутом контуре.

Принципиально иным образом обстоит дело в ОСВТС.

В этом случае потребитель получает часть энергии в виде изменения внутренней энергии теплоносителя, а другую часть - вместе с отобранным из контура теплоносителем, который первоначально был нагрет производителем от температуры холодной воды tхв до t1. Производитель тепловой энергии должен восполнить в контуре отобранное потребителем количество теплоносителя и, следовательно, подпитать контур водой соответствующей массы, нагретой от tхв до t1. На эту подпитку производитель затрачивает соответствующую энергию, на оплату которой он вправе рассчитывать.

Таким образом, в случае ОСВТС выражение для величины Qпотр имеет существенно более сложный вид:

_к к

Qпотр = m2() h1() - h2 () d + m1() - m2()h1() -hхв()d ( 2 )

₀ 0

При этом следует принять:

m1() - m2() = mхв ().

Сравнивая выражения ( 1 ) и ( 2 ), можно сделать достаточно наглядные и далеко идущие выводы.

В случае ЗСВТС, при соответствующем приборном оснащении подающего и обратного трубопроводов, не возникает никаких методических проблем с измерением количества тепла, переданного от производителя потребителю. Количество тепла, передаваемого в ЗСВТС, представляет собой четко определяемую и измеряемую косвенным образом физическую величину. Достаточно прозрачно обстоит дело и с взаимными расчетами между производителем (продавцом) и потребителем (покупателем) тепловой энергии. Ведущие, промышленно-развитые страны, экономика которых с самого начала основывалась на товарно-денежных отношениях, организовали теплоснабжение путем строительства и эксплуатации ЗСВСТ, поскольку это давало возможность строго придерживаться товарно-денежных принципов при расчетах за отпущенную потребителю тепловую энергию. Товарно-денежные отношения с самого начала исключают возможность таких ситуаций, когда покупатель выплачивает за покупаемый товар суммы, которые не соответствуют его фактической стоимости. Нужно подчеркнуть, что удобство и простота расчетов за потребленную в ЗСВТС тепловую энергию являются благом, оплаченным за счет предшествующих инвестиций в создание ЗСВТС.

Действующие в зарубежных странах ЗСВТС оснащаются теплосчетчиками, технические и метрологические характеристики которых должны отвечать требованиям международного стандарта [ 5 ]. Не вникая во все тонкости нормирования в [ 5 ] погрешностей теплосчетчиков и их отдельных узлов, отметим все же, что приводимые в [ 5 ] выражения для так называемой максимально допустимой погрешности (МДП) теплосчетчиков дают возможность оценивать относительную погрешность измерений количеств потребленной тепловой энергии, значения которых непосредственно считываются с теплосчетчиков и которые подлежат оплате. Если бы в Российской Федерации водяное теплоснабжение было бы организовано на основе использования ЗСВТС, то можно было бы констатировать, что в области водяного теплоснабжения не возникает никаких проблем с соблюдением требований Закона РФ «Об обеспечении единства измерний» [ 6 ].

В Российской Федерации водяное теплоснабжение осуществляется путем строительства и эксплуатации преимущественно ОСВТС, и это обстоятельство приводит, с одной стороны, к соответствующим чисто метрологическим проблемам, и, с другой стороны, к проблемам правового характера, вытекающим из действующего в Российской Федерации Закона «О защите прав потребителей» [ 7 ].

Начнем с метрологических проблем.

Прежде всего необходимо подчеркнуть, что в настоящее время отсутствуют официально установленные требования (например, установленные в соответствующем государственном стандарте или в каком-либо директивном документе) к точности измерений, которая должна обеспечиваться при измерениях Qпотр в ОСВТС. Надо прямо признать, что это обстоятельство является серьезным «пробелом» в организации метрологического обеспечения рассматриваемых измерений. Без исходных требований к точности измерений величин Qпотр существенным образом осложняется нормирование метрологических характеристик средств измерений, которые должны использоваться в ОСВТС, а также разработка методики выполнения измерений (МВИ) величин Qпотр в случае ОСВТС.

Кроме того, из-за отсутствия исходных требований к точности измерений величин Qпотр в значительной степени остается открытым и вопрос о тех погрешностях, которые могут быть допущены при оценках погрешности измерений величин Qпотр. Другими словами, остается открытым вопрос о том, насколько строгой и, следовательно, трудоемкой должна быть процедура оценивания погрешности измерений величин Qпотр, какой объем исходной информации может потребоваться для оценивания погрешности измерений величин Qпотр. Хорошо известно, что чем более высокие требования предъявляются к точности измерений того или иного параметра (показателя), тем больше проблем возникает с получением необходимых исходных данных для оценивания погрешности измерений.

Далее, сопоставление выражений ( 1 ) и ( 2 ) приводит к выводу, что оценивание погрешности измерений Qпотр в случае ОСВТС связано со значительно большими трудностями, чем в случае ЗСВТС.

До последнего времени ,по существу, не предпринимались какие-либо серьезные попытки оценить погрешность измерений величин Qпотр для ОСВТС. Это означало, что при измерениях Qпотр в ОСВТС нарушалось основополагающее требование Закона [ 6 ]. Здесь уместно напомнить, что под единством измерений понимается, в соответствии со статьей 1 Закона [ 6 ], такое состояние измерений, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Поскольку речь идет об измерениях товара в виде тепловой энергии, то в соответствии со статьей 13 Закона [ 6 ], знание погрешностей величин Qпотр является строго обязательным, а вся система измерений величин Qпотр подпадает под государственный метрологический надзор.

Очевидно, что оценить погрешности измерений величин Qпотр можно только при наличии всей необходимой информации, и прежде всего информации о метрологических характеристиках средств измерений, которыми оснащаются или должны оснащаться трубопроводы ОСВТС.

