多聲道超聲波熱量表在熱源廠(chǎng)熱量結算中的應用

    0 前言

    一直以來(lái)，熱源廠(chǎng)與熱力公司供熱的結算量大多存在爭議，究其原因多為計量手段不完善或計量方法不正確。正確、公正的計量方法，是解決供需雙方結算爭議的最有效方法。我市集中供熱的2個(gè)熱源廠(chǎng)貿易結算用熱量表的流量基表分別采用了孔板流量計和單聲道超聲波熱量表�？装辶髁坑嬕驅�壓管堵塞造成多次計量停止或數據失真現象，修復工作十分困難。邯鄲馬頭熱電廠(chǎng)熱源出口采用的單聲道超聲波熱量表雖然沒(méi)有出現計量停止的現象，但是其測量精準度不高的弊病給公司和熱源廠(chǎng)的結算帶來(lái)了很大的麻煩。為了更加精確地計量，避免因為計量不可靠帶來(lái)的結算爭議，公司對熱源計量用熱量表進(jìn)行了選型比較，最終選擇了多聲道超聲波流量計為流量基表的組合式熱量表作為熱源廠(chǎng)對公司的結算用表。

    1 熱源廠(chǎng)目前常用的計量方法及存在的問(wèn)題

    1.1 常用的計量方法

    常用的熱量計量方法有3種：

    1.流量測量采用孔板流量計、電磁流量計或其他型式的流量計，溫度測量采用2只鉑電阻溫度變送器，流量值及溫度值通過(guò)模擬信號（一般為4~20mA）傳輸給熱量計算器（也稱(chēng)為熱量積算儀），計算器采用焓值法計算熱量。

    2.供水管道只安裝流量計，按流量計的總循環(huán)水量及估算的平均供回水溫度，采用焓值法人工計算熱量。

    3.采用符合原建設部《熱量表》（CJ128-2007）標準的單聲道超聲波熱量表。

    1.2 存在的問(wèn)題

    1.2.1 流量測量

    1.2.1.1 孔板流量計

    孔板流量計技術(shù)簡(jiǎn)單運行可靠，是廣泛采用的流量計之一。由其測量原理決定，孔板（節流元件）的壓力損失比較大，在供熱循環(huán)水上使用，孔板的過(guò)流入口的邊緣銳度很容易磨損，使得測量精度降低。新投入運行的孔板流量計最高準確度為±1.0%。由于導壓管管徑較細，循環(huán)水中出現的污物很容易堵塞導壓管造成無(wú)法計量，修復導壓管的堵塞很可能需要整個(gè)大網(wǎng)停止供熱。

    1.2.1.2 電磁流量計

    電磁流量計是技術(shù)上非常成熟的流量計之一，在液體流量測量上被廣泛采用。供熱系統一次網(wǎng)的循環(huán)水一般是經(jīng)過(guò)軟化除氧處理的，其電導率較低，不適合一般電磁流量計的測量要求；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運行，當一次網(wǎng)管道不能濕保時(shí)，由于管道銹蝕層脫落，使得循環(huán)水中的鐵磁性物質(zhì)增加，如果黏附在電磁流量計的電極上，也會(huì )影響測量結果。排除上述影響，電磁流量計準確度為±0.5%。

    1.2.1.3 單聲道超聲波流量計

    超聲波流量計是目前公認的最適合供暖水測量的流量計之一。超聲波流量計分為單聲道和多聲道2種類(lèi)型，單聲道超聲波流量計因其價(jià)格適中，運行可靠，近幾年已經(jīng)在供熱領(lǐng)域廣泛采用。但是，單聲道超聲波流量計在使用過(guò)程中仍存在問(wèn)題，如測量準確度不高，僅為±1.0%，作為高精度熱量表的流量測量其精度不夠。特別是在大口徑管道、直管段不足及流量變化比較大的運行工況下，計量精度問(wèn)題更加突出。

    1.2.2 溫度測量

    溫度測量常用的有2種方式：

    一是采用2只溫度變送器，溫度變送器若沒(méi)有進(jìn)行嚴格的配對標定，使得溫差的測量準確度不夠；溫度變送器與熱量計算器（積算儀）之間的數據通信采用模擬信號，使得溫度測量數據誤差進(jìn)一步加大。第2種方式，供回水管道安裝溫度測量?jì)x表，但是，供回水溫度的測量數據不是同時(shí)、連續進(jìn)行記錄，使得供回水平均溫度及溫差在估算時(shí)取值出現較大誤差，采用人工計算熱量時(shí)誤差更大。

    1.2.3 計算器（積算儀）

    個(gè)別生產(chǎn)商的熱量計算器（積算儀）的熱量計算公式及相關(guān)參數取值方法沒(méi)有執行現行熱量表標準。流量參數取值來(lái)自于采用供、回水分別安裝流量計，溫度參數取值分別來(lái)自于供、回水不配對的溫度變送器，熱量計算公司采用分別計算焓值相減得出熱量值的方法，這種方法并不符合現行熱量表標準。

    2 馬頭熱電廠(chǎng)熱源熱量計量及一次管網(wǎng)運行工況監測技術(shù)

    2.1 系統構成

    供水管路安裝1套以多聲道超聲波流量計作為流量基表的熱量表，完成熱源廠(chǎng)對熱力公司總供熱量的計量。其中流量測量準確度為±0.5%，熱量測量準確度優(yōu)于1.0級（CJ128-2007熱量表）�；厮�管路安裝1臺多聲道超聲波流量計，測量準確度為±0.5%。用于對一次網(wǎng)的運行工況監測。當供回水流量差長(cháng)時(shí)間（可以設定）超過(guò)一定量值（如＞1.5%）時(shí)可以依此判斷一次網(wǎng)管道可能出現失水故障，一次網(wǎng)補水量采用多聲道超聲波水表，對補水量進(jìn)行準確計量。該系列產(chǎn)品可測量始動(dòng)流量很低（0.003m/s），測量準確度±0.5%。

    流量計可以為管段式及現場(chǎng)插入式，馬頭電廠(chǎng)采用的是現場(chǎng)插入式流量計，流量換能器及溫度傳感器均可帶水帶壓安裝、維護。

    2.2 多聲道超聲波熱量表的組成

    溫度測量采用A級四線(xiàn)制Pt1000配對鉑電阻溫度傳感器，配以高精度測溫電路，溫度測量準確度為±（0.15+0.002|t|），配對誤差≤0.1℃。

    熱量計算器采用工業(yè)級平板電腦，專(zhuān)門(mén)設計的專(zhuān)用上位機軟件，使得整機熱量測量準確度更高。系統示意如圖1所示。

圖1 多聲道超聲波熱量表系統示意圖

    2.2.1 多聲道超聲波流量計

    1.超聲波流量計的測量原理（如圖2所示）及數學(xué)模型

圖2 超聲波流量測量原理示意圖

    流速測量基本公式：

    V=L（T₂-T₁）（/2T₁T₂cosθ） （1）

    式中：

    V—測量聲道上的線(xiàn)平均流速，m/s；

    L——測量聲道的有效聲路長(cháng)，mm；

    T₂—聲波逆向傳播時(shí)間，s；    

    T₁—聲波正向傳播時(shí)間，s；

    θ—聲道和流道軸線(xiàn)間的夾角，°。

    2.多聲道超聲波流量計流量計算數學(xué)模型及工作方式

    GBT20043-2005《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機性能現場(chǎng)驗收試驗規程》規定了多聲道超聲波流量計基本聲道數量最少為4聲道；供熱一次網(wǎng)管徑一般在DN800~DN1200，在具備一定的直管段的情況下，通常采用4聲道測量，在直管段比較短時(shí)采用8聲道測量。

    1）多聲道超聲波流速測量基本公式：

       （2）

    式中：

    V—面平均流速，m/s；

    i—聲道編號（1~18）；

    K_i—第i聲道加權積分系數；

    V_i—第i聲道測得的流速，m/s。

    2）多聲道超聲波流量測量    

    基本公式：

    Q=SV    （3）

    式中：

    Q—斷面通過(guò)流量，m³；

    S—斷面截面面積，m²；

    V—面平均流速，m/s。    

    3）多聲道超聲波流量計可以實(shí)現不間斷測量

    多聲道超聲波流量計可以任意設定有效工作聲道數量，一旦某一聲道換能器出現故障，流量計主機的計算機自動(dòng)將其對稱(chēng)聲道的流速替代故障聲道參與積分運算，從而實(shí)現整機的不間斷計量。圓管聲道布置如圖3所示。

圖3 圓管聲道布置示意

    4）4/8聲道超聲波流量計傳感器現場(chǎng)安裝情況（如照片1、照片2所示）

照片1 軸向安裝

照片2 側向安裝    

    5）加權積分系數K_i

    對于多聲道超聲波流量計，其每個(gè)聲道的積分加權系數K_i是一個(gè)固定值，并且在國際電工委員會(huì )的IEC6041規程中作了明確規定。為了滿(mǎn)足各種不同流態(tài)分布測量的需要，多聲道超聲波流量計有多種聲道組合，對應每種聲道組合，積分加權系數Ki都有確定的值。

    表1為IEC6041規程關(guān)于聲道位置和加權積分系數的規定。

表1 聲道位置和加權積分系數表

    

    3.配對溫度傳感器及溫度測量主機

    1）溫度傳感器采用德國JUMO公司生產(chǎn)的Pt1000配對溫度傳感器，允差等級A級，測量準確度E_t=±（0.15+0.002|t|），配對誤差≤0.1℃，符合DINEN60751，四線(xiàn)制，在加長(cháng)溫度傳感器電纜時(shí)可以確保測量精度。

    2）溫度測量主機

    采用高精度測溫電路采集配對鉑電阻信號，溫度數據采用RS-485與熱量計算器通信，極大地提高了整機的測量準確度（如照片3所示）。

照片3 溫度測量主機

    4.熱量計算器    

    熱量計算器（熱量測量主機），采用工業(yè)級平板電腦，專(zhuān)門(mén)設計的專(zhuān)用上位機軟件，實(shí)現了智能化的數據處理及測量系統管理，使得整機熱量測量準確度更高。

    1）熱量測量主機如照片4所示。

    2）主要技術(shù)參數

    顯示器：10.4英寸真彩色TFTLCD顯示器；

    顯示內容：1.累計熱量，GJ；2.功率，GJ/h；3.累計流量，m³；4.瞬時(shí)流量，m³/h；5.供水溫度，℃；6.回水溫度，℃；7.溫度差，℃；8.日期：年/月/日；9.時(shí)鐘：h/min/s；10.累計有效供熱時(shí)間：min；

    累計熱量顯示范圍：0~19999999.9GJ；

照片4 熱量測量主機    

    顯示分辨率：1.熱功率0.001GJ/h；2.熱量0.001GJ；3.累計流量0.01m³；4.溫度0.01℃；溫差0.01℃；

    數據存儲：每分鐘1組數據，可以連續存儲10年的全部數據及圖表；

    輸出功能：1.RS-485；2.瞬時(shí)流量4~20mA；3.熱功率4~20mA。

    2.3 多聲道超聲熱量表的準確度分析

    2.3.1 熱量計算基本公式

    水流經(jīng)在熱交換系統中安裝的整體式熱量表或組合式熱量表時(shí)，根據流量傳感器給出的流量和配對溫度傳感器給出的供回水溫度信號，以及水流經(jīng)的時(shí)間，通過(guò)計算器計算并顯示該系統所釋放或吸收的熱量。其基本公式如公式（4）所示。

        （4）

    式中：

    Q—系統釋放或吸收的熱量，J；

    τ—時(shí)間，h；

    q_m—流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量，kg/h；    

    △h—在熱交換系統進(jìn)口和出口溫度下的水的焓值差，J/kg；    

    ρ—流經(jīng)熱量表的水的密度，kg/m³；

    q_v—流經(jīng)熱量表的水的體積流量，m³/h。

    公式中的密度和焓值應符合CJ128-2007熱量表附錄A的規定。當溫度為非整數時(shí)，應該進(jìn)行插值修正。

    1.插值修正公式

    1）焓值的插值修正如公式（5）所示：

        （5）

    式中：

    h_c—實(shí)測溫度下水的焓值，kJ/kg；

    _h2—高于實(shí)測溫度的相鄰整數溫度所對應的焓值，kJ/kg；

    h₁—低于實(shí)測溫度的相鄰整數溫度所對應的焓值，kJ/kg；

    t—實(shí)測溫度，℃；

    t₁—低于實(shí)測溫度的相鄰整數溫度，℃；

    t₂—高于實(shí)測溫度的相鄰整數溫度，℃。

    2）密度差值修正如公式（6）所示：

        （6）

    式中：

    ρ_c—實(shí)測溫度下水的密度，kg/m³；

    ρ₂—高于實(shí)測溫度的相鄰整數溫度所對應的密度，kg/m³；

    ρ1—低于實(shí)測溫度的相鄰整數溫度所對應的密度，kg/m³；

    t—實(shí)測溫度，℃；

    t₁—低于實(shí)測溫度的相鄰整數溫度，℃；

    t₂—高于實(shí)測溫度的相鄰整數溫度，℃。

    2.標準規定的熱量表準確度等級

    組合式熱量表的計量準確度按計算器準確度、配對溫度傳感器準確度及流量傳感器準確度3項誤差絕對值的算術(shù)和確定。原建設部CJ128-2007《熱量表》規定的組合式熱量表準確度計算公式如下：

    1）計算器準確度Ec按公式（7）計算：

        （7）

    △t_min—最小溫差，K；

    △t—使用范圍內溫差，K。

    2）配對溫度傳感器準確度Et按公式（8）計算：

        （8） 

    E_t—配對溫度傳感器準確度。

    3）流量傳感器準確度E_q按公式（9）~公式（11）計算：

    1級表（9）

    E_q—流量傳感器準確度；

    q_p—常用流量，m³/h；

    q—使用范圍內的流量，m³/h。

    2級表 （10）

    3級表（11）

    3.多聲道超聲波熱量表在法定機構的檢定數據

    由組合式熱量表準確度計算公式可知，整機的準確度由流量測量誤差、溫度測量誤差、熱量計算器誤差3部分合成。下列數據為多聲道超聲波熱量表在法定機構的檢定數據，流量精度在開(kāi)封國家水大流量站檢定，計算器及溫度傳感器在河北省計量監督檢測院檢定。

    1）熱量測量主機（計算器）示值誤差：-0.43%；

    2）溫度傳感器示值誤差：-0.63%；

    3）流量傳感器示值誤差：0.39%；

    4）熱量表合成誤差：±1.46%。

    CJ128-2007《熱量表》規定，1級表的相對百分比誤差如公式（12）所示：

        （12）     

照片5 多聲道超聲波熱量表的顯示界面

    結論：

    上述校準結果表明，多聲道超聲波熱量表可以達到甚至優(yōu)于CJ128-2007《熱量表》規定的準確度1級熱量表的誤差要求。

    3 失水量及附加熱量的計量及計算方法

    熱力一次管網(wǎng)的失水是現實(shí)存在不可避免的，對一次網(wǎng)失水量及附加熱量的準確計量、計算，可以增強熱力公司對管網(wǎng)系統的管理意識，使供需雙方熱量貿易結算更加公正、合理。失水量應該采用補水量計量，不能用供回水流量計的計量差值替代。例如：熱主管道循環(huán)水瞬時(shí)流量為6×10³m³/h，供暖期為130天，供暖期內循環(huán)水總量為：130×24×6×10³=1872×10⁴m³。由于供回水多聲道超聲波流量計的準確度為±0.5%，供回水總量在無(wú)失水的情況下計量最大差為：1872×10⁴×1.0%=1872×10²m³。將上述數據作為總失水量顯然不合理。

    失水量計量及附加熱量計算方案如下：

    補水流量計量采用多聲道超聲波水表，其最小測量流速可達0.05m/s，始動(dòng)流速0.003m/s，管徑DN15~DN300，準確度±0.5%。

    失水成本包括制水成本及附加熱量，每1m³失水的失熱量如公式（13）計算：

        （13）

    式中：

    Q_s—每1m³的失水熱量，GJ；

    ρ_j—平均失水溫度下水的密度，kg/m³；

    h_j—平均失水溫度下水的焓值，kJ/kg；

    h_b—補水溫度水的焓值，kJ/kg。

    注：平均失水溫度=（平均供水溫度+平均回水溫度）/2平均供回水溫度在多聲道超聲波熱量表的主機有記錄。

    多聲道超聲波熱量表的顯示界面如照片5所示。

    4 結論

    采用多聲道超聲波流量計及高等級配對溫度傳感器，嚴格按照熱量表標準生產(chǎn)的組合式多聲道超聲波熱量表，其準確度優(yōu)于標準規定的2級，實(shí)際達到甚至超過(guò)了1級表的允差。是替代以孔板流量計、電磁流量計為主要元件的熱量表的理想產(chǎn)品。

    熱量計算器（熱量測量主機）采用平板式工業(yè)計算機，運行可靠，而且實(shí)現了測量數據的連續存儲，提供了對供熱一次網(wǎng)的運行工況進(jìn)行分析的可靠依據。

    多聲道超聲波熱量表實(shí)現了熱源廠(chǎng)與熱力公司結算量的公正而且不間斷計量。