智慧供熱系統數據運行核查方法研究

方修睦 楊大易 周志剛

(1.哈爾濱工業大學,哈爾濱;2.哈爾濱中冕智慧能源科技有限公司,哈爾濱)

0 引言

智慧供熱系統由供熱物理設備網、供熱物聯網和智慧供熱平臺組成。智慧供熱打破了傳統供熱的經驗驅動決策的方式,以數據分析為切入點,由經驗和流程驅動轉向數據驅動,可實現在一定條件約束下對供熱系統運行調節的最優決策方案及智能控制策略。

供熱物理設備網分布在城市的各個角落,需要在每一個監測區域,通過大量的計量器具(又叫做測量儀器,本文稱為計量器具)將物理設備網運行中產生的隱性數據轉化成顯性數據,用來監督供熱系統的運行及進行運行決策和智能控制。高質量數據是數據分析的前提和分析結論可靠性的保障。數據質量低將導致源于數據形成的知識和決策產生錯誤,直接影響智慧供熱的決策結果和控制效果。

影響數據質量的因素多與數據采集及傳輸環節有關。數據傳輸環節的質量問題,如接口數據及時率低、接口數據漏傳、數據包丟失、文件傳輸方式錯誤、傳輸協議使用不當導致的數據不完整等問題,容易被識別?？赏ㄟ^采用合理的數據清洗方法及保障數據完整可靠的技術,使殘缺的數據完整,將錯誤的數據糾正、多余的數據去除,進而保證傳輸環節數據的準確性、完整性、有效性。數據采集環節的問題,往往與計量器具的質量、工作條件及工作狀態有關。出廠檢驗合格的計量器具,安裝使用后,由于選型不當,經常出現“大馬拉小車”或“小馬拉大車”現象;由于現場安裝使用條件偏離了計量器具的技術要求,使得實際使用時其準確性無法保證;在使用一段時間后,計量器具本身性能也會發生變化;不斷出現的各種作弊手段,如人為修改儀表系數、制造強磁場干擾等,使得計量的數據嚴重偏離真實結果。現有的供熱企業缺少懂儀表、懂弱電、懂計算機的人員,導致異常的計量器具問題不能及時被發現,很多企業安裝的計量器具帶病工作,測量數據可信度低。實際運行的物理設備網中有的計量器具拆卸困難(如大口徑的流量計拆卸安裝成本較高),且很難為檢查計量器具的性能而停止系統運行。目前缺少能在使用現場應用的簡單、有效的檢測方法或設備來對運行的計量器具性能進行評估。

本文從計量的基本概念出發,討論計量器具的檢定、校準及運行核查的區別,研究智慧供熱系統計量器具在線運行核查方法,為及時發現工作異常的計量器具、確保測量數據的準確性及可靠性提供理論指導及技術支撐。

1 檢定、校準及運行核查的區別

目前供熱物理設備網中使用的計量器具數量雖然巨大,但種類較少,主要有熱量表、流量計、溫度傳感器、壓力傳感器和電能表幾種。從用途上分,這些計量器具又可分為貿易結算表、安全防護儀表、運行管理儀表。為保證不同用途的計量器具工作狀態良好、測量數據準確,需要根據計量器具的用途,采取不同的檢測方式對計量器具的工作狀態進行判定,這涉及到檢定、校準和運行核查的概念及區別。

1.1 檢定

檢定是經過政府授權的計量檢定機構依法對國家依法管理目錄中的相關計量器具的準確性、穩定性等性能進行評估時所開展的工作,是查明和確認計量器具符合法定要求的活動[1]。檢定是進行量值傳遞的重要形式,對于保證量值準確有著非常重要的作用。檢定依據國家計量檢定規程(JJG),通過實驗確定計量器具的示值誤差是否符合要求,超出JJG規定的量值誤差范圍為不合格,在規定的量值誤差范圍之內則為合格。合格的給與檢定證書,不合格的出具檢定結果通知書(見圖1)。檢定具有明確的法律約束性及公正性[2]。出具的檢定證書及數據,是一種計量仲裁的依據?！吨腥A人民共和國計量法(2018修正)》規定,用于貿易結算、安全防護、醫療衛生、環境監測方面的列入強制檢定目錄的工作計量器具,實行強制檢定。未按照規定申請檢定或者檢定不合格的,不得使用[3]。

