ШКОЛА ТЕПЛОПУНКТАБиблиотека


Д. Л. Анисимов

Учет тепла: теория, практика и подводные камни


Ранее опубликовано:
Коммерческий учет энергоносителей: Труды 23й Международной научно-практической конференции /
Под ред. А. Г. Лупея — СПб.: Борей-Арт, 2006. С.37

Итак, учет тепла. В соответствии с постановлениями правительства Российской Федерации №1087 от 2 ноября 1995 г. и №832 от 8 июля 1997 г. до двухтысячного года все предприятия, организации и население должны были быть оснащены приборами учета [1]. К сожалению, этого не случилось и к две тысячи шестому... хотя, возможно, вовсе не к сожалению, а к счастью: ведь проблемы учета, которые мы обсуждали и в 1995м, и в 97м, и в 2000м году — не решены до сих пор! Вот этим проблемам и посвящена данная статья: мы изучим теорию учета, поговорим о практике и обнаружим таким образом «подводные камни» или «скрытые ошибки» учета. О каждой из этих «ошибок» может быть написана отдельная статья, а то и не одна — надеемся, что теоретики «подхватят», а практики «учтут».


Казалось бы, один взгляд на немалый существующий парк технических средств соответствующего назначения внушает оптимизм как по поводу нынешнего состояния учета, так и по поводу перспектив его развития. Однако при более тщательном рассмотрении вопроса как и пять, и десять лет назад приходится констатировать тот факт, что и методологическая, и нормативная база организации учета и управления потреблением развиты недостаточно [2]. Отсутствие единых подходов к проработке данных вопросов ведет к непродуктивности усилий отдельных (разрозненных) разработчиков, проектировщиков и эксплуатационщиков. Да, создаются различные объединения, ассоциации и партнерства; да, в числе своих целей они провозглашают и создание общих правил, методик, стандартов. Но и времени на это уходит больше, чем хотелось бы, и интересы разработчиков (их коллективы обычно профессионально однородны — либо производители приборов, либо поставщики энергии) порой преобладают над беспристрастной наукой. Поэтому воз либо на месте, либо движется медленно, либо – не в том направлении, которое устроило бы всех. А какое устроило бы всех? — такого, вероятно, нет, а потому и исходить следует не из чьих-либо частных (или коллегиальных) интересов, а из «глобальных» целей и задач собственно учета.

Цели и задачи учета

При организации учета энергии вообще и тепловой энергии в частности преследуется ряд целей и решается ряд практических задач [3], наиболее важными и очевидными из которых являются:

  • обеспечение точного и справедливого порядка расчетов между потребителем тепла и энергоснабжающей организацией за счет точного измерения реальных параметров теплопотребления;
  • обеспечение работоспособности оборудования систем теплоснабжения и теплопотребления, своевременное обнаружение и устранение неисправностей путем предоставления потребителю и поставщику тепловой энергии оперативной и статистической информации о режимах работы данных систем;
  • стимулирование потребителя и поставщика энергии к проведению энергосберегающих мероприятий и внедрению технологий энергоресурсосбережения.

Очевидно, что для потребителей энергии главным стимулятором внедрения средств учета является предоставляемая последними возможность финансовых расчетов с поставщиком только за действительно использованные ресурсы по их реальному качеству. Не секрет, что последнее из-за неудовлетворительного состояния тепловых сетей и оборудования источников теплоты зачастую оставляет желать лучшего. В то же время при отсутствии организованного у потребителя учета он в любом случае расплачивается не за фактически потребленное, а за некоторое «абстрактное» тепло, т.е. за то количество энергии, какое он должен был бы получить при определенных стандартизованных (идеализированных в том или ином отношении) условиях. Опыт однозначно свидетельствуют о модуле и знаке различия этих двух характеристик потребления — идеальной (нормативной) и реальной.

Но совсем несправедливо было бы утверждать, что единственным виновником описанного состояния дел является поставщик или производитель энергии, т.к. помимо качества энергоснабжения стоит говорить и о «качестве энергопотребления». Отсюда возвращаемся к тезису о том, что учет формирует должное отношение к порядку эксплуатации теплотехнического оборудования и использованию тепла и теплоносителя как у поставщика, так и у потребителя, стимулируя как того, так и другого к проведению энергосберегающих мероприятий и внедрению энергосберегающего оборудования и технологий. При отсутствии учета все это не имело бы смысла, т.к. результаты любой деятельности в данном направлении не могли бы быть оценены ни с точки зрения сбережения энергоресурсов, ни с точки зрения сбережения денежных средств потребителя.

Хотелось бы отметить и еще одну, неочевидную, казалось бы, задачу и роль организации учета энергии, заострив внимание на различии понятий «энергоресурсы» и «энергия» в их связи с понятиями «учет» и «сбережение». На наш взгляд, когда речь идет об учете, то следует говорить «учет энергии и / или энерго(тепло)носителя»: учет наиболее тесно связан с измерениями, а измерять можно именно количество энергии или расход энергоносителя, но никак не «энергоресурс». С другой стороны, смысл сбережения или экономии уже произведенной в определенном количестве энергии гораздо менее понятен, чем смысл сбережения источника или ресурса ее получения. Тепловая же энергия, точнее, способ ее производства и передачи посредством тепловых сетей вообще не предполагает недоиспользования потребителем отпущенного ему тепла (энергии) с возвратом в обратный трубопровод «горячего» теплоносителя. Реально должен сберегаться ресурс, например, топливо, которое сжигается при нагреве теплоносителя на источнике теплоты. Таким образом, можно утверждать, что организация учета энергии косвенным образом помогает решать глобальные задачи энергосбережения и экологии, связанные с разработкой земных недр.

Аспекты организации учета

На практике учет тепловой энергии осуществляется при помощи технических средств соответствующего назначения: аппаратных, программных, аппаратно-программных. Очевидно, что для решения задач учета такие средства должны выполнять функции измерения параметров, характеризующих отпуск или потребление энергии и энергоносителя, а также функции обработки результатов измерений «в интересах учета» (смысл последнего понятия будет пояснен ниже). В то же время необходимость информационного обеспечения субъектов учета, а также территориально-распределенный характер энергосистем предъявляют к данным средствам требования, характерные для информационных систем, а взаимосвязанность задач учета энергоиспользования с задачами управления энергопотреблением предполагает обеспечение возможностей развития структур учета в структуры управления. Таким образом, на основе даже таких кратких рассуждений можно выделить следующие аспекты организации учета [4,5]:

  • измерительный (обеспечение всех уровней (элементов) структур учета первичной информацией о параметрах физических процессах в теплоэнергосистемах);
  • процедурный (обработка результатов измерений в интересах решения задач учета);
  • информационный (организация информационного взаимодействия элементов структур учета);
  • эволюционный (обеспечение возможностей развития структур учета, в том числе и в направлении внедрения средств активного управления энергопотреблением).

Можно утверждать, что наиболее очевидным из аспектов организации учета является аспект выполнения измерений: в самом деле, в обыденном сознании даже сами понятия «учет» и «измерения» в определенной степени синонимичны, связаны с представлением характеристик или параметров объекта учета в виде, пригодном для восприятия человеком или дальнейшей обработки при помощи технических средств.

Принципиальное отличие тепловых измерений от измерений, например, электроэнергии состоит в том, что они не могут быть осуществлены прямыми методами. Значения тепловой энергии вычисляются по определенным алгоритмам как функция таких параметров теплоносителя, как его масса и энтальпия, причем каждый из данных параметров также определяется на основе косвенных измерений.

В основе измерений тепловой энергии лежит ее термодинамическое толкование [6], согласно которому «тепло — это то, что благодаря температурной разности передается от системы с большей температурой к другой системе с меньшей температурой, в то время как эти системы приведены в контакт между собой. Тепло подобно работе является переходящей величиной: оно никогда не содержится в теле». В соответствии с этим определением МОЗМ–Р75 [7] рекомендована следующая формула для учета количества тепловой энергии:

(1)        Q = G (h1 – h2),

где G — масса теплоносителя в системе теплоснабжения, h1, h2 — энтальпия теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы соответственно; данная формула используется практически во всех странах, где организован коммерческий учета тепла.

