АРХИВ ТЕПЛОПУНКТАСтатьи

2007 г.

СКРЫТЫЕ ОШИБКИ УЧЕТА ТЕПЛА

Д. Л. Анисимов

Когда-то не так давно практически любая статья об учете тепла начиналась со слов о том, что такое «учет», зачем нужен «учет» и кому он, собственно, нужен. Теперь об этом знают, кажется, все, а взгляд на немалый парк теплосчетчиков внушает оптимизм как по поводу нынешнего состояния учета, так и по поводу перспектив его развития. Однако при более тщательном рассмотрении вопроса как и пять, и десять лет назад приходится констатировать тот факт, что методологическая и нормативная база организации учета развита недостаточно. Отсутствие единых подходов ведет к разнонаправленности действий отдельных разработчиков, проектировщиков и эксплуатационщиков — не обеспечивается единство учета. Да, формируются всевозможные объединения, ассоциации и партнерства; да, в числе своих целей они провозглашают и создание общих правил, методик, стандартов. Но и времени на это уходит больше, чем хотелось бы, и интересы разработчиков (их коллективы обычно профессионально однородны — либо производители приборов, либо поставщики энергии) порой преобладают над беспристрастной наукой. Кроме того, в сфере учета существует огромное количество мифов, созданных как производителями приборов — в «маркетинговых целях», так и потребителями — по незнанию. И все это — отсутствие нормативной базы, коммерческие интересы участников рынка и мифология — отвлекает внимание от некоторых «настоящих» проблем учета, делая их проблемами «скрытыми». О некоторых из них и хотелось бы рассказать в данной статье.

Начнем с главного — с того, «как считать тепло». Общеизвестна формула

(1)            Q = G (h1 – h2),

где G — масса теплоносителя в системе теплоснабжения, h1, h2 — удельные энтальпии теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы соответственно (далее для краткости удельную энтальпию будем называть просто энтальпией); данная формула применяется практически во всех странах, где организован коммерческий учета тепла.

Уравнение (1) имеет достаточно простой вид, но проблема в том, что ни один из входящих в него членов недоступен для прямого измерения. Измерены могут быть не масса, а расход теплоносителя (причем, как правило, объемный расход), а также его температура t и давление P. При таких исходных данных энтальпия может быть вычислена как функция температуры и давления, а масса — как интеграл массового расхода за определенный интервал времени. При этом для перехода от объемного расхода к массовому необходимо вычислять плотность теплоносителя, также зависящую от давления и температуры. Т.е.

(2)            h = f (t, P),

(3)            G = ρV,

(4)            ρ = f (t, P),

где t — температура, P — давление, ρ — плотность, V — объем теплоносителя. Именно из-за этих практических особенностей за рубежом, например, используется формула

(5)            Q = V Kt (t1 – t2),

где Kt — тепловой коэффициент (известный также как коэффициент Штюка), МДж/м3·°С, t1 и t2 — температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно.

Известно, что формула (5) характеризуется значительной методической погрешностью теплового коэффициента по сравнению с (1), однако данный факт никак не учитывается при сертификации в России теплосчетчиков зарубежного производства. На этом, однако, мы в данной статье заострять внимание не будем.

Остановимся для начала на двух пунктах — на «энтальпии» и на «интеграле».

Как было сказано выше, измерить энтальпию «напрямую» мы не можем. Непосредственно могут быть измерены только температура и давление теплоносителя. Для вычисления зависимости h(t,Р), а равно и ρ(t,Р) используют аппроксимирующие полиномы — алгоритмы вычисления плотности и энтальпии, различные виды которых приведены в специальной литературе [1, 2, 3]. Различия в виде полиномов заставляет задуматься о точности вычисления зависимостей плотности теплоносителя и его энтальпии от температуры и давления. В работе [4] приведены результаты аттестации четырех алгоритмов и сформулированы рекомендации разработчикам по выбору наиболее оптимального из них. Так установлено, что один из алгоритмов является наиболее точным, другой — наиболее простым. При этом указывается, что в описании этого простого алгоритма допущена ошибка (в 1000 раз (!) завышено значение приведенного абсолютного давления), ведущая к высокой погрешности определения плотности. При условии исправления этой ошибки данный способ аппроксимации зависимости авторы [4] считают оптимальным по соотношению простоты реализации и точности вычислений. Мы же сознательно не описываем здесь этих алгоритмов — хотелось бы, чтобы разработчики приборов учета провели соответствующие исследования и указывали бы способ определения энтальпии их приборами в документации на них. Ведь ошибка вычисления энтальпии — это как раз «самая скрытая» ошибка учета!