圖1 工作計量器具的檢驗、校準及核查的區別

國家市場監管總局2020年10月26日發布的《實施強制管理的計量器具目錄》中,將用于供熱貿易結算的DN15～DN50熱量表、DN300及以下的流量計、電能表及用于安全防護的壓力變送器和壓力傳感器都列入了強制檢定目錄。

1.2 校準

校準是在規定條件下,為確定計量器具或計量系統所指示的量值,或實物量具或參考物質所代表的量值,與相對應的由標準所復現的量值之間關系的一組操作[1]。校準依據國家計量校準規范(JJF)或JJG,通過與精度較高的標準器具比對測量,得到被檢計量器具相對標準器具的誤差。

校準不需要像檢定那樣判斷計量器具是否合格。校準機構提供的校準證書中,給出的是計量器具示值的修正值(見圖1)。校準結果一般不具有強制性和公證作用。但是當用戶明確告知使用目的,或給出計量要求時,校準機構可以根據已知的計量要求或相關標準判斷被校計量器具合格與否。校準是檢定的技術組成部分,是評價計量器具計量性能的技術過程。計量器具是否適用,需要測量設備用戶利用校準結果與計量要求進行比較,并進行計量驗證。用戶可根據校準結果,確認該計量器具是否滿足使用要求[4],確定該計量器具是否可用。

國內熱電廠與供熱公司之間進行貿易結算用的大口徑熱量表或供熱用的大口徑流量計未列入強制檢定目錄?！吨腥A人民共和國計量法(2018修正)》規定,使用單位應當自行定期檢定或者送其他計量檢定機構檢定[3]。目前國內具備檢定大口徑熱量表或流量計能力的單位較少,加之這些表具拆卸工作量較大、拆卸安裝成本高,成為檢定的難點。對這些計量器具,應在有檢測能力的單位完成首檢后,在使用期間,在被測計量器具不離開現場的情況下進行校準,確認其在實際運行條件下流量測量系統(包括流量計、前后直管段、介質流動狀態等)誤差等計量特性參數是否在預期的允許范圍內。流量計的在線校準,通常是在校準條件與現場實際使用條件充分一致的情況下進行的,其目的是真實反映整套測量系統實際工況下的計量特性,可采用流量標準裝置法、示蹤法和速度面積法進行校準。

目前在線校準檢測的是單臺計量器具,檢測數據可以現場讀取,也可將網絡技術與傳統的計量校準技術相結合,實現遠程校準。

1.3 運行核查

檢定及校準是通用計量術語,而運行核查則不是。運行核查的概念與“驗證”定義相似。在GB/T 19000—2016《質量管理體系 基礎和術語》中將驗證定義為:通過提供客觀證據對規定要求已得到滿足的認定。運行核查一詞最早出現在CJJ/T 223—2014《供熱計量系統運行技術規程》中,是指在實際運行條件下,對計量器具完好狀態進行的檢查核對[5]。運行核查依據產品性能指標及使用單位的計量要求,通過與基準計量器具比對測量或利用供熱系統的機理和設備(部件)、被核查計量器具的相關參數變化來判斷被核查計量器具的工作狀態,驗證或評估計量器具測量值等性能仍保持或已超過原校準值等性能范圍,為是否仍可繼續使用或需進一步檢查提供依據。運行核查包括工作條件核查和技術性能核查2種。

1) 工作條件核查主要是核查所安裝的計量器具要求的工作條件是否滿足,這是保證計量器具正常工作的基礎。以流量計為例,目前在供熱行業應用最多的超聲波流量計和電磁流量計在實驗室檢定時采用水進行檢定,環境條件受控、流體流速穩定、直管段滿足要求;而流量計安裝現場的實際環境條件無法控制、流體流速時常變化、安裝直管段差別較大,這些因素直接影響測量結果。根據計量學的基本原則(特性相同性原則和過程相同性原則)[6],受速度分布明顯影響的流量計,應重點關注實際安裝的流量計的直管段,連同直管段一起核查。因此工作條件核查除核查流量計要求的工作環境(如溫度、濕度)是否滿足要求外,主要關注流量計上下游的直管段是否滿足說明書的要求。

① 直管段長度:如使用說明書中沒有規定,則流量計應安裝在離任何上游擾動部件至少10倍管徑和離任何下游擾動部件至少5倍管徑的直管段中[7]。對于在不同阻力構件附近安裝的流量計的測量結果,可采用式(1)進行修正,以獲得與初始檢定準確度最接近的測量準確度。

