方修睦 杨大易 周志刚

(1.哈尔滨工业大学,哈尔滨;2.哈尔滨中冕智慧能源科技有限公司,哈尔滨)

0 引言

智慧供热系统由供热物理设备网、供热物联网和智慧供热平台组成。智慧供热打破了传统供热的经验驱动决策的方式,以数据分析为切入点,由经验和流程驱动转向数据驱动,可实现在一定条件约束下对供热系统运行调节的最优决策方案及智能控制策略。

供热物理设备网分布在城市的各个角落,需要在每一个监测区域,通过大量的计量器具(又叫做测量仪器,本文称为计量器具)将物理设备网运行中产生的隐性数据转化成显性数据,用来监督供热系统的运行及进行运行决策和智能控制。高质量数据是数据分析的前提和分析结论可靠性的保障。数据质量低将导致源于数据形成的知识和决策产生错误,直接影响智慧供热的决策结果和控制效果。

影响数据质量的因素多与数据采集及传输环节有关。数据传输环节的质量问题,如接口数据及时率低、接口数据漏传、数据包丢失、文件传输方式错误、传输协议使用不当导致的数据不完整等问题,容易被识别。可通过采用合理的数据清洗方法及保障数据完整可靠的技术,使残缺的数据完整,将错误的数据纠正、多余的数据去除,进而保证传输环节数据的准确性、完整性、有效性。数据采集环节的问题,往往与计量器具的质量、工作条件及工作状态有关。出厂检验合格的计量器具,安装使用后,由于选型不当,经常出现“大马拉小车”或“小马拉大车”现象;由于现场安装使用条件偏离了计量器具的技术要求,使得实际使用时其准确性无法保证;在使用一段时间后,计量器具本身性能也会发生变化;不断出现的各种作弊手段,如人为修改仪表系数、制造强磁场干扰等,使得计量的数据严重偏离真实结果。现有的供热企业缺少懂仪表、懂弱电、懂计算机的人员,导致异常的计量器具问题不能及时被发现,很多企业安装的计量器具带病工作,测量数据可信度低。实际运行的物理设备网中有的计量器具拆卸困难(如大口径的流量计拆卸安装成本较高),且很难为检查计量器具的性能而停止系统运行。目前缺少能在使用现场应用的简单、有效的检测方法或设备来对运行的计量器具性能进行评估。

本文从计量的基本概念出发,讨论计量器具的检定、校准及运行核查的区别,研究智慧供热系统计量器具在线运行核查方法,为及时发现工作异常的计量器具、确保测量数据的准确性及可靠性提供理论指导及技术支撑。

1 检定、校准及运行核查的区别

目前供热物理设备网中使用的计量器具数量虽然巨大,但种类较少,主要有热量表、流量计、温度传感器、压力传感器和电能表几种。从用途上分,这些计量器具又可分为贸易结算表、安全防护仪表、运行管理仪表。为保证不同用途的计量器具工作状态良好、测量数据准确,需要根据计量器具的用途,采取不同的检测方式对计量器具的工作状态进行判定,这涉及到检定、校准和运行核查的概念及区别。

1.1 检定

检定是经过政府授权的计量检定机构依法对国家依法管理目录中的相关计量器具的准确性、稳定性等性能进行评估时所开展的工作,是查明和确认计量器具符合法定要求的活动[1]。检定是进行量值传递的重要形式,对于保证量值准确有着非常重要的作用。检定依据国家计量检定规程(JJG),通过实验确定计量器具的示值误差是否符合要求,超出JJG规定的量值误差范围为不合格,在规定的量值误差范围之内则为合格。合格的给与检定证书,不合格的出具检定结果通知书(见图1)。检定具有明确的法律约束性及公正性[2]。出具的检定证书及数据,是一种计量仲裁的依据。《中华人民共和国计量法(2018修正)》规定,用于贸易结算、安全防护、医疗卫生、环境监测方面的列入强制检定目录的工作计量器具,实行强制检定。未按照规定申请检定或者检定不合格的,不得使用[3]。

