Метрология — наука чисто прикладная. Иными словами, в метрологии практически не бывает великих научных открытий, в метрологии могут быть гениальные технические решения. Вся история развития метрологии говорит о том, что метрология решает только задачи, уже поставленные перед ней специалистами в других областях. Выглядело бы странным, если бы метрологи разрабатывали государственный первичный эталон ими выдуманной физической величины, или методику выполнения измерений физической величины в выдуманных условиях. Таких примеров история метрологии не знает. Таким образом, прежде чем метрологи будут решать проблему измерения той или иной величины или метрологического обеспечения того или иного процесса, перед ними должна быть сформулирована задача и четко поставлены условия заинтересованными специалистами. Более того, для успешного решения задачи специалисты из смежных областей должны хорошо представлять себе какой результат они могут получить и что с этим результатом делать в дальнейшем.
В противном случае, результат измерений будет как бы «повисать в воздухе», а задача не будет решена. При всем уважении к специалистам в метрологии следует отметить, что метрологи не должны самостоятельно искать ответы на вопросы, какую величину надо измерить, и что делать с результатом? Это должны делать те, кто ставит задачу и кто заинтересован в результате. В том случае, если метрологи начинают заниматься проблемами постановки задачи и интерпретации результата, отодвигая в сторону истинных заказчиков, ситуация может запутаться до крайности. Следует отметить, что речь не идет о том, что метрологи вообще не должны и не способны заниматься проблемами постановки задачи и реализацией результатов. Просто первую скрипку в этом вопросе должны играть именно специалисты из той области, для которой решаются метрологические проблемы, способные видеть проблему дальше измерений и погрешностей, понимающие место результатов измерений во всем процессе. Иногда, впрочем, ситуация складывается таким образом, что метрологи просто вынуждены решать вопросы, которые должны решать другие специалисты по той причине, что специалисты, те кто ставит задачу, устранились от проблемы.
Подобная ситуация сложилась, как это не прискорбно, в области измерений тепловой энергии для целей учета потребления тепловой энергии и теплоносителя. 12 лет назад вступили в действие Правила учета тепловой энергии и теплоносителя, в которых количество тепловой энергии у потребителя предлагалось рассчитывать по следующей формуле (формула 3.1): Q = Qи + (G1 — G2) ? (h2 — hхв) ? 10-3, где Qи — тепловая энергия, израсходованная потребителем, по показаниям теплосчетчика; G1 — масса сетевой воды, по показаниям водосчетчика, установленного на подающем трубопроводе; G2 — масса сетевой воды, по показаниям водосчетчика, установленного на обратном трубопроводе; h2 — энтальпия сетевой воды на выводе обратного трубопровода источника теплоты; hхв — энтальпия холодной воды, используемой для подпитки систем теплоснабжения на источнике теплоты. Величины h2 и hхв определяются по измеренным на узле учета источника теплоты средним за рассматриваемый период значениям температур и давлений. (Из формулы намеренно исключена величина потерь тепловой энергии на участке от границ балансовой принадлежности до узла учета, т.к. данная величина является чисто расчетной).
Итак, задача поставлена следующим образом: для определения количества потребленной тепловой энергии должна быть измерена тепловая энергия, израсходованная потребителем, измерены массы в подающем и обратном трубопроводах. Теплоснабжающая организация производит расчет потребленной тепловой энергии, суммируя измеренную тепловую энергию, израсходованную потребителем и энергию, затраченную на источнике тепла на подогрев утраченной сетевой воды (теплоносителя).
Именно для измерения тепловой энергии, израсходованной потребителем, и установлены требования к погрешности (4% при разности температур более 20 градусов Цельсия, и 5% — при разности температур более 10 но менее 20 градусов Цельсия). Простейший анализ формулы показывает, что никто не ставит задачу измерения полной потребленной тепловой энергии. Определение полной потребленной тепловой энергии — расчетная операция, методика которой должна быть согласована с методикой тарифообразования. В частности с тем, каким образом в стоимости единицы тепловой энергии учитываются потери при транспортировке. Измерения тепловой энергии проводятся не для целей лабораторных исследований, не для определения абсолютного значения тепловой энергии, отобранной из системы теплоснабжения на объекте, а для целей коммерческого учета.