До настоящего времени так и не разработан отечественный государственный стандарт технических условий на теплосчетчики, хотя работа в этом направлении ведется уже не один год. Те редакции проекта стандарта, которые уже были подготовлены и которые рассматривались Госстандартом России, имели серьезный и принципиальный недостаток: они не были ориентированы на постепенный перевод учета тепловой энергии в системах водяного теплоснабжения на «рельсы» учета, оперирующего объективными результатами измерений количеств тепловой энергии, для которых известна погрешность измерений. Вряд ли нужно доказывать, что без учета, основанного на использовании результатов измерений, слова об энергосбережении в области теплоснабжения так и остаются не более, чем дежурным лозунгом.

Сегодня специалисты, осведомленные о состоянии дел с разработкой государственного стандарта технических условий на теплосчетчики, сходятся на том, что основная трудность при разработке стандарта связана с выбором тех принципов, которые должны быть взяты за основу при назначении метрологических требований к теплосчетчикам. Во второй части статьи будет показано, что в случае ОСВТС метрологические требования к теплосчетчикам по некоторым их характеристикам существенно ужесточаются по сравнению со случаем ЗСВТС.

Из того факта, что тепловая энергия в системах водяного теплоснабжения является товаром, который, с одной стороны, продается производителем, а, с другой, - покупается потребителем, вытекает необходимость исключения случаев «обсчета» (хотя бы и не преднамеренного ) покупателя. Для того чтобы избежать нарушения прав потребителя, параметры товара (в данном случае тепловой энергии) должны измеряться (и это ни у кого из теплотехников не вызывает сомнения) на границе балансовой принадлежности, т.е. в «сечении», показанном на рис. 2

Чтобы яснее проследить, как возникает юридическая проблема при « отчуждении» тепловой энергии, упростим выражения для количеств тепловой энергии, приняв, что рассматривается задача измерения величин тепловой энергии для стационарного (за некоторый период измерений) режима функционирования ОСВТС.

Продавец (производитель ) тепловой энергии производит товар (тепловую энергию), предназначенный для продажи, в виде суммы двух энергий:

Q1 = G2 ( h1 - h2 ) и Q2 = Gхв (h1 - hхв )

где G1 и G2 - масса сетьевой воды, прошедшей по подающему и обратному трубопроводам, соответственно;

Gхв - масса подпитывающей холодной воды;

h1, h2 и hхв - значения энтальпий, соответствующие температурам t1, t2 и tхв, соответственно.

Именно на границе балансовой принадлежности должно измеряться и количество отчуждаемого товара - тепловой энергии, т.е. должны измеряться величины Q1 и Q2. С измерением величины Q1 на границе балансовой принадлежности проблемы, естественно, не возникает, поскольку, учитывая свойства воды как теплоносителя, на границе мы имеем: Q1 = G2 (h1 - h2 ).

С измерением величины Q2 дело обстоит сложнее. Значение Gхв можно принять равным утечкам воды в системе, т.е. измерить Gхв как разность ( G1 - G2 ). Однако главная трудность заключается в том, что на границе балансовой принадлежности нельзя измерить температуру холодной воды и рассчитать соответствующее значение энтальпии hхв . Многим специалистам в области теплотехники и теплоснабжения это обстоятельство представляется непреодолимым препятствием.

В качестве компромиссного выхода из этого положения в настоящее время широкое распространение получил алгоритм расчета значений потребленной тепловой энергии Qпотр с использованием показаний приборов и следующей формулы:

тепловой энергия теплосчетчик

8.Следует приступать к работе по радикальной «модернизации» «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя» с учетом положений Законов РФ «Об обеспечении единства измерений» и «Об энергосбережении», с учетом положений новейших документов Государственной системы обеспечения единства измерений.

9. Следует принять меры для постепенного «вытеснения» теплосчетчиков зарубежного производства из числа средств измерений, которыми оснащаются отечественные ОСВТС. Это диктуется, по крайней мере, двумя соображениями:

- во-первых такие теплосчетчики не обладают метрологическими характеристиками, позволяющими измерять количество тепловой энергии в ОСВТС с требуемой точностью;

-во-вторых, сложившаяся в стране практика предпочтительного применения в ОСВСТ теплосчетчиков зарубежного производства наносит очевидный урон интересам отечественных приборостроительных предприятий.

Изложенные выше выводы не претендуют, естественно, на охват всего комплекса проблем совершенствования метрологического обеспечения измерений тепловой энергии в отечественных системах водяного теплоснабжения, однако они намечают ряд важных направлений работы, которую нельзя откладывать и от результатов которой во многом будет зависеть уровень метрологического обеспечения учета тепловой энергии при эксплуатации ОСВТС.

Таким образом, переход на систему учета тепловой энергии, основанную на измерениях и отвечающую всем сегодняшним метрологическим требованиям, является делом назревшим. Такой переход даст огромный экономический эффект в масштабах всей страны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Федеральный Закон “Об энергосбережении”.

3. Постановление Правительства РФ “Об основах ценообразования и порядке государственного регулирования и применения тарифов на электрическую и тепловую энергию” ( № 121 от 14.02.97 ).

4. МИ 2412-97 “ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя”.

5. Европейский стандарт EN 1434-1 «Теплосчетчики. Часть 1: общие требования».

6. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений».

7. Закон РФ «О защите прав потребителей».

8. ГОСТ Р 8.563-96 «ГСИ. Методики ыполнения измерений».

9. МИ 2538-99 «ГСИ. Теплосчетчики для водяных систем водоснабжения КС**. Общие метрологические требования».

10. МИ 2537-2000 «ГСИ. Тепловая энергия открытых водяных систем теплоснабжения, полученная потребителем. Методика выполнения измерений».