多声道超声波热量表在热源厂热量结算中的应用

    0 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。正确、公正的计量方法，是解决供需双方结算争议的最有效方法。我市集中供热的2个热源厂贸易结算用热量表的流量基表分别采用了孔板流量计和单声道超声波热量表。孔板流量计因导压管堵塞造成多次计量停止或数据失真现象，修复工作十分困难。邯郸马头热电厂热源出口采用的单声道超声波热量表虽然没有出现计量停止的现象，但是其测量精准度不高的弊病给公司和热源厂的结算带来了很大的麻烦。为了更加精确地计量，避免因为计量不可靠带来的结算争议，公司对热源计量用热量表进行了选型比较，最终选择了多声道超声波流量计为流量基表的组合式热量表作为热源厂对公司的结算用表。

    1 热源厂目前常用的计量方法及存在的问题

    1.1 常用的计量方法

    常用的热量计量方法有3种：

    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2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4~20mA）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热量。

    2.供水管道只安装流量计，按流量计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.采用符合原建设部《热量表》（CJ128-2007）标准的单声道超声波热量表。

    1.2 存在的问题

    1.2.1 流量测量

    1.2.1.1 孔板流量计

    孔板流量计技术简单运行可靠，是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%。由于导压管管径较细，循环水中出现的污物很容易堵塞导压管造成无法计量，修复导压管的堵塞很可能需要整个大网停止供热。

    1.2.1.2 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，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，如果黏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%。

    1.2.1.3 单声道超声波流量计

    超声波流量计是目前公认的最适合供暖水测量的流量计之一。超声波流量计分为单声道和多声道2种类型，单声道超声波流量计因其价格适中，运行可靠，近几年已经在供热领域广泛采用。但是，单声道超声波流量计在使用过程中仍存在问题，如测量准确度不高，仅为±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。

    1.2.2 温度测量

    温度测量常用的有2种方式：

    一是采用2只温度变送器，温度变送器若没有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）之间的数据通信采用模拟信号，使得温度测量数据误差进一步加大。第2种方式，供回水管道安装温度测量仪表，但是，供回水温度的测量数据不是同时、连续进行记录，使得供回水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更大。

    1.2.3 计算器（积算仪）

    个别生产商的热量计算器（积算仪）的热量计算公式及相关参数取值方法没有执行现行热量表标准。流量参数取值来自于采用供、回水分别安装流量计，温度参数取值分别来自于供、回水不配对的温度变送器，热量计算公司采用分别计算焓值相减得出热量值的方法，这种方法并不符合现行热量表标准。

    2 马头热电厂热源热量计量及一次管网运行工况监测技术

    2.1 系统构成

    供水管路安装1套以多声道超声波流量计作为流量基表的热量表，完成热源厂对热力公司总供热量的计量。其中流量测量准确度为±0.5%，热量测量准确度优于1.0级（CJ128-2007热量表）。回水管路安装1台多声道超声波流量计，测量准确度为±0.5%。用于对一次网的运行工况监测。当供回水流量差长时间（可以设定）超过一定量值（如＞1.5%）时可以依此判断一次网管道可能出现失水故障，一次网补水量采用多声道超声波水表，对补水量进行准确计量。该系列产品可测量始动流量很低（0.003m/s），测量准确度±0.5%。

    流量计可以为管段式及现场插入式，马头电厂采用的是现场插入式流量计，流量换能器及温度传感器均可带水带压安装、维护。

    2.2 多声道超声波热量表的组成

    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，温度测量准确度为±（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。系统示意如图1所示。

图1 多声道超声波热量表系统示意图

    2.2.1 多声道超声波流量计

    1.超声波流量计的测量原理（如图2所示）及数学模型

图2 超声波流量测量原理示意图

    流速测量基本公式：

    V=L（T₂-T₁）（/2T₁T₂cosθ） （1）

    式中：

    V—测量声道上的线平均流速，m/s；

    L——测量声道的有效声路长，mm；

    T₂—声波逆向传播时间，s；    

    T₁—声波正向传播时间，s；

    θ—声道和流道轴线间的夹角，°。

    2.多声道超声波流量计流量计算数学模型及工作方式

    GBT20043-2005《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机性能现场验收试验规程》规定了多声道超声波流量计基本声道数量最少为4声道；供热一次网管径一般在DN800~DN1200，在具备一定的直管段的情况下，通常采用4声道测量，在直管段比较短时采用8声道测量。

    1）多声道超声波流速测量基本公式：

       （2）

    式中：

    V—面平均流速，m/s；

    i—声道编号（1~18）；

    K_i—第i声道加权积分系数；

    V_i—第i声道测得的流速，m/s。

    2）多声道超声波流量测量    

    基本公式：

    Q=SV    （3）

    式中：

    Q—断面通过流量，m³；

    S—断面截面面积，m²；

    V—面平均流速，m/s。    

    3）多声道超声波流量计可以实现不间断测量

    多声道超声波流量计可以任意设定有效工作声道数量，一旦某一声道换能器出现故障，流量计主机的计算机自动将其对称声道的流速替代故障声道参与积分运算，从而实现整机的不间断计量。圆管声道布置如图3所示。

图3 圆管声道布置示意

    4）4/8声道超声波流量计传感器现场安装情况（如照片1、照片2所示）

照片1 轴向安装

照片2 侧向安装    

    5）加权积分系数K_i

    对于多声道超声波流量计，其每个声道的积分加权系数K_i是一个固定值，并且在国际电工委员会的IEC6041规程中作了明确规定。为了满足各种不同流态分布测量的需要，多声道超声波流量计有多种声道组合，对应每种声道组合，积分加权系数Ki都有确定的值。

    表1为IEC6041规程关于声道位置和加权积分系数的规定。

表1 声道位置和加权积分系数表

    

    3.配对温度传感器及温度测量主机

    1）温度传感器采用德国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E_t=±（0.15+0.002|t|），配对误差≤0.1℃，符合DINEN60751，四线制，在加长温度传感器电缆时可以确保测量精度。

    2）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与热量计算器通信，极大地提高了整机的测量准确度（如照片3所示）。

照片3 温度测量主机

    4.热量计算器    

    热量计算器（热量测量主机），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。

    1）热量测量主机如照片4所示。

    2）主要技术参数

    显示器：10.4英寸真彩色TFTLCD显示器；

    显示内容：1.累计热量，GJ；2.功率，GJ/h；3.累计流量，m³；4.瞬时流量，m³/h；5.供水温度，℃；6.回水温度，℃；7.温度差，℃；8.日期：年/月/日；9.时钟：h/min/s；10.累计有效供热时间：min；

    累计热量显示范围：0~19999999.9GJ；

照片4 热量测量主机    

    显示分辨率：1.热功率0.001GJ/h；2.热量0.001GJ；3.累计流量0.01m³；4.温度0.01℃；温差0.01℃；

    数据存储：每分钟1组数据，可以连续存储10年的全部数据及图表；

    输出功能：1.RS-485；2.瞬时流量4~20mA；3.热功率4~20mA。

    2.3 多声道超声热量表的准确度分析

    2.3.1 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量。其基本公式如公式（4）所示。

        （4）

    式中：

    Q—系统释放或吸收的热量，J；

    τ—时间，h；

    q_m—流经热量表的水的质量流量，kg/h；    

    △h—在热交换系统进口和出口温度下的水的焓值差，J/kg；    

    ρ—流经热量表的水的密度，kg/m³；

    q_v—流经热量表的水的体积流量，m³/h。

    公式中的密度和焓值应符合CJ128-2007热量表附录A的规定。当温度为非整数时，应该进行插值修正。

    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—实测温度下水的焓值，kJ/kg；

    _h2—高于实测温度的相邻整数温度所对应的焓值，kJ/kg；

    h₁—低于实测温度的相邻整数温度所对应的焓值，kJ/kg；

    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，℃。

    2）密度差值修正如公式（6）所示：

        （6）

    式中：

    ρ_c—实测温度下水的密度，kg/m³；

    ρ₂—高于实测温度的相邻整数温度所对应的密度，kg/m³；

    ρ1—低于实测温度的相邻整数温度所对应的密度，kg/m³；

    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，℃。

    2.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3项误差绝对值的算术和确定。原建设部CJ128-2007《热量表》规定的组合式热量表准确度计算公式如下：

    1）计算器准确度Ec按公式（7）计算：

        （7）

    △t_min—最小温差，K；

    △t—使用范围内温差，K。

    2）配对温度传感器准确度Et按公式（8）计算：

        （8） 

    E_t—配对温度传感器准确度。

    3）流量传感器准确度E_q按公式（9）~公式（11）计算：

    1级表（9）

    E_q—流量传感器准确度；

    q_p—常用流量，m³/h；

    q—使用范围内的流量，m³/h。

    2级表 （10）

    3级表（11）

    3.多声道超声波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3部分合成。下列数据为多声道超声波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。

    1）热量测量主机（计算器）示值误差：-0.43%；

    2）温度传感器示值误差：-0.63%；

    3）流量传感器示值误差：0.39%；

    4）热量表合成误差：±1.46%。

    CJ128-2007《热量表》规定，1级表的相对百分比误差如公式（12）所示：

        （12）     

照片5 多声道超声波热量表的显示界面

    结论：

    上述校准结果表明，多声道超声波热量表可以达到甚至优于CJ128-2007《热量表》规定的准确度1级热量表的误差要求。

    3 失水量及附加热量的计量及计算方法

    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，使供需双方热量贸易结算更加公正、合理。失水量应该采用补水量计量，不能用供回水流量计的计量差值替代。例如：热主管道循环水瞬时流量为6×10³m³/h，供暖期为130天，供暖期内循环水总量为：130×24×6×10³=1872×10⁴m³。由于供回水多声道超声波流量计的准确度为±0.5%，供回水总量在无失水的情况下计量最大差为：1872×10⁴×1.0%=1872×10²m³。将上述数据作为总失水量显然不合理。

    失水量计量及附加热量计算方案如下：

    补水流量计量采用多声道超声波水表，其最小测量流速可达0.05m/s，始动流速0.003m/s，管径DN15~DN300，准确度±0.5%。

    失水成本包括制水成本及附加热量，每1m³失水的失热量如公式（13）计算：

        （13）

    式中：

    Q_s—每1m³的失水热量，GJ；

    ρ_j—平均失水温度下水的密度，kg/m³；

    h_j—平均失水温度下水的焓值，kJ/kg；

    h_b—补水温度水的焓值，kJ/kg。

    注：平均失水温度=（平均供水温度+平均回水温度）/2平均供回水温度在多声道超声波热量表的主机有记录。

    多声道超声波热量表的显示界面如照片5所示。

    4 结论

    采用多声道超声波流量计及高等级配对温度传感器，严格按照热量表标准生产的组合式多声道超声波热量表，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。是替代以孔板流量计、电磁流量计为主要元件的热量表的理想产品。

    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，而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依据。

    多声道超声波热量表实现了热源厂与热力公司结算量的公正而且不间断计量。