Измерение тепловой энергии

Вновь начинаются обсуждения, казалось бы, давно решенного вопроса. Опять возникли споры по поводу того, что теплоту можно измерить только в закрытых системах теплоснабжения, а в открытых системах надо измерять теплоту, используемую на нужды отопления и вентиляции, а тепло горячего водоснабжения измерять «мешками» по объему или массе теплоносителя для чего установить отдельный тариф на горячую воду. С точки зрения PR-технологий хороший ход: все расчеты за теплоснабжение необоснованны, а авторы вопроса борцы за справедливость. При этом «реформаторы» не хотят отвечать на два очевидных вопроса: что считать «горячей водой», и какой тариф необходимо установить на эту самую «горячую воду»? Сломать существующую систему расчетов за теплоснабжение можно, но что мы получим взамен? По-моему не все так плохо, и менять кроме стереотипов мышления ничего не надо.

Во-первых, по определению: теплота - это форма перехода энергии от одного тела к другому, не связанная с переносом вещества и совершением работы. В реальных системах теплоснабжения теплоноситель совершает работу. Например, пар приводит в движение турбину, молот или другой механизм. Теплофикационная вода совершает работу по увеличению расхода во внутреннем контуре системы теплопотребления, для этих целей широко используются жидкостные насосы – элеваторы. Кроме того в открытых системах теплоснабжения теплоноситель (вода) используется для нужд горячего водоснабжения, т.е. безвозвратно отбирается из системы теплоснабжения. Более того в любых системах теплоснабжения теплоноситель: пар или вода совершают работу по преодолению сил трения в процессе транспортировки по тепловым сетям. Следовательно, использование термина теплота в реальных системах теплоснабжения некорректно. Для целей теплоснабжения предлагаю официально ввести широко применяемый термин: тепловая энергия, под которым понимать форму передачи энергии, учитывающую передачу теплоты с учетом передачи вещества и совершения работы (расширение понятия "Теплота").

Во-вторых, средство измерений «тепломер» как таковое не существует, более того в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии (бывший Госстандарт) нет установок, способных воспроизвести и передать рабочим средствам измерений единицу измерения - Гкал. По этой причине ни один из существующих теплосчетчиков не проверен на предмет фактической погрешности измерения тепловой энергии или мощности, пусть даже и в лабораторных условиях, не говоря уже о рабочих условиях, где погрешность измерения существенно выше. Фактически тепловая энергия измеряется по вторичным параметрам – широко применяемый во многих областях промышленности и науки метод измерений. Суть метода (применительно к теплофикации) заключается в том, что измеряется не энергия как таковая, а другие параметры (масса и теплосодержание теплоносителя), связанные однозначной, известной зависимостью с энергией, а затем, по измеренным значениям параметров теплоносителя производится расчет энергии.

Уравнение измерений тепловой энергии общепринятая запись (можно найти, например, в МИ 2412-97 «ГСИ Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя») выглядит так:

                    (1)
где:
m1 – массовый расход теплоносителя, поданного через подающий трубопровод от источника теплоснабжения к потребителю, m2 - массовый расход теплоносителя, возвращенного через обратный трубопровод от потребителя к источнику теплоснабжения, h1, h2 и hхв – теплосодержание теплоносителя в подающем, обратном трубопроводах и холодной воды на входе в источник теплоснабжения соответственно и время (τ) на интервале от 0 до Т. Формула точна, но бесполезна на практике потому, что, во-первых, потребителю не известна температура холодной воды на входе в источник теплоснабжения, во-вторых, процесс нагрева холодной воды (на источнике теплоснабжения) и процесс потребления горячей воды у потребителя происходят не одновременно. На всех источниках теплоснабжения в открытых системах теплоснабжения применяются аккумуляторные баки, т.е. имеет место накопление теплоносителя, а, следовательно, и тепловой энергии. Применение аккумуляторных баков позволяет сгладить режим работы оборудования источника теплоснабжения, но за счет этого количество привнесенной (на источнике) теплоты в систему теплоснабжения не равно количеству потребленной энергии потребителями в единицу времени. Другими словами мощность, вырабатываемая тепловыми установками источника теплоснабжения, практически все время не равна мощности отдаваемой потребителям тепловой энергии. Следовательно, формула содержит методическую ошибку, которая на практике может привести к искажению результатов измерений и, как следствие этого, к неправильным расчетам за тепловую энергию между поставщиками и потребителями (тепловой энергии). Для измерения тепловой энергии в реальных системах теплоснабжения необходимо природное тепло холодной воды измерять отдельно, т.е. одна измерительная система измеряет теплоотпуск, а вторая энергию холодной воды на источнике теплоснабжения, для чего приведенный алгоритм преобразовать следующим образом:

             (2)
где все обозначения такие же, как в предыдущей формуле. Само по себе тождественное преобразование расчетной формулы ни как не сказывается на результатах вычислений, но реализация измерений тепловой энергии у потребителей и на источниках тепловой энергии (первый интеграл), а измерений энергии холодной воды на источнике теплоснабжения (второй интеграл) представляет возможность корректно организовать измерения и учет тепловой энергии на заданном интервале времени (сутки, месяц и т.п.) как на источнике теплоснабжения, так и у потребителей тепловой энергии.

