В данной работе анализируются основные источники погрешностей в разностных схемах измерения тепловой энергии и предлагаются методы их снижения до допустимых значений. Весь жилой сектор Москвы представляет собой дома, в которых трубопроводы тепло- и горячего водоснабжения одновременно выполняют транзитные (транспортные) функции, обеспечивая снабжение последовательно подключенных домов. Если для домов с параллельным подключением, а также для одиночных или конечных в цепях домов проблема учета теплопотребления имеет простое решение, то обеспечение учета на транзитных домах и, в частности, метрологических требований, весьма затруднительно.  Поэтому разработка методов обеспечения требуемых метрологических параметров водо- и теплоучета в разностных схемах весьма актуальна.

Коптев В.С., Прохоров А.В., Сычев Г.И.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к методике выполнения измерений потребляемой воды и тепловой энергии на транзитных домах

Весь жилой сектор Москвы в зависимости от района от 40 до 60% представляет собой дома, в которых трубопроводы тепло- и горячего водоснабжения одновременно выполняют транзитные (транспортные) функции, обеспечивая снабжение последовательно подключенных домов. Такое последовательное включение домов в трассу теплоснабжения позволяло снизить издержки при строительстве в сравнении с параллельным подключением, при котором каждый дом подключался к трассе независимо. Строительство теплотрасс велось таким образом, что цепь могла состоять из трех и более последовательно включенных домов, а в нередких случаях теплоснабжение реализовывалась подключением к одному транзитному дому нескольких цепей, а также другими, более сложными способами.

Если для домов с параллельным подключением, а также для одиночных или конечных в цепях домов проблема учета теплопотребления имеет простое решение, то обеспечение учета на транзитных домах и, в частности, метрологических требований в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51649 [1] и «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя» [2] (далее «Правил»), весьма затруднительно. Относительная погрешность измерения тепловой энергии теплоносителя при разностных измерениях в зависимости от величины разбора тепла может достигать 20 и более процентов, что недопустимо при коммерческом учете. Следует отметить также, что в большинстве транзитных домов изменение («переврезка») трубопроводной сети с целью отделения транзитного дома от цепи, т.е. переход от последовательной к параллельной схеме подключения, практически невозможен или требует значительных затрат. Поэтому разработка методов обеспечения требуемых метрологических параметров водо- и теплоучета в разностных схемах весьма актуальна. К этой же теме относится проблема точности измерений в системах горячего водоснабжения (далее ГВС) у потребителя при двухтрубном подключении.

В данной работе анализируются основные источники погрешностей в разностных схемах измерения тепловой энергии и предлагаются методы их снижения до допустимых значений.

В связи с принятым решением об использовании для целей теплоучета теплосчетчиков с электромагнитным принципом измерения расхода, далее будем проводить анализ с учетом особенностей работы расходомеров-счетчиков этого типа.

Исходя из опыта производства и эксплуатации электромагнитных расходомеров, расходомеров-счетчиков и теплосчетчиков их измерительные каналы преобразования расхода (объема, массы) с необходимой для нас точностью могут быть представлены линейной функцией преобразования вида:

где – показания расхода (объема, массы)

 – истинный расход (объем, масса), м³/ч (м³, т)

 – коэффициент преобразования (чувствительность) канала расхода,

 – смещение нуля канала расхода.

При этом удобнее расход (объем, массу) представлять в относительной нормализованной форме, как отношение текущего значения к максимальному значению (а для объема и массы как отношение фиксированного к максимально возможному за контролируемый промежуток времени). Тогда значения нормализованного расхода (объема, массы) будут находиться в интервале от «0» до «1» (или от 0 до 100%). Истинный нормализованный расход, также изменяется в этом интервале. Значение «» - чувствительности (коэффициента преобразования) близко к «1» и отклоняется от нее в пределах установленной погрешности. Значения «» - смещения нуля близко к «0» и находится в интервале зоны погрешности преобразования.

Отсюда функция преобразования при использовании нормализованного расхода примет вид:

где  – нормализованный расход (объем, масса),

 – максимальный расход (объем, масса), м³/ч (м³, т), определяет масштаб.

