影響熱量計(jì)測(cè)量精度的分析

劉 璞

（鄭州市熱力集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

供熱質(zhì)量高低最終反映的是鍋爐產(chǎn)熱量和用戶使用量之間的合理分配，既要發(fā)揮鍋爐的最大效率保證供熱質(zhì)量，又要節(jié)能降耗經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。熱量計(jì)就成為鍋爐房眾多管理參數(shù)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

通過(guò)熱量計(jì)量?jī)x所提供的數(shù)據(jù)（供回水溫度、鍋爐瞬時(shí)供熱量、累計(jì)熱量），對(duì)鍋爐的運(yùn)行、燃燒狀態(tài)和所耗燃?xì)猓ê拿海┝侩S時(shí)對(duì)鍋爐和外網(wǎng)進(jìn)行合理調(diào)整，使其在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，應(yīng)用“熱量調(diào)節(jié)法”實(shí)行科學(xué)的量化管理。

1 熱量計(jì)的分類

1.1 根據(jù)熱量計(jì)總體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理熱量表分為3類

1.1.1 一體式熱量計(jì)

一體式熱量計(jì)是指熱量計(jì)的3 個(gè)組成部分（流量?jī)x、積算儀、溫度傳感器），有部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。例如，一體式時(shí)差法超聲波熱量計(jì)，它的換能器、流量?jī)x、熱量?jī)x和一支溫度傳感器在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上是組合在同一固定長(zhǎng)度管段上，其中流量?jī)x和熱量?jī)x的電氣部分集成在同一電路板上，檢定時(shí)只能對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體檢測(cè)。

1.1.2 分體式熱量表

分體式熱量表是指組成熱量表的3 個(gè)部分（流量?jī)x、積算儀、溫度傳感器）可以獨(dú)立安裝，并且同型號(hào)的產(chǎn)品可以相互替換，在檢定時(shí)可以對(duì)各部件分別檢測(cè)。

1.1.3 緊湊型熱量表

緊湊型熱量表是指組成熱量表的3 個(gè)部分（流量?jī)x、積算儀、溫度傳感器）至少其中2 個(gè)部分是組合在一起，以減少安裝中所產(chǎn)生的誤差。

1.2 依據(jù)熱量計(jì)中流量?jī)x的結(jié)構(gòu)和原理分類

1.2.1 機(jī)械熱量計(jì)

機(jī)械熱量計(jì)因其流量?jī)x測(cè)量元件是用機(jī)械進(jìn)行傳動(dòng)而命名，其測(cè)量導(dǎo)流通道有單流束和多流束2 種，單流束是指流體在儀表內(nèi)從一個(gè)方向單股推動(dòng)機(jī)械葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械磨損較大，使用年限短。多流束表是流體在儀表內(nèi)從多個(gè)通道推動(dòng)機(jī)械葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，相對(duì)磨損較小，使用年限長(zhǎng)。

1.2.2 電磁熱量計(jì)

電磁熱量計(jì)中采用的是電磁式流量?jī)x。電磁式流量?jī)x測(cè)量精度高，不受載體密度、壓力、熱流黏度以及流體分布等參數(shù)變化的影響，量程比最大可達(dá)1 ∶30。分析其工作原理可知，電磁式流量?jī)x功耗較大，需外接電源，受被測(cè)流體導(dǎo)電率限制，不適合測(cè)量水質(zhì)較純凈的流體[1]。

1.2.3 超聲波熱量計(jì)

超聲波熱量計(jì)中采用的是時(shí)差式超聲波流量?jī)x。時(shí)差式超聲波流量?jī)x不受載體熱流黏度、密度、壓力以及電解質(zhì)等參數(shù)變化的影響。量程比最大可達(dá)1 ∶250，測(cè)量范圍寬，更加適合于變流量運(yùn)行、負(fù)荷變量較大的場(chǎng)所?？蓮V泛應(yīng)用于住宅小區(qū)、寫(xiě)字樓以及企事業(yè)單位集中供熱、供水、空調(diào)、鍋爐等系統(tǒng)中的熱量計(jì)量。

鍋爐使用的是軟化水，由于時(shí)差式超聲波熱量表所具有的眾多優(yōu)勢(shì)，所以鍋爐的熱量計(jì)量多采用時(shí)差法超聲波熱量表。

熱量計(jì)是由供回水溫度計(jì)、流量計(jì)、積算儀組成，影響熱量計(jì)計(jì)量精度穩(wěn)定的原因有多種，該案例分析中使用的是時(shí)差法超聲波流量計(jì)。

2 時(shí)差式超聲波流量計(jì)的選型

2.1 熱量表外形尺寸

選用根據(jù)安裝和使用環(huán)境，選用合適的公稱壓力、熱表表體長(zhǎng)度、積算儀安裝方式、流流計(jì)安裝方式、表接螺紋以及流量計(jì)表體材質(zhì)等，保證熱量表可以正確安裝且設(shè)備無(wú)干擾、后期檢修方便。

2.2 熱量表技術(shù)參數(shù)選用

選用的熱量表技術(shù)參數(shù)包括熱量表的最小流量、常用流量、最大流量、熱量表的溫度范圍、公稱流量下的壓力損失、最大溫差、最小溫差、測(cè)量精度以及熱量表的防護(hù)等級(jí)等。

2.3 電氣及軟件部分時(shí)差法

超聲波熱量表供電方式一般為24 V 和220 V（具體參見(jiàn)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)）。溫度傳感器類型，傳感器導(dǎo)線長(zhǎng)度（嚴(yán)禁自行加長(zhǎng)、裁短或更換導(dǎo)線）。熱表的通信方式及通信接口、流量計(jì)計(jì)量周期、通信接口、積算儀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量等。

3 影響時(shí)差式超聲波流量?jī)x測(cè)量精度的主要因素

3.1 上下游直管段

由于時(shí)差式超聲波流量?jī)x標(biāo)定系數(shù)K 值是雷諾數(shù)函數(shù)，所以當(dāng)流體從層流過(guò)渡到紊流時(shí)，其流速分布不均勻，標(biāo)定系數(shù)K 值將產(chǎn)生較大的變化，從而影響測(cè)量準(zhǔn)確度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求換能器應(yīng)安裝在上游直管段為10 倍管徑、下游直管段5 倍管徑的位置，對(duì)于上游存在泵、閥等設(shè)備時(shí)，需要按照“距離紊流、震動(dòng)、熱源、噪聲和射線源越遠(yuǎn)越好”的要求做，換能器應(yīng)安裝在上游直管段30 倍管徑以上的位置。直管段長(zhǎng)度是保證時(shí)差式超聲波流量?jī)x測(cè)量準(zhǔn)確度的重要因素之一。

3.2 安裝管道參數(shù)設(shè)置對(duì)時(shí)差式超聲波流量?jī)x測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

根據(jù)時(shí)差式超聲波流量?jī)x流量計(jì)量公式qv=（π/4）D2v，（qv瞬時(shí)流量，D 管道直徑，V 流體流速m/s）當(dāng)管道材質(zhì)及尺寸設(shè)置與實(shí)際管道尺寸不符時(shí)，將使理論管道流通截面積與實(shí)際管道流通截面積產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。換能器的安裝距離是根據(jù)流體性質(zhì)、管道材質(zhì)、內(nèi)外管徑、安裝方式等參數(shù)綜合運(yùn)算的結(jié)果。據(jù)有關(guān)資料介紹，如果管道內(nèi)徑誤差±1%，則引起約±3%的流量誤差。如果安裝距離誤差±1 mm將產(chǎn)生±1.5%以內(nèi)的流量誤差。由此可見(jiàn)，只有正確設(shè)置管道參數(shù)，換能器才能安裝正確。因此，管道參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性直接影響著時(shí)差式超聲波流量?jī)x測(cè)量準(zhǔn)確度。

3.3 換能器安裝對(duì)時(shí)差法超聲波流量?jī)x測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量器件換能器聲波的傳輸分為直線式和反射式，反射式按安裝方式又有V 式、Z 式、W 式，可根據(jù)管徑、所測(cè)流體性質(zhì)，有無(wú)管襯以及現(xiàn)場(chǎng)安裝條件進(jìn)行選擇。另外換能器必須安裝在與管線正切的方向，否則會(huì)影響聲波的發(fā)射和接收，進(jìn)而影響時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

3.4 被測(cè)流體含氣量對(duì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

不溶氣體具有非常低的聲阻抗，可能造成聲束分散，含氣量大時(shí)，將減弱聲波信號(hào)強(qiáng)度，因此被測(cè)流體含氣量對(duì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)有很大影響。

在實(shí)際供熱生產(chǎn)中，所有熱量計(jì)安裝的外部條件勻已很好地滿足設(shè)計(jì)要求，但當(dāng)鍋爐出水溫度低于80℃時(shí)，熱量計(jì)工作正常，當(dāng)鍋爐出水溫度高于80℃時(shí)，管道內(nèi)會(huì)有細(xì)小的氣泡產(chǎn)生，在閉環(huán)的鍋爐系統(tǒng)中，這些氣泡使終裹挾在流體里，從而影響時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度，造成熱量值的誤差，影響熱量調(diào)節(jié)工作[2]。

要想消除這些氣泡，可以在鍋爐出口安裝一個(gè)大于出口管徑的聚氣裝置，加長(zhǎng)流量計(jì)上游的直管段距離，還可以采取安裝紊流裝置的設(shè)施，以減少和消除被測(cè)介質(zhì)內(nèi)的含氣量，保證熱量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性。

3.5 耦合劑對(duì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確度的影響

為了保證換能器能夠與管道充分接觸，安裝換能器時(shí)需要在管道表面均勻地涂一層耦合劑，一般厚度為1 mm，并將耦合劑內(nèi)的氣泡和顆粒擠出去，換能器的發(fā)射面應(yīng)緊密地貼在管壁上。

鍋爐出口溫度在冬節(jié)生產(chǎn)時(shí)往往會(huì)在100℃～110℃，安裝在鍋爐出口的時(shí)差法超聲波流量計(jì)如果使用普通的耦合計(jì)在短時(shí)間內(nèi)便會(huì)失效，從而影響時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度，因此，必須選用特制的耐高溫耦合劑。

在供熱管線上的時(shí)差法超聲波流量計(jì)，往往會(huì)安裝在儀表井內(nèi)，安裝環(huán)境潮濕，有時(shí)會(huì)被水淹，一般的普通耦合劑不具備防水性質(zhì)會(huì)很快失效，影響時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度，必須選用具有防水性的耦合劑。

耦合劑有使用有效期，根據(jù)性質(zhì)、品牌不同有效期也不盡相同，一般為12 個(gè)月，因此，為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度，每12 個(gè)月應(yīng)重新更換耦合劑，重新安裝換能器。

3.6 溫度傳感器對(duì)熱量計(jì)測(cè)量精度的影響

根據(jù)熱量表的工作原理可知，熱量表是由流量計(jì)、積算儀和一對(duì)溫度傳感器組成，為了保證熱量計(jì)的測(cè)量精度，時(shí)差法超聲波熱量計(jì)中的溫度傳感器往往采用分度值更為精細(xì)的PT500，并且是成對(duì)配置的，一支安裝在供水管道上標(biāo)記為紅色，另一支安裝在回水管道上標(biāo)記為藍(lán)色。

溫度傳感器不宜安裝在管道的較高位置上（可能充不滿液體）；要確保溫度傳感器的插入深度，應(yīng)使溫度傳感器位于管道中心偏下的位置。當(dāng)溫度傳感器與流量傳感器處于同一管路上時(shí)，溫度傳感器應(yīng)安裝在流量計(jì)下游5 倍管徑或更遠(yuǎn)的位置，以避免因安裝位置產(chǎn)生的氣泡和亂流影響流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

溫度傳感器的安裝位置還與被測(cè)目標(biāo)有一定的關(guān)系，在以鍋爐為熱源的零次網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)中，如果把零次網(wǎng)熱交換器作為熱量測(cè)量目標(biāo)，2 支溫度傳感器應(yīng)分別安裝在零次網(wǎng)換熱器的入口和出口管路上，這樣可以減少鍋爐到零次網(wǎng)換熱器之間的熱傳輸誤差，從而測(cè)得零次網(wǎng)換熱器的真實(shí)用熱量。

在鍋爐作為熱源的供熱循環(huán)系統(tǒng)中，把鍋爐的產(chǎn)熱量作為測(cè)量目標(biāo)時(shí)，2 支溫度傳感器應(yīng)分別安裝在鍋爐的出口管路和入口管路上。

在熱量的計(jì)算中，不論是采用焓差法還是熱系數(shù)法，供回水溫度溫差都對(duì)其有較大的影響，熱量計(jì)的溫度傳感器是成對(duì)配置的，當(dāng)2 支溫度傳感器的測(cè)量誤差向不同方向偏移或產(chǎn)生不同步偏移時(shí)，會(huì)加大溫度測(cè)量誤差，從而影響到熱量的測(cè)量準(zhǔn)確性。溫度傳感器根據(jù)使用性質(zhì)一般檢定周期為1～2 年，作為鍋爐熱量計(jì)的溫度傳感器，可每年檢定一次，以減少由于溫度傳感器的測(cè)量誤差帶來(lái)的熱量計(jì)系統(tǒng)測(cè)量誤差。

3.7 時(shí)差法超聲波流量計(jì)安裝位置對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

時(shí)差法超聲波流量計(jì)流的安裝應(yīng)遠(yuǎn)離高頻干擾源，例如變頻器、高壓電機(jī)、變壓器以及高壓線網(wǎng)等。應(yīng)有良好的接地系統(tǒng)，必要時(shí)可單獨(dú)設(shè)置地線網(wǎng)。電源線、信號(hào)線要分別穿金屬管敷設(shè)，并且金屬管要有良好的接地。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)對(duì)影響熱計(jì)量?jī)x表精度的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，給出了相應(yīng)的解決方案，為提高供熱企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、降低供熱企業(yè)能源消耗，節(jié)能減排，提高社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益提供助力。