影响热量计测量精度的分析

2020-11-28刘璞

中国新技术新产品 2020年7期

关键词：热量表换能器温度传感器

刘璞

（郑州市热力集团有限公司，河南郑州 450003）

0 引言

供热质量高低最终反映的是锅炉产热量和用户使用量之间的合理分配，既要发挥锅炉的最大效率保证供热质量，又要节能降耗经济运行。热量计就成为锅炉房众多管理参数中的关键数据。

通过热量计量仪所提供的数据（供回水温度、锅炉瞬时供热量、累计热量），对锅炉的运行、燃烧状态和所耗燃气（耗煤）量随时对锅炉和外网进行合理调整，使其在最佳状态下运行，应用“热量调节法”实行科学的量化管理。

1 热量计的分类

1.1 根据热量计总体结构及设计原理热量表分为3类

1.1.1 一体式热量计

一体式热量计是指热量计的3 个组成部分（流量仪、积算仪、温度传感器），有部分产品设计结构结合在一起。例如，一体式时差法超声波热量计，它的换能器、流量仪、热量仪和一支温度传感器在产品结构上是组合在同一固定长度管段上，其中流量仪和热量仪的电气部分集成在同一电路板上，检定时只能对设备进行整体检测。

1.1.2 分体式热量表

分体式热量表是指组成热量表的3 个部分（流量仪、积算仪、温度传感器）可以独立安装，并且同型号的产品可以相互替换，在检定时可以对各部件分别检测。

1.1.3 紧凑型热量表

紧凑型热量表是指组成热量表的3 个部分（流量仪、积算仪、温度传感器）至少其中2 个部分是组合在一起，以减少安装中所产生的误差。

1.2 依据热量计中流量仪的结构和原理分类

1.2.1 机械热量计

机械热量计因其流量仪测量元件是用机械进行传动而命名，其测量导流通道有单流束和多流束2 种，单流束是指流体在仪表内从一个方向单股推动机械叶轮转动，机械磨损较大，使用年限短。多流束表是流体在仪表内从多个通道推动机械叶轮转动，相对磨损较小，使用年限长。

1.2.2 电磁热量计

电磁热量计中采用的是电磁式流量仪。电磁式流量仪测量精度高，不受载体密度、压力、热流黏度以及流体分布等参数变化的影响，量程比最大可达1 ∶30。分析其工作原理可知，电磁式流量仪功耗较大，需外接电源，受被测流体导电率限制，不适合测量水质较纯净的流体[1]。

1.2.3 超声波热量计

超声波热量计中采用的是时差式超声波流量仪。时差式超声波流量仪不受载体热流黏度、密度、压力以及电解质等参数变化的影响。量程比最大可达1 ∶250，测量范围宽，更加适合于变流量运行、负荷变量较大的场所。可广泛应用于住宅小区、写字楼以及企事业单位集中供热、供水、空调、锅炉等系统中的热量计量。

锅炉使用的是软化水，由于时差式超声波热量表所具有的众多优势，所以锅炉的热量计量多采用时差法超声波热量表。

热量计是由供回水温度计、流量计、积算仪组成，影响热量计计量精度稳定的原因有多种，该案例分析中使用的是时差法超声波流量计。

2 时差式超声波流量计的选型

2.1 热量表外形尺寸

选用根据安装和使用环境，选用合适的公称压力、热表表体长度、积算仪安装方式、流流计安装方式、表接螺纹以及流量计表体材质等，保证热量表可以正确安装且设备无干扰、后期检修方便。

2.2 热量表技术参数选用

选用的热量表技术参数包括热量表的最小流量、常用流量、最大流量、热量表的温度范围、公称流量下的压力损失、最大温差、最小温差、测量精度以及热量表的防护等级等。

2.3 电气及软件部分时差法

超声波热量表供电方式一般为24 V 和220 V（具体参见产品说明书）。温度传感器类型，传感器导线长度（严禁自行加长、裁短或更换导线）。热表的通信方式及通信接口、流量计计量周期、通信接口、积算仪数据存储量等。

3 影响时差式超声波流量仪测量精度的主要因素

3.1 上下游直管段

由于时差式超声波流量仪标定系数K 值是雷诺数函数，所以当流体从层流过渡到紊流时，其流速分布不均匀，标定系数K 值将产生较大的变化，从而影响测量准确度。根据设计要求换能器应安装在上游直管段为10 倍管径、下游直管段5 倍管径的位置，对于上游存在泵、阀等设备时，需要按照“距离紊流、震动、热源、噪声和射线源越远越好”的要求做，换能器应安装在上游直管段30 倍管径以上的位置。直管段长度是保证时差式超声波流量仪测量准确度的重要因素之一。

