基于歸一化原理的流量計群在線核查方法

方修睦 楊大易

(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

在智慧供熱的物理設備網中,所應用的流量計較多,構成了數量龐大的流量計群。不同規模的供熱物理設備網,流量計群的規模不同,各群安裝的流量計種類不同、生產廠家不同、精度等級不同、安裝使用條件不同。大量流量計長期在非標準測試工況下工作,其性能逐漸劣化,測試精度發生變化,有問題的測量數據逐漸增多。即使是均采用合格流量計的新投入運行的系統,也存在著熱源流量計測量的總流量與各熱力站流量計測量的流量之和差別較大,導致流量計群中測量數據不閉合的問題,影響供熱企業對數據的深入分析和能耗考評。針對目前供熱企業流量計帶病工作、流量測量數據可信度低、缺少維護儀表的專業技術人員、正確判斷儀表工作情況難的現狀,筆者在文獻[1]中提出了“智慧供熱系統中流量計群的工作狀態核查適合采用流量平衡法來判斷”的觀點。本文依據流量平衡法的基本原理,研究在智慧供熱云平臺上,基于歸一化原理,解決由具有不同測量誤差流量計組成的流量計群的數據不閉合問題及對計量數據進行在線修正問題;研究利用流量比變化率進行流量計群的云在線診斷方法,為保證智慧供熱系統數據質量提供理論支撐。

1 具有測量誤差的流量計群的流量平衡

流量平衡核查法是根據系統中流入流量計的流量總和應與流出流量計的流量總和相等,或其差值在合理范圍內的原理來核查流量計的工作狀態的。在供熱物理設備網中,一般在熱源處設置測量總流量的流量計或熱量表,各熱力站處設置測量進入各熱力站流量的流量計或熱量表。熱量表由流量計、溫度傳感器和積分儀組成,一般情況下熱量表的核查,可以進行熱量的總量核查,也可以進行溫差、積分儀與流量各分量的核查[2-3]。本文所提的對流量計的核查,包括對熱量表流量分量的核查。

在供熱物理設備網中,流量計一般設置在供水管道上。管道上的閥門、補償器等產生的漏水量(正常漏水)無法通過設置在熱力站處的流量計測得,只能通過補水點處設置的補水流量計來測得管網總的補水量。因此,在管網無事故造成泄水的情況下,對于連續補水的系統,可將熱源處流量計測量的總流量與各熱力站處流量計測量的流量及補水量的關系表示為

(1)

式中G0為熱源處流量計測量的總流量,m3/h;Gi為某熱力站處流量計測量的流量,m3/h;Gb為補水流量計測量的系統補水量,m3/h。

供熱物理設備網中所設置的流量計的測量值與所用流量計的精度等級有關。目前供熱物理設備網中采用的流量計多為超聲波流量計或電磁流量計,這2種流量計出廠時要采用水進行檢定。在分界流量qt與最大流量qmax之間,流量計的最大允許誤差Eq不應大于某準確度等級所規定的最大允許誤差[4-6],流量計最大允許誤差Eq可表示為[2-3]

(2)

式中n為系數,一級、二級、三級流量計分別為1、2、3;m為系數,一級、二級、三級流量計分別為0.01、0.02、0.05;qp為常用(額定)流量,m3/h;q為實際流量,m3/h。

為此可以將式(1)表示為

(3)

式中 下標0、i、b分別表示熱源、熱力站序號及補水。

式(3)表明,供熱物理設備網中所安裝的經檢驗合格的組成流量計群的數十個乃至數百個流量計的測量誤差,可能是正的,也可能是負的。由此將導致由熱源處流量計測得的總流量與各熱力站流量計測得的流量數據之間出現下述幾種可能:

1) 熱源處總流量計的測量值為最大正偏差,各熱力站流量計的測量值為最大正偏差;

2) 熱源處總流量計的測量值為最大負偏差,各熱力站流量計的測量值為最大負偏差;

3) 熱源處總流量計的測量值為最大正偏差,各熱力站流量計的測量值為最大負偏差;

4) 熱源處總流量計的測量值為最大負偏差,各熱力站流量計的測量值為最大正偏差;

5) 熱源處總流量計的測量值為最大正(負)偏差,各熱力站流量計的測量值部分為最大正偏差,部分為最大負偏差,部分為中間某偏差。

對于上述幾種可能,可在熱源流量計的精度保持不變的情況下,以熱源流量計測量的流量為基準,將各熱力站流量計測量的流量數據進行歸一化處理,并在歸一化處理的基礎上對測量數據進行云在線修正,實現數據閉合。

2 基于熱源流量的歸一化系數及各流量計的修正方法

在流量計群中,熱源流量計的工作狀態可采用文獻[1]和文獻[7]介紹的方法來保證熱源流量計的測量數據準確。取流量計群中各流量計無測量誤差時的流量為G,有測量誤差時的實際測量流量Gs=G(1±Eq),令流量計群中各流量計的實際流量比為αis=Gis/G0s、αbs=Gbs/G0s(其中αis、αbs分別為熱力站流量計和補水流量計的實際流量比;G0s、Gis、Gbs分別為熱源實際測量流量、熱力站實際測量流量、補水實際測量流量,m3/h),則式(3)可表示為