Уравнение (1) имеет очень простой вид, однако ни один из входящих в него членов недоступен для прямого измерения. Практически измерены могут быть не масса, а расход, причем чаще даже не расход массы, а расход объема теплоносителя, а также его температура и давление. При таких исходных данных энтальпия может быть вычислена как функция температуры и давления, а масса — как интеграл расхода массы за определенный интервал времени. В случае измерения расхода объема теплоносителя для перехода к массе необходимо вычислять его плотность, также зависящую от давления и температуры:

(2)        h = f (T, P),

(3)        G = ρV,

(4)        ρ = f (T, P),

где T — температура, P — давление, ρ — плотность, V — объем теплоносителя. С учетом практических особенностей измерений в рекомендации МОЗМ–Р75 приведена также формула

(5)        Q = V Kt (T1 – T2),

где Kt — тепловой коэффициент (известный также как коэффициент Штюка), МДж/м3°С, T1 и T2 — значения температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно. Известно, что формула (5) характеризуется большей методической погрешностью измерения, нежели (1), однако данный факт никак не учитывается при сертификации в России теплосчетчиков зарубежного производства.

Уравнение (1) описывает использование тепла системой или установкой, где теплоноситель с энтальпией h1 охлаждается так, что его энтальпия становится равной h2. Масса теплоносителя остается при этом неизменной. Очевидно, что данная формула применима лишь для измерений в закрытых двухтрубных системах; в любом другом случае необходим переход к более сложным (и спорным!) соотношениям. Т.к. измерения тепловой энергии должны обеспечиваться в любом случае, их математическое обеспечение должно предполагать и возможность структурной адаптации его к конкретной системе и схеме размещения точек измерения. Но не означает ли это, что для каждой из применяемых на практике схем (состав оборудования, структура системы теплоснабжения) должна быть разработана и сертифицирована (утверждена) своя собственная методика выполнения измерений?

Далее, если под измерениями тепловой энергии понимать процесс, конечным результатом которого является значение количества отпущенного или потребленного тепла, то учет как таковой не ограничивается одними лишь измерениями. Результаты последних должны быть обработаны и представлены в виде, пригодном для проведения дальнейшего анализа режимов теплопотребления и т.д. — другими словами, истолкованы в интересах учета, сообразно его целям (см. выше).

С этой точки зрения самоценна информация о значениях всех параметров теплоносителя за определенные (отчетные) периоды, т.к. именно она характеризует «качество» тепловой энергии. Это справедливо не только для открытых водяных систем теплоснабжения, где часть сетевой воды используется безвозвратно, но и для многих формально закрытых систем, имеющих большие утечки сетевой воды [8], и обусловливается той особенностью тепловой энергии, что одно и то же ее количество может быть передано потребителю с любым количеством теплоносителя. Практически это означает, что потребление одного и того же количества тепловой энергии может перегружать тепловую сеть расходом теплоносителя ровно во столько раз, во сколько снижается перепад температур, т.е. нарушается качественная составляющая тепловой энергии. В результате возникают серьезные нарушения режимов работы системы теплоснабжения и понижается экономичность работы источника теплоты. Кроме того, результаты учета (архивы почасовых и посуточных значений) параметров теплоносителя позволяют анализировать и корректность работы измерительных приборов, что особенно важно, т.к. последние не подвергаются метрологической поверке в течение двух или нескольких (в зависимости от величины межповерочного интервала) отопительных сезонов. Таким образом, учет качественных характеристик энергии или учет не только тепловой энергии, но и параметров теплоносителя необходим и полезен для организации правильной эксплуатации систем теплоснабжения и теплопотребления.

«Правила учета тепловой энергии и теплоносителя» [3], разработанные в 1995 году ТОО «Интех», экспертным центром при Главгосэнергонадзоре РФ, и, несмотря ни на что, до сих пор являющиеся в настоящее время нормативной базой учета, предписывают для различных схем теплоснабжения различные наборы подлежащих учету параметров. При определении этих «наборов» могут приниматься во внимание не только и не столько объективные факторы, сколько и чисто практические соображения. Они могут быть связаны, например, с желанием сократить номенклатуру и количество средств измерений, применяемых для учета: отказаться от измерения давлений манометрами, вводя значения данных величин для использования в вычислительных алгоритмах как условно-постоянные или же применяя упрощенные алгоритмы; использовать один расходомер вместо двух в закрытой системе, принимая расход теплоносителя в обратном трубопроводе равным таковому в подающем и т.д. Возможны и обратные ситуации: в закрытой же системе измеряют расход в обратном трубопроводе с целью обнаружения и учета утечек, а тепловую энергию вычисляют при этом, как в открытой системе.

Мы связали процедурный аспект организации учета тепловой энергии в первую очередь с архивированием результатов измерений, которое, в свою очередь, напрямую связано с функциями отчетности и подготовки материалов для анализа и управления (не оперативного) энергопотреблением. Этим, однако, содержание данного аспекта не ограничивается. Изначально правильнее было бы сказать, что оно состоит в обработке или трактовке результатов измерений «в интересах учета».

Раскроем через принятую терминологию сущность измерений. Итак, измерением называется нахождение значения физической величины опытным путем при помощи специальных технических средств или средств измерений. Измерения могут быть прямыми, когда искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных, и косвенными, когда искомое значение физической величины находят по известной математической зависимости между этой величиной и физическими величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Точное предписание о выполнении в определенном порядке совокупности операций, обеспечивающих измерение значения физической величины, называют алгоритмом измерения.

Можно предположить, что теоретически выведенные и научно обоснованные алгоритмы измерений тепловой энергии не всегда можно реализовать на практике. Кроме того, учет, будучи направлен на обеспечение финансовых расчетов между поставщиком (производителем) и потребителем тепловой энергии, в любом случае предполагает некое соглашение между ними, в результате которого результаты измерений могут трактоваться или использоваться по-разному. Данный нюанс обычно не принимается во внимание ни в существующих нормативных документах, ни в научных работах, освещающих вопросы измерений тепла в рамках учета, хотя понимание его существует уже давно [9]. Обратно — работы практиков сферы учета не всегда корректны в плане отношения к измерениям; представляется, что происходит это вследствие отсутствия четкого понимания различия измерительного и процедурного аспектов учета при их тесной взаимосвязанности и взаимозависимости.

Автор видит отличие «просто» измерений тепловой энергии от ее измерений «для учета» в том, что первые основаны на физически обоснованных математических зависимостях и характеризуются реально оцениваемыми погрешностями. Во втором случае в измерительные алгоритмы могут быть введены «договорные» члены (формулы, условия), т.е. величины, реально не измеряемые, но характеризующие те или иные важные с точки зрения обеспечения корректности расчетов за потребленное тепло параметры. Во-вторых, результаты выполнения алгоритмов измерений (результаты измерений) могут использоваться при реализации других математических или логических алгоритмов или преобразовываться в вид, определенный соглашением между использующими учет сторонами, причем форма такого преобразования может меняться в темпе процесса измерений при переходе им неких определенных же граничных условий (диапазоны измерений, графики теплоснабжения и т.п.). В любом случае при введении в алгоритмы измерений условий, формул, констант, связанных с необходимостью тем или иным образом трактовать результаты измерений, следует говорить об алгоритмах учета. Автор считает, что введение такого понятия позволит упорядочить многие вопросы, которые сегодня традиционно связывают именно с измерениями.

Вопросы, связанные с измерительным и процедурным аспектами учета, замыкаются, как правило, на получении цифр отпуска или потребления тепловой энергии (в абстрактном смысле — другими словами, способ дальнейшего восприятия и использования этих цифр кем или чем бы то ни было не рассматривается). Между тем, т.к. результатом – он может быть как промежуточным, так и конечным — учета тепловой энергии является некий набор представленных в том или ином виде данных, то любой алгоритм измерений или учета должен иметь «интерфейс» между физическим процессом измерений и процессом, использующим его впоследствии. Для этого информация, полученная в результате измерений, должна быть определенным образом организована: структурирована и идентифицирована – тогда ее смогут использовать различные логические объекты (процессы), возможно, территориально распределенные. В этом и заключается информационный аспект учета, который в современной практике трактуется несколько иным образом (см. далее).

