Что продается в системах теплоснабжения и как правильно это измерить?

В. А. Малафеев, канд. техн. наук, РАО «ЕЭС России»

Споры идут о том, какие средства измерения (СИ) следует применять при коммерческих расчетах, какие требования должны предъявляться к СИ в системах централизованного теплоснабжения (СЦТ) и как обеспечить их метрологический контроль.

Специалисты в области приборостроения и метрологии должны решать задачи по измерению энергии на основании требований, которые определяют специалисты-технологи и специалисты в области экономики и финансов, а не наоборот. В то же время такое задание должно быть корректным с точки зрения создателей средств измерений и их метрологического обеспечения.

В этой связи необходимо дать четкие ответы на следующие вопросы:

- какой товар/товары продает энергоснабжающая организация потребителям тепловой энергии?

- как название указанного товара/товаров соотносится с названием физических величин, которые приведены в ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин»?

- какие физические величины, используемые в технике теплоснабжения, необходимо измерять?

- с какой погрешностью должны быть измерены эти величины?

Кроме ответа на эти вопросы, в России весьма важно точно знать: надо ли учитывать при продаже тепловой энергии (а значит, и при ее измерении) то количество энергии, которое не связано со сжиганием топлива, а поступило в СЦТ из природных источников, например, с водой, используемой на ТЭЦ (в котельной) для восполнения утечек из системы и для нужд горячего водоснабжения? Такая постановка вопроса связана с тем, что более половины всех российских СЦТ работают по открытой схеме (с отбором воды из сети), а в крупных закрытых системах имеют место весьма ощутимые утечки и несанкционируемый водоразбор.

На практике оказалось, что представители различных специальностей по-разному отвечают на эти вопросы, и как ни парадоксально это звучит, но решение о том, что нужно измерять в СЦТ, активно предлагают специалисты в области измерительной техники и метрологии исходя из узкопрофессионального понимания проблем измерения энергии.

Учитывая наличие существенных разногласий, необходимо коллективное осмысление поставленных вопросов, поиск компромисса, а в идеале – достижение общего согласия, без которого невозможно наладить нормальные взаимоотношения между энергоснабжающими организациями и потребителями тепловой энергии в СЦТ, а также взаимоотношений и тех, и других с контролирующими органами (Госстандартом России, Госэнергонадзором России и т. п.).

В законодательных и других нормативных документах (Гражданском кодексе РФ, законах РФ, постановлениях Правительства РФ), а также в нормативно-технических документах, таких как Правила технической эксплуатации тепловых электростанций и сетей, Нормы технологического проектирования тепловых электростанций, различные СНиПы («Котельные установки», «Тепловые сети» и др.), которые регулируют хозяйственную деятельность в сфере теплоснабжения, используется только один термин – «тепловая энергия». Наряду с ним на практике широко используется термин «тепло», который считается эквивалентом термина «тепловая энергия». В то же время эти термины отсутствуют в нормативно-технических документах по технической термодинамике, на базе которой решаются все технические задачи в области теплоснабжения.

Нечеткость в определении и понимании физического смысла термина «тепловая энергия» при технико-экономических расчетах и решении других задач, связанных с продажей и коммерческими измерениями тепловой энергии, является причиной дискуссий, которые пока бесплодно ведут специалисты разного профиля (теплоснабжения, приборостроения, метрологии, экономики и права), что не способствует решению проблем, связанных с коммерческими измерениями. Поэтому для того чтобы правильно формулировать экономические и правовые обязательства, возникающие между энергоснабжающими организациями и потребителями в соответствии с требованиями Гражднского кодекса РФ и других нормативных правовых документов, необходимо четко сформулировать, что же следует понимать под терминами «тепловая энергия», «качество тепловой энергии» и «режим потребления тепловой энергии».

Энергия (тепловая, механическая, электрическая, химическая, ядерная, солнечная и др.) есть общая количественная мера различных форм движения материи (от греческого energeia – действие, деятельность). Энергия как физическая величина измеряется в Джоулях (Дж).

В России действует ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин», который определяет перечень физических величин, используемых в различных областях деятельности, включая энергетику (теплоэнергетику). Указанный ГОСТ введен в действие с 19 марта 1981 года постановлением Государственного комитета СССР по стандартам и действует до настоящего времени в России.

В этом ГОСТе приведены следующие физические величины: «энергия», «работа», «теплота» (количество теплоты), но отсутствуют такие, как «тепловая энергия», «электрическая энергия», «механическая энергия» и т. п., которые являются частными по отношению к общей для них физической величине под названием «энергия».