3.2 安装管道参数设置对时差式超声波流量仪测量准确度的影响

根据时差式超声波流量仪流量计量公式qv=（π/4）D2v，（qv瞬时流量，D 管道直径，V 流体流速m/s）当管道材质及尺寸设置与实际管道尺寸不符时，将使理论管道流通截面积与实际管道流通截面积产生误差，导致计算结果不准确。换能器的安装距离是根据流体性质、管道材质、内外管径、安装方式等参数综合运算的结果。据有关资料介绍，如果管道内径误差±1%，则引起约±3%的流量误差。如果安装距离误差±1 mm将产生±1.5%以内的流量误差。由此可见，只有正确设置管道参数，换能器才能安装正确。因此，管道参数设置的准确性直接影响着时差式超声波流量仪测量准确度。

3.3 换能器安装对时差法超声波流量仪测量准确度的影响

时差法超声波流量计测量器件换能器声波的传输分为直线式和反射式，反射式按安装方式又有V 式、Z 式、W 式，可根据管径、所测流体性质，有无管衬以及现场安装条件进行选择。另外换能器必须安装在与管线正切的方向，否则会影响声波的发射和接收，进而影响时差法超声波流量计的测量准确度。

3.4 被测流体含气量对时差法超声波流量计测量准确度的影响

不溶气体具有非常低的声阻抗，可能造成声束分散，含气量大时，将减弱声波信号强度，因此被测流体含气量对时差法超声波流量计测量数据有很大影响。

在实际供热生产中，所有热量计安装的外部条件匀已很好地满足设计要求，但当锅炉出水温度低于80℃时，热量计工作正常，当锅炉出水温度高于80℃时，管道内会有细小的气泡产生，在闭环的锅炉系统中，这些气泡使终裹挟在流体里，从而影响时差法超声波流量计测量准确度，造成热量值的误差，影响热量调节工作[2]。

要想消除这些气泡，可以在锅炉出口安装一个大于出口管径的聚气装置，加长流量计上游的直管段距离，还可以采取安装紊流装置的设施，以减少和消除被测介质内的含气量，保证热量计的测量准确性。

3.5 耦合剂对时差法超声波流量计准确度的影响

为了保证换能器能够与管道充分接触，安装换能器时需要在管道表面均匀地涂一层耦合剂，一般厚度为1 mm，并将耦合剂内的气泡和颗粒挤出去，换能器的发射面应紧密地贴在管壁上。

锅炉出口温度在冬节生产时往往会在100℃～110℃，安装在锅炉出口的时差法超声波流量计如果使用普通的耦合计在短时间内便会失效，从而影响时差法超声波流量计的测量准确度，因此，必须选用特制的耐高温耦合剂。

在供热管线上的时差法超声波流量计，往往会安装在仪表井内，安装环境潮湿，有时会被水淹，一般的普通耦合剂不具备防水性质会很快失效，影响时差法超声波流量计的测量准确度，必须选用具有防水性的耦合剂。

耦合剂有使用有效期，根据性质、品牌不同有效期也不尽相同，一般为12 个月，因此，为了保证测量准确度，每12 个月应重新更换耦合剂，重新安装换能器。

3.6 温度传感器对热量计测量精度的影响

根据热量表的工作原理可知，热量表是由流量计、积算仪和一对温度传感器组成，为了保证热量计的测量精度，时差法超声波热量计中的温度传感器往往采用分度值更为精细的PT500，并且是成对配置的，一支安装在供水管道上标记为红色，另一支安装在回水管道上标记为蓝色。

温度传感器不宜安装在管道的较高位置上（可能充不满液体）；要确保温度传感器的插入深度，应使温度传感器位于管道中心偏下的位置。当温度传感器与流量传感器处于同一管路上时，温度传感器应安装在流量计下游5 倍管径或更远的位置，以避免因安装位置产生的气泡和乱流影响流量计的测量准确度。

温度传感器的安装位置还与被测目标有一定的关系，在以锅炉为热源的零次网循环系统中，如果把零次网热交换器作为热量测量目标，2 支温度传感器应分别安装在零次网换热器的入口和出口管路上，这样可以减少锅炉到零次网换热器之间的热传输误差，从而测得零次网换热器的真实用热量。

在锅炉作为热源的供热循环系统中，把锅炉的产热量作为测量目标时，2 支温度传感器应分别安装在锅炉的出口管路和入口管路上。

在热量的计算中，不论是采用焓差法还是热系数法，供回水温度温差都对其有较大的影响，热量计的温度传感器是成对配置的，当2 支温度传感器的测量误差向不同方向偏移或产生不同步偏移时，会加大温度测量误差，从而影响到热量的测量准确性。温度传感器根据使用性质一般检定周期为1～2 年，作为锅炉热量计的温度传感器，可每年检定一次，以减少由于温度传感器的测量误差带来的热量计系统测量误差。