發電廠供熱系統管損分析及優化策略

李永軍,李建榮

(江蘇新海發電有限公司,連云港 222023)

0 引 言

2022年一季度，某發電廠總供汽量為144 284 t，對外售熱關口表總計為144 120 t，某洗衣廠用汽334 t，兩項合計為144 454 t，已超過公司總供汽量170 t，廠內實際用汽量還有14 930 t，用汽量比供汽量多出15 100 t，數據明顯異常。

疫情期間，西線用戶停止用汽，為檢查西線關口表計量的準確性，3月13日，供熱組將位于廠外的西線供熱總門關閉，在沒有任何用戶的情況下，統計西線關口表在3月13日至31日18天時間空計了390 t。

東線管網經過去年一年時間的專項整治，目前沒有明顯的泄漏，但一月份東線關口表與東線售熱量相差13 316 t，二月份相差9 150 t，如此巨大的管損是不真實的，數據存在矛盾。

結合2021年，整個供熱系統情況來看，供熱系統抽氣總量遠遠大于售賣量，在2022年度依舊沒有明顯好轉，供熱管損異常居高，需要盡快分析并予以解決。

1 供熱系統管損異常原因分析

供熱系統概況：

公司2×330 MW機組有中壓(二抽來)和低壓(四抽來)兩路抽汽供熱，#15/16機組可以分別對外供汽，現有西線和東線兩條供熱管線，2×1 000 MW機組公用一個供熱母管經過FT1561流量計與東線供熱母管連接，廠區內供熱管線共裝設24套流量計，其中東線供熱以FT1554和FT1556(小旁路FT1556-1)作為關口流量(位于廠區東一道門北側)，西線供熱分別以FT1559和FT1560作為關口表(位于油泵房區域內)。

1.1 供熱流量儀表測量存在問題，無法確認供熱流量準確性

1.1.1 流量儀表一次元件無法有效校驗，造成測量誤差

常年供熱儀表執行定期校驗制度，但校驗范圍主要針對孔板、畢托巴流量計的測量二次表計開展，孔板、畢托巴流量計、渦街流量計一次測量元件均因為缺乏校驗手段沒有開展，可以說供熱儀表的計量準確性依然沒有得到有效驗證。

目前對于供熱流量計一次元件的校驗工作，經過咨詢設備廠家及相關電廠，均沒有較好的方法，通常能做的工作只能是校驗一下二次表計。而一次元件校驗只能通過實拆流量計本體送回生產廠家或者具備校驗資質的第三方校驗機構實施，校驗完畢再送回現場安裝投用。實施起來難度較大，一方面大管徑流量計如480表計、630表計體型龐大，拆裝運輸都是問題，另一方面表計運輸一來一去需要時間，校驗單位校驗也需要時間(按部就班，不加班突擊)，同時表計送校期間，對外供熱需要中斷，時間成本相當大，折騰不起，這也是相當數量供熱單位一次表計校驗工作存在的共性問題，難以解決。長期沒有校準手段，流量計測量的數值準確性就無法確認。

東浦480母管供熱關口流量(FT107)、一號門480母管供熱流量(FT1556)都安裝在供熱φ480管線上，FT1556表計安裝在一號門北側，FT107表計安裝在鐵路橋下，物理位置FT1556相比FT107更加靠近抽氣端，理論上通過FT1556的流量值應該高于FT107，而通過智能抄表系統可以經常看到，同一時間通過FT1556瞬時流量相比FT107要低，瞬時流量與FT107相差在2～5 t范圍內不等。

FT1556流量計為渦街測量方式，其傳感器儀表是通過直通管與內部傳感器相連，由于傳感器儀表不耐高溫(蒸汽溫度300度)，為保證儀表不被管道內部傳導高溫損壞，直通管不能進行保溫和伴熱，從而冬季時連通管會因低溫受凍造成流量計數值異常偏高，直到氣溫恢復到正常溫度時，該流量計才可以恢復正常測量狀態，FT1556缺陷單顯示，異常時間1月29日到2月18日，在此期間，流量數值遠遠偏離正常值。每年冬季都有這樣的表計受凍過程，極易造成傳感器儀表測量失準，FT1556極有可能存在測量準確度失準的故障情況。

由于FT1556與FT107都安裝在同一供熱480管線上，可以通過有效比對發現問題，相信其他流量計也有可能存在類似情況，但沒有比對或校驗手段，無法確認供熱流量準確性，可能是造成管損異常的原因之一。

