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热量表发展趋势及品质的提升

来源:中国热能表网发布时间:2016-7-4


随着供热计量改革的不断推进,热量表已被广泛应用,政府主管部门、物业管理单位、热力公司都希望热量表性能更可靠、功能更完善,从而适应热计量收费和供热系统自动化的需要。热量表生产企业肩负着完善热量表产品质量的重任,在较短的发展历程中,我国热量表生产企业取得的成绩有目共睹:从机械式热量表到超声波热量表,从单一的热量表产品到与温控相结合的热量表计量系统,产品的不断升级为热计量改革的实施提供了必要的物质条件。供热系统的复杂的性和特殊性决定了对热量表的质量要求不同于其他民用计量仪表(如水表、煤气表),今后热量表生产企业的主要工作是加强科研工作,不断吸收国外先进技术,加强自身技术研发,形成我国热量表的技术特点,更好地服务于热计量工作。本文力求对国内一段时间以来开展的技术创新活动进行介绍,为行业发展提供参考。


一、开展电磁流量计应用于热水流量计量的研究


电磁流量计是一种液体流量计量仪表,广泛应用于工业过程控制、水利工程中。其工作原理是法拉第电磁感应原理,即当导电流体在磁场中产生相对运动后产生感应电动势,感应电动势与流体平均流速成正比,电磁流量计测量感应电动势,从而得到流体平均流速。电磁流量计结构简单,无活动部件,可靠性强,测量范围宽,更为重要的是,电磁流量计按权重分布进行积分得到平均流量,对流速分布的要求低,压损小,这些特性对于较大口径的流量计量具有明显优势。


在供热计量改革初期,一些科研单位开始研究应用电磁流量计作为热量表的流量传感器。但是自2000年至2009年,热计量采用户用热量表法,热量表口径一般为DN15至DN25。企业研发的电磁式热量表由于需要现场提供电源,不符合行业标准CJ128-2007《热量表》的要求,且价格高于机械式热量表和超声波热量表,无法适应使用需要。2010年以来,随着JGJ173-2009《供热计量技术规程》的实施,大口径热量表广泛应用,由于电磁式热量表在电源方面仍不如超声波热量表便捷,所以很多场合还是大量使用超声波热量表。回顾电磁式热量表的应用过程,需要说明的是JGJ173-2009《供热计量技术规程》未规定不能使用电磁式热量表,反而在楼栋计量方式中指出可以选择电磁式热量表。电磁式热量表未能广泛使用的根本原因是其没有体现出特定的使用价值,同时增加了对使用现场的要求。


随着系统改造的实施和计量管理工作的加强,热力公司对电磁式热量表的认识出现变化。为了系统控制的需要,一些热力公司在热源出口安装由电磁流量计、温度计和计算器组成的热量计量系统,电磁流量计适应供热计量的要求,表现出较好的稳定性。供热系统自动控制是今后的趋势,而实现稳定的流量测量是基础,这必将推动各种热量表的研究工作,包括超声波热量表、电磁式热量表。超声波热量表的研究还在继续,包括水质的影响、稳定性的提高等;电磁式热量表的研究逐步兴起,行业专家已经开展了这方面的工作。


蔡武昌先生最早发表文章介绍1993年国际仪表使用者协会(WIB)委托荷兰研究机构开展的电磁流量计研究工作,总结了不同温度、粘度条件下,不同衬里材料电磁流量计的计量特性。从2012年起,北京计量检测科学研究院展开电磁流量计的研究工作,完成了5-85℃水温条件下的试验工作,总结了不同衬里材料的计量特性:试验表明电磁流量计具有明显的温度特性和良好的稳定性,其中陶瓷衬里的电磁流量计由于优异的温度特性特别适合作为标准表。此外,同时开展的研究工作还包括电磁流量计的干标定技术、抗干扰技术。PTB的ROSE博士提出的热水中杂质对计量性能的影响试验也将是一个研究方向。


国内生产企业对电磁式热量表的研发推动了产品品质的成熟。2014年起,北京添瑞祥德仪表公司等推出电磁式热量表产品。上海浦瑞斯仪表在陶瓷衬里电磁热量表的研究值得关注,已经具备生产DN300陶瓷内衬的能力,其电极的烧结工艺具有特点,而国外陶瓷衬里电磁流量计的最大口径为DN200。


适应使用需要的热量表会有长久的生命力。2015年电磁热量表的研究呈现欣欣向荣的景象,今后各种研究将不断完善其品质,最终为热力公司提供可靠的电磁热量表产品。


二、持续开展超声波热量表的技术优化工作</p><p>超声波热量表经过10年的发展,产品功能已经完善,环境适应性不断提高。一些实力企业认真研究欧洲标准,甚至花费巨资到欧洲进行型式批准试验,力求使国产热量表的产品品质达到国外水平。总结成功经验有三个方面:


(1)具备精密加工的能力,实现流量传感器关键尺寸的准确加工

这样做的理论依据有两方面:一方面,超声波传播具有方向性,超声波换能器的准确定位可以保证发射换能器的超声波能量尽可能多的投送到接收换能器;另一方面,超声波流量传感器测量的是线流速,根据特定的数学模型将线流速转化为面流速,保证流量传感器关键尺寸准确,就是保证产品数学模型与原设计一致。


(2)具备换能器的封装能力,保证换能器的品质

换能器是电声转换的关键部件,其重要性不言自明。行业内已经开展的各种研究涉及到声波与电信号相互转换的效率、换能器的电学特性、换能器的长期稳定可靠性、换能器在不同温度、压力条件下的性能特性等。需要强调的是,换能器品质更多的是通过工艺进行控制,完全依赖于事后的检测,并不适用于批量化工业生产。


