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流量计量仪表性能与选择
发布时间:2016-09-05

    流量仪表在供热系统中具有极其重要的作用,特别是在当前市场经济条件下,蒸汽流量、燃气流量或热水热量采用贸易结算方式,流量仪表的测量就是计量收费的依据,因此要求具有很高的技术性能。
    近十年来,我国流量仪表使用得最多的还是孔板差压流量计涡街流量计,这两种流量仪表都是被用户认可的流量仪表,但由于生产厂家不同,生产厂家掌握流量测量专业知识方面的差异和技术水平的参差不齐,导致市场上同类的孔板差压流量计和涡街流量计技术性能相差甚远,其中有相当部分不被认可,达不到贸易结算的要求。
    流量仪表能否达到贸易结算的要求,可以通过一些硬性指标来检验。这些硬性指标涉及到仪表的可靠性与测量精度问题,涉及到仪表对停电的处理、对超量程运行的处理、对系统故障的处理、对湿饱和蒸汽流量测量的处理和网络通讯问题等等。
一、流量仪表的可靠性及测量精度问题
(一)流量仪表的可靠性
    流量仪表一般都是由一次仪表(如节流装置及涡街传感器)、变送器(如差压变送器压力变送器温度变送器),及二次仪表(如流量积算仪)组成,考察流量仪表的可靠性,应分别考察一次仪表、变送器及二次仪表的可靠性。以孔板差压流量计为例,孔板作为差压流量计的一次仪表,目前市场上有分体式和一体式两类结构,从使用情况看,一体式孔板要比分体式孔板可靠得多,为什么使用了近百年的分体式结构没有一体式孔板可靠呢?原因就在于分体式结构中,从前后环室至冷凝罐之间有两段碳钢材质的导压管和截止阀,碳钢材质的导压管运行一段时间后容易结垢而堵塞导压管,碳钢材质的截止阀和石棉垫片也容易堵塞。经常排污可以减少堵塞故障,但每排一次污,都需要较长时间才能稳定下来,这对于贸易结算是不合适的。相比之下,一体式孔板采用不锈钢加工而成,不容易结垢,也不用排污,使用多年都不会堵塞,可靠性高于分体式孔板。应当指出的是目前市场上有许多厂家的一体式孔板产品,由于三阀组和管接头的质量不过关,而存在微漏现象,少许的微漏将导致很大测量误差,这是绝对不允许的。
    除一次仪表外,变送器的质量在流量测量中也很重要,它们将被测流体介质的压力、温度及节流装置前后的差压信号转变成为 4 ~ 20mA 的标准电流信号,变送器的作用在于将不便于运算的物性参数转换成便于运算的电流信号输出。目前国内生产的这类产品,普遍存在性能不可靠,使用寿命短等缺点,因此流量仪表中配用的这些产品,必须严格挑选,否则会影响流量仪表的性能。孔板差压流量计的二次仪表,通常称为流量积算仪,近年来,流量积算仪均已智能化,只不过不同的生产厂家智能化的程度不同。由于用芯片代替原始的分离元件,可靠性得到了很大提高。目前市场上的流量积算仪大致分为万用型和专用型两种,万用型流量积算仪通过硬件设置,可与差压流量计、涡街流量计或其它流量计配用,可测量过热蒸汽、饱和蒸汽、气体及液体等不同介质的流量。专用型流量积算仪硬件设置少,不像万用型流量积算仪那样,任何流体介质都适用,对于不同的流体介质,需要更换软件。从仪表可靠性看,仪表内电子线路的集成度越高,芯片越少,器件越少,可靠性越高。因此,专用型流量积算仪的可靠性比万用型流量积算仪要高得多。
    同孔板差压流量计一样,考察涡街流量计的可靠性,也应从涡街传感器、变送器(压力变送器,温度变送器)及流量积算仪分别考察。涡街传感器将被测流体的流速转变成频率信号,频率信号与流速成比例,因此测取了频率就知道了流速。频率的测量方法有很多,最常用的有电容和压电晶体两种,我国涡街流量计生产厂大都使用后者。涡街传感器的可靠性是流量专业工作者经常谈论的话题,特别是国产涡街传感器的可靠性,谈论的更多。由于涡街传感器具有很多优点,近年来使用很多,但有部分国产涡街传感器可靠性差,经常出现的现象是出厂检验是合格的,但使用一段时间,如一或两年后,涡街传感器的压电晶体给不出信号或涡街传感器内的检测放大器无信号输出,造成整个涡街流量计无法使用,用这种流量仪表计量收费是不适合的。
(二)流量仪表的测量精度
    流量仪表的测量精度在相关的国际标准和国家标准中是用不确定度来表示的,流量测量的不确定度相当于统计学中标准偏差的两倍,流量测量总的不确定度等于流量计算公式中各参数不确定度平方和的开方。由此可以看出,流量仪表的测量精度不是只看流量测量系统中某一部分的精度,如差压流量计的节流孔板和差压变送器、涡街流量计中的涡街传感器,而是整个流量测量系统。
    在谈论流量仪表的测量精度时,有些使用者错误的认为孔板差压流量计是老式流量仪表,测量精度低,其实这种说法是不正确的。实际上,几十年来孔板差压流量计在不断的演变和完善,过去无法解决的问题,在仪表智能化后都轻易地解决了。例如,以前孔板是在设定工况下计算节流孔径d20值,在该工况下,规定了孔板的流量系数α,流束膨胀系数ε,工作状态下的孔径dt及流体密度ρ值,流量仪表在设计工况下运行时误差最小,只存在流量理论计算误差,当偏离设计工况和设计点时,将会带来许多附加测量误差,因此规定流量的量程比为3:1,也就是三分之一刻度流量以下的流量是不能测量的。仪表智能化后,从仪表量程的零点至满点的整个量程范围都将是仪表的设计工况和设计点,仪表将不会有偏离设计工况产生附加测量误差的问题,仪表的量程范围将会大大拓宽。在这种情况下,影响量程范围的只是差压变送器的精度和流量积算仪的精度。例如:0.075%精度的差压变送器在4 ~20mA电流信号输出时的最大偏差为0.012mA,在量程起始点的电流信号最大只有4.012mA,其所对应的流量为刻度流量的2.7%,只有2.7%以下的流量不能测量。至于流量积算仪的运算精度,对于1台高性能的流量积算仪,其运算误差可以忽略不计。考虑到其它各种因素,孔板差压流量计的量程范围可到20:1 。
    涡街流量计的精度取决于涡街传感器、变送器及流量积算仪。涡街流量计的精度也可用流量测量的不确定度表示,流量测量的不确定度等于涡街频率的不确定度和流体密度的不确定度平方和的开方。涡街频率的不确定度与涡街传感器有关,流体密度的不确定度与压力变送器和温度变送器有关。涡街流量计的流量与涡街频率和流体密度二者成比例关系,这说明涡街传感器与压力变送器和温度变送器在确定流量时是同等重要的。但在实际使用中,有些人只强调涡街传感器,而忽略了压力变送器和温度变送器,当涡街传感器运行正常,而压力变送器运行不正常,导致流量示值严重偏离真实流量值时, 还全然不知。
    流量积算仪的作用在流量测量系统中非常重要,从某种意义上讲,流量仪表的测量精度主要取决于流量积算仪的功能。以孔板差压流量计为例,节流孔板按标准计算加工就可以了,差压变送器只是将孔板前后的差压信号转变成电流信号,压力变送器和温度变送器也只是将压力信号、温度信号转变成电流信号,而流量积算仪则不同,它将利用差压信号、压力信号和温度信号判断流体的运行工况,确定与流量有关的所有参数,进而计算真实质量流量或标准体积流量。这种新的流量信号处理模式已经不是人们常提起的温压补偿模式了,所谓温压补偿是在原设定的流体温度、压力条件下确定的流量参数,在实际运行工况下,当温度、压力波动时,对原来已确定的流量参数进行修正补偿,而在新的概念中仪表不存在有原始的流量参数,所有的流量参数都是在测量周期瞬间精确计算确定的。这种新概念处理流量信号使差压流量计焕然一新,它将总的流量测量误差减至最小,并且大大拓宽了流量测量范围。
二、流量仪表用于计量收费需要考虑的几个问题
(一)流量仪表的停电与计时问题
    流量仪表停电后将不在工作,停电期间的流量将无法累积,这对于贸易结算是不允许的。因此,在流量仪表智能化后,许多流量积算仪都可显示仪表累积运行时间,以此判断在某段时间内,仪表是否停电,以及停电多长时间。仪表增设累积运行时间功能可以解决一些在停电期间累积流量漏计的问题,但这种方式不可能解决得彻底。例如:由热力公司提供的蒸汽流量,用户每天间断使用的总流量为30t,如果仪表记时为累积运行3小时,可推断瞬时流量约为10t/h。但实际使用蒸汽时间为6小时,全天总流量应为60t,由于不知道停电的3小时时间是否使用了蒸汽。因此,无法将漏计的30t蒸汽找回来,由此可见,仪表的累积运行时间功能,并不能满足流量贸易结算的要求。在这里,笔者介绍一种专门用于贸易结算的YZS精密流量积算仪,这种仪表处理停电的原则是将停电期间的流量真实地反映出来。其做法是:
1、记录停电时间: **** 年 ** 月 ** 日 ** 时 ** 分;
2、记录停电时的最大瞬时流量 **t/h ;
3、记录重新来电的时间: **** 年 ** 月 ** 日 ** 时 ** 分。
    这样就可以计算停电的时间段,再通过停电前的瞬时流量计算停电期间的总流量,在流量收费时就可将停电期间的总流量加到仪表的累积流量中去。
(二)流量仪表的超量程运行问题
    流量仪表超量程运行经常发生在用热单位,用热单位使用热力公司提供的蒸汽,通常在进入用热单位的蒸汽管道上配置一台蒸汽流量表,而流量表的量程由单位的用热量确定。例如,某单位有10000m2的楼房,冬天需蒸汽供暖,从用热考虑,蒸汽流量不会超过1t/h,当将刻度流量定为1t/h时,往往会出现超量程现象。这是因为有些用汽单位将连续供汽改为间断供汽,每天上班时将供汽阀门全开,给热交换器加热,到2~3小时后将阀门全关,阀门全开时的蒸汽流量已大大超过 1t/h 的刻度流量。因此在规定仪表的刻度流量时,不仅需要考虑用户的供暖面积,还应考虑蒸汽压力,管径和可能出现的最大蒸汽流量。流量仪表超量程现象很容易判断,有些流量积算仪就有超量程显示,当没有这个功能时,只要差压电流信号或涡街电流信号大于或等于20mA时,都认为超量程。
    流量仪表超量程问题运行现场应可以解决,运行现场不能更改量程的仪表不适合贸易结算使用。更改流量仪表量程的条件是变送器(或传感器)及流量积算仪为智能型,以孔板差压流量计为例,蒸汽管道DN50,蒸汽压力0.6MPa,刻度流量1t/h,差压变送器量程25Kpa,现仪表在运行中蒸汽流量超量程,需要将量程扩大至2t/h。首先改变差压变送器量程,由于差压与流量的平方成比例关系,因此当流量量程增1倍时,差压量程要增4 倍,即由25Kpa增至100Kpa,智能型差压变送器的量程可以用专用手操器非常方便地改过来。改好差压量程后,再改流量积算仪量程,将流量积算仪的刻度流量改为2t/h,同时使流量积算仪知道,采集的20mA差压信号不代表原来的25Kpa,而是100Kpa 。
(三)流量仪表的线路故障问题
