БИБЛИОТЕКА «ТЕПЛОПУНКТА»
В. И. Лачков
О небалансе результатов измерений массы в трубопроводах водяной системы теплоснабжения
(Ранее опубликовано:
Коммерческий учёт энергоносителей. Материалы XII Международной научно-практической конференции /
Под ред. В. И. Лачкова — СПб.: Политехника, 2000)
При инструментальном учёте отпуска и потребления тепловой энергии согласно «Правилам учёта тепловой энергии и теплоносителя» требуется регистрировать и массу (объём) теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах. При этом наблюдается неравенство результатов измерений массы и, в меньшей степени, объёма воды в этих трубопроводах даже в случае сугубо закрытой и, например, в ночное время открытой системы теплоснабжения. Хотя в этих случаях принципиально должен соблюдаться баланс масс между подающим и обратным трубопроводами, с позиции метрологии измерения возможны только с погрешностью. И весьма существенной погрешностью, поскольку здесь речь идёт о результатах измерений разности двух величин. Более того, в случае полного баланса масс должны возникать подозрения в подтасовке отчётов, представляемых в энергоснабжающую организацию, если, конечно, средства учёта не наделены возможностью коррекции результатов измерений путём соответствующей настройки средств измерений, разрешённой в установленном порядке.
Наверное, ни у кого не вызовет недоумения отличие результатов взвешивания себя на весах с монетой в кармане сначала в тёплом помещении, а затем, естественно без приёма пищи или похода в туалет, на других весах (тем более на весах другого типа), но на улице при морозе и без монеты в кармане. При этом вес монеты в 5 г по разности результатов измерений может оказаться и больше 0,5 кг или отрицательным. Каждый понимает, что это произошло в результате погрешности измерений (погрешности весов и влияющих факторов), а вес монеты не претерпел изменений.
Тем не менее, когда по результатам измерений наблюдается небаланс масс, возникает недоверие к средствам учёта, вызванное кажущимся несоблюдением закона сохранения вещества. Если результаты измерений показывают кажущийся водоразбор, а потребитель считает, что у него система плотная, то виноваты средства учёта. Если результаты измерений массы в обратном трубопроводе превышают результаты измерений массы в подающем трубопроводе, то теплоснабжающая организация считает, что потребитель, несанкционированно подпитывая систему, наносит ей ущерб, и на этом основании не принимает отчёт. Владелец средства или сервисная организация просто вынуждены правдами и неправдами подрихтовывать отчёт о теплопотреблении, чтобы, по крайней мере, исключить небаланс масс, а заодно и многое другое.
Безусловно, на практике встречаются случаи несанкционированного действительного водоразбора и подпитки в системах теплопотребления. Но это исключения, которые требуют тщательного обследования и мероприятий по исключению подобных явлений. Эти случаи не являются предметом настоящей работы. Здесь же рассмотрим основные, на наш взгляд, предпосылки и влияющие на возможность небаланса результатов измерений масс в подающем и обратном трубопроводах системы теплоснабжения факторы.
Селекция погрешностей средств измерений
Казалось бы, знак погрешности измерений разности масс между подающим и обратным трубопроводами, вызванной собственно средствами учёта, без их предварительной настройки, должен с равной вероятностью быть и плюсом (кажущийся водоразбор), и минусом (кажущаяся подпитка). Однако, в случае кажущегося водоразбора представитель теплоснабжающей организации с удовольствием принимает узел учёта в эксплуатацию. Тем более, что потребитель не всегда может доказать, что его система плотная и нет действительного водоразбора. Кроме того, для потребителя в этом случае ущерб незначителен, а преимущества от принятого в эксплуатацию узла учёта с лихвой компенсируют потери от кажущегося водоразбора. Другое дело, когда наблюдается кажущаяся подпитка системы. При этом представитель теплоснабжающей организации наотрез отказывается принимать узел. В лучшем случае здесь предлагается, если возможно, поменять местами преобразователи расхода (или водосчётчики), что с нашей точки зрения абсолютно некорректно. Таким образом, происходит селекция знака погрешности средств учёта.
При эксплуатации узлов учёта в отчётах, аналогично, закрывают глаза на кажущийся водоразбор и категорически не приемлют кажущуюся подпитку. Пусть даже она составляет сотые доли процента от массы воды подающего трубопровода. В том числе, из-за подобной селекции результатов измерений создаётся впечатление, что "масса обратного", как правило, превышает "массу подающего" трубопровода.
К слову сказать, и теоретически, и как показывает практика, узлы учёта, реализующие метод переменного перепада давления, обладают на порядок лучшей сходимостью результатов измерений разности масс между подающим и обратным трубопроводом, чем самые современные расходомеры и счётчики воды, невзирая на существенно большую погрешность измерений расхода в одной трубе.