(4)

式(4)表明,流量計群中各流量計的流量比之和等于1。

為消除流量計群中測量數據不閉合的問題,以熱源流量計的實際測量值為基準,按照式(5)計算流量計群的歸一化系數[8-9]。

(5)

式中βx為基于熱源流量的歸一化系數。

各流量計的實際測量數據可依據式(6)、(7)折算到以熱源總流量為基準的流量。

Gix=Gisβx

(6)

Gbx=Gbsβx

(7)

式(6)、(7)中Gix、Gbx分別為熱力站修正流量、補水修正流量,m3/h。

各熱力站設置的熱量表測量的熱量值,采用式(8)進行修正。

(8)

式中Qix為熱力站修正熱量,kW·h;Qis為熱力站實際測量的熱量,kW·h。

3 供熱物理設備網不存在泄漏時各熱力站的流量比

假設某供熱物理設備網有22個熱力站,每個熱力站在一次網供水管上設有流量計,測量進入熱力站的流量;在首站供水管上設置1個流量計,測量總流量;在首站補水管上設置1個補水流量計,測量補水量。

3.1 各熱力站設計條件下的流量比

在設計條件下,熱力站測量的流量為Gi,熱源測量的流量為G0。當熱源循環水泵變流量運行時,各熱力站的流量也發生變化。由表1可見,不同熱力站的流量占總流量的百分比αi不同;當熱源流量發生變化時,同一個熱力站的αi不變。

3.2 熱源流量計誤差與熱力站流量計誤差同向時的流量比

3.2.1各熱力站流量計測量值的流量比

假設選擇的熱源流量計及熱力站流量計的精度等級均為2級,為簡單分析起見,取流量計誤差為最大允許誤差,則各流量計實際測量的最大及最小流量見表2。以熱源流量計為例,設計流量為1 668.90 m3/h(見表1),選擇DN600的超聲波流量計,流量計的Eq=±2.03%,則流量計測得的最大流量為1 702.71 m3/h,最小流量為1 635.09 m3/h,實際流量在這兩者之間。

表2 考慮最大允許誤差后的實際測量流量

計算出各熱力站實際最大(最小)流量與熱源最大(最小)流量的最大(最小)流量比,以熱力站1為例,最大流量比為0.035 535,最小流量比為0.035 530。

3.2.2各流量計的流量比變化率

計算基于熱源流量的歸一化系數,對各流量計的測量數據進行修正;并依據式(9)和式(10)計算任意時刻各流量計的流量比變化率(見表3)。

表3 流量比變化率

(9)

(10)

式(9)、(10)中εiτ、εbτ分別為τ時刻熱力站流量計的流量比變化率和補水流量計的流量比變化率;αisτ、αbsτ分別為τ時刻熱力站流量計的實際流量比和補水流量計的實際流量比;αis0、αbs0分別為初始時刻熱力站流量計的實際流量比和補水流量計的實際流量比。

由表2及表3可知,在考慮流量計最大(最小)允許測量誤差后,熱源流量計誤差與熱力站流量計誤差為同向時,Gi和0.8Gi時的流量比變化率在±0.000 3之內,0.6Gi時的流量比變化率在±0.000 5 之內,1.2Gi時的流量比變化率在±0.000 2 之內。這表明:在熱源流量計與各熱力站流量計測量誤差同向(同為最大或最小)時,流量比變化不大。因此,熱源流量計測量誤差與各熱力站流量計測量誤差同向時的流量測量誤差可以忽略。

3.3 熱源流量計誤差與熱力站流量計誤差異向時的流量比

3.3.1各熱力站流量計的測量誤差同向時的流量比

熱源流量計測量誤差與熱力站流量計測量誤差異向,而各熱力站流量計的測量誤差同向時,根據式(5),將各熱力站的測量流量進行歸一化處理。以熱源流量計測量誤差最小、熱力站流量計測量誤差同向且最大為例,歸一化系數為

由此根據表2,可得各熱力站流量為Gi時的修正流量(見表4)。以熱力站1為例,其修正流量為

表4 修正到熱源流量時的測量流量

Gix=Gisβx=60.51 m3/h×0.960 3=58.10 m3/h

熱源總流量在不同比例變化時,βx將發生變化。為便于工程應用,取G0時的歸一化系數作為熱源總流量在不同比例變化時的歸一化系數,由此得到熱源總流量在不同比例變化時各熱力站的修正結果(見表4)。

根據表4各熱力站的流量求出各熱力站流量比,并根據式(9)求出各熱力站流量比變化率(見表5)。由表5可知,在考慮流量計最大(最小)允許測量誤差后,熱源總流量測量誤差與熱力站流量測量誤差異向,而各熱力站流量測量誤差同向,0.8Gi、1.2Gi時的流量比變化率在±0.000 1之內,0.6Gi時的流量比變化率在±0.000 4之內。這表明:在熱源總流量測量誤差與熱力站流量測量誤差異向、各熱力站流量測量誤差同向、歸一化系數不變時,以熱源測量流量為基準,修正后的各熱力站流量比變化率差別不大,由此導致的各熱力站流量比變化可以忽略。