1.1.2 流量計原始設計參數不適應當前工況，造成關口計量誤差

通常流量測量儀表下限都存在著測量死區，同時在蒸汽流量很小時流量表要克服干擾、變送器或傳感器的零漂影響或為保證流量計系統正常運行而設置了小信號切除功能，低于特定流量值時儀表按零值處理，高于此值時儀表正常運行，JJG 1003-2005《流量積算儀規程》規定：配套傳感器為標準節流裝置的，切除點應不大于設計工況下最大流量的8%；配套傳感器為其它類型的，傳感器切除點應不大于設計工況下最大流量的5%[1]。

(1)西線低壓供熱關口表FT1559原始設計偏離實際工況，小流量切除，造成計量誤差。

該線供熱用戶共計12家。初始設計時，流量計按照最大流量50 t，常用流量30 t，最小流量5 t參數配置，為渦街形式流量計。而現在供熱用戶已經縮減到4家，其余8家均已停用。經與實業公司現場了解，剩余的4個供熱用戶中，啤酒廠(啤酒)用戶最大流量在10 t/h左右，還是在旺季月份，平常流量在1～2 t/h，日用量很少；啤酒廠(麥芽)用戶，全年90%時間停用，偶爾用氣流量1 t/h不到；西大嶺澡堂不是全天開放，開放期間流量0.5 t/h，用氣時長很短；景悅食品日用流量<1 t/h，基本不用。

從2021-2022年經營部發布的供熱統計表中，都可以得到數據驗證，4個用戶月用氣量很少，大部分時間加起來也就2～3 t/h的日用流量，遠遠小于初始設計的30 t/h常用流量，熱關口表FT1559初始設計流量參數和目前實際工況已經發生明顯偏離，無論實際流量2 t或者3 t，只要小于關口流量表設計最小流量5/h，小信號切除，按零值處理計量(渦街流量計固有缺點：小流量狀態下無法產生穩定的渦流信號，從而無法準確計量用氣量)，久而久之，一年累計流量表差巨大，這也是全廠管損居高不下的可能原因之一。

(2)西線中壓出口總表FT16AZ2設計值偏離實際工況，造成測量值小于實際值。

流量計采用孔板測量方式，安裝在西線中壓供熱減溫減壓裝置后(#15爐給煤機平臺西側)，該表初始設計量程范圍偏小，最大流量只有5 t，用汽量大時經常有超量程情況，造成測量值小于實際值。

(3)百萬機組再熱冷段至分汽缸流量計設計值偏離實際工況，造成抽氣流量累計值偏小。

再熱冷段至分汽缸流量計(FT101、FT201)，流量計設計參數為：壓力4 MPa，溫度373 ℃，最大流量160 t，最小流量16 t，為類孔板A+K流量計。

設計量程為160～16 t，量程比為10∶1，流量計的最小流量就是刻度量程的10%16 t。在16～160 t這個流量范圍內流量計可以滿足有效測量。

由于季節因素及市場原因，目前供熱流量已偏離設計流量，尤其機組常態化深調低負荷狀態下，再熱冷段至分汽缸流量常態小于16 t，甚至于10 t以下乃至更小，一旦小于16 t，供熱邏輯自動進行小信號切除，按“0”值計算。按規范要求小信號切除點應不大于設計工況下最大流量的8%，我們已經達到了10%，故造成抽汽流量累計值嚴重偏小，造成統計誤差。

小流量切除功能，就是流量計廠家為了規避當實際流量小于最小流量時，流量計傳感器無法形成有效測量環境，從而造成測量數據紊亂，無法提供有效測量數據而專門設置的。即使放開此功能，DCS顯示所測數據也不具有參考價值(目前DCS小流量切除邏輯已取消，但實時流量示值明顯不準確)。按照發電部提供的供熱流量排查統計，4月份和5月份抽汽端偏差分別為偏小4 008 t和4 870 t。