Отличие плотности деаэрированной воды в трубопроводах
В теплосчётчиках применяются преобразователи объёмного расхода и объёма воды в выходной сигнал, принимаемый тепловычислителем. То есть, по сути, измеряется объёмный расход или объём воды. Массовый расход или масса воды вычисляются как произведение вышеуказанных параметров на плотность воды, которая определяется в тепловычислителе, например, по формулам согласно МИ2412-97 или таблицам [1], при измеренных значениях температуры и давления. Подчеркиваем, что здесь речь идёт о плотности.
Плотность деаэрированной воды весьма существенно зависит от температуры. Для примера эта зависимость при неизменном абсолютном давлении 7 кгс/см2 показана на рисунке 1.
Рис.1. Зависимость плотности воды от температуры при абсолютном давлении 7 кг/см2
Зависимость плотности деаэрированной воды от давления мизерна. Для примера при температуре 70°С она показана на рисунке 2.
Рис.2. Зависимость плотности воды от абсолютного давления при температуре 70°С
В трубопроводах системы теплоснабжения температуры и давления различны, а значит, различна и плотность воды — в обратном трубопроводе она больше, поскольку здесь ниже температура. Для примера на рисунке 3 показано относительное превышение плотности воды в обратном трубопроводе с абсолютным давлением 3 кгс/см2 над подающим трубопроводом с абсолютным давлением 7 кгс/см2 в зависимости от разности температур между трубопроводами.
Рис.3. Относительное превышение плотности воды в обратном трубопроводе в зависимости от разности температур
Следовательно, в идеале объёмный расход и объём в обратном (подающем) трубопроводе при сугубо плотной системе, исходя из баланса масс, должен быть на столько же меньше (больше), насколько здесь больше (меньше) плотность воды по сравнению с обратным (подающим) трубопроводом. То есть, должно соблюдаться соотношение:
(1) V2 ρ2 = V1 ρ1,
где V1 и V2 — объем воды, м3, в подающем и обратном трубопроводе, ρ1 и ρ2 — плотность воды, кг/м3, в подающем и обратном трубопроводе.
На практике этого не происходит. Часто небаланс объёмов существенно меньше, чем небаланс масс. Одним из объяснений этому может служить то, что выше рассматривались плотности деаэрированной воды, а реально вода содержит в себе нерастворённые газы (в том числе воздух), плотность которых на 3 порядка меньше.
Однако, в тепловычислителях плотность определяется для деаэрированной воды, поскольку по нормам [2,3] теплофикационная вода должна быть таковой. Фактическое содержание газов неизвестно и, к тому же, переменно. Иногда из крана течёт вода «молочного» цвета, создаваемого микропузырьками воздуха.
Влияние нерастворённого воздуха на расход воды в трубопроводах
В [4] утверждается, что обычное объёмное содержание воздуха в воде систем теплоснабжения достигает до 5 и более процентов. Это обусловлено тем, что, во-первых, микропузырьки размером менее 1 мкм практически не поддаются деаэрации, во-вторых, присутствует подсос через неплотности на всасывающих участках циркуляционных насосов.
Как нам кажется, приведённые в [4] количественные оценки по увеличению скорости воды, а значит и объёмного расхода в обратном по отношению к подающему трубопроводу из-за наличия нерастворённого воздуха вызывают сомнение в их реальности. Но качественно это так. При этом также возникает ряд проблем, а именно: как определять содержание воздуха в воде (и при каких условиях), плотность и удельную энтальпию смеси воды и воздуха в подающем и обратном трубопроводах системы?
Влияние температуры на диаметр условного прохода расходомера
Применяемые расходомеры и счётчики в узлах учёта тепловой энергии реализуют метод «площадь-скорость». Ультразвуковые, электромагнитные, вихревые и механические водосчётчики, по сути, являются измерителями скорости потока воды. Скорость, помноженная на постоянную величину площади сечения расходомера, соответствует объёмному расходу. Поскольку температура в обратном трубопроводе меньше, чем в подающем, то температурное расширение материала расходомеров в обратном трубопроводе меньше. Следовательно, и из-за этого фактора скорость, а значит и объёмный расход, в обратном пусть на сотые доли процента, но больше, чем подающем трубопроводе.
- Плотность, энтальпия и вязкость воды / А. Д. Козлов, В. М. Кузнецов, В. И. Лачков, Ю. В. Мамонов - М.: МП «СИТИ», 1993
- ГОСТ 2874-82. Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством
- СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения / Госкомстрой, М., 1985
- Е. Г. Абаринов, В. Л. Крушев, А. В. Михневич. О влиянии газовой фазы водяного теплоснабжения на изменение выходной скорости теплоносителя в закрытых системах. «Коммерческий учёт энергоносителей»: Материалы IX конференции - СПб.: Политехника, 1999 г.