Следует отметить, что вышеупомянутая возможность использования информации, получаемой и/или хранимой определенным логическим объектом (процессом), другими объектами или процессами структуры учета позволяет организовывать распределенные измерительные системы, применение которых позволило бы снять, например, такой спорный вопрос измерений тепловой энергии у потребителя, как определение в соответствующих алгоритмах ряда параметров источника теплоты.

Информационный аспект учета напрямую связан также и с решением задач рационального энергоиспользования и управления энергопотреблением. Именно наличие комплекса необходимой формализованной информации, которая может быть передана и обработана вне локального пункта измерений, позволяет анализировать ситуацию с состоянием теплотехнического оборудования и протекающие в нем или под его контролем процессы. В результате данного анализа могут быть приняты решения о необходимости и средствах изменения названных ситуации и состояния в ту или иную сторону теми или иными средствами, например, путем воздействия на соответствующие установки, системы, исполнительные механизмы средств регулирования и т.п. Вообще с этой точки зрения учет энергоносителей потенциально обеспечивает и управление их использованием — хотя бы и только ручное.

Мероприятия по рационализации энергопотребления и управлению им зачастую не могут проводиться самим потребителем. Причина состоит в специфике последнего: потребителем тепловой энергии может быть не только располагающее соответствующими кадровыми и техническими возможностями предприятие, но и любая организация, объект жилищно-коммунального сектора или, наконец, частное лицо. Очевидно, что во многих случаях потребитель не имеет достаточной квалификации (не располагает квалифицированными кадрами) для реализации соответствующих функций: отсюда снова возникает необходимость информатизации учета с обработкой его данных не в точках измерений (в локальных узлах учета), а на некоторых более высоких уровнях.

Итак, вновь отметим, что учет тепловой энергии и управление ее потреблением есть вещи, неразрывно связанные. Если установка приборов и систем коммерческого учета и приводит к экономии денежных средств потребителя при расчетах за энергию, то инструментом экономии энергоресурсов как таковых узел учета не является. Приборы показывают только величину потребленной энергии и никоим образом ее не экономят: экономия достигается путем снижения теплопотерь здания, регулированием подачи теплоносителя по заданной программе, рациональным использованием горячей воды и т.д. Однако внедрение приборов учета является первым и непременным этапом всех программ энергосбережения, т.к. при отсутствии учета — и именно коммерческого учета — проведение любых энергосберегающих мероприятий оказывается бессмысленным.

Из сказанного очевидно, что установка приборов учета не должна окупаться сама по себе, в отрыве от всего комплекса мер по энергосбережению. Что же касается практически повсеместно наблюдаемого после организации учета снижения платежей за тепло, то это — результат либо неточного указания реальной нагрузки в договоре на поставку тепловой энергии, либо результат планомерных усилий обслуживающего персонала, который на основе показаний приборов регулирует теплопотребление при помощи задвижек — вручную. Опыт подобного регулирования в сфере теплопотребления позволяет говорить о возможности экономить до тридцати и более процентов потребляемой энергии. Считается, что в типичном случае административного здания главным элементом экономии (до 18%) является понижение температуры в помещениях в течение нерабочих часов. Понижение температуры в здании в нерабочие дни позволяет экономить еще 14% энергии и еще 6% можно получить за счет оперативной реакции на изменение погодных условий (оттепель). Кроме того, достигается возможность обеспечивать непревышение предписываемых поставщиком тепла значений температуры в обратном трубопроводе, что увеличивает эффективность использования системы теплоснабжения, а потребителю позволяет избежать штрафных санкций со стороны энергоснабжающей организации.

Следует снова заметить, что «изначальное» наличие у потребителя узла коммерческого учета энергии является непременным условием для проведения мероприятий по регулированию, т.к. только в этом случае у него появляется заинтересованность в достижении реальной экономии. Кроме того, решение о самой необходимости и целесообразности регулирования должно быть обоснованным: выгодно регулировать расход энергоносителей и воды, когда имеется их избыток, а регулировать дефицитную систему — значит обеспечивать для потребителя наперед заданный уровень дискомфорта, что само по себе абсурдно. Дефицит же энергоносителей определяется во многих случаях не только и не столько потребителем, сколько качеством работы поставщика или производителя энергии [10].

Очевидно, что большинство связанных с задачей регулирования теплопотребления функций могут и должны быть автоматизированы. В самом деле, ручное регулирование, о котором как о непременном «спутнике» учета уже говорилось выше, не в состоянии обеспечить той же точности и оперативности, что и автоматическое; более того, при ручном регулировании возможно даже и ухудшение ситуации, и просто аварии [11].

Из вышесказанного становится очевидным, что если учет без автоматического регулирования и управления возможен, то обратное — никогда. В то же время, автоматическое регулирование и управление теоретически является совершенно отдельной задачей, традиционно реализуемой посредством собственного алгоритмического и программного обеспечения. Опять же, если рассматривать учет как первый этап эволюционного развития в направлении управления энергопотреблением, становится интересным, насколько возможны и целесообразны взаимосвязь и взаимопроникновение алгоритмов и моделей этих двух составляющих энергосбережения или, по-другому, какую специфику привносит в организацию учета перспектива названного развития? В настоящее время есть и теплосчетчики со встроенными регуляторами, и регуляторы, использующие в своей работе данные от теплосчетчиков. Однако теоретически, а также с т.з. нормативной базы, подобные темы до сих пор не разработаны. Достаточно редко прослеживается понимание взаимосвязи и взаимопроникновения задач учета и управления, а также целесообразности ввода в структуры учета потенциала эволюционного развития в направлении обеспечения управления энергопотреблением.

Приборы учета тепловой энергии

В настоящее время (как впрочем и раньше) для измерений тепловой энергии и параметров теплоносителя традиционно используются приборные средства, к которым относятся теплосчетчики и тепловычислители.

Согласно одному из существующих определений [3], теплосчетчик — это «прибор или комплект приборов (средство измерения), предназначенный для определения количества теплоты и измерения массы и параметров теплоносителя». Когда речь идет о комплекте приборов, подразумевается, что в него входят тепловычислитель и измерительные преобразователи. Тепловычислитель — это «устройство, обеспечивающее расчет количества теплоты на основе входной информации о массе, температуре и давлении теплоносителя» [3]. Встречались (например, в проектах ГОСТ на теплосчетчики) и другие определения, в соответствии с которыми теплосчетчик — это средство измерений, измеряющее тепловую энергию по параметрам теплоносителя, а тепловычислитель — по поступающим на его входы сигналам от средств измерений параметров теплоносителя. Такими средствами являются измерительные преобразователи: согласно ГОСТ 16263 [12], преобразователем расхода (объема, массы, давления, температуры) называется «средство измерений, предназначенное для выработки сигнала о расходе (объеме, массе, давлении, температуре) в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем». Следует уточнить, что измерительный прибор, наоборот, вырабатывает сигнал измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Существующие методы выполнения измерений параметров теплоносителя, в частности, его количества (расхода) достаточно разнообразны и хорошо отработаны. Традиционны тахометрический метод, являющийся методом прямого измерения объема теплофикационной воды, а также метод переменного перепада давления. Не меньшее распространение находят методы измерения скорости потока при помощи ультразвука, основанные на измерении разности времени распространения импульсов по потоку и против, а также на эффекте Доплера; вихревой метод с различными способами съема пульсаций и т.д. [13].

Какие бы измерительные преобразователи не использовались, в результате своей работы они преобразуют значения соответствующих параметров теплоносителя в электрические сигналы, обрабатываемые вторичным прибором — вычислителем. При этом сами преобразователи могут являться как «самостоятельными» средствами измерений, так и входить в состав «неделимого» теплосчетчика, аттестуемого как единое целое; соответственно, в современной практике можно выделить два подхода к конструированию приборов учета тепловой энергии. В первом из них вычислитель и вторичные (промежуточные) измерительные преобразователи совмещаются «идеологически» и конструктивно, образуя именно теплосчетчик (например, «Взлет ТСР», СВТУ-10М и др.). При втором подходе признается самостоятельное существование тепловычислителя как средства измерений, воспринимающего «готовые» данные о значениях параметров теплоносителя и ориентированного на использование в составе комбинированных и составных теплосчетчиков, куда входят также измерительные преобразователи (расхода, температуры, давления) со стандартизованными выходными сигналами (СПТ, ВКТ и др.). В соответствии с существующей нормативно-правовой базой необходима сертификация комбинированного теплосчетчика, в составе которого заявлен конкретный вычислитель и измерительные преобразователи [14]. Очевидно, что при первом подходе разработчик среди прочих должен решать вопросы способов и методов измерений параметров теплоносителя. При втором происходит абстрагирование от природы измерений данных параметров, что представляется допустимым, т.к. измерительная часть комбинированного теплосчетчика (преобразователи, работающие в комплекте с вычислителем) обеспечивают получение необходимых для реализации алгоритмов измерения энергии данных с требуемой точностью.

