管損統(tǒng)計(jì)在供熱網(wǎng)SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

何志俊，殷勝軍，紀(jì)波峰，紀(jì) 綱

(1.上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200070；2.常州市新港熱電有限公司，江蘇 常州 213003)

管損統(tǒng)計(jì)在供熱網(wǎng)SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

何志俊1，殷勝軍2，紀(jì)波峰1，紀(jì) 綱1

(1.上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200070；2.常州市新港熱電有限公司，江蘇 常州 213003)

在用于能源管理的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)中，根據(jù)采集得到的大量數(shù)據(jù)和用戶的需求，可進(jìn)行多種數(shù)據(jù)分析工作。這對(duì)保證系統(tǒng)安全、及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和存在的問題、進(jìn)行優(yōu)化操作和管理、爭(zhēng)取更大的經(jīng)濟(jì)效益，有著意想不到的效果。重點(diǎn)討論了管路損耗計(jì)算和監(jiān)控方法，并就蒸汽供熱網(wǎng)中管網(wǎng)損耗有規(guī)律增大的實(shí)例進(jìn)行分析，找出管損增大的原因。由于渦街流量計(jì)超流速必引發(fā)示值偏低，通過準(zhǔn)確的計(jì)算，證明了2臺(tái)大口徑流量計(jì)存在超流速的情況。換上2臺(tái)上限流速可達(dá)80 m/s的優(yōu)質(zhì)渦街流量計(jì)后，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確測(cè)量，為企業(yè)挽回了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。查找流量計(jì)失準(zhǔn)的原因是一項(xiàng)技巧性極強(qiáng)的工作，必須進(jìn)行細(xì)致的實(shí)地調(diào)查研究，以解決實(shí)際問題。

SCADA系統(tǒng)； 供熱網(wǎng)； 管損統(tǒng)計(jì)； 數(shù)據(jù)采集； 數(shù)據(jù)監(jiān)控； 渦街流量計(jì)； 上限流速

0 引言

隨著人們對(duì)環(huán)保的日益重視，集中供熱技術(shù)已得到蓬勃發(fā)展。為了對(duì)供熱網(wǎng)進(jìn)行有效管理，已在供熱網(wǎng)中普遍配備數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與監(jiān)控(supervisory control and data acquisition,SCADA)系統(tǒng)。

在SCADA系統(tǒng)中，不管傳輸信號(hào)所使用的介質(zhì)是單一的專用電纜、無線、GPRS、衛(wèi)星，還是它們的組合，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控這兩個(gè)功能都必不可少[1-2]。

SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分在采集到大量的數(shù)據(jù)之后，可根據(jù)用戶的需求和系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行多種數(shù)據(jù)分析工作。這些工作在保證系統(tǒng)安全、及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和各種問題、方便操作和管理、為用戶爭(zhēng)取更大的經(jīng)濟(jì)效益等方面，有著意想不到的效果。而在數(shù)據(jù)分析功能中，使用最多的有統(tǒng)計(jì)報(bào)表制作與輸出、收費(fèi)單據(jù)制作與輸出、故障診斷、越限報(bào)警、管損計(jì)算等[3]。

本文將以某個(gè)以能源供應(yīng)和轉(zhuǎn)換為主要業(yè)務(wù)的能源公司作為實(shí)例，介紹蒸汽供熱網(wǎng)中的管損統(tǒng)計(jì)方法及應(yīng)用實(shí)例。

1 管損計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果的顯示

在能源管理系統(tǒng)中，載能工質(zhì)的種類多種多樣，引起管路損耗的原因也差別很大，但管損計(jì)算方法卻基本相同，即：

(1)式中：Rs為系統(tǒng)損耗，取值為0～1；Sumi為進(jìn)入系統(tǒng)工質(zhì)或能量的總量，通常為供方關(guān)口表所計(jì)總量，可以是一臺(tái)計(jì)量表所計(jì)總量，也可以是多臺(tái)關(guān)口表所計(jì)總量，單位由工質(zhì)或能量的類型決定；Sumo為流出系統(tǒng)工質(zhì)或能量的總和，不能有漏計(jì)，單位與Sumi一致。