Отметим, что функция преобразования идеального преобразователя будет:

Требования к погрешностям измерения устанавливают «Правила», при этом для водяных систем теплоснабжения пределы погрешности измерения объема и массы составляют , а тепла соответственно и .

Рис.1

На рис.1 для наглядности с искажением масштаба графически изображена область допустимых отклонений функций преобразования массы (объема) расходомерных каналов теплосчетчиков в соответствии с «Правилами» (трапеция со штриховкой). Там же изображена прямая – как функция преобразования идеального преобразователя (помечена знаками i) и две прямые – как функции предельно допустимых вариантов преобразования (помечены знаками L₁ и L₂). Параметры «» и «» для этих функций определены по двум точкам:

Определяем из:

Отсюда максимально допустимый разброс параметров преобразования при условии выполнения требований «Правил» составляет:

1) по коэффициенту преобразования «»

Дополнительно отметим, что отклонения коэффициента преобразования «» от «1» определяют независимую от величины расхода (постоянную) компоненту относительной погрешности канала преобразования, а величина смещения «» определяет гиперболически возрастающую с уменьшением измеряемого расхода компоненту относительной погрешности, которая и ограничивает диапазон измеряемых расходов.

На основании вышеизложенного определяем эквивалентные параметры функции преобразования в разностной схеме измерения при использовании независимо откалиброванных электромагнитных преобразователей расхода. В этой схеме измерения расход первого преобразователя представляет собой сумму транзитного и измеряемого  расходов, а расход второго есть транзитный , поэтому измеряемый расход определяется как разность первого и второго преобразователей расхода. Отсюда, рассматривая общий случай использования расходомерных каналов с разными верхними пределами, при , получим:

Таким образом, при использовании разностной схемы измерения у результирующей функции преобразования расхода параметр смещения «0» возрастает на величины

Эти величины взяты по модулю, т.к. для оценки погрешности измерения нам важны именно размеры возможных отклонений. Исходя из результатов анализа статистики соотношений нагрузок транзитных домов и последующих домов в жилом секторе Москвы, величина отношения может достигать 10. Поэтому, учитывая допустимые максимальные разбросы параметров преобразования массы (объема) в соответствии с

«Правилами» величина относительной погрешности измерения разностного расхода при использовании в разностной схеме измерения независимо откалиброванных электромагнитных преобразователей расхода может превышать 40%.

Ясно, что если мы будем стремиться уменьшить величины этой погрешности до требуемых по «Правилам» традиционно повышая класс точности устанавливаемых на транзитных домах приборов, то нам потребуется улучшить его более, чем в 20 раз. Учитывая тот факт, что снижение погрешности расходомеров в два раза достигается примерно за десять лет, то такой скачок абсолютного повышения метрологических характеристик счетчиков-расходомеров, теплосчетчиков в ближайшие годы вряд ли возможен, в том числе и в части метрологического обеспечения. Однако нетрудно увидеть, что величины  и , определяющие параметр смещения «0» функции преобразования разностной схемы измерения при равенстве  и  обращаются в ноль и величина погрешности

преобразования разностного расхода определяется отклонениями коэффициента преобразования «» от единичного значения.

Для повышения наглядности рассмотрим похожую задачу измерения разности массы двух гирь взвешиванием каждой на своих весах. Если гири имеют истинные массы 1,0 кг и 0,9 кг, а измеряются весами с относительной погрешностью 1% в диапазоне от 0,2 кг до 2,0 кг, при этом первые завышают, а вторые занижают показания в пределах погрешности, то ошибка в измерении первой гири будет плюс десять грамм, а второй гири – минус девять грамм. Тем самым относительная погрешность измерения разности масс составит 19%. В то же время при взвешивании гирь на одних и тех же весах максимальная ошибка не превысит одного грамма и, следовательно, относительная погрешность будет не более 1%.

Следует отметить, что при этом у весов в диапазоне измерений должна быть обеспечена линейность, т.е. не должно быть локальных и общего гистерезиса (эффекта аккомодации) функции преобразования.

Рассмотрим возможность обеспечения парной калибровки расходомеров-счетчиков в схемах учета на транзитных домах.

Для этого воспользуемся опытом эксплуатации электромагнитных расходомеров в разностных схемах измерения. Как часто бывает, наиболее информативным в этом отношении является опыт в смежных отраслях промышленности, например, эксплуатации систем защиты от прогара фурм доменных печей.

Алгоритм работы систем сводится к контролю разности расходов в подающем и обратном трубопроводах. Эта разность рассматривается, как утечка охлаждающей воды внутрь домны через свищ, возникающий вследствие прогара фурмы. Подобные электромагнитные расходомеры выпускались с 80-х гг. прошлого века, например, фирмой Krohne (первичные преобразователи расхода MID 51D с электронным блоком TIV 60D) [3]. Такие системы, реализованные на отечественных расходомерах современной конструкции, успешно работают на домнах ОАО «Северсталь», при этом позволяют с помощью парной калибровки выявлять утечки менее 10 литров в час при расходе 30-40 м3/ч, т.е. на уровне 0,03-0,04% от рабочего значения расхода.

При этом следует отметить, что охлаждающая оборотная вода имеет весьма низкое качество, т.к. годами используется без фильтрации с открытыми накопительными емкостями, выполненными из черной углеродистой стали. Последнее обстоятельство делает этот опыт наиболее близким к условиям эксплуатации в реальных системах водяного теплоснабжения России. Температура охлаждающей воды колеблется от 10°С в зимнее время до 30°С в летнее время.

В этих условиях электромагнитные расходомеры эксплуатируются без чистки измерительного канала первичных преобразователей от 1,5 до 2,5 лет, обеспечивая выявление утечек с вышеуказанными уровнями.

Возможность измерения малой разности больших масс или объемов воды с малой погрешностью с помощью электромагнитных расходомеров экспериментально доказана также и исследованиями сибирских учёных [4]. Расхождение в показаниях двух однотипных электромагнитных водосчетчиков за время более полугода составило порядка 0,1%.

Таким образом, эти данные позволяют подтвердить возможность использования парной прикалибровки двух электромагнитных расходомеров в пределах взаимных отклонений не превышающих 0,1% в локальной области их рабочего диапазона в течение более одного года при близких температурах измеряемой среды в обоих каналах измерения расхода. Такое согласование реальных индивидуальных метрологических характеристик на конкретном узле учета (с учетом индивидуальных условий эксплуатации) с помощью прикалибровки наряду с периодическим контролем метрологических характеристик является обязательным условием для точного измерения утечек по мнению [5].

Следующим по значимости для подтверждения возможности использования парной подкалибровки расходомеров является опыт эксплуатации теплосчетчиков для закрытых систем, где расходомер, установленный на обратном трубопроводе, выполняет роль контролирующего, выявляющего по возможности необнаруженные утечки. Анализ работы расходомерных каналов в таких теплосчетчиках показывает, что в большинстве случаев, при условии закрытости самой системы отопления, заметных изменений между подающим и обратным трубопроводами в течение, по крайней мере годичной эксплуатации, не наблюдается.

Более того, если такие изменения у отдельных абонентов и происходят, то они и позволяют в конечном итоге выявлять причины утечек.

Учитывая значительный разброс между выбираемыми верхними пределами по расходу таких теплосчетчиков и реальными расходами общая статистика подтверждает, что у электромагнитных расходомеров, по крайней мере в течение года эксплуатации, в диапазонах расходов от до 0,1  не отмечается заметных уходов калибровочных характеристик.

Естественное желание получить подобранную пару/тройку расходомерных каналов по аналогии с комплектом термопреобразователей [6] не подтверждается экспериментальными данными, а предложения по [7] представляют собой весьма далёкие от реальных устройств умозрительные конструкции. Следует сразу отметить, что попытки уменьшить расхождение показаний расходомерных каналов в теплосчетчике за счет одновременной калибровки обоих каналов на проливной установке и ужесточение требований к их возможным отклонениям в процессе калибровки, как правило, не дают желаемые результаты [8], [9]. Отмечается влияние на градуировочную характеристику расходомерного канала, кроме температурных погрешностей, других дестабилизирующих факторов, связанных с установкой первичных преобразователей расхода (ПрП) на трубопровод (отклонение оси ПрП от оси трубопровода, выступание или утопание прокладок и т.п.) и другими условиями эксплуатации. При этом опыт калибровочных работ на проливных установках показывает, что максимальные изменения калибровочных характеристик расходомерных каналов, связанные с возможными отклонениями позиционирования ПрП при их установке на трубопроводах, не превышают 1% и могут быть скомпенсированы незначительной подстройкой регулировочных элементов (или программных средств), определяющих чувствительность и смещение «0».