Практическая популярность второго подхода во многом объясняется исторической спецификой производителей приборов учета, которая здесь раскрываться не будет. С другой стороны, и потребитель средств учета, как конечный, т.е. абонент тепловых сетей, так и проектно-монтажная организация, также зачастую «поддерживает» именно такой подход. Ведь он дает возможность самостоятельно комплектовать узлы учета оптимальным как по техническим, так и по стоимостным характеристикам оборудованием различных производителей и от различных поставщиков. Отсюда можно сделать вывод, что описываемый подход весьма и весьма жизнеспособен. Что касается вопросов обеспечения требуемой точности измерений составными и комбинированными теплосчетчиками на базе таких вычислителей как комплектами разнородных средств измерений, то мы снова возвращаемся к вопросу разработки и соблюдения соответствующих методик выполнения измерений.

Находят применение и подходы, являющиеся с точки зрения двух вышеописанных своего рода компромиссными. Так ряд производителей выпускает комплекты, состоящие из вычислителя и расходомеров, которые изначально сертифицированы вместе как теплосчетчик, но по своей конструкции и принципам действия выполнены так, что и вычислитель, и расходомеры могут работать в комплекте с расходомерами и вычислителями других производителей соответственно. В качестве примера здесь можно сослаться на датский теплосчетчик с вычислителем Multical и ультразвуковыми расходомерами Ultraflow: на основе данных продуктов в России сертифицирован ряд составных теплосчетчиков, например, СТ-3, в состав которого входят названный Multical и тахометрические счетчики воды ВСТ.

Очевидно, что при любом из описанных подходов теплосчетчик все равно содержит в своем составе (если не конструктивно, то функционально, логически) тепловычислитель как алгоритм или комплекс алгоритмов расчета количества тепловой энергии на основе «готовых» и периодически, т.е. в течение определенного цикла измерений, обновляемых данных о значениях параметров теплоносителя. Кроме того, все вычислители являются не только средствами измерений, но и приборами учета, реализуя, помимо функций измерения, функции накопления и хранения информации о параметрах тепловой энергии и теплоносителя. Очевидно, что вопросы измерений (независимо от того, в какой сфере эти измерения производятся) должны быть проработаны метрологическими службами и узаконены на государственном уровне (в этом и состоит единство измерений). Но и алгоритмы («Правила»!) учета должны быть разработаны централизованно, охватывать все аспекты учета и выполняться беспрекословно — иначе мы не сможем говорить о единстве учета!

Небольшое лирическое отступление: еще в 1997 году, когда единство измерений именно тепловой энергии было под вопросом, а единства учета «вообще не было», РАО «ЕЭС России» рекомендовало [15] энергоснабжающим организациям и потребителям совместно решать проблему выбора алгоритмов расчета тепловой энергии с привлечением авторитетных специалистов в области технологии теплоснабжения, приборостроения и метрологии (в том числе и из высшей школы), специалистов местных органов Госстандарта РФ или Госэнергонадзора. Представляется, что фактически речь шла об аттестации тепловых узлов или тепловых пунктов на месте метрологическими службами, что не предусмотрено законом РФ «Об обеспечении единства измерений», из которого следует, что все используемые алгоритмы расчета должны быть заложены в средство измерений, составляя основу модели производимых им вычислений.

Измерения тепловой энергии

Каким же образом строятся существующие алгоритмы измерений тепловой энергии, и в чем состоит их противоречивость? Для ответа на данный вопрос следует воспроизвести вывод основного уравнения измерений, который и приведен ниже (по материалам [8], [16]).

Простейшая типовая система теплоснабжения состоит из источника теплоты и теплопотребляющей установки, соединенных трубопроводами тепловой сети. Источник передает потребителю с теплоносителем в подающем трубопроводе некоторое количество тепловой энергии, неиспользованная часть которой возвращается затем с теплоносителем в обратном трубопроводе.

Известно, что если тело (система) находится в равновесии с внешней средой, то с любым его состоянием связана энергия, численно равная энтальпии тела в данном состоянии. В описываемом случае при равновесном состоянии системы энергия теплоносителя, прошедшего через любое сечение контура, численно равна энтальпии теплоносителя в состоянии для данного сечения или произведению массы теплоносителя на его удельную энтальпию в данном сечении. Удельная энтальпия может быть заменена просто энтальпией, которая определяется в соответствии с таблицами ГСССД. При такой замене получаем формулу измерения энергии теплоносителя Qi, прошедшего через любое i-е сечение контура (трубопровод) в виде

(6)        Qi = Gi hi,

где Gi и hi — масса и энтальпия теплоносителя в i-м сечении контура. Энтальпия определяется как функция значений температуры Тi и давления Pi теплоносителя в рассматриваемом сечении.

Сущность измерения тепловой энергии при ее учете состоит в том, что определена должна быть величина использованной энергии. Учитывая сказанное выше о передаче теплоносителя потребителю и возврате его части на источник, запишем

(7)        Qист = Qпотр = G1h1 – G2h2,

где G1 и h1 — соответственно масса теплоносителя, прошедшего по подающему трубопроводу, и его энтальпия, G2 и h2 — масса и энтальпия теплоносителя, возвращенного по обратному трубопроводу. При равенстве масс G1 и G2 (идеальная закрытая система) формула (7) сводится к виду

(8)        Qист = Qпотр = G (h1 – h2),

где G = G1 = G2.

Как видим, последнее уравнение идентично формуле (1), рекомендованной для использования теплосчетчиками Международной организацией законодательной метрологии (МОЗМ). Снова повторим, что она справедлива лишь для идеальных закрытых систем.

Очевидно, что наша модель в достаточной степени идеализирована: мы не учитываем всякого рода «внештатные» тепловые нагрузки. Насколько же подходят соответствующие ей уравнения (7), (8) для реальных систем? Предположим, что как на источнике, так и у потребителя, а также в соединяющих их сетевых трубопроводах существуют неконтролируемые утечки теплоносителя, нарушающие условие равенства масс теплоносителя в подсистемах теплоснабжения и теплопотребления. Кроме того, у потребителя может быть предусмотрен водоразбор на нужды горячего водоснабжения (Gгвс): с точки зрения модели, все утечки и водоразбор выглядят как дополнительные тепловые нагрузки (потери) Qп1 и Qп2. В результате запись Qист = Qпотр становится некорректной; следует записать, что

(9)        Qист = Qпотр + Qп1 + Qп2,

где Qп1 и Qп2 — потери тепла соответственно в подающем и обратном трубопроводах системы. Очевидно, что теплоноситель, отпущенный источником, поступает потребителю не весь, т.е. G1 (отдано источником) не равно G1’ (получено потребителем). Также и на источник возвращается масса теплоносителя G2, меньшая отдаваемой потребителем массы G2’. В свою очередь, G2’ не равно G1’. В итоге получаем:

(10)        Qист = G1h1 – G2h2,

(11)        Qпотр = G1’h1’ – G2’h2’,

(12)        Qп1 = G1h1 – G1’h1’,

(13)        Qп2 = G2’h2’ – G2h2,


(14)        Qист = [G1’h1’ – G2’h2’] + [G1h1 – G1’h1’] + [G2’h2’ – G2h2],

(15)        Qпотр = [G1h1 – G2h2] – [G1h1 – G1’h1’] – [G2’h2’ – G2h2]

Очевидно, что формулы (14), (15) невозможно реализовать локально, т.е. средствами измерений, установленными либо только на источнике, либо только у потребителя. В то же время математическое раскрытие скобок приводит их к виду (7) с той лишь разницей, что выражения для Qист и Qпотр различаются набором входящих в них параметров, значения которых для источника (G1, G2, h1, h2) отличаются от таковых у потребителя (G1’, G2’, h1’, h2’).

