Описание и состав теплосчетчика

Существует не правильное мнение, что приборы учета тепла устанавливаются по диаметру трубопровода, который подводится к тепловому узлу здания. При подборе диаметра теплосчетчика, а именно диаметра расходомеров, входящих в его состав, необходимо учитывать два фактора.
Первый фактор : расчетный расход теплоносителя.
Второй фактор : потери давления на приборах учета.
Рассмотрим первый фактор.
Основное требование, которое нужно соблюдать при подборе диаметра приборов учета по расходу, связано с динамическим диапазоном расходомера и его метрологическими характеристиками. В соответствии с правила учета тепловой энергии и теплоносителя расходомер должен измерять расход с погрешностью, не превышающей 2% в диапазоне расходов от 4 до 100%. Это означает, что если измеряемый расход для системы будет ниже минимального значения для расходомера или будет выше максимального, то такой расходомер будет измерять некорректно, с погрешностью превышающей допустимую или совсем не будет работать. Расчетный максимальный расход ориентировочно должен соответствовать номинальному расходу расходомера, но не обязательно, дополнительно нужно учитывать потери давления на расходомере. Для определения расчетного максимального расхода необходимо знать тепловую нагрузку здания Гкал/час и температурный график теплоисточника. Тогда расчетный расход определяется по формуле: V=(Qo/(T1-T2))*1000, где Vo – расчетный расход теплоносителя, Qo – тепловая нагрузка на отопление, T1/T2 – .
Например: Qo=0,1 Гкал/час, T1=95, T2=70 (температурный график теплоисточника 95/70)
Vo=(0,1/(95-70))*1000=4 м3/час
Если теплоноситель используется для системы горячего водоснабжения то расход теплоносителя определяется как сумма расходов на отопление и ГВС: V=Vo+Vгвс, где Vгвс=Qгвс/(T1-T2))*1000, где Qгвс – тепловая нагрузка на горячее водоснабжение, T1, Т2 – температуры (Т1=60, Т2=5 для ГВС, Т1=70, Т2=40 – для закрытой системы).
Рассмотрим второй фактор – потери давления на расходомере.
Потери давления очень важный фактор при подборе диаметра расходомера. Дело в том, что если устанавливать расходомер по диаметру трубы, то потери на расходомерах будут минимальны, но в этом случае, как правило расход теплоносителя будет находится вначале динамического диапазона, что может привести к увеличению погрешности измерений. В случае перехода на меньшие диаметры расходомеров возрастают потери теплоносителя, что приводит к уменьшению расхода в системе. Переход на меньший диаметр особенно важен для ультразвуковых расходомеров, так как в этом случае увеличивается скорость потока и точность измерения. Увеличение скорости потока так же способствует самоочищению ультразвуковых датчиков. Для каждого типа расходомеров потери давления нормированы и приводятся в технической документации на теплосчетчик. Обычно указываются потери давления при максимальном расходе. Потери давления имеют квадратичную зависимость от расхода. Зная потери давления dPмакс при максимальном расходе Vмакс, можно определить потери при расчетном расходе по следующей формуле: dP=(V/Vмакс)²*dPмакс. Величина потерь давления не должна превышать значения указанного в технических условиях на установку теплосчетчика и зависит от гидравлического режима тепловых сетей и потерь в здании на тепловом узле.
Подбор теплосчетчика является инженерной задачей, требующей в некоторых случаях предварительных замеров существующего расхода и перепада давления. Для замеров используются переносные портативные расходомеры и манометр.

Полезные статьи о счетчиках воды и водомерах .

В соответствии с ГОСТ 51649-2000 теплосчетчик рассматривается как измерительная система (средство измерений), предназначенная для измерения количества теплоты. Таким образом, основное назначение теплосчетчика определение количества теплоты в соответствии с формулами (2.10)-(2.16). Для реализации этой задачи, а также ряда других задач, определяемых в Правилах (измерение и учет массы теплоносителя, значений температур и давлений теплоносителя и др.), в состав теплосчетчиков включается ряд средств измерений:

тепловычислитель;

преобразователи расхода;

преобразователи температуры;

преобразователи давления.

Совокупность измерительных преобразователей и/или средств измерений, линий связи, электронных (вычислительных) блоков, обеспечивающая измерение количества теплоты или других физических величин по данным об измеренных параметрах теплоносителя образует измерительный канал теплосчетчика. В зависимости от количества измерительных каналов теплосчетчики могут быть одноканальными или многоканальными.

Согласно МИ2164-91 теплосчетчики делятся на единые, составные и комбинированные. Едиными теплосчетчиками считаются теплосчетчики, состоящие из неразделяемых функциональных блоков. Составные теплосчетчики состоят из функциональных блоков, объединенных в средство измерения общими требованиями, регламентированными в нормативно-технической документации. Комбинированные теплосчетчики состоят из функциональных блоков, объединенных на месте эксплуатации в средство измерения, подвергаемое процедуре утверждения типа средства измерения. Как следует из определения типов теплосчетчиков, единые теплосчетчики производятся одним производителем, а поверка такого теплосчетчика выполняется как единого средства измерения. Отдельные элементы составных и комбинированных теплосчетчиков могут производится разными изготовителями, а поверка элементов теплосчетчиков может осуществляться раздельно.

Основное назначение тепловычислителя − реализация алгоритма определения количества теплоты на основании измерительных сигналов, поступающих от первичных преобразователей, и последующее хранение и представление измерительной информации.

Измерительные преобразователи расхода, температуры и давления контактируют непосредственно с теплоносителем и преобразуют значение соответствующего параметра в пропорциональное значение выходного сигнала, поступающего на вход тепловычислителя. Конкретное количество и место установки измерительных преобразователей определяется в соответствии с задачами, реализуемыми теплосчетчиком. Так, например, для учета тепловой энергии у потребителя, имеющего открытую систему теплоснабжения и суммарную тепловую нагрузку свыше 0,5 Гкал/ч, необходимо измерять:

расход сетевой воды по подающему и обратному трубопроводам;

температуру сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах;

давление сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах;

расход воды на горячее водоснабжение;

расход воды, используемой для подпитки системы теплоснабжения.

При измерении и регистрации этих параметров фиксируется момент времени измерения и регистрации. С точки зрения технической реализации измерения параметров наиболее сложным является измерение расхода теплоносителя, тип теплоносителя ограничивает выбор типа преобразователя расхода. Для измерения расхода воды и пара применяются следующие методы измерения и типы преобразователей расхода:

переменного перепада давления с использованием стандартных сужающих устройств;

вихревые;

счетчики (объемные, турбинные или крыльчатые);

гидродинамические.

Для измерения расхода воды применяются также следующие типы расходомеров:

электромагнитные;

ультразвуковые.

Метод измерения расхода теплоносителя с помощью стандартного сужающего устройства регламентирован соответствующими ГОСТами и основан на явлении изменения статического давления среды при прохождении среды через сужающее устройство. В качестве стандартных сужающих устройств в ГОСТе приняты: диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури. В качестве примера на рис. 1.2 приведена схема течения потока среды через сужающее устройство – диафрагму.

При протекании потока среды через сужающее устройство происходит изменение параметров потока. Начиная с сечения А-А, площадь поперечного сечения потока сужается. В соответствии с уравнением сплошности происходит увеличение скорости потока среды. За счет инерции сужение потока продолжается до сечения B-B. В процессе дальнейшего движения происходит расширение потока вплоть до сечения C-C. Возрастание скорости потока среды на участке A-B приводит к снижению статического давления среды от P a до P b . Наличие необратимых потерь приводит к тому, что давление P c не достигает значения P a . Записывая уравнение сохранения энергии для сечений 1-1 и 2-2 (сечения, в которых происходит отбор давления) для стационарного режима потока среды, имеем

где w D – средняя скорость потока среды в измерительном трубопроводе; w d – средняя скорость потока среды в отверстии сужающего устройства.

Записывая уравнение сплошности для двух сечений потока среды:

, (1.18)

и обозначая:

, (1.19)

Рис. 1.2. Схема течения потока среды через диафрагму

запишем теоретическое уравнение расхода среды

. (1.20)

где DP = P 1 – P 2 – перепад давления на сужающем устройстве.

Как видно из уравнения (1.20) для измерения расхода среды с помощью диафрагмы необходимо знать геометрические размеры трубопровода и сужающего устройства, плотность среды и перепад давления на диафрагме. Следует отметить, что зависимость расхода среды от перепада давления имеет степень ½.

Принцип действия вихревых расходомеров основан на явлении вихреобразования за профилированным телом, установленным в потоке. В вихревых расходомерах за профилированным плохообтекаемым телом, установленным в потоке среды, образуется вихревая дорожка. Поскольку при обтекании такого тела, как цилиндр частота образования вихрей является случайной величиной, то в качестве плохообтекаемого тела применяются специальные вставки, имеющие форму призмы, конуса и т. д. и позволяющие упорядочить образование вихрей.

В достаточно широком интервале изменения расхода среды и соответственно числа Рейнольдса остается постоянным число Струхаля (Sh), определяемое в виде

где f – частота отрыва вихрей (частота пульсаций давления); d – характерный размер тела обтекания (при обтекании средой цилиндра – диаметр цилиндра).

В этом случае из выражения (1.21) видно, что частота пульсаций давлений прямо пропорциональна скорости потока среды

. (1.22)

Таким образом, с использованием выражения (1.22), измеряя частоту пульсаций давления за телом обтекания, можно определить скорость среды, а затем и расход среды. Исходя из принципа действия вихревых расходомеров, очевидно, что такого типа расходомеры могут применяться только для однородных гомогенных сред.

В счетчиках скорость движения рабочего органа пропорциональна объемному расходу измеряемой среды. В объемных счетчиках рабочие органы отмеривают при своем движении строго определенный объем среды, а суммарное число оборотов за установленный промежуток времени определяет объемный расход. В турбинных или крыльчатых счетчиках динамический напор среды преобразуется в скорость вращательного движения рабочего органа. Скорость (частота) вращения рабочего органа пропорциональна скорости среды.

В гидродинамических расходомерах используется зависимость между динамическим напором потока среды (Р д), скоростью потока среды (w ) и её плотностью (r): Р д =rw 2 /2. Измеряя и усредняя динамический напор по сечению трубопровода, удается рассчитать среднюю скорость среды, а затем и расход среды.

Принцип действия электромагнитных преобразователей расхода основан на явлении электромагнитной индукции и заключается в том, что при пересечении электропроводной жидкостью магнитных силовых линий в жидкости индуцируется ЭДС. Значение индуцируемой ЭДС прямо пропорционально скорости потока жидкости. Преобразователи расхода электромагнитного принципа действия применимы только для измерения расхода электропроводных жидкостей, к которым относятся жидкости, имеющие электропроводимость не ниже 10 -3 См/м, включая воду.

Схема, поясняющая принцип действия электромагнитного расходомера, приведена на рис. 1.3.

Корпус 1 расходомера выполнен из немагнитного материала. Поверхность корпуса 2, соприкасающаяся с жидкостью, покрыта электроизоляционным материалом (фторпластом). Корпус расходомера расположен в магнитном поле, причем ось расходомера расположена перпендикулярно магнитным силовым линиям. Сквозь корпус в жидкость введены электроды 3, которые также изолированы от корпуса расходомера. Магнитное поле создается постоянным магнитом 4 или с помощью электромагнита. При движении электропроводной жидкости через корпус расходомера, в соответствии с законом магнитной индукции в жидкости, между электродами будем наводиться ЭДС. Значение ЭДС измеряется измерительным прибором. Величина ЭДС E может быть определена из выражения:

где B – магнитная индукция; L – длина проводника, пересекающего магнитное поле.

Поскольку объемный расход и диаметр трубопровода связаны соотношением: Q 0 = pD 2 *w ср / 4, то выражение (1.23) может быть переписано в виде

Как видно из выражения (1.24), между значением возникающей ЭДС и объемным расходом среды имеется однозначная линейная зависимость. В промышленных расходомерах постоянные магниты, как правило, не применяются. Это связано с тем, что с течением времени происходит поляризация электродов, поэтому часто магнитное поле создается импульсами с помощью прямоугольного импульсного тока.

Преобразователи расхода ультразвукового принципа действия применяются, главным образом, для измерения расхода жидкостей. В такого типа преобразователях расхода используется зависимость скорости распространения ультразвука относительно неподвижного трубопровода от скорости потока жидкости. В качестве излучателей и приемников ультразвукового излучения используются пьезоэлементы, которые монтируются на выделенном участке трубопровода. Помимо пьезоэлементов в состав ультразвуковых преобразователей расхода входит электронный блок, управляющий работой пьезоэлементов и по времени прохождения ультразвуковой волны от излучателя к приемнику рассчитывающий расход жидкости.

Ультразвуковые преобразователи делятся на два типа: преобразователи с излучением, перпендикулярным потоку, и преобразователи с угловым распространением ультразвука относительно потока (рис. 1.4.). Преобразователи содержат излучатель (пьезоэлемент) - 1, приемник - 2, отражатель - 3; излучатель и приемник могут быть объединены. В преобразователях с излучением, перпендикулярным потоку (рис. 1.4а), ультразвуковой луч, распространяющийся со скоростью w узв, отклоняется по направлению скорости среды w. Угол отклонения луча составляет q = arcsin(w /w узв) » w /w узв. С увеличением скорости потока w количество ультразвуковой энергии, воспринимаемой левым приемником, уменьшается, а правым - возрастает. Разностный сигнал ультразвуковой энергии между левым и правым приемниками поступает на вход усилителя. Ультразвуковые расходомеры с распространением излучения перпендикулярно потоку среды имеют ограниченную точность из-за малого угла отклонения потока q. Поэтому более широко распространены преобразователи с угловым распространением ультразвукового луча.

Преобразователи такого типа могут быть выполнены как по одноканальной (рис. 1.4б), так и по двухканальной (рис. 1.4в) схемам. В одноканальной схеме пъезоэлемент одновременно является излучателем и приемником, для изменения направления луча используется отражатель 3. Для чистых сред пьезоэлементы устанавливаются в карманах, в случае загрязненных сред карманы могут заполняться твердым наполнителем (звукопроводом); используется также установка преобразователей снаружи трубопровода.

1,2 2 2

Теплосчетчик состоит из первичных преобразователей (набор датчиков) и вторичного преобразователя (тепловычислитель).

Сердцем узла учета является тепловычислитель. Великолепно зарекомендовали себя вычислители серии СПТ, выпускаемые в Санкт-Петербурге. По гибкости настройки, надежности, удобству пользования, простоте и наглядности интерфейса это одни из лучших вычислителей в мире. Тепловычислители имеют выходы для подключения принтера, модема или компьютера, что позволяет удаленно получать данные по теплопотреблению и параметрам теплоносителя.

СПТ-941.х - серия простых вычислителей для регистрации параметров теплоносителя по 2-м трубам (один контур теплообмена). Позволяет подключить 3 датчика объема и 2 датчика температуры. Питание - батарейное.

СПТ-943.х - Обслуживает 2 теплообменных контура 2х(3 датчика объема, 3 датчика температуры, 2 датчика давления) или 2х(3 датчика объема, 3 датчика температуры). Питание - батарейное.

СПТ-961 - Обслуживает 3 теплообменных контура (вода, пар) со свободным распределением. Наиболее универсальное устройство.

Очень удобно использовать тепловычислители ВЗЛЕТ и ВКТ, имеющие широкие функциональные возможности, высокую надежность и гибкость настройки.

Датчики объема (расходомеры) - устройства измеряющие объем прошедшего через них теплоносителя. По существу это обычные счетчики воды, имеющие электрический выход, на котором возникает электрический импульс при прохождении через счетчик определенного количества теплоносителя. Это наиболее критичные элементы теплосчетчика. Удобнее всего использовать в составе теплосчетчика электромагнитные расходомеры. Расходомеры этого типа не оказывают гидравлического сопротивления, не имеют механических частей, не чувствительны к загрязнениям. Срок службы этих приборов практически неограничен. Мы используем в наших узлах учета великолепно зарекомендовавшие себя электромагнитные расходомеры ПРЭМ, изготавливаемые в Санкт-Петербурге. Очень хорошие приборы этого типа делает фирма Взлет.

При большом перепаде давления на тепловом вводе допустимо использовать механические расходомеры (крыльчатые и турбинные). Применение этих расходомеров существенно удешевляет узел учета, но вносит большие гидравлические потери и требует установку фильтров перед ними. Мы рекомендуем отечественные расходомеры ВСТ, ВСГд (Мытищи) или СКБ, ВМГ (Москва).
В некоторых случаях удобно использовать вихревые расходомеры. При цене несколько выше цены механических расходомеров они не имеют подвижных частей и обладают повышенной надежностью и малой чувствительностью к загрязнениям. Отличные приборы этого типа - ВПС Калужского производства.

При больших расходах теплоносителя экономически оправдано применение ультразвуковых расходомеров. Применение этих приборов с врезными и накладными датчиками позволяет существенно экономить на монтаже. Превосходные многоканальные приборы этого типа изготавливает фирма Взлет (Санкт-Петербург).

В качестве датчиков температуры целесообразно применять комплекты согласованных платиновых термопреобразователей teplo6 сопротивления типа КТПТР или КТСП.

При тепловой нагрузке более 0,5 Гкал/ч, согласно «Правилам учета тепловой энергии и теплоносителя» требуется регистрация давления. Для этих целей мы рекомендуем датчики давления КРТ-9.

Все оборудование имеет гос. поверку и сертификаты признания типа средства измерения.

Описание:

Oбширный опыт контроля за эксплуатацией теплосчетчиков (тсч) абонентами Теплосети ОАО "Мосэнерго", освещенный в /1, 2/, и анализ взаиморасчетов последних с районами Теплосети позволили сформулировать ряд проблем, разрешение которых требует как принятия определенных взаимных соглашений в части терминологии, обозначений, форм протоколов, так и разработки новых нормативных документов и переработки действующих с учетом широкого использования теплосчетчиков в системе учета тепла и теплоносителя. В первую очередь это относится к "Правилам пользования тепловой энергией" /3/, являющихся основой договора на теплоснабжение.