图1 工作计量器具的检验、校准及核查的区别

国家市场监管总局2020年10月26日发布的《实施强制管理的计量器具目录》中,将用于供热贸易结算的DN15～DN50热量表、DN300及以下的流量计、电能表及用于安全防护的压力变送器和压力传感器都列入了强制检定目录。

1.2 校准

校准是在规定条件下,为确定计量器具或计量系统所指示的量值,或实物量具或参考物质所代表的量值,与相对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作[1]。校准依据国家计量校准规范(JJF)或JJG,通过与精度较高的标准器具比对测量,得到被检计量器具相对标准器具的误差。

校准不需要像检定那样判断计量器具是否合格。校准机构提供的校准证书中,给出的是计量器具示值的修正值(见图1)。校准结果一般不具有强制性和公证作用。但是当用户明确告知使用目的,或给出计量要求时,校准机构可以根据已知的计量要求或相关标准判断被校计量器具合格与否。校准是检定的技术组成部分,是评价计量器具计量性能的技术过程。计量器具是否适用,需要测量设备用户利用校准结果与计量要求进行比较,并进行计量验证。用户可根据校准结果,确认该计量器具是否满足使用要求[4],确定该计量器具是否可用。

国内热电厂与供热公司之间进行贸易结算用的大口径热量表或供热用的大口径流量计未列入强制检定目录。《中华人民共和国计量法(2018修正)》规定,使用单位应当自行定期检定或者送其他计量检定机构检定[3]。目前国内具备检定大口径热量表或流量计能力的单位较少,加之这些表具拆卸工作量较大、拆卸安装成本高,成为检定的难点。对这些计量器具,应在有检测能力的单位完成首检后,在使用期间,在被测计量器具不离开现场的情况下进行校准,确认其在实际运行条件下流量测量系统(包括流量计、前后直管段、介质流动状态等)误差等计量特性参数是否在预期的允许范围内。流量计的在线校准,通常是在校准条件与现场实际使用条件充分一致的情况下进行的,其目的是真实反映整套测量系统实际工况下的计量特性,可采用流量标准装置法、示踪法和速度面积法进行校准。

目前在线校准检测的是单台计量器具,检测数据可以现场读取,也可将网络技术与传统的计量校准技术相结合,实现远程校准。

1.3 运行核查

检定及校准是通用计量术语,而运行核查则不是。运行核查的概念与“验证”定义相似。在GB/T 19000—2016《质量管理体系 基础和术语》中将验证定义为:通过提供客观证据对规定要求已得到满足的认定。运行核查一词最早出现在CJJ/T 223—2014《供热计量系统运行技术规程》中,是指在实际运行条件下,对计量器具完好状态进行的检查核对[5]。运行核查依据产品性能指标及使用单位的计量要求,通过与基准计量器具比对测量或利用供热系统的机理和设备(部件)、被核查计量器具的相关参数变化来判断被核查计量器具的工作状态,验证或评估计量器具测量值等性能仍保持或已超过原校准值等性能范围,为是否仍可继续使用或需进一步检查提供依据。运行核查包括工作条件核查和技术性能核查2种。

1) 工作条件核查主要是核查所安装的计量器具要求的工作条件是否满足,这是保证计量器具正常工作的基础。以流量计为例,目前在供热行业应用最多的超声波流量计和电磁流量计在实验室检定时采用水进行检定,环境条件受控、流体流速稳定、直管段满足要求;而流量计安装现场的实际环境条件无法控制、流体流速时常变化、安装直管段差别较大,这些因素直接影响测量结果。根据计量学的基本原则(特性相同性原则和过程相同性原则)[6],受速度分布明显影响的流量计,应重点关注实际安装的流量计的直管段,连同直管段一起核查。因此工作条件核查除核查流量计要求的工作环境(如温度、湿度)是否满足要求外,主要关注流量计上下游的直管段是否满足说明书的要求。

① 直管段长度:如使用说明书中没有规定,则流量计应安装在离任何上游扰动部件至少10倍管径和离任何下游扰动部件至少5倍管径的直管段中[7]。对于在不同阻力构件附近安装的流量计的测量结果,可采用式(1)进行修正,以获得与初始检定准确度最接近的测量准确度。