Уравнения типа (7) просты в реализации, но не отражают способа подготовки теплоносителя на источнике и использования его потребителем [8], что считается минусом с точки зрения именно учета, в результате которого должны быть определены (и оплачены) затраты на нагрев теплоносителя источником теплоты с учетом степени его использования потребителем. Математически данные соображения описываются следующим образом.

При возникающем как следствие утечек и водоразбора неравенстве масс теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах источник должен постоянно поддерживать определенную массу G1, вводя в систему некоторую величину массы подпитки

(16)        Gподп = G1 – G2

Само же тепло Qист получается путем нагрева Gподп и подогрева возвращенного теплоносителя G2:

(17)        Qист = G2 (h1 – h2) + Gподп (h1 – hхв),

где hхв — энтальпия холодной подпиточной воды. С учетом (16) можно записать также

(18)        Qист = G2 (h1 – h2) + (G1 – G2)(h1 – hхв)

(19)        Qист = G1 (h1 – hхв) – G2 (h2 – hхв)

Тепловая энергия, используемая установкой потребителя, складывается из энергии, превращающейся в теплоту при охлаждении теплоносителя в обменном контуре установки, и из составляющей, учитывающей водоразбор и / или потери у потребителя, Gразб или Gгвс:

(20)        Qпотр = G2’(h1’ – h2’) + Gразб(h1’ – hхв)

Считая Gразб разностью G1’ и G2’, что позволяет учитывать и неконтролируемые утечки у потребителя, получаем

(21)        Qпотр = G2’(h1’ – h2’) + (G1’ – G2’)(h1’ – hхв)

(22)        Qпотр = G1’(h1’ – hхв) – G2’(h2’ – hхв)

Очевидно, что измерить у потребителя энтальпию холодной воды не представляется возможным: данные о ней могут поступать только от источника, что требует внедрения информационной измерительной системы, а не локальных средств измерений.

Вышеприведенные уравнения справедливы при условии, что масса теплоносителя есть величина известная. Тем не менее, на практике прямыми методами определяется, как правило, расход теплоносителя, т.е. его масса, проходящая через поперечное сечение трубопровода за единицу времени. Таким образом, уравнение (6) трансформируется в алгоритм вычисления интеграла

(23)        Qi = интеграл от τ0 до τ1 (mi hi) dτ,

где mi — массовый расход теплоносителя через i-е сечение трубопровода (в i-м трубопроводе). Соответственно, и другие формулы приобретают несколько иной вид:

(24)        Qист = Qпотр = интеграл от τ0 до τ1 (m (h1 – h2)) dτ

для закрытой двухтрубной системы,

(25)        Qист = [интеграл от τ0 до τ1 (m1( h1 – hхв)) dτ] – [интеграл от τ0 до τ1 (m2(h2 – hхв)) dτ],

(26)        Qпотр = [интеграл от τ0 до τ1 (m1’(h1’ – hхв)) dτ] – [интеграл от τ0 до τ1 (m2’(h2’ – hхв)) dτ],

(27)        Qист = [интеграл от τ0 до τ1 (m2(h1 – h2)) dτ] + [интеграл от τ0 до τ1 (mподп(h1 – hхв)) dτ],

(28)        Qпотр = [интеграл от τ0 до τ1 (m2’(h1’ – h2’)) dτ] + [интеграл от τ0 до τ1 (mразб(h1’ – hхв)) dτ]

для открытой двухтрубной системы.

Численный метод вычисления интеграла может быть любым — при условии, что он обеспечивает требуемые метрологические характеристики точности. Но в этом-то как раз и таится одна из возможных «скрытых» ошибок учета. Кроме того, большое значение приобретает временной интервал, в течение которого обновляется информация о значениях параметров теплоносителя (расходы, температуры), участвующих в алгоритмах интегрирования. Важность названного интервала связана с нестационарностью скорости движения теплоносителя в трубопроводах систем теплоснабжения (особенно — в открытых системах). Данный вопрос понимается и поднимается давно [17], но, изучая руководства по эксплуатации современных теплосчетчиков и вычислителей, серьезного к нему отношения мы, к сожалению, не обнаруживаем.

Еще одна возможная ошибка учета «скрывается» вот где. В приведенных выше уравнениях измерений присутствует такой параметр теплоносителя, как его энтальпия. Между тем прямо могут быть измерены только температура и давление в трубопроводах; более того, даже расход чаще измеряется как расход объема, а для перехода к массе используются вычисления с учетом плотности теплоносителя. Для вычисления зависимости h(Т,Р), а также ρ(Т,Р) используют аппроксимирующие полиномы — алгоритмы вычисления плотности и энтальпии, различные виды которых приведены в специальной литературе [18, 19, 20]. Различия в виде полиномов (количестве содержащихся в них констант) заставляет задуматься о точности вычисления зависимостей плотности теплоносителя и его энтальпии от температуры и давления. В [21] приведены результаты аттестации четырех указанных алгоритмов и сформулированы рекомендации разработчикам по выбору наиболее оптимального из них. Так установлено, что один из алгоритмов является наиболее точным, второй — наиболее простым. При этом указывается, что в описании этого простого допущена ошибка (в 1000 раз (!) завышено значение приведенного абсолютного давления), ведущая к высокой погрешности ρ(Т,Р). При условии исправления этой ошибки данный способ аппроксимации зависимости авторы [21] считают оптимальным по соотношению простоты реализации и точности вычислений. Мы же сознательно не указываем здесь этих алгоритмов — хотелось бы, чтобы разработчики приборов учета провели соответствующие исследования и указывали бы способ определения энтальпии их приборами в документации на них.

Математические выкладки, приведенные выше, помогают проанализировать алгоритмы измерений, приведенные в различных документах, так или иначе регламентирующих вопросы учета тепловой энергии. Мы рассмотрим рекомендации МИ 2412-97 [18] и «Правила учета тепловой энергии» [3] — больше, по сути, рассматривать-то и нечего.


В рекомендации МИ 2412-97 [18, п.2.1, 2.4], приводятся уравнения измерений тепловой энергии на источнике теплоты и у потребителя (три и три алгоритма соответственно при неравенстве расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах). Алгоритмы представлены в виде трехчленных выражений, причем не поясняется, в каких случаях следует использовать тот или иной из них. Математически после раскрытия скобок и приведения подобных членов приходим к двучленным алгоритмам (25), (26). Алгоритмы с использованием информации о расходе подпиточной воды на источнике и водоразбора у потребителя (тот и другой параметры реально можно измерить), подобные (27), (28), не приводятся, хотя в п.2.8 упоминается, но не раскрывается возможность замены расходов на расходы подпитки и горячего водоснабжения [22]. То же самое можно сказать и об отношении МИ 2412-97 к учету или неучету энтальпии холодной воды: предусмотрена, хотя и не явно, возможность отказа от такого способа измерений, но не указано в каком случае это должно происходить, т.е. принимается ли энтальпия холодной воды за «нуль» или же уравнения выведены подобно (14), (15).

Алгоритмы рекомендации МИ 2412-97 теоретически позволяют организовать измерения на источнике и у потребителя в системах, содержащих различное количество трубопроводов, о чем делается уточнение в п.2.3 и 2.11. Не оговаривается, однако, конфигурация системы, т.е. взаимосвязь подающих и обратных трубопроводов. Кроме того, рассматриваемый документ содержит и формулы для определения теплосодержания теплоносителя в единичном трубопроводе, подобные (23).

Итак, на основании вышеизложенного можно сделать вывод, что уравнения МИ 2412 соответствуют рассуждениям, приведенным выше и отличаются от полученных в ходе последних лишь по форме записи. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя [3] всегда подвергались критике (в последнее же время, похоже, просто игнорируются), в том числе и в отношении приведенных в них уравнений. Большинство оппонентов сходятся на том, что эти уравнения нельзя считать уравнениями измерений. На наш взгляд, в это мнение следует внести такую поправку: формулы Правил не пригодны для применения (не реализуемы) локальными теплосчетчиками — они предназначены для использования в качестве обобщенных алгоритмов учета, а не измерений. Так формула (3.1) Правил, которая выглядит как

(29)        Q = Qи + Qп + (Gи + Gгв + Gу)(h2 – hхв),

где Qи — тепловая энергия, израсходованная потребителем по показаниям теплосчетчика (!), Qп — тепловые потери в сетях, величина которых указывается в Договоре на теплоснабжение, если узел учета оборудован не на границе балансовой принадлежности теплосетей, Gи — масса сетевой воды, израсходованной потребителем по показаниям теплосчетчика (!), Gгв — масса израсходованной горячей воды, а Gу — масса утечки сетевой воды, представляет собою формулу расчетов между потребителем и теплоснабжающей организацией, а не уравнение измерений физического параметра — тепловой энергии. Отдельные члены данной формулы реализуются различными техническими средствами (теплосчетчик, водосчетчик), локализованными в различных местах (источник, потребитель) или вводятся «теоретически» (по Договору); оконечные вычисления должны производиться, очевидно, вне средств измерений. Правила не освещают такие нюансы, но раскрывают члены Qи и Gу, в результате подстановки соотношений для которых формула (29) приобретает вид

(30)        Q = G1 (h1 – h2) + Qп + (G1 – G2)(h2 – hхв),

где первый член описывает алгоритм работы теплосчетчика потребителя (ср. с формулой (8)), второй учитывает возможное размещение точек измерения G1, h1, G2, h2 не на границе балансовой принадлежности теплосетей, а значения последнего слагаемого определяются на основе данных потребителя и поставщика тепла (hхв).

На наш взгляд, примененный в Правилах подход вполне оправдан и объясняется тем, что данный документ является именно правилами Учета, а не методикой выполнения измерений. Цель его — показать, как на основании результатов измерений осуществлять расчеты между потребителем и поставщиком тепла, не более. То, что в современной практике Правила пытаются использовать как документ, регламентирующий измерения, представляется действием некорректным. В то же время данный алгоритм мог бы быть реализован в распределенной информационной системе учета, а соотношение (30) построено из тех же соображений, что уравнения МИ 2412, т.е. — в соответствии с принятым сегодня подходом к измерениям тепловой энергии.

Как видим, описанные и «признанные» алгоритмы измерений тепловой энергии не столь противоречивы, как об этом принято говорить. Различаясь по форме записи, они выведены из одних и тех же соображений и уж если и должны быть подвергнуты критике, то вместе, как близкие аналоги. Существующая критика алгоритмов происходит, на наш взгляд, от непонимания сфер и особенностей их применения, в чем «виноваты» и сами критикуемые документы, т.к. не определяют четко сфер своей компетенции и допускают множественные трактовки. На наш взгляд, они могут сосуществовать в различных сферах применения, разграничение которых можно было бы произвести с учетом выделенных в настоящей работе аспектов организации учета.

Учет тепловой энергии

Вновь отметим, что подавляющее большинство современных теплосчетчиков (тепловычислителей) наделены функциями архивирования результатов измерений тепловой энергии и параметров теплоносителя. Объясняется это тем, что именно по содержимому почасовых или посуточных архивов составляются отчетные сводки, форма которых рекомендована действующими «Правилами учета». В соответствии с ними на источнике теплоты в водяных системах теплоснабжения должны определяться:

  • тепловая энергия, отпущенная за каждый час;
  • масса (объем) теплоносителя, отпущенного источником теплоты по подающему трубопроводу и полученного по обратному трубопроводу за каждый час;
  • масса (объем) теплоносителя, расходуемого на подпитку системы теплоснабжения за каждый час;
  • среднечасовая и среднесуточная температура теплоносителя в подающем, обратном трубопроводах и трубопроводе холодной воды, используемой для подпитки;
  • среднечасовое давление теплоносителя в подающем, обратном трубопроводах и трубопроводе холодной воды, используемой для подпитки.

В системах теплопотребления (открытых и закрытых) должны определяться:

  • масса (объем) теплоносителя, полученного по подающему трубопроводу и возвращенного по обратному трубопроводу за каждый час;
  • среднечасовая и среднесуточная температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах.

В системах теплопотребления, подключенных по независимой схеме, дополнительно должна определяться масса (объем) теплоносителя, расходуемого на подпитку; в открытых системах теплопотребления – среднечасовое давление теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах узла учета.

Далее, «Правила» разрешают не регистрировать интегральные и средние значения параметров учета за каждый час и сутки, если суммарная тепловая нагрузка в системе теплопотребления не превышает 0,1 Гкал/час; не регистрировать такие значения за каждый час, если тепловая нагрузка не превышает 0,5 Гкал/час.

Снова отметим, что ни «Правила учета», ни один другой из существующих документов не определяют способов и методов архивирования; здесь имеются в виду алгоритмы интегрирования и/или усреднения значений параметров теплоносителя и тепловой энергии, необходимость сохранения взаимосвязи их значений внутри архивных записей, относящихся к одним и тем же интервалам времени и т.п. Собственно, не определяется даже носитель архивов как в широком — средство измерений, вычисляющее энергию, т.е. теплосчетчик, или некий отделенный от него интегратор, так и в более узком — микросхема памяти, жесткий диск, бумага — смысле.

Далее: выпускаемые и применяемые сегодня технические средства учета (средства измерений: теплосчетчики и тепловычислители) можно разделить на приборы с программируемым алгоритмом измерений и приборы, алгоритм которых определен жестко и для изменений доступны лишь некоторые характеризующие процесс измерений параметры. Как правило, программируемость алгоритма характерна для универсальных тепловычислителей, способных работать с преобразователями различных типов и марок.

Можно утверждать, что теплосчетчики с «жестким» алгоритмом (неадаптируемая модель выполнения измерений), рассчитанным на типовую систему теплоснабжения, «появились первыми», и пришли они в российскую практику с Запада. Но наличие в нашей стране достаточно большого количества систем со сложными и нестандартными конфигурациями подтолкнуло многих отечественных разработчиков, воспитанных, к тому же, на инженерной идеологии унификации и универсальности, к созданию теплосчетчиков (тепловычислителей), которые либо программным путем, либо путем применения расширяемой модульной архитектуры имеют возможность адаптации к измерениям в системах различного типа с различным количеством трубопроводов при использовании измерительных преобразователей различного типа. Здесь хотелось бы заметить, что если теплосчетчик «имеет право» быть неадаптируемым, то тепловычислитель такого рода вообще не имеет, на наш взгляд, смысла.

В то же время и способы программирования (адаптации) измерительных и процедурных алгоритмов могут быть различными. Чаще всего программирование сводится к определению параметров первичных преобразователей, выбору одного из нескольких возможных (типовых) алгоритмов измерений и одного из нескольких возможных алгоритмов учета (в виде выбора неких дополнительных критериев или условий обработки результатов измерений). Но именно эти критерии, условия, алгоритмы не стандартизованы, и потому каждый разработчик приборов волен реализовать в них свои собственные представления об учете. Очевидно, что это не ведет к единству учета.

Системы учета

В последнее время «локальный» теплосчетчик, показания которого считываются «вручную» (переписываются ручкой в блокнот) уже не считается «правильным» инструментом учета. Распределенные системы сбора и обработки данных — вот то, чьей частью должен быть прибор.

Выше уже говорилось о том, какие выгоды несет «информатизация» учета поставщикам энергоресурсов. Потребителям же распределенная обработка данных обеспечивают более высокий уровень комфорта при эксплуатации приборов учета. Стремление к такому комфорту интуитивно, но оно тем осознанней и сильнее, чем больше опыт эксплуатации названной техники. В самом деле, тяга к информатизации учета энергоносителей характерна в первую очередь для тех регионов, где достаточно давно и наиболее активно реализуются программы энергосбережения и, следовательно, сравнительно велик парк «отдельных», «обособленных» приборов учета.