Теплосчетчики как средство учета тепла, теплоносителя и режима теплопотребления

В. А. Медведев , "Ростест-Москва"

Я. Г. Фудим , Теплосеть ОАО "Мосэнерго"

Показания микропроцессорного теплосчетчика являются объективной основой, на которой базируются взаимоотношения между абонентами и поставщиками тепла. На теплосчетчики возлагаются не только функции расчета полученного тепла и теплоносителя, но и регистратора режима теплопотребления. Последнее обеспечивается хранением в памяти среднечасовых значений расходов тепла, теплоносителя и температур прямой и обратной воды. Фиксация часовых значений перечисленных величин обеспечивает как абонентам, так и теплоснабжающей организации возможность контролировать параметры теплоносителя и их соответствие договорным значениям.

Теплосчетчик работает с заданными метрологическими характеристиками в фиксированной области изменений расхода теплоносителя Gmax, Gmin, разности температур D t max , D t min , температур прямой и обратной воды, а иногда и давлений. Поскольку наблюдаемые значения температур и давления теплоносителя, как правило, не выходят за границы паспортных значений этих величин, то области возможных состояний теплосчетчиков, изображенные на рисунке 1, даны в координатах G и D t. В соответствии с технической документацией для большинства теплосчетчиков Gmax/Gmin =25-50, D t max =145-150°С, D t min =3-5°С. В этой области теплосчетчик производит расчет тепла и теплоносителя с заданными погрешностями в большинстве случаев по формулам:

где:
G o - объемный расход теплоносителя,
к - тепловой коэффициет (коэффициент Штюка), зависящий от параметров теплоносителя и места установки расходомера - на прямой или обратной воде. За пределами указанной области растут погрешности измерения G о, D t, и результаты расчета тепла становятся недостоверными. Строго говоря, во всех случаях выхода G о и D t за границы установленных для них областей должен быть прекращен расчет тепла, а также должны фиксироваться код ошибки и продолжительность такого режима.

Продуктивным, на наш взгляд, для разрешения последней ситуации является подход, основанный на рассмотрении непрерывного отчетного временного интервала теплопотребления как суммы интервалов, связанных с ситуациями трех видов, из которых первые две имеют место при работающем теплосчетчике:

Определяемые по показаниям теплосчетчиков значения расхода теплоносителя и разности температур находятся в пределах, установленных для теплосчетчиков при утверждении типа, т.е. теплосчетчик работает в режиме нормальной эксплуатации, которому соответствует область 1 на рисунке 1.
Причин второй ситуации может быть несколько: значения расхода теплоносителя или разности температур вышли за установленные пределы; при работающем теплосчетчике вышел из строя расходомер или любой из термопреобразователей; теплосчетчик дает физически нелепые показания, обусловленные нарушением условий эксплуатации.
Третья ситуация связана с отключением теплосчетчика либо по технологическим причинам, либо для ремонта и поверки.

Если в течение интервала Т1 имеет место первая ситуация, и теплосчетчик работает в области 1, то расчет тепла и массы теплоносителя производится по алгоритмам (А), (а), указанные временные интервалы суммируются ЈТ1.

Если имеет место вторая ситуация, то теплосчетчик не выступает в качестве измерителя тепла, и для его учета должны использоваться как измеряемые величины, так и некоторые, принятые по соглашению. В зависимости от причин, вызвавших вторую ситуацию, предлагается несколько способов определения количества тепла и массы теплоносителя. Основой для последующего рассмотрения служат девять областей параметров, изображенных на рисунке 1. В качестве десятой и одиннадцатой областей, не указанных на рисунке 1, приняты соответственно область работы теплосчетчика, в которой имел место функциональный отказ одного из его элементов или теплосчетчик выдавал нелепые показания и область, в которой при работающей системе теплоснабжения теплосчетчик был отключен по рассмотренным выше причинам.

Область 2, G o >G o max , D t min DtDt max . В соответствии с /3/ расчет количества тепла и теплоносителя производится с использованием значения максимального договорного расхода теплоносителя G о мд. Это значение должно вводиться в память теплосчетчика или обрабатывающую ЭВМ-программу для каждого абонента в соответствии с договором на теплоснабжение.

Расчет количества тепла и теплоносителя в этом случае производится по формулам:

Вторым менее удобным для учета тепла путем при G o max >G oмд является прекращение накопления данных по количеству тепла и теплоносителя. В обоих случаях среднечасовые значения величин рассчитываются и хранятся, фиксируется код ошибки Е2 и продолжительность Т2 превышения расхода. Расчет для второго случая за полученное в течение Т2 тепло производится в соответствии с "Правилами пользования тепловой энергией" и договором на теплоснабжение. Для упрощения последующих расчетов либо в теплосчетчик может быть выделен дополнительный накопитель данных по количеству тепла и массы теплоносителя, либо такие вычисления должны быть предусмотрены в ПВЭМ-программе, обрабатывающей считанные с теплосчетчика данные.

Области 3, G o >G o max , D t min . Следует отметить, что реализация сочетания параметров третьей области является маловероятной. В этой области выполняется та же последовательность операций, что и для области 2. Расчет за тепло и теплоноситель за интервал Т3 производится как и для области 2 с использованием значений G о мд, D t min:

Область 4, G o min o

а массы теплоносителя - по алгоритму (а) для области 1. Вычислитель производит накопление данных по количеству тепла и массы, рассчитывает и хранит среднечасовые значения этих величин, фиксирует код ошибки Е4 и продолжительность этого режима Т4.

Область 5, G o o min, D tDt min . Такое сочетание параметров является маловероятным. Расчет количества тепла и массы производится по формулам:

Вычислитель производит накопление данных по количеству тепла и массы теплоносителя, рассчитывает и хранит среднечасовые значения этих величин, фиксирует код ошибки Е5 и продолжительность этого интервала Т5.

