Введение Если проанализировать статьи финансирования энергосбережения в России, то окажется, что их весомую долю составляют вполне обоснованные расходы на закупку коммерческих средств измерений тепловой энергии (теплоты) и теплоносителя — теплосчетчиков. Реформирование системы теплоснабжения, которая является жизненно важной для нашей страны, в ближайшие годы неизбежно приведет к 100 % расчетам за потребленную тепловую энергию и теплоноситель. В этой связи невозможно не разделять позицию ведущих специалистов теплоснабжающих организаций, которые высказывают вполне обоснованные претензии к качеству измерений применяемых теплосчетчиков. Примечания 1. В качестве характерного примера — статья известных авторов в журнале «Энергосбережение» (№ 5/2003 г., стр. 14) «Хорош ли продолжительный межповерочный интервал для теплосчетчиков при расширенном диапазоне измерения расхода?» 2. Подавляющее большинство типов теплосчетчиков, представленных на рынке РФ, измеряют следующие физические величины: среднюю скорость теплоносителя в измерительном сечении первичного преобразователя расхода (ППР); температуру теплоносителя в установленных точках (как правило, в прямом и обратном трубопроводе теплосетей); в особо ответственных случаях в установленных точках проводится измерение давление теплоносителя (как правило, в прямом и обратном трубопроводе теплосетей), в других случаях оно программируется как const. Объемный расход теплоносителя теплосчетчик получает, умножая площадь измерительного сечения на измеренное значение средней скорости. Vт.1 = WCP.1 . Fизм., м3/ч. Плотность теплоносителя теплосчетчик определяет как функцию соответствующего давления и температуры: .т.1 = f(P1, t1), кг/м3. Теплосодержание теплоносителя в прямом и обратном трубопроводе теплоносителя теплосчетчик определяет как функцию соответствующего давления и температуры: h1 = f (P1, t1), h2 = f (P2, t2), кДж/кг. Количество отпущенной тепловой энергии за час в простейшем случае (закрытая система) теплосчетчик определяет: Q = 10–3 . Vт.1 . .т.1 . (h1 – h2), ГДж/ч. Корректные измерения температуры и давления теплоносителя достигаются известными и сравнительно недорогими методами. Наиболее сложным и дорогостоящим видом измерений теплосчетчика является правильное определение объемного расхода теплоносителя. Это утверждение является общепризнанным среди специалистов. И, пожалуй, в этой составляющей заложено 90 % всех проблем корректного учета тепловой энергии и теплоносителя. Остановимся на указанной проблеме. Исследование нормативно-технической документации (НТД) отечественных и зарубежных теплосчетчиков выявило следующее: лучшие зарубежные теплосчетчики, стоимость которых превосходит стоимость отечественных образцов в 2–3 раза, имеют пределы относительной погрешности ±2% в диапазоне измерений расхода теплоносителя 1:100; подавляющее большинство отечественных производителей имеют пределы относительной погрешности ±2% в диапазоне измерений расхода 1:200, более двух десятков теплосчетчиков, зарегистрированных в Реестре СИ, имеют указанные пределы погрешности в диапазоне измерений расхода 1:500 и даже 1:1000! Подобных результатов не достигают даже, по сути, эталонные специализированные расходомеры-счетчики воды, стоимость которых составляет $ 3000– 5000, тогда как стоимость отечественных неспециализированных «суперприборов» находится в пределах $ 600–1500. В качестве примера может быть использован широко известный электромагнитный расходомер-счетчик воды MAGFLO-6000. Его погрешность нормируется как .p.СИ = ±0,25 %, в диапазоне скоростей от 10 до 0,5 м/c, что соответствует диапазону измерений расхода от Gmax до 0,05 . Gmax, т.е. 1:20. В диапазоне скоростей менее 0,5 м/с пределы относительной погрешности указанного электромагнитного счетчика воды нормируют как .p.СИ = ±(0,125/w), %, где w — скорость в измерительном сечение данного СИ, м/с. Поскольку максимальный расход рассматриваемого счетчика соответствует скорости wmax = 10 м/c, нетрудно рассчитать, что в диапазоне 1:1000 скорость теплоносителя в его измерительном сечении составит wmin = 0,01 м/с. Таким образом, пределы относительной погрешности счетчика MAGFLO-6000 как типа СИ составят .p.