Gs=γG0

(1)

式中Gs为修正后的流量,m3/h;γ为安装条件修正系数;G0为流量计显示的流量,m3/h。

表1为在实验室利用标准热量表检定台测量的安装条件修正系数。被检流量计为0.5级便携式超声波流量计,超声波流量计测量误差已根据检定数据进行了修正。试验条件见图2。后直管段长度L2≥20倍管径。

表1 安装条件修正系数

图2 试验管段

② 流量计上下游的直管段是否内壁清洁、无明显凹痕、积垢和起皮等现象。

③ 流量计上下游直管段的管道内径与流量计测量管径的偏差是否满足要求。相关试验结果表明[8],管道内壁的厚度减少0.5 mm,测量结果将偏移0.37%,内衬材料的变化对测量结果的影响范围为±(0.5%～0.7%)。在生产厂家没有具体规定的情况下,流量计上下游直管段的管道内径与流量计测量管径的偏差应小于3%。

2) 技术性能核查主要是核查计量器具规定的技术性能是否达到或发生变化,这是保证计量器具测量数据准确的基本条件。运行核查不判断计量器具的准确度合格与否,也不判断测量值是否超差,只评估或验证投入运行后的计量器具在2次检定或校准之间性能是否仍保持或超过原检定性能的范围。

运行核查为计量器具是否仍可继续使用或需进一步检查提供依据[9]。对出现异常的计量器具给与告知。计量器具使用单位可根据告知内容,确定是否对应用的计量器具进行校准(见图1)。对计量器具的运行核查可在现场进行在线核查,也可根据上传到云平台的数据,在云上实时进行运行核查。在线运行核查可用于热源、热力站、楼栋、热用户的流量核查;在线运行核查简单、方便,可以节省大量计量器具拆装费、运输费及检定费,减少计量器具离线检定或校准成本及工作量,可使供热企业在不投入大量资金的情况下,保证数据的准确性,以及提高工作效率。运行核查可对单台计量器具进行核查,也可以在云上对计量器具群进行群核查。云在线运行核查可实现在云上对计量器具的完好状态进行确认,为保证测量数据的准确性所付出的成本更低,更适合于智慧供热系统应用的计量器具的在线诊断,是智慧供热的发展方向。

2 供热用计量器具的管理

目前供热企业应用的热量表、流量计、温度传感器、压力传感器、压力变送器和电能表,只用于供热系统运行数据的日常测量,属于工作计量器具。工作计量器具可以分为A、B、C 3类。

1) A类计量器具为用于贸易结算、安全防护,并列入强制检定工作计量器具范围的计量器具。

2) B类计量器具为未列入强制检定工作计量器具范围的用于贸易结算、安全防护方面的计量器具,以及作为二、三级能源计量用的计量器具。

3) C类计量器具为低值易耗的、非强制检定的计量器具,内部能源分配用计量器具,以及国家计量行政部门明令允许一次性检定的计量器具。

市场监管总局2019年第48号发布的《实施强制管理的计量器具目录》中规定:用于贸易结算的热能表(DN15～DN50)、流量计(DN300及以下)、电能表,以及用于安全防护的压力变送器、压力传感器,实行型式批准+强制检定。强制检定的方式有2种:工业用实施周期检定;生活用实施首次强制检定、限期使用、到期轮换。其他未列入强检目录的计量器具(如用于贸易结算的大口径热能表及流量计),使用者可自行选择非强制检定或校准方式,保证量值准确。

为了保证计量器具的产品质量,A类及B类计量器具生产厂家在出厂时对获得型式批准的产品进行出厂检验,A类计量器具使用单位送当地县(市)级人民政府计量行政部门指定的计量检定机构进行强制检定(首次检定),B类计量器具使用单位自行确定送检或校准;C类计量器具生产厂家在出厂时对通过型式检验的定型产品进行出厂检验,使用单位可进行自行核查。为避免由于现场安装使用条件限制导致的测量误差,A类、B类及C类计量器具在竣工验收时,均应进行工作条件核查。《中华人民共和国计量法实施细则(2022年修正本)》中规定,使用实行强制检定的工作计量器具的单位和个人,应当向当地县(市)级人民政府计量行政部门指定的计量检定机构申请周期检定(见图3)。

