Учет энергии холодной воды
(теоретические основы измерений)

Действующие нормативные документы указывают на необходимость измерения температуры холодной воды, а некоторые уточняют, что должна измеряться температура холодной воды именно на источнике теплоснабжения. Например: «Правила учета тепловой энергии и теплоносителя», МИ 2412-97 «ГСИ Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя», ГОСТ Р 8.592-2002 «ГСИ Тепловая энергия, потребленная абонентами водяных систем теплоснабжения. Типовая методика выполнения измерений» и т.д. Казалось бы, написано много, проблема решена, но практика применения указаний нормативных документов показывает обратное.

Уважаемый читатель! Если Вас пугают формулы, не обращайте на них внимание, они предназначены для зануд вроде меня, которые словам не верят (шутка).

Зачем нужен учет «температуры холодной воды»?

В системе теплоснабжения образуются утечки теплоносителя, кроме того в открытых системах теплоснабжения теплоноситель используется потребителями для технологических и бытовых нужд горячего водоснабжения (далее ГВС). Для восполнения потерь теплоносителя на источниках тепловой энергии производится подпитка тепловых сетей, которая осуществляется из природных источников воды: озера, реки, артезианские скважины… Теплосодержание исходной воды используемой для подпитки системы теплоснабжения, как правило, отличается от нуля, в результате чего образуется небаланс между произведенной на источнике тепловой энергией и отпущенной, или принятой потребителями, тепловой энергией. Для исключения возможности незаконного обогащения теплоснабжающих предприятий в советский период была введена поправка на температуру холодной воды на источнике теплоснабжения. С учетом этой поправки формулы вычисления отпущенной с источника или принятой потребителями тепловой энергии выглядят так:

 или        (1)

где:
Q – измеренная тепловая энергия, размерность в системе СИ – [Дж];
m1 и m2 – (массовый) расход теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно, размерность в системе СИ – [кг/с];
h1, h2 и hcw – энтальпия теплоносителя в трубопроводах: подающем, обратном и холодного водоснабжения источника тепловой энергии соответственно, размерность в системе СИ – [Дж/кг];
τ – переменная времени на интервале измерений (от 0 до
T), размерность в системе СИ – [с].

Комментарий

1.     При использовании единиц измерений, отличных от международной системы (СИ), необходимо вводить соответствующие коэффициенты.

2.     Массовые расходомеры в реальных узлах учета тепловой энергии, как правило, не применяются из-за высокой стоимости (расходомеров).

3.     Как видно из формул, учет ведется не «температуры холодной воды», а энтальпия или теплосодержания холодной воды на источнике тепловой энергии. Далее этот вопрос будет рассмотрен более подробно.

4.     Несмотря на то, что приведенные формулы абсолютно верны с точки зрения термодинамики и часто приводятся в нормативных документах, они абсолютно непригодны для применения на практике. Думаю, хватит пальцев одной руки, чтобы пересчитать узлы учета на всем постсоветском пространстве, в которых применение этих формул дают корректный результат расчета отпущенной с источника или принятой потребителем тепловой энергии.

Последнее замечание, насчет непригодности общепризнанных формул, рассмотрим подробнее.

Алгоритм расчета тепловой энергии

Для простоты изложения представим формулы (1) в следующем виде:

Q=Qm-Qcw       (2)

где:
Q – измеренная тепловая энергия, подлежащая оплате потребителями
Qm – тепловая энергия, измеренная теплосчетчиком на источнике теплоснабжения или у потребителя, без учета поправки на энергию холодной воды;
Qcw – природная энергия холодной воды на источнике теплоснабжения. Часть, не подлежащая оплате потребителями.