式(1)是根據(jù)質(zhì)量守恒定律(或能量守恒定律)推導(dǎo)得到的。在自來水供水網(wǎng)中，Sumi和Sumo的單位為m3；在壓縮空氣、氧氣管網(wǎng)中，總量的單位為Nm3；在以蒸汽作為介質(zhì)的供熱網(wǎng)中，單位為kg或t；在以熱水為介質(zhì)的供熱網(wǎng)中的失水率計(jì)算中，總量的單位為m3；在熱量損耗率計(jì)算中，總量的單位為MJ或GJ；在以冷凍水或其他冷媒作介質(zhì)的供熱網(wǎng)中，冷量損耗率計(jì)算的總量單位也為MJ或GJ，有的用戶還要求以kWh或冷噸作為單位[4]。

參與計(jì)算管損的量一般取一段時(shí)間間隔內(nèi)的總增量，這樣能避免統(tǒng)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)大幅度跳動(dòng)。根據(jù)管損統(tǒng)計(jì)結(jié)果，還可計(jì)算1 h或24 h的管損平均值等。

2 管損統(tǒng)計(jì)結(jié)果的顯示

管損統(tǒng)計(jì)結(jié)果可用數(shù)字顯示，也可用趨勢(shì)圖顯示。前者用數(shù)字顯示某一時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果，后者用曲線顯示管損隨時(shí)間變化的關(guān)系。管損統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)量大，在計(jì)算機(jī)顯示畫面中，可在讀數(shù)窗口通過移動(dòng)讀數(shù)線讀取管損的確切數(shù)值，既形象又精確。

3 管損趨勢(shì)圖應(yīng)用案例

以下通過某能源公司的案例，介紹通過管損趨勢(shì)圖所提供的信息查找引發(fā)管損陡增原因的方法。

圖1為該公司24 h管損趨勢(shì)圖。從圖1(a)可知，在常規(guī)情況下，整個(gè)管網(wǎng)24 h平均管損不僅平穩(wěn)，而且數(shù)值很小。此熱力公司經(jīng)供熱管網(wǎng)供給周圍各用戶的蒸汽，由于距離近、流量較穩(wěn)定，所以蒸汽送到用戶時(shí)仍保持過熱狀態(tài)，再加上先進(jìn)的管理方法，所以實(shí)際平均管損已降到小于0.5%的先進(jìn)水平 。

但從2013年4月2日起，發(fā)生管損陡增的現(xiàn)象，如圖1(b)所示。從圖1(b)可見：在0∶00～8∶30時(shí)間段，全網(wǎng)管損平均值仍然只有0.5%左右；但從9∶00開始，管損突然跳到19%左右。顯然，從9∶00開始有重大事件發(fā)生。

圖1 管損趨勢(shì)圖

該公司供熱管網(wǎng)共有4路總管，通過這些總管將蒸汽送往各用戶。每根總管的關(guān)口計(jì)量表都直接用于計(jì)算各路總管的管損，計(jì)算結(jié)果都用管損趨勢(shì)圖顯示。對(duì)當(dāng)天的各總管管損趨勢(shì)圖進(jìn)行原因分析，發(fā)現(xiàn)在4路總管中有3路的管損趨勢(shì)穩(wěn)定，但是圖1(c)所示的第2路管損趨勢(shì)圖與圖1(b)所示的趨勢(shì)圖具有大致相同的波形。顯然，這一天開始的管損陡增是由第2路總管引起的。

接下來分析該路總管每天從9∶00開始管損增大的原因。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算，這是由于分表之和比關(guān)口表示值小15 t/h左右所導(dǎo)致的。

查看該路總管上8個(gè)分表的流量趨勢(shì)圖，發(fā)現(xiàn)有用汽單位的2臺(tái)流量計(jì)，每天9∶00起用汽量大增，與該路總管管損圖在時(shí)間上和波形上密切相關(guān)，因此該路總管管損陡增可能是由于這2個(gè)計(jì)量點(diǎn)計(jì)量不準(zhǔn)引發(fā)的。

通過進(jìn)一步分析，這2臺(tái)流量計(jì)每天9∶00起嚴(yán)重偏低可能導(dǎo)致進(jìn)出該總管的流量數(shù)據(jù)嚴(yán)重不平衡。這2個(gè)計(jì)量點(diǎn)所計(jì)的蒸汽都是用戶用于熱風(fēng)干燥濕料的。這個(gè)公司的產(chǎn)品是顏料，每天下午和夜間生產(chǎn)的顏料都是濕料，按照他們的作業(yè)計(jì)劃要在第二天的上午用熱風(fēng)干燥的方法予以干燥，再制成粉料，這一工藝過程需要消耗大量蒸汽。這兩個(gè)計(jì)量點(diǎn)的流量趨勢(shì)圖如圖2所示。

