БИБЛИОТЕКА «ТЕПЛОПУНКТА»

А. А. Данилов, д.т.н., профессор
(ФГУ «Пензенский ЦСМ»)
Особенности методов и средств измерений, применяемых для учёта энергетических ресурсов

(Опубликовано:
журнал «Главный метролог», 2005 год)

Весь объём добываемых, производимых, перерабатываемых, транспортируемых, хранимых и потребляемых энергетических ресурсов ... подлежит обязательному учёту.

ФЗ «Об энергосбережении», Статья 11

Семь раз отмерь — один отрежь.

Народная поговорка

Если учёт без измерений невозможен, то чем же учёт отличается от измерений?

Из беседы участников VI конференции
«Метрологическое обеспечение учёта энергетических ресурсов»
(Москва, май 2004).

Являются ли средства учёта средствами измерений (СИ), что их отличает, и каковы особенности СИ, применяемых для целей учёта? Эти вопросы на протяжении многих лет обсуждаются специалистами, но так и не потеряли своей актуальности.

Энергетические ресурсы являются довольно специфическим объектом измерений, обладающим совокупностью многочисленных характеристик. Однако для целей учёта в настоящее время приняты лишь некоторые из них — те, за которые осуществляется оплата. Именно поэтому результаты измерений большинства физических величин, сопровождающие учёт энергетических ресурсов, используются только для контроля их качества, в то время как для количественного учёта используются результаты измерений лишь некоторых физических величин (электрической энергии, массы нефти и нефтепродуктов, объёма газа и т.д.). И так будет продолжаться до тех пор, пока не будет изменена система оплаты за энергетические ресурсы, которая должна учитывать не только количество, но и их качество, и интервалы времени суток их потребления (по аналогии с многотарифными счётчиками электрической энергии) и т.д.

Многообразие условий, в которых необходимо производить учёт энергетических ресурсов (добыча, производство, переработка, транспортирование, хранение и потребление), привело к разработке множества методик выполнения измерений.

Например, методики выполнения измерений одной и той же физической величины — массы — при реализации лишь одной из операций, требующих обязательного учёта энергетических ресурсов — при транспортировке нефти и нефтепродуктов — могут быть различными при различных способах транспортировки. Так, при транспортировке нефти и нефтепродуктов в железнодорожных цистернах, в танкерах, по трубопроводам могут быть использованы соответственно:

• прямые методы измерений путём взвешивания железнодорожных цистерн;
• косвенные методы измерений, основанные на измерении плотности и уровня (а, следовательно, и объёма) нефти и нефтепродуктов в резервуаре танкера;
• косвенные методы измерений, основанные на измерении плотности и интегрировании по времени мгновенных значений объёмного расхода (полученного путём измерений скорости течения нефти и нефтепродуктов, а также площади поперечного сечения трубопровода).

Все многообразие методик выполнения измерений (МВИ), применяемых для целей учёта энергетических ресурсов, может быть систематизировано с помощью классификации, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1. Классификация МВИ, применяемых для целей учёта

В соответствии с приведёнными классификационными признаками МВИ могут быть:

• предназначены для измерений неизменных (закодируем цифрой 0) или изменяющихся за время измерений (закодируем цифрой 1) физических величин,
• основаны на использовании прямых (0) или косвенных (1) методов измерений,
• предназначены для измерений мгновенных (0) или интегральных (1) значений физических величин.

С использованием этой классификации и способа кодирования каждая МВИ из приведённого выше примера измерений массы транспортируемой (тремя способами) нефти и нефтепродуктов может быть закодирована следующим образом (значения классификационных признаков в каждой тройке указаны слева направо): 000, 010, 111 соответственно.

Предложенная классификация (без претензий на новизну и законченность) помогает выявить особенности МВИ различных величин (и не только энергетических ресурсов!). Незаконченность классификации проявляется, например, в том, что МВИ многих величин, подлежащих учёту при производстве, транспортировке и потреблении энергетических ресурсов, кодируются одинаково — 111, что свидетельствует о возможности и целесообразности использования и других классификационных признаков (т.е. дальнейшего развития классификации), но... это тема отдельного разговора. Здесь же, для анализа особенностей МВИ, классификационных признаков, приведенных на рисунке 1, вполне достаточно.

