О достоверности тепловых измерений

По требованию ст.11 Федерального Закона №28 от 1996 года «Об энергосбережении» весь объем добываемых, производимых, перерабатываемых, транспортируемых, хранимых и потребляемых энергетических ресурсов с 2000 года подлежит обязательному учету. В ходе исполнения этого требования в результате массовой установки узлов учета тепловой энергии у потребителей энергоснабжающие организации столкнулись с небалансами, как тепловой энергии, так и теплоносителя. Кроме очевидных ошибок в организации учета существенный вклад в формирование небалансов вносит погрешность измерения параметров теплопотребления (расхода, температуры и давления теплоносителя). Из всего множества факторов, приводящих к ошибкам измерения, далее рассмотрим только два: период дискретизации и шаг квантования возникающих при оцифровке измерительной информации.

В соответствии с МИ 2412-97 «ГСИ Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя» тепловая энергия, отпущенная с источника теплоснабжения или полученная потребителем, за период времени (Т) рассчитывается по формуле:

где: τ – время, Q – измеренная тепловая энергия, m – массовый расход теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах и h – теплосодержание теплоносителя в подающем, обратном трубопроводе и трубопроводе холодной воды соответственно.

На практике в тепловых измерениях аналоговые вычислители не применяются, а используются более дешевые цифровые вычислители. Для обеспечения работы цифрового вычислителя, измеряемые аналоговые сигналы расхода, температуры и давления теплоносителя оцифровываются и после этого, производятся расчеты тепловой энергии и массы теплоносителя используемой на нужды горячего водоснабжения (далее ГВС). Поэтому реализация приведенной выше формулы, заложенная в программное обеспечение существующих тепловычислителей, выглядит несколько иначе, а именно:

где: обозначения такие же, как и в предыдущей формуле, но τ – период дискретизации, заложенный в программное обеспечение вычислителя.

При бесконечно большой частоте дискретизации дополнительная погрешность не возникает, но это условие на практике нереализуемо. Следовательно, в реальных вычислителях возникает дополнительная погрешность измерения тепловой энергии, зависящая от частоты дискретизации измеряемых параметров, причем, чем выше частота дискретизации, тем точнее оцифрованный сигнал соответствует исходному аналоговому. Кроме того, при преобразовании аналоговых сигналов вносится дополнительная погрешность обусловленная шагом квантования. В информатике под квантованием (от англ. quantization) непрерывной величины понимают разбиение диапазона её значений на конечное число интервалов, причем, чем меньше шаг квантования, тем точнее оцифрованный сигнал соответствует исходному аналоговому. Рассмотрим влияние дискретизации и квантования измеряемых параметров теплоносителя на погрешность измерения тепловой энергии.

Задача определения минимальной частоты дискретизации, не вносящей искажения в процессе дискретизации аналогового сигнала, решена советским ученым В.А.Котельниковым в 1933г. и впоследствии вошла в учебники под названием теоремы Котельникова или в англоязычной литературе - теоремы Найквиста. В соответствии с этой теоремой чтобы исключить погрешность дискретизации аналогового сигнала необходимо обеспечить частоту отсчетов в два раза большую, чем максимальная частота спектра измеряемого сигнала. Спектры измеряемых сигналов - расхода, температуры и давления теплоносителя в реальных системах теплоснабжения неизвестны. Измерения амплитудно-частотных характеристик (далее АЧХ) измеряемых сигналов в тепловых установках не производились, или, по крайней мере, мне неизвестны результаты таких измерений. Необходимо отметить, что тепловая энергия измеряется косвенным методом по известной зависимости (функции) от параметров теплоносителя, следовательно, неизвестны ни АЧХ, ни спектр этой функции (тепловой энергии).

Оценку наибольшей частоты спектра измерительного сигнала -расхода теплоносителя можно произвести по самым быстродействующим приборам, установленным у потребителей, водопроводным кранам с керамическими дисками, у которых полный ход маховика от закрытого до полностью открытого состояния осуществляется поворотом на 90° за 0.1÷0.3 секунды. Следовательно, наибольшая частота спектра измерительного сигнала, получаемого от расходомеров, находится где-то в районе 1÷2Гц, а для исключения образования дополнительной погрешности измерения период дискретизации должен быть не более 0.2÷0.6с. Здесь необходимо отметить что, несмотря на указания ГОСТ 8.407-80 «ГСИ Расходомеры несжимаемых жидкостей. Нормируемые метрологические характеристики» о необходимости описания динамических характеристик, в документации современных расходомеров динамические характеристики не указываются. В частности п.2.9.1. ГОСТ 8.407-80 устанавливает, что в описании расходомеров должно указываться время установления показаний, определяемое по результатам испытания «Оценка инерционности». Несколько отвлекаясь от основной темы, отметим, что этот документ (ГОСТ 8.407-80) незаслуженно забыт, в частности он предписывает для расходомеров кроме основной погрешности указывать систематическую и случайную составляющие погрешности, функции влияния, метрологическую надежность и другую полезную информацию, необходимую для правильной оценки погрешности измерений расхода жидкости в реальных условиях.

