Учет воды и тепловой энергии
Грамотно подобранные и правильно установленные приборы учета энергоносителей — это насущная необходимость. Без точных расчетов невозможны рациональное расходование ресурсов и разумная экономия. Системный подход к учету, его оптимизация и автоматизация становятся сегодня не просто данью моде, а признаком цивилизованности. Ниже представлены общие сведения о приборах и системах учета воды и тепловой энергии. Описываются типы расходомеров и водосчетчиков, а также назначение каждого из них; приведена классификация теплосчетчиков и алгоритмы их работы; дается информация об особенностях построения систем учета используемых на различных объектах.
Расходомеры и водосчетчики — назначение и типы
Для измерения расхода воды в трубопроводах применяются расходомеры и водосчетчики. Водосчетчик — это измерительный прибор, предназначенный для измерения количества — объема или массы — воды, протекающей через поперечное сечение трубопровода. Расходомер, как это следует из его названия, служит для измерения расхода, т.е. количества воды, протекающего через данное сечение за единицу времени. Расход измеряется в единицах массы, деленных на единицу времени (кг/с, кг/мин, кг/ч, г/с и т.д.) или в единицах объема, деленных на единицу времени (м3/c, м3/мин, м3/ч, см3/с и т.д.). В первом случае имеем массовый, а во втором — объемный расход.
Существует достаточно много способов измерения количества и расхода жидкости, и, соответственно, типов водосчетчиков и расходомеров. Наиболее простой принцип действия имеют так называемые тахометрические водосчетчики. Основа их конструкции — помещенная в поток жидкости крыльчатка или турбинка. Она связана со счетным механизмом, который преобразует количество ее оборотов в литры или кубические метры. В России тахометрические водосчетчики производят, например, ЗАО "Тепловодомер" (г. Мытищи), ООО ПКФ "Бетар" (г. Чистополь) и др. Широко применяются и водосчетчики зарубежных фирм: Zenner, Wehrle, Sensus и пр.
В не меньшей степени используются и расходомеры других типов: ультразвуковые, вихревые, электромагнитные (индукционные). Их общее отличие от тахометрических состоит в том, что в конструкции прибора отсутствуют какие бы то ни было подвижные части, а в измерениях участвуют электронные устройства.
Принцип действия вихревого расходомера основан на следующем эффекте: если в поток жидкости поместить некое тело (стержень) особой формы, то частота возникающих на нем вихрей будет пропорциональна скорости потока. В России вихревые расходомеры производят, например, ПГ "Метран", ЗАО "ПромСервис", ЗАО НПО "Промприбор".
Электромагнитные расходомеры основаны на взаимодействии движущейся жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуктируется э.д.с., пропорциональная скорости движения жидкости. Со времен СССР широко известны электромагнитные расходомеры производства таллиннской фирмы Aswega; в современной России наиболее крупными производителями приборов такого типа являются петербургские предприятия "Взлет" и "Теплоком".
Ультразвуковой расходомер измеряет расход жидкости путем анализа того или иного акустического эффекта, возникающего при проходе через поток ультразвуковых колебаний. В СССР и России ультразвуковая расходометрия развивалась в Самаре и Чебоксарах, теперь же этот метод измерений кажется незаслуженно забытым или, по меньшей мере, отодвинутым на второй план. В то же время, потребность в таких приборах есть, и на рынке начинают появляться как новые российские разработки, так и продукция зарубежных фирм, например, "СЕМПАЛ", Киев.
Расходомер любого из перечисленных выше типов конструктивно может представлять из себя как "компактный" прибор, так и иметь раздельное исполнение. У "компакта" электронный модуль с устройством индикации выполнен как одно целое с измерительным участком (т.е. размещен непосредственно на трубопроводе). Раздельное исполнение предполагает, что электронный блок соединен с измерительным участком кабелями и может располагаться удаленно. Как компактный, так и раздельный расходомер могут быть оборудованы интерфейсом передачи данных, либо иметь электрический (токовый, частотный, импульсный) выход для трансляции сигнала об измеряемом расходе на расстояние. Более подробно об интерфейсах будет рассказано ниже на примере теплосчетчиков. Расходомер или счетчик, не оборудованный устройством индикации, а выдающий только электрический сигнал, информирующий о величине измеряемого объема или расхода, следует называть преобразователем расхода. Для чего нужны преобразователи, станет ясно также из материала о счетчиках тепла.
