方修睦 杨大易

(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

在智慧供热的物理设备网中,所应用的流量计较多,构成了数量庞大的流量计群。不同规模的供热物理设备网,流量计群的规模不同,各群安装的流量计种类不同、生产厂家不同、精度等级不同、安装使用条件不同。大量流量计长期在非标准测试工况下工作,其性能逐渐劣化,测试精度发生变化,有问题的测量数据逐渐增多。即使是均采用合格流量计的新投入运行的系统,也存在着热源流量计测量的总流量与各热力站流量计测量的流量之和差别较大,导致流量计群中测量数据不闭合的问题,影响供热企业对数据的深入分析和能耗考评。针对目前供热企业流量计带病工作、流量测量数据可信度低、缺少维护仪表的专业技术人员、正确判断仪表工作情况难的现状,笔者在文献[1]中提出了“智慧供热系统中流量计群的工作状态核查适合采用流量平衡法来判断”的观点。本文依据流量平衡法的基本原理,研究在智慧供热云平台上,基于归一化原理,解决由具有不同测量误差流量计组成的流量计群的数据不闭合问题及对计量数据进行在线修正问题;研究利用流量比变化率进行流量计群的云在线诊断方法,为保证智慧供热系统数据质量提供理论支撑。

1 具有测量误差的流量计群的流量平衡

流量平衡核查法是根据系统中流入流量计的流量总和应与流出流量计的流量总和相等,或其差值在合理范围内的原理来核查流量计的工作状态的。在供热物理设备网中,一般在热源处设置测量总流量的流量计或热量表,各热力站处设置测量进入各热力站流量的流量计或热量表。热量表由流量计、温度传感器和积分仪组成,一般情况下热量表的核查,可以进行热量的总量核查,也可以进行温差、积分仪与流量各分量的核查[2-3]。本文所提的对流量计的核查,包括对热量表流量分量的核查。

在供热物理设备网中,流量计一般设置在供水管道上。管道上的阀门、补偿器等产生的漏水量(正常漏水)无法通过设置在热力站处的流量计测得,只能通过补水点处设置的补水流量计来测得管网总的补水量。因此,在管网无事故造成泄水的情况下,对于连续补水的系统,可将热源处流量计测量的总流量与各热力站处流量计测量的流量及补水量的关系表示为

(1)

式中G0为热源处流量计测量的总流量,m3/h;Gi为某热力站处流量计测量的流量,m3/h;Gb为补水流量计测量的系统补水量,m3/h。

供热物理设备网中所设置的流量计的测量值与所用流量计的精度等级有关。目前供热物理设备网中采用的流量计多为超声波流量计或电磁流量计,这2种流量计出厂时要采用水进行检定。在分界流量qt与最大流量qmax之间,流量计的最大允许误差Eq不应大于某准确度等级所规定的最大允许误差[4-6],流量计最大允许误差Eq可表示为[2-3]

(2)

式中n为系数,一级、二级、三级流量计分别为1、2、3;m为系数,一级、二级、三级流量计分别为0.01、0.02、0.05;qp为常用(额定)流量,m3/h;q为实际流量,m3/h。

为此可以将式(1)表示为

(3)

式中 下标0、i、b分别表示热源、热力站序号及补水。

式(3)表明,供热物理设备网中所安装的经检验合格的组成流量计群的数十个乃至数百个流量计的测量误差,可能是正的,也可能是负的。由此将导致由热源处流量计测得的总流量与各热力站流量计测得的流量数据之间出现下述几种可能:

1) 热源处总流量计的测量值为最大正偏差,各热力站流量计的测量值为最大正偏差;

2) 热源处总流量计的测量值为最大负偏差,各热力站流量计的测量值为最大负偏差;

3) 热源处总流量计的测量值为最大正偏差,各热力站流量计的测量值为最大负偏差;

4) 热源处总流量计的测量值为最大负偏差,各热力站流量计的测量值为最大正偏差;

5) 热源处总流量计的测量值为最大正(负)偏差,各热力站流量计的测量值部分为最大正偏差,部分为最大负偏差,部分为中间某偏差。

对于上述几种可能,可在热源流量计的精度保持不变的情况下,以热源流量计测量的流量为基准,将各热力站流量计测量的流量数据进行归一化处理,并在归一化处理的基础上对测量数据进行云在线修正,实现数据闭合。

2 基于热源流量的归一化系数及各流量计的修正方法

在流量计群中,热源流量计的工作状态可采用文献[1]和文献[7]介绍的方法来保证热源流量计的测量数据准确。取流量计群中各流量计无测量误差时的流量为G,有测量误差时的实际测量流量Gs=G(1±Eq),令流量计群中各流量计的实际流量比为αis=Gis/G0s、αbs=Gbs/G0s(其中αis、αbs分别为热力站流量计和补水流量计的实际流量比;G0s、Gis、Gbs分别为热源实际测量流量、热力站实际测量流量、补水实际测量流量,m3/h),则式(3)可表示为