(3)使用准确的流量装置,科学地建立超声波流量测量的数学模型

一些企业开展了大量的试验工作,但没有发现超声波流量测量的可靠模型,其根本原因是流量装置不准确、不稳定。企业认为使用出厂检测的流量装置就可以进行超声波流量传感器的开发;实际情况却是,用于研发的流量测试装置在准确度、流量稳定性、温度稳定性等方面明显高于出厂检测用的流量装置。由于流量装置的重要作用,一些企业已经将高准确度的流量装置看做企业的核心竞争力,而这样做的结果是使研发过程事半功倍。


除了热量表技术优化的基础工作,一些细节方面的研究也给予我们启示。换能器尺寸并不引人注意,但经过研究,不同尺寸的换能器在同一工作频率下的传播效果不同,这为研究换能器传播过程提供了参考。装置的流量稳定性与准确性是两个概念,但作为速度式流量计的超声波流量传感器在装置上测量时,脉动的装置的流量会导致超声波流量传感器测量值发生偏差,无疑这对于构建超声波流量测量模型会产生影响。


总结当前多方面的技术优化工作,我国热量表产品存在超越国外产品的可能。一些实力企业如威海天罡、唐山汇中、南京迈拓、广州柏城等,具备流量管段的精密加工和换能器封装能力,为热量表品质提供可靠保证。其技术优化工作已经从单独部件的性能提升,转变为整体方案的提出和整体性能的改进。相信在企业的不断努力下,我国超声波热量表产品的品质会上升到一个新的水平。


三、对热量表在线准确度的研究


在锅炉能效测评和热计量收费工作中,准确的热计量数据才能实现合理的能效测评和客观的热计量收费。在一些极端场合,热量表在线测量结果评定出了明显偏离常识的锅炉效率值以及异常的热计量收费数据,这种测量数据毫无意义。所以无论使用者,还是热量表生产企业,都需要关注热量表在线测量数据的准确性。热量表生产企业更应该意识到,提升热量表的品质,不仅仅是保证热量表能通过实验室检测,更重要的是在现场各种非理想状态下,例如流量脉动、温度波动、直管段不足等,热量表仍能准确计量。


在开展热量表在线准确度研究工作前,如果对实验室检测没有全面的认识,可能会使相关研究存在局限性。这里有几个问题需要说明:


首先,依据标准开展的各种实验室检测工作可以发现产品的质量问题,但不等于通过了实验室检测就能制造出适应各种情况的热量表产品。在工作现场,热量表受到环境温度、电磁干扰、流动扰动等各种因素的影响,现有产品标准力求将各种可能的影响因素在实验室进行定量模拟,并测试热量表在这种干扰下是否工作正常。某些影响因素的模拟试验可以在实验室实现,还有一些影响因素的模拟实验会受到试验设备、试验方法、研究水平的限制而无法实现。


其次,产品标准规定的质量水平是该类产品应用后应达到的基本要求。通过同样标准的不同产品,无论是国内产品,还是国外产品,它们是存在品质差异的。比如我们知道兰吉尔、久茂、荷德鲁美特的品质与其他产品存在着差异,因为这些生产企业的高品质保证首先是由于具有独特的工艺以及材料,同时这些企业开发了很多国家产品标准规定以外的试验,通过这些试验从更贴近于现场的角度对产品质量进行了评价。


欧洲生产企业进行的各种实验给了我们启迪。久茂公司在温度传感器配对工作中会根据使用条件考虑插入深度、热电势等方面的影响。兰吉尔公司会根据塑料材质的热量表设计切向力试验,验证热量表强度。欧洲标准规定的4000次耐久性试验,是基于欧洲供热实际情况进行的一次技术创新。


国内对于热量表在线准确度的研究大致包括直管段不足的影响、流量脉动的影响、水质变化后对换能的影响等。这些研究工作中,必须提到是哈尔滨计量院的朱继光总工和哈尔滨工业大学的方修睦教授和曹慧哲教授共同开展的试验工作。他们搭建了各种管路,分析各种超声波热量表和电磁式热量表受直管段的影响,取得了开创性成果。一些企业也已经注意到这一点,威海天罡公司购置了各种过滤器、换热器,搭建模拟供热的管路进行实验,实现对热量表的优化设计。


四、热量表功能与智能化供热系统相适应


目前,智能化系统是供热领域比较关心的话题。这方面既有系统集成商提供的解决方案,也有地区供热公司总结的应用经验。未来,供热系统进行智能化管理,实现节能,这是大家的共识。在这种情况下,我们要了解智能化系统。智能化系统的本质是通过建立信息网络,利用各种传感器,提取供热系统运行信息,经过对信息的加工分析,形成新的决策信息,并通过控制部件实现供热系统的优化运行。智能化系统的特点包括进行动态实时决策、系统效率与决策能力相关,以节能减排为目标。


热量表是智能化供热系统中的传感器,它为系统提供了流量温度的测量数据,帮助系统优化运行。在实际运行的智能化系统中,热量表为满足智能化调控的需要,应该具备三方面的能力,即可靠且快速的通讯能力;能快速反映系统变化的动态测量能力;故障在线检测能力。


回顾过去,行业专家在不同方面进行了严谨的研究,积极推动了热量表产品品质的升级。电磁热量表的研发、超声波热量表的技术优化,立足于产品本身,目的是提升产品的可靠性和计量的准确性。在线准确度和智能化应用的研究,则使热量表更适应供热系统的要求。热量表行业的技术创新活动非常丰富,热点纷呈,我对国内热量表的未来充满期待。


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