Многообразие типов водосчетчиков и расходомеров неизбежно порождает традиционные потребительские вопросы: "что выбрать?" и "какой прибор лучше?". Однозначно ответить на него нельзя, тем более — в рамках данной статьи. Можно лишь сказать несколько слов о сложившейся практике применения расходомеров того или иного типа. Так, например, для измерений в трубах "квартирных" диаметров (Dу15) практически нет альтернативы тахометрическим водосчетчикам — все их эксплуатационные недостатки с лихвой компенсируются сверхнизкой ценой. Но, начиная с диаметра 25 мм, конструкция тахометрического водосчетчика усложняется, цена резко возрастает — она становится сопоставима с ценой, например, вихревого расходомера. Но в последнем нет ни одной движущейся (вращающейся, трущейся) части, и уже потому он потенциально надежней, долговечней, метрологически стабильней. Еще более дорогими являются ультразвуковые и электромагнитные расходомеры, но в их активе — более высокие метрологические характеристики и, что немаловажно, минимальные потери давления измеряемой жидкости в канале расходомера. Конструкция ультразвуковых расходомеров, к тому же, позволяет использовать их на трубопроводах таких больших диаметров (от 300-500 мм), на какие ни вихревые, ни электромагнитные приборы выполнены быть не могут. Интересно заметить, что если за рубежом в целом наибольшее распространение нашли тахометрические и ультразвуковые расходомеры, то у нас в России — тахометрические и электромагнитные.
В целом же очевидно, что каждый тип расходомера имеет свою сферу применения, а выбор прибора для каждого конкретного случая — это поиск оптимального именно для этого случая сочетания цены, стоимости монтажа, стоимости обслуживания и т.п. В реальной жизни весьма важную роль играет еще и известность марки, репутация производителя и позиции его сбытовой и сервисной сети в регионах.
Теплосчетчики — определение, алгоритмы работы, классификация
Расходомеры, а точнее — преобразователи расхода — всех описанных выше типов могут применяться и для учета тепловой энергии в водяных системах теплоснабжения — в составе теплосчетчиков. Теплосчетчик — это средство измерений, состоящее, как правило, из преобразователей расхода, температуры, давления, а также тепловычислителя. Преобразователи монтируются непосредственно на трубопроводах, а вычислитель, принимая их сигналы, по определенным алгоритмам вычисляет на основе полученных данных величину потребленной тепловой энергии. Кроме того, он архивирует результаты измерений (показания преобразователей), чтобы в дальнейшем можно было анализировать режимы работы системы теплоснабжения, фиксировать внештатные и аварийные ситуации и т.п. Таким образом, теплосчетчик выполняет сразу две задачи: обеспечивает коммерческий учет, результаты которого используются при расчетах между поставщиком и потребителем тепла, а также является средством технологического контроля в системах теплоснабжения.
Алгоритм работы теплосчетчика, на первый взгляд, прост. Необходимо измерить расход теплоносителя на "входе", т.е. — в подающем трубопроводе, а также температуру и давление на "входе" и "выходе". Далее определяются плотности и энтальпии, являющиеся табличными функциями температур и давлений, а затем по формуле:
Q = G1 (h1 – h2)
вычисляется величина потребленной тепловой энергии. G1 здесь — масса теплоносителя, поступившего потребителю по подающему трубопроводу, h1 и h2 — энтальпии теплоносителя, соответственно, в подающем и обратном трубопроводах. Однако очевидно, что данная формула справедлива лишь для так называемых закрытых систем теплоснабжения.
Такие системы получили широкое распространение в странах Европы. Теплоноситель (горячая вода) в закрытой системе проходит через теплообменный аппарат потребителя и возвращается на источник тепла (котельная, ТЭЦ) в том же количестве, но, разумеется, с уже меньшей температурой. В России же большинство систем — открытые: теплоноситель, пришедший к потребителю по подающему трубопроводу, используется не только для нагрева отопительных приборов, но и разбирается в целях горячего водоснабжения. Соответственно, по обратному трубопроводу на источник возвращается не тот же теплоноситель с меньшей энтальпией, а меньшее его количество. И вопрос здесь уже не только в том, "как измерить", но также и "что измерять", т.к. неясно, что же в открытой системе является "товаром" — теплота? тепловая энергия? или сам теплоноситель? Другими словами, за что потребитель должен платить: за тепло, за теплоноситель или же за услугу теплоснабжения?