Область 6, G o o min, D t min DtDt max . В этой области расчет тепла ведется по формуле:

а массы - по (с). Вычислитель выполняет те же функции, что и в области 5, фиксирует код ошибки Е6 и продолжительность этого режима Т6. Наиболее разумным выходом из ситуации, когда G o o min, является, если возможно, переход на другой диапазон измерения расходомера.

Области 7, 8, 9 G o о min, D t>D t max ; G o min o o max, D t>D t max ; G o >G o max, D t>D t max , как было отмечено выше, работа теплосчетчика в этих областях маловероятна из-за большого запаса по диапазону разности температур. Этот режим не предусматривается /3/, в связи с чем алгоритмы расчета количества тепла и теплоносителя для этих областей не даются, хотя их вид легко определяется на основе приведенных выше соотношений.

В областях 10, 11 расчет за тепло и теплоноситель производится в соответствии с "Правилами пользования тепловой энергией" и договором на теплоснабжение.

Сводные данные по алгоритмам расчета тепла и массы теплоносителя для различных областей работы теплосчетчиков сведены в таблаблице 1. Знак * означает, что режим практически не наблюдается.

Таблица 1

Номер области	Алгоритм расчета тепла	Алгоритм расчета массы	Шифр счетчика суммирование времени	Код ошибки	Запись данных в архив
1	А	а	Т1	-	+
2	В	b	Т2	Е2	+
3*	С	b	Т3	Е3	+
4*	D	а	Т4	Е4	+
5*	E	с	Т5	Е5	+
6	F	с	Т6	Е6	+
7*	-	-	Т7	Е7	+
8*	-	-	Т8	Е8	+
9*	-	-	Т9	Е9	+
10	-	-	Т10	Е10	+
11	-	-	-	-	-

Считаем целесообразным на ограниченных участках областей 2, 3, примыкающих к области 1, использовать для расчета алгоритмы (А), (а) с прогрессирующими коэффициентами К, определяемыми "Правилами пользования тепловой энергией", как например:

Q 2,3 =K·Q; M 2,3 =K·M,

где К=1,05+0,5 (G о /G о max-1) при G о /G о max По аналогии с /4/ использование указанных алгоритмов может быть допущено на фиксированный срок в течение суток с ограничением суммарной продолжительности в течение отопительного сезона. Так, в /4/ эти величины составляют соответственно 1 и 200 часов. Естественно, что возможность использования расходомера в указанной области расходов G>Gmax должна быть отражена в его технической документации.

Следует отметить, что хотя температуры t 1 , t 2 при анализе областей работы теплосчетчика не рассматривались, тем не менее расходомеры прямой и обратной воды работают в ограниченной сверху области температур и в диапазоне t min -t max согласуются характеристики входящих в комплект термопреобразователей.

Одной из распространенных причин разногласий между абонентами и теплоснабжающей организацией является определение утечек или подмесов холодной воды при расхождении показаний между расходомерами прямой и обратной воды, соизмеримыми с пределами допускаемых погрешностей?пр расходомеров. В пределах?пр погрешности могут иметь любое положительное или отрицательное значение, поэтому единственно оправданным выходом из этой ситуации является определение утечки или подмеса по разности показаний расходомеров. В /8/ было показано, что определение утечек по разности показаний расходомеров сопровождается большой погрешностью, которую можно снизить путем использования более точных расходомеров или пар расходомеров с согласованными характеристиками. При отрицательной разности расходов наличие подмеса холодной воды можно подтвердить с помощью химического анализа.

Рассматриваемая ситуация является распространенной. Для некоторых абонентов целесообразно пойти на дополнительные затраты и предусмотреть перемычку, изображенную на рисунке 2, которая позволит при отключенных теплообменниках как проверить на тождественно равных потоках действительную разность показаний расходомеров, так и провести поверку теплосчетчика без демонтажа с использованием переносной поверочной установки. Наличие разности показаний расходомеров более 2 ?пр при отсутствии видимых протечек и подмесов сырой воды, подтверждаемых результатами химического анализа, говорит о неисправности расходомеров.

Опыт учета массы теплоносителя показывает, что необходимо отдельно суммировать положительные и отрицательные разности расходов и их распечатывать. Эта рекомендация вызвана тем, что утечки при одном тепловом режиме работы оборудования могут компенсироваться подмесами холодной воды при другом. "Правила пользования тепловой энергией" должны предусматривать по типу (1) повышение тарифа за оба вида расходов, поскольку они влекут дополнительные затраты как на подпитку теплосети, так и на химическую очистку теплоносителя при подмесах сырой воды.

Теплосеть неоднократно высказывалась за установку двух расходомеров на линиях прямой и обратной воды, предусмотренных /5/ и являющихся необходимым элементом контроля за наличием протечек и подмесов сырой воды. Учитывая стремление к снижению затрат и установке одного расходомера у абонентов жилого сектора, можно рассмотреть вопрос о введении раздельного тарифа на тепло в зависимости от числа установленных расходомеров.

При разнообразии находящихся в эксплуатации теплосчетчиков /1, 2/, для удобства их обслуживания и обработки показаний желательно единообразие как в буквенных обозначениях измеряемых величин, так и в последовательности их вывода на принтер. Опираясь на принятые в энергетике и термодинамике /6/ обозначения, считаем предпочтительными следующие:

Q - количество тепла в ГДж или Гкал, М, V-соответственно масса в т и объем в м 3 , t - температура в°С, t 1 -t 2 - разность температур в°С, Т - время в ч. Если параметры относятся к прямой воде, то используются индексы 1, если к обратной-2, для холодной воды - х, для подпиточной - п, для утечки - у, для подмеса - пд.

Требует своего разрешения проблема, поставленная в /2/ и заключающаяся в унификации протокола вывода данных с теплосчетчика. В настоящее время для упрощения сбора и обработки данных Мосгортепло рекомендует абонентам использование теплосчетчиков одного типа, что ведет к монополизации рынка теплосчетчиков. Производители, как и потребители заинтересованы в стандартизации протокола вывода данных, что позволяет снять указанную проблему. Следует отметить, что подобного типа протокол содержится в стандарте на теплосчетчики Европейского Комитета по стандартизации (СЕN) /4/.

