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熱量表應用中的問題及原因分析

行業應用 2019年11月13日 11:15:41 來源:環球表計人氣:12130
  【儀表行業應用】隨著熱量表大量的使用,供熱公司一方面積累了豐富的使用經驗,另一方面也有很多的問題,需要回答。本文將對兩個問題分析,同時提出設計和安裝方面的建議,供熱力公司的工程師們參考。
 
  樓棟熱量表與戶用熱量表計量結果
 
  不一致問題
 
  在很多同時安裝了大口徑樓棟熱量表(以下總表)和戶用熱量表(以下簡稱分表)的地方,總會出現總表與分表的計量結果不同的情況。有的時候,總表的熱量值比所有分表的熱量值總和大,另外的一些情況卻正好相反。這樣就造成了工作人員的困惑,到底哪一個數據是準確的呢?
 
  對一個樓的計量,總存在以下公式:
 
  從上面的公式,可以看到由于總表連接各個分表的管道存在熱量的散失,總表的熱量值應該永遠大于分表熱量值的總和。出現分表熱量值總和大于總表熱量值情況,可能是以下幾個原因。
 
  特定的運行條件下,放大了總表和分表的計量特性差異
 
  不同規格的熱量表的計量特性是不同的。總表的口徑較大,小流量也比較大,例如DN200的熱量表的小流量為10 m³/h。當流量小于小流量時,熱量表也能進行計量,但計量誤差也較大。隨著流量繼續減小,當流量小于某一特定流量后,熱量表將不進行計量。我們暫且稱它為始動流量。作為總表,如果工作在始動流量以下,誤差為100%;如果工作在始動流量到小流量之間,誤差將放大;如果工作在小流量以上,誤差在2%至3%之間(以2級表,量程比不大于100為例)。
 
  分表的口徑一般為DN20,小流量為30升每小時。在采暖過程中,假設每平米的流量為2升至3升每小時。對于一戶60平米的住戶,流量一般為120升每小時到180升每小時。這樣的流量大于小流量,所以分表工作在合理區間內。
 
  例如一棟15層的樓房,采用DN200的熱量表,內有住戶120戶,如果120戶都實施熱計量,則一般流量為14.4 m³/h到21. 6m³/h。在這種情況下,總表工作在合理區間。但在室外溫度較高的情況下,如果有部分用戶主動關小供暖閥門;或在采光較好的房間,關小閥門的情況下,總的流量下降了,就有可能小于總表的小流量,總表的計量誤差變大了。
 
  小溫差條件下,放大了溫度傳感器非對稱安裝帶來的影響
 
  熱量值的誤差的一個重要組成部分是溫差的誤差。溫差的誤差按下式計算:
 
    降低溫差的誤差就要提高平均水溫測量的準確度。
 
  平均水溫測量的準確度,不僅由溫度傳感器的準確度決定,測溫位置的代表性也很重要。德國JUMO公司和天津市計量監督檢測科學研究院開展了管道中溫度分布的研究。試驗在換熱器出口處,彎頭前,彎頭后處進行。管道中布置了13只溫度傳感器,分別測量13個測溫區域的水溫。測溫區域的編號為從0到9以及從A到D,測溫區域的分布如下圖1:
 
  比較換熱器出口處,彎頭前,彎頭后處三處測量結果,可以發現在彎頭后的溫度分布差異小,具體情況如下圖2:
 
  從圖3中可以看到不同區域溫度差異明顯,溫度與低溫度之差為0.9K。當使用單只溫度傳感器測量管道平均溫度時,由于安裝位置不同,會導致的測溫結果出現明顯的不同。假設樓棟進口處的管道溫度分布和樓棟出口處的管道溫度分布基本相同,則兩只溫度傳感器的安裝位置如果不相同也可能帶來誤差。測溫位置前面的管道條件,流動狀態,都會影響管道中溫度分布,進口管道的溫度分布還可能和出口管道的溫度分布還存在不同,理想的是在管道中布置多只溫度傳感器測量管道的平均溫度。
 
  對于管道溫度分布差異帶來的影響,為了給一個比較直觀的概念,舉一個例子。假設T進口的誤差為+0.3℃和T出口的誤差為-0.6℃,在20度溫差條件下,誤差為4.5%;在10度溫差條件下,誤差為9%。在很多供暖系統中,總表的溫差并不大,一般為20℃至30℃。對于一些地板采暖的項目溫差更低,甚至僅為2℃,相應的影響會更大。
 
  樓棟進口壓力和出口壓力的差異,帶來了總表的計量誤差
 
  討論熱量值的計算方法有焓值法和K系數法,兩者是等效的,以下按照焓值法進行討論。
 
  焓值法熱量的計算公式為:
 
  焓值是溫度和壓力的函數。由于戶用表的進口壓力和出口壓力的差值不大,所以戶用表采用同樣壓力下不同溫度的焓值,帶來的影響不大。對于總表可能出現一些問題。
 
  例如:總表樓棟進口壓力為0.81MPa,溫度為42℃;樓棟出口壓力為0.66MPa,溫度為40℃,則引入誤差1.6%。
 
  水質的影響
 
  供暖系統中,在鍋爐及附屬設備安裝,管道的焊接以及熱交換器的安裝過程中,許多雜質會留在供熱系統中,這些雜質可能是焊渣,砂礫石及鐵氧化物。供暖水中還可能包括石灰,淤泥、氯化物及硫化物等雜質。供暖系統運行一段時間后,供暖水和系統某些部件發生化學反應也可能形成某種化合物,如碳酸鈣、氧化鐵、氫氧化鐵、氧化銅、硫化銅、磷酸鈣。對于這些雜質的影響,我們從流量和熱量計量兩個方面來進行分析。
 