图3 工作计量器具的质量保障

不同的计量器具规定的检定周期不同。JJG 1033—2007《电磁流量计检定规程》规定,准确度等级低于0.2级及使用引用误差的流量计检定周期为2年。JJG 1030—2007《超声流量计检定规程》规定,检定周期一般不超过2年。JJG 225—2010《热量表检定规程》规定,口径大于32 mm的热量表,检定周期一般为3年。JJG 596—2012《电子式交流电能表检定规程》规定,0.2S级、0.5S级有功电能表,其检定周期一般不超过6年;1级、2级有功电能表和2级、3级无功电能表,其检定周期一般不超过8年。JJG 860—2015《压力传感器(静态)检定规程》规定检定周期一般不超过1年。JJG 882—2019《压力变送器检定规程》规定检定周期一般不超过1年。

为避免使用的计量器具由于使用时间增加造成计量器具的计量误差超出误差限值,A类及B类计量器具在检定(校准)周期内应实时进行运行核查,C类计量器具应实时进行运行核查,以及时发现并剔除有问题的计量器具,保证计量器具的完好,防止影响计量结果。

3 供热用计量器具的技术性能核查方法

供热用计量器具的技术性能核查是在被核查计量器具不离开安装使用系统的情况下(称为在线),利用其本身接口特点及工作原理对其性能进行测量的过程。运行核查方法可分为直接核查法和间接核查法。直接核查法是将满足核查要求的计量器具(作为基准表)与被核查计量器具安装在工作条件相同的同一热力系统中,通过将基准表的测量数据作为参考测量值与被核查计量器具的测量值进行比对,来确定被核查计量器具的工作状态。间接核查法是利用物理设备网的机理、设备(部件)或被核查计量器具的相关参数等所获得的供热系统数据作为参考测量值,与被核查计量器具获得的测量值进行比对,来判断被核查计量器具的工作状态。实际使用的供热用计量器具中,流量计出问题最多,数据可信度最差。由于篇幅所限,这里仅讨论流量计(包括组成热量表的流量传感器)的在线核查方法。

流量计的在线核查需根据被核查的流量测量系统获得的测量值和基准表获得的参考测量值,依据式(2)计算出测量结果的相对示值误差,然后根据式(4)判断被核查流量计工作状态。误差满足式(4)要求的流量计可以继续使用。误差不满足式(4)要求的流量计,对所核查流量计的仪表系数允许在线修正的,对被核查流量计示值进行修改后,进入下一轮运行核查判断;不允许在线修正的流量计,可进行在线或离线校准(见图4),以确定被核查流量计是否可以继续使用。

图4 核查流程图

(2)

(3)

-|Eimax|≤E≤|Eimax|

(4)

Emax=3Δ

(5)

式(2)～(5)中Eij为第i个流量测量点在第j次测量时被核查流量计的相对示值误差;Gij为第i个流量测量点在第j次测量时被测流量计的累计流量(瞬时流量)值,m3(m3/h);Gsij为第i个流量测量点在第j次测量时基准流量计的累计流量(瞬时流量)值,m3(m3/h);Ei、Eimax为被核查流量计第i个流量测量点的相对示值误差和相对示值误差最大值;n为第i个流量测量点的检定次数;E为被核查流量计的相对示值误差范围;Δ为被核查流量计的误差限。

流量计的在线核查同样有直接核查法和间接核查法。直接核查法可分为基准表法和示踪法。这里仅讨论流量计的直接核查法,间接核查法将另文讨论。

3.1 基准表法

以高精度的便携式超声波流量计作为基准表,使流体在相同时间间隔内,同时连续通过基准表和被核查流量计,根据两者的输出流量值,利用式(2)～(5)确定被核查流量计是否可继续使用。

表2是利用0.5级的便携式超声波流量计作为基准表对固定式超声波热量表的流量核查结果。被核查热量表前直管段长度为10倍管径,表后直管段长度约为10倍管径,准确度等级为2级,被核查热量表的流量误差限Δ按式(6)计算:

