О критериях сведения водных балансов на источниках теплоты

Сегодня не существует официальных рекомендаций как по расчету максимально допустимой величины небаланса ~1~ , так и по способам корректировки этого небаланса обоснованными методами. Правда, в некоторых публикациях предлагается распределять небаланс подпиточной воды пропорционально измеренным разностям масс теплоносителя на каждой из отходящих тепломагистралей, т.е. в соответствии с формулой (1): ~2~ , (1) где n — число магистралей, отходящих от источника; G_пi — исправленная (скорректированная) масса подпиточной воды в i-й магистрали; Gп — масса подпиточной воды, измеренная расходомером (расходомерами) подпитки; (G_1i –G_2i) — масса подпиточной воды i-й магистрали, измеренная как разность показаний сетевых расходомеров G₁ и G₂. Анализ формулы (1) показывает, что ее применение на практике нежелательно, т.к. эта формула предполагает распределение имеющегося небаланса только пропорционально разности показаний сетевых расходомеров и никак не учитывает точность выполненных измерений разности масс G_1i – G_2i. Кроме того, формула (1) не учитывает точность измерений, выполненных подпиточным расходомером (или расходомерами, если их несколько), т.е. при таком подходе подпиточные расходомеры G_п считаются идеально точными. Но на практике так не бывает: показания любого расходомера всегда в той или иной мере ошибочны, и подпиточные расходомеры, несомненно, вносят свой «посильный» вклад в водные небалансы на любом источнике теплоты. Но формула (1) предполагает, что весь имеющийся небаланс следует относить на измеренные разности масс магистральных расходомеров (G_1i – G_2i), а погрешность расходомера подпитки при этом считается нулевой и его показания абсолютно истинными. Очевидно, что такой подход вряд ли допустим при ведении коммерческого учета, ибо расходомер (расходомеры) подпитки, как и сетевые расходомеры, измеряет расход (массу) с некоторой погрешностью, и эта фактическая погрешность тоже является источником небаланса наряду с погрешностями сетевых расходомеров. Существует и третья причина, по которой применение формулы (1) «в чистом виде» невозможно. Суть этой проблемы заключается в следующем. Предположим, что по итогам работы за сутки имеющийся водный небаланс распределен между магистралями по формуле (1). Пусть, например, на одной из отходящих магистралей показания расходомеров (измеренные значения) составили: ~3~ Предположим, что имеется положительный небаланс (т.е. подпитка G_п больше суммы разностей масс на магистралях), который мы распределяем по формуле (1). Пусть в соответствии с формулой (1) на эту магистраль пришлась доля небаланса подпиточной воды, равная 50 т. Следовательно, мы прибавим к имеющимся (измеренным) 100 т дополнительные «балансовые» 50 т, и в итоге получим, что подпитка этой магистрали равна: ~4~ Точно так же мы поступим и с прочими магистралями, и сумма разностей расходов на магистралях после такой «балансировки» по формуле (1) будет в точности равна показаниям расходомера подпитки G_п. И задача сведения баланса по подпиточной воде как бы решена. И тут возникает одно большое и неразрешимое «но»: разности масс по каждой магистрали исправлены без труда, водный баланс по подпиточной воде получился идеальным, но что нам делать с показаниями собственно расходомеров G_1i и G_2i? Ведь очевидно, что, исправив разность масс (вместо измеренных 100 т мы получили «фактические» 150 т), мы обязаны исправить и показания самих расходомеров G1 и G2! Если этого не делать, то неизбежно возникает технологический парадокс, связанный с разбалансом результатов учета уже на каждой конкретной магистрали: в отчете о теплоотпуске будет указано, что показания расходомеров на магистрали №1: ~5~ Следовательно, принудительно прибавив к имеющимся 100 т разности масс «балансовые» 50 т, необходимо скорректировать G₁ и G₂ таким образом, чтобы на магистрали тоже выполнялся баланс масс G_1i – G_2i= 150 т. А ведь после корректировки значений G₁ и G₂ необходимо пересчитать на «новые тонны» и тепловую энергию, отпущенную по магистрали! Иначе получится путаница и неразбериха: тепловую энергию, отпущенную по магистрали, теплосчетчик рассчитал для измеренных G1i, G2i и (G_1i – G_2i), при сведении баланса по подпитке получены другие значения масс G_1i и G_2i, но тепловая энергия при этом почему-то осталась прежней. Поэтому, заменив измеренные 100 т подпитки