О физической величине измеряемой теплосчетчиком

Источник: www.teplopunkt.ur.ru

До сих пор идут споры о том, какую физическую величину измеряют теплосчетчики. Причем часто эти споры мало аргументированы. Вот и сейчас, в связи с утверждением стандарта на теплосчетчики [1], некоторые специалисты [2] считают, что одним из ключевых положений вышедшего стандарта является «четкое и научно обоснованное определение измеряемой теплосчетчиками физической величины». В [3] также отмечается, что «основным спорным вопросом, решение которого задерживало утверждение стандарта, было установление того параметра, для определения которого предназначен теплосчетчик».

Итак, область применения стандарта [1]: «…стандарт распространяется на теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения (далее — теплосчетчики), предназначенные для измерения количества теплоты в водяных системах теплоснабжения…». В разделе 3 (Определения) можно увидеть следующее определение: «3.8 теплосчетчик: Измерительная система (средство измерений), предназначенное для измерения количества теплоты», а также «3.6 количество теплоты (тепловая энергия): Изменение внутренней энергии теплоносителя, происходящее при теплопередаче в теплообменных контурах (без массопереноса и совершения работы)».

По поводу уравнения измерений в [2] сказано, что «…новый ГОСТ не дает формулы для вычисления количества теплоты…, но этого и не требуется, так как очевидно, что основная формула вытекает из данного в стандарте определения теплоты [теплота в стандарте не определяется — Авт.]. Этому определению соответствует единственная известная из школьного курса физики [интересно, из какого именно школьного курса физики? — Авт.] формула:

(1)     Q = G1 (h1 — h2) = G2 (h1 — h2)

где G1, G2 — масса теплоносителя, прошедшего по подающему (G1) или обратному (G2) трубопроводу системы теплоснабжения (теплопотребления) [надо думать, что G1 = G2 — Авт.]; h1, h2 — энтальпия теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах» [имеется в виду удельная энтальпия — Авт.].

И еще одна цитата: «Таким образом, количество теплоты суть произведение массы теплоносителя на входе теплообменного контура на разность энтальпий теплоносителя на входе и выходе этого теплообменного контура» [3].

Итак, измеряемая теплосчетчиком физическая величина — количество теплоты, а из уравнения измерений (1) следует, что эта величина представляет собой разность удельных энтальпий теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, умноженной на массу теплоносителя в подающем или обратном трубопроводах [2], на входе теплообменного контура [3].

Таким образом, изменение внутренней энергии теплоносителя при прохождении через теплообменный контур (количество теплоты) отождествляется с изменением его энтальпии. При этом игнорируется первый закон термодинамики. Из закона, который может быть представлен в виде [4,5]

(2)     dQ = dU + pdV

или

(3)     dQ = dH — Vdp

(где dQ, dU, dH, dV, dp, p, V — количество теплоты, изменение внутренней энергии, изменение энтальпии, изменение объема, изменение давления, давление и объем соответственно) следует, что количество теплоты будет равно изменению внутренней энергии при постоянном объеме или количество теплоты будет равно изменению энтальпии при постоянном давлении. Поскольку в теплообменном контуре всегда имеются потери давления и перепад температур, то и давления, и объемы теплоносителя на входе и выходе различаются. Последнее означает, что измеряемая теплосчетчиками разность энтальпий отличается от количества теплоты и измерение внутренней энергии также будет отличаться от количества теплоты. Поэтому даже для закрытых систем «…единственная известная из школьного курса физики формула…» не вытекает из данного в стандарте определения теплоты, поскольку помимо теплопередачи в теплообменном контуре совершается работа.