表2 用便携式超声波流量计在线核查结果

(6)

式中qp为被核查热量表额定流量,m3/h;q为被核查热量表实际流量,m3/h。

根据式(5)和式(6)可以求得DN150的被核查热量表的流量误差限Emax=6.41%,DN80的被核查热量表的流量误差限Emax=6.39%。由表2可见:DN80的被核查热量表的流量测量误差分别为6.24%和5.96%,满足式(4)的判别条件,表明仪表数据可信;DN150的被核查热量表的流量测量误差为-13.78%,不满足式(4)的判别条件,表明被核查热量表的流量数据不可信。在热量表检定台对该热量表的流量检定误差为-13.84%(见表3)。在线核查结论与热量表检定台的检定结果一致,这表明用高精度的便携式超声波流量计作为基准表进行在线核查的结果是可信的。

表3 标准台检定结果

3.2 示踪法

示踪法是在流动的流体中加入不同类的物质,在已知管道横截面积的情况下,通过测量所加物质的移动速度来求出水的体积流量。示踪法流量测量系统由示踪剂、测量管段及测量示踪剂踪迹的仪表组成。示踪法流量测量精度高,用该流量作为基准流量,既可用于流量在线校准,也可用于流量在线核查,其技术在国际上早已应用。早在上世纪70年代就有了国际标准《封闭管道中水流量测量——示踪法》(ISO 2975-1～7),该标准中规定了用放射性示踪剂或非放射性示踪剂的实施方法和具体要求。示踪法有恒速注入法和传输时间法2种。

恒速注入法也称稀释法。该方法可用食盐溶液、加热流体或染料等作为示踪剂,示踪剂以恒速注入管道(见图5),且使其在管道截面上均匀扩散。注入示踪剂的体积流量为q,体积浓度为C1,测量取样口示踪剂的体积浓度为C2,按式(7)可求得流过管道的水流量G。

图5 恒速注入法原理

(7)

传输时间法是将半衰期短的放射性溶液,如铟-113 m(半衰期99.8 min)、钠24(半衰期15 h)、铬-82(半衰期30 h),以短脉冲形式注入到管道中,待混合均匀后,利用在距注入点不同距离处安装的2个射线探测设备检测示踪剂浓度峰值通过的时刻(见图6)。根据2个射线探测设备的距离L和管道横截面积F,可求出管道内流体的体积V;根据测得的示踪剂浓度峰值出现的时间差T,利用式(8)可以得到流经管道的流量G。

1.示踪剂注入孔;2.搅拌器;3.射线探测器。注:δ为注入的示踪剂体积。图6 传输时间法原理

(8)

传输时间法使用方便,测量精度高,在大庆油田采油二厂南六联污水站上进行的现场试验(示踪剂为铟-113 m,采用NaI探测器)表明,在满足试验条件的情况下,可以达到1%的测量精度[10]。

稀释法适合在直管道较长的供热系统中核查流量,传输时间法适合在一次网中核查流量。但到目前为止,国内尚未见示踪法在供热领域中应用的报道。

4 结论

1) 智慧供热系统的核心功能原理是基于数据驱动的供热物理设备网与数字空间的全面互联与深度协同,以及在此过程中的智能分析与决策优化。高质量数据是数据分析的前提和分析结论可靠性的保障。智慧供热系统建设必须注重高质量数据的获取。

2) 传感器的工作状态核查是保证数据质量的基础,实施智慧供热在线核查是解决目前供热企业技术力量不足、保证数据质量的最佳技术路线。

3) 对安装使用的流量计根据其实际安装工作条件,采用安装条件修正系数对测量结果进行修正,是解决直管段长度不够问题的有效方法,建议加大研究力度,通过试验完善常用流量计的安装条件修正系数,以方便工程应用,为提高流量计数据质量提供基础支撑。

4) 采用基准表法对使用的流量计进行技术性能核查,可以正确判别正在运行的单台流量计的工作状态。

5) 示踪法是解决大口径贸易结算表数据质量问题的有效方法,在国内供热行业尚未见到研究报道,应加强此方面的应用研究,总结应用经验。