магистрали на требуемые для обеспечения водного баланса 150 т, необходимо эти «лишние» 50 т распределить между G1 и G2 так, чтобы выполнялось условие: ~6~ И здесь возникает принципиальный вопрос: какими критериями следует руководствоваться при распределении этих «лишних» (не измеренных) 50 т между показаниями расходомеров G₁ и G₂? Может быть, следует прибавить эти 50 т к показаниям расходомера G₁? Или 50 т небаланса отнять от измеренной массы G₂? Может быть, распределить имеющийся небаланс как-то иначе? А если иначе, то как конкретно? Очевидно, что задача распределения этих 50 т между G₁ и G₂ корректно не решается. И потому представляется наиболее корректным принцип распределения водного (а затем и теплового) небаланса не пропорционально измеренным разностям расходов (G_1i – G_2i), а пропорционально точности выполненных измерений. Покажем на конкретном упрощенном примере, что формула (1) при сведении баланса приводит к весьма некорректному результату, а вот метрологический подход к устранению небаланса вполне применим на практике. Пусть имеется некая ТЭЦ с двумя двухтрубными отходящими магистралями, имеющими общий обратный коллектор. На подающих и обратных трубопроводах этих магистралей установлены расходомеры G₁ и G₂. Для подпитки этих магистралей имеется один (общий) подпиточный трубопровод с расходомером G_п. Также для упрощения рассуждений и расчетов условимся, что горячая вода после расходомера Gп не отбирается на хознужды ТЭЦ, а расходуется исключительно на подпитку этих двух магистралей. Также будем считать, что каких-либо потерь воды за расходомером G_п нет. Следовательно, при сделанных допущениях и нулевой ошибке измерений всех пяти расходомеров должно выполняться равенство: ~7~ Пусть по итогам работы, например, за сутки, измеренные значения суточных масс составили: ~8~ Видно, что подпиточный расходомер G_п измерил 1500 т за сутки, а сумма разностей показаний магистральных расходомеров равна 1000 т. Положительный небаланс равен: ~9~ Коль скоро в данном примере измеренные значения подпитки магистралей равны (по 500 т в каждой), то по формуле (1) находим, что имеющийся небаланс в 500 т распределяется между магистралями поровну, в пропорции 1:1, т.е. на каждую магистраль приходится по 250 т имеющегося небаланса. В результате сведения баланса получим, что: ~10~ После такого распределения небаланса видно, что: показания расходомеров G_1i и G_2i остались прежними, что привело к неравенству выражений G_пi = G_1i – G_2i на обеих магистралях; показания подпиточного расходомера (G_п) не подверглись корректировке, т.е. результаты его измерений считаются идеально точными; распределение небаланса выполнено в равной пропорции 1:1 без учета точности выполненных измерений разностей масс G_1i – G_2i. Очевидно, что такой подход к сведению водного баланса не несет в себе ни технологической, ни метрологической обоснованности, поэтому не может быть рекомендован к применению на практике. Представляется, что единственно возможным критерием сведения водного баланса на источнике теплоты должен служить критерий точности выполненных измерений, в соответствии с которым имеющийся небаланс распределяется пропорционально допускаемым абсолютным погрешностям всех (в т.ч. и подпиточных) расходомеров, чьи показания могут влиять на размер небаланса. В табл. 1 (~13~) показан пример сведения водного баланса для ранее рассмотренного случая наличия на источнике одного расходомера подпитки и двух отходящих магистралей. В этом примере условно принято, что расходомеры G11 и G21, установленные на магистрали №1, имеют допускаемую относительную погрешность ±0,5%, расходомеры G12 и G22, установленные на магистрали №2, и расходомер подпитки Gп имеют допускаемую относительную погрешность, равную ±2%. Имея суточные показания всех расходомеров и зная допускаемую относительную погрешность каждого их них, можно рассчитать допускаемую абсолютную погрешность каждого из пяти расходомеров, а также допускаемую абсолютную погрешность разности показаний магистральных расходомеров (см. столбцы 9, 10, 11 табл. 1 ~13~). Здесь мы должны обратить внимание на следующее принципиальное обстоятельство. Несмотря на то, что измеренные разности масс на каждой из магистралей одинаковы (по 500 т за сутки), допускаемая абсолютная погрешность измерения этих разностей весьма различна: для магистрали №1 допускаемая абсолютная погрешность равна ±18 т, а для