圖2 流量趨勢(shì)圖

從圖2可見：這2個(gè)計(jì)量點(diǎn)的蒸汽在9∶00之前并不是不使用，只是流量小一些，大約為10 t/h；而從9∶00開始流量更大些。如果說這兩臺(tái)表偏低，那在9∶00前為什么管損數(shù)毫無察覺？

經(jīng)進(jìn)一步調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，這2個(gè)計(jì)量點(diǎn)采用的是渦街流量計(jì)+壓力變送器+溫度傳感器+流量演算器的測(cè)量方法，而具體選用的渦街流量計(jì)是國內(nèi)某個(gè)品牌的產(chǎn)品，公稱通徑分別是DN300和DN250。經(jīng)調(diào)查，這個(gè)品牌的渦街流量計(jì)在測(cè)量氣體和蒸汽時(shí)，保證測(cè)量精度的上限流速是40 m/s。從圖2可知，在9∶00之前未開熱風(fēng)干燥時(shí)，北區(qū)DN300的1臺(tái)流量計(jì)最大質(zhì)量流量為19 t/h，南區(qū)DN250的1臺(tái)流量計(jì)最大質(zhì)量流量為10 t/h。這時(shí)流過渦街流量計(jì)測(cè)量管的流體流速可用式(2)計(jì)算[5-8]。

(2)

式中：v為流速，m/s；qm為質(zhì)量流量，kg/h；ρf為流體密度，kg/m3；D為管道內(nèi)徑，m。

從有關(guān)采集資料可知，這2臺(tái)蒸汽流量計(jì)工況條件為Pf= 0.8 MPa，溫度為280 ℃，查表得ρf=3.618 kg/m3。此時(shí)，DN300流量計(jì)qm=19 t/h，代入式(2)得v=20.6 m/s；DN250流量計(jì)qm=10 t/h，代入式(2)得v= 15.6 m/s。因此，9∶00前，這2臺(tái)渦街流量計(jì)的流速都未高于上限流速，所以測(cè)量精確度是有保證的。

從式(2)可知，要計(jì)算流過測(cè)量管的流體流速，必須先知道管道內(nèi)徑D、流體密度ρf和質(zhì)量流量qm。對(duì)D和ρf的求取并不難，難的是求取qm的準(zhǔn)確數(shù)值。蒸汽流量計(jì)就是為了完成這項(xiàng)任務(wù)才設(shè)置的，因?yàn)榱髁坑?jì)可能不準(zhǔn)，即流量計(jì)測(cè)量得到的qm數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，所以以qm為基礎(chǔ)計(jì)算得到的v也不會(huì)準(zhǔn)確。但從渦街流量計(jì)測(cè)量原理分析，流速一旦超過上限，流量測(cè)量結(jié)果只會(huì)偏低而不會(huì)偏高[2]，所以，以渦街流量計(jì)顯示的質(zhì)量流量為基礎(chǔ)計(jì)算得到的流速還是可以供參考的。

從圖2可知，北區(qū)DN300流量計(jì)qm= 62.9 t/h，假定這時(shí)的流量示值是準(zhǔn)確的，代入式(2)得流速v= 68.3 m/s；南區(qū)DN250流量計(jì)qm= 36 t/h，代入式(2)得流速v=56.3 m/s。

從這2個(gè)計(jì)算結(jié)果可明顯看出，假定這2臺(tái)流量計(jì)并不偏低，流速已經(jīng)高于允許的上限流速41%～71%，由于在超上限流速的條件下流量計(jì)偏低程度仍未知，所以2臺(tái)表的流速不能準(zhǔn)確計(jì)算。但是根據(jù)“超上限流速即偏低”這一事實(shí)可知[9-10]，每天9∶00后，這2臺(tái)流量計(jì)的實(shí)際流速已嚴(yán)重超過上限，所以流量示值嚴(yán)重偏低，導(dǎo)致整個(gè)熱網(wǎng)管損陡增。

對(duì)于這一問題，處理的方法是選用品質(zhì)優(yōu)良的渦街流量計(jì)代替原來的流量計(jì)，例如橫河公司的DY型渦街流量計(jì)，其在80 m/s流速時(shí)仍能保證規(guī)定的測(cè)量精度[9]。