Далее — о вычислении интеграла. Выше мы уже заметили, что теплосчетчик измеряет расход теплоносителя, а для «перехода» от расхода к количеству (объему или массе) применяется такая математическая операция, как интегрирование. Теплосчетчик — это компьютер, и интеграл он вычисляет одним из известных еще из вузовских программ численных методов. И этот метод может быть любым — при условии, что он обеспечивает требуемые метрологические характеристики. Кроме того, большое значение приобретает временной интервал, в течение которого обновляется информация о значениях параметров теплоносителя (расходы, температуры), участвующих в алгоритмах интегрирования. Важность названного интервала связана с нестационарностью скорости движения теплоносителя в трубопроводах систем теплоснабжения (особенно — в открытых системах). Данный вопрос понимается и поднимается давно, но, изучая руководства по эксплуатации современных теплосчетчиков и вычислителей, серьезного к нему отношения мы, к сожалению, не обнаруживаем.

Итак, уже в реализации простейшей формулы (1) скрыто две потенциальных ошибки. Подчеркнем их скрытость и неочевидность: способы вычисления теплосчетчиком энтальпий и масс не проверяются при сертификации средств измерений, не «поддаются» метрологической поверке, не отражаются в документации на приборы! Это значит, что мы не можем быть уверенными даже в том, что два теплосчетчика различных типов (от разных производителей) в одной и той же системе теплоснабжения покажут одинаковые результаты при измерениях тепла.

Дальше — больше. Потому что формула (1) справедлива только для идеальных закрытых систем теплоснабжения, где массы теплоносителя на входе и выходе системы равны. В России такие системы встречаются, мягко говоря, не везде. Поэтому в типичном современном теплосчетчике обычно «спрятано» несколько формул (алгоритмов): для закрытой системы и для открытой, с разным расположением преобразователей расхода, с измерением или программным вводом температуры холодной воды — и т.д., и т.п. Ряд таких формул приведен, например, в рекомендациях [5], но проблема в том, что, во-первых, эти формулы «как бы» факультативны, т.к. из действующих Правил учета тепловой энергии и теплоносителя [6] следует, что измерять тепло теплосчетчик может только по формуле (1). Во-вторых (и это следует из предыдущего замечания), корректность реализации данных алгоритмов в теплосчетчике также не поверяется, не сертифицируется. В-третьих (и это тоже следствие из первого), ни в одном нормативном документе не указано, для какой системы какой алгоритм является наилучшим или оптимальным. В-четвертых, в документации на теплосчетчик обычно указывают одно значение погрешности измерения тепла — вероятно, для измерений по формуле (1). Таким образом, если теплосчетчик считает тепло иначе, то мы не можем знать, правильно ли он работает, т.к. не знаем, корректно ли выбран алгоритм, корректно ли он реализован, какую погрешность измерений обеспечивает.

Наконец, еще один момент, связанный с ©факультативными» алгоритмами и с энтальпией, а именно — с так называемой «энтальпией холодной воды». Эта энтальпия присутствует и в формулах из Правил учета [6]:

(6)            Q = G1 (h1 – h2) + Qп + (G1 – G2) (h2 – hхв),

и в применяемых в большинстве теплосчетчиков алгоритмах для открытых систем вида

(7)            Q = G1 (h1 – hхв) – G2 (h2 – hхв).

Но т.к. данная энтальпия (и, соответственно, температура) — это параметр источника теплоты, и измерить его у потребителя невозможно, то принято вводить его в теплосчетчик, как константу, согласованную с поставщиком тепла, либо учитывать по окончанию отчетного периода, используя результаты измерений на источнике. И здесь довольно часто смешиваются такие условия, как «энтальпию холодной воды принять равной нулю» и «температуру холодной воды принять равной нулю»! На самом деле вода при температуре 0°С и, например, Рхв = 5 кгс/см2 имеет энтальпию 0,11 ккал/кг. Теплосчетчики же (по крайней мере, большинство из них) позволяют потребителю вводить (задавать как константу) именно температуру, но введенное значение tхв = 0 разные приборы интерпретируют по-разному. Одни из них при этом принимают именно hхв = 0, и тогда формула (7) имеет вид

(8)            Q = G1 h1 – G2 h2.