К сожалению, в Правилах нет четкого определения что такое «тепловая энергия, израсходованная потребителем», равно как и нет указаний, каким образом теплосчетчик должен измерять эту величину. Имеется лишь намек на то, что данная величина должна определяться в соответствии с международными рекомендациями МОЗМ R75 и в соответствии с Европейским стандартом EN 1434 (формула 3.2 в Правилах учета): Qи = G1 ? (h’1 — h’2) ? 10-3, где h’1, h’2 — энтальпии сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах у потребителя. Таким образом, вопрос о методике выполнения измерений тепловой энергии, израсходованной потребителем, оставлен на усмотрение специалистов-метрологов. Как же решили проблему метрологи? Ответ мы находим в МИ 2412-1997. Для измерений тепловой энергии у потребителя предлагается использовать следующее соотношение: Q’ = G1 ? (h’1 — h’2) ? 10-3 + (G1 — G2) ? (h’2 — hхв) ? 10-3. Невооруженным взглядом видно, что теплосчетчик должен выполнять измерения полной тепловой энергии. Метрологи несколько перевыполнили план, если можно так выразиться. Строго говоря, ничего плохого в том, что теплосчетчик будет способен измерять количество полной энергии, с учетом энергии утраченного теплоносителя в открытых системах, прямо на месте, нет. Потребитель увидит результат сразу, меньше возможностей для ошибок в последующих расчетах, и, соответственно, меньше поводов для конфликтов, появляется возможность воспользоваться вот таким красивым выражением, чрезвычайно удобным для применения в теплосчетчиках: Q’ = G1 ? (h’1 — hхв) ? 10-3 — G2 ? (h’2 — hхв) ? 10-3. Есть небольшой нюанс, возможно незаметный сразу, но приводящий к серьезным проблемам в области теплоучета, нерешенным до сих пор.
Суть заключается в том, что метрологи, изменив подход, изложенный в Правилах учета, и установив методику измерений полной потребленной энергии, оставили в неприкосновенности требования к средствам измерений. В терминах метрологов величина Q’, по сути дела, тождественна величине «тепловой энергии, израсходованной потребителем, по показаниям теплосчетчика», т.е. Qи из Правил учета. Соответственно и требования к погрешности измерения величины Qи автоматически распространяются на величину Q’: теплосчетчик должен измерять уже Q’ с погрешностью 4% при разности температур более 20 градусов и 5% — при разности температур более 10, но менее 20 градусов Цельсия, но уже в открытых системах, с учетом энергии утраченного теплоносителя. Если в Правилах учета предусматривалось простое вычитание двух цифр (масс в подающем и обратном трубопроводах), то измерение величины утечки теплоносителя разностным методом имеет известную погрешность, которая, выраженная в относительных единицах, достигает десятков процентов, в случае малых утечек.
Более того, измерение энтальпии холодной воды проводится не в месте установки теплосчетчика, задача передачи информации с источника тепла в теплосчетчик в режиме реального времени практически не решаема, что заставляет использовать при измерениях некое заранее установленное значение, что увеличивает погрешность измерений. Наконец, термометры, установленные в обратном трубопроводе у потребителя и трубопроводе подпитки на источнике не могут быть согласованы в пару, что также резко увеличивает погрешность измерений полной потребленной тепловой энергии. И вот со всем этим теплосчетчики обязаны вписываться в нормы погрешности, установленные в Правилах учета. Этот переход от расчетных операций к измерениям настолько незаметен для окружающих, что даже те специалисты, которые непосредственно занимаются производством и продажей тепловой энергии, уверовали в непогрешимость метрологического подхода к измерениям потребленной тепловой энергии, что вместе со всеми ищут решение проблем, изложенных выше, более десяти лет.
Чтобы убедиться в этом, достаточно просмотреть сборники трудов конференции «Коммерческий учет энергоносителей», обращая особое внимание на место работы авторов. Проблемы действительно серьезные, особенно в части измерений разности масс и нормирования погрешности измерения тепловой энергии в открытых системах многоканальными теплосчетчиками. Совершенно понятно, что без нормирования режимов потребления в теплосистемах решение метрологических проблем невозможно. Обеспечение необходимой точности возможно только при определенном соотношении масс в подающем и обратном трубопроводах, на фоне соответствующего отношения температур в этих же трубопроводах.
Это означает, что довольно большое число объектов (особенно в те временные промежутки, когда мало потребление сетевой воды на фоне малых расходов на отопление) не могут обслуживаться теплосчетчиками стандартной точности (соответствующей требованиям Правил учета), для таких объектов необходимо использовать теплосчетчики повышенной точности, устанавливать расходомеры, подобранные в пару и т.д. Более того, даже узлы учета, уставленные на объектах с таким номинальным режимом потребления, который не вызывает нарушений требований по погрешности, в определенные часы могут выполнять измерения с недопустимо низким уровнем точности. И совсем удручающей выглядит ситуация в межотопительный сезон, когда расходы на отопление отсутствуют. Решение вышеозначенных проблем ищется на протяжении двенадцати лет, с момента появления первых теплосчетчиков, соответствующих требованиям Правил учета, вернее, соответствующих интерпретации требований Правил учета. Можно долго перечислять варианты решения этих проблем, начиная от изменения алгоритмов измерений (с заменой разности масс на прямое измерение расхода теплоносителя на горячее водоснабжение, с вводом расчетной утечки) и заканчивая экзотическими разработками, вроде дифференциальных расходомеров.
