方修睦 楊大易

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),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(shè)備網(wǎng)中,所應(yīng)用的流量計(jì)較多,構(gòu)成了數(shù)量龐大的流量計(jì)群。不同規(guī)模的供熱物理設(shè)備網(wǎng),流量計(jì)群的規(guī)模不同,各群安裝的流量計(jì)種類不同、生產(chǎn)廠家不同、精度等級不同、安裝使用條件不同。大量流量計(jì)長期在非標(biāo)準(zhǔn)測試工況下工作,其性能逐漸劣化,測試精度發(fā)生變化,有問題的測量數(shù)據(jù)逐漸增多。即使是均采用合格流量計(jì)的新投入運(yùn)行的系統(tǒng),也存在著熱源流量計(jì)測量的總流量與各熱力站流量計(jì)測量的流量之和差別較大,導(dǎo)致流量計(jì)群中測量數(shù)據(jù)不閉合的問題,影響供熱企業(yè)對數(shù)據(jù)的深入分析和能耗考評。針對目前供熱企業(yè)流量計(jì)帶病工作、流量測量數(shù)據(jù)可信度低、缺少維護(hù)儀表的專業(yè)技術(shù)人員、正確判斷儀表工作情況難的現(xiàn)狀,筆者在文獻(xiàn)[1]中提出了“智慧供熱系統(tǒng)中流量計(jì)群的工作狀態(tài)核查適合采用流量平衡法來判斷”的觀點(diǎn)。本文依據(jù)流量平衡法的基本原理,研究在智慧供熱云平臺(tái)上,基于歸一化原理,解決由具有不同測量誤差流量計(jì)組成的流量計(jì)群的數(shù)據(jù)不閉合問題及對計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線修正問題;研究利用流量比變化率進(jìn)行流量計(jì)群的云在線診斷方法,為保證智慧供熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量提供理論支撐。

1 具有測量誤差的流量計(jì)群的流量平衡

流量平衡核查法是根據(jù)系統(tǒng)中流入流量計(jì)的流量總和應(yīng)與流出流量計(jì)的流量總和相等,或其差值在合理范圍內(nèi)的原理來核查流量計(jì)的工作狀態(tài)的。在供熱物理設(shè)備網(wǎng)中,一般在熱源處設(shè)置測量總流量的流量計(jì)或熱量表,各熱力站處設(shè)置測量進(jìn)入各熱力站流量的流量計(jì)或熱量表。熱量表由流量計(jì)、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(jìn)行熱量的總量核查,也可以進(jìn)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(jì)的核查,包括對熱量表流量分量的核查。

在供熱物理設(shè)備網(wǎng)中,流量計(jì)一般設(shè)置在供水管道上。管道上的閥門、補(bǔ)償器等產(chǎn)生的漏水量(正常漏水)無法通過設(shè)置在熱力站處的流量計(jì)測得,只能通過補(bǔ)水點(diǎn)處設(shè)置的補(bǔ)水流量計(jì)來測得管網(wǎng)總的補(bǔ)水量。因此,在管網(wǎng)無事故造成泄水的情況下,對于連續(xù)補(bǔ)水的系統(tǒng),可將熱源處流量計(jì)測量的總流量與各熱力站處流量計(jì)測量的流量及補(bǔ)水量的關(guān)系表示為

(1)

式中G0為熱源處流量計(jì)測量的總流量,m3/h;Gi為某熱力站處流量計(jì)測量的流量,m3/h;Gb為補(bǔ)水流量計(jì)測量的系統(tǒng)補(bǔ)水量,m3/h。

供熱物理設(shè)備網(wǎng)中所設(shè)置的流量計(jì)的測量值與所用流量計(jì)的精度等級有關(guān)。目前供熱物理設(shè)備網(wǎng)中采用的流量計(jì)多為超聲波流量計(jì)或電磁流量計(jì),這2種流量計(jì)出廠時(shí)要采用水進(jìn)行檢定。在分界流量qt與最大流量qmax之間,流量計(jì)的最大允許誤差Eq不應(yīng)大于某準(zhǔn)確度等級所規(guī)定的最大允許誤差[4-6],流量計(jì)最大允許誤差Eq可表示為[2-3]

(2)

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

為此可以將式(1)表示為

(3)

式中 下標(biāo)0、i、b分別表示熱源、熱力站序號(hào)及補(bǔ)水。

式(3)表明,供熱物理設(shè)備網(wǎng)中所安裝的經(jīng)檢驗(yàn)合格的組成流量計(jì)群的數(shù)十個(gè)乃至數(shù)百個(gè)流量計(jì)的測量誤差,可能是正的,也可能是負(fù)的。由此將導(dǎo)致由熱源處流量計(jì)測得的總流量與各熱力站流量計(jì)測得的流量數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)下述幾種可能:

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

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

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

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

5) 熱源處總流量計(jì)的測量值為最大正(負(fù))偏差,各熱力站流量計(jì)的測量值部分為最大正偏差,部分為最大負(fù)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(jì)的精度保持不變的情況下,以熱源流量計(jì)測量的流量為基準(zhǔn),將各熱力站流量計(jì)測量的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,并在歸一化處理的基礎(chǔ)上對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行云在線修正,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)閉合。

2 基于熱源流量的歸一化系數(shù)及各流量計(jì)的修正方法

在流量計(jì)群中,熱源流量計(jì)的工作狀態(tài)可采用文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[7]介紹的方法來保證熱源流量計(jì)的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。取流量計(jì)群中各流量計(jì)無測量誤差時(shí)的流量為G,有測量誤差時(shí)的實(shí)際測量流量Gs=G(1±Eq),令流量計(jì)群中各流量計(jì)的實(shí)際流量比為αis=Gis/G0s、αbs=Gbs/G0s(其中αis、αbs分別為熱力站流量計(jì)和補(bǔ)水流量計(jì)的實(shí)際流量比;G0s、Gis、Gbs分別為熱源實(shí)際測量流量、熱力站實(shí)際測量流量、補(bǔ)水實(shí)際測量流量,m3/h),則式(3)可表示為

(4)

式(4)表明,流量計(jì)群中各流量計(jì)的流量比之和等于1。

為消除流量計(jì)群中測量數(shù)據(jù)不閉合的問題,以熱源流量計(jì)的實(shí)際測量值為基準(zhǔn),按照式(5)計(jì)算流量計(jì)群的歸一化系數(shù)[8-9]。

(5)

式中βx為基于熱源流量的歸一化系數(shù)。

各流量計(jì)的實(shí)際測量數(shù)據(jù)可依據(jù)式(6)、(7)折算到以熱源總流量為基準(zhǔn)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(bǔ)水修正流量,m3/h。

各熱力站設(shè)置的熱量表測量的熱量值,采用式(8)進(jìn)行修正。

(8)

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

3 供熱物理設(shè)備網(wǎng)不存在泄漏時(shí)各熱力站的流量比

假設(shè)某供熱物理設(shè)備網(wǎng)有22個(gè)熱力站,每個(gè)熱力站在一次網(wǎng)供水管上設(shè)有流量計(jì),測量進(jìn)入熱力站的流量;在首站供水管上設(shè)置1個(gè)流量計(jì),測量總流量;在首站補(bǔ)水管上設(shè)置1個(gè)補(bǔ)水流量計(jì),測量補(bǔ)水量。

3.1 各熱力站設(shè)計(jì)條件下的流量比

在設(shè)計(jì)條件下,熱力站測量的流量為Gi,熱源測量的流量為G0。當(dāng)熱源循環(huán)水泵變流量運(yùn)行時(shí),各熱力站的流量也發(fā)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(dāng)熱源流量發(fā)生變化時(shí),同一個(gè)熱力站的αi不變。

3.2 熱源流量計(jì)誤差與熱力站流量計(jì)誤差同向時(shí)的流量比

3.2.1各熱力站流量計(jì)測量值的流量比

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

表2 考慮最大允許誤差后的實(shí)際測量流量

計(jì)算出各熱力站實(shí)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(jì)的流量比變化率

計(jì)算基于熱源流量的歸一化系數(shù),對各流量計(jì)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正;并依據(jù)式(9)和式(10)計(jì)算任意時(shí)刻各流量計(jì)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(shí)刻熱力站流量計(jì)的流量比變化率和補(bǔ)水流量計(jì)的流量比變化率;αisτ、αbsτ分別為τ時(shí)刻熱力站流量計(jì)的實(shí)際流量比和補(bǔ)水流量計(jì)的實(shí)際流量比;αis0、αbs0分別為初始時(shí)刻熱力站流量計(jì)的實(shí)際流量比和補(bǔ)水流量計(jì)的實(shí)際流量比。

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

3.3 熱源流量計(jì)誤差與熱力站流量計(jì)誤差異向時(shí)的流量比

3.3.1各熱力站流量計(jì)的測量誤差同向時(shí)的流量比

熱源流量計(jì)測量誤差與熱力站流量計(jì)測量誤差異向,而各熱力站流量計(jì)的測量誤差同向時(shí),根據(jù)式(5),將各熱力站的測量流量進(jìn)行歸一化處理。以熱源流量計(jì)測量誤差最小、熱力站流量計(jì)測量誤差同向且最大為例,歸一化系數(shù)為

由此根據(jù)表2,可得各熱力站流量為Gi時(shí)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(shí)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(shí),βx將發(fā)生變化。為便于工程應(yīng)用,取G0時(shí)的歸一化系數(shù)作為熱源總流量在不同比例變化時(shí)的歸一化系數(shù),由此得到熱源總流量在不同比例變化時(shí)各熱力站的修正結(jié)果(見表4)。