多臺流量計設計參數與當前工況不符，造成統計誤差，也是管損異常的可能原因。

1.2 大口徑供熱管路和流量計測量方式適配問題上，存在錯配現象，造成管損誤差

供熱系統中，流量計的選擇是非常重要的，既要考慮關口表計量準確性，更要考慮流量計本身的壓力損耗，以保證供熱系統測量準確性，提高經濟性。

流量計選用應盡可能滿足如下準則：

(1)流量儀表的重復性要好；

(2)流量測量系統的總準確度較高；

(3)流量計本身有相當強的流動調整能力，要求較短的直管段；

(4)總的永久壓力損失要小、耗能費要少；

(5)流量測量的量程比要較寬；

(6)流量計本身有自清掃能力，可測量臟污流體；

(7)流量計本身耐受流體腐蝕能力要強，性能要長期穩定，可靠耐用；

(8)流量計本身故障率要小，維護與修理費用要少；

(9)流量計本身無可動部件，檢定周期較長，使用壽命較長[2]。

一般來說：溫度高于300 ℃、工藝管徑大于DN300時，可選用一體化標準噴嘴、畢托巴流量計、孔板流量計；

溫度低于300 ℃、工藝管徑小于DN300時可選用寬量程一體化標準噴嘴流量計、旋進流量計、渦街流量計。

1.2.1 大口徑供熱管路和流量計測量方式錯配不合理

(1)大口徑渦街流量計

渦街流量計原則上適用于300口徑以下的管路，隨著量程范圍增大，準確度下降。由于流量系數與雷諾數有關，量程比范圍度僅1∶3～1∶4，好一點渦街傳感器量程比也只有1∶8～1∶10。這也是國外優良品牌流量計沒有大口徑產品的原因所在，而國內制造商為了占領大口徑渦街流量計市場只能以犧牲準確度和最小流量為代價，其最大缺點是小流量狀態下無法產生穩定的渦流信號，這是它固有的取壓方式造成的，當實時流量小于流量計最小流量時，造成了關口計量的不確定性，也造成了很大的管損困擾。(上述我廠西線低壓供熱關口表FT1559已經產生類似現象，具體表現已經論述)。

渦街流量計在大口徑管路上計量準確性不高。

(2)大口徑孔板流量計

孔板類流量計(含平衡流量計)，采用孔板以內孔銳角線來保證精度，對腐蝕、磨損、結垢、臟污敏感，孔板入口邊緣磨損，精度逐漸喪失，性能不穩定，需要定期標定。ISO5167-2003 規定：入口邊緣 G 應為尖銳的，入口邊緣的圓弧半徑應小于 0.000 4 d。實際在使用中無法保持孔板幾何尺寸不變，長期使用精度難以保證，需每年拆下強檢。由于眾多因素的影響錯綜復雜，精確度難于提高。同時安裝方式法蘭連接，非常容易發生跑、冒、滴、漏的問題，增加了人工維護工作量，也減少了正常供氣時段。

大口徑孔板流量計測量的重復性、精確度在流量計中屬于中等水平。

(3)大口徑畢托巴流量計

國有企業或國有資本是我國經濟的重要引擎和主導力量，近年來，國有資本向關系國家經濟命脈、國家安全的重要行業集中，但對一般性或競爭性實體行業的經營和投資持續弱化，造成投資不足，國有企業在大部分行業中并沒有發揮促進產業融合、改善產業組織結構的功能， 建議加快完善國有企業治理結構和考核機制。

畢托巴流量計采用飛機空速管原理設計，一次元件傳感器采用Φ20～Φ50不銹鋼制成(不同介質選用特種鋼1Cr18Ni9Ti等)，可耐介質最高溫度650 ℃，介質最高壓力32 MPa，由于取壓頭采用V型斜面設計，截面積很小，在介質管道中基本無壓力損耗，具有自防堵功能，可有效防止異物顆粒物堵塞，能長時間保持測量精度。對于氣體流速在4 m/s以上，液體流速在0.2 m/s以上，流量在0.2 t/h～50 000 t/h的介質都能夠精確測量，在2%～100%的量程規模準確度為0.2%，具有良好的線性度和重復性。對介質管道截面的幾何形狀無要求，圓形、橢圓形、長方形、方形、棱形、三角形、梯形等均適用，對低流速、小流量、大管徑流量測量作用尤佳。

通過分析比較，大口徑流量計中，渦街流量計準確度方面性能較低，畢托巴流量計性能較高。

我廠的 FT1556(480管道)、FT1556-1(480管道)、FT1559(325管道)渦街流量計分別安裝在480管路和325管路上，屬于大口徑渦街流量計，其計量準確性和工況適應性，尤其最小流量工況測量，無論采用小信號切除或者不采用，都不能對供熱系統實際流量進行準確測量，是造成我廠供熱管損居高不下的可能因素之一，為避免供熱數據紊亂，對外結算造成誤判，須采用寬量程尤其能對小流量精確測量的流量計，進行選型調整。

1.2.2 大口徑供熱管路和流量計壓力損耗適配問題上，存在錯配現象，造成管損誤差

壓力損失的大小是流量儀表選型的一個重要技術指標。壓力損失小，流體能量消耗小，輸運流體的動力要求小，供熱成本低。反之則能耗大，造成管損統計異常，經濟效益相應降低。

(1)孔板類流量計供熱壓損分析

供熱系統中孔板類流量計永久性壓力損失很大，這是由孔板類流量計取壓方式所決定的.供熱壓損通常選用模型：以維持一臺孔板流量計正常運行，水泵電動機需要附加動力克服孔板的壓力損失來說明，通過壓力損失和流量計算轉化為附加耗電量，折算出需消耗電量度數，直觀的折合成人民幣數值，這也稱為孔板流量計的附加運行費用。

供熱系統孔板類流量計過多，無形中會造成業主方巨大的供熱損耗，影響供熱經濟性。

假設：測量介質為過熱蒸氣，管徑為Φ219*6(mm)，壓力為0.8 MPa，溫度為210℃，在此溫度、壓力下其蒸氣密度為3.74 kg/m3，流量為20 t/h時，該工況下，蒸氣體積流量為：

Qv=20×1 000/3.74≈

5 347.59 m3/h =1.485(m3/s)

使用孔板類流量計測量，其壓差為50 kPa，β=0.5，則產生的壓損：PPL0=0.5×50=25(kPa)。

假設1臺電動機效率η=0.8，

孔板類流量計損失的功率為：Hp=1.485×25/0.8=46.4(kW)

假設每度電的電費為0.5元，每年孔板類流量計的能耗換算成電費=365×24×46.4×0.5≈203 232(元)

(2)畢托巴流量計壓損分析

由于畢托巴流量計取壓頭采用V型斜面設計，截面積很小，在介質管道中基本無壓力損耗，壓力損失系數(0.03)比孔板類的壓力損失系數(0.5)小一個數量級，所以畢托巴流量計的壓損和孔板類的壓損相比是微乎其微的，在相同的差壓下畢托巴流量計壓損和孔板類壓力損失比約為1∶16。

假設：測量介質為過熱蒸氣，管徑為Φ219*6(mm)，壓力為0.8 MPa，溫度為210 ℃，在此溫度、壓力下其蒸氣密度為3.74 kg/m3，流量為20 t/h。

該工況下，蒸氣體積流量為：

Qv=20×1 000/3.74≈

5 347.59 m3/h =1.485(m3/s)

同樣條件下使用畢托巴流量計的差壓為10 kPa，β=0.03，則產生的壓損：

PPL1=0.03×△P=0.03×10=0.3(kPa)

假設1臺電動機效率η=0.8，則畢托巴流量計損失的功率為：

Hp=1.485×0.3/0.8=0.557(kW)

假設每度電的電費為0.5元，則每年畢托巴流量計的能耗換算成電費=365×24×0.557×0.5≈2 440(元)。

綜上綜述：每年孔板類流量計的能耗換算成電費約為203 232(元)，每年畢托巴流量計比孔板類節省的運行費用為203 232-2 440=200 792(元)，畢托巴流量計與孔板類流量計的運行費用比為1.2∶100。

畢托巴采用非收縮節流設計，和孔板類流量計比較，永久壓損降低了94%，運行費用降低98.8%，畢托巴流量計在運行使用中節能降耗上有較大優勢。

渦街流量計壓力損耗一般是巴類的3～5倍。

2 供熱系統降低管損優化策略及解決方案

2.1 針對流量計一次元件無法校驗問題，采用“便攜式流量測量裝置”進行比對校驗方案更為合理

(1)加裝表計旁路定期校驗關口表記，發現異常排查處理。定期采用旁路表計進行流量比對，檢測流量計計量準確性。相當于1∶1配置現場儀表，旁路直管段要求高，加之材料成本、安裝成本，總體費用較高，無法校驗一次元件依然是個問題。

(2)不校驗，直接進行流量計設備定期更換，以更換設備代替校驗。按照供熱流量計選性原則，充分考慮計量準確性、節能性、合適的量程比要求，對現有表計進行更換，一次更換費用較3.1.1方案略有節省，但須保證5～6年更換一次，長期成本依然較高。

(3)采用“便攜式流量測量裝置”進行比對校驗，發現問題，排查處理。采用便攜式流量測量裝置，通過安裝校驗球閥和校驗法蘭，直接對現場表計開展比對校驗，一次測量元件準不準，一目了然。此方案更貼近實際，成本最低，能夠快速提供表計性能排查數據，對我廠管損居高不下問題分析提供決策依據。同時也使今后的供熱表計校驗工作周期化、完善化、準確化。

便攜式流量計設計初衷并為考慮用于校驗流量計一次元件準確性，但其性能和便攜性對于我廠開展流量計比對校驗，完全適用，簡單方便，可靠性高，可以有效解決大口徑流量計無法校驗的實際困難。

