区域供热热能表应用现状及其检测技术研讨哈尔滨市计量检定测试所 朱继光
随着城镇供暖体制改革的日益深化，哈尔滨市集中供热事业得到迅猛发展，国有、私有和合作经营企业积极参与热源、供热管网建设、改造和经营。经统计今年新增热源约950MW，新铺设供热管线近140公里，是过去10年建设量的总和。哈尔滨市地处我国东北部，冬季供暖期长达180天，单位面积供暖指标达75W，居我国北方采暖耗热量之首。集中供热的高覆盖率无疑会带来降低供热成本、减少环境污染、改善大气质量、提高人民生活水平等诸多好处。近十几年来，供热部门为实现热网科学化管理，监测和调节热力平衡，准确进行热计量贸易，进行了大量监测系统的技术和设备投入。而影响热网监测系统运行质量的重要症结不是计算机技术和通讯技术，却是流量计量技术。几乎所有的工业流量计都在一些场合进行了应用，而相当数量的流量计却因种种原因难以保证测量准确度而被取下，特别是近几年在不断增加的区域供热商贸计量场合，因热计量失准而带来的计量纠纷时而发生。针对这一情况，为实现科学公正计量，维护热贸易双方的经济利益，我们市级计量技术机构的检测人员经常深入现场，开展流量计量检测服务工作，致力于解决热流量仪表使用中存在的诸多问题。不断地积累经验，以适应不断发展的热计量检测工作。
众所周知，热能表可划分为整体式和分体式热量表两种。用于区域热交接计量的热能表多为分体式式，针对这一特点，结合JJG225?001热能表检定规程，分量检定可以实施。具体操作中应引起注意的是，由于现场计量表及装置的构成形式各异，流量传感器输出信号形式及二次演算部分（包括计算器）流量及热量计算方法各有区别，所以在分量检定时应区别对待，才能准确地反映这些热能表的计量性能。实现这一目标，目的是更好地发挥出JJG225?001热能检定规程宽广的适应性，便于基层计量部门操作，以解决现场更多的热计量问题。下面简要介绍区域热能计量表及装置中较常用的若干种型式和对其实现分量检定的一些建议。
一．流量传感器
在实际供热计量场合所采用的流量传感器形式多样，运用不同原理的流量测量方法、具体的流量测量范围、规格选择、流量计制造及调校质量、安装条件和维护管理等因素，都是保证其实现标称准确度的不可缺少的条件。
1．标准孔板式流量传感器
孔板流量计具有结构简单，节流元件及其计算方法已经标准化等优点，并且其检定一般无需进行实流标定。众所周知，其测量原理：根据流体流动的连续性和能量守恒定律得知：流体流经节流件时，便造成流束的局部收缩，从而在该截面处使流速增加、静压力降低，在节流件前后产生静压力差，根据测量压差值来计算出流量。近几年来随着高准确度差压变送器的大量普及，以及计算机技术在显示仪表中的应用，使得计算精度不断改善，孔板流量计的实际量程比得到了显著提高，并且合理地调整孔径比可降低压力损失，其应用前景相当可观。该种流量计不仅适合热水计量，在高温水蒸气热计量方面更胜一筹。值得一提的是，在大口径（DN300?000mm）热水及蒸汽计量领域，因其所依据的标准健全，几何法检定，地市级计量技术机构利用现有条件很容易开展检定校准工作。与其他类型流量计相比，检定成本很低，在计量仲裁检测方面易于操作，在实际量传工作中取得了良好的社会效果。
2．超声波式流量传感器
超声波式流量计测量流体流量大多是是利用超声波在液体中顺、逆流传播速度变化来测量圆管内流速，从而计算出流量值。它具有较大的动态测量范围、无磨损、高准确度等优点。它最高介质测量温度可达130℃。目前市内热网在线安装的一些受控的超声波式流量计经过几个采暖期运行，管理数据显示及计量检测分析表明，国内外一些较好品牌超声波式流量计准确度稳定，维护量小，适合热网用。
3．电磁式流量传感器
电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律，即：导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电压。测量流量时，流体流过垂直于流动方向的磁场，导电性流体的流动感应出一个与平均流速（亦即体积流量）成正比的电压，因此要求被测的流动液体具有最低限度的电导率。其感应电压信号通过二个与流体直接接触的电极检出，并通过电缆传送至放大器，然后转换成统一输出信号。该种流量计测量精度高，量程比大，测量介质温度可达140℃，在热网中得到了广泛的应用。
4．叶轮式流量传感器
叶轮式流量计其原理是：置于流体中的叶轮是按与流速成正比的角速度旋转的，流速可由叶轮旋转的角速度获得，而流体通过流量计的体积将从叶轮旋转次数求得。叶轮流量计有多种形式，工业上应用的叶轮流量计多为涡轮流量计，它具有准确度高（0.2%--0.5%）、测量流量范围大、耐压高、温度范围宽、容易维修、数字信号输出等特点，是热计量较理想的传感器之一。
5．涡街式流量传感器
涡街流量计，根据流体力学原理，若在流体中垂直放置圆柱或平板等物体时，在其后侧就发生旋涡，从左右两侧交替发出，形成了锯齿形的两列并排涡街，称之为卡门涡街，此旋涡的频率在一定雷诺数范围内与流体的流速成正比。通过检测和计算旋涡数目求出流速或流量的仪器称之为涡街流量计。它的优点是：流量计无可动部件，结构简单，使用寿命长，流量测量范围宽，测量流量不受被测流体的温度、压力、密度或粘度等参数影响，压力损失较小。缺点是：抗震性能差、直管段要求高、耐温性能差。目前在热网领域应用数量较少。
6．弯管流量传感器
弯管流量计以其压力损失小、测量精度高、便于维护以及低故障率等优点，在一些蒸汽及热水贸易计量领域开始得到应用。弯管流量传感器原理：，
当流体流经弯曲管道时，由于基于惯性原理的离心作用，在弯管的内、外两侧会引起压力的变化，即外侧压力增大，内侧压力减小，经过人们大量的理论推导和实验研究表明：在满足一定条件时，流经管道的流体平均流速与这一内外侧压差有如下关系式：
式中：V——流体平均流速；
R——弯管曲率半径；
D——弯管内径；
P1——弯管外侧压力；
P2——弯管内侧压力；
ρ——流体介质的工况密度；
β——指数；
α——综合流量系数。
由此可见，对于特定的管道尺寸参数、介质情况及工作条件，弯管内外侧压力差与其流过流量存在着确定的函数关系，通过测取这一压力差即可实现流量测量。
二．热量计算显示仪表及装置
1.微机实时供热计量装置
微机实时供热计量装置是应用微机根据实时测得的参数（温度、压力和流量信号），对供热量进行计算、累积的装置，它包括输入单元、显示器、打印机、键盘和主机等。该装置可接受多路管线的热工信号，进行处理和显示。
它的特点是：吸收ＩＳＯ５１６７－１９９１－２有关内容，根据被测介质工况变化的实际参数（压力、温度和差压）值，编制流量计算程序，在线实时跟踪计算所有的变量，对介质的密度ρ、介质粘度η、流出系数C、流束膨胀系数ε、直径比β、雷诺数ReD、热焓值h等多项参数进行在线实时计算后引入公式计算实际流量和热量，因而扩大了量程比，克服了经典孔板仪表量程比小的缺点，具有一定的实用性；实现采集器与铂电阻四线制配接，大大消除引线带来的测量误差，使所配接的A级Pt100传感器具有互换性，保证热量计量精度。
装置的主要技术指标：
1．1 装置的瞬时热量软件计算结果的相对误差：≤?.1%;
1．2 装置的瞬时热量引用误差：≤?.4%;
1．3 装置累积热量相对误差：≤?.4%;
1．4 温度引用误差：≤?.2% 。
2．智能流量热量积算仪
流量热量积算仪是用来测量流体流量、热量值，并测量显示瞬时压力、瞬时温度、温差、瞬时流量、瞬时热量等参数的仪表。通常与其配套的传感器有标准孔板传感器、涡轮传感器、涡街传感器、超声波传感器、热电阻、热电偶等，与其连接的变送器有压力变送器、差压变送器、温度变送器等。在置入相应密码后可进入仪表设定状态，可设定配套的传感器形式、量程等参数，相关参数具有掉电保持功能。
一般由单片机、操作键、显示器、通讯接口和过程通道组成。输入的模拟信号通常有：（0-10）mA，（4-20）mA，（0-10）V、（1-5）V。脉冲信号频率一般不大于10kHz，电压脉冲低电平不大于2V，高电平不低于4.5V。
较常见的智能流量热量积算仪其准确度等级一般为0.5级。
3．智能弯管流量热量积算仪
智能弯管流量热量积算仪与智能流量热量积算仪硬件结构大致相同，有所区别的是此种积算仪专门与弯管流量传感器配套使用，其内部流量计算公式专为弯管所设计，具备一般的瞬时流量、瞬时热量、温度、压力测量功能并显示和累积。为保证高测量精度，该仪表除采用实时运算补偿法进行流量测量的温度压力补偿外，同时也采用实时运算补偿法进行管径的热膨胀修正，具体修正值的大小是根据实测的温度值和弯管传感器实际材质的线膨胀系数运算求得的。这些补偿和修正使仪表测量精度得到了可靠的保证。
所有输入信号均为模拟量（4?0）mADC，仪表准确度为：0.2%FS 。
4．能量计算器
能量计算器与规程中定义的计算器功能相同，有些制造商称之为能量表，大多由内置锂电池供电。它能接收来自流量计发出的脉冲信号，对水的量值进行计算，能量的计算包括：供水、回水温度的测量，水的密度和热焓值修正，求得热能总量。该种计算器可与大多数不同测量原理的脉冲型流量传感器配接，流量范围宽，有的型号可达3000m3/h，满足大型商服单位和工业用户等大宗热能计量结算的要求。
其脉冲输入方式有两种：机械开关或开路三极管触发、电子脉冲信号触发。测温传感器接线方式分两线接法和三线接法两种，后者测量应更精确一些。
其准确度指标符合检定规程分量检定的要求。
三．检定方法研讨
1．流量传感器的检定校准
1．1标准孔板
标准孔板是经典型流量传感器，国际标准ISO5167对其型式、几何尺寸、过程测量参数与流量之间的函数关系都做了明确规定，对热水及蒸汽介质的影响量如孔板内径、管道内径、粘度、流束膨胀系数等可进行修正。我们知道，孔板与环室、法兰、直管段及引压管、差压变送器共同组成一套传感装置，一般情况下很难做到实流标定。 JJG640?994差压式流量检定规程中提出的检定方法是几何法。其主要技术指标有：节流孔径、入口边缘锐利度、上游端面平面度、表面粗糙度、孔板厚度等参数，做到几何法检定应是有效的。应该注意的是，孔板安装方面带来的扰动如直管段长度、同心度、垂直度、取压点及测温点等，应严格按照标准控制，一旦发生偏离，应考虑附加不确定度。
1．2超声波式、电磁式、涡轮式、涡街式流量计
这几种流量计都是以直接用来测量封闭管道中满管流流动速度为原理的流量计。JJG198?994 速度式流量计检定规程适用于上述流量计的检定，主要检定指标有：基本误差、重复性、仪表系数、线性度等。目前，省市级计量部门的流量标准装置中检定介质大多为常温水，那些以常温水检定合格的各类型流量计应用于（40---90）℃热水测量，其准确度变化趋势如何？我们目前知之甚少，近年来在文献上也难以检索到这方面的报告。在今后一段时期，有条件配备热表检定实验设备的部门，大多只能局限在小口径检定，而DN50以上口径，直至DN1000口径的热水检定设备，可能离我们还是相当遥远。如果掌握各种常用型号的流量计在冷、热水条件下的对比实验误差变化曲线，那么我们完全可以在普通条件下对应用于热计量的传感器进行标定，确认其工况下的计量性能。这样就会大大降低检定成本，为热贸易提供科学保障。为此，我们建议国内有关机构争取条件，积极开展大流量传感器热计量检定研究工作，以支持基层计量技术机构开展热能计量检测。
1．3弯管传感器
经过大量理论推导和实验，弯管的弯径比是理论模型中唯一的几何特征参量，对流量测量起着重要的作用。弯径比是指弯管的内径中心线圆弧的曲率半径R和弯管的内径D的比值，即R/D。由于弯管曲率半径R是一条无形的空间曲线，不能用简单的方法直接将其准确地测量出来，因此弯径比的测量必须通过间接测量确定。目前已有专用的测量仪器运用等弦几何测量法精确测量弯径比。如果测得值在控制值范围内，表明其几何形状的相似性，其相对标准不确定度可控制在0.5%以内。经大量的实流标定验证，与二次仪表配合使用可实现1.0级准确度。
2．热量计算显示仪表及装置的检定校准
2．1微机实时供热计量装置
该装置多是针对大口径管道热计量，流量传感器为标准孔板。根据计量性能要求，选择相应准确度的电测仪器：多路标准直流信号源、直流电阻箱、标准电流表、电子计时器等。需考核的主要指标有：瞬时流量、瞬时热量、温度、压力、累积量、采样周期等。具体详细的操作方法受篇幅限制暂略，下面简要介绍在检定过程中仪表理论值的计算方法：
流量计算公式：
式中：
q： 瞬时流量，kg/h ;
C： 流出系数 ;
ε：流束膨胀系数 ;
dt ：工作温度下节流件开口直径 ;
ρ：流体的密度 kg/m3 ;
ΔР：节流件前后差压 Pa ；
β：直径比 。
对有供无回的管线，一般属蒸汽供热，热量计算公式：
Q= q供（h供 ?h自）
对有供有回的管线，属热水供热，考虑到失水，热量计算公式：
Q= q供h供 –q回h回 - （q供 - q回）h自
式中：Q：瞬时热量 ；
h：热焓值 ，h=f(p,t) kJ/kg ；
q：流量 ，kg/h ；
下脚码：?#20379;?#20026;供向管线，?#22238;?#20026;回向管线，?#33258;?#20026;自然水。
校准微机温度示值时，采用的是电阻箱仿真法，视各点示值不超过最大允许误差为合格。关于配对温度传感器，这里一般采用A级Pt100铂电阻，进行单独检定。流量校准过程中，应考虑到实际工况变化的范围，设定若干个温度、压力点，以考核动态修正能力。
2．2智能流量热量积算仪
此类型积算仪流量输入信号较常见的主要有两种：电流型和脉冲型。已被新热能表规程JJG225?001代替而废止的JJG225?992热能表检定规程，其被检计量器具侧重于工业用热能表，其中有些条款关于温度、压力、瞬时流量的检定方法，仍有其实用之处，我认为可以参考。
电流型（4?0）mADC信号，大多是标准孔板类型传感器信号，配有温度、压力在线补偿功能。检定过程中瞬时流量名义值的计算按照2．1条微机装置检定的流量计算公式计算。注意当介质为水时，式中流束膨胀系数 ε=1；在一定的流量范围内，流出系数C受管道雷诺数变化的影响十分微弱，这里可不做修正。流量计算小信号切除点根据差压变送器的测量准确度情况，一般选在流量范围的5%以下。
在实际运用中，流量计在换热管线上只有一只，供水或回水，一般不考虑换热管线及设备的失水。瞬时热量理论值计算公式为：
Q=qm（h供 ?h回） -------------------------（热水供热）
Q=qm h供 --------------------------（蒸汽供热）
脉冲型信号一般为超声波、叶轮、涡街或电磁流量传感器，选择高准确度的频率信号发生器输入标准流量脉冲信号，考核瞬时流量、瞬时热量、累积量等。瞬时流量计算公式：
式中：qm:质量流量，kg/h；f：为输入频率值，Hz; ρ：为流体密度值, kg/m3 ;K：为仪表系数,脉冲/升。
脉冲输入状态下，瞬时热量计算与电流型计算方法一致。
2．3智能弯管流量热量积算仪
此仪表流量输入信号为电流型（4?0）mADC信号，除质量流量演算方法有区别外，其他计量性能与智能流量热量积算仪大致相同，这里只介绍瞬时流量理论值计算公式：
式中：qm：质量流量，t/h ；Dt：为经温度修正后的管道内径，mm；α:综合流量系数。
2．4能量计算器
能量计算器的检定应严格按照规程中规定的分量检定方法进行。计算器误差处理公式中，热量约定真值可按下式计算：
式中，Q：热量，MJ；N：脉冲数；K：仪表系数；h：水在当前温度下的焓值，kJ/kg；
多数能量计算器具有当前热功率显示，，而该显示功能在实际使用中，被用户看作监视供热能力的重要参数，常常提出检测要求。由于热能表检定规程未对其检定方式做出细致规定，所以在实际工作中可采用校准的方式，理论值可按下式计算：
式中：f:脉冲频率，Hz；K：仪表系数 脉冲/升；ρ：工况下水的密度；h：水在当前温度下的焓值，kJ/kg；P：热功率，MW。
有些计算器温度传感器接线方式为三线制接法，用电阻箱检定时要注意三棵导线电阻值的一致性，以防止出现粗大误差。
四．结 束 语
需要强调的是，上述分量检测方法也存在其固有的局限性。虽然仪表装置各部分都经校准，但传感器与仪表之间信号传输现场布线方式、现场电磁干扰等诸多因素也偶尔导致整体运行质量与分量检定结果发生不符合，甚至很严重。在整体检定无法实施的前提下，针对此类问题，采取实验室分量检定和现场在线电量仿真测试相结合的办法，实践证明是有效的。分量检定结果如何能严密地描述仪表装置的整体计量性能，这是我们在以后的检测工作中还需进一步摸索研究的课题。
衷心感谢会议组织者为我提供这次向各位专家学习和交流的机会，感谢中科院王树铎研究员、中国计量院王池研究员对我的指导和帮助。受水平所限，文中难免存在不当或错误之处，敬请同行朋友们不吝赐教，批评指正。
2003年10月30日