(4)

式(4)表明,流量计群中各流量计的流量比之和等于1。

为消除流量计群中测量数据不闭合的问题,以热源流量计的实际测量值为基准,按照式(5)计算流量计群的归一化系数[8-9]。

(5)

式中βx为基于热源流量的归一化系数。

各流量计的实际测量数据可依据式(6)、(7)折算到以热源总流量为基准的流量。

Gix=Gisβx

(6)

Gbx=Gbsβx

(7)

式(6)、(7)中Gix、Gbx分别为热力站修正流量、补水修正流量,m3/h。

各热力站设置的热量表测量的热量值,采用式(8)进行修正。

(8)

式中Qix为热力站修正热量,kW·h;Qis为热力站实际测量的热量,kW·h。

3 供热物理设备网不存在泄漏时各热力站的流量比

假设某供热物理设备网有22个热力站,每个热力站在一次网供水管上设有流量计,测量进入热力站的流量;在首站供水管上设置1个流量计,测量总流量;在首站补水管上设置1个补水流量计,测量补水量。

3.1 各热力站设计条件下的流量比

在设计条件下,热力站测量的流量为Gi,热源测量的流量为G0。当热源循环水泵变流量运行时,各热力站的流量也发生变化。由表1可见,不同热力站的流量占总流量的百分比αi不同;当热源流量发生变化时,同一个热力站的αi不变。

3.2 热源流量计误差与热力站流量计误差同向时的流量比

3.2.1各热力站流量计测量值的流量比

假设选择的热源流量计及热力站流量计的精度等级均为2级,为简单分析起见,取流量计误差为最大允许误差,则各流量计实际测量的最大及最小流量见表2。以热源流量计为例,设计流量为1 668.90 m3/h(见表1),选择DN600的超声波流量计,流量计的Eq=±2.03%,则流量计测得的最大流量为1 702.71 m3/h,最小流量为1 635.09 m3/h,实际流量在这两者之间。

表2 考虑最大允许误差后的实际测量流量

计算出各热力站实际最大(最小)流量与热源最大(最小)流量的最大(最小)流量比,以热力站1为例,最大流量比为0.035 535,最小流量比为0.035 530。

3.2.2各流量计的流量比变化率

计算基于热源流量的归一化系数,对各流量计的测量数据进行修正;并依据式(9)和式(10)计算任意时刻各流量计的流量比变化率(见表3)。

表3 流量比变化率

(9)

(10)

式(9)、(10)中εiτ、εbτ分别为τ时刻热力站流量计的流量比变化率和补水流量计的流量比变化率;αisτ、αbsτ分别为τ时刻热力站流量计的实际流量比和补水流量计的实际流量比;αis0、αbs0分别为初始时刻热力站流量计的实际流量比和补水流量计的实际流量比。

由表2及表3可知,在考虑流量计最大(最小)允许测量误差后,热源流量计误差与热力站流量计误差为同向时,Gi和0.8Gi时的流量比变化率在±0.000 3之内,0.6Gi时的流量比变化率在±0.000 5 之内,1.2Gi时的流量比变化率在±0.000 2 之内。这表明:在热源流量计与各热力站流量计测量误差同向(同为最大或最小)时,流量比变化不大。因此,热源流量计测量误差与各热力站流量计测量误差同向时的流量测量误差可以忽略。

3.3 热源流量计误差与热力站流量计误差异向时的流量比

3.3.1各热力站流量计的测量误差同向时的流量比

热源流量计测量误差与热力站流量计测量误差异向,而各热力站流量计的测量误差同向时,根据式(5),将各热力站的测量流量进行归一化处理。以热源流量计测量误差最小、热力站流量计测量误差同向且最大为例,归一化系数为

由此根据表2,可得各热力站流量为Gi时的修正流量(见表4)。以热力站1为例,其修正流量为

表4 修正到热源流量时的测量流量

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

热源总流量在不同比例变化时,βx将发生变化。为便于工程应用,取G0时的归一化系数作为热源总流量在不同比例变化时的归一化系数,由此得到热源总流量在不同比例变化时各热力站的修正结果(见表4)。

根据表4各热力站的流量求出各热力站流量比,并根据式(9)求出各热力站流量比变化率(见表5)。由表5可知,在考虑流量计最大(最小)允许测量误差后,热源总流量测量误差与热力站流量测量误差异向,而各热力站流量测量误差同向,0.8Gi、1.2Gi时的流量比变化率在±0.000 1之内,0.6Gi时的流量比变化率在±0.000 4之内。这表明:在热源总流量测量误差与热力站流量测量误差异向、各热力站流量测量误差同向、归一化系数不变时,以热源测量流量为基准,修正后的各热力站流量比变化率差别不大,由此导致的各热力站流量比变化可以忽略。