На практике массовые расходомеры не нашли широкого применения в узлах учета тепловой энергии, подавляющее большинство расходомеров измеряет расход теплоносителя в объемных единицах (м3/ч). Поэтому уравнение измерения тепловой энергии, реализуемое в теплосчетчиках (вычислителях), должно быть таким:

                               (3)
где:
v1(2)-объемный расход теплоносителя в подающем (обратном) трубопроводах, ρ1(2)- плотность теплоносителя в подающем (обратном) трубопроводах, h1(2)- энтальпия теплоносителя в подающем (обратном) трубопроводах. Формула универсальная, поэтому необходимо рассмотреть особенности.

·        В формуле не учитывается тепловая энергия холодной воды на источнике теплоснабжения, как я написал ранее, в этом нет необходимости ни в узлах измерения отпуска тепловой энергии с источников теплоснабжения, ни в узлах измерения теплопотребления у потребителей тепловой энергии. Корректировка результатов измерений на источниках и у потребителей производится в конце расчетного периода, например, в конце расчетного месяца.

·        Для измерения теплоотпуска (теплопотребления) в однотрубных системах достаточно принять значение расхода во втором трубопроводе равным нулю (v2=0).

·        Расход теплоносителя - величина векторная, т.е. имеет не только величину, но и направление, поэтому при смене направления движения теплоносителя на противоположное достаточно изменить знак расхода в соответствующем трубопроводе на отрицательный. С появлением расходомеров с цифровым выходным сигналом эта особенность формулы позволит производить измерения теплопотребления в межотопительный период, когда подача теплоносителя на нужды горячего водоснабжения (ГВС) может осуществляться через обратный трубопровод. При этом не потребуется производить переключения алгоритма, что значительно повысит достоверность измерения теплопотребления в узлах учета потребителей.

·        Если в качестве теплоносителя в подающем трубопроводе используется пар, а в обратном трубопроводе конденсат результат расчета окажется корректным при условии использования соответствующих алгоритмов расчета плотности и энтальпии теплоносителя.

·        Если данная формула используется для расчета тепловой энергии в закрытой системе теплоснабжения, а измерения расхода производятся одним расходомером, причем неважно, где расходомер установлен в подающем или обратном трубопроводе, достаточно вместо показаний несуществующего расходомера подставить значение массового расхода теплоносителя (v*ρ), измеренное существующим расходомером.

Таким образом, можно считать вопрос практической реализации первого интеграла в формуле (2) решенным, а вот вопрос реализации на практике измерений энергии холодной воды на источнике теплоснабжения (второй интеграл в формуле 2) необходимо рассмотреть подробнее.

Учет энергии холодной воды красиво выглядит на бумаге, но очень непросто реализуется на практике. Далее приведу несколько проблемных моментов.

·        Для того чтобы разобраться в этом вопросе рассмотрим технологический процесс поставки воды на нужды горячего водоснабжения. Холодная вода поступает на ввод источника теплоснабжения, где и производится измерение ее давления и температуры (для расчета энтальпии), после этого вода поступает в систему водоподготовки, где производится ее очистка от механических примесей, нагревание, и деаэрация (удаление растворенного кислорода). После этого воду охлаждают до комнатной температуры, производят удаление химических примесей образующих накипь на стенках технологического оборудования. После этого воду опять нагревают до температуры порядка 75°С и используют для подпитки тепловой сети, а излишки собираются в баках-аккумуляторах.

·        В реальных системах теплоснабжения зачастую несколько источников работают на единую сеть, кроме того с учетом аварийных переключений в тепловых сетях задача измерения холодной воды значительно усложняется. Теоретически можно рассчитать средневзвешенную энтальпию холодной воды для разных частей расчетного периода и каждого участка тепловой сети с учетом одновременной работы нескольких источников (с разной температурой холодной воды) на единую тепловую сеть.

·        На практике очень часто совершаются ошибки, искажающие результаты учета и приводящие к ошибкам во взаимных расчетах за тепловую энергию. Наиболее оптимальный вариант – учесть температуру холодной воды на источниках теплоснабжения в тарифе, но этот подход не нашел сторонников. Видимо это вопрос будет решен в будущем.



С.И.Черноморченко, Ноябрь 2009 г.

Вернуться на главную страницу Открыть сайт Вернуться в раздел

Счетчик посещений Counter.CO.KZ