利用超聲波流量計對熱電廠供熱流量測試的探討①

熊兆洪

(勝利油田技術監督處)

利用超聲波流量計對熱電廠供熱流量測試的探討①

熊兆洪

(勝利油田技術監督處)

提出利用便攜式超聲波流量計對勝利發電廠供暖用流量計進行測試和核查，并對測試數據進行相關計算處理。通過計算得出，勝利發電廠供暖用流量計誤差較大，給發電廠造成巨大的經濟損失，也加重了發電廠生活區的污染程度。最后，針對勝利發電廠供熱計量中存在的不足提出了建議。

超聲波流量計 流量測試 供暖系統 誤差

勝利發電廠擔負的勝利油區基地集中供熱工程是勝利石油管理局的重點建設項目之一。集中供熱工程的實施，結束了油田西城地區靠小型鍋爐分散式燃油、燃煤供暖的歷史，解決了以前供熱耗能大、成本高的問題，同時對改善城市大氣質量，提高能源綜合利用率，起到了積極作用。

隨著小區供熱面積的增大，發電廠的供熱量也在逐年增加，縱觀整個供熱系統，其中存在的主要問題有：一是由于計量管理不完善和規范化程度不夠，造成單位間因流量計計量偏差而發生經濟糾紛；二是由于計量誤差較大，致使實際供熱量大于需求供熱量，造成能源的浪費和城市環境的污染。

近年來，隨著電子技術、數字技術的發展，利用超聲波測量流體流量的技術發展很快，它采用了先進的多脈沖技術、信號數字化處理技術和糾錯技術，使流量儀表更能適應工業現場的環境[1]，計量更方便、經濟、準確。針對發電廠供暖系統存在的問題，利用超聲波流量計對電廠供熱流量計進行測試核查，對記錄的數據做相應的修正，最終得出勝利發電廠年實際供熱量，為維護雙方權益和供熱系統的進一步規范化管理奠定了基礎[2]。

1 超聲波流量計的工作原理和技術選型

超聲波流量計以測量聲波在流動介質中傳播的時間與流量的關系為原理。通常認為聲波在流體中的實際傳播速度是由介質靜止狀態下聲波的傳播速度(cf)和流體軸向平均流速(vm)在聲波傳播方向上的分量組成[3]，如圖1所示。

圖1 超聲波流量計工作原理示意圖

vm和cf的計算公式為：

(1)

(2)

式中L——聲道長度；

tdown——超聲波在流體中順流傳播的時間；

tup——超聲波在流體中逆流傳播的時間。

超聲波流量計的主要特點為：

a. 獨特的信號數字化處理技術，使儀表測量信號更穩定、抗干擾能力強、計量更準確；

b. 可做非接觸式測量，無壓力損失；

c. 價格較貴，前期投資大。

本測試選用PT878 便攜式超聲波流量計，其技術指標為：

準確度等級 1.0級

測量直徑范圍DN20～2000mm

測量探頭工作溫度 -20～210℃

由于采用管外安裝換能器的超聲波流量計是通過聲波傳播途徑上流體線平均流速來進行測量的，所以應保證換能器前的流體是沿管軸平行流動的。因此，安裝地點的選擇必須保證換能器前有一定長度的直管段。一般，當管道內徑為D時，上游直管段長度應大于10D，下游大于5D，現場的安裝還應避開強電磁場干擾、管道擾動等因素的影響。

超聲波流量計探頭安裝方式有Z法、V法、X法、2V法和平行法。根據勝利發電廠現場實際情況，測量流量時，超聲波流量計的探頭采用Z法安裝方式。

2 測試數據處理

當超聲波流量計運行穩定后，記錄其累積示值，待運行600s后，同時記錄超聲波流量計累積值、被核查流量計的累積值以及流體的溫度和壓力值，每次連續采集3組數據，共測試3次，整理后的數據見表1。

表1 超聲波流量計和被核查流量計累積值數據 m3

取600s內超聲波流量計累積值與被核查流量儀表累積值進行比對，并計算被核查流量計的相對誤差和重復性。

流量計的相對誤差計算公式為：

(3)

式中Ej——第j次被核查流量計的相對誤差，%；

qj——第j次被核查流量計顯示的累積流量值，m3/h；

(qs)j——第j次測試時超聲波流量計顯示的累積流量值，m3/h。

流量計的重復性計算公式為[4]：

(4)

式中Er——被核查流量計的重復性，%；

相應的儀表修正系數計算公式為：

(5)

式中k——儀表修正系數。

通過計算分別得出了回水、一期供水、二期供水被核查流量計的相對誤差和重復性(表2)。

表2 回水、一期、二期被核查流量計相對誤差、重復性數據 %

取3次相對誤差的平均值作為被核查流量計的相對誤差，依據式(5)，對應的儀表修正系數見表3。

表3 回水、一期、二期被核查流量計平均相對誤差和修正系數

3 供熱量計算

測試人員每隔1h分別記錄被核查流量計的累積值、流體壓力值、溫度值和大氣溫度值，先計算出每小時供熱量，進而計算日供熱量，即：

ΔE=G1h1+G2h2-G0h0

(6)

式中 ΔE——熱力系統供熱量，kJ/h；

G1、G2、G0——電廠一期、二期熱網供水和回水的質量總量，kg；

h1、h2、h0——一期、二期熱網和回水在各自溫度、壓力下的焓值(查表)，kJ/kg。

由實際日供熱量計算出發電廠某年度實際總供熱量值為6 293 994.90GJ、發電廠自測熱量為5 388 275.64GJ，相差905 719.26GJ。所以，由于勝利發電廠供暖用流量計的誤差較大，造成年浪費熱量約905 719.26GJ(這部分熱量實際沒有創造經濟價值)。

4 小結與建議

經過分區熱量值測量，勝利發電廠集中供熱管轄小區單位面積供熱量都滿足《山東省城市集中供熱管理條例》的標準要求。按照1kg標煤的低位熱值為7 000千卡(或29 274kJ)計算，年供暖期間浪費折合標準煤約30 939.37t。工業鍋爐每燃燒1t標準煤，產生二氧化碳2 620kg、二氧化硫8.5kg、氮氧化物7.4kg，因此，年供暖期浪費的標準煤約產生81 061.15t二氧化碳、262.98t二氧化硫、228.95t氮氧化物，加重了發電廠生活區的大氣污染程度。

針對以上測試結果和經濟環保性分析，對勝利發電廠提出如下建議：加強對計量工作的重視，確保流量計量的準確性；定期對在用流量計進行核查測試；引入新型流量計(如超聲波流量計)代替傳統流量計；推進供熱體制改革，其中供熱計量改革是深化供熱體制改革的重要內容和關鍵環節之一。

[1] 王飛，吳朝暉，劉文龍，等.超聲波流量計用于原油大流量貿易計量的方案論證[J].化工自動化及儀表,2010,37(8):56～58.

[2] 郭環,王艷軍,張建平，等.外夾式超聲波流量計在高酸氣田關鍵技術的分析[J].化工自動化及儀表,2014,41(1)：68～69.

[3] Michael A C.Industrial Flow Measurement[D].Huddersfield:The University of Huddersfield，2009.

[4] 費業泰.誤差理論與數據處理[M].北京： 機械工業出版社,2015:102～104.

DiscussionofApplyingUltrasonicFlowmetertoMeasureHeatingFlowinThermalPowerPlant

XIONG Zhao-hong

(TechnicalSupervