多声路超声热量表在热源厂与热力公司应用论文.doc

热源厂与热力公司热量结算计量技术方案唐山汇中仪表有限公司 王永存摘 要：本文对目前热源厂与热力公司贸易结算用热量计量设备作 了介绍，指出了其存在的问题，对多声路超声流量计及由 其作为流量基表组成的组合式超声热量表的原理、合成误 差等进行了介绍分析，形成了采用高精度热量计量设备对 供需双方贸易结算量进行公正及不间断计量的基本概念。关键词：高准确度、多声路超声流量计、组合式多声路超声热量表、 合成误差、不间断计量1. 前言一直以来，热源厂与热力公司供热的结算量大多存在争议，究其原因多为计量手段不完善或计量方法不正确所致。正确的公正的计量方法，是解决供需双方结算争议最有效的方法。2. 热源厂目前常用的计量方法及存在的问题2.1常用的计量方法1) 流量测量采用孔板流量计、电磁流量计或其他型式的流量计，温度测量采用两只铂电阻温度变送器，流量值及温度值通过模拟信号（一般为420mA）传输给热量计算器（也称为热量积算仪），计算器采用焓值法计算出热量。2) 供水管道只安装流量计，按流量计计量的总循环水量及估算的平均供回水温度，采用焓值法人工计算热量。3) 采用符合建设部热量表CJ128-2007标准的单声路超声热量表。2.2存在的问题1) 流量测量a) 孔板流量计孔板流量计技术简单运行可靠，是被广泛采用的流量计之一。由其测量原理决定，孔板（节流元件）的压力损失比较大，在供热循环水上使用，孔板的过流入口的边缘锐度很容易磨损，使得测量精度降低。新投入运行的孔板流量计最高准确度为1.0%。b) 电磁流量计电磁流量计是技术上非常成熟的流量计之一，在液体流量测量上被广泛采用。供热系统一次网的循环水一般是经过软化除氧处理的软化除氧水，其电导率较低，不适合一般电磁流量计的测量要求；经过一定时间的运行，当一次网管道不能湿保时，由于管道锈蚀层脱落，使得循环水中的铁磁性物质增加，如果粘附在电磁流量计的电极上，也会影响测量结果。排除上述影响，电磁流量计准确度为0.5%。c) 单声路超声流量计超声流量计是目前公认的最适合供暖水测量的流量计之一。超声流量计分为单声路和多声路两种类型，单声路超声流量计因其价格适中，运行可靠，近几年已经在供热领域被广泛采用，但是，单声路超声流量计在使用过程中仍存在问题。如准确度不高。单声路超声流量计准确度为1.0%，作为高精度热量表的流量测量其精度不够。特别是在大口径管道、直管段不足及流量变化比较大的运行工况下，计量精度问题更加突出。2) 温度测量a) 采用两只温度变送器，温度变送器没进行严格的配对标定，使得温差的测量准确度不够；温度变送器与热量计算器（积算仪）之间的数据通讯采用模拟信号，使得温度测量数据误差进一步加大。b) 虽然供回水管道安装了温度测量仪表，但是，温度的测量数据不进行连续的记录，使得供回水的平均温度及温差在估算时取值出现较大误差，采用人工计算热量时误差加大。3) 计算器（积算仪） 个别生产商的热量计算器（积算仪）的数学模型及计算方法没有执行现行热量表标准。3. 一次管网热量计量及运行工况监测技术方案3.1方案概述1) 供水管路安装一台唐山汇中公司自行研制生产的多声路超声热量表，完成热源厂对热力公司总供热量的计量。其流量测量准确度为0.5%。整机测量准确度优于1.0级（CJ128-2007）。2) 回水管路安装一台多声路超声流量计，测量准确度为0.5%。3) 当供、回水瞬时流量长时间（可以设定）连续超过一定量值（1.5%）时可以依此判断一次网管道可能出现故障失水，用于一次网的运行工况监测。4) 一次网补水采用汇中公司自行研发的超声水表，该系列产品可测量始动流量很低（0.005m/s），测量准确度1.0%。可以对补水流量进行准确计量。5) 失水量及附加热量的计量及计算方法（推荐方案）。 6) 流量计可以为管段式及现场插入式，流量传感器及温度传感器均可带水带压安装。3.2 多声路超声热量表的组成热量表分为两种基本类型，即整体式热量表及组合式热量表，根据流量基表类型的不同又分为机械式、电磁式、超声式等不同型式。多声路超声热量表为组合式热量表。流量测量采用高精度多声路超声流量计，测量准确度为0.5%。温度测量采用A级四线制Pt1000配对铂电阻温度传感器，配以高精度测温电路，测量准确度为（0.15+0.002 t ），配对误差0.1。热量计算器采用工业级平板电脑，专门设计的专用上位机软件，使得整机热量测量准确度更高。多声路超声热量表系统示意见下图：1) 多声路超声流量计a) 超声流量计的测量原理及数学模型超声流速测量基本公式：V=LT2-T1/2T1T2cos式中：V测量声路上的线平均流速； L测量声路的有效声路长；T1声波正向传播时间； T2声波逆向传播时间； 声路和流道轴线间的夹角。 超声流量测量原理示意图 b) 多声路超声流量计流量计算数学模型及工作方式国际标准IEC6041规定了多声路超声流量计基本声路数量为4/8两种形式；美国国家标准ASME PTC-18规定了基本声路数量为4/8、9/18四种形式，供热一次网管径一般在DN800以上，在具备一定的直管段的情况下，通常采用4声路测量，在直管段比较短时采用8声路测量。c) 多声路超声流量计可以实现不间断测量 多声路超声流量计可以任意设定有效工作声路数量，一旦某一声路换能器出现故障，流量计主机的计算机自动将其对称声路的流速替代故障声路参与积分运算，从而实现整机的不间断计量。l 多声路超声流速测量基本公式：V=i=1nKi*Vi式中：V面平均流速；Ki第i声路加权积分系数；Vi第i声路测得的流速；i声路编号（118）。l 多声路超声流量测量基本公式：Q=S*V 式中： Q断面通过流量；S断面截面面积。 4/8声路超声流量计传感器安装模型示意l 4/8声路超声流量计传感器现场安装图示l 加权积分系数Ki 对于多声路流量计，其每个声路的积分加权系数Ki是一个固定值，并且在国际电工委员会的IEC6041规程和美国国家规程ASME PTC18中作了明确的规定。为了满足各种不同流态分布测量的需要，多声路流量计有多种声路组合，对应每种声路组合，积分加权系数Ki 都有确定的值。 下表为IEC6041/ASME PTC18规程关于声路位置和加权积分系数的规定声路编号 声路位置（到圆心距离/半径） 加权积分系数（用Gauss-Jacobi） 1(5) 0.8090 0.3693 2(6) 0.3090 0.5976 3(7) 0.3090 0.5976 4(8) 0.8090 0.3693 2) 配对温度传感器多声路超声热量表的温度测量，采用德国JUMO公司生产的Pt1000配对温度传感器，允差等级A级，测量准确度Et=（0.15+0.002 t ），配对误差0.1，符合DIN EN60751，四线制，在加长温度传感器电缆时可以确保测量精度。温度传感器有两种型式可供选择。l WDZ型适于空管道安装见下图所示l WDC型可带水带压安装见下图所示3) 温度测量主机 采用高精度测温电路采集配对铂电阻信号，温度数据采用RS-485与热量计算器通讯，极大地提高了整机的测量准确度。4) 热量计算器温度测量主机热量计算器，采用工业级平板电脑，专门设计的专用上位机软件，实现了智能化的数据处理及测量系统管理，使得整机热量测量准确度更高。热量测量主机见下图所示。主要技术参数： 显示器：10.4寸真彩色TFT LCD显示器 ；显示内容：累计热量GJ、功率GJ/h、累计流量m3 、瞬 时流量m/h、 供水温度：、回水温度、 温度差、日期 年/月/ 日、时钟 时/分/秒、 累计有效供热时间 分钟； 累计热量显示范围：019999999.9GJ；显示分辨力：热功率0.001GJ/h、热量0.001GJ、累计流量0.01 m3 、 温度0.01、温差0.01；数据存储：每分钟一组数据，可以连续存储10年的全部数据及图表 输出功能：RS-485、瞬时流量420mA、热功率 420mA。3.3多声路超声热量表的准确度分析1) 热量计算基本公式水流经在热交换系统中安装的整体式热量表或组合式热量表时，根据流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度信号，以及水流经的时间，通过计算器计算并显示该系统所释放或吸收的热能量。其基本公式为：式中：Q系统释放或吸收的热量，单位为J；qm流经热量表的水的质量流量，单位为kg/h；qv流经热量表的水的体积流量，单位m/h；流经热量表的水的密度，单位kg/m；h在热交换系统进口和出口温度下的水的焓值差，单位为J/kg； 时间，单位为h。公式中的密度和焓值应符合标准附录A的规定。当温度为非整数时，应进行插值修正。2) 插值修正公式l 焓值的插值修正公式如下：式中：hc实测温度下水的焓值 ；t实测温度；t1低于实测温度的相邻整数温度；t2高于实测温度的相邻整数温度；h1低于实测温度的相邻整数温度所对应的焓值kJ/kg ；h2高于实测温度的相邻整数温度所对应的焓值kJ/kg 。l 密度差值修正公式如下：式中： c实测温度下水的密度； 1低于实测温度的相邻整数温度所对应的密度 ； 2高于实测温度的相邻整数温度所对应的密度； t实测温度； t1低于实测温度的相邻整数温度； t2高于实测温度的相邻整数温度。3) 标准规定的热量表准确度等级 组合式热量表的计量准确度按计算器准确度、配对温度传感器准确度及流量传感器准确度三项误差绝对值的算数和确定。建设部热量表标准CJ128-2007规定的组合式热量表准确度计算公式如下：计算器准确度Ec按下列公式计算：Ec=（0.5+tmint）Et=（0.5+3tmint）配对温度传感器准确度Et按下列公式计算：流量传感器准确度Eq按下列公式计算：1级表 2级表 3级表 4) 多声路超声热量表在法定机构的检定数据 由组合式热量表准确度计算公式可知，整机的准确度由流量测量误差、温度测量误差、热量计算器误差三部分合成。下列数据为山东兖州太阳纸业多声路热量表在法定机构的检定数据，流量精度在开封国家水大流量站检定，计算器及温度传感器在河北省计量监督检测院检定： l 热量测量主机（计算器）示值误差：-0.43%；l 温度传感器示值误差：-0.63%；l 流量传感器示值误差：0.39%；l 热量表合成误差：1.46%。CJ128-2007规定，1级表的相对百分比误差如下式：5) 结论上述校准结果表明，多声路超声热量表可以达到甚至优于CJ128-2007规定的准确度1级热量表的误差要求。6) 山东太阳纸业多声路超声热量表校准证书 4. 失水量及附加热量的计量及计算方法（推荐方案）热力一次管网的失水是现实存在不可避免的，对一次网失水量及附加热量的准确计量、计算，可以增强热力公司对管网系统的管理意识，使供需双方热量的贸易结算更加公正、合理。l 失水量只能用补水量计量，不能用供回水流量计的计量差值替代。l 例如：热主管道循环水： 瞬时流量为6000m3/h；供暖期为130天；供暖期内循环水总量为：130246000=18720000 m3。 供回水总量计量极限差为：187200001.0%=187200 m3 。 将上述数据作为失水量显然不合理。l 失水量计量及附加热量计算方案如下：Qs=j（hj-hb）10-6补水流量计量推荐采用汇中的超声水表，其最小测量流速可达0.05m/s，始动流速0.005m/s，管径DN15-300，准确度1%，可以做到准确计量。失水成本包括制水成本及附加热量，每1m3失水的失热量按下式计算：式中：Qs每1m3的失水热量GJ； j平均失水温度下水的密度kg/m3； hj平均失水温度下水的焓值kJ/kg； hb补水温度水的焓值kJ/kg。 平均失水温度=（平均供水温度+平均回水温度）/2注：平均供回水温度在多声路热量表的主机有记录。5. 多声路超声热量表的显示介面6. 多声路超声热量表的应用情况1) 唐山鑫丰热电有限公司2) 山东兖州太阳纸业股份有限公司 直供水系统，供水安装一台8声路超声热量表，管径DN1200，流量6000m3/h，直管段长度6m。3) 已经安装使用的热力公司 l 河北衡水恒丰热力公司 DN1200，供回水各安装一台4声路超声热量表。 l 河南安阳益和热力公司 DN1200,供水安装一台4声路超声热量表，回水安装一台4声路超声流 量计。7. 安阳益和热力多声路热量表存储数据图示安阳益和热力公司部分数据（2881组数据）8. 结论由上述产品介绍及数据分析结果可以得出，采用多声路超声流量计及高等级配对温度传感器，严格按照热量表标准研制的组合式多声路超声热量表，其准确度优于标准规定的2级，实际达到甚至超过了1级表的允差。热量计算器（热量测量主机）采用平板式工业计算机，运行可靠，且实现了测量数据的连续存储，提供了对供热一次网的运行工况进行分析的可靠数据。多声路超声热量表实现了热源厂与热力公司结算量的公正且不间断计量。参考文献：1. 建设部热量表CJ128-2007标准；2. IEC6041国际规程；3. 美国ASME PTC18规程袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