Например, при анализе МВИ группы 111, применяемых для измерений объёма газа, массы нефти и нефтепродуктов, тепловой энергии и массы теплоносителя, прошедших по трубопроводам за интервал времени Δt, а также для измерений электрической энергии, можно выявить следующие особенности.

Первая особенность состоит в том, что в этих МВИ используются косвенные методы измерений, основанные на интегрировании по времени мгновенных значений расхода

которые непрерывно изменяются случайным образом (поскольку расход представляет собой нестационарный случайный процесс). Следовательно, при измерении расхода использовать методы уменьшения случайной составляющей погрешности усреднением результатов измерений с многократными наблюдениями не удается. Это было бы возможно лишь тогда, если бы измеряемая величина была неизменна. Здесь же семь раз не отмеришь — приходится довольствоваться одним! Правда, этот недостаток компенсируется интегрированием (или суммированием результатов измерений) мгновенных значений расхода, что в конечном итоге также приводит к уменьшению случайной составляющей погрешности.

Другая особенность МВИ группы 111 заключается в том, что и «мгновенные» значения расхода не совсем мгновенны, поскольку эти значения обладают методической погрешностью, возникновение которой иллюстрируется с помощью рисунка 2.

Рисунок 2. Методическая погрешность измерений расхода

Дело в том, что «мгновенные» значения расхода могут быть получены лишь за некоторый конечный интервал времени. Поэтому на интервале времени от t₁ до t₃ в качестве «мгновенных» значений расхода могут быть использованы либо значения

усреднённые за интервал времени измерений от t₁ до t₃ (рис. 2,а), либо некоторые мгновенные значения x(t₂), обладающие динамической погрешностью (рис. 2,б), поскольку результат измерений, полученный в момент времени t₂, приписывается моменту времени t₁ (а используется в качестве мгновенного значения расхода на интервале времени от t₁ до t₃).

Перечисление особенностей МВИ группы 111 можно продолжать довольно долго, но, учитывая ограниченный объём статьи, непозволительно. Поэтому здесь рассмотрим лишь третью особенность, заключающуюся в том, что СИ расхода должны обладать чрезвычайно широкими диапазонами измерений, но (даже в случае использования многодиапазонных СИ!) некоторые из мгновенных значений расхода могут находиться вне диапазона измерений (т.е. x < x_min или x_max < x). Следовательно, полученные значения расхода должны заменяться некоторыми договорными значениями.

Сказанное усугубляется тем, что в условиях нашей действительности, когда узлы учёта были спроектированы для одних диапазонов измерений расхода, а используются лишь в нижней его части (в связи с ограничением потребления энергетических ресурсов многими предприятиями), относительная погрешность измерений расхода существенно возрастает. Применение же средневзвешенной погрешности (т.е. погрешности, усреднённой по диапазону измерений) в качестве одной из метрологических характеристик счётчиков воды или СИ электрической энергии (в предположении, что ток изменяется в широком диапазоне, хотя реально находится в нижней части диапазона измерений), в таких условиях вряд ли можно считать правомерным.

Нельзя обойти молчанием и другие «особенности национального учёта», связанные как с недобросовестным учётом, так и с хищениями энергетических ресурсов. Публикаций об «особенностях национального учёта» предостаточно. В большинстве из них отмечается:

• несовершенство документов, регламентирующих учёт;
• несовершенство конструкций СИ, позволяющих осуществлять несанкционированный доступ к настройкам и хранимым данным;
• ввод потребителей в заблуждение указанием характеристик СИ, нереализуемых в действительности, таких как сверхширокие диапазоны измерений, сверхпродолжительные межповерочные интервалы и т.д.