Понимание этого обстоятельства присутствует в Рекомендации МОЗМ R 75 [6], где уравнение типа (1) в форме «интеграл по времени произведения Qm на «дельта h» (Qm — массовый расход теплоносителя проходящего через теплосчетчик, «дельта h» — разность между удельными энтальпиями при температурах теплоносителя на входе и выходе теплообменного контура) используется для определения условно истинного (!) [conventional true value (of a quantity) — условно истинное значение (величины) — значение, приписанное конкретной величине и принятое, иногда по договоренности, которое содержит неопределенность, приемлемую для данной цели — см.[8]] значения теплоты. Здесь ничего не говорится о давлениях на входе и выходе теплообменного контура и не указываются источники данных по удельным энтальпиям, лишь в примечании отмечается, что действительное значение теплоты может также выражаться через интеграл от объемного расхода и тепловой коэффициент Д. Штюка, являющийся функцией двух температур и только одного давления. Тем самым различие давлений теплоносителя на входе и выходе теплообменного контура игнорируется и при этом приведенные уравнения как бы определяют количество теплоты.

Такие же уравнения приведены в европейском стандарте EN 1434-1 [7] в разделе 8 «Формула передачи тепла», причем сообщается, что в теплосчетчиках скорость изменения энтальпии между входом и выходом теплообменного контура интегрируется по времени. Уравнение для этой операции соответствует… и приводится рассмотренное выше из [6]. Что же касается уравнения с тепловым коэффициентом, то значения последнего для случая, когда теплоносителем является вода, предписывается определять по формуле А.1 обязательного приложения А при давлении 16 бар, т.е. различие давлений при определении разности энтальпий на входе и выходе теплообменного контура в [7] также игнорируется.

Из изложенного ясно, что оба международных документа не решают задачу измерения количества теплоты в принятом в физике смысле и соответствующем определению 3.6 [1], а приведенные уравнения измерения количества теплоты являются результатом договоренности. Более того, использование теплового коэффициента и предположение о равенстве давлений на входе и выходе контура приводят к появлению методических погрешностей измерения разности энтальпий, значения которых необходимо оценить. Такие оценки были выполнены в [9] где было установлено, что указанные погрешности в некоторых ситуациях могут достигать 3-5 %. При выполнении оценок использовались стандартные данные по плотностям и энтальпиям воды, приведенные в [10].

Таким образом, даже в закрытых системах теплоснабжения измеряется не количество теплоты, а более полная характеристика теплопотребления (теплоснабжения), — разность энтальпий, поскольку в энтальпию подаваемого потребителю теплоносителя входит энергия, связанная не только с температурой теплоносителя, но и его давлением. Энтальпия теплоносителя существует и может быть измерена на входе в теплообменный контур и на выходе из него, (количество же теплоты возникает только в теплообменном контуре, а в точках измерения его нет). Последнее позволяет измерять энтальпию теплоносителя на входе и выходе системы, а к объекту теплоснабжения относиться как к «черному ящику». Это возможно, поскольку энтальпия является потенциалом, т.е. ее изменение полностью определяется ее начальным и конечным значениями и не зависит от того, каким образом эта величина изменялась от начального к конечному значению (количество же теплоты, в отличие от энтальпии, потенциалом не является, также как и работа, и зависит от пути, по которому изменяется от начального к конечному значению). При этом теплоснабжающую организацию совершенно не интересуют подробности того, что происходит с теплоносителем у потребителя, интерес представляет только разность энтальпий на входе и выходе теплообменного контура и именно за нее производится оплата. Для открытых систем в эту разность войдет и энтальпия отобранного теплоносителя. По нашему мнению, в теплоснабжении подход должен быть такой же, как при снабжении электрической энергией, когда с помощью счетчика электрической энергии определяется полученная абонентом электрическая энергия, например в квартире, независимо от того во что она превратилась, то ли в «свет», то ли в «холод». Именно эта идеология используется в МИ 2412-97 [11], устанавливающей уравнения измерений тепловой энергии и теплоносителя для водяных системах теплоснабжения, в том числе и для открытых систем (кстати, в число разработчиков МИ 2412-97 входили и представители энергоснабжающих организаций, таких как: РАО «ЕЭС России», РАО «Роскоммунэнерго», Энергонадзор АО «Ленэнерго»). Такой же подход применяется и в МИ 2451-98 [12], устанавливающей уравнения измерений тепловой энергии и теплоносителя для паровых систем теплоснабжения. Например, ТЭЦ-9 в г.Пермь отпускает ООО «Лукойл-пермнефтеоргсинтез» перегретый пар, который используется для отопления и технологических целей, а обратно получает конденсат, да и то только половину по массе. Система учета измеряет энтальпию пара на семи подающих трубопроводах и энтальпию конденсата на одном обратном, а по их разности производятся взаимные расчеты.

