热量表应用中的问题及原因分析
- 2019/11/13 11:15:41 13812
- 来源：环球表计
楼栋热量表与户用热量表计量结果
不一致问题
在很多同时安装了大口径楼栋热量表(以下总表)和户用热量表(以下简称分表)的地方，总会出现总表与分表的计量结果不同的情况。有的时候，总表的热量值比所有分表的热量值总和大，另外的一些情况却正好相反。这样就造成了工作人员的困惑，到底哪一个数据是准确的呢？
对一个楼的计量，总存在以下公式：
从上面的公式，可以看到由于总表连接各个分表的管道存在热量的散失，总表的热量值应该永远大于分表热量值的总和。出现分表热量值总和大于总表热量值情况，可能是以下几个原因。
特定的运行条件下，放大了总表和分表的计量特性差异
不同规格的热量表的计量特性是不同的。总表的口径较大，小流量也比较大，例如DN200的热量表的小流量为10 m³/h。当流量小于小流量时，热量表也能进行计量，但计量误差也较大。随着流量继续减小，当流量小于某一特定流量后，热量表将不进行计量。我们暂且称它为始动流量。作为总表，如果工作在始动流量以下，误差为100%；如果工作在始动流量到小流量之间，误差将放大；如果工作在小流量以上，误差在2%至3%之间(以2级表，量程比不大于100为例)。
分表的口径一般为DN20，小流量为30升每小时。在采暖过程中，假设每平米的流量为2升至3升每小时。对于一户60平米的住户，流量一般为120升每小时到180升每小时。这样的流量大于小流量，所以分表工作在合理区间内。
例如一栋15层的楼房，采用DN200的热量表，内有住户120户，如果120户都实施热计量，则一般流量为14.4 m³/h到21. 6m³/h。在这种情况下，总表工作在合理区间。但在室外温度较高的情况下，如果有部分用户主动关小供暖阀门；或在采光较好的房间，关小阀门的情况下，总的流量下降了，就有可能小于总表的小流量，总表的计量误差变大了。
小温差条件下，放大了温度传感器非对称安装带来的影响
热量值的误差的一个重要组成部分是温差的误差。温差的误差按下式计算：
降低温差的误差就要提高平均水温测量的准确度。
平均水温测量的准确度，不仅由温度传感器的准确度决定，测温位置的代表性也很重要。德国JUMO公司和天津市计量监督检测科学研究院开展了管道中温度分布的研究。试验在换热器出口处，弯头前，弯头后处进行。管道中布置了13只温度传感器，分别测量13个测温区域的水温。测温区域的编号为从0到9以及从A到D，测温区域的分布如下图1：
比较换热器出口处，弯头前，弯头后处三处测量结果，可以发现在弯头后的温度分布差异小，具体情况如下图2：
从图3中可以看到不同区域温度差异明显，温度与低温度之差为0.9K。当使用单只温度传感器测量管道平均温度时，由于安装位置不同，会导致的测温结果出现明显的不同。假设楼栋进口处的管道温度分布和楼栋出口处的管道温度分布基本相同，则两只温度传感器的安装位置如果不相同也可能带来误差。测温位置前面的管道条件，流动状态，都会影响管道中温度分布，进口管道的温度分布还可能和出口管道的温度分布还存在不同，理想的是在管道中布置多只温度传感器测量管道的平均温度。
对于管道温度分布差异带来的影响，为了给一个比较直观的概念，举一个例子。假设T进口的误差为+0.3℃和T出口的误差为-0.6℃，在20度温差条件下，误差为4.5%；在10度温差条件下，误差为9%。在很多供暖系统中，总表的温差并不大，一般为20℃至30℃。对于一些地板采暖的项目温差更低，甚至仅为2℃，相应的影响会更大。
楼栋进口压力和出口压力的差异，带来了总表的计量误差
讨论热量值的计算方法有焓值法和K系数法，两者是等效的，以下按照焓值法进行讨论。
焓值法热量的计算公式为：
焓值是温度和压力的函数。由于户用表的进口压力和出口压力的差值不大，所以户用表采用同样压力下不同温度的焓值，带来的影响不大。对于总表可能出现一些问题。
例如：总表楼栋进口压力为0.81MPa，温度为42℃；楼栋出口压力为0.66MPa，温度为40℃，则引入误差1.6%。
水质的影响
供暖系统中，在锅炉及附属设备安装，管道的焊接以及热交换器的安装过程中，许多杂质会留在供热系统中，这些杂质可能是焊渣，砂砾石及铁氧化物。供暖水中还可能包括石灰，淤泥、氯化物及硫化物等杂质。供暖系统运行一段时间后，供暖水和系统某些部件发生化学反应也可能形成某种化合物，如碳酸钙、氧化铁、氢氧化铁、氧化铜、硫化铜、磷酸钙。对于这些杂质的影响，我们从流量和热量计量两个方面来进行分析。
从流量计量角度进行分析
在超声波流量计量过程中，超声波从接收换能器发出，经过在介质中的传播过程后，到达接收换能器。直接采用带有声速的流速计算公式，带来的影响是明显的。带有声速的流速计算公式如下：
介质声速在热量表产品的设计，制造，检验过程中，均采用纯净水的声速。纯水声速与含有杂质的水的声速的差异，导致在实际热量表工作过程中出现明显的偏差。
改进的流速计算公式，通过数学变换，使得公式中已经不直接含有声速了。改进的流速计算公式的推导过程如下：
在实际工作中存在的问题是逆流和顺流时间的测量，需要修正，在操作上存在困难。
一种可以降低声速带来影响的方式是采用频差法。频差法计算公式如下：
以看到使用频差法，影响较小。
水质较差时，在流量计的管壁和换能器表面可能结垢，这将造成计量的不准确。具体的影响量的大小与换能器的安装，结构，激励的方式等因素有关。通过在液体流量装置上进行标定，可以确定示值误差的变化量，供实际使用中参考。
从热量计量角度分析
从公式(3)中可以看到热量计算需要用到介质的焓值。由于水中含有各种杂质，供暖水的焓值是水和各种杂质的焓值的和。下表列出了各种杂质的焓值。
表1 各种杂质的焓值
可以看到，杂质的引入，导致实际的热量比纯水条件下的小。
注重选型和安装过程，合理开展热量计量
在热量表选型前，要了解现场情况，运行条件。因为现场的很多问题，与选型有关。所以准确的选型，对今后合理的使用非常关键。欧洲标准EN1434-2015《热量表》指出，下列参数要在选型前明确：
载热液体压力；
载热液体的物理与化学特性；
可接受的热量表压力损失；
准确度要求；
供热系统的进口与出口管道温度范围，及系统温差；
载热液体预期大与小流速；
供热系统所要求热功率；
流经热量表的液体流速性质，是恒定的、可变的还是间歇性的；
对热量表供电方式的要求；
对热量表周围空间的特别要求，以便于轻松读数、安全安装及热量表维护；
连接件要求，如法兰、配件和热量表尺寸要求。
我感觉针对我国的情况，用户具有自主调节的能力，可以申请停暖，同时入住率存在变化，在实施热计量的供热系统中，热量表的测量范围的能力要留出上下限的余量。同时，明确一些参数例如系统热功率，流速范围，温差范围等，既要考虑天气变化的极值，又要考虑热源的特点等。
合理的安装为热量表在现场长期可靠的运行提供了条件。以下同样列出欧洲标准EN1434-2015《热量表》的要求，供大家参考。
应按照供应商提供说明安装热量表；
热量表安装前，应对安装流量传感器的管路进行彻底冲水清刷以除去杂物，如安装有过滤器，应对其进行清洁；
热量表应避免因安装周围环境引发的冲击和振动带来的损害；
热量表不得承受管道与配件引起的过度应力；
热量表上下游供热系统管线应充分固定；
热量表运行采用交流电的，其布线应按照适用的布线规定进行；
交流供电应有意外中断安全措施。电路保护应结合现有技术，出现电力问题时要安全断开设备；
测量信号引线不可直接沿其他引线敷设，如主供电电缆、低压供电电缆和数据通信线，而应单独布设，这些线缆之间间隔不得少于50 mm。除非所安装的计算器符合的EN 1434-4的要求，建议线缆和计算器要远离强电磁干扰领域60cm以上，例如变频泵和类似的高能供电电缆；
位于雷电频繁区域且长度超过10 m的电源线与外接信号线，应在建筑物线缆入口处进行外部雷电浪涌保护；
温度传感器与计算器之间的信号引线应为中间无接点的连续长度，除非是经过批准的4线制连接方案；
热量表各部件间信号电路的安装方式应能阻止非法干扰和断开；
应采取预防措施以避免热量表遭受不利水流状态(气蚀、浪涌、水锤)的损害。
总结
本文针对楼栋热量表与户用热量表计量结果不一致问题、水质的影响问题，分析了问题产生的原因，为解决这类问题提供了思路。本文同时强调了热量表选型和安装，对于热量表长期稳定运行的重要性，并引用了欧洲标准，为供热公司提供了参考。热量表的很多问题的发生并不是突然的，而是逐渐出现的，加强日常的周期性检查可以较早的发现问题。在通讯技术不断进步的时代，更多使用网络，甚至是无线网络，开展热量表运行状态的巡查，是一种的方式。
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