Изменение температуры теплоносителя можно оценить по архивным данным учета с теплосчетчиков. При долговременном отключении циркуляции охлаждение теплоносителя происходит по экспоненциальному закону, причем в первый час падание температуры происходит практически линейно и составляет порядка 0.7°С в минуту. Возрастание температуры происходит на два порядка быстрее, чем остывание, но все равно не превышает скорости изменения расхода. В описаниях термопреобразователей указан показатель тепловой инерции равный 10с. По ГОСТ 6651-94 (с 01.01.2008 заменен на ГОСТ Р 8.625-2006) показатель тепловой инерции - время, необходимое для того, чтобы при внесении термосопротивления (далее ТС) в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки внесенного в нее ТС стала равной 0,37 того значения, которое будет в момент наступления регулярного теплового режима. Поэтому в методике поверки фирма-изготовитель предписывает до измерения сопротивления выдержать термопреобразователь в термостате 15 минут, а с защитной арматурой не менее 30 минут. Следовательно, при измерении температуры теплоносителя вносится дополнительная погрешность, обусловленная дискретизацией измерительного сигнала. Отсутствие опыта и метрологической интуиции подтолкнули проектировщиков к установке термопреобразователей в искусственное расширение трубопровода, в результате чего при измерении температуры теплоносителя в трубопроводах малых диаметров к плохим динамическим характеристикам термопреобразователя добавилась проблема пространственной разрешающей способности средств измерений кроме того достойный вклад в искажение результатов измерения внесла защитная гильза. Вклад в искажение результатов измерения температуры вносит и эксплуатационный персонал тем, что на подавляющем большинстве узлов учета отсутствует тепловая изоляция на выступающей части термопреобразователей. Для исключения дополнительной погрешности измерения температуры теплоносителя в трубопроводах малого диаметра необходимо применять малогабаритные термопреобразователи с повышенным быстродействием.

Погрешностью, возникающей при оцифровке сигнала давления, можно пренебречь из-за крайне малого влияния на погрешность измерения тепловой энергии. В результате приходим к выводу, что дискретизация измерительных сигналов не вносящая дополнительной погрешности в измерения тепловой энергии должна производиться с частотой порядка 1÷2Гц (подлежит уточнению по результатам исследования АЧХ измерительных сигналов).

По СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий» расход горячей воды для потребителя, имеющего ванну со смесителем составляет 0.18 л/с или 0.648 м3/ч. Следовательно, для абонентов с подключенной тепловой нагрузкой 0.5Гкал/ч в момент пользования приборами ГВС расход теплоносителя в подающем (обратном) трубопроводах изменяется на 10%, для абонентов с меньшей подключенной нагрузкой изменение расхода теплоносителя еще больше. Таким образом, приходим к выводу, что быстродействие вычислителей и измерительных преобразователей, используемых в поквартирном учете должно быть максимальным и составлять порядка 0.5-1с. Для источников тепловой энергии и тепловых сетей допустимо применение менее быстродействующих средств измерений, например, для узлов учета, измеряющих нагрузку 500Гкал/ч можно предположить, что вполне допустимо быстродействие в 1 минуту и более, точнее на этот вопрос можно будет ответить после измерения АЧХ измерительных сигналов.

Для оценки влияния шага квантования на погрешность измерения тепловой энергии рассмотрим пример, у потребителя с подключенной тепловой нагрузкой 0.5Гкал/ч расход теплоносителя составляет порядка 6.25т/ч, при цене импульса расходомера 1м3/ч за 1 час вычислитель получит 6 импульсов. Следовательно, дополнительная ошибка измерения расхода, обусловленная шагом квантования, составляет ±1 импульс или ±17% от измеряемого расхода.

Пример неверно выбранного шага квантования измерительного сигнала - давления теплоносителя приведен на графике, где показано изменение давления теплоносителя измеряемого в единицах системы СИ - МПа с шагом квантования 0.1 МПа.

Еще один пример (из жизни коммерческих узлов учета) неверно выбранный шаг квантования при измерении расхода теплоносителя. На графике приведено изменение утечки теплоносителя из системы теплоснабжения (разность расходов в подающем и обратном трубопроводах) во времени. Очевидно, что выбор цены импульса расходомеров 0.1м3/имп привел к значительному искажению результатов измерений.

Подводя итог можно сказать, что измерительные сигналы от первичных преобразователей претерпевают существенные искажения прежде чем будут получены вычислителем, но на этом процесс не заканчивается. В последнее время приобрели популярность вычислители с автономным питанием (батарейкой), в которых с целью экономии ресурса источника питания обработка измерительных сигналов и вычисления производятся с периодом от нескольких секунд до 17 минут. В описаниях вычислителей (теплосчетчиков) приводятся подробные рекомендации по экономии ресурса батарейки, но нет информации о дополнительной погрешности измерения тепловой энергии и массы теплоносителя, используемого на нужды ГВС.

Оценка дополнительной погрешности, обусловленная частотой дискретизации и шагом квантования измеряемых величин должна содержаться в Методике выполнения измерений (далее МВИ) наряду с другими рекомендациями, реализация которых должна обеспечить измерения тепловой энергии и теплоносителя с заданной точностью. К сожалению, укоренилось мнение, что МВИ в тепловых измерениях не нужны, несмотря на явный конфликт такого мнения со ст.5 Федерального Закона №102 2008 года «Об обеспечении единства измерений». Отсутствие МВИ в тепловых измерениях привело к ошибочным решениям при проектировании узлов учета, далее к ошибкам в процессе эксплуатации узлов учета и, наконец, к ошибкам в учете тепловой энергии и теплоносителя и, как следствие этого, к неверным, потому несправедливым, расчетам между энергоснабжающими организациями и потребителями тепловой энергии. Для обеспечения достоверности измерений при производстве и потреблении тепловой энергии Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии необходимо активизировать процесс написания и аттестации МВИ и указывать динамические характеристики средств измерений, вносимых в государственный реестр средств измерений Российской Федерации.



С.И.Черноморченко, Июнь 2009 г.

Вернуться на главную страницу Открыть сайт Вернуться в раздел

Счетчик посещений Counter.CO.KZ