Не менее важным является наличие программ, утвержденных теплоснабжающими организациями и предназначенных для обработки архива данных теплосчетчиков и представления результатов в форме, удобной для расчетов за полученное тепло и теплоноситель.

Выводы

Нуждаются в срочной переработке "Правила пользования тепловой энергией", поскольку они являются правовой основой договоров на теплоснабжение и должны отражать особенности взаиморасчетов абонентов с поставщиками тепла, производимых по показаниям микропроцессорных теплосчетчиков.
При выходе G и D t за регламентированные в технической документации на теплосчетчик зоны порядок взаимоотношений поставщика тепла и абонентов должен определяться "Правилами пользования тепловой энергией". Рекомендуем:
1. при всех режимах работы теплосчетчиков ведется расчет и хранение среднечасовых значений измеряемых величин;
2. если G>Gmax, расчет количества тепла и теплоносителя ведется либо по максимальному договорному расходу, либо прекращается накопление данных по количеству тепла и теплоносителя, фиксируется код ошибки и продолжительность нарушения режима. Расчет за это тепло производится в соответствии с "Правилами пользования тепловой энергией";
3. если G
4. если D tDt min , то фиксируется код ошибки и продолжительность нарушения режима, продолжается накопление данных по массе теплоносителя, а расчет и накопление данных по количеству тепла производятся для D t= D t min . Режим D t >D t max не наблюдается.
Наличие утечки или подмеса холодной воды определяется по разности показаний расходомеров прямой и обратной воды. При отрицательной разности показаний в пределах 2 ?пр отсутствие подмеса подтверждается химическим анализом.
Установка в соответствии с /5/ расходомеров прямой и обратной воды может стимулироваться различием в тарифах на тепло при наличии двух и одного расходомера.
Предложенные в статье условные обозначения измеряемых теплосчетчиком величин и формы протоколов, одобренные районами Теплосети, упрощают эксплуатацию теплосчетчиков.
Создание в таких организациях как "Теплосеть", "Мосгортепло", "Мостеплоэнерго" систем учета тепла требует стандартизации как протокола обмена данных теплосчетчиков с внешними устройствами, так и разработки программ, их обрабатывающих и представляющих данные для оплаты.

Список литературы

Нейман Г.А., Фудим Я.Г., Иванова Г.М. Теплосчетчики в системе учета тепла, отпущенного абонентам Теплосети ОАО "Мосэнерго"//Энергосбережение.1998. N5-6. C. 24-26.
Иванова Г.М., Фудим Я.Г. Опыт эксплуатации теплосчетчиков в системе учета тепла, отпускаемого абонентам Теплосети ОАО "Мосэнерго"//Энергосбережение. 1998. N.9-10. С. 20-26
Правила пользования электрической и тепловой энергией. М.: Энергоатомиздат, 1982.
Тепловые счетчики. Европейский стандарт ЕN-1434.36,В-1050 Вrussels, 1997.
Правила учета тепловой энергии и теплоносителей. Главгосэнергонадзор. М.: Изд. МЭИ. 1995.
Термины и буквенные обозначения величин. Термодинамика. М.: Изд. Наука. 1980.
Иванова Г.М. Определение расхода подпиточной воды//Теплоснабжение. 1997.N.1(4).С.6-7.

Переходим к «центральному», объединяющему все эти изначально разрозненные средства измерений прибору — тепловычислителю.

Согласно устоявшемуся определению тепловычислитель — это устройство, обеспечивающее измерения тепловой энергии на основе входной информации о массе (или объеме), температуре и давлении теплоносителя. Образно говоря, вычислитель — это мозг теплосчетчика, в то время как преобразователи расхода, температуры и давления — это органы чувств. В предыдущих лекциях нашего цикла мы уже говорили о том, каким образом «органы» передают информацию «мозгу». Здесь еще раз повторим то же самое, но как бы «с точки зрения» тепловычислителя. А затем рассмотрим процессы, происходящие в самом «мозге».

Обработка сигналов преобразователей

Итак, обычно любой преобразователь подключается к вычислителю кабелем. Каждый — к своему определенному «входу». Количество и назначение входов, а также способы подключения (винтовые зажимы, разъемы или др.) описываются в руководствах по эксплуатации и различаются для приборов различных типов (марок, моделей). Тепловычислитель с определенной периодичностью измеряет те или иные параметры сигналов на входах (иногда говорят — опрашивает входы) и далее по заложенным в него алгоритмам «переводит» результаты этих измерений в «цифру», отображает полученные значения на дисплее, а также использует для расчетов. Выглядит это примерно так.

Для измерений температуры теплоносителя в составе теплосчетчика применяются обычно термопреобразователи сопротивления. Вычислитель измеряет сопротивление каждого термопреобразователя и «переводит» его в градусы (см. ). Значения температур выводятся на дисплей и используются для вычисления массы теплоносителя и далее — тепловой энергии.

Для измерений давления теплоносителя в трубопроводах системы теплоснабжения в составе теплосчетчика чаще всего используются датчики давления с токовым выходом. Вычислитель измеряет силу тока в цепи датчика и по заложенной в него формуле «переводит» ее в единицы давления (МПа или кгс/см 2). Полученные значения выводятся на дисплей и используются для вычисления массы теплоносителя и далее — тепловой энергии. Напомним, что на объектах с тепловой нагрузкой менее 0,5 Гкал/ч давления могут не измеряться (см. ). В этом случае их значения вводятся в вычислитель как константы, приближенно соответствующие действительности — они и используются в дальнейших расчетах.

Для измерений объема теплоносителя, проходящего через систему теплопотребления, часто применяют преобразователи расхода (расходомеры) с импульсным выходом (см. ). Получая очередной импульс от такого преобразователя, вычислитель добавляет к ранее измеренному значению объема соответствующее одному импульсу количество литров (м 3). Кроме того, по определенным формулам вычислитель рассчитывает так называемый «мгновенный» расход (см. и ) и выводит его значения на дисплей. Далее, используя измеренные значения температур и давлений, вычисляет плотность и энтальпию теплоносителя; зная плотность и объем, вычисляет массу, зная массу и энтальпию — вычисляет тепловую энергию.

