автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и исследование модели точности измерительных каналов энергии теплоносителя и модели распределения потребленной энергии

УДК 381.1:681.2:536.6

На правах рукописи

Клевакин Евгений Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ ЭНЕРГИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ И МОДЕЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТРЕБЛЕННОЙ ЭНЕРГИИ

05.11.15 -«Метрология и метрологическое обеспечение»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2009

003481284

Работа выполнена в ФГУП «Уральский научно-исследовательский институт метрологии» и ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Черепанов Виктор Яковлевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Данилевич Сергей Борисович;

кандидат технических наук Карнаухов Игорь Николаевич.

Ведущая организация - ФГУП «Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии» (г. Новосибирск).

Защита состоится 19 ноября 2009 г. в 11.00 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.251.01 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, СГГА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан 16 октября 2009 г.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 12.10.2009. Формат 60 * 84 1/16. Усл. печ. л. 1,28. Тираж 100 экз. Печать цифровая. Заказ /02 .

Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.

Ученый секретарь диссертационного совета

Симонова Г.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Согласно утвержденной распоряжением правительства РФ № 1234-р от 28 августа 2003 года энергетической стратегии России на период до 2020 года энергоемкость выпускаемой продукции необходимо уменьшить к 2010 году на 27 %, а к 2020 году - на 55 %. В связи с этим промышленным предприятиям необходимо определять фактическое энергопотребление на основе измерений. На основании требований Федеральных законов № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» и № 28-ФЗ «Об энергосбережении» и в условиях роста цен на энергоносители энергогенерирующие предприятия и потребители энергии заинтересованы в повышении точности средств, используемых для измерений энергии теплоносителя.

В России широкое распространение получили открытые системы теплоснабжения, характеризующиеся наличием невозврата теплоносителя в систему теплоснабжения, в основном, вследствие его поступления на горячее водоснабжение (ГВС).

Измерения потребленной энергии теплоносителя осуществляются измерительным каналом (ИК) энергии, входящим в состав измерительной системы, по используемому в нем уравнению измерений. К настоящему времени разработаны и утверждены типы более 1 000 измерительных систем, имеющих в своем составе конфигурации ИК энергии для открытых систем теплоснабжения, реализующие около десятка различных уравнений измерений.

Так как погрешность ИК энергии зависит от погрешности значительного количества ИК параметров теплоносителя, используемого в нем уравнения измерений, а у конфигураций ИК энергии для открытых систем теплоснабжения -и от режима потребления энергии, ее определение экспериментальными методами технически сложно и экономически дорого. При этом существующие способы расчета погрешности ИК энергии дают различные результаты.

Существование различных точек зрения о величине, измеряемой в системах теплоснабжения (количество теплоты или энергия), значительное количество уравнений измерений и способов расчета погрешности ИК энергии, а так, же отсутствие первичного эталона энергии теплоносителя усложняет сопоставление погрешности ИК энергии измерительных систем разных изготовителей.

Таким образом, для формирования условий эффективного производства и потребления энергии актуальными задачами являются: разработка и исследование модели точности ИК энергии и модели распределения потребленной энергии на отопление и на ГВС, а также разработка принципа распределения небаланса энергии между производителем и потребителем. Решение этих задач, предложенное в работе, позволяет формировать оптимальные по точности ИК энергии, определять оптимальные по критерию точности режимы потребления энергии и дает возможность объективно распределять небаланс энергии между производителем и потребителем.

Цель работы и задачи исследований

Цель работы - повышение точности измерений потребленной энергии и эффективности ее распределения в открытых системах теплоснабжения.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ уравнений измерений, соответствующих им конфигурации ИК энергии и способов расчета их погрешности;

2) разработать и исследовать модель точности ИК энергии, сформировать с помощью модели оптимальные по точности и стоимости конфигурации ИК энергии;

3) провести экспериментальные исследования, подтверждающие результаты, полученные с помощью модели точности ИК энергии;

4) разработать и исследовать модель распределения потребленной энергии на отопление и на ГВС;

5) разработать принцип распределения небаланса энергии между производителем и потребителем.

Методы исследований

При решении задач, поставленных в работе, использовались методы технической термодинамики, математического анализа, теории измерительных систем, теории погрешностей, а также имитационного моделирования при экспериментальных исследованиях.

Научная новизна:

- предложена модель, устанавливающая зависимость погрешности измерительных каналов энергии различных конфигураций от погрешности измерительных каналов параметров теплоносителя и режима потребления энергии, выраженного через предложенный коэффициент невозврата теплоносителя и коэффициент понижения его температуры;

- экспериментально подтверждены результаты, полученные с помощью модели точности измерительных каналов энергии. Установлены вклады погрешности измерительных каналов каждого из параметров теплоносителя в погрешность измерительных каналов энергии;

- предложена модель, отражающая зависимость составляющих энергии теплоносителя, потребляемых системой отопления и системой ГВС в открытых системах теплоснабжения, от режима потребления энергии в виде коэффициента распределения энергии на отопление и коэффициента распределения энергии на ГВС;

- предложен принцип распределения небаланса энергии в системах теплоснабжения между производителем и потребителем, основанный на зависимости от точности используемых ими измерительных каналов энергии.

Практическая значимость:

- модель точности дает возможность формировать оптимальные по точности и стоимости конфигурации измерительных каналов энергии при проектировании, а также проводить анализ точности измерительных каналов энергии при эксплуатации;

- модель распределения потребленной энергии дает возможность рассчитывать составляющие энергии, потребляемые системой отопления и системой ГВС, и определять оптимальные по критерию точности режимы потребления энергии для системы отопления и системы ГВС;

- принцип распределения небаланса энергии дает возможность распределять небаланс энергии в системах теплоснабжения между производителем и потребителем в соотношении, зависящем от точности используемых ими измерительных каналов энергии.

Реализация результатов работы:

- на основе модели точности ИК энергии разработана методика расчета погрешности ИК энергии комплексов учета энергоносителей ТЭКОН-20К, разработанных ООО «ИВП Крейт», Госреестр СИ РФ № 35615-07. Результаты внедрены при выполнении НИР «Испытания для целей утверждения типа комплексов учета энергоносителей ТЭКОН-20К»;

- сформированы оптимальные по точности и стоимости конфигурации ИК энергии измерительных комплексов ЭЛЬФ, разработанных ООО «НПП Урал-технология», Госреестр СИ РФ № 32552-06;

- результаты работы использованы в разработанном с участием автора в рамках программы национальной стандартизации на 2007 г. (поз. 3.1.0.053-1.001.07) национальном стандарте ГОСТ Р 8.642-2008 «ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем узлов учета тепловой энергии. Основные положения»;

- результаты экспериментального исследования программного обеспечения «Модель точности ИК энергии теплоносителя» подтверждены свидетельством об аттестации программного обеспечения № РТ.221.003—08.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

. - предложенная модель точности устанавливает зависимость погрешности измерительных каналов энергии от погрешности измерительных каналов параметров теплоносителя и режима потребления энергии через коэффициент невозврата теплоносителя и коэффициент понижения его температуры и дает возможность формировать оптимальные по точности и стоимости конфигурации измерительных каналов энергии;

- предложенная модель распределения потребленной энергии отражает зависимость коэффициентов распределения энергии на отопление и на ГВС от режима потребления энергии через коэффициент невозврата теплоносителя и коэффициент понижения его температуры и дает возможность определять оптимальные по критерию точности режимы потребления энергии для системы отопления и системы ГВС;

- предложенный принцип распределения небаланса энергии устанавливает зависимость распределения небаланса энергии в системах теплоснабжения между производителем и потребителем от точности используемых ими измерительных каналов энергии и является критерием для повышения их точности.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на IX Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов» (Сочи, май 2007 г.), на IV Международной научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (Пенза, октябрь 2007 г.), а также на заседаниях научно-технического совета Уральского научно-исследовательского института метрологии (г. Екатеринбург), Сибирского государственного научно-исследовательского института метрологии (г. Новосибирск) и семинарах, проводимых в Сибирской государственной геодезической академии (г. Новосибирск).

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 7 научных статьях, 3 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 107 страниц, в том числе 21 рисунок и 22 таблицы. Библиографический список включает 61 наименование.

Содержание работы

Во введении раскрыта актуальность темы исследований, дана общая характеристика, поставлена цель и сформулированы задачи работы, отражены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ используемых в настоящее время уравнений измерений энергии и соответствующих им конфигураций ИК энергии для открытых систем теплоснабжения. На основе анализа выражения первого начала термодинамики и процессов, происходящих с теплоносителем при генерации и потреблении энергии, количественно определены величины, характеризующие эти процессы.

Первое начало термодинамики, выраженное через энтальпию для закрытой системы теплоснабжения, в которой отсутствуют утечки теплоносителя (воды), у производителя и потребителя энергии имеет вид

производитель дпр = т{Ик1-ИН1)-У{РКХ -Рт), (1)

потребитель £>пот = т{Ик2 -йЯ2)- У{РК2 - Рн2 ). (2)

где 0,пр> 0.жт - количество теплоты, получаемое теплоносителем у производителя и отдаваемое теплоносителем потребителю;

Ики И ¡а - удельная энтальпия теплоносителя в конечном состоянии у производителя и потребителя Ит =//А-ь / да); Р,а);

hm, hm - удельная энтальпия теплоносителя в начальном состоянии у производителя и потребителя =Дг/л, /i„2 Лй);

■^А'ь Pia ~ давление теплоносителя в конечном состоянии у производителя и потребителя;

Рт, Рнг - давление теплоносителя в начальном состоянии у производителя и потребителя;

'/п> (¡а ~ температура теплоносителя в конечном состоянии у производителя и потребителя;

1нъ 1нг - температура теплоносителя в начальном состоянии у производителя и потребителя;

т, V— масса и объем теплоносителя в закрытой системе теплоснабжения;

У(Р/а - Рт), У{Ркг - Рт) - работа, совершаемая над теплоносителем у производителя (повышение давления теплоносителя), и работа, совершаемая теплоносителем у потребителя (понижение давления теплоносителя на сопротивлении теплообменников).

Показано, что при уменьшении разности температуры в подающем и обратном трубопроводах до 3 °С и увеличении разности давлений до 2 раз, вклад работы доходит до 7 % от значений количества теплоты и становится сопоставимым с пределами погрешности ±5 %, установленными Правилами учета тепловой энергии и теплоносителя.

Таким образом, количество теплоты будет всегда меньше изменения энтальпии на значение работы и будет равно ему только при одинаковых значениях давления в подающем и обратном трубопроводах, что практически недостижимо вследствие потери давления на трение в трубопроводах и теплообменниках. В связи с этим при измерениях количества теплоты, в соответствии с уравнением (1) или (2), наряду с усложнением уравнения измерений не будут учтены энергозатраты производителя на повышение давления теплоносителя, пониженного потребителем.

В изменении энтальпии отражены все процессы, происходящие с теплоносителем в системе теплоснабжения у производителя и потребителя, следовательно, оно полностью отражает энергозатраты производителя и энергопотребление потребителя и должно являться величиной, принимаемой к учету. Так как энтальпия является функцией состояния теплоносителя, ее изменение ха-' растеризует результат перехода энергии в теплоту и работу, являющиеся функциями процесса изменения его параметров, следовательно, она имеет свойства энергии. На основании этого величина «энергия» Е, приведенная в ГОСТ 8.417-2002, может быть использована для описания изменения энтальпии теплоносителя.

Рассмотрены варианты конфигураций ИК энергии у производителя и потребителя, проанализированы уравнения измерений, соответствующие этим конфигурациям.

В результате анализа десяти математически тождественных уравнений измерений, используемых в конфигурациях ИК энергии для открытых систем теплоснабжения, сформированы 4 конфигурации ИК энергии как для производителя, так и для потребителя, соответствующие схеме системы теплоснабжения

и реализующие уравнения, не содержащие в своем составе несокращенных составляющих:

Еоткр = т1 (Л т2 (к2 ~К)> (3)

Еоткр = т\\ ~ т2Ь2 ~ тзКв> (4)

Еоткр = "Ч (/г1 - ) + «3 (/г2 - V). (5)

Еоткр = (Й1 -Й2)+ ту (й, - ЙЛв ), (6)

где т\, тг, Ш) - масса теплоносителя в подающем, обратном и подпиточ-ном (или ГВС) трубопроводах, кг;

Ль Л2, ЛД9 - удельная энтальпия теплоносителя в подающем, обратном и подпиггочном трубопроводах, кДж/кг.

На рисунке 1 в качестве примера приведена структурная схема ИК энергии для открытой системы теплоснабжения у потребителя.

Рисунок 1 - Структурная схема конфигураций ИК энергии в открытой системе теплоснабжения у потребителя

ИП массы т ИП температуры ± ИП давления

теплообменник Щ отопительная установка ф. насос

чмь задвижка элеватор

В состав сформированных конфигураций ИК энергии входят ИК массы, содержащие измерительные преобразователи (ИП) массы, ИК температуры, содержащие ИП температуры, ИК давления, содержащие ИП давления, установленные в соответствующих трубопроводах, а также измерительно-вычислительный комплекс (ИВК). В зависимости от используемого уравнения изме-

рений в состав конфигураций ИК энергии входят ИК массы, указанные в таблице 1.

Таблица 1 -ИК массы в различных конфигурациях ИК энергии

ИК массы теплоносителя Конфигурация, соответствующая уравнению (3) Конфигурация, соответствующая уравнению (4) Конфигурация, соответствующая уравнению (5) Конфигурация, соответствующая уравнению (6)

пц + + + -

пъ + - +

т - + + +

Во втором разделе описаны свойства, характеристики и особенности ИК энергии, проведен анализ способов расчета их погрешности.

В соответствии с ГОСТ Р 8.596-2002, измерительные каналы в зависимости от принципа измерений подразделяются на простые и сложные. В простом измерительном канале реализуется принцип измерений величины, заключающийся в последовательных измерительных преобразованиях. Сложный измерительный канал представляет собой объединение нескольких простых измерительных каналов. В сложном измерительном канале реализуется принцип измерений величины, заключающийся в ее расчете на основании функционально связанных с ней нескольких величин, измеренных простыми измерительными каналами.

Таким образом, измерительный канал энергии является сложным, так как в его состав входят несколько простых измерительных каналов параметров теплоносителя (температуры, массы, давления). Погрешность ИК энергии зависит от погрешности входящих в него ИК параметров теплоносителя, от используемого в нем уравнения измерений, а у конфигураций ИК энергии для открытых систем теплоснабжения - и от режима потребления энергии.

Погрешность ИК энергии определяется экспериментальным или экспериментально-расчетным методом. Экспериментальный метод заключается в воздействии величин на исследуемые и эталонные ИК параметров теплоносителя и определении погрешности исследуемого ИК энергии сравнением с эталонным. Экспсриментально-расчетный метод заключается в определении погрешности ИК параметров теплоносителя экспериментальным методом и расчете по полученным значениям погрешности ИК энергии.

Предложенные в ГОСТ Р 51649-2000, ГОСТ Р ЕН 1434-1-2006, ГОСТ Р 8.591-2002 и МИ 2553-99 способы расчета погрешности ИК энергии дают различные результаты вследствие неучета зависимости от режима потребления энергии, присутствия несокращенных составляющих, использования комбинаций погрешности при измерениях разности параметров и погрешности при измерениях единичных параметров, использования различных способов суммирования погрешности ИК параметров теплоносителя.

Использование погрешности при измерениях разности параметров, требующее согласования индивидуальных статических характеристик ИП параметров теплоносителя, имеет ряд недостатков. Согласование индивидуальных

статических характеристик ИП массы сложно реализовать на практике вследствие различных соотношений их погрешности в диапазоне измерений. Согласование индивидуальных статических характеристик ИП температуры не уменьшает погрешности каждого ИП температуры. Использование погрешности при измерениях разности параметров усложняет анализ погрешности ИК энергии.

Расчетами показано, что вклад в погрешность ИК энергии при использовании фиксированного значения давления в уравнениях измерений достигает от 5 до 10 % при разности температуры теплоносителя от 1 до 3 °С в подающем и обратном трубопроводах.

В таблице 2 представлены результаты расчета погрешности ИК энергии при следующих значениях параметров теплоносителя Л = 100 °С; 12 = 95 °С; т21т1 - 0,9 и погрешности ИК соответствующих параметров 5т\ = ёт2 = ётт. ^ ±2 %; Аг, = Лг2 = Л!« = ±(0,15 + 0,0020 °С; Щ-2) = А<о-») = ±(0,05 + 0,001(/, -- Ыхв))) "С, а также пределы допускаемой погрешности из различных нормативных документов.

Таблица 2 - Результаты расчета погрешности ИК

Измеряемые параметры Относительная погрешность ИК энергии, %

ГОСТР 8.591 (пределы) ГОСТР 51649 (пределы) Правила учел вой энергии носителя(п га тепло-и тепло- ределы) МИ 2553 МИ 2537 (пределы)

класс 10<Д«20°С Д1 >20 °С арифм. сум. алгебр, сум.

В С

"»1, «2, <(1-2), !(].„) ±19,6 ±7 ±6 ±5 ±4 - ±10 ±4

ти т2, Л,/2,1x8, тз - ±7 ±6 ±5 ±4 2,2 ±10 ±4

71/, т7,1/, 1(1.2), 11в,тз - ±7 ±6 ±5 ±4 2,5 ±10 ±4

т2, т}, /1( (2, <*» - ±7 ±6 ±5 ±4 2,2 ±10 ±4

Щ., тз, >1, '(1-2), 'и - ±7 ±6 ±5 ±4 2,5 ±10 ±4

т\, т% и,'2, - ±7 ±6 ±5 ±4 2,2 ±10 ±4

т\, т}, ¡и <(1-2), - ±7 ±6 ±5 ±4 2,5 ±10 ±4

Таким образом, значительное количество способов и формул расчета погрешности ИК энергии, дающих, как видно из таблицы 2, различные результаты, а также конфигураций ИК энергии, сложных для реализации на практике, не позволяет обеспечить единство измерений энергии.

В третьем разделе описаны предложенная модель точности ИК энергии и модель распределения потребленной энергии теплоносителя на отопление и на ГВС в открытых системах теплоснабжения, приведены результаты экспериментального исследования, подтверждающие результаты, полученные с помощью модели точности. Проведены анализ способов суммирования погрешности ИК параметров теплоносителя и исследование точности различных конфигураций ИК энергии для открытых систем теплоснабжения.

Экспериментом показано, что квадратичный способ суммирования погрешности ИК параметров теплоносителя занижает результаты расчеса по-

грешности ИК энергии для открытой системы теплоснабжения. Относительное расхождение относительной погрешности ИК энергии конфигурации, соответствующей уравнению (3), рассчитанной квадратичным способом и полученной в результате эксперимента, составило от минус 10 % до минус 30 % в режимах потребления энергии, соответствующих требованиям Правил учета тепловой энергии и теплоносителя (в которых относительная погрешность составляет до ± 5 %).

В соответствии с ГОСТ 8.009-84, для описания погрешности ИК используется два вида модели. Модель первого вида описывает погрешность ИК через вклады случайной и систематической составляющих, а модель второго вида описывает погрешность ИК без разделения на составляющие при незначимости случайной составляющей.

Результаты эксперимента подтверждают, что погрешность ИК энергии является преимущественно систематической, поэтому для ее описания приняты модель второго вида и алгебраический способ суммирования погрешности ИК параметров теплоносителя.

Модель точности ИК энергии - это математическое описание характеристики точности ИК энергии, отражающее зависимость погрешности ИК энергии различных конфигураций (поля погрешности) от погрешности ИК параметров теплоносителя и режима потребления энергии.

Точность ИК энергии - это характеристика качества ИК энергии, отражающая степень близости измеренных им значений талонным значениям и выраженная в форме относительной погрешности.

В открытой системе теплоснабжения погрешность ИК энергии является функцией значительного количества параметров теплоносителя

&Е = /Ц ). (7)

где 8е - пределы относительной погрешности ИК энергии, %;

пц, пь_, тз - масса теплоносителя в подающем, обратном и подпиточном (или ГВС) трубопроводах, кг;

и, ¡2,1Хй - температура теплоносителя в подающем, обратном и подпиточном трубопроводах, °С;

Ри Рг, Рхв - давление теплоносителя в подающем, обратном и подпиточном трубопроводах, МПа.

Расчетами показано, что зависимость погрешности ИК энергии от давления воды слабая настолько, что изменение давления в подающем или обратном трубопроводе открытой системы теплоснабжения в диапазоне от 0,1 до 1 МПа вносит вклад в погрешность ИК энергии до ± 0,2 %. Относительное расхождение относительной погрешности ИК энергии, рассчитанной с использованием погрешности при измерениях удельных энтальпий и рассчитанной с использованием погрешности ИК температуры в указанном диапазоне давлений, составляет до ±0,4 %. Поэтому зависимость от давления в модели не учитывается, а вместо погрешности при измерениях удельных энтальпий используются погрешности ИК температуры.

С учетом этого модель точности ИК энергии в общем виде можно описать уравнением, связывающим относительную погрешность ИК энергии с абсолютными погрешностями ИК параметров теплоносителя

, / „„ „„ „„ л

5г =

дЕ Л дЕ Л дЕ Л дЕ Л * дЕ А, дЕ Л,

А пц +--Ат2 +--А1Щ + — At\ + At2 + -— At,

удпц

дт->

8т-,

ди

5/,

, (8)

где

дЕ дЕ дЕ дЕ дЕ дЕ

—■— - частные производные энергии по из-

д/щ дт2 8тъ dt.{ dl2 dtxe меряемым параметрам теплоносителя;

Д/яь Ат2> А^з - пределы абсолютной погрешности ИК массы теплоносителя для подающего, обратного и подпиточного (или ГВС) трубопроводов, кг;

A/i, А/2, Alxe - пределы абсолютной погрешности ИК температуры теплоносителя для подающего, обратного и подпиточного трубопроводов, СС;

Е - значение энергии теплоносителя, измеренное ИК энергии соответствующей конфигурации, кДж.

В результате дифференцирования уравнений (3), (4), (5), (6) модель точности для соответствующих конфигураций ИК энергии принимает вид:

6£=±

5w] (l-km)bm2 (t Л + А/, 1 I ДГт + -к "в; J

1 '1А U J 'ill h h

'i-s 4

t

Ч J

MJI-*,-т

,(9)

ч;

М+^МЛ*« -1)| +

5£-=±-

1 А/, Ato -к

+ + +

h 'l 'l h

,(Ю)

ч

| bni\kt\

ъЕ =±-

At, At-, 1 ,

ктотг + +

I h J >i 'i 1 h

kt + кт 1 -к,

\Ьт2{\-кт)к,\

Sr = ±-

ктЪт3

\

О 1 At

+

h J 1 h

r

(П)

(кт-\)

At-

О" 1\

(l -km)kt+k„

-,(12)

1 У

где 5т\, 6т2, 6т} - пределы относительной погрешности ИК массы для подающего, обратного и подпиточного (или ГВС) трубопроводов;

к,„ = 1 - (т21т\) = Ш3/Ш1 = тъ1{тг + отз) = (0... 1) — коэффициент невозврата теплоносителя:

к, = 1 - (/г/'|) = (0...1) - коэффициент понижения температуры теплоносителя.

Пределы относительной погрешности, рассчитанные по формулам (9)-{12), необходимо алгебраически суммировать с пределами относительной погрешности ИВК при измерениях энергии.

Так как при потреблении энергии происходит изменение нескольких параметров теплоносителя, то для отражения режима потребления энергии параметры, имеющие одинаковую физическую природу, предложено представлять в виде соотношений. Соотношение значений температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах выражено через коэффициент понижения температуры к,, а соотношение значений его массы выражено через коэффициент невозврата к,,,. Эти коэффициенты не только отражают физический смысл процесса, происходящего с теплоносителем при потреблении энергии, но и упрощают анализ погрешности ИК энергии, позволяя показать характер ее изменения в зависимости от режима потребления энергии.

Режим потребления энергии характеризует интенсивность потребления энергии н определяется соотношениями параметров теплоносителя в системе теплоснабжения, представленными в виде коэффициентов к, и к,„.

Вклад в погрешность ИК энергии, вызванный нелинейностью зависимости энергии от параметров теплоносителя и выраженный остаточным членом

1 " Е /,7 = 1

82Е

дх^дх]

Дг,-Дх. , где Л*,, Axj - пределы погрешности ИК параметров

теплоносителя, по отношению к вкладу, полученному по уравнению (8), имеет второй порядок малости. Расчетом показано, что вклад остаточного члена в рассмотренных режимах потребления энергии составляет до ± 0,7 % от значений погрешности ИК энергии, рассчитанных по уравнению (9), поэтому в модели он не учитывается.

С помощью модели проведены исследования точности ИК энергии сформированных конфигураций при задании пределов погрешности ИК массы 8т\ = ётг = 5щ = ±2 % и ИК температуры А*, = Д/2 = А/.„ = ±(0,15 + 0,002/) °С в четырех различных режимах потребления энергии, выраженных коэффициентом невозврата теплоносителя и коэффициентом понижения его температуры.

п д£

Результаты расчета погрешности ИК энергии ЬЕ = £-Ах,- представлены в таблицах 3-6 в виде суммы вкладов погрешности ИК параметров тепло-

дЕ

носителя —— Ах,, где Ах/ - погрешность ИК рассматриваемого параметра теп-ЕдхI

лоносителя.

Таблица 3 - Вклады погрешности ИК каждого из параметров теплоносите-

ля в погрешность ИК энергии конфигурации, соответствующей уравнению (3)

Режим потребления Ж Л ---ал 1, Ест, Ж Л ---Л/я, Ест, дЕ . -Д/. Ее!, ж . -дг. ж . -Д'. /га„ У — Ьг Т^КВх,

к„ = 0,1 к, = 0,05 13,6% 11,6% 2,50 % 2,19% 0,11 % 29,9 %

кт = 0,8 к, = 0,7 2,11 % 0,11 % 0,39 % 0,05 % 0,14% 2,80 %

кт = 0,5 к, =0,3 3,04 % 1,04% 0,56 % 0,23 % 0,13 % 5,00 %

кт = 0,9 к, - 0,05 2,21 % 0,21 % 0,41 % 0,04 % 0,17% 3,03 %

Таблица 4 - Вклады погрешности ИК каждого из параметров теплоносителя в погрешность ИК энергии конфигурации, соответствующей уравнению (4)

Режим потребления Ж Л -А/л. Едп ££ А --ш», /гс7»: Ж А -Л}н3 ае , ---ДЛ та. ж . -А/, £с/, ж . -А'„ ьч

¿„ = 0,1 к, = 0,05 14,3% 12,2 % 0,07 % 2,50 % 2,19 % 0,11% 31,4%

¿„ = 0,8 А, = 0,7 2,22 % 0,13 % 0,09 % 0,39 % 0,05 % 0,14% 3,02 %

= 0,5 к, -0,3 3,20 % 1,12% 0,08 % 0,56 % 0,23 % 0,13 % 5,32 %

к™ = 0,9 к, = 0,05 2,33 % 0,22 % 0,10% 0,41 % 0,04 % 0,17 % 3,27 %

Таблица 5 - Вклады погрешности ИК каждого из параметров теплоносителя в погрешность ИК энергии конфигурации, соответствующей уравнению (5)

Режим потребления Ж Л -шл, дЕ -Л/л, Едги, ж . ---ДЛ £ол а, ! ж , --ДГ Ее!,, 1—*

¿„ = 0,1 к, = 0,05 0,71 % 1,29 % 2,50 % 2,19 % 0,11 % 6,80 %

к„ = 0,8 ¿,= 0,7 1,56% 0,44 % 0,39 % 0,05 % 0,14% 2,58 %

*» = 0,5 Л, = 0,3 0,96 % 1,04% 0,56 % 0,23 % 0,13 % 2,92 %

¿,„ = 0,9 А, = 0,05 0,12% 1,88% 0,41 % 0,04 % 0,17% 2,61 %

Таблица 6 - Вклады погрешности ИК каждого из параметров теплоносителя в погрешность ИК энергии конфигурации, соответствующей уравнению (6)

Режим потребления Ж А -Д/н, ЕВт, - №- Л -А»), ЕГт, Ей, ^ А -Аг, £а: гя , -АС У^Аг, Едг,

¿„, = 0,1 к, = 0,05 0,64 % 1,36% 2,50 % 2,19% 0,11 % 6,80 %

кт = 0,8 ¿, = 0,7 0,31% 1,69 % 0,39 % 0,05 % 0,14% 2,58 %

кт = 0,5 к, = 0,3 0,48 % 1,52% 0,56% 0,23 % 0,13 % 2,92 %

¿„ = 0,9 ¿, = 0,05 0,01 % 1,99 % 0,41 % 0,04 % 0,57 % 2,61 %

Из таблиц 3-6 видно, что конфигурации ИК энергии, реализующие уравнения (5) и (6), во всех режимах потребления энергии имеют более высокую точность, чем конфигурации ИК энергии, реализующие уравнения (3) и (4), вследствие меньших вкладов погрешности ИК массы.

Вклады погрешности ИК массы у конфигураций ИК энергии, реализующих уравнения (5) и (6), при уменьшении невозврата теплоносителя увеличиваются существенно меньше, чем у конфигураций ИК энергии, реализующих уравнения (3) и (4), вследствие того, что в уравнениях (5) и (6) составляющие энергии суммируются, а в уравнениях (3) и (4) сопоставимые по значению составляющие энергии вычитаются, подтверждая, что относительная погрешность при измерении разности близких значений существенно больше, чем погрешность при измерении их суммы.

В формулах (11) и (12) это отражается в том, что выражения, содержащие коэффициенты А, и кт, в произведениях погрешности ИК массы близки к нулю, а в формулах (9) и (10) эти выражения близки к единице.

Из формул (9)—(12) и таблиц 3-6 видно, что вклады погрешности ИК температуры у рассмотренных конфигураций ИК энергии одинаковые для соответствующих ИК температуры и режимов потребления энергии и увеличиваются при уменьшении невозврата теплоносителя.

На рисунках 2 и 3 представлены трехмерные зависимости погрешности ИК энергии исследованных конфигураций от кт и к, (поля погрешности), полученные с помощью модели. На зависимостях различными оттенками отображены области, соответствующие пределам погрешности ИК энергии, а справа указаны интервалы значений, соответствующие каждой области. По характеру зависимостей видно, что пределы погрешности ИК энергии конфигураций, соответствующих уравнениям (3) и (4), увеличиваются существенно быстрее, чем у конфигураций, соответствующих уравнениям (5) и (6), при приближении температуры в обратном трубопроводе к температуре в подающем и уменьшении невозврата теплоносителя.

Модель точности позволяет формировать оптимальные по точности конфигурации ИК энергии при их проектировании заданием уравнения измерений, пределов погрешности ИК параметров теплоносителя, на основе которых рассчитываются пределы погрешности ИК энергии и определяются допустимые диапазоны измерений параметров теплоносителя (режимы потребления энергии) в соответствии с заданной точностью ИК энергии.

Модель точности позволяет проводить анализ погрешности эксплуатируемых конфигураций ИК энергии, определение допустимых диапазонов измерений параметров теплоносителя (режимов потребления энергии) в соответствии с заданной точностью ИК энергии. На основании результатов анализа проводится замена ИП параметров теплоносителя на более точные, позволяющая повысить точность ИК энергии.

Модель точности позволяет рассчитывать вклады погрешности ИК параметров теплоносителя в погрешность ИК энергии и определять повышение точности ИК энергии в зависимости от уменьшения погрешности ИК соответствующих параметров.

Рисунок 2 - Зависимость погрешности ИК энергии конфигураций, соответствующих уравнениям (3) и (4), от к„, и к,

Рисунок 3 - Зависимость погрешности ИК энергии конфигураций, соответствующих уравнениям (5) и (6), от к,„ и к.

На основе полученных результатов сформированы оптимальные по точности конфигурации ИК энергии для открытых систем теплоснабжения, реализующие уравнения (5) и (6), содержащие минимальное количество измеряемых параметров и расчетных операций.

Для определения составляющих энергии, потребляемых системой отопления и системой ГВС в открытых системах теплоснабжения, предложена модель, отражающая зависимость составляющих энергии от режима потребления энергии через коэффициент невозврата теплоносителя и коэффициент понижения его температуры.

Показано, что уравнения измерений (5) и (6) оптимальных по точности конфигураций ИК энергии состоят из двух частей: энергии, потребляемой системой отопления £„,„, и энергии, потребляемой системой ГВС Еж.

Для уравнения (5) эти части имеют вид

Е0т = т\ (h\ - h2 ). Егвс = m3 (h2 ~ hx« ). (13)

а для уравнения (6) -

Еот = т2 (Л1 - h), Егвс = тъ (h{ - hxa). (14)

Уравнение (5) отражает поступление теплоносителя в систему ГВС из обратного трубопровода, а уравнение (6) - из подающего трубопровода.

По измеренным параметрам теплоносителя рассчитываются составляющие энергии, потребленные системой отопления и системой ГВС, в виде коэффициентов распределения энергии на отопление кот и на ГВС кж. Коэффициенты распределения энергии представляют собой отношения значений Еот и Еж к значению потребленной энергии Еоткр.

В общем виде модель распределения энергии отражает зависимость коэффициента распределения энергии на отопление кот и коэффициента распределения энергии на ГВС кгас от коэффициента невозврата теплоносителя кт и коэффициента понижения его температуры к,

*«■»=/(*■».*/), (15)

где кот = (0... 1) - коэффициент распределения энергии на отопление;

кгес = (0.. Л) - коэффициент распределения энергии на ГВС.

Коэффициент распределения энергии на отопление при поступлении теплоносителя на ГВС из обратного трубопровода предложено рассчитывать по формуле

кот - 7~~? \ Л"

1+*.

/ 1 г 1- о л -1

U J J

Коэффициент распределения энергии на отопление при поступлении теп-эсителя на Г] вать по формуле

лоносителя на ГВС из подающего трубопровода к"°д предложено рассчиты-

=-,lfkmt л v (18)

1 + к„

\kt

-1

При одновременном поступлении теплоносителя на ГВС из подающего и обратного трубопроводов коэффициент распределения энергии на отопление к"°д+обр предложено рассчитывать по формуле

(*3 ~*хв)

под+обр _ ,___М

(19)

от

где /з - температура теплоносителя в трубопроводе ГВС, смешанного из теплоносителя подающего и обратного трубопроводов.

Коэффициент распределения энергии на ГВС кгвс предложено рассчитывать по формуле

На рисунках 4 и 5 представлены трехмерные зависимости коэффициентов Кт и кгас от к,„ и к,у построенные по формулам (17) и (20), для варианта поступления теплоносителя на ГВС из обратного трубопровода.

Полученные зависимости отражают характер распределения энергии на две составляющие, потребленные системой отопления и системой ГВС в зависимости от режима потребления энергии. Поля значений коэффициентов кот и кж отображены на зависимостях различными оттенками, а справа приведены диапазоны значений, соответствующие этим полям.

Так как коэффициенты кот и кж зависят от параметров теплоносителя, то их погрешности будут зависеть от погрешности ИК соответствующих параметров. Получены соотношения для расчета погрешности коэффициентов кот и кж в зависимости от коэффициентов кт и к„ а также погрешности ИК параметров теплоносителя для вариантов поступления теплоносителя на ГВС из подающего и из обратного трубопроводов.

Разработанная модель дает возможность рассчитывать составляющие энергии теплоносителя, потребляемые системой отопления и системой ГВС в различных режимах потребления, в виде коэффициента распределения энергии на отопление и коэффициента распределения энергии на ГВС в реальном масштабе времени.___________

(20)

Кот

В 0,9-1

В 0,8-0,9

□ 0,7-0,8

В 0,6-0,7

О 0,5-0,8 Е 0,4-0,5

□ 0,3-0,4

□ 0,2-0,3 0 0,1-0,2 0 0-0,1

о

Рисунок 4 - Зависимость коэффициента к„„" р от к„, и к, для конфигурации ИК энергии, соответствующей уравнению (5)

I

I

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента кж от кт и к, для конфигурации ИК энергии, соответствующей уравнению (5)

Результаты, полученные с помощью разработанной модели, совместно с результатами, полученными с помощью модели точности ИК энергии, используются для определения оптимальных по критерию точности режимов потребления энергии для системы отопления и системы ГВС.

Для подтверждения результатов расчета погрешности ИК энергии, полученных на модели точности ИК энергии, проведены экспериментальные исследования на ИВК «Эльф», разработанном ООО НПП «Уралтехнология».

В основу исследований положен метод имитационного моделирования ИК энергии, заключающийся в имитации сигналов ИП параметров теплоносителя. Структурная схема, реализующая метод имитационного моделирования, представлена на рисунке 6.

М5, М2, МЗ - многозначные меры сопротивления - имитируют значения сопротивлений ИП температуры, а ПК - персональный компьютер с программным обеспечением «генератор импульсов» - имитирует импульсные сигналы ИП массы, установленных в подающем, обратном и подпи-точном трубопроводах.

Экспериментальные исследования проведены на 4 сформированных конфигурациях ИК энергии, соответствующих уравнениям (3), (4), (5), (6).

Значения удельных энтальпий теплоносителя к ~/{(, Р) рассчитаны по уравнению, приведенному в МИ 2412-97. Значения давления теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах заданы Р} = Р2 = 0,5 МПа, а в подпиточном трубопроводе Рхв = 0,1 МПа.

М1

М2

ивк

МЗ

ПК

Рисунок 6 - Структурная схема, реализующая метод имитационного моделирования

В таблице 7 представлены пределы относительной погрешности ИК энергии, полученные на основе экспериментальных значений 6^кся, пределы относительной погрешности ИК энергии, рассчитанные с помощью модели д^м, а также их относительные расхождения £

Таблица 7 - Результаты экспериментальных исследований модели точности ИК энергии теплоносителя

Режим потребления энергии Конфигурация, соответствующая уравнению (3) Конфигурация, соответствующая уравнению (4) Конфигурация, соответствующая уравнению (5) Конфигурация, соответствующая уравнению (6)

<5ь.од <5е»ГМ! ( <5 ьгол кся £ ¿Е»од £ ¿Ь(0д 1

К, = о,1 «г, =0,05 29,8 % 29,4% 1,59% 31,3% 30,9 % 1,10% 6,69 % 6,78% •1,38% 6,69 % 6,74% -0,80%

Кп = 0,8 ^ = 0,7 • 2,66 % 2,76 % -3,80% 2,88 % 2,97 % -3,04% 2,44 % 2,52% ■3,36°/ 2,44 % 2,51 % -3,04 %

К, = 0,5 к, - 0,3 4,87 % 5,0 % -2,53 % 5,19% 5,16 % 0,67 % 2,79 % 2,86% •2,38 % 2,79 % 2,84 % -1,57%

К* = 0,9 к, = 0,05 2,87 % 2,84 % 0,79 % 3,1 % 3,07 % 0,94 % 2,45 % 2,49% -1,58% 2,45 % 2,48% -1,38%

Из таблицы видно, что для исследованных конфигураций ИК энергии относительные расхождения £ составили в зависимости от режима потребления энергии до ± 4 %.

Источниками погрешностей дЕжсп, 5рмод и £ являются погрешности ИВК при измерениях параметров теплоносителя, а также погрешность разработанной модели вследствие неучета зависимости от давления.

Таким образом, результаты, полученные экспериментально, подтверждают результаты, рассчитанные с помощью предложенной модели точности ИК энергии. Проведенное исследование показывает, что разработанная модель с достаточной для практического применения точностью описывает зависимость погрешности ИК энергии различных конфигураций от погрешности ИК параметров теплоносителя и режима потребления энергии.

В четвертом разделе приведены практические и экономические аспекты результатов работы.

Проведена оценка уменьшения стоимости ИК энергии при изменении его конфигурации на оптимальную по точности, сформированную с помощью модели точности ИК энергии. При изменении конфигурации ИК энергии, соответствующей уравнению (3), на конфигурацию ИК энергии, соответствующую уравнению (5) или (6), экономический эффект от снижения стоимости ИК энергии Еж составляет 13 %.

На основе результатов, полученных с помощью модели точности ИК энергии, предложен принцип, дающий возможность распределять небаланс энергии в системах теплоснабжения между производителем и потребителем в соотношении, зависящем от точности используемых ими ИК энергии, и являющийся критерием для повышения их точности.

В соответствии с ним небаланс энергии предлагается распределять в следующих соотношениях:

где д1пр, 81лот - пределы допускаемой относительной погрешности ИК энергии производителя и потребителя, %;

¿>£Л - пределы допускаемой относительной погрешности ИК энергии производителя (потребителя), %;

Епр, Етт - значение энергии, измеренное ИК энергии производителя и потребителя, %;

£л' - часть небаланса энергии, распределенная производителю (потребителю), % или кДж.

Например, если у потребителя = 5 %, а у производителя ¿е„р = 3 %, то в соответствии с соотношением (21) потребителю будет распределено 62,5 %, а производителю 37,5 % небаланса энергии.

Результаты проведенных исследований нашли отражение в национальном стандарте ГОСТ Р 8.642-2008 «ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем узлов учета тепловой энергии. Основные положения».

Важной составляющей разработанного стандарта является определение термину «энергия теплоносителя», проводящее разграничение потребленной энергии на отданную производителем и полученную потребителем. При таком разграничении разность отданной и полученной энергии характеризует потери энергии в тепловых сетях, что является необходимым условием для определения небаланса энергии в системах теплоснабжения и его распределения между производителем и потребителем.

На основе предложенных определений терминам «ИК параметра теплоносителя» и «ИК энергии теплоносителя» сформулированы соответствующие определения в разработанном стандарте. Предложенная классификация выделяет на функциональном уровне части измерительной системы, используемые для измерений соответствующих величин, открывая возможность для моделирования и определения погрешности рассмотренных видов ИК, что является необходимым условием для учета.

В заключении представлены основные результаты работы:

1. Предложена и исследована модель, устанавливающая зависимость погрешности ИК энергии от погрешности ИК параметров теплоносителя и режима потребления энергии, выраженного через впервые введенные коэффициенты невозврата теплоносителя и понижения его температуры.

2. Экспериментально подтверждены результаты, полученные с помощью модели точности ИК энергии. Установлены вклады погрешности ИК каждого

(21)

(22)

из параметров теплоносителя в погрешность ИК энергии, а также сформированы оптимальные по точности конфигурации ИК энергии.

3. Предложена и исследована модель, отражающая зависимость составляющих энергии теплоносителя, потребляемых системой отопления и системой ГВО в открытых системах теплоснабжения, от режима потребления энергии в виде коэффициентов распределения энергии на отопление и на ГВС и дающая возможность определять оптимальные по критерию точности режимы потребления энергии для системы отопления и системы ГВС.

4. Предложен принцип распределения небаланса энергии в системах теплоснабжения, устанавливающий зависимость распределения небаланса энергии между производителем и потребителем от точности используемых ими ИК энергии и являющийся критерием для повышения их точности.

5. Результаты исследований использованы при разработке национального стандарта ГОСТ- Р 8.642-2008 «ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем узлов учета тепловой энергии. Основные положения».

Список научных работ, отражающих основное содержание диссертации:

1. Клевакин, Е.А. Анализ алгоритмов расчета тепловой энергии, потребленной в открытых системах теплоснабжения, разработка модели оценки точности измерительных систем тепловой энергии / Е.А.. Клевакин, В.В. Казанцев Н Законодательная и прикладная метрология. - 2007. - № 5. - С. 21-27.

2. Захаров, В.А. Об оценке методической погрешности условно-истинного подхода при измерениях тепловой энергии в водяных системах теплоснабжения /

B.А. Захаров, Е.А. Клевакин // Измерительная техника. - 2008. - К» 5. - С. 61-63.

3. Клевакин, Е.А. Измерение и учет тепловой энергии: Терминология / Е.А. Клевакин, А.И. Евпланов // Известия вузов. Горный журнал. - 2009. - № 2. -

C. 102-104.

4. Клевакин, Е.А. Анализ алгоритмов расчета тепловой энергии, потребленной в открытых системах теплоснабжения, разработка модели оценки точности измерительных систем тепловой энергии / Е.А. Клевакин, В.В. Казанцев // Материалы 9 Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов». - Сочи, 2007. - С. 112-123.

5. Захаров, В.А. О методической погрешности условно-истинного подхода к измерению тепловой энергии в водяных системах теплоснабжения / В.А. Захаров, Е.А. Клевакин II Материалы 4 Международной научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение измерительных систем». - Пенза, 2007.-С. 123-127.

6. Клевакин, Е.А. Модель распределения энергии, потребленной в открытых системах теплоснабжения, на отопление и горячее водоснабжение / Е.А. Клевакин // Сборник научных трудов аспирантов и молодых ученых Сибирской государственной геодезической академии. - Новосибирск: СГГА, 2009. - № 6. -С. 37-40.

7. Клевакин, Е.А. Распределение небаланса энергии между производителем и потребителем в системах теплоснабжения / Е.А. Клевакин // Сборник научных трудов аспирантов и молодых ученых Сибирской государственной геодезической академии. - Новосибирск: СГГА, 2009. - № 6. - С. 34-36.

Введение.

1. Анализ уравнений измерений и соответствующих им конфигураций ИК энергии для различных вариантов схем систем теплоснабжения.

1.1. Соотношение теплоты и энергии в системах теплоснабжения.

1.2. Уравнения измерений и соответствующие им конфигурации ИК энергии для различных вариантов схем систем теплоснабжения.

Выводы по первому разделу.

2. Анализ способов расчета погрешности РЖ энергии теплоносителя.

2.1. Свойства, характеристики и особенности ИК энергии теплоносителя.

2.2. Сравнительная характеристика способов расчета погрешности ИК энергии теплоносителя.

Выводы по второму разделу.

3. Разработка и исследование модели точности РЖ энергии и модели распределения потребленной энергии.

3.1. Способы суммирования погрешности РЖ параметров теплоносителя.

3.2. Описание модели точности РЖ энергии для различных вариантов схем систем теплоснабжения.

3.3. Исследование точности РЖ энергии различных конфигураций для открытых систем теплоснабжения с помощью модели.

3.4. Модель распределения энергии, потребленной в открытых системах теплоснабжения.

3.5. Методика экспериментального исследования модели точности ИК энергии.

3.6. Анализ результатов экспериментального исследования модели точности РЖ энергии.

Выводы по третьему разделу.

4. Практические и экономические аспекты результатов работы.

4.1. Оценка уменьшения стоимости ИК энергии при изменении его конфигурации

4.2. Принцип распределения небаланса энергии в системах теплоснабжения.

4.3. Применение модели точности ИК энергии при передаче единицы энергии.

4.4. Разработка национального стандарта ГОСТ Р 8.642

Выводы по четвертому разделу.

Актуальность.

Согласно утвержденной 28 августа 2003 г. распоряжением правительства РФ № 1234-р энергетической стратегии России на период до 2020 г. энергоемкость выпускаемой продукции необходимо уменьшить к 2010 г. на 27 %, а к 2020 г. - на 55 %. В связи с этим промышленным предприятиям необходимо определять фактическое энергопотребление на основе измерений. На основании требований №102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» и №28-ФЗ «Об энергосбережении» и в условиях роста цен на энергоносители энергогене-рирующие предприятия и потребители энергии заинтересованы в повышении точности средств, используемых для измерений энергии теплоносителя.

В соответствии с ФЗ «Об обеспечении единства измерений» [1] обеспечение единства измерений реализуется в соответствии с принципами:

- обеспечения потребности граждан, общества и государства, защиты их прав и законных интересов в получении объективных, достоверных и сопоставимых результатов измерений в целях содействия развитию экономики Российской Федерации и научно-техническому прогрессу.

- регулирования отношений, возникающих при выполнении измерений, установлении и соблюдении требований к измерениям, единицам величин, эталонам единиц величин, средствам измерений, методикам (методам) измерений, а также при осуществлении деятельности по обеспечению единства измерений, предусмотренной законодательством РФ об обеспечении единства измерений.

В соответствии с ФЗ «Об энергосбережении» [2] регулирование отношений, возникающих в процессе деятельности в области энергосбережения, в целях создания экономических и организационных условий для эффективного использования энергетических ресурсов осуществляется в соответствии с принципами:

- обязательности учета юридическими лицами производимых или расходуемых ими энергетических ресурсов, а также учета физическими лицами получаемых ими энергетических ресурсов;

- обеспечения точности, достоверности и единства измерений в части учета отпускаемых и потребляемых энергетических ресурсов;

- осуществления учета потребляемых энергетических ресурсов в соответствии с установленными национальными стандартами и нормами точности измерений;

- сочетания интересов потребителей, поставщиков и производителей энергетических ресурсов.

Таким образом, принципы, изложенные в Законах РФ «Об обеспечении единства измерений» [1] и «Об энергосбережении» [2], подтверждают актуальность работы.

Согласно исследованиям, положенным в основу энергетической стратегии России на период до 2020 г., ежегодно в системах теплоснабжения вырабатывается около 1500 млн. Гкал энергии. Прогнозируется рост производства энергии в 2010 г. - на 9 — 13 %, а в 2020 г. - на 22 - 34 % больше, чем в 2000 г. При этом предусматривается рост реального потребления энергии в 1,4 — 1,5 раза вследствие сокращения потерь.

Следовательно, формирование условий для эффективного производства и потребления энергии не представляется возможным без применения измерительных систем.

В России широкое распространение получили открытые системы теплоснабжения [3], [4], [5], характеризующиеся наличием невозврата теплоносителя в систему теплоснабжения, в основном, вследствие его поступления на горячее водоснабжение (ГВС).

Измерения потребленной энергии теплоносителя осуществляются измерительным каналом (ИК) энергии, входящим в состав измерительной системы, по используемому в нем уравнению измерений. К настоящему времени разработаны и утверждены типы более 1000 измерительных систем, имеющих в своем составе конфигурации ИК энергии для открытых систем теплоснабжения, реализующие около десятка различных уравнений измерений.

Так как погрешность ИК энергии зависит от погрешности значительного количества ИК параметров теплоносителя, используемого в нем уравнения измерений, а у конфигураций ИК энергии для открытых систем теплоснабжения и от режима потребления энергии [3], [6], [7], [8], ее определение экспериментальными методами технически сложно и экономически дорого [9]. Перспективным и менее затратным является экспериментально-расчетный метод, заключающийся в определении погрешности ИК параметров теплоносителя экспериментальным методом и расчете по полученным значениям погрешности ИК энергии. Существующие способы расчета погрешности ИК энергии для открытых систем теплоснабжения дают различные результаты [7, 8, 10].

Существование различных точек зрения о величине, измеряемой в системах теплоснабжения (количество теплоты или энергия), значительное количество уравнений измерений и способов расчета погрешности ИК эиергии, а также отсутствие первичного эталона энергии теплоносителя усложняет сопоставление погрешности ИК энергии измерительных систем разных изготовителей.

Таким образом, для формирования условий эффективного производства и потребления энергии актуальными задачами являются: разработка и исследование модели точности ИК энергии и модели распределения потребленной энергии на отопление и на ГВС, а также разработка принципа распределения небаланса энергии в системах теплоснабжения между производителем и потребителем. Решение этих задач, предложенное в работе, позволяет формировать оптимальные по точности и стоимости конфигурации ИК энергии, определять оптимальные по критерию точности режимы потребления энергии и дает возможность объективно распределять небаланс энергии между производителем и потребителем.

В работе рассматривается сложный ИК, осуществляющий измерения энергии в системах теплоснабжения в составе различных видов измерительных систем, в том числе теплосчетчиков.

Измерительный канал энергии — сложный ИК по ГОСТ Р 8.596—2002 [11], осуществляющий измерения энергии по значениям параметров теплоносителя (температуры, массы, давления), измеренным простыми ИК.

Измерительный канал параметра теплоносителя - простой ИК по ГОСТ Р 8.596 [11], осуществляющий измерения параметра теплоносителя.

Модель точности ИК энергии — это математическое описание характеристики точности ИК энергии, отражающее зависимость погрешности ИК энергии различных конфигураций (поля погрешности) от погрешности ИК параметров теплоносителя и режима потребления энергии.

Точность ИК энергии — это характеристика качества ИК энергии, отражающая степень близости измеренных им значений к эталонным значениям и выраженная в форме относительной погрешности.

Режим потребления энергии характеризует интенсивность потребления энергии и определяется соотношениями параметров теплоносителя в системе теплоснабжения, представленными в виде коэффициента невозврата теплоносителя и коэффициента понижения температуры теплоносителя (кт и kt).

Коэффициент невозврата и коэффициент понижения температуры теплоносителя - коэффициенты, характеризующие степень невозврата теплоносителя и степень понижения его температуры при потреблении энергии (режим потребления энергии), выраженные через соотношения массы и температуры теплоносителя соответственно в подающем и обратном трубопроводах.

Система теплоснабжения - совокупность взаимосвязанных производителя, тепловых сетей и потребителей (систем теплопотребления) [12], [13].

Закрытая система теплоснабжения — система теплоснабжения, в которой весь теплоноситель возвращается потребителями в систему [12], [13].

Открытая система теплоснабжения — система теплоснабжения, в которой часть теплоносителя возвращается потребителями в систему [12], [13].

Подающий и обратный трубопроводы — трубопроводы системы теплоснабжения, по которым теплоноситель циркулирует от производителя к потребителю [12], [13].

Цель работы и задачи исследований

Цель работы - повышение точности измерений потребленной энергии и эффективности ее распределения в открытых системах теплоснабжения.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ уравнений измерений, соответствующих им конфигурации ИК энергии и способов расчета их погрешности;

2) разработать и исследовать модель точности ИК энергии, сформировать с помощью модели оптимальные по точности и стоимости конфигурации ИК энергии;

3) провести экспериментальные исследования, подтверждающие результаты, полученные с помощью модели точности ИК энергии;

4) разработать и исследовать модель распределения потребленной энергии на отопление и на ГВС;

5) разработать принцип распределения небаланса энергии между производителем и потребителем.

Методы исследований. При решении задач, поставленных в работе, использовались методы технической термодинамики, математического анализа, теории измерительных систем, теории погрешностей, а также имитационного моделирования при экспериментальных исследованиях.

Научная новизна:

- предложена модель, устанавливающая зависимость погрешности измерительных каналов энергии различных конфигураций от погрешности измерительных каналов параметров теплоносителя и режима потребления энергии, выраженного через предложенный коэффициент невозврата теплоносителя и коэффициент понижения его температуры;

- экспериментально подтверждены результаты, полученные с помощью модели точности измерительных каналов энергии. Установлены вклады погрешности измерительных каналов каждого из параметров теплоносителя в погрешность измерительных каналов энергии;

- предложена модель, отражающая зависимость составляющих энергии теплоносителя, потребляемых системой отопления и системой ГВС в открытых системах теплоснабжения от режима потребления энергии в виде коэффициента распределения энергии на отопление и коэффициента распределения энергии на ГВС;

- предложен принцип распределения небаланса энергии в системах теплоснабжения между производителем и потребителем, основанный на зависимости от точности используемых ими измерительных каналов энергии.

Практическая значимость:

- модель точности дает возможность формировать оптимальные по точности и стоимости конфигурации измерительных каналов энергии при проектировании, а также проводить анализ точности измерительных каналов энергии при эксплуатации;

- модель распределения потребленной энергии дает возможность рассчитывать составляющие энергии, потребляемые системой отопления и системой ГВС в открытых системах теплоснабжения и определять оптимальные по критерию точности режимы потребления энергии для системы отопления и системы ГВС;

- принцип распределения небаланса энергии дает возможность распределять небаланс энергии в системах теплоснабжения между производителем и потребителем в соотношении, зависящем от точности используемых ими изме

- рительных каналов энергии. -

Реализация результатов работы:

- на основе модели точности ИК энергии разработана методика расчета погрешности ИК энергии комплексов учета энергоносителей ТЭКОН-20К, разработанных ООО «ИВП Крейт», Госреестр СИ РФ № 35615-07. Результаты внедрены при выполнении НИР «Испытания для целей утверждения типа комплексов учета энергоносителей ТЭКОН—20К»;

- сформированы оптимальные по точности и стоимости конфигурации ИК энергии измерительных комплексов ЭЛЬФ, разработанных ООО «НЛП Уралтехнология», Госреестр СИ РФ № 32552-06;

- результаты работы использованы в разработанном с участием автора в рамках программы национальной стандартизации на 2007 г. (поз. 3.1.0.053-1.001.07) национальном стандарте ГОСТ Р 8.642-2008 «ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем узлов учета тепловой энергии. Основные положения»;

- результаты экспериментального исследования программного обеспечения «модель точности ИК энергии теплоносителя» подтверждены свидетельством об аттестации программного обеспечения № РТ.221.003-08.

Результаты работы подтверждены тремя актами внедрения и свидетельством об аттестации программного обеспечения (приложение Б).

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- предложенная модель точности устанавливает зависимость погрешности измерительных каналов энергии от погрешности измерительных каналов параметров теплоносителя и режима потребления энергии через коэффициент невозврата теплоносителя и коэффициент понижения его температуры и дает возможность формировать оптимальные по точности и стоимости конфигурации измерительных каналов энергии;

- предложенная модель распределения потребленной энергии отражает зависимость коэффициентов распределения энергии на отопление и на ГВС от режима потребления энергии через коэффициент невозврата теплоносителя и коэффициент понижения его температуры и дает возможность определять оптимальные по критерию точности режимы потребления энергии для системы отопления и системы ГВС;

- предложенный принцип распределения небаланса энергии устанавливает зависимость распределения небаланса энергии в системах теплоснабжения между производителем и потребителем от точности используемых ими измерительных каналов энергии и является критерием для повышения их точности.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на IX Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов», Сочи, май 2007 г., IV Международной научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение измерительных систем», Пенза, октябрь 2007 г., а также на заседаниях научно-технического совета Уральского научно-исследовательского института метрологии, г. Екатеринбург, Сибирского государственного научно-исследовательского института метрологии, г. Новосибирск и семинарах Сибирской государственной геодезической академии, г. Новосибирск.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 7 научных статьях, 3 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК Минобрнау-ки РФ.

Личный вклад. Разработки и научные результаты, изложенные в диссертации, получены автором, или при его непосредственном участии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов; заключения, библиографического списка и-приложений. Работа со— -держит 107 страниц, в том числе 21 рисунок и 22 таблицы. Библиографический список включает 61 наименование.

Выводы по четвертому разделу

1 Проведена оценка снижения стоимости ИК энергии при изменении его конфигурации на оптимальную по точности, сформированную с помощью модели точности ИК энергии. Экономический эффект от уменьшения стоимости ИК энергии при изменении его конфигурации на оптимальную по точности составляет 13 %.

2 Предложен принцип распределения небаланса энергии, устанавливающий зависимость распределения небаланса энергии в системах теплоснабжения между производителем и потребителем от точности используемых ими конфигураций ИК энергии и являющийся критерием для повышения их точности.

3 Разработанная модель точности ИК энергии является составляющей поэлементного метода, используемого при передаче единицы энергии, на который распространяется разрабатываемая в ФГУП «ВНИИМ» поверочная схема для средств измерений энергии в водяных системах теплоснабжения и может быть использована при передаче единицы энергии теплоносителя.

4 На основе анализа функций, реализуемых информационно-измерительной системой, определена граница между ее измерительной и информационной частями и показана необходимость их метрологического обеспечения. Измерительная система осуществляет измерения параметров и энергии теплоносителя, а информационная система осуществляет операции над результатами измереиий (хранение, передача, доступ). Таким образом, метрологическое обеспечение этой сложной структуры можно разделить на две части: метрологическое обеспечение измерительных операций и метрологическое обеспечение информационных операций.

5 Результаты проведенных исследований использованы при разработке национального стандарта ГОСТ Р 8.642-2008 «ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем узлов учета тепловой энергии. Основные положения».

Заключение

1 На основе результатов исследований сформированы оптимальные по точности конфигурации ИК энергии для открытых систем теплоснабжения, реализующие уравнения измерений, содержащие минимальное количество измеряемых параметров и расчетных операций.

2 Предложена модель, устанавливающая зависимость погрешности ИК энергии различных конфигураций от погрешности ИК параметров теплоносителя и режима потребления энергии, выраженного через предложенный коэффициент невозврата теплоносителя и коэффициент понижения температуры теплоносителя и дающая возможность формировать оптимальные по точности конфигурации ИК энергии.

3 Экспериментально подтверждены результаты, полученные с помощью модели точности ИК энергии. Относительное расхождение пределов относительной погрешности ИК энергии, полученных на основе экспериментальных значений и соответствующих пределов, рассчитанных с помощью модели, составляет до ± 4 %.

4 Проведена оценка снижения стоимости ИК энергии при изменении его конфигурации на оптимальную по точности, сформированную с помощью модели точности ИК энергии. Экономический эффект от уменьшения стоимости ИК энергии при изменении его конфигурации на оптимальную по точности составляет 13 %.

5 Предложена модель, отражающая зависимость составляющих энергии теплоносителя, потребляемых системой отопления и системой ГВС в открытых системах теплоснабжения от режима потребления энергии в виде коэффициента распределения энергии на отопление и коэффициента распределения энергии на ГВС и дающая возможность определять оптимальные по критерию точности режимы потребления энергии для системы отопления и системы ГВС.

6 Предложен принцип распределения небаланса энергии в системах теплоснабжения, устанавливающий зависимость распределения небаланса энергии между производителем и потребителем от точности используемых ими конфигураций ИК энергии и являющийся критерием для повышения их точности.

7 Результаты исследований использованы при разработке национального стандарта ГОСТ Р 8.642-2008 «ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем узлов учета тепловой энергии. Основные положения».

1. Об обеспечении единства измерений: Закон РФ № 102-ФЗ от 18.06.2008 г. -М.: ЗАО "Кодекс", 2008. 17 с.

2. Об энергосбережении: Закон РФ № 28-ФЗ от 20.03.1996 г. М.: ЗАО "Кодекс", 1996. - 7 с.

3. Устьянцева, О.Н. Повышение точности учета тепловой энергии // Мир измерений. 2004. - № 8. - С. 24-27.

4. Малафеев, В.А. Измерение тепловой энергии, передаваемой в российских системах централизованного теплоснабжения // Измерительная техника.2003. — № 1.-С. 69-73.

5. Лисенков, А.И. Концепция измерений тепловой энергии в системах теплоснабжения России // Измерительная техника. 2002. - № 8. - С. 45-48.

6. Брюханов, В.А., Кузник, И.В., Тиунов, М.Ю., Яншин, В.Н. Нормирование пределов допускаемой погрешности двухканальных теплосчетчиков // Законодательная и прикладная метрология. 2001. — № 6. — С. 16-19.

7. Карпович, А.К., Устьянцева, О.Н. Метрологические аспекты повышения точности учета тепловой энергии // Измерительная техника. 2003. - № 2.- С. 56-60.

8. Васильев, Н.К. Погрешность измерения тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения // Материалы 17 международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей». СПб., — 2003. -С. 74-78.

9. Кузнецов, В.П., Тронова, И.М. Состояние и задачи метрологического обеспечения измерительных систем // Измерительная техника. — 2004. — № 8. -С. 61-65.

10. ГОСТ Р 8.596-2002. ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения. М.: Изд-во стандартов, 2002. — 15 с.

11. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя. — М.: Главгосэнер-гонадзор: МЭИ, 1995. 68 с.

12. Шираке, З.Э. Теплоснабжение. М.: Энергия, 1979. — 256 с.

13. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник // Клименко, А.В., Зорин, В.М. М.: Изд-во МЭИ, 2001. - 564 с.

14. Яворский, Б.М., Детлаф, А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Наука, 1977. — 942 с.

15. Ландау, Л.Д., Лифшиц, Е.М. Теоретическая физика. Том 5. М: Наука, 1976.-584 с.

16. ГОСТ 8.417-2002. ГСИ. Единицы величин. М.: Изд-во стандартов, 2002.-32 с.

17. ГОСТ Р 8.642-2008. ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем узлов учета тепловой энергии. Основные положения. — М.: Изд-во стандартов, 2008. — 12 с.

18. Медведев, В.А. Об одном «странном» алгоритме теплосчетчика // Законодательная и прикладная метрология. 2004. - № 1. - С. 43-45.

19. Медведев, В.А. Теплосчетчики в открытых системах теплоснабжения // Мир измерений. 2002. - № 11-12. - С. 17-20.

20. СНиП 41-02-2003 Тепловые сети. М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 20 с.

21. ГОСТ Р 8.591—2002. ГСИ. Теплосчетчики двухканальные для водяных систем теплоснабжения. Нормирование пределов допускаемой погрешности при измерениях потребленной абонентами тепловой энергии. — М.: Изд-во стандартов, 2002. — 11 с.

22. МИ 2412-97. ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя. — М.: Изд-во стандартов, 1997.-6 с.

23. МИ 2538—99. ГСИ. Теплосчетчики для водяных систем водоснабжения КС. Общие метрологические требования. —М.: Изд-во стандартов, 1999—8 с.

24. МИ 2553-99. ГСИ. Энергия тепловая и теплоноситель в системах теплоснабжения. Методика оценивания погрешности измерений. Основные положения. М.: Изд-во стандартов, 1999. - 7 с.

25. МИ 2714—2002. ГСИ. Энергия тепловая и масса теплоносителя в системах теплоснабжения. Методика выполнения измерений. Основные положения. М.: Изд-во стандартов, 2002. — 12 с.

26. Лисенков, А.И., Дудыкин, А.А. Погрешности измерений тепловой энергии в открытых и закрытых водяных системах теплоснабжения // Материалы 8 международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей». СПб., 1998. — С. 62-66.

27. РМГ 29-99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 2000. - 50 с.

28. ГОСТ 8.009-84. ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. М.: Изд-во стандартов, 1984. - 27 с.

29. ГОСТ Р 51649—2000. Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2000. — 16 с.

30. МИ 2537-2000. ГСИ. Тепловая энергия открытых водяных систем теплоснабжения, полученная потребителем. Методика выполнения измерений.- М.: Изд-во стандартов, 2000. 6 с.

31. ГОСТ Р ЕН 1434-1-2006. Теплосчетчики. Часть 1. Общие требования.- М.: Изд-во стандартов, 2006. 23 с.

32. Беляев, Б. М., Лисенков, А.И. О нормировании метрологических характеристик средств измерений тепловой энергии и теплоносителя // Материалы 17 международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей». — СПб., 2003. С. 29—33.

33. Беляев, Б.М., Шенброт, И.М. О погрешности измерений тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения // Материалы 1 международной научно-практической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов». М., 1998. - С. 33—37.

34. Моисеева, Н.П. Исследование интерполяционных зависимостей для платинового термометра сопротивления в узких диапазонах температур // Измерительная техника. 2004. - № 11. - С. 39-43.

35. ГОСТ Р 8.624—2006. ГСИ. Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Методика поверки. М.: Изд-во стандартов, 2007. - 28 с.

36. Васильев, Н.К., Мартынов, В.И. Погрешность измерения разности температур комплектами термометров сопротивления // Материалы 27 международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей». СПб., 2008. - С. 358-362.

37. Медведев, В.А. О неопределенности результата измерения количества теплоты теплосчетчиком в открытой системе теплоснабжения // Материалы 2 международной научно-практической конференции «Теплосиб-2003».- Новосибирск: НГТУ, 2003. С. 41-47.

38. Медведев, В.А., Бурдунин, М.Н., Шинелев, А.А. Теплосчетчики: назад, к простым приборам? // Материалы 20 международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей». СПб., 2004.-С. 138-144.

39. Захаров, В.А., Клевакин, Е.А. Об оценке методической погрешности условно-истинного подхода при измерениях тепловой энергии в водяных системах теплоснабжения // Измерительная техника. 2008. — № 5. - С. 61-63.

40. Лисенков, А.И., Разиков, В.В. Методические погрешности измерений тепловой энергии // Материалы 8 международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей». — СПб., 1998. — С. 67—74.

41. ГОСТ Р 8.592—2002. ГСИ. Тепловая энергия, потребленная абонентами водяных систем теплоснабжения. Типовая методика выполнения измерений. — М.: Изд-во стандартов, 2002. — 7 с.

42. Новицкий, П.В., Зограф, И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Ленинград: Энергоатомиздат, 1991. — 304 с.

43. МИ 2083—90. ГСИ. Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей. —М.: Изд-во стандартов, 1990. —15 с.

44. Рогачевский, Б.М. К оценке погрешностей тепло- и водосчетчиков при поверке //Законодательная и прикладная метрология—1998—№ 2.-С. 20—24.

45. Данилов, А.А. Метрологическое обеспечение измерительных систем // Главный метролог. 2004. - № 5. — С. 14—18.

46. ГОСТ Р 8.625—2006. ГСИ. Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 2007. — 28 с.

47. Кудряшова, Ж.Ф., Мишустин, В.И. Анализ погрешностей измерения количества теплоты в открытой системе теплоснабжения // Измерительная техника. 2002. - № 3. - С. 34-39.

48. Кудряшова, Ж.Ф., Мишустин, В.И. Анализ погрешностей измерения количества теплоты в закрытой системе теплоснабжения // Измерительная техника. 2002. - № 1. - С. 46^9.

49. Лахов, В.М., Черепанов, В.Я. Метрологическое обеспечение измерений количества теплоты в системах водяного теплоснабжения (состояние и перспективы развития) // Датчики и системы. — 2002. — № 8. — С. 35—36.

50. Клевакин, Е.А., Евпланов, А.И. Измерение и учет тепловой энергии. Терминология // Известия ВУЗов. Горный журнал. 2009. — № 2. — С. 102—104.