 

Тогда составляющая Qm, т.е. тепловая энергия, измеренная теплосчетчиком на источнике теплоснабжения или у потребителя, без учета поправки на энергию холодной воды, с учетом использования наиболее распространенных объемных расходомеров будет выражена следующей формулой:

       (3)

где:
Qm – тепловая энергия, измеренная теплосчетчиком на источнике теплоснабжения или у потребителя, без учета поправки на энергию холодной воды, размерность в системе СИ – [Дж];
v1 и v2 – измеренный расход теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно, размерность в системе СИ – [м3/с];
ρ1 и ρ2 – плотность теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно, размерность в системе СИ – [кг/м3];
h1 и h2 – энтальпия теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно, размерность в системе СИ – [Дж/кг];
τ – переменная времени на интервале измерений (от 0 до
T), размерность в системе СИ – [с].

Комментарий

1.     При использовании единиц измерений, отличных от международной системы (СИ), необходимо вводить соответствующие коэффициенты.

2.     Приведенная формула абсолютно верна с точки зрения термодинамики, реализована в существующих теплосчетчиках, дает корректный результат расчета отпущенной с источника или принятой потребителем тепловой энергии на любых интервалах времени. Смело используйте ее в системах учета, «неожиданностей» не будет.

3.     Данная формула обладает неприятным свойством – увеличением инструментальной погрешности результата измерений при стремлении разности расходов (m1-m2) к нулю. Безусловно, решение существует, но об этом в другой раз.

4.     Возможно возникновение небаланса отпуска/потребления тепловой энергии в момент заполнения тепловых сетей после ремонта или при их опорожнении для производства ремонтных работ. Задача тривиальна в пояснениях не нуждается.

5.     Возможны крайне редкие случаи затруднения в использовании формулы при организации учета на источниках, еще реже у потребителей, когда количество подающих трубопроводов не равно количеству обратных. Безусловно, решение существует, но об этом в другой раз.

 

Составляющая Qcw т.е. природная энергия холодной воды на источнике теплоснабжения. Часть, не подлежащая оплате потребителями, будет выражена формулами:

       (4)

где:
Qcw – природная энергия холодной воды на источнике теплоснабжения. Часть, не подлежащая оплате потребителями, размерность в системе СИ – [Дж];
m1 и m2 – (массовый) расход теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно, вычисленные теплосчетчиком во время измерений, размерность в системе СИ – [кг/с];
v1 и v2 – измеренный расход теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно, размерность в системе СИ – [м3/с];
ρ1 и ρ2 – плотность теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно, размерность в системе СИ – [кг/м3];
h1 и h2 – энтальпия теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно, размерность в системе СИ – [Дж/кг];
hcw – энтальпия воды в трубопроводе холодного водоснабжения источника тепловой энергии, размерность в системе СИ – [Дж/кг];
τ – переменная времени на интервале измерений (от 0 до
T), размерность в системе СИ – [с].

Необходимо отметить, что даже если бы было известно значение средневзвешенной энтальпии холодной воды на источнике теплоснабжения, из-за временной задержки при транспортировке теплоносителя (от источника до потребителя) применение формул, учитывающих энергию холодной воды в узлах учета потребителей, некорректно на малых интервалах времени.

При организации учета энергии холодной воды на источниках тепловой энергии так же возникают проблемы. Чтобы разобраться, рассмотрим в общих чертах технологический процесс водоподготовки и подпитки тепловых сетей на источнике тепловой энергии.

О технологии подпитки тепловых сетей

По существующей технологии, принятой в централизованном теплоснабжении, холодная вода проходит необходимые этапы водоподготовки потом нагревается до температуры порядка 70°С и направляется в аккумуляторные баки и на подпитку тепловых сетей. Необходимо заметить, что после узла учета холодной воды, расположенного на границе раздела балансовой принадлежности водопровода, производится отбор воды на технологические и хозяйственно-бытовые нужды источника тепловой энергии. По этой причине использовать показания расходомера, установленного на вводе холодной воды источника теплоснабжения для определения массы воды, используемой для подпитки тепловых сетей некорректно. По требованию действующих «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя» узлы учета на источниках тепловой энергии устанавливаются на всех выводах тепловых магистралей. Таким образом, между вводом холодной воды на источник тепловой энергии и выводом тепловой магистрали происходит накопление теплоносителя и тепловой энергии в аккумуляторных баках. Для иллюстрации привожу схему подпитки тепловых сетей на источнике тепловой энергии (слева) на которой показаны точки коммерческого учета: холодной воды (a) и узла учета отпуска тепловой энергии в магистраль (b).