  從流量計量角度進行分析
 
  在超聲波流量計量過程中,超聲波從接收換能器發出,經過在介質中的傳播過程后,到達接收換能器。直接采用帶有聲速的流速計算公式,帶來的影響是明顯的。帶有聲速的流速計算公式如下:
 
  介質聲速在熱量表產品的設計,制造,檢驗過程中,均采用純凈水的聲速。純水聲速與含有雜質的水的聲速的差異,導致在實際熱量表工作過程中出現明顯的偏差。
 
  改進的流速計算公式,通過數學變換,使得公式中已經不直接含有聲速了。改進的流速計算公式的推導過程如下:
 
在實際工作中存在的問題是逆流和順流時間的測量,需要修正,在操作上存在困難。
 
  一種可以降低聲速帶來影響的方式是采用頻差法。頻差法計算公式如下:
 
    以看到使用頻差法,影響較小。
 
  水質較差時,在流量計的管壁和換能器表面可能結垢,這將造成計量的不準確。具體的影響量的大小與換能器的安裝,結構,激勵的方式等因素有關。通過在液體流量裝置上進行標定,可以確定示值誤差的變化量,供實際使用中參考。
 
  從熱量計量角度分析
 
  從公式(3)中可以看到熱量計算需要用到介質的焓值。由于水中含有各種雜質,供暖水的焓值是水和各種雜質的焓值的和。下表列出了各種雜質的焓值。
 
表1 各種雜質的焓值
 
  可以看到,雜質的引入,導致實際的熱量比純水條件下的小。
 
  注重選型和安裝過程,合理開展熱量計量
 
  在熱量表選型前,要了解現場情況,運行條件。因為現場的很多問題,與選型有關。所以準確的選型,對今后合理的使用非常關鍵。歐洲標準EN1434-2015《熱量表》指出,下列參數要在選型前明確:
 
  載熱液體壓力;
 
  載熱液體的物理與化學特性;
 
  可接受的熱量表壓力損失;
 
  準確度要求;
 
  供熱系統的進口與出口管道溫度范圍,及系統溫差;
 
  載熱液體預期大與小流速;
 
  供熱系統所要求熱功率;
 
  流經熱量表的液體流速性質,是恒定的、可變的還是間歇性的;
 
  對熱量表供電方式的要求;
 
  對熱量表周圍空間的特別要求,以便于輕松讀數、安全安裝及熱量表維護;
 
  連接件要求,如法蘭、配件和熱量表尺寸要求。
 
  我感覺針對我國的情況,用戶具有自主調節的能力,可以申請停暖,同時入住率存在變化,在實施熱計量的供熱系統中,熱量表的測量范圍的能力要留出上下限的余量。同時,明確一些參數例如系統熱功率,流速范圍,溫差范圍等,既要考慮天氣變化的極值,又要考慮熱源的特點等。
 
  合理的安裝為熱量表在現場長期可靠的運行提供了條件。以下同樣列出歐洲標準EN1434-2015《熱量表》的要求,供大家參考。
 
  應按照供應商提供說明安裝熱量表;
 
  熱量表安裝前,應對安裝流量傳感器的管路進行徹底沖水清刷以除去雜物,如安裝有過濾器,應對其進行清潔;
 
  熱量表應避免因安裝周圍環境引發的沖擊和振動帶來的損害;
 
  熱量表不得承受管道與配件引起的過度應力;
 
  熱量表上下游供熱系統管線應充分固定;
 
  熱量表運行采用交流電的,其布線應按照適用的布線規定進行;
 
  交流供電應有意外中斷安全措施。電路保護應結合現有技術,出現電力問題時要安全斷開設備;
 
  測量信號引線不可直接沿其他引線敷設,如主供電電纜、低壓供電電纜和數據通信線,而應單獨布設,這些線纜之間間隔不得少于50 mm。除非所安裝的計算器符合的EN 1434-4的要求,建議線纜和計算器要遠離強電磁干擾領域60cm以上,例如變頻泵和類似的高能供電電纜;
 
  位于雷電頻繁區域且長度超過10 m的電源線與外接信號線,應在建筑物線纜入口處進行外部雷電浪涌保護;
 
  溫度傳感器與計算器之間的信號引線應為中間無接點的連續長度,除非是經過批準的4線制連接方案;
 
  熱量表各部件間信號電路的安裝方式應能阻止非法干擾和斷開;
 
  應采取預防措施以避免熱量表遭受不利水流狀態(氣蝕、浪涌、水錘)的損害。
 
  總結
 
  本文針對樓棟熱量表與戶用熱量表計量結果不一致問題、水質的影響問題,分析了問題產生的原因,為解決這類問題提供了思路。本文同時強調了熱量表選型和安裝,對于熱量表長期穩定運行的重要性,并引用了歐洲標準,為供熱公司提供了參考。熱量表的很多問題的發生并不是突然的,而是逐漸出現的,加強日常的周期性檢查可以較早的發現問題。在通訊技術不斷進步的時代,更多使用網絡,甚至是無線網絡,開展熱量表運行狀態的巡查,是一種的方式。
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