根據(jù)表4各熱力站的流量求出各熱力站流量比,并根據(jù)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(jì)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(shí)的流量比變化率在±0.000 1之內(nèi),0.6Gi時(shí)的流量比變化率在±0.000 4之內(nèi)。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(shù)不變時(shí),以熱源測量流量為基準(zhǔn),修正后的各熱力站流量比變化率差別不大,由此導(dǎo)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(jì)的測量誤差異向時(shí)的流量比

實(shí)際工程中,各熱力站流量計(jì)的測量誤差往往異向。假設(shè)有6個(gè)熱力站測量誤差為Eq,6個(gè)熱力站測量誤差為Eq/2,5個(gè)熱力站測量誤差為-Eq/2,5個(gè)熱力站測量誤差為-Eq(見表6)。根據(jù)上述組合,得到熱源流量從0.6G0變?yōu)?.2G0時(shí),各熱力站的實(shí)際流量與熱源最小(最大)流量的比值不變。熱源流量最小時(shí)的流量比之和為1.022 1,熱源流量最大時(shí)的流量比之和為0.981 5。

表6 測量誤差分布

根據(jù)式(6)及式(7),對各熱力站的測量流量進(jìn)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(shù)βx為0.978 3,熱力站1的修正流量為59.19 m3/h。取G0時(shí)的歸一化系數(shù)βx作為熱源總流量在不同比例變化時(shí)的歸一化系數(shù),由此得到熱源總流量在不同比例變化時(shí)各熱力站的修正結(jié)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(jì)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(shí),由表7及表8可知:

1) 熱源總流量從0.6G0變化到1.2G0,每個(gè)熱力站的流量比不變,各個(gè)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(jì)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(shí),流量比變化率在±2.2%之內(nèi)。

4 供熱物理設(shè)備網(wǎng)存在泄漏時(shí)各熱力站的流量比

假設(shè)供熱物理設(shè)備網(wǎng)存在泄漏時(shí),各熱力站及熱源的流量同表1。采取熱源處集中補(bǔ)水方式,補(bǔ)水量為33.38 m3/h。

4.1 各熱力站流量計(jì)的測量誤差同向時(shí)各熱力站的流量比

補(bǔ)水流量采用2級DN125的流量計(jì)測量,qp=100 m3/h,考慮最大(最小)測量誤差后,補(bǔ)水流量計(jì)測量的最大(最小)流量值為34.07 m3/h(32.69 m3/h)。將流量計(jì)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(dāng)熱源流量由0.6G0變化到1.2G0時(shí),熱力站在0.6Gi時(shí)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(jì)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(shí),由表9可知,熱源總流量從0.6G0變化到1.2G0時(shí):

1) 在熱源總流量的測量誤差最小、流量計(jì)群中流量計(jì)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(jì)群中流量計(jì)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(jì)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(shí),流量比變化率在±1.1%之內(nèi)。

4.2 各熱力站流量計(jì)的測量誤差異向時(shí)各熱力站流量比

各熱力站流量計(jì)的測量誤差按照表6設(shè)置時(shí),供熱物理設(shè)備網(wǎng)泄漏時(shí)的分析結(jié)論與無泄漏時(shí)結(jié)論一致:熱源總流量測量誤差為最大(最小)允許測量誤差時(shí),流量比變化率在±2.2%之內(nèi)。

5 部分流量計(jì)工作異常時(shí)的云在線核查

當(dāng)部分流量計(jì)出現(xiàn)工作異常時(shí),其流量比變化率發(fā)生變化。假設(shè)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(jì)工作異常。智慧供熱系統(tǒng)所采用的流量計(jì)數(shù)據(jù)均可以傳輸至云平臺(tái),在云上自動(dòng)完成流量計(jì)工作狀態(tài)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(nèi)的流量計(jì)繼續(xù)使用,超出流量比變化率限值的流量計(jì)要進(jìn)行現(xiàn)場在線核查或校準(zhǔn)。

圖1 云在線核查流程

表10 部分傳感器異常時(shí)流量比變化率

6 結(jié)論

1) 歸一化方法解決了由熱源總流量計(jì)和各熱力站用于企業(yè)管理的流量計(jì)組成的流量計(jì)群的流量測量數(shù)據(jù)不閉合問題,可為供熱能耗數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐;對于熱力站一次網(wǎng)側(cè)部分設(shè)有貿(mào)易結(jié)算表的流量計(jì)群,也可根據(jù)本文提供的歸一化原理,解決流量計(jì)群的流量測量數(shù)據(jù)不閉合問題。

2) 無論管網(wǎng)是否存在泄漏,正常運(yùn)行的流量計(jì)的流量比變化率可以控制在±3%之內(nèi)。

3) 采用流量比變化率,可在不需要增加儀表專業(yè)技術(shù)人員、不增加設(shè)備投資的條件下,在云上實(shí)現(xiàn)流量計(jì)工作狀態(tài)的在線核查,以保障智慧供熱系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)正確及完整。