Еще один специфичный для России фактор: даже в системах, спроектированных, как закрытые, теплоноситель порой несанкционированно разбирают на хозяйственные нужды. Самый избитый пример — врезанные в радиаторы отопления краны, через которые технический персонал получает горячую воду для мытья полов. Также не столь уж редки случаи, когда в сложной системе теплоснабжения здания обнаруживается где-то когда-то кем-то для чего-то сделанный — и незадокументированный — отвод, байпас и т.п., о котором и в самом деле никто не знал, но который пускает львиную долю тепла мимо счетчика". Наконец, не стоит забывать и о физическом состоянии наших российских труб, которое давно уже стало притчей во языцех. Из вышесказанного становится понятным возникающее у поставщика тепла желание даже в закрытой системе организовать учет, как в "условно открытой". Т.е., не приравнивать априори расход теплоносителя в подающем трубопроводе к расходу в обратном, как это предполагает формула, а измерять его и там, и там. При этом — учитывать еще и разбор теплоносителя на нужды горячего водоснабжения (ГВС), возможно — фиксировать температуру воды в трубопроводе ГВС. Поэтому типичный российский теплосчетчик — это обязательно (точнее, как минимум) два расходомера, водосчетчик(и) ГВС, термопреобразователи и вычислитель, реализующий с десяток алгоритмов учета, призванных "закрыть" как можно больше встречающихся на практике конфигураций систем теплоснабжения.
Теперь — о классификации теплосчетчиков. Как уже говорилось выше, аппаратно счетчик представляет собой комплект средств измерений: вычислителя и преобразователей расхода, температуры и давления (последние используются лишь на объектах с тепловой нагрузкой свыше 0,5 Гкал/час). Но преобразователи температуры и давления в общем и целом сходны по конструкции и принципу действия, а типов преобразователей расхода, как мы уже описали выше, существует достаточно много. Кроме того, именно эти преобразователи в большой степени определяет метрологические и эксплуатационные характеристики теплосчетчика в целом. Поэтому основным критерием классификации счетчиков является тип входящих в их состав расходомеров. В зависимости от него различают тахометрические, вихревые, ультразвуковые, электромагнитные (индукционные) и др. теплосчетчики.
Следующий критерий классификации — это конструктивное исполнение теплосчетчика. Здесь можно выделить компактные счетчики, "единые" и составные (комбинированные). Компакты предназначены в основном для квартирного учета или для учета в закрытой системе с малой тепловой нагрузкой. У них вычислитель конструктивно совмещен с корпусом единственного преобразователя расхода; в некоторых моделях может использоваться и второй преобразователь, подключаемый кабелем. Единый теплосчетчик — это прибор, у которого электронные блоки расходомеров находятся в корпусе вычислителя, а выходной сигнал преобразователей [расхода] не нормирован. Таким образом, вычислитель данного счетчика может работать только с данными конкретными преобразователями. Но наибольшую популярность в России приобрели комбинированные теплосчетчики: их основой является универсальный вычислитель, способный работать с любым датчиком, имеющим стандартный выходной сигнал. Таким образом, комбинированный счетчик на базе одного и того же вычислителя может быть и тахометрическим, и ультразвуковым, и вихревым: другими словами, комбинированный счетчик существует во множестве модификаций различных типов.
Главное достоинство комбинированных приборов состоит в том, что, адаптируя их к различным условиям измерений путем выбора тех или иных преобразователей, мы сохраняем единый пользовательский интерфейс, обеспечиваемый вычислителем, а также заранее знаем метрологические характеристики той или иной модификации, приведенные в описании теплосчетчика и заверенные при его сертификации. Таким образом, можно оснастить приборами целый город, применяя на одних объектах, скажем, недорогие тахометрические водосчетчики, а на других — высокоточные электромагнитные преобразователи, но т.к. все вычислители будут одинаковыми, то у сервисного персонала не возникнет проблем ни с техническим обслуживанием, ни со сбором и обработкой данных. Кроме того, значительно упростится процесс интеграции отдельных теплосчетчиков в единую систему учета.
Системы учета: от крупных объектов до квартир
То, что мы называем системой учета (АСКУЭ — автоматизированная система коммерческого учета энергоресурсов) — это, по сути, несколько (или много) счетчиков воды и тепла, подключенных к центральному (диспетчерскому) компьютеру. Или к группе компьютеров, объединенных в сеть. Основная проблема построения АСКУЭ на сегодня — это отсутствие унифицированных протоколов передачи данных. Фактически каждый производитель теплосчетчиков или тепловычислителей использует свой проприетарный протокол. Чтобы объединить в систему разнотипные приборы, разработчики системообразующего программного обеспечения (ПО) должны написать и отладить столько различных программных модулей — драйверов, сколько типов приборов они планируют использовать в составе системы. Таким образом, достаточно сложно создать универсальное ПО — чаще всего оно адаптируется и "дописывается" для каждого конкретного случая применения.