Несмотря на отсутствие четко зафиксированных в нормативных документах общей и частных формулировок физических величин, охватываемых общим термином «энергия», при измерении электрической энергии, проблем, связанных с неоднозначностью понимания термина «электрическая энергия», не возникало. Но этого нельзя сказать о тепловой энергии. Постоянно возникает вопрос, какие физические величины следует использовать для обозначения товаров, продаваемых энергоснабжающими организациями (предприятиями) своим потребителям, и что соответственно следует измерять в СЦТ.

Для ответа на поставленные вопросы придется обратиться не только к нормативным документам, но и к учебной и научной литературе по физике, теплотехнике и термодинамике.

В качестве нормативного документа в России необходимо использовать ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин». Кроме того, Комитет научно-технической терминологии Академии наук СССР в 1984 году выпустил «Сборник определений. Термодинамика. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин», выпуск 103 (Москва: Наука, 1984), который наиболее квалифицированно и полно дает формулировки названных выше терминов.

Анализируя эти формулировки, можно сделать вывод, что «тепловая энергия» и «теплота» – не одно и то же. Так, в сборнике определений АН СССР термин «источник теплоты» понимается как «термодинамическая система, способная отдавать или воспринимать теплоту и характеризующаяся определенной неизменной температурой». Это означает, что источником теплоты может быть в том числе и окружающая среда (атмосфера, реки, моря, водоемы).

Нетрудно заметить, что термин «источник тепловой энергии», используемый специалистами в области централизованного теплоснабжения, – это нечто другое, а именно: котельные установки, которые преобразуют химическую энергию топлива в потенциальную энергию пара и/или горячей воды, теплофикационные установки тепловых электростанций (ТЭЦ), а также другие технологические установки, в которых в процессе работы образуются избыточные потоки тепловой энергии, пригодной для удовлетворения технологических и/или бытовых нужд потребителей тепловой энергии.

Теплота – вид энергии, передаваемой в форме неорганизованного хаотического движения молекул рабочего тела, и является количественной энергетической характеристикой процесса передачи энергии от одной термодинамической системы (тела) другой или в окружающую среду. В сборнике определений АН СССР теплота определяется как «энергия, передаваемая более нагретым телом менее нагретому, не связанная с переносом вещества и совершением работы». Из этой формулировки следует, что мерой тепловой энергии может служить теплота (количество теплоты).

В случае когда передача энергии осуществляется в организованной форме, речь идет о работе. В сборнике определений АН СССР дана следующая формулировка этого вида энергии: «работа – энергия, передаваемая одним телом другому, не связанная с переносом теплоты и/или вещества».

Попутно следует отметить, что работа может быть полностью преобразована в теплоту, но полностью преобразовать теплоту (энергию в неорганизованной форме) в работу (энергию в организованной форме) нельзя: действует запрет, накладываемый вторым законом термодинамики.

Опыт применения в России термина «теплота» в СЦТ показал, что использование одного этого термина в теплоснабжении в коммерческих целях недостаточно. Так, если на границе передачи энергии отсутствует пограничная поверхность (теплообменный аппарат) и/или рабочее тело отбирается из системы, измерить количество теплоты крайне сложно, а нередко и невозможно.

Поэтому если учесть, что в подавляющем большинстве российских СЦТ (в отличие от зарубежных) на границе передачи энергии отсутствуют теплообменные аппараты (потребители присоединяются к тепловой сети по так называемой зависимой схеме), а в каждой второй системе теплоноситель отбирается из тепловой сети (открытая схема теплоснабжения), весьма полезно рассмотреть и другие физические величины, которые также могут служить мерой (количественной характеристикой) тепловой энергии, передаваемой и используемой в СЦТ. К таким физическим величинам, приведенным в ГОСТ 8.417-81 и в сборнике определений АН СССР, можно отнести «термодинамические потенциалы» и, наиболее часто используемые из них, «внутренняя энергия» и «энтальпия».

Внутренняя энергия – это энергия хаотического движения молекул и атомов, включающая энергию поступательного, вращательного и колебательного движений (как молекулярного, так и внутримолекулярного), а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами.

Согласно сборнику определений АН СССР внутренняя энергия – это функция состояния закрытой термодинамической системы, определяемая тем, что ее приращение в любом процессе, проходящем в этой системе, равно сумме теплоты, сообщенной системе, и работы, совершенной над ней, а энтальпия – функция состояния термодинамической системы, равная сумме ее внутренней энергии и произведения давления на объем системы (потенциальной энергии источника внешнего давления).

В отличие от теплоты и работы энтальпия (как и внутренняя энергия) является термодинамическим потенциалом или функцией состояния и определяется произведением массы рабочего тела (теплоносителя) на удельную (отнесенную к единице массы) энтальпию. А поскольку энтальпия является потенциалом, то она должна отсчитываться от какого-либо заданного термодинамического уровня, который, в свою очередь, характеризуется определенной температурой.

В технической термодинамике, температурой, которая принимается за точку отсчета, принято считать 0 °C.

Для определения (измерения) энтальпии достаточно измерить массу, температуру и давление теплоносителя. Это легко сделать на любом трубопроводе, транспортирующем пар или горячую воду, например, в подающем и обратном трубопроводах на источнике тепла, на границе магистральных и распределительных тепловых сетей, на ЦТП, на тепловых вводах потребителей, т. е. в любой точке СЦТ, где происходит передача (купля-продажа) тепловой энергии.

Этот экскурс в теорию был необходим для правильного понимания вопросов, связанных с коммерческими взаимоотношениями энергоснабжающих предприятий и потребителей тепловой энергии и с ее измерениями.

В случае когда в качестве товара в СЦТ будет использоваться такая физическая величина, как теплота, которая является функцией процесса передачи энергии (а не функцией состояния системы), возникают проблемы как технического, так и коммерческого (правового и финансового) порядка. Выше отмечалось, что теплота может быть измерена только при наличии на границе передачи энергии теплообменных аппаратов и при условии, что масса теплоносителя, отдающего (принимающего) энергию, остается постоянной и теплоноситель не отбирается из системы. Другими словами, на коммерческих сечениях СЦТ должны устанавливаться весьма дорогие теплообменные аппараты.

В большинстве российских СЦТ на коммерческих сечениях теплообменные аппараты отсутствуют, а теплоноситель отбирается из тепловой сети, меняя своего собственника. Поэтому значительно проще и понятнее и для продавца, и для покупателя использовать в качестве меры тепловой энергии не теплоту, а термодинамический потенциал теплоносителя в форме энтальпии, которая легко определяется на основании прямых измерений температуры, давления и расхода (массы) теплоносителя в коммерческих сечениях тепловых сетей.

Разность энтальпий теплоносителя в подающих и в обратных трубопроводах количественно будет равна тепловой энергии, отданной источником тепла в тепловую сеть и/или принятой потребителем.

В случае отбора теплоносителя из СЦТ, т. е. при неравенстве масс теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети, разность энтальпий в этих трубопроводах будет включать и энтальпию теплоносителя, невозвращенного в СЦТ. Причем эта энтальпия будет отсчитана, как указывалось выше, от 0 °C.

От того, как энергоснабжающая организация и потребитель решат вопрос об измерении тепловой энергии (в виде теплоты или в виде энтальпии теплоносителя), во многом будут зависеть схемы тепловых вводов, схемы измерительных систем и типы средств измерения, условия договора теплоснабжения и др. Так, в случае измерения теплоты, помимо теплообменных аппаратов на тепловых вводах, необходимо устанавливать как минимум два счетчика: один – счетчик тепловой энергии в контуре теплообменного аппарата, являющегося передающей поверхностью, а второй – счетчик горячей воды на трубопроводе подпитки потребительского контура, т. к. измерение количества теплоты, передаваемой с сетевой (горячей) водой, которая не возвращается на источник, практически невозможно. То же можно сказать об измерении количества теплоты у потребителя, питающегося по одному паропроводу или трубопроводу горячего водоснабжения.

Это объясняется тем, что неизвестна разность (перепад) температур теплоносителя, который не был возвращен на источник тепла, и неизвестно, до какой температуры будет охлажден теплоноситель у потребителя.

Предложение о том, что для решения указанной проблемы можно пользоваться данными по нагреву воды, используемой на источнике тепловой энергии для восполнения утечек и/или водоразбора из системы, в общем случае некорректно. Например, как поступать в тех случаях, когда в системе теплоснабжения работает несколько источников тепловой энергии и каждый источник восполняет утечки и водоразбор из тепловой сети, используя холодную воду из разных систем водоснабжения?

В то же время отказ от измерения теплоты дает возможность перейти на более простые принципы построения тарифов на тепловую энергию в СЦТ, а именно: в качестве товара может использоваться сам теплоноситель, а его термодинамические параметры будут определять энергетическую ценность товара. Это вполне оправдано, т. к. именно термодинамические параметры характеризуют состояние термодинамической системы.