СИ = ±(0,125/0,01) = 12,5 %. Примечание: речь не идет об отдельном образце счетчика, который в данный момент времени, будучи отградуированным на определенном месте эксплуатации, безусловно, может показать значительно лучший результат по причине исключения систематических эффектов, присущих только данному отрезку времени, месту установки и прочим факторам влияния на результаты его измерений. Если сравнивать межповерочные интервалы отечественных и зарубежных теплосчетчиков, то они оказываются примерно равными — 4 года. Следует отметить, что в нормативной документации зарубежных теплосчетчиков четко оговорены условия столь длительной устойчивости их метрологических характеристик. По сути, эти условия означают полное отсутствие в теплоносителе продуктов коррозии и накипи. Другими словами, качество теплоносителя в системах отопления промышленно развитых стран на порядок выше качества теплоносителя в отечественных системах теплоснабжения. Уместно задать вопрос: что же обеспечило такое подавляющее техническое превосходство отечественной продукции? На этот вопрос есть лишь два ответа. Ответ первый: техническая революция в технологиях производства указанных средств измерений (СИ), применяемых отечественными производителями. Ответ второй: массовая техническая фальсификация при производстве отечественных средств измерений. Есть все основания полагать, что первый ответ не соответствует существующей объективной реальности. Ни элементная база электронных блоков теплосчетчиков, ни тем более качество первичных преобразователей с точки зрения применяемых для их изготовления технологий, в подавляющем большинстве, не идут ни в какое сравнение с их аналогами, производимыми в промышленно развитых странах. В качестве примера используем наиболее продвинутый и распространенный электромагнитный теплосчетчик. Уровень полезного сигнала у большинства зарубежных аналогов составляет 2,5–3 мВ, тогда как у электромагнитных первичных преобразователей расхода отечественного производства он составляет в среднем 1 мВ в аналогичных условиях генерации. Это значит, что в точке расхода 0,001 . Gmax размах полезного сигнала отечественных СИ составляет 0,001 мВ, что значительно меньше уровня возникающих при измерении помех. Есть все основания полагать, что второй ответ соответствует реальному положению дел и причиной тому сложившаяся система продвижения продукции на рынок, которая с одной стороны подразумевает узкие экономические интересы отдельных хозяйствующих субъектов и старинную привычку опережать весь мир на бумаге, а с другой стороны отсутствие должной экспериментальной базы. Ярким свидетельством тому служит появление в инструкциях по эксплуатации теплосчетчиков наиболее «продвинутых» фирм разделов, посвященных «автокалибровке» поверенного СИ на объекте эксплуатации». По сути, это процедура программной фальсификации с целью получения правдоподобных результатов измерений СИ, которые имеют действительную погрешность далеко за пределами нормируемых границ. На самом деле, в России проведены довольно обширные исследования теплосчетчиков различных производителей, которые выявили вопиющее несоответствие их действительных эксплуатационных характеристик пределам, нормируемым в нормативно-технической документации (НТД). Результаты исследований не получили широкой огласки в силу отсутствия подлинной экономической целесообразности в получении объективной информации у пользователей теплосчетчиков. Реалии настоящего времени таковы, что приборы учета превратились в весьма доходный бизнес, где в отсутствие эффективного контроля со стороны заинтересованных субъектов хозяйствования действуют весьма специфические законы, суть которых состоит в выпуске приборов по низкой цене с «великолепными» метрологическими характеристиками, зафиксированными в утвержденной нормативной документации. Ведущие специалисты производителей СИ в неформальном общении соглашаются с необходимостью пересмотра диапазонов измерений и межповерочного интервала выпускаемых СИ. При этом их единственным требованием являются равные и справедливые условия подобных изменений