Кроме того в крупных системах теплоснабжения несколько источников тепловой энергии работают на одну (единую) тепловую сеть. Зачастую эти источники имеют разные источники холодного водоснабжения, с разной температурой воды. Вследствие чего приходится рассчитывать средневзвешенную энтальпию холодной воды на источниках теплоснабжения для всей тепловой сети, что весьма затруднительно организовать в режиме реального времени, да и незачем.

Более того, в некоторых системах теплоснабжения потребители подключены к тепловым сетям энергоснабжающей организации через центральные тепловые пункты (ЦТП). Несмотря на то, что передача тепловой энергии от источника тепловой энергии к ЦТП осуществляется по закрытой схеме, без отбора теплоносителя на нужды горячего водоснабжения (ГВС), удовлетворение нужд ГВС этих потребителей, подключенных к ЦТП, осуществляется по открытой схеме. Следовательно, в таких схемах теплоснабжения ЦТП выступают как источники ГВС, а значит необходимо организовать измерение и учет энергии холодной воды на этих ЦТП, а впоследствии и расчеты с потребителями производить с учетом этой энергии (холодной воды).

Комментарий

1.     Из-за применения на источниках тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения аккумуляторных баков расход воды, используемой для подпитки тепловых сетей (составляющая m1-m2), практически никогда не равен расходу воды на выходе из системы водоподготовки. Другими словами имеет место накопление теплоносителя и тепловой энергии, что нарушает условия использования данной формулы при организации учета на источниках тепловой энергии.

2.     Фактически из-за задержки времени, образующейся в технологическом процессе водоподготовки и при транспортировке теплоносителя от источника к потребителям, потребители пользуются горячей водой подготовленной частично несколько часов назад, частично вчера и частично в предыдущий период. По этой причине использование в формуле текущего значения энтальпии холодной воды на источнике теплоснабжения (hcw) в узлах учета источников и потребителей не корректно.

3.     При работе нескольких источников тепловой энергии на единую тепловую сеть в расчетах с потребителями рекомендуется использовать средневзвешенную энтальпию холодной воды на всех источниках теплоснабжения. В режиме реального времени установить средневзвешенную энтальпию холодной воды для группы источников теплоснабжения (hcw) весьма затруднительно, что осложняет применение в данной формуле значения средневзвешенной энтальпии холодной воды в узлах учета потребителей.

Выводы

Несмотря на всеобщее признание и реализацию в современных теплосчетчиках формул (1), организовать с их использованием измерения тепловой энергии с одновременным учетом энергии холодной воды на источнике теплоснабжения невозможно ни на источниках тепловой энергии, ни у потребителей. Тем не менее, при использовании существующих приборов учета организовать корректные измерения возможно, алгоритмы вычислителей позволяют это сделать. Надо лишь правильно выбирать алгоритм расчета и правильно использовать результаты полученных измерений. К сожалению, ни действующие «Правила учета тепловой энергии и теплоносителя» (1995 года), ни проект новой редакции «Правил учета тепловой энергии, теплоносителя» (2011 года) не дают исчерпывающего ответа на вопрос как это сделать.

Вопросы организации измерений энтальпии и энергии холодной воды на источниках тепловой энергии и в тепловых сетях необходимо рассмотреть более подробно (в других статьях).

Вопросы организации учета энтальпии и энергии холодной воды на источниках тепловой энергии в энергоснабжающих организациях и взаимные расчеты с потребителями также необходимо рассмотреть более подробно (в других статьях).



С.И.Черноморченко, Июль 2013г.

Вернуться на главную страницу Открыть сайт Черноморченко С.И. Вернуться в раздел

Счетчик посещений Counter.CO.KZ