表5 热力站流量比变化率

3.3.2各热力站流量计的测量误差异向时的流量比

实际工程中,各热力站流量计的测量误差往往异向。假设有6个热力站测量误差为Eq,6个热力站测量误差为Eq/2,5个热力站测量误差为-Eq/2,5个热力站测量误差为-Eq(见表6)。根据上述组合,得到热源流量从0.6G0变为1.2G0时,各热力站的实际流量与热源最小(最大)流量的比值不变。热源流量最小时的流量比之和为1.022 1,热源流量最大时的流量比之和为0.981 5。

表6 测量误差分布

根据式(6)及式(7),对各热力站的测量流量进行归一化处理。以热源总流量测量误差最小为例,求得归一化系数βx为0.978 3,热力站1的修正流量为59.19 m3/h。取G0时的归一化系数βx作为热源总流量在不同比例变化时的归一化系数,由此得到热源总流量在不同比例变化时各热力站的修正结果(见表7)。流量比及流量比变化率见表8。

表7 归一化处理后的测量流量

表8 流量比及流量比变化率

在各热力站流量计的测量误差异向、热源总流量测量误差为最大(最小)允许测量误差时,由表7及表8可知:

1) 热源总流量从0.6G0变化到1.2G0,每个热力站的流量比不变,各个热力站的流量比变化率不变。

2) 在热源总流量的测量误差最小的情况下,流量比变化率为2.17%;在热源总流量的测量误差最大的情况下,流量比变化率为-1.88%。

这表明:在各热力站流量计的测量误差异向、热源总流量测量误差为最大(最小)允许测量误差时,流量比变化率在±2.2%之内。

4 供热物理设备网存在泄漏时各热力站的流量比

假设供热物理设备网存在泄漏时,各热力站及热源的流量同表1。采取热源处集中补水方式,补水量为33.38 m3/h。

4.1 各热力站流量计的测量误差同向时各热力站的流量比

补水流量采用2级DN125的流量计测量,qp=100 m3/h,考虑最大(最小)测量误差后,补水流量计测量的最大(最小)流量值为34.07 m3/h(32.69 m3/h)。将流量计测量值归一化处理后,可以得到各热力站的流量比(见表9)。以热力站1为例,当热源流量由0.6G0变化到1.2G0时,热力站在0.6Gi时流量比变化最大,最小流量比为0.035 17,最大流量比为0.035 20。

表9 归一化处理后的流量比

在各热力站流量计的测量误差同向、热源总流量测量误差为最大(最小)允许测量误差时,由表9可知,热源总流量从0.6G0变化到1.2G0时:

1) 在热源总流量的测量误差最小、流量计群中流量计测量误差为最大的情况下,流量比变化率最大值为1.0%;

2) 在热源总流量的测量误差最大、流量计群中流量计测量误差为最小的情况下,流量比变化率最大值为1.02%。

这表明:在各热力站流量计的测量误差同向、热源总流量测量误差为最大(最小)允许测量误差时,流量比变化率在±1.1%之内。

4.2 各热力站流量计的测量误差异向时各热力站流量比

各热力站流量计的测量误差按照表6设置时,供热物理设备网泄漏时的分析结论与无泄漏时结论一致:热源总流量测量误差为最大(最小)允许测量误差时,流量比变化率在±2.2%之内。

5 部分流量计工作异常时的云在线核查

当部分流量计出现工作异常时,其流量比变化率发生变化。假设热力站1流量变化-10.0%,热力站5流量变化-0.05%,热力站10流量变化5%,热力站15流量变化10%,热力站20流量变化15%,则这些热力站的流量变化率见表10。若取流量比变化率限值为±3%,则可以判别这些热力站的流量计工作异常。智慧供热系统所采用的流量计数据均可以传输至云平台,在云上自动完成流量计工作状态的在线核查。云在线核查流程见图1。在流量比变化率限值内的流量计继续使用,超出流量比变化率限值的流量计要进行现场在线核查或校准。

图1 云在线核查流程

表10 部分传感器异常时流量比变化率

6 结论

1) 归一化方法解决了由热源总流量计和各热力站用于企业管理的流量计组成的流量计群的流量测量数据不闭合问题,可为供热能耗数据分析提供数据支撑;对于热力站一次网侧部分设有贸易结算表的流量计群,也可根据本文提供的归一化原理,解决流量计群的流量测量数据不闭合问题。

2) 无论管网是否存在泄漏,正常运行的流量计的流量比变化率可以控制在±3%之内。

3) 采用流量比变化率,可在不需要增加仪表专业技术人员、不增加设备投资的条件下,在云上实现流量计工作状态的在线核查,以保障智慧供热系统中的数据正确及完整。