для всех без исключения производителей СИ. Предварительный анализ на основе изученных публикаций позволяет сделать в первом приближении прогноз по качеству метрологических характеристик выпускаемых теплосчетчиков в реальных условиях эксплуатации в течение указанного межповерочного интервала. В области измерений объема (массы) теплоносителя в нормируемый предел относительной погрешности ±2% укладываются: 30 % типов СИ в диапазоне 1:3; 40 % типов СИ в диапазоне 1:10; 20 % типов СИ в диапазоне 1:25; 10 % типов СИ в диапазоне 1:40 и более. Примечание: указанные диапазоны измерений позволяют вполне корректно реализовать недорогую систему коммерческого учета. Потребности в диапазонах измерений 1:200 и более возникают там, где отсутствует желание в оптимальной эксплуатации объекта теплоснабжения. Положение метрологического контроля в РФ Все приборы коммерческого учета в РФ проходят первичные испытания при внесении их в государственный Реестр СИ. В установленные нормативами время (обычно раз в 5 лет) средства измерений (СИ) проходят испытания для подтверждения своих метрологических характеристик. Испытания проводятся на ограниченной выборке образцов СИ — обычно 3–4 образца. Все коммерческие СИ, зарегистрированные в Реестре при выпуске из производства, проходят процедуру поверки. Поверку теплосчетчиков на холодной воде, как правило, осуществляют аккредитованные в установленном порядке метрологические службы Госстандарта, которые приглашаются для указанных целей в соответствующие поверочные лаборатории производителей. Теоретически производители СИ имеют право аккредитации своих поверочных лабораторий. Это означает, что производитель после соответствующей процедуры может получить право поверять (клеймить) выпускаемую продукцию самостоятельно. На практике производители СИ очень редко используют указанное право по следующим причинам: сложность и относительно высокая стоимость процедуры аккредитации; экономически невыгодные условия существования аккредитованной лаборатории; нежелание производителей нести прямую ответственность за качество выпускаемой продукции. Примечание: на самом деле, как это ни парадоксально, в Российской Федерации и подавляющем большинстве стран СНГ ответственность за качество выпускаемой продукции фактически несет государство в лице соответствующей метрологической службы Госстандарта, поскольку на подавляющем количестве коммерческих СИ стоят клейма государственных поверителей. Периодический контроль коммерческих СИ в процессе их эксплуатации и выпуска из производства теоретически прописан в нормативной документации РФ, но фактически эффективно не проводится по следующим причинам: повсеместно принят неэффективный метод определения количества отпущенной тепловой энергии, в силу чего энергоснабжающие предприятия и потребитель прямо не заинтересованы в качестве измерений теплосчетчика; отсутствует механизм экономической заинтересованности в проведении подобных испытаний, а потому в РФ практически отсутствуют независимые экспертные центры по непрерывному надзору за метрологическим качеством коммерческих СИ; в настоящее время нет должной метрологической базы и подготовленных специалистов для создания подобных экспертных центров. Положения метрологического контроля в странах ЕЭС Центральным органом по метрологическому надзору за коммерческим СИ является государственная структура, которая часть своих функций в области аккредитации поверочных лабораторий производителей СИ и эксплуатационного контроля на определенных условиях передает независимым частным компаниям. Как правило, поверочные лаборатории производителей коммерческих СИ аккредитуются указанными фирмами с правом собственного клеймения выпускаемой продукции. Таким образом, производитель несет прямую ответственность за качество выпускаемой продукции. Другая часть аккредитованных компаний проводит контроль эксплуатационных характеристик коммерческих СИ в различной форме. Важнейшей составляющей указанного контроля являются периодические испытания указанных СИ, проводимые на испытательных лабораториях независимых компаний и производителей тепловой энергии в условиях, максимально приближенным к реальным условиям эксплуатации. Подобные испытания в большинстве случаев носят добровольный характер и сопряжены с известными финансовыми расходами производителей коммерческих СИ. Тем не менее, фирмы-производители охотно идут на указанные расходы, поскольку результаты подобных испытаний являются своего рода объективной рекламой, способствующей продвижению товара на рынке. Напротив, неучастие фирм-производителей в подобных испытаниях расценивается потребителями их продукции как своего рода сигнал к ее низкому качеству. Последствия отсутствия эффективного периодического контроля метрологических характеристик коммерческих СИ в РФ На первичные и периодические испытания, предусмотренные руководящими документами Гостандарта РФ, как указывалось выше, передается ограниченное количество «отработанных» образцов продукции, которые удовлетворяют предъявляемым требованиям. При массовом выпуске некоторые фирмы-производители для удешевления продукции в целях извлечения максимальной прибыли идут на многочисленные технологические нарушения, которые не выявляются в процессе поверки в силу того, что поверка — это ограниченный тест, который подтверждает только качество продукции, выпущенной без нарушения технологии. Но этот тест не всегда корректен, когда продукция выпущена с нарушениями технологии, а полученные результаты измерений при ее поверке даже не анализируются с точки зрения фундаментальных законов теории погрешности (см. пример). Поверку СИ в подавляющем большинстве случаев проводят на установках фирмы-производителя, где в целях повышения производительности все процессы автоматизируются с помощью персональных компьютеров. Наличие подобных автоматизированных комплексов предоставляет возможность эксплуатационному персоналу фирмпроизводителей при необходимости сдавать поверителю заведомо непригодную продукцию посредством программируемых фальсификаций результатов измерений. При поверке СИ градуируются и предъявляются затем поверителю, не изменяя своего положения на рабочем столе поверочной установки. Таким образом, градуировочную характеристику СИ приспосабливают к местным сопротивлениям, искажениям эпюры скоростей и другим факторам, присущих только его данному местоположению. Продукция, изготовленная с технологическими нарушениями, будучи установленная на другое место эксплуатации, изменяет свои градуировочные характеристики под воздействием видоизменившихся факторов влияния. Последнее утверждение ярко проявляется на теплосчетчиках, первичные преобразователи расхода которых устанавливаются на прямой и обратной магистрали теплоносителя. При заведомо равных массовых расходах на объекте эксплуатации СИ по вышеуказанным каналам измерений показывают результаты измерений, отличающиеся друг от друга на величину большую, чем предписывает его нормативно-техническая документация. Примечания 1. При отсутствии данных в НТД теплосчетчика о допустимом относительном значении разницы накопленных масс в прямой и обратной магистрали теплоносителя ее рассчитывают из предположений о нормальном законе распределения результатов измерений теплосчетчика с вероятностью Р = 0,95 по формуле: ..M = ± [.2 П.М. + .2 П.М.]1/2 = = ±.П.М. . 21/2 = ± 1,4 . .П.М., где .П.М. — предел погрешности измерений накопленной массы теплосчетчиком, нормированный в его НТД, %. 2. Например, если .П.М. = 2, то: ..M = 1,43 %. Последней новацией в области измерений массы теплоносителя теплосчетчиками со счетчиками массы на прямом и обратном трубопроводе теплосети стало утверждение о возможности подбора якобы согласованных пар преобразователей расхода с относительной разницей результатов измерений ±0,5 %. На самом деле, при градуировке характеристика всех преобразователей расхода выстраивается по эталонным СИ. Совпадение математического ожидания результатов измерений поверяемых приборов и эталонного СИ в условиях поверочной установки действительно иногда не выходит за пределы ±3 %. Это происходит в результате умелой компенсации местных систематических эффектов. В условиях реальной эксплуатации систематические эффекты способны изменять свое значение. В конечном итоге класс СИ определяется устойчивостью его систематических эффектов. Последнее означает, что у счетчика теплоносителя с нормируемыми пределами погрешности ±2% систематические эффекты могут принимать значения равные его границам. И это одна из причин, когда на поверочной установке «согласованные каналы» являются таковыми, а на реальном объекте эксплуатации становятся «рассогласованными» сверх всякой меры. Нетрудно подсчитать, что для обеспечения относительной разницы измерений в пределах ±0,5 % необходимо иметь достаточно дорогой счетчик воды, с устойчивыми систематическими эффектами в пределах относительной погрешности ±0,35 %. Это типичный пример экономически неоправданных технических требований, которые фактически принуждают к вынужденной фальсификации, когда некоторые производителей СИ, чтобы не увеличивать цену продукции и не потерять ее конкурентоспособность, программно реализовали в теплосчетчике функцию подгонки результатов измерений одного канала к другому при его работе на объекте эксплуатации. После эксплуатации теплосчетчики, как правило, снова попадают на установки фирм-производителей. Таким образом, у потребителя нет объективной информации о том, с какой погрешностью он проводил измерения к концу межповерочного интервала. В результате отсутствия должного надзора за метрологическими характеристиками теплосчетчиков страдает вся программа энергосбережения, поскольку по понятным причинам на рынке данной продукции имеют преимущества дешевые подделки, которые «прикрыты» свидетельствами об их якобы высоких метрологических характеристиках. В конечном итоге это может привести к вытеснению с рынка всех качественных средств измерений, что в свою очередь похоронит идею объективного учета тепловой энергии и теплоносителя. Продолжение в следующем номере. ПРИМЕР 1. Расходомер-счетчик теплосчетчика работает в диапазоне 1:1000. Это значит, что минимальный расход теплоносителя, при котором сохраняются метрологические характеристики данного расходомера-счетчика, может быть в тысячу раз меньше максимального. Тем не менее, наименьший расход, при котором действительно поверяются указанные СИ, больше минимального в 2,5 раза. Такой подход обоснован в процессе государственных испытаний в целях удешевления процесса поверки продукции, которая изготовлена без нарушения технологии. При нарушении технологии производителем такой подход позволяет под видом исправных выпускать СИ с неудовлетворительными метрологическими характеристиками в нормируемом диапазоне измерений. 2. В процессе государственных испытаний предел погрешности СИ .СИ.П = 2 % определяют как границу с уровнем доверия P = 1,0. В процессе поверки получена относительная погрешность СИ по результатам четырех измерений: .СИ.1.i = –1,5 %, .СИ.2.i = –1,2 %, .СИ.1.i = +1,0 %. 3. По критериям поверки такое СИ удовлетворяет метрологическим требованиям, поскольку погрешность каждого результата измерений не вышла за пределы 2 %. С точки зрения теории погрешности это неудовлетворительный результат. Покажем это. Центр распределения границы экспериментальной относительной погрешности определяют как среднее арифметическое отклонение: .СИ.S = 1/4 . . 4 i = 1 .CИ.l.i = = (–1,5 + 1,2 + 0,5 + 1,0)/4 = 0,3 %. Центрированное среднеквадратическое отклонение погрешности результатов измерений определяют по общепринятой методике: SСИ.i = ±{1/(4 – 1) . [(–1,5 – 0,3)2 + + (1,2 – 0,3)2 + (0,5 – 0,3)2 + + (1,0 – 0,3)2]}1/2 = 1,2 %. Случайную составляющую границы относительной погрешности СИ по результатам 4-х измерений определяют с уровнем доверия Р = 0,95, как расширенное среднеквадратическое отклонение: .СИ.r.i. = t . .СВ = 2 . 1,2 = 2,4 %, где t = 2— минимальный коэффициент надежности для результатов измерений с нормальным законом распределения при доверительной вероятности P = 0,95. Таким образом, минимальные границы относительной погрешности данного СИ, определенные в рамках общепринятой теории погрешности, составят: .СИ.i = ± |.СИ.s.i. + .СИ.r.i.|max = = ± |0,3 ± 2,4|max = 2,7 %. Очевидно, что полученный результат не удовлетворяет пределу погрешности СИ, равного .СИ.П. = ±2 %, полученного по результатам государственных испытаний.