Вышеприведенные рассуждения, будучи осознанными производителем приборов, побуждают его наделять свою продукцию функциями автоматизированного вывода и обработки данных. Так как эти функции могут и должны постоянно развиваться, удовлетворяя растущие запросы потребителя и меняющиеся требования к отчетности, а сам теплосчетчик, являясь сертифицируемым средством измерений, должен оставаться, если можно так сказать, «консервативным», то автоматизация вывода (сбора) и обработки тем или иным способом его данных возлагается часто на внешние, «периферийные», устройства. Наиболее очевидным и достаточно просто реализуемым решением является представить в роли такого устройства [удаленный] персональный компьютер (централизованные сбор и обработка данных); необходимость прокладки для связи с ним протяженных линий передачи или использования дорогостоящей каналообразующей аппаратуры — модемов, радиомодемов — обеспечивает, однако, популярность и таких средств децентрализованного сбора данных, как так называемые адаптеры принтеров и пульты переноса данных, которые сегодня предлагаются в качестве «аксессуаров» к своим средствам измерений практически всеми ведущими производителями теплосчетчиков.

Тот факт, что любое из названных — внешних по отношению к прибору учета — устройств взаимодействует с ним посредством информационного обмена, используя те или иные интерфейсы и протоколы и обрабатывая тем или иным образом получаемые от него данные, позволяет говорить о существовании информационной системы даже в случае подключения к теплосчетчику только адаптера принтера и самого принтера. Поэтому естественно и правильно, что совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих прибора и удаленного компьютера называют системой коммерческого учета энергоресурсов практически всегда, а если речь идет о нескольких опрашиваемых одним компьютером приборах — то безусловно всегда. Часто применяют термины «автоматизированная система коммерческого учета энергоресурсов, АСКУЭ», «диспетчерская система» или «система энергоучета».

Часто, однако, прослеживается непонимание информационного аспекта организации учета: акцент делается не на функцию, а на физическое средство реализации логически не определенной функции. В результате необходимость информатизации учета сводится к необходимости обеспечения вывода данных на конкретное техническое устройство, что далеко не одно и то же.

Приборная ориентация учета и регулирования, а также и сам характер контролируемых объектов, приводящий в большинстве случаев к территориальной распределенности измерительных процессов, во многом стандартизует подходы к построению соответствующих структур. Территориальная распределенность становится исходным моментом для всех разработок в сфере информатизации учета — акценты делаются исключительно на передачу данных по коммуникационным каналам между завершенными — логически и конструктивно — средствами измерений, в результате чего функции информационной системы сводятся к реализации простейших процедур ввода / вывода, причем без возможности дальнейшего развития.

В информационном аспекте учет организуется путем объединения автономных — в смысле независимости реализации собственных, частных, функций — физических устройств в сети (системы) передачи данных, имеющие многоуровневую иерархическую структуру. На нижних уровнях данной иерархии существуют микропроцессорные устройства (программируемые логические контроллеры), на верхних функционируют персональные компьютеры с программным обеспечением, позволяющим осуществлять коммуникации со всеми входящими в состав системы приборными средствами и определенным образом обрабатывать получаемые от них данные. Программное обеспечение ПК очень часто создается индивидуально для каждого конкретного случая применения, а при выборе приборной основы системы используются такие утилитарные критерии как затраты на оборудование и его интеграцию, простота эксплуатации и т.п. В результате система не заключает в себе потенциала развития ни в программном, ни аппаратном отношении, и если такое развитие становится необходимым, возникают задачи доработки или переработки используемых алгоритмов, программ, аппаратных средств. С другой стороны, в силу привязанности названных выше критериев подбора приборной основы организации учета к изменчивым характеристикам места и времени развитие зачастую становится возможным только при применении средств, отличных от уже имеющихся, что ведет к неоднородности создаваемых систем.

При описании вариантов организации учета и управления энергопотреблением используют иерархическую модель территориально распределенной обработки данных. Обычно в структуре моделей организации учета выделяют следующие уровни иерархии:

  1. полевой;
  2. нижний;
  3. верхний;
  4. административный.

В связи с жесткой ориентированностью модели на ее дальнейшую физическую (аппаратурную) реализацию перечисленные уровни часто определяют как

  1. уровень измерительных преобразователей, датчиков и исполнительных механизмов;
  2. уровень программируемых логических (микропроцессорных) контроллеров;
  3. уровень автоматизированных рабочих мест, серверов сбора информации, серверов баз данных;
  4. уровень администраторов баз данных.

Данная классификация действительно четко определяет аппаратный состав уровней. Часто уровни (1) и (2) объединяют в один, называя его приборным, что также весьма характерно. Существуют и другие названия, отражающие в какой-то мере роли и реальное размещение описываемых систем в структурах предприятий, на которых они внедряются: например, полевой, контроллерный, системный (операторский) и производственный уровни соответственно.

При всех возможных различиях в наименованиях функции уровней определяются практически всегда одинаково. На уровне (1) производится преобразование значений параметров учета (параметров энергоносителя) в эквивалентные значения электрических величин. Аппаратура полевого уровня — это измерительные преобразователи и датчики. Если в систему интегрированы средства регулирования и управления технологическими объектами, то их исполнительные механизмы и устройства сопряжения с объектами также относятся к полевому уровню.

На уровне (2) реализуются функции тепловычислителей: производится обработка электрических сигналов преобразователей и выполняются различные операции над получаемыми значениями, например, накопление (с интегрированием или усреднением по времени), вычисление функциональных зависимостей и т.п. Физические устройства нижнего уровня в большинстве случаев обеспечивают представление информации в удобной для восприятия оператором форме, а также подготовку ее для передачи по организованным каналам связи на более высокий уровень. В системах учета / регулирования тепловой энергии такими устройствами обычно являются тепловычислители (теплосчетчики) и электронные блоки регуляторов. На этом же уровне существуют и контроллерные (в смысле — «не компьютерные») средства регистрации данных и автоматизации их вывода, например, контроллеры (адаптеры) печатающих устройств и сами печатающие устройства, а также средства децентрализованного сбора данных, такие как пульты (адаптеры) переноса данных.

Уровень (3) — это, как правило, персональный компьютер или компьютеры, объединяющие, с точки зрения оператора, территориально рассредоточенные и, возможно, конструктивно и функционально различающиеся устройства нижнего уровня в централизованно управляемую систему. На верхнем уровне происходит обобщение информации, более сложная, нежели на уровне (2), ее обработка. Здесь же реализуется интерфейс «оператор – система», обнаружение и анализ особых или внештатных ситуаций, происходит принятие решений по воздействию на технологические объекты. Очевидно, что при стандартности используемого оборудования (персональные компьютеры) основой верхнего уровня является программное обеспечение компьютеров, которое тем сложнее и уникальней, чем более неоднороден аппаратный состав нижнего уровня.

Уровень (4) присутствует в системах крупных промышленных предприятий; необходим он и при организации систем учета в масштабах района, города. Собственно, это тот же уровень (3), но с более широкими полномочиями по принятию решений и — при существовании на верхнем уровне нескольких компьютеров (диспетчеров, серверов сбора данных) — с большими возможностями по обобщению и анализу информации. Для организации взаимодействия устройств верхнего и административного уровней используются, как правило, сетевые технологии, в том числе технологии Internet / Intranet. Основу уровня составляет также программное обеспечение компьютеров.

Данная модель может быть использована на стадии физического объединения готовых устройств со сформированными и независимыми наборами функций в сети (системы) передачи данных. Модель неприменима по причине своей неинформативности ни для разработчика самих этих устройств, ни для разработчика алгоритмического и программного обеспечения верхних уровней, которое, собственно, и выступает здесь единственным системоообразующим фактором.

Вообще очевидно, что описанная иерархическая модель организации учета является только лишь моделью направлений обмена данными и в чем-то — процедур такого обмена и приоритетов его участников. Иерархия уровней определяется тем, откуда и куда идут запросы данных, откуда и куда — ответы. Изначально иерархичность предполагает небалансные процедуры передачи. Модель создает иллюзию, что все, что нужно для обеспечения распределенной обработки информации – это протоколы организации запросов и ответов, что на самом деле справедливо лишь отчасти.