因此，該公司換上2臺(tái)品質(zhì)較好的流量計(jì)，使允許的上限流速得到相應(yīng)提高，杜絕了這2臺(tái)流量計(jì)超上限流速使用的現(xiàn)象，保證了流量測(cè)量精度，進(jìn)而使一天24 h的管損回歸到正常水平，維護(hù)了計(jì)量的公正性，挽回了供熱單位的嚴(yán)重?fù)p失。這2臺(tái)渦街流量計(jì)更換之后，該路總管運(yùn)行正常，再也沒有出現(xiàn)管損突然增大的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

管損統(tǒng)計(jì)是能源供應(yīng)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中的重要內(nèi)容。管損水平能及時(shí)反映能源供應(yīng)網(wǎng)的當(dāng)前狀況和管理水平。根據(jù)質(zhì)量守恒定律(或能量守恒定律)能推導(dǎo)出管損計(jì)算公式，然后將管損計(jì)算結(jié)果用數(shù)字或圖形顯示。其中，管損趨勢(shì)圖以其直觀明了、信息量大的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。發(fā)現(xiàn)管損增大后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析，查找管損增大的原因。品質(zhì)欠佳的渦街流量計(jì)，允許使用的最高流速只有品質(zhì)優(yōu)良的渦街流量計(jì)允許值的一半，實(shí)際使用中流速一旦超過允許值，流量示值就將嚴(yán)重偏低，帶來很大誤差。通過更換優(yōu)質(zhì)的渦街流量計(jì)，可應(yīng)對(duì)實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。

[1] 陳茹.安裝SCADA系統(tǒng)應(yīng)考慮的問題[J].自動(dòng)化儀表,1999(5):44.

[2] 刑軍,楊權(quán)文.利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理維護(hù)計(jì)量?jī)x表[J].石油化工自動(dòng)化,2001(4):81-83.

[3] 紀(jì)綱.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[4] 張萬路,趙奕奕,張穹希,等.能源計(jì)量百問[M].北京:中國計(jì)量出版社,2007.

[5] 姜仲霞,姜川濤,劉桂芳.渦街流量計(jì)[M].北京:中國石化出版社,2006.

[6] 蘇彥勛,梁國偉,盛健.流量計(jì)量與測(cè)試[M].2版.北京:中國計(jì)量出版社,2007.

[7] 王池,王自和,張寶珠,等.流量測(cè)量技術(shù)全書[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[8] 蔡武昌,應(yīng)啟戛.新型流量檢測(cè)儀表[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[9] 紀(jì)綱,紀(jì)波峰.流量測(cè)量系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷集錦[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[10]鄭燦婷.石油化工企業(yè)流量計(jì)量450問[M].北京:中國質(zhì)檢出版社,2011.

Application of Pipeline Loss Statistics in Heat Supply Network SCADA System

HE Zhijun1,YIN Shengjun2,JI Bofeng1,JI Gang1

(1.Shanghai Tongxin Automatic Meter Co.,Ltd.,Shanghai 200070,China;2.Changzhou Xingang Thermal Power Co.,Ltd.,Changzhou 213003,China)

In the supervisory control and data acquisition (SCADA) system used for energy management,according to the large amount of data acquired and the requirements of users,a lot of data analysis works can be done.It has an unexpected effect on the safety assurance of the system,the timely detection of faults and existing problems,optimization of the operation and management and acquisition of greater economic benefits.The calculation and monitoring method for pipeline loss in energy supply network is discussed emphatically,and the examples of the regular loss increasing in the steam heating network are analyzed,and the reasons of increasing pipeline loss are found out.For sure,the over flow rate of vortex flowmeter leads to lower indication value,according to the accurate calculation,the over plow rate of two large caliber flowmeters is proved,then by replacing two high-quality vortex flowmeters whose upper limit flow rate is up to 80 m/s,thus the accurate measurement is achieved,and the huge economic losses are redeemed for the enterprise.Finding the causes of the misalignment of the flowmeter is a highly skilled work that requires meticulous field investigation to solve practical problems.

SCADA system； Heat supply network； Pipeline loss statistics； Data acquisition； Data monitoring； Vortex flowmeter； Upper limit of flow rate

何志俊(1981—)，男，學(xué)士，工程師，主要從事SCADA系統(tǒng)的開發(fā)工作。E-mail:hzj810130@163.com。

TH7;TP272

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706023

修改稿收到日期:2016-12-06