При таком подходе результаты измерений Q теплосчетчиком в конце отчетных периодов можно корректировать с учетом фактически измеренной на источнике tхв (и рассчитанной по этим данным hхв), и так предпочитают делать некоторые, если не многие, поставщики тепла. Но очевидно, что, если теплосчетчик при задании tхв = 0°С и Рхв = 5 кгс/см2 «по-честному» рассчитал hхв = 0,11 ккал/кг и именно это значение hхв подставил в формулу (7), то формула (7) не свелась к виду (8) и последующая коррекция с учетом измерений tхв исказит результаты учета. И наоборот: если предполагалось учитывать реальную энтальпию воды с нулевой температурой, а теплосчетчик при вводе tхв = 0 приравнял к нулю и энтальпию — учет снова получается некорректным.

В руководствах по эксплуатации ряда теплосчетчиков алгоритм работы прибора при вводе tхв = 0 описан явно, другие этот момент не освещают. В любом случае неоднозначность толкования данной ситуации обусловливает еще одну возможную скрытую ошибку учета — ошибку учета энтальпии холодной воды. В «масштабах одного теплосчетчика» эта ошибка мала, в масштабах системы теплоснабжения — может быть огромной.

Итак, мы рассмотрели, по сути, скрытые ошибки измерений при учете тепла. Но учет — это не только и не столько измерения [7]. Результаты последних должны быть обработаны и сохранены в виде, пригодном для формирования отчетных ведомостей, выставления счетов к оплате, анализа режимов теплопотребления и т.д. — другими словами, представлены сообразно целям учета.

Именно поэтому подавляющее большинство современных теплосчетчиков наделено функциями архивирования результатов измерений тепловой энергии и параметров теплоносителя. По содержимому почасовых или посуточных архивов составляются отчетные сводки, форма которых рекомендована действующими Правилами учета. Но беда в том, что ни эти Правила, ни один другой из существующих документов не определяют способов и методов архивирования. Здесь имеются в виду алгоритмы интегрирования и/или усреднения значений параметров теплоносителя и тепловой энергии за архивные интервалы времени, необходимость сохранения взаимосвязи их значений внутри архивных записей, относящихся к одним и тем же интервалам и т.п. Поэтому теоретически данные в архивах двух теплосчетчиков разных производителей, работающих в одной и той же системе теплоснабжения по одной и той же формуле (например, по формуле (1)) могут различаться!

Еще одним источником «скрытых ошибок учета» являются алгоритмы анализа теплосчетчиками так называемых нештатных ситуаций. Во-первых, сама «нештатность» тех или иных ситуаций определяется производителем теплосчетчика. Другими словами, никакие общеобязательные нормативные документы критериев нештатности не определяют. Во-вторых, даже в ситуациях, одинаково определяемых разными производителями, как нештатные (например, выход значений того или иного измеряемого параметра за пределы диапазона измерений), теплосчетчики этих производителей ведут себя по-разному. В результате по-разному выглядят архивы, а, значит, снова нет единства учета и можно вновь говорить об ошибках учета. Скрытых ошибках — ведь здесь, как, например, и в случае с вычислением энтальпии, мы не обнаруживаем эту ошибку, а можем о ней лишь догадываться.

А выводы по данной статье будут просты: сегодня, как и много лет назад, необходимо разработать и утвердить единую нормативную базу учета тепловой энергии. В части измерений необходимо узаконить и проверять при сертификации приборов не только алгоритмы измерений тепловой энергии, но и алгоритмы вычисления плотности и энтальпии теплоносителя. В части учета — утвердить единые для всех алгоритмы архивирования данных и алгоритмы обработки результатов измерений в интересах учета (анализ нештатных ситуаций, подстановка констант и т.п.). Все эти задачи безуспешно решаются (или успешно не решаются?) вот уже второй десяток лет…


ЛИТЕРАТУРА

  1. МИ 2412-97. ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерения тепловой энергии и количества теплоносителя
  2. С. Л. Ривкин, А. А. Александров. Теплофизические свойства воды и водяного пара – М.: Энергия, 1980
  3. ГСССД 98-86. Вода. Удельные объем и энтальпия при температурах 0…800оС и давлениях 0,01…100 МПа
  4. А. В. Борисенко, В. А. Захаров. Аттестация алгоритмов расчета теплофизических параметров воды. Шестая уральская научно-практическая конференция по метрологии: Тезисы докладов. Екатеринбург, 1998
  5. МИ 2412-97. ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерения тепловой энергии и количества теплоносителя
  6. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя / П-683. Главгосэнергонадзор, М.: Изд-во МЭИ, 1995
  7. Д. Л. Анисимов. О концептуальной модели организации учета тепловой энергии. Коммерческий учет энергоносителей. Материалы XI Международной научно-практической конференции / Сост. В.И.Лачков – СПб.: Политехника, 2000. С.66

Контакты: anisimov@teplopunkt.ru

Яндекс цитирования