магистрали №2 — ±1990 т, что в 111 раз больше, чем для магистрали № 1. Именно столь значительная неравноточность измеренных разностей масс на двух магистралях не позволяет распределять между ними небаланс в равной пропорции 1:1. Коэффициент небаланса K_нб= с вероятностью Р = 1 характеризует некий общий уровень неточности выполненных измерений и определяется как отношение фактически имеющего место небаланса G_нбф к максимально возможному небалансу Gнбmax (определенного по метрологическим допускам для Р = 1). Очевидно, что при неравноточных измерениях имеющийся небаланс следует распределять пропорционально допускаемой абсолютной погрешности выполненных измерений с учетом имеющего место т.н. коэффициента небаланса K_нб. Из табл. 1 видно, что ~13~ Иными словами, в данном примере фактически имеющийся небаланс по подпиточной воде составил только 1/4 часть того небаланса, который могбы иметь место в том случае, если бы фактические погрешности применяемых расходомеров достигли предельно допускаемых значений. Такую несходимость результатов измерений (при K_нб= 0,245) можно считать метрологически благополучной, поскольку K_нб более чем четырехкратно меньше единицы. Теперь, зная значение K_нб, можно рассчитать величину относительных и абсолютных поправок к измеренным значениям суточных масс, после чего можно найти скорректированные значения суточных масс, измеренных всеми пятью расходомерами, применяемыми в данной измерительной системе (табл. 2) ~14~. В результате внесения поправок к показаниям всех расходомеров, пропорциональных K_нб и допускаемой погрешности, небаланс стал равным нулю: ~12~ , при этом определены новые (скорректированные) значения показаний всех пяти расходомеров, чьи показания могли служить источником небаланса. В результате такого метрологического подхода к распределению небаланса каждый из его «участников» получил свою метрологически обоснованную долю небаланса: к измеренной разности масс на магистрали №1 добавлено только 4 т небаланса (здесь измерения разности масс сравнительно точны, δG_ГВС = ±3,5%), подпитка магистрали №2 увеличена на 488 т (на этой магистрали разность масс измеряется крайне неточно, δG_ГВС = ±398%), а показания расходомера подпитки уменьшены на 7 т (δG_п = ±2%). Таким образом, применяя метрологический подход к проблеме устранения небаланса, мы устраняем все недостатки формулы (1), отмеченные ранее, и тем самым обеспечиваем возможность последующей корректировки результатов учета тепловой энергии, отпускаемой по магистралям. Необходимо отметить, что при использовании такого метрологического подхода в устранении водного небаланса должны участвовать показания расходомеров собственных и хозяйственных нужд, т.к. и эти расходомеры, измеряющие массу теплоносителя с нормированной погрешностью, тоже должны брать на себя соответствующую долю небаланса. Если на источнике теплоты такие расходомеры не установлены, то при сведении баланса следует применять расчетное значение внутреннего потребления горячей воды, но с обязательным указанием допускаемых отклонений, например, суточное расчетное потребление горячей воды на хозяйственные нужды G_хн = 70 т ± 7 т. Тогда при сведении баланса и на этот расчетный объем G_хн будет отнесена соответствующая доля небаланса, пропорциональная допуску (±7 т) и коэффициенту небаланса К_нб. Также следует иметь в виду и то, что для каждой измерительной системы (для каждого источника теплоты) всегда существует конкретное граничное значение Кнбгр < 1, при превышении которого метрологический подход к сведению баланса применять недопустимо, ибо при К_нб > К_нбгр высока вероятность (более 0,95) метрологической неисправности одного или нескольких расходомеров, установленных на магистралях или подпиточных трубопроводах. Очевидно, что при К_нб > Кнбгр ситуацию следует считать метрологически неблагополучной и необходимо принимать меры по выявлению неисправных расходомеров, находящихся в эксплуатации, и отправке их в ремонт. Практика применения такого метода корректировки водных небалансов на источниках теплоты показывает, что граничное значение К_нбгр обычно находится в пределах от 0,35 до 0,45. Следовательно, до тех пор, пока фактический К_нб < 0,35–0,45, можно устранять небаланс предложенным выше способом. Однако при больших значениях K_нб вероятность того, что на источнике теплоты имеются неисправные расходомеры (подпиточные или сетевые), весьма высока.