Gs=γG0

(1)

式中Gs為修正后的流量,m3/h;γ為安裝條件修正系數;G0為流量計顯示的流量,m3/h。

表1為在實驗室利用標準熱量表檢定臺測量的安裝條件修正系數。被檢流量計為0.5級便攜式超聲波流量計,超聲波流量計測量誤差已根據檢定數據進行了修正。試驗條件見圖2。后直管段長度L2≥20倍管徑。

表1 安裝條件修正系數

圖2 試驗管段

② 流量計上下游的直管段是否內壁清潔、無明顯凹痕、積垢和起皮等現象。

③ 流量計上下游直管段的管道內徑與流量計測量管徑的偏差是否滿足要求。相關試驗結果表明[8],管道內壁的厚度減少0.5 mm,測量結果將偏移0.37%,內襯材料的變化對測量結果的影響范圍為±(0.5%～0.7%)。在生產廠家沒有具體規定的情況下,流量計上下游直管段的管道內徑與流量計測量管徑的偏差應小于3%。

2) 技術性能核查主要是核查計量器具規定的技術性能是否達到或發生變化,這是保證計量器具測量數據準確的基本條件。運行核查不判斷計量器具的準確度合格與否,也不判斷測量值是否超差,只評估或驗證投入運行后的計量器具在2次檢定或校準之間性能是否仍保持或超過原檢定性能的范圍。

運行核查為計量器具是否仍可繼續使用或需進一步檢查提供依據[9]。對出現異常的計量器具給與告知。計量器具使用單位可根據告知內容,確定是否對應用的計量器具進行校準(見圖1)。對計量器具的運行核查可在現場進行在線核查,也可根據上傳到云平臺的數據,在云上實時進行運行核查。在線運行核查可用于熱源、熱力站、樓棟、熱用戶的流量核查;在線運行核查簡單、方便,可以節省大量計量器具拆裝費、運輸費及檢定費,減少計量器具離線檢定或校準成本及工作量,可使供熱企業在不投入大量資金的情況下,保證數據的準確性,以及提高工作效率。運行核查可對單臺計量器具進行核查,也可以在云上對計量器具群進行群核查。云在線運行核查可實現在云上對計量器具的完好狀態進行確認,為保證測量數據的準確性所付出的成本更低,更適合于智慧供熱系統應用的計量器具的在線診斷,是智慧供熱的發展方向。

2 供熱用計量器具的管理

目前供熱企業應用的熱量表、流量計、溫度傳感器、壓力傳感器、壓力變送器和電能表,只用于供熱系統運行數據的日常測量,屬于工作計量器具。工作計量器具可以分為A、B、C 3類。

1) A類計量器具為用于貿易結算、安全防護,并列入強制檢定工作計量器具范圍的計量器具。

2) B類計量器具為未列入強制檢定工作計量器具范圍的用于貿易結算、安全防護方面的計量器具,以及作為二、三級能源計量用的計量器具。

3) C類計量器具為低值易耗的、非強制檢定的計量器具,內部能源分配用計量器具,以及國家計量行政部門明令允許一次性檢定的計量器具。

市場監管總局2019年第48號發布的《實施強制管理的計量器具目錄》中規定:用于貿易結算的熱能表(DN15～DN50)、流量計(DN300及以下)、電能表,以及用于安全防護的壓力變送器、壓力傳感器,實行型式批準+強制檢定。強制檢定的方式有2種:工業用實施周期檢定;生活用實施首次強制檢定、限期使用、到期輪換。其他未列入強檢目錄的計量器具(如用于貿易結算的大口徑熱能表及流量計),使用者可自行選擇非強制檢定或校準方式,保證量值準確。

為了保證計量器具的產品質量,A類及B類計量器具生產廠家在出廠時對獲得型式批準的產品進行出廠檢驗,A類計量器具使用單位送當地縣(市)級人民政府計量行政部門指定的計量檢定機構進行強制檢定(首次檢定),B類計量器具使用單位自行確定送檢或校準;C類計量器具生產廠家在出廠時對通過型式檢驗的定型產品進行出廠檢驗,使用單位可進行自行核查。為避免由于現場安裝使用條件限制導致的測量誤差,A類、B類及C類計量器具在竣工驗收時,均應進行工作條件核查。《中華人民共和國計量法實施細則(2022年修正本)》中規定,使用實行強制檢定的工作計量器具的單位和個人,應當向當地縣(市)級人民政府計量行政部門指定的計量檢定機構申請周期檢定(見圖3)。