Весьма интересен опыт эксплуатации теплосчетчиков в открытых системах горячеводного теплоснабжения жилых зданий. Нестационарный характер потребления жильцами горячей воды, а также возможные перетоки между системами ГВС и ХВС в квартирных смесителях, из-за их неплотности, не позволяют с высокой достоверностью использовать эксплутационный опыт теплоучета в этих системах. Тем не менее, анализ статистически значимого массива архивных данных теплосчетчиков на ГВС подтверждает стабильность разности среднечасовых значений расходов в периоды практически гарантированного отсутствия водоразбора, т.е. в 2-3 часа ночи (часа «Быка»).

Таким образом, исходя из анализа опыта эксплуатации двухканальных электромагнитных теплосчетчиков на отопительных сетях и горячем водоснабжении следует:

1. У электромагнитных расходомеров в течение 2-3 месяцев может быть обеспечена необходимая стабильность разностной расходомерной характеристики (т.е. не более 0,1% взаимных отклонений);

2. Парная калибровка расходомерных каналов в процессе выпуска теплосчетчиков из- за дестабилизирующего влияния установочных факторов на метрологические характеристики расходомерных каналов не может обеспечить надежного решения теплоучета в разностных схемах измерения в соответствии с «Правилами»;

3. Максимальная величина отклонений калибровочных характеристик за счет влияния установочных факторов не превышает 1%, т.е. для электромагнитных расходомерных каналов теплосчетчиков, выпускаемых с классом 1% с учетом дополнительной погрешности из-за факторов установки суммарные отклонения характеристики преобразования расхода не выходят за пределы установленных «Правилами » требований.

4. Дестабилизирующее влияние установочных факторов на характеристики преобразования электромагнитных расходомерных каналов может быть всегда скомпенсировано имеющимися регулировочными средствами.

Кроме перечисленных факторов, на возникновение дополнительных погрешностей оказывает влияние температура и давление измеряемой среды, температура и влажность окружающего воздуха, питающее напряжение и др. Поэтому для ослабления влияния этих факторов целесообразно:

1. Парные каналы (их электронную часть) желательно размещать в одном блоке с общим питающим напряжением и одинаковыми условиями эксплуатации.

2. Параметры теплоносителя (температура и давление) не должны существенно отличаться в этих каналах.

Используя эти критерии, с целью выбора оптимального конфигурационного решения теплосчетчика для транзитных домов рассмотрим возможные варианты алгоритмов теплоучета.

На рис.2 схематично изображена транзитная схема теплоснабжения элемента цепи из двух домов.

Исходя из реальных условий передачи теплоносителя

1.  теплосодержание в подающем трубопроводе на входе и выходе из дома практически не изменяется.

Исходя из сохранения массы:

Сумма поступающих в дом расходов теплоносителя равна сумме выходящих из дома расходов плюс возможные утечки. Так как утечки в отопительной системе жилого дома практически исключены:

Отсюда расход теплоносителя для отопления первого по схеме дома будет равен:

(аналогично и для следующего дома) исходя из сохранения энергии (работы при передаче тепла в доме практически не производится)

Отсюда, используя  и   и учитывая получим

возможен алгоритм с использованием ;

Следует отметить, что именно этот алгоритм определения потребляемой домом тепловой энергии использует результаты измерения расходов при наиболее близких параметрах теплоносителя.

Традиционно используемый алгоритм определения потребляемой тепловой энергии домам строится на:

Где потребляемое домом тепло определяется как разность потребляемой тепловой энергии всеми домами в цепи и потребляемой тепловой энергии следующими в цепи домами. Для рис.2:

Но при отсутствии утечек ;  на трассах между домами и пренебрежимо малых потерях ;  на трассе:

и в итоге получим:

т.е. эквивалентный ранее определенному алгоритм определения потребляемой домом тепловой энергии.