В то же время, распределенная обработка данных является в самом деле не столько географическим, сколько логическим понятием, связанным с четким разделением всех данных и процедур по их обработке между выделяемыми в структуре общей модели логическими зонами. Иерархическая же модель, описывая исключительно территориальную распределенность обработки информации, не дает представления о распределенности логической, сводит взаимодействие зон — самой моделью не определяемых, но подразумеваемых в рамках отдельных физических устройств — к передаче данных по коммуникационным каналам. Таким образом, формируется неверное представление как об информационной системе, так и — в более широком смысле — о задачах, способах организации и возможностях развития функций учета и управления энергопотреблением вообще: разработчику отдельных приборов или функциональных блоков такое представление позволяет утверждать в технической документации и рекламных материалах, что его продукт предназначен для работы в составе информационной системы только лишь на том основании, что он оборудован интерфейсом (RS-485 или даже RS-232).

Практически все ведущие производители приборов учета тепловой энергии предлагают как опцию программные продукты для обеспечения вывода информации своих теплосчетчиков и вычислителей на персональный компьютер и ее простейшей обработки (подготовка и печать таблиц, сохранение данных в файлах). Более сложные программы позволяют вести базы данных, подготавливать отчеты произвольных форм, представлять данные в виде графиков, диаграмм и т.п. Известен и такой путь, когда производитель открывает сторонним разработчикам (всем или на договорной основе) протоколы обмена, поддерживаемые его продукцией или программные компоненты (драйверы), используя которые, можно создавать собственное программное обеспечение, развивая «некоммуникационные» функции обработки данных. Однако с точки зрения единства учета «законность» и корректность такого подхода неочевидна. Не зная, какие данные и в каком виде (формате) тот или иной прибор способен предоставить по внешнему запросу, не будучи вследствие этого уверенными, правильно ли эти данные восприняты и обработаны внешней системой (программой), не имея, наконец, никакого представления о помехозащищенности каналов передачи данных, мы вряд ли можем говорить о возможности применения сертифицированного (как локальное средство измереий и средство учета) прибора в составе некой (несертифицированной) системы.

Эволюционный аспект

Выше, говоря об эволюционном аспекте организации учета, мы упоминали о возможности развития систем учета в системы управления энергопотреблением, писали о необходимости предусматривать взаимосвязь и взаимодействие теплосчетчиков с регуляторами. Однако эволюция — это и просто модернизация (модификация) теплосчетчика как теплосчетчика. Не секрет, что производители ведут работы по усовершенствованию своих приборов и после их сертификации и начала серийного выпуска. Усовершенствование это заключается в основном в доработке (или переработке) программного обеспечения. При этом все понимают, что именно программой во многом определяются и метрологические, и учетные характеристики теплосчетчика. Судите сами: по ходу данной статьи мы выделяли в тексте упоминания о так называемых «скрытых ошибках учета». В чем же могут скрываться эти скрытые ошибки? — вот в чем:

  • в выборе алгоритма измерений тепловой энергии;
  • в выборе полинома для вычисления энтальпии;
  • в выборе метода и периода интегрирования;
  • в алгоритмах учета (способах и критериях обработки результатов измерений в интересах учета);
  • в реализации протоколов передачи данных.

Как видим все эти «возможности» — чисто программные. Т.е., зная о том, что прибор был сертифицирован с одной версией программного обеспечения «на борту», а впоследствии эксплуатируется с другой (и третьей, и четвертой), мы не можем быть уверенными в том, что его характеристики соответствуют тем, которые были заявлены изначально и подтверждены при сертификации. Более того, даже если ни один из «важных» алгоритмов, методов, протоколов при доработке ПО не менялся, в нем (ПО) могут появиться «случайные» ошибки (типа «опечаток»), которые сведут на нет все то, ради чего эта доработка затевалась. Таким образом, если возможность «развития» теплосчетчика должна существовать, то она должна быть продумана таким образом, чтобы все изменения, последующие за сертификацией и вводом прибора в эксплуатацию не затрагивали «сертифицированных» свойств средства измерений и прибора учета.

Выводы

А выводы будут просты: как и много лет назад, необходимо разработать и утвердить нормативную базу. Разработку же ее мы считаем целесообразным вести именно по обозначенным в данной статье направлениям. В части измерений узаконить и проверять при сертификации приборов не только алгоритм измерений тепловой энергии, но и алгоритмы вычисления плотности и энтальпии теплоносителя. В части учета — утвердить единые для всех алгоритмы архивирования данных и алгоритмы обработки результатов измерений в интересах учета (анализ внештатных ситуаций, подстановка констант и т.п.). В информационном аспекте — утвердить протоколы передачи данных и способы взаимодействия логических устройств. В эволюционном аспекте — продумать разрешенные способы модернизации приборов и способы включения новых элементов в существующие системы учета и управления энергопотреблением. Все эти задачи безуспешно решаются (или успешно не решаются?) вот уже второй десяток лет...


Литература

  1. О федеральной целевой программе «Энергосбережение России» на 1998-2005 годы. Энергетика региона, №4 1998
  2. В. Н. Рябинкин. Проблемы обеспечения приборного измерения тепловой энергии и теплоносителя. Коммерческий учет энергоносителей (материалы IX международной научно-практической конференции) / сост. В. И. Лачков – СПб.: Политехника, 1999
  3. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя / П-683. Главгосэнергонадзор, М.: Изд-во МЭИ, 1995
  4. Д. Л. Анисимов. О концептуальной модели организации учета тепловой энергии. Коммерческий учет энергоносителей. Материалы XI Международной научно-практической конференции / Сост. В.И.Лачков – СПб.: Политехника, 2000. С.66
  5. Д. Л. Анисимов. Введение в общую теорию учета энергоносителей. Коммерческий учет энергоносителей. Материалы XVI Международной научно-практической конференции / Под ред. В.И.Лачкова - СПб.: Борей-Арт, 2002. С.114
  6. М. П. Вукалович, И. И. Новиков. Термодинамика – М.: Машиностроение, 1972
  7. Международная организация законодательной метрологии. Рекомендация №75. Счетчики тепла
  8. В. Н. Рябинкин. Об алгоритмах учета тепловой энергии и теплоносителя в водяных системах теплоснабжения. Коммерческий учет энергоносителей (материалы VIII Международной научно-практической конференции) / сост. В. И. Лачков – СПб.: Политехника, 1998
  9. Э. Г. Звенигородский, С. М. Лебедев. О стандартизации средств измерений для энергоресурсосбережения. Журнал «Энергосбережение» №5, 1999
  10. Ф. М. Черномуров. Учет и регулирование – основа энергосбережения. Стройкомплекс Среднего Урала, №12(15) 1998
  11. А. Г. Лупей. Ручное регулирование теплопотребления: поставленные цели и достигнутые результаты. Коммерческий учет энергоносителей. Материалы XVII Международной научно-практической конференции / Под ред. А. Г. Лупея - СПб.: Борей-Арт, 2003. С.258
  12. ГОСТ 16263-70. ГСОЕИ. Метрология. Термины и определения
  13. П. П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества
  14. С. Д. Ледовский, Д. Л. Анисимов. Учет тепловой энергии и теплоносителя. Нормативно-правовая и техническая база. Энергетика региона, №3 1999
  15. Информационное письмо ИП-01-(02)-97 (ТП) «О коммерческом учете тепловой энергии и теплоносителей». Приложение к информационному письму РАО «ЕЭС России» № 02-3/17-21 от 17.01.97
  16. А. И. Лисенков. Измерения энергии в системах теплоснабжения. Коммерческий учет энергоносителей (материалы IX Международной научно-практической конференции) / сост. В.И.Лачков – СПб.: Политехника, 1999
  17. В. Тамбовский. О достоверности информации. Энергетика региона, №2 1999
  18. МИ 2412-97. ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерения тепловой энергии и количества теплоносителя
  19. С. Л. Ривкин, А. А. Александров. Теплофизические свойства воды и водяного пара – М.: Энергия, 1980
  20. ГСССД 98-86. Вода. Удельные объем и энтальпия при температурах 0…800°С и давлениях 0,01…100 МПа
  21. А. В. Борисенко, В. А. Захаров. Аттестация алгоритмов расчета теплофизических параметров воды. Шестая уральская научно-практическая конференция по метрологии: Тезисы докладов. Екатеринбург, 1998
  22. В. С. Фаликов. О рекомендации МИ 2412-97 «Уравнения измерения тепловой энергии и количества теплоносителя». Коммерческий учет энергоносителей (материалы VIII Международной научно-практической конференции) / сост. В. И. Лачков – СПб.: Политехника, 1998