Суть дела принципиально не меняется: какой бы подход не использовался, обеспечить измерение утечки с необходимой точностью невозможно. Уходит разность масс, появляется неучтенная утечка и т.д. Это особенно ярко показывает ГОСТ 8.591. Смысл разработки и ввода в действие данного документа, который вышел в паре с ГОСТ 8.592, декларировался разработчиками как панацея от проблем с дополнительными методическими погрешностями (разность масс и энтальпия холодной воды). Получился же документ, в котором проблема просто фиксируется.
Приведена формула расчета погрешности измерения полной потребленной тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения, по которой любой желающий может рассчитать те режимы потребления, когда теплосчетчик выполняет измерения с нарушением требований Правил учета. Более того, разработчики стандарта настолько были увлечены проблемой разности масс, что допустили серьезную ошибку, приняв пару термометров «обратный трубопровод потребителя»/«трубопровод подпитки на источнике» как согласованную, что невозможно из-за количества потребителей, подключенных к системам. В результате достаточное число совершенно исправных узлов учета были выведены из эксплуатации как не соответствующие требованиям Правил учета.
Есть немного специалистов, которые понимают, что в ГОСТ 8.591 и в Правилах учета речь идет об измерении разных величин, и что высокая погрешность измерений величины Q’ не означает, что с такой же погрешностью будет измеряться величина Qи. Еще более яростные споры идут вокруг применения стандарта ГОСТ 51649 и его старшего брата EN 1434, принятого в России как ГОСТ Р ЕН 1434. Основной повод для споров: указанные стандарты распространяются только на закрытые системы, в открытых системах их использовать нельзя. Например, в решении последней конференции в городе Пензе «Метрологическое обеспечение измерительных систем» сказано: «2.1. Предложить ОАО «НИИ Теплоприбор» совместно с ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» и Метрологической службой ГУП «ТЭК СПб» пересмотреть ГОСТ Р 51649-2000 «Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения», устранить имеющиеся противоречия в разделах 3-8 и привести в соответствие с требованиями действующих нормативных документов.» В том, что Европейский стандарт для применения в России требует адаптации, сомнений никаких нет. Это касается и терминологии, и использования алгоритмов вычислений плотности и энтальпии сетевой воды. В России давно успешно используется алгоритм вычисления плотности и энтальпии сетевой воды в зависимости от температуры и давления, в отличии от алгоритма Штюка. Смысла в перестройке, особенно с учетом того, что давление все равно остается важнейшим технологическим параметром, нет. Но главное: указанные стандарты очень хорошо регламентируют измерение количества тепловой энергии, израсходованной потребителем Qи. А большего никто и никогда не требовал и не заказывал. Измерения в открытых системах выдуманы после опубликования главного руководящего документа: Правил учета тепловой энергии. Что мы имеем на данный момент: теплосчетчики измеряют какую-то тепловую энергию, которая не совпадает с требованиями Правил учета, и по методикам, которых в Правилах учета нет.
При этом теплосчетчики по своим метрологическим характеристикам должны соответствовать требованиям Правил учета. Из-за этого парадокса практически любой теплосчетчик, установленный на узле учета, находится «на крючке» — достаточно произвести расчет по ГОСТ 8.591 и все, теплосчетчик на законных основаниях выводится из эксплуатации. Производители, в свою очередь, разрабатывают сложные алгоритмы для учета нештатных ситуаций, теплосчетчики все более и более усложняются. Точно также и разрастается число приборов на узле учета: уже мало пары расходомеров на подающем и обратном трубопроводах, требуется «контрольный» на трубопроводе ГВС, или пара, если ГВС циркуляционная. Но ни усложнение алгоритмов, ни увеличение числа обрабатываемых нештатных ситуаций, ни установка дополнительных средств измерений не решают главной проблемы: теплосчетчики выполняют измерения с недопустимой погрешностью. И будут выполнять! Так может «в консерватории что-то подправить»?
Настало время прекратить искать решение несуществующих проблем и вернуться к истокам: к задаче, поставленной в Правилах учета. Теплосчетчик должен измерять две величины: Qи — тепловую энергию, израсходованную потребителем, в соответствии с ГОСТ 51649 и ГОСТ Р ЕН 1434; (G1 — G2) — массу утраченного теплоносителя. Кстати, последняя величина необходима для учета сточных вод. Все остальное: измерение энтальпий в обратном трубопроводе и в трубопроводе подпитки, расчет полной потребленной тепловой энергии, и т.д. — задача учета, и не подпадает под действие метрологических нормативов. Эту задачу может реализовывать теплосчетчик, но только в рамках дополнительных сервисных функций, вне действия метрологического контроля.
В этом случае не будет никаких проблем с десятками процентов погрешности, с необходимостью измерений энтальпии холодной воды, автоматически исключаются требования разработки и аттестации методик выполнения измерений для каждого узла учета — узел учета утратит свою индивидуальность с точки зрения метрологии и использованных алгоритмов. Это не означает замену существующего парка приборов учета: практически 100% используемых приборов умеют отдельно рассчитывать тепловую энергию, израсходованную потребителем, только названия разные. Также большинство умеют определять и накапливать массу утечки. Дело только в законодательстве.