Тем не менее, использование традиционного алгоритма объединения расходомерных каналов в едином блоке и даже вычисление тепловой энергии одним вычислителем весьма затруднительно.

Поэтому, пожалуй, самым оптимальным алгоритмом с точки зрения обеспечения метрологически надежных разностных измерений является алгоритм:

к тому же этот алгоритм позволяет вычислить потребляемое домом тепло без «подмеса» теряемого тепла на междомовых трассах.

Не представляется сложной задача «привязки» калибровочных характеристик трех платиновых термопреобразователей. Сразу следует оговорить, что стоимость подобранных в тройку термопреобразователей возрастает не более, чем на 20 % ( с учетом установочной арматуры около 3 тыс. руб.)

Привязку калибровочных характеристик расходомерных каналов будем выполнять базируясь на следующем:

1. Электромагнитные расходомерные каналы установленного в узле учета на жилом доме теплосчетчика соответствуют требованиям «Правил».

2. Максимальное относительное отклонение среднечасовых объемных и массовых расходов в парных расходомерных каналах не может превышать 4% в диапазоне расходов от 4 до 100% от верхних пределов измерений расходов.

3. Если не выполняется условие 2, теплосчетчик должен быть демонтирован с узла учета и повторно комиссионно поверен.

4. Для снижения случайной составляющей погрешности, связанной с колебаниями расхода, шумами преобразователей при сравнении параметров функций преобразования расходомерных каналов время накопления объема (массы) должно быть более 900 с.

5. Для исключения произвола при проведении «привязки» характеристик каналов, первый расходомерный канал теплосчетчика по отоплению принимается за опорный и величины его настроечных параметров на момент выпуска из производства сохраняются в течение всего времени эксплуатации в узле учета на доме.

Исходя из вышеизложенного, предлагается следующая методика проведения «привязки» каналов.

Методика проведения привязки расходомерных каналов

«Привязку» расходомерных каналов измеряющих расходы соответственно предлагается производить следующим образом:

1. Теплосчетчик устанавливается на трубопроводы системы отопления в транзитном доме в соответствии с рис.3

Рис.3

Примечание: группы вентилей, помеченных серым цветом, могут не устанавливаться на отоплении, но с их помощью можно проверить неплотность системы отопления.

2. На все трубопроводы обеспечивающие подачу теплоносителя в квартиры («стояки») должны быть установлены с подающей и обратной стороны по два отсекающих вентиля (желательно шаровых крана).

3. На промежуточных участках трубопроводов между двумя последовательно установленными отсекающими вентилями на «стояках» должны быть «врезаны» дополнительные запираемые сливные участки для обеспечения возможности слива промежуточных участков с целью проверки уровня утечек через отсекающие вентили на стояках. Если утечки существуют, то они суммируются за время наблюдения, измеряются по объему (массе) и вычитаются из величины измеренной разности показаний каналов алгебраически, т.е. с учетом знаков.

4. Измеряем среднечасовой расход по каналам и если относительное расхождение показаний между каналами не превышает 4% (с учетом п.3) в диапазоне расходов от 4 до 100% от верхних пределов измерений расходов (при отсутствии утечек по п.3 сравнение можно выполнять по распечаткам среднечасовых значений расхода теплоносителя), то на этом теплосчетчике возможно проведение операции привязки расходомерных каналов. Если расхождение превышает 4%, то теплосчетчик должен быть отправлен на повторную поверку.

5. Принимая первый расходомерный канал за опорный производим коррекцию калибровочной характеристики второго канала, максимально приближая ее к параметрам калибровочной характеристики первого канала. Коррекцию калибровочной характеристики второго канала теплосчетчика производим непосредственно в узле учета дома при двух значениях расхода (при отсутствии утечек по п.3). На рабочем уровне расхода (т.е. при полностью открытых входных и выходных задвижках на трубопроводе отопления дома) и на уровне 2-4% от значения рабочего расхода (т.е. с помощью одной из задвижек достигается уровень расхода в пределах от 2 до 4% от рабочего значения).