圖3 工作計量器具的質量保障

不同的計量器具規定的檢定周期不同。JJG 1033—2007《電磁流量計檢定規程》規定,準確度等級低于0.2級及使用引用誤差的流量計檢定周期為2年。JJG 1030—2007《超聲流量計檢定規程》規定,檢定周期一般不超過2年。JJG 225—2010《熱量表檢定規程》規定,口徑大于32 mm的熱量表,檢定周期一般為3年。JJG 596—2012《電子式交流電能表檢定規程》規定,0.2S級、0.5S級有功電能表,其檢定周期一般不超過6年;1級、2級有功電能表和2級、3級無功電能表,其檢定周期一般不超過8年。JJG 860—2015《壓力傳感器(靜態)檢定規程》規定檢定周期一般不超過1年。JJG 882—2019《壓力變送器檢定規程》規定檢定周期一般不超過1年。

為避免使用的計量器具由于使用時間增加造成計量器具的計量誤差超出誤差限值,A類及B類計量器具在檢定(校準)周期內應實時進行運行核查,C類計量器具應實時進行運行核查,以及時發現并剔除有問題的計量器具,保證計量器具的完好,防止影響計量結果。

3 供熱用計量器具的技術性能核查方法

供熱用計量器具的技術性能核查是在被核查計量器具不離開安裝使用系統的情況下(稱為在線),利用其本身接口特點及工作原理對其性能進行測量的過程。運行核查方法可分為直接核查法和間接核查法。直接核查法是將滿足核查要求的計量器具(作為基準表)與被核查計量器具安裝在工作條件相同的同一熱力系統中,通過將基準表的測量數據作為參考測量值與被核查計量器具的測量值進行比對,來確定被核查計量器具的工作狀態。間接核查法是利用物理設備網的機理、設備(部件)或被核查計量器具的相關參數等所獲得的供熱系統數據作為參考測量值,與被核查計量器具獲得的測量值進行比對,來判斷被核查計量器具的工作狀態。實際使用的供熱用計量器具中,流量計出問題最多,數據可信度最差。由于篇幅所限,這里僅討論流量計(包括組成熱量表的流量傳感器)的在線核查方法。

流量計的在線核查需根據被核查的流量測量系統獲得的測量值和基準表獲得的參考測量值,依據式(2)計算出測量結果的相對示值誤差,然后根據式(4)判斷被核查流量計工作狀態。誤差滿足式(4)要求的流量計可以繼續使用。誤差不滿足式(4)要求的流量計,對所核查流量計的儀表系數允許在線修正的,對被核查流量計示值進行修改后,進入下一輪運行核查判斷;不允許在線修正的流量計,可進行在線或離線校準(見圖4),以確定被核查流量計是否可以繼續使用。

圖4 核查流程圖

(2)

(3)

-|Eimax|≤E≤|Eimax|

(4)

Emax=3Δ

(5)

式(2)～(5)中Eij為第i個流量測量點在第j次測量時被核查流量計的相對示值誤差;Gij為第i個流量測量點在第j次測量時被測流量計的累計流量(瞬時流量)值,m3(m3/h);Gsij為第i個流量測量點在第j次測量時基準流量計的累計流量(瞬時流量)值,m3(m3/h);Ei、Eimax為被核查流量計第i個流量測量點的相對示值誤差和相對示值誤差最大值;n為第i個流量測量點的檢定次數;E為被核查流量計的相對示值誤差范圍;Δ為被核查流量計的誤差限。

流量計的在線核查同樣有直接核查法和間接核查法。直接核查法可分為基準表法和示蹤法。這里僅討論流量計的直接核查法,間接核查法將另文討論。

3.1 基準表法

以高精度的便攜式超聲波流量計作為基準表,使流體在相同時間間隔內,同時連續通過基準表和被核查流量計,根據兩者的輸出流量值,利用式(2)～(5)確定被核查流量計是否可繼續使用。

表2是利用0.5級的便攜式超聲波流量計作為基準表對固定式超聲波熱量表的流量核查結果。被核查熱量表前直管段長度為10倍管徑,表后直管段長度約為10倍管徑,準確度等級為2級,被核查熱量表的流量誤差限Δ按式(6)計算:

表2 用便攜式超聲波流量計在線核查結果

(6)

式中qp為被核查熱量表額定流量,m3/h;q為被核查熱量表實際流量,m3/h。

根據式(5)和式(6)可以求得DN150的被核查熱量表的流量誤差限Emax=6.41%,DN80的被核查熱量表的流量誤差限Emax=6.39%。由表2可見:DN80的被核查熱量表的流量測量誤差分別為6.24%和5.96%,滿足式(4)的判別條件,表明儀表數據可信;DN150的被核查熱量表的流量測量誤差為-13.78%,不滿足式(4)的判別條件,表明被核查熱量表的流量數據不可信。在熱量表檢定臺對該熱量表的流量檢定誤差為-13.84%(見表3)。在線核查結論與熱量表檢定臺的檢定結果一致,這表明用高精度的便攜式超聲波流量計作為基準表進行在線核查的結果是可信的。

表3 標準臺檢定結果

3.2 示蹤法

示蹤法是在流動的流體中加入不同類的物質,在已知管道橫截面積的情況下,通過測量所加物質的移動速度來求出水的體積流量。示蹤法流量測量系統由示蹤劑、測量管段及測量示蹤劑蹤跡的儀表組成。示蹤法流量測量精度高,用該流量作為基準流量,既可用于流量在線校準,也可用于流量在線核查,其技術在國際上早已應用。早在上世紀70年代就有了國際標準《封閉管道中水流量測量——示蹤法》(ISO 2975-1～7),該標準中規定了用放射性示蹤劑或非放射性示蹤劑的實施方法和具體要求。示蹤法有恒速注入法和傳輸時間法2種。

恒速注入法也稱稀釋法。該方法可用食鹽溶液、加熱流體或染料等作為示蹤劑,示蹤劑以恒速注入管道(見圖5),且使其在管道截面上均勻擴散。注入示蹤劑的體積流量為q,體積濃度為C1,測量取樣口示蹤劑的體積濃度為C2,按式(7)可求得流過管道的水流量G。

圖5 恒速注入法原理

(7)

傳輸時間法是將半衰期短的放射性溶液,如銦-113 m(半衰期99.8 min)、鈉24(半衰期15 h)、鉻-82(半衰期30 h),以短脈沖形式注入到管道中,待混合均勻后,利用在距注入點不同距離處安裝的2個射線探測設備檢測示蹤劑濃度峰值通過的時刻(見圖6)。根據2個射線探測設備的距離L和管道橫截面積F,可求出管道內流體的體積V;根據測得的示蹤劑濃度峰值出現的時間差T,利用式(8)可以得到流經管道的流量G。

1.示蹤劑注入孔;2.攪拌器;3.射線探測器。注:δ為注入的示蹤劑體積。圖6 傳輸時間法原理

(8)

傳輸時間法使用方便,測量精度高,在大慶油田采油二廠南六聯污水站上進行的現場試驗(示蹤劑為銦-113 m,采用NaI探測器)表明,在滿足試驗條件的情況下,可以達到1%的測量精度[10]。

稀釋法適合在直管道較長的供熱系統中核查流量,傳輸時間法適合在一次網中核查流量。但到目前為止,國內尚未見示蹤法在供熱領域中應用的報道。

4 結論

1) 智慧供熱系統的核心功能原理是基于數據驅動的供熱物理設備網與數字空間的全面互聯與深度協同,以及在此過程中的智能分析與決策優化。高質量數據是數據分析的前提和分析結論可靠性的保障。智慧供熱系統建設必須注重高質量數據的獲取。

2) 傳感器的工作狀態核查是保證數據質量的基礎,實施智慧供熱在線核查是解決目前供熱企業技術力量不足、保證數據質量的最佳技術路線。

3) 對安裝使用的流量計根據其實際安裝工作條件,采用安裝條件修正系數對測量結果進行修正,是解決直管段長度不夠問題的有效方法,建議加大研究力度,通過試驗完善常用流量計的安裝條件修正系數,以方便工程應用,為提高流量計數據質量提供基礎支撐。

4) 采用基準表法對使用的流量計進行技術性能核查,可以正確判別正在運行的單臺流量計的工作狀態。

5) 示蹤法是解決大口徑貿易結算表數據質量問題的有效方法,在國內供熱行業尚未見到研究報道,應加強此方面的應用研究,總結應用經驗。