    用于贸易结算的流量仪表应严禁出线路故障,这就要求接仪表信号线、电源线时严格把关。由于流量仪表是由一次仪表,变送器及流量积算仪组成,一次仪表、变送器的信号通过导线接至流量积算仪,如果中间有1根信号线断开,仪表就无法累积流量。智能仪表一般都应有线路故障判断功能,流量积算仪都应能对采集的信号进行判断和报警。但由于人不在现场,这种报警也无意义。有些智能流量仪表通过RS485总线与计算机联网,还有些智能流量仪表通过有线或无线MODEM与计算机联络,从计算机上可以查看每台流量仪表的信号是否正常,信号是否断线。
    减少或杜绝仪表线路故障的另一个措施是仪表安装调试后,所有的引线都应铅印封装,所有的阀门,如压力表阀、差压阀及三阀组都应有类似铅封的封条,这样就可以避免许多不必要的人为故障,保证仪表公平计量。
(四)对湿饱和蒸汽的流量计量问题
    湿饱和蒸汽在热网系统中普遍存,锅炉产出的饱和蒸汽一般都含有少许的水分,通过分汽缸、热力管网送至用户,由于管网的热损失,蒸汽的水分含量必然增多,导致蒸汽流量减少。
    在计划经济时代,供热按楼房面积收费,不存在蒸汽计量收费问题。近年来,随着市场经济的不断深入,蒸汽流量必须按计量收费,因此蒸汽的热损耗问题也提了出来。目前,行政上普遍执行的办法是由用户多交10%的蒸汽费用,以补偿蒸汽损耗。这种办法也有一定缺点,用户多交10%没有科学依据,其一,湿饱和蒸汽水分含量与热力管道的长短有关,短热力管道能平衡减少的蒸汽量,而长热力管道则平衡不了减少的蒸汽量。其二,对那些间断使用蒸汽的用户更无法平衡,有些企业白天上班使用几小时蒸汽,下班后整个晚上都不使用蒸汽,直到第二天上班再用,通过一整夜的冷却,热力管道中的蒸汽全凝结成水,这种蒸汽的损失就不是10%。由于这些客观原因,热力厂不能做到自负盈亏,而需要政府补助。
    比较合理的作法是热力厂出口的总流量认为是干饱和汽,用流量表计量并作为贸易结算的基准流量。各个用户的蒸汽流量为湿饱和蒸汽,按汽水两相流计量,根据物质不灭定律,各个用户的蒸汽质量流量之和与热力厂出口的总蒸汽质量流量应相等,这就需要流量仪表准确测量总管的质量流量和分管的质量流量。
    汽水两相流的流量测量除了要确定单相流涉及的流量参数外,还必须要确定干度(即湿蒸汽的水分含量),锅筒出口的蒸汽干度可用电导率法测量,热网管道的蒸汽干度可用热平衡法测量,也可用频谱分析法测量。汽水两相流比单相流要复杂得多,由于汽与水的密度相差甚远,两者的流速是不等的,密度大的速度快,密度小的速度慢,这种速度差又与干度高低、蒸汽压力和流量大小等多种因素有关,因此湿饱和蒸汽流量数学模型比干饱和蒸汽流量数学模型要复杂得多。但是,经过几十年的实验研究,湿饱和蒸汽的测量技术已经成熟,目前湿饱和蒸汽数学模型精度可达±0.6%,这个计算精度完全满足湿饱和蒸汽流量计量要求。
三、流量仪表的网络通讯问题
    流量仪表的网络通讯是现代社会发展的必然趋势。多个流量仪表的测量参数通过网络
    进入计算机,由计算机监视和管理,这是流量计量的一个新的里程碑,它将大大提高流量计量的可靠性和计量精度。流量仪表网络通讯有两大发展趋势,一种发展趋势是近距离的网络通讯,如一个大企业内部流量仪表,可以通过 RS485 总线与计算机构成网络,由计算机集中监测和管理。如图1、图2。

    另一种是远距离的网络通讯,如热力公司向市内的多个用热企业供热,可以通过有线电话或无线电话,将流量仪表与计算机构成网络。如图3所示。
 
图3 流量积算仪通过有线(无线)网与计算机联网


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