綜上所述，采用“便攜式流量測量裝置”進行比對校驗，更為合理。

便攜式流量測量方案推進具體措施：

在現有供熱關口流量計一次元件無法實施有效校驗的情況下，采用便攜式流量測量方案，以有效檢測現有各關口表計的計量準確性，為整個管損分析提供可靠的源頭分析數據。

具體如下：

在我廠需要重點監測的表計如關口表附近，預裝校驗球閥及便攜式校驗裝置安裝法蘭，正常情況下球閥關閉，法蘭封口。當按照流量計校驗周期需要校驗時，聯系發電部降壓(在線拔插)或者停氣(更安全)，解開法蘭封口，打開球閥，將便攜式流量校驗裝置按刻度(保證插深)插入對應管路，則可利用便攜式計算機展開對預設表計的流量測定工作。當所有數據錄取完畢，再通知發電部降壓(在線拔插)或者停氣(更安全)，將便攜式校驗裝置拔出，關閉球閥，封閉校驗法蘭。從計算機導出測量數據與被校儀表測量值進行比對，完成流量計一次元件校驗工作。如此推進，直至所有應校表計全部校驗完成。示意圖如下：

2.2 對于流量計原始設計參數不適應當前工況，造成關口計量誤差解決方案

采用寬量程比、壓損小、計量準確性高(小流量可以準確計量)的流量計結合現場實際供熱參數要求予以替換，從根本上消除這幾套流量計的測量弊端，這是見效最快的降低管損措施。

2.3 大口徑供熱管路和流量計測量方式錯配和壓力損耗錯配，造成管損誤差，采用巴類流量計改造解決方案

孔板類流量計在各種流量計中，壓力損耗最大。渦街流量計壓力損耗一般是巴類的3～5倍，在相同的差壓下孔板類和畢托巴流量計壓力損失比約為16∶1。供熱蒸汽尚未出廠，經過如此多的孔板節流，供熱壓力損耗不可謂不大，如果開展針對性詳細數據分析，一年的供熱損耗可以用“驚人”來形容。通過對我廠各型流量計針對性數據分析，我廠供熱損耗目前現狀來看，可以改善提升的空間很大。

目前我廠大口徑孔板類流量計(含A+K平衡流量計DN300以上)有8套，占到了大口徑總數的50%。清單如下：

(1)#15機低壓抽汽流量FT1502(φ530孔板)

(2)#16機低壓抽汽流量FT1502(φ530孔板)

(3)東線低壓減溫器后流量 FT106關口表(φ630孔板)

(4)東浦線關口FT107(DN480)東線關口表FT106D(N630孔板)

(5)#1機再熱冷段抽汽管道蒸汽流量計FT101(Φ426 A+K平衡流量計)

(6)#2機再熱冷段抽汽管道蒸汽流量計FT201(Φ426 A+K平衡流量計)

(7)東線中壓抽汽母管流量FT1551(φ325)

(8)東線低壓供熱至紅農線FT1555(φ325孔板暫未投用)

從節能角度出發，有效降低供熱管損，在全面檢測孔板流量計性能前提下，采用寬量程比、壓損小、計量準確性高(小流量可以準確計量)的巴類流量計進行流量計節能優化改造，對于供熱系統節能降耗可以起到事半功倍的效果，較為緊迫。

利用供熱用氣低谷，逐步實施對孔板類流量計的節能換型改造，有效降低各孔板對供熱壓力的異常損耗，以實現降耗提效的供熱目標。同時實現對我廠供熱系統流量計多品種、多品牌的有效整合，著力消除不同流量計本身在不適工況下的自身誤差以及測量誤差，改變流量計品種混雜現狀，逐步實現我廠供熱系統流量計一體化進程，統一誤差、統一校驗、統一維護、統一管理，有效解決供熱管損長期居高不下的不利局面，創建火電企業標桿供熱管理系統。

3 結束語

通過某電廠供熱管損居高原因分析以及相關應對措施的策略研判，不僅能夠大大提高系統流量計的測量準確性，降低供熱管損，還通過流量計降低壓力損耗的節能改造，大幅降低了熱能浪費，提高了供熱系統運行合理性和經濟性，降低了維護成本及維護工作量。對于同類型機組供熱系統節能降耗有著良好的借鑒作用。但各電廠各自流量計等設備狀況以及供熱策略、系統智能化配置等情況各不相同，需要做更加細致的研究，使供熱系統節能降耗更加貼近實際。