Ввод потребителей в заблуждение «ловкими» изготовителями осуществляется также указанием в эксплуатационной документации на СИ некой погрешности в процентах без какой-либо конкретизации. В результате некомпетентный потребитель считает, что речь идет о пределах относительной погрешности в рабочих условиях эксплуатации, хотя в действительности изготовителем были указаны пределы допускаемой основной приведённой погрешности.

И все же одна из «особенностей национального учёта» в публикациях не упоминается. Речь идет о ремонте СИ, выполняемом энергоснабжающими организациями, которые, получив лицензию на осуществление деятельности по ремонту СИ, фактически получают законную возможность проводить недобросовестный учёт энергетических ресурсов. Законность заключается в том, что в документах, регламентирующих учёт, предполагается случайный характер значений и знаков погрешностей СИ, применяемых для учёта. В действительности же СИ после ремонта обладают погрешностью, знак которой выгоден поставщику энергетических ресурсов, а её значение близко к пределу. В подтверждение подобных фактов достаточно провести анализ протоколов первичной поверки, выполненной после ремонта топливораздаточных колонок, теплосчётчиков и других СИ аналогичного назначения, ремонт которых проводился энергоснабжающими организациями.

Указанные «особенности национального учёта» (да и не только они!) приводят к настоящему «национальному бедствию» — к небалансам (неизбежно возникающим при взаимоотношениях поставщиков и потребителей энергетических ресурсов), при которых результаты измерений при отпуске и потреблении энергетических ресурсов не совпадают. И это вполне естественно, хотя бы из-за наличия погрешности, присущей СИ, применяемым для учёта.

Несовпадение результатов измерений при отпуске и потреблении энергетических ресурсов побудило общественность к разработке каких-либо способов корректировки этих результатов, позволяющих учесть небалансы. К таким способам можно отнести как МИ 2578, МИ 2650, так и множество научных статей. Но законны ли какие-либо манипуляции с полученными результатами измерений? Очевидно, что нет (до внесения изменений в действующее законодательство). Вместе с тем, предлагаемые (в документах и публикациях) способы корректировки результатов измерений, применяемых для учёта энергетических ресурсов, хотя и не могут быть использованы в настоящее время, но могут стать основой создания законодательно закрепленных правил исключения небалансов.

Подведём некоторые итоги.

Энергетические ресурсы — довольно сложный объект, обладающий совокупностью характеристик (как количественных, так и качественных), в том числе изменяющихся во времени. Например, перегретый пар (не использованный вовремя, может стать насыщенным влажным) или нефтепродукт (получающийся при смешении в резервуаре остатка одного нефтепродукта с добавленным к нему другим).

Средствам учёта в отличие от СИ свойственны следующие особенности:

1. Возможность измерений именно совокупности физических величин (а не каждой из них в отдельности) и длительного (до нескольких лет!) хранения полученных результатов измерений, сопоставленных с моментами времени измерений.
2. Возможность использования (в качестве констант) результатов измерений некоторых величин (например, энтальпии холодной воды, плотности или компонентного состава природного газа и др.), осуществляемых одновременно с учётом с помощью других СИ, значения которых необходимы для реализации алгоритмов измерений энергетических ресурсов.
3. Возможность реализации логических операций по отработке нештатных ситуаций (таких, как исключение «промахов», замена результатов измерений договорными значениями — в случае нахождения результатов измерений вне диапазона измерений и др.).
4. Возможность узаконенной (!) корректировки некоторых результатов измерений СИ, входящих в состав одного средства учёта (например, когда результат измерений расхода в обратном трубопроводе превышает результат измерений расхода в подающем трубопроводе), а также возможность корректировки результатов измерений СИ, входящих в состав нескольких средств учёта, образующих узел учёта в целом (для исключения «небаланса»).
5. Специфические особенности, обеспечивающие повышенную надежность, контроле- и ремонтопригодность (включая возможности организации учёта во время ремонта и восстановление учёта после ремонта), пломбирование, разграничение доступа к органам регулировки и хранимым данным (при невозможности их несанкционированного изменения!) и др.

К списку статей