Сама же необходимость применения систем сомнений не вызывает: в XXI веке, кажется, уже несовременно ходить по подвалам, нажимать на кнопочки и переписывать данные с дисплеев в блокнот. Поэтому логично предположить, что в дальнейшем счетчики будут развиваться именно в "системном", "сетевом" направлении. Возможно, вскоре мы уже будем воспринимать прибор, не включенный в систему, точно так же, как сегодня воспринимаем компьютер, не подключенный к сети Интернет — т.е., как нечто "не совсем полезное".
Также вне систем немыслим учет поквартирный, о котором в последнее время много говорят, но который пока в России практически не развит. Даже задача учета горячей и холодной воды на самом деле не так проста, как кажется — в первую очередь, организационно. Довольно легко и недорого установить в квартирах водосчетчики, но очень трудоемко — собирать и обрабатывать их показания, а также сводить балансы. С учетом тепла все обстоит еще сложнее. Дело в том, что для установки теплосчетчика необходим индивидуальный тепловой ввод, т.е. свои собственные подающий и обратный трубопроводы, "между" которыми расположены все отопительные приборы данной квартиры. Такая схема используется во вновь строящихся зданиях, но подавляющее большинство российских квартир имеют так называемую "стояковую" однотрубную систему отопления, в которой индивидуальный учет при помощи теплосчетчиков невозможен в принципе. Разумеется, выход есть: в таком доме можно поставить теплосчетчик на общем вводе, а каждый отопительный прибор в каждой квартире оборудовать индикатором теплопотребления испарительного типа. По окончании отчетного периода (отопительного сезона) общее теплопотребление, зафиксированное домовым теплосчетчикам, распределяется между квартирами пропорционально показаниям данных индикаторов. Но для этого распределения (читай, обработки данных) нужна уже некая вычислительная система. А для упрощения ввода в нее данных желательно автоматизировать и их сбор.
Далее, подобная домовая система учета желательно должна быть включена в состав системы высшего уровня — квартальной, районной, городской. Только в этом случае можно эффективно контролировать весь процесс производства и транспортировки тепла, сводить балансы, корректно организовать процесс взаиморасчетов поставщиков и потребителей энергии. Т.е., от "просто учета" тепла в отдельно взятых точках перейти к адаптивному и оптимальному управлению энергоснабжением. И с этой точки зрения локальный, изолированный учет является в некотором смысле самообманом — пользователь теплосчетчика снижает свои финансовые расходы, но, поскольку система теплоснабжения — централизованная, то эта "экономия" перетекает с противоположным знаком либо к бесприборным абонентам, либо — к поставщику (производителю) тепла.
Пока у нас в стране развивается именно локальный приборный учет воды и тепла, а учет системный лишь начинает проявляться. Т.е., систем учета разработано достаточно много, достаточно много о них и пишут. Однако случаи внедрения пока редки, а опыт эксплуатации относительно невелик.
Основные черты современного счетчика
Итак, соберем сказанное воедино. Типичный современный российский теплосчетчик – это, как правило, комбинированный прибор, обладающий следующими свойствами:
- вычислитель работает с преобразователями различных типов, имеющими стандартизованные выходные электрические сигналы;
- вычислитель поддерживает несколько различных алгоритмов измерений (учета), чтобы применяться и в открытой, и в закрытой системе, и для коммерческого, и для технологического учета, часто - с использованием дополнительных счетчиков горячей и холодной воды;
- выбор того или иного алгоритма и ввод ряда параметров (коэффициенты преобразования, характеристики преобразователей и т.п.) осуществляется либо "с кнопок" самого вычислителя, либо при помощи внешнего компьютера;
- теплосчетчик не только вычисляет теплопотребление, но и ведет архивы (как правило, почасовые, посуточные и помесячные) показаний преобразователей;
- теплосчетчик оборудован интерфейсом передачи данных (чаще всего это RS232 и-или оптопорт) и поддерживает определенный протокол передачи, что в принципе делает возможным включение его в состав АСКУЭ.
Если же говорить о счетчиках воды (расходомерах), то многие их модификации также соответствуют требованиям 4 и 5, т.е. счетчик ведет архивы измерений (разумеется, только количества воды) и оборудован интерфейсом для включения в систему.