6. Коррекцию характеристики производят в режиме «Поверка» по величине накопленной массы при одновременном пуске и останове счетчиков накопленной массы обоих каналов. Время накопления должно быть не менее 15 минут (900 с). Отличие накопленных масс первого и второго расходомерных каналов после коррекции не должно превышать 0,1%.

7. Коррекцию характеристик производят комиссионно с участием представителей Госстандарта и Энергоснабжающей организации.

8. Через 30 суток комиссией с участием представителей Госстандарта и Энергоснабжающей организации производят проверку на рабочем расходе совпадения калибровочных характеристик расходомерных каналов в соответствии с п.5 настоящей методики. Если отклонения не превышают 0,14%, то операции по п.7 производят через 60 суток. Если превышают, то повторяют операцию по п.6.

9. При положительных результатах двух проверок по п.8 через 30 и 60 суток соответственно принимают решение о возможности перехода на ежегодный период проверки совпадения калибровочный характеристик расходомерных каналов теплосчетчика.

Следует отметить, что проведение работ по данной методике даже при месячном периоде комиссионных проверок позволит не только обеспечить корректность теплоучета на транзитных домах, но также позволит оценить относительную стабильность метрологических характеристик любого из применяемых типов теплосчетчиков.

Кроме этого, данные работы подготовят корректное решение водо- и теплоучета в системах горячего водоснабжения.

В завершение ответим на вопрос: а можно ли отказаться от разностных измерений? Теоретически следует утвердительный ответ: да! Для этого потребуется создать в каждом доме индивидуальный тепловой пункт с теплообменниками и насосами на отопление и ГВС, где тепловой учет можно реализовать по «высокой» стороне трёхканальным (третий канал на подпитку системы отопления дома) теплосчетчиком при полной стоимости такого теплового пункта в пределах 0,8-2 млн. руб. в зависимости от нагрузок дома. Обслуживание этого теплового пункта потребует на порядок больших затрат, чем при существующей схеме теплоснабжения. Предлагаемая же методика при её реализации на обычном четырёхподъездном доме потребует не более 120 тыс. руб. дополнительных затрат.

1. ГОСТ Р 51649-2000. Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия.

2. «Правила учета тепловой энергии и теплоносителя» П-683, Главгосэнергонадзор. М.: изд.МЭИ, 1995.

3. Technishe Daten. Magnetish-inductive Durchflu.messer fur Differenzmessungen//KROHNE-Messtechnik GmbH&Co. KG, 1985.

4. Волынкин В.Н., Иванов И.А., Карнаухов И.Н., Лурье М.В., Рогачевский Б.М. О возможности измерения малой разности больших масс (объемов) воды с малой погрешностью//Проблемы коммерческого учета энергоносителей//Труды 2-й Международной научно-практической конференции - Новосибирск.: НГТУ, 2003.

5. Шешуков И.Ю. О необходимости разработки МВИ тепловой энергии и утечки теплоносителя//Коммерческий учет энергоносителей – СПб.: Борей-Арт, 2003.

6. Новицкий П.В. Методические погрешности узлов учета при косвенном определении разности измеряемых величин // Коммерческий учет энергоносителей – СПб.: МЦНТ, 1997.

7. Глухов А.П. Дифференциальный расходомер. Концепция, варианты схемных решений, перспективы использования // Коммерческий учет энергоносителей – СПб.: Борей-Арт, 2003.

8. Шешуков И.Ю. Как уменьшить погрешность измерений тепловой энергии и утечки теплоносителя//Законодательная и прикладная метрология - 2002, №5.

9. Милейковский Ю.С. О принципах расчета МХ теплосчетчиков для открытых систем теплосабжения//Коммерческий учет энергоносителей – СПб.: Борей-Арт, 2001.

Коптев Валерий Сергеевич

Директор по R&D

ЗАО «НПО «Тепловизор»

Директор

ЗАО «НПО «Тепловизор»

Директор по маркетингу, рекламе и PR

ЗАО «НПО «Тепловизор»

ЗАО «НПО «Тепловизор»

109428, Москва, Рязанский проспект, 8а, стр.9

тел./факс 730-47-44

e-mail: mail@teplovizor.ru,

http://www.teplovizor.ru