В перечисленных документах [11,12] термин «тепловая энергия» используется исключительно как синоним понятия энтальпии (разности энтальпий). Это установившийся отраслевой термин, который, в отличие от количества теплоты, не занят в физике, широко используется в огромном количестве нормативных документов, в том числе в Гражданском кодексе, Законе «Об энергосбережении», в Правилах учета тепловой энергии и теплоносителя и других. Стандарт [1], распространяющийся на теплосчетчики, предназначенные для измерения количества теплоты в смысле определения 3.6, выпадает из системы существующих нормативных документов, не говоря уже о том, что таких теплосчетчиков в природе не существует даже для закрытых систем. Последствия этого вполне предсказуемы, начиная с того, что ни один из выпускаемых в России теплосчетчиков не соответствует принятому стандарту, и заканчивая простым игнорированием этого документа теплоснабжающими организациями (ну, принят стандарт на теплосчетчики измеряющие количество теплоты, пусть он на них и распространяется, у нас такие не используются).

Если же принять, что в системах теплоснабжения для учета необходимо измерять количество теплоты (в классическом смысле), то это невозможно будет реализовать в открытых водяных системах и паровых системах, не говоря уже о том, что такой подход противоречит сложившейся практике. На наш взгляд, только сохранение в качестве измеряемой величины тепловой энергии может быть решена задача учета энергии в различных системах теплоснабжения.

Литература

1. ГОСТ Р 51649-2000. Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия
2. А. С. Вербицкий, О. С. Степанов. ГОСТ на теплосчетчики утвержден, что дальше? Коммерческий учет энергоносителей (материалы 12-й Международной научно-практической конференции) / Сост. В. И. Лачков — СПб.: Политехника, 2000
3. Э. Г. Звенигородский, С. М. Лебедев. О государственном стандарте на теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Коммерческий учет энергоносителей (материалы 12-й Международной научно-практической конференции) / Сост. В. И. Лачков — СПб.: Политехника, 2000
4. М. П. Вукалович, И. И. Новиков. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972
5. Физический энциклопедический словарь
6. European Standard EN 1434-1. Heat meters — Part1 : General requirements. 1996
7. ВИМ:- Международный словарь основных и общих терминов в метрологии, МБМВ, МЭК, ИСО, МОЗМ, МСТПФ, МСТПХ, МФКПХ, 1993 г. (см. русский перевод — М., Изд-во стандартов, 1998)
8. А. И. Лисенков, В. В. Разиков. Методические погрешности измерения тепловой энергии. Коммерческий учет энергоносителей (материалы 8-й Международной научно-практической конференции) / Сост. В. И. Лачков — СПб.: Политехника, 1998
9. ГСССД 98-86. «Вода. Удельный объем и энтальпия при температурах 0…800С и давлениях 0,001…1000 МПа».
10. МИ 2412-97 «ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя». Утверждена ВНИИМ им.Д.И.Менделеева и ВНИИМС, 1997
11. МИ 2451-98 «ГСИ. Паровые системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя» Утверждена ВНИИМ им.Д.И.Менделеева и ВНИИМС, 1998

Б. М. Беляев, А. И. Лисенков, В. В. Разиков, ВНИИМС, Москва