表5 熱力站流量比變化率

3.3.2各熱力站流量計的測量誤差異向時的流量比

實際工程中,各熱力站流量計的測量誤差往往異向。假設有6個熱力站測量誤差為Eq,6個熱力站測量誤差為Eq/2,5個熱力站測量誤差為-Eq/2,5個熱力站測量誤差為-Eq(見表6)。根據上述組合,得到熱源流量從0.6G0變為1.2G0時,各熱力站的實際流量與熱源最小(最大)流量的比值不變。熱源流量最小時的流量比之和為1.022 1,熱源流量最大時的流量比之和為0.981 5。

表6 測量誤差分布

根據式(6)及式(7),對各熱力站的測量流量進行歸一化處理。以熱源總流量測量誤差最小為例,求得歸一化系數βx為0.978 3,熱力站1的修正流量為59.19 m3/h。取G0時的歸一化系數βx作為熱源總流量在不同比例變化時的歸一化系數,由此得到熱源總流量在不同比例變化時各熱力站的修正結果(見表7)。流量比及流量比變化率見表8。

表7 歸一化處理后的測量流量

表8 流量比及流量比變化率

在各熱力站流量計的測量誤差異向、熱源總流量測量誤差為最大(最小)允許測量誤差時,由表7及表8可知:

1) 熱源總流量從0.6G0變化到1.2G0,每個熱力站的流量比不變,各個熱力站的流量比變化率不變。

2) 在熱源總流量的測量誤差最小的情況下,流量比變化率為2.17%;在熱源總流量的測量誤差最大的情況下,流量比變化率為-1.88%。

這表明:在各熱力站流量計的測量誤差異向、熱源總流量測量誤差為最大(最小)允許測量誤差時,流量比變化率在±2.2%之內。

4 供熱物理設備網存在泄漏時各熱力站的流量比

假設供熱物理設備網存在泄漏時,各熱力站及熱源的流量同表1。采取熱源處集中補水方式,補水量為33.38 m3/h。

4.1 各熱力站流量計的測量誤差同向時各熱力站的流量比

補水流量采用2級DN125的流量計測量,qp=100 m3/h,考慮最大(最小)測量誤差后,補水流量計測量的最大(最小)流量值為34.07 m3/h(32.69 m3/h)。將流量計測量值歸一化處理后,可以得到各熱力站的流量比(見表9)。以熱力站1為例,當熱源流量由0.6G0變化到1.2G0時,熱力站在0.6Gi時流量比變化最大,最小流量比為0.035 17,最大流量比為0.035 20。

表9 歸一化處理后的流量比

在各熱力站流量計的測量誤差同向、熱源總流量測量誤差為最大(最小)允許測量誤差時,由表9可知,熱源總流量從0.6G0變化到1.2G0時:

1) 在熱源總流量的測量誤差最小、流量計群中流量計測量誤差為最大的情況下,流量比變化率最大值為1.0%;

2) 在熱源總流量的測量誤差最大、流量計群中流量計測量誤差為最小的情況下,流量比變化率最大值為1.02%。

這表明:在各熱力站流量計的測量誤差同向、熱源總流量測量誤差為最大(最小)允許測量誤差時,流量比變化率在±1.1%之內。

4.2 各熱力站流量計的測量誤差異向時各熱力站流量比

各熱力站流量計的測量誤差按照表6設置時,供熱物理設備網泄漏時的分析結論與無泄漏時結論一致:熱源總流量測量誤差為最大(最小)允許測量誤差時,流量比變化率在±2.2%之內。

5 部分流量計工作異常時的云在線核查

當部分流量計出現工作異常時,其流量比變化率發生變化。假設熱力站1流量變化-10.0%,熱力站5流量變化-0.05%,熱力站10流量變化5%,熱力站15流量變化10%,熱力站20流量變化15%,則這些熱力站的流量變化率見表10。若取流量比變化率限值為±3%,則可以判別這些熱力站的流量計工作異常。智慧供熱系統所采用的流量計數據均可以傳輸至云平臺,在云上自動完成流量計工作狀態的在線核查。云在線核查流程見圖1。在流量比變化率限值內的流量計繼續使用,超出流量比變化率限值的流量計要進行現場在線核查或校準。

圖1 云在線核查流程

表10 部分傳感器異常時流量比變化率

6 結論

1) 歸一化方法解決了由熱源總流量計和各熱力站用于企業管理的流量計組成的流量計群的流量測量數據不閉合問題,可為供熱能耗數據分析提供數據支撐;對于熱力站一次網側部分設有貿易結算表的流量計群,也可根據本文提供的歸一化原理,解決流量計群的流量測量數據不閉合問題。

2) 無論管網是否存在泄漏,正常運行的流量計的流量比變化率可以控制在±3%之內。

3) 采用流量比變化率,可在不需要增加儀表專業技術人員、不增加設備投資的條件下,在云上實現流量計工作狀態的在線核查,以保障智慧供熱系統中的數據正確及完整。