Разумеется, сигналы преобразователей могут быть и другими. Например, существуют датчики температуры с частотным выходом и датчики давления, информативный параметр сигнала которых — не сила тока, а напряжение на выходе. Также применяются преобразователи расхода с частотным или токовым выходом. При работе с ними вычислитель должен «уметь» не только измерять частоту или силу тока на соответствующем входе, но и по-другому обрабатывать измеренные значения. Ведь тогда как «импульсный» преобразователь предоставляет информацию о прошедшем через него за неизвестный заранее промежуток времени объеме теплоносителя, то «частотный» и «токовый» — о скорости (расходе) теплоносителя в каждый конкретный момент.

Кроме того, в последнее время появляются «интеллектуальные» преобразователи, на выходе которых — «готовый» цифровой код. Ну, и отдельный случай — единые теплосчетчики, для которых понятие выходных сигналов преобразователей может вообще не иметь смысла, поскольку «измерительная» и «вычислительная» части объединены схемотехнически.

Поэтому далее мы рассмотрим просто некую абстрактную модель тепловычислителя, на входе которой — неважно каким образом получаемая информация о температурах, давлениях и расходах (объемах), а на выходе — значения тепловой энергии.

Измерения тепловой энергии

Два небольших замечания.

Первое. Как это ни странно, мы до сих пор не знаем точно, какую именно физическую величину измеряют наши теплосчетчики. В различных публикациях можно встретить понятия «тепловая энергия», «тепло», «теплота», «количество теплоты» — при этом для нахождения всех этих величин используются одни и те же формулы. Не вступая в терминологические споры, в данном цикле статей мы пишем «тепловая энергия», поскольку у нас есть «Правила учета» именно «тепловой энергии»1, а в общем («не метрологическом») смысле употребляем иногда и слово «тепло».

И второе. Когда говорят о теплосчетчиках и тепловычислителях, то порою уверяют, что тепловую энергию (тепло, теплоту и т.п.) они не «измеряют», а «вычисляют». Или «рассчитывают». Мы же все эти глаголы используем как синонимы. Дело в том, что теплосчетчик и тепловычислитель — средства измерений, а значит они именно что «измеряют». В то же время измерения тепловой энергии — косвенные, т.е. искомые значения «вычисляются» («рассчитываются») на основании известных зависимостей между величиной тепловой энергии и «прямо измеряемыми» величинами объемов, температур и давлений теплоносителя.

Каковы же эти зависимости?

Для закрытых систем теплоснабжения, т.е. для систем, где теплоноситель из сети не отбирается, формула выглядит так:

(1) Q = M (h п - h о)

Здесь M — это масса теплоносителя, прошедшего через систему теплопотребления, h п и h о — удельные энтальпии теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы соответственно. Для массы M мы сознательно не указываем индекс, обозначающий принадлежность к тому или иному трубопроводу. Ведь в закрытой системе M п = M о, и преобразователь расхода можно устанавливать хоть в «подачу», хоть в «обратку». В «обратку» — лучше для преобразователя, т.к. там ниже и температура, и давление, а значит условия для работы благоприятней. На практике же энергоснабжающие организации рекомендуют (или требуют) в закрытых системах монтировать расходомер в подающий трубопровод. В обратный при этом часто ставится так называемый «контрольный» расходомер. В измерениях тепловой энергии его показания не участвуют, а нужен он для обнаружения несанкционированного отбора (по-простому — воровства) теплоносителя из системы.

Очевидно, что «внутри» формулы (1) содержатся еще формулы расчета массы и энтальпий, поэтому, простая с виду, она не так проста для «реализации».

А вот, например, в европейских странах для измерений тепловой энергии в закрытых системах используется действительно «легкая» формула

(2) Q = V K t (T 1 - T 2),

где K t — тепловой коэффициент (МДж/м 3 °С), V — объем теплоносителя, прошедшего через систему теплопотребления (м 3), T 1 и T 2 — значения температуры теплоносителя (°С) в подающем и обратном трубопроводах соответственно. Тепловой коэффициент, называемый также коэффициентом Штюка, численно «уравнивает» произведение объема на разность температур с произведением соответствующей данному объему при данной температуре массы теплоносителя на разность соответствующих данным температурам удельных энтальпий. Понятно, что для различных диапазонов температур различными должны быть и коэффициенты. В частности, для теплосчетчика, преобразователь расхода которого устанавливается в «подачу», коэффициент один, для теплосчетчика с расходомером в «обратке» — другой. Очевидно, что при неправильном монтаже преобразователя, а также в условиях «нестандартных» или меняющихся в широком диапазоне температур теплосчетчик, работающий по формуле (2), будет измерять тепловую энергию с большей методической погрешностью, нежели теплосчетчик, работающий по формуле (1). Тем не менее, в России действуют ГОСТы как на те, так и на другие приборы. Но в «Правилах учета тепловой энергии и теплоносителя» приведена только формула вида (1).

Эта формула, как мы уже написали выше, «предназначена» для закрытых систем теплоснабжения. Чтобы использовать теплосчетчик, работающий по такому алгоритму, в открытой системе, к его показаниям необходимо прибавить еще «кое-что» — см. формулу (3.1) в «Правилах учета». В общем же для открытой системы будет справедливо выражение

(3) Q = M п (h п - h хв) - M о (h о - h хв),

где h хв — энтальпия холодной воды, используемой для подпитки систем теплоснабжения на источнике теплоты.

Собственно, эта формула универсальна: в закрытой системе при равенстве масс теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах она сводится к виду (1). Однако в реальной жизни «благодаря» погрешностям измерений М п и М о этого не произойдет, и если теплосчетчик, работающий по такой формуле, применить в закрытой системе, его показания будут отличаться от показаний теплосчетчика (1) в большую сторону при измеренных М п > М о и в меньшую — при измеренных М п

Алгоритм работы тепловычислителя

Формула (1) понятна сама по себе, но если задуматься, как «пользуется» ей вычислитель, возникают вопросы. Например, какому периоду времени должны соответствовать значения массы и разности энтальпий, которые мы должны перемножать? И как часто вычислитель должен выполнять это умножение — раз в час, в сутки, а может быть в минуту? Ведь если показания массы непрерывно «накапливаются», то разность температур (а значит и энтальпий) даже в течение часа может несколько раз измениться. Поэтому, умножив накопленное за час значение массы на измеренное один раз в конце этого часа значение разности энтальпий, мы вычислим вовсе «не ту» тепловую энергию, что наш объект получил за этот час.

Приведем абстрактный пример без привязки к действительности и к реальным единицам измерения. Допустим, в течение часа разность энтальпий у нас изменялась трижды, причем ступенчато, и составляла первые двадцать минут 10 единиц, вторые двадцать минут — 12 единиц, и затем — 15 единиц. А расход был постоянен, и за каждые двадцать минут через систему проходило 10 единиц теплоносителя. Если бы мы вычисляли тепловую энергию каждые двадцать минут, то получили бы Q = 10х10 + 10х12 + 10х15 = 370 единиц. Если бы вычислили ее один раз за час, умножив накопленное за этот час значение массы на измеренное в конце часа значение разности энтальпий, получили бы Q = 30х15 = 450 единиц. Но результат не должен зависеть от того, менялись ли и как именно менялись в течение часа (суток, месяца и т.п.) значения расхода и температур. Это значит, что измерять и перемножать нужно как можно чаще, а значения за час, сутки, месяц получать суммированием этих «частых» результатов. Напоминает способ вычисления интеграла, не правда ли?

И в самом деле — фактически для вычислителя формулу расчета тепловой энергии, потребленной системой за время τ = τ 1 - τ 0 , нужно записывать так:

(4) Q = интеграл от τ 0 до τ 1 dτ

Здесь m — это массовый расход теплоносителя, h п и h о — как и прежде, удельные энтальпии теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы. Вычисление интеграла прибор осуществляет периодическим суммированием приращений Q i = M i (h пi – h оi), рассчитываемых в относительно коротких рабочих циклах (i — номер цикла). Чем короче цикл, тем точнее вычисляется интеграл, но тем больше нагружен процессор вычислителя, и, соответственно, тем больше вычислитель потребляет электроэнергии. Поэтому если рабочий цикл тепловычислителя с сетевым электропитанием, как правило, составляет 1-2 секунды, то цикл «автономного» прибора может быть минутным и более. Впрочем, пользователю теплосчетчика задумываться об этом в общем случае не нужно: предполагается, что выбранный производителем период обеспечивает заявленную точность измерений тепловой энергии.

Что касается нахождения значений масс и энтальпий («напрямую», напомним, теплосчетчик измеряет объемы и температуры), то об этом мы уже говорили выше. Существуют таблицы зависимости плотности и энтальпии воды от ее температуры и давления, а массу можно найти по простой «школьной» формуле, умножив плотность на объем. Правда, в памяти тепловычислителя вышеупомянутые таблицы, как правило, не содержатся: вместо них используются так называемые аппроксимирующие полиномы. Теоретически вид выбранного полинома влияет на точность измерений плотности и энтальпии, а значит — на точность измерений массы теплоносителя и тепловой энергии. Но и здесь пользователь должен рассчитывать на то, что производитель прибора позаботился о том, чтобы «его» полиномы обеспечивали заявленные метрологические характеристики теплосчетчика.

Завершая рассказ об алгоритме измерений тепловой энергии, вернемся к «импульсным» и «частотным» (или «токовым») преобразователям расхода. Как мы уже писали и в этой лекции, и в одной из предыдущих, частотный и токовый выход позволяют нам в любой момент времени узнать (измерить) расход теплоносителя. Следовательно, реализуя формулу (4), мы в каждом рабочем цикле вычислителя измеряем этот расход, и, зная его и зная длительность цикла, находим приращение объема (и по нему - приращение массы) теплоносителя в этом цикле. С импульсным выходом, как ни странно, все немного сложнее. Ведь импульс никак не привязан к циклу, он приходит тогда, когда через преобразователь прошла очередная нормированная «порция» теплоносителя. Конечно, можно привязать циклы к моментам поступления очередных импульсов. Но тогда, во-первых, при изменении расхода будет меняться длительность цикла, во-вторых, длительность цикла будет зависеть от соотношения расхода и «веса» импульса. И то, и другое делает вычислитель не вполне универсальным. Поэтому некоторые (а может и многие) тепловычислители, работающие с «импульсными» расходомерами, для расчета значений тепловой энергии используют «искусственно» вычисленные значения «мгновенного» расхода. Т.е. импульсы подсчитываются вне основного рабочего цикла, через количество импульсов, полученных за определенное время, определяется расход, и в очередном цикле измерений тепловой энергии используется последнее на данный момент из вычисленных значений расхода. Очевидно, что чем меньше «вес» импульса преобразователя и чем выше реальный расход, тем точнее вычисляется наш расход «искусственный». За то, чтобы погрешность измерений соответствовала заявленной во всем паспортном диапазоне расходов и для любых допустимых значений «веса» импульса, также отвечает производитель тепловычислителя.

Как видим, тепловычислитель — это вовсе не «простейший калькулятор», каким его можно себе представить. И это при том, что мы описали только те нюансы, что связаны с реализацией одной лишь формулы для закрытой системы теплоснабжения. А ведь большинство современных вычислителей «умеют» работать и в открытых системах, где нюансов еще больше, позволяют выбрать нужный алгоритм (схему измерений) из довольно обширного «набора», ведут архивы измерений, осуществляют диагностику измерительных преобразователей и самодиагностику, определенным образом отрабатывают всевозможные нештатные ситуации, передают данные на внешние устройства и даже иногда управляют теплопотреблением. Но об этом мы расскажем в следующей лекции.

Описание и состав теплосчетчика