В рассмотренном случае регулирующие органы (РЭК или ФЭК) будут устанавливать уровень тарифов на теплоносители в зависимости от того, какие затраты понесла энергоснабжающая организация – производитель тепловой энергии для подготовки теплоносителей с заданными термодинамическими параметрами.

Отметим также, что термодинамические параметры теплоносителей могут служить характеристикой «качества тепловой энергии».

Аналогом такого подхода к тарификации энергоресурсов могут служить системы газоснабжения и сети бензоколонок, которые продают своим потребителям газ (тыс. м³) и бензин (литр или тонна). При этом цена устанавливается в зависимости от энергетической ценности энергоносителей.

С коммерческой точки зрения тепловая энергия (как и электрическая) – это товар, и поэтому измерение тепловой энергии должно осуществляться строго в соответствии с Законом РФ «Об обеспечении единства измерений», т. е. с учетом всех процедур, предусмотренных Законом, включая разработку и утверждение в органах Госстандарта России методик выполнения измерений.

Там, где система теплоснабжения на 100 % закрытая, т. е. где массы теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах равны, можно измерять количество теплоты. Но там, где это условие не соблюдается, проще и корректнее измерять энтальпию и массы теплоносителей.

Здесь следует отметить, что энергоснабжающую организацию по большому счету не интересует, какие процессы происходят в системах теплопотребления с изменением термодинамических и массовых характеристик теплоносителя. Интерес представляет только разность энтальпий и разность масс теплоносителя на входе и выходе системы теплопотребления на границе передачи (продажи) энергии и теплоносителей.

Используя энтальпию во взаиморасчетах между энергоснабжающей организацией и потребителями (а значит, и при измерении тепловой энергии), теплопотребляющие системы и установки можно рассматривать как «черный ящик», в который вошел подающий трубопровод и вышел – обратный. При этом для энергоснабжающей организации не важно, какие теплообменные аппараты используют потребители в своих теплоиспользующих установках. Важно, чтобы они (потребители) не нарушали договорные режимы теплопотребления.

Особенностью экономических (коммерческих) взаимоотношений между энергоснабжающими организациями и потребителями является то, что тепловая энергия (как и электрическая) проявляет себя как особый товар со специфическими свойствами, потому что в отличие от других видов товаров тепловая энергия не может быть складирована, запасена впрок в объемах, достаточных для коммерческих целей, используется практически в момент его производства (если не учитывать время, необходимое на передачу теплоносителя от источника до потребителей).

Указанные свойства тепловой энергии как товара отражены в Гражданском кодексе РФ, который требует, чтобы в договоре теплоснабжения обязательно были указаны, кроме количества тепловой энергии, ее качество, а также режимы потребления. Причем последние должны измеряться так же, как и количество энергии.

В отличие от качества электрической энергии, которое указано в соответствующем ГОСТе, качество тепловой энергии никак не определено, не формализовано. Более того, как показали исследования (проведенные в Западном филиале ВТИ, в Белоруссии, в Минске), создать ГОСТ на качество тепловой энергии невозможно: слишком разнообразны условия подачи тепловой энергии многочисленным потребителям и слишком различаются требования потребителей к термодинамическим параметрам теплоносителей и к режимам их подачи потребителям.

Учитывая это, устанавливать требования к качеству тепловой энергии следует индивидуально с каждым потребителем при заключении договора теплоснабжения.

Критериями (показателями) качества тепловой энергии могут быть термодинамические параметры теплоносителя (температура и давление), о чем было сказано выше.

Для водяных систем теплоснабжения предлагается дополнительно указывать также минимальный перепад (разность) давлений сетевой воды в подающих и обратных трубопроводах на границе купли-продажи тепловой энергии и теплоносителей, потому что располагаемый перепад давлений определяет возможности потребителя прокачивать через свои системы теплопотребления требуемое ему количество теплоносителя без установки (или с установкой) насосов.

Выше отмечалось, что в СЦТ, помимо тепловой энергии, товаром является и теплоноситель, т. е. рабочее тело (горячая вода, пар, конденсат), с помощью которого осуществляется передача энергии. Поэтому измерению подлежит и разность расходов (масс) теплоносителя, поданного и возвращенного в тепловую сеть или непосредственно на источник тепловой энергии.

Это весьма важно, потому что в России каждая вторая система те-плоснабжения работает по открытой схеме с отбором сетевой воды из СЦТ для нужд горячего водоснабжения, но в закрытых системах сетевая вода зачастую не возвращается в тепловую сеть в полном объеме.

При разработке тарифных систем, а также при измерении и учете тепловой энергии это обстоятельство до последнего времени считалось несущественным и обычно не учитывалось. В новых экономических условиях вопросы измерения расходов (масс) теплоносителей и особенно разности масс теплоносителей, подаваемых и возвращаемых в тепловую сеть, требует такого же внимания, как и другие проблемы, связанные с продажей тепловой энергии. Сетевая вода и конденсат являются такими же товарами, как и тепловая энергия, и поэтому должны соответствующим образом оплачиваться потребителями.

Одним из сложных вопросов, который постоянно дискутируется специалистами в области техники теплоснабжения, измерительной техники и реже экономистами, является вопрос о необходимости учета или неучета тепловой энергии, содержащейся в воде, которая используется для восполнения потерь и/или для горячего водоснабжения.

Исторически сложилось так, что при подготовке отчетов по форме 6 ТП для Госкомстата бывшего СССР, а сегодня Госкомстата России количество тепловой энергии, отпускаемой от источников внешним потребителям, определялось по количеству энергии топлива, которое было сожжено в топках котлов ТЭЦ и котельных.

Для этого количество тепловой энергии, которое содержится в воде, расходуемой на подпитку систем теплоснабжения, вычиталось из общего объема выработки тепловой энергии. Соответственно эта энергия учитывалась (вычиталась) и при определении количества тепловой энергии, полученной потребителями.

В результате измерение количества тепловой энергии, полученной потребителями из СЦТ с отбором теплоносителя, стало практически не решаемой проблемой, потому что метрологически корректное измерение на тепловых вводах потребителей температуры так называемой холодной воды, которая используется для подпитки системы теплоснабжения, очень дорого или невозможно.

Кроме этого, положение о том, чтобы не учитывалась тепловая энергия, полученная из окружающей среды либо за счет вторичных энергоресурсов, создало условия незаинтересованности предприятий в вовлечении в тепловой баланс энергоресурсы от источников сбросного тепла промышленности.

В новых экономических (рыночных) условиях деление тепловой энергии на топливную и бестопливную явно нецелесообразно. Поэтому в последнее время все чаще обсуждается вопрос о том, чтобы вода, поступающая на источник тепла для возмещения утечек и водоразбора, является таким же сырьем, как топливо, химреагенты и другие материалы, которые используются для производства тепловой энергии и теплоносителей.

При такой постановке вопроса на ТЭЦ и в котельных следует учитывать полностью тепловую энергию как топливную, так и бестопливную, приняв температуру холодной воды, равной 0 °C, как и при определении энтальпии теплоносителя.

Учитывая, что затраты источника тепловой энергии не зависят от способа учета тепловой энергии (эти затраты останутся неизменными), при суммировании топливной и бестопливной энергии стоимость единицы тепловой энергии (тариф) будет ниже тарифа, в котором учтена только топливная энергия. Указанное снижение тарифа будет строго пропорционально увеличению объемов продаваемой энергии. Это означает, что потребитель и при новой системе измерений будет платить энергоснабжающей организации ровно столько, сколько он платил прежде, но при этом снизятся затраты на измерение тепловой энергии и как следствие снизятся тарифы для рядовых потребителей, у которых эти затраты весьма ощутимы.

При переходе к рыночным методам формирования энерготарифов производство (генерация) тепловой и электрической энергии будет отнесена к конкурентным (нерегулируемым) видам деятельности, поэтому тарифы (цены) на тепловую энергию на коллекторах источников энергии будут определяться рыночными механизмами.

В результате проблема, связанная с измерением и учетом температуры «холодной» воды станет неактуальной и потеряет смысл.

Из этого можно сделать вывод о целесообразности уже сегодня отказаться от измерения и учета температуры холодной воды, приняв ее равной 0 °C.

В заключение следует сказать, что одним из основных критериев целесообразности усложнения измерительных систем и средств измерений с целью повышения точности и справедливости измерений тепловой энергии и теплоносителей (например, за счет вычитания бестопливной энергии) является снижение размера финансового счета, предъявляемого потребителю, т. к. в любом случае именно потребитель оплачивает через тариф затраты на измерение независимо от того, кто их несет: потребитель, энергоснабжающая организация, сбытовая организация или компания – посредник между продавцом и покупателем энергии.

Можно очень точно (но дорого!) измерить количество отпускаемой и потребляемой энергии и теплоносителей, затратив при этом денег больше, чем их будет сэкономлено за счет повышения точности измерений.

Статья предоставлена автором по материалам его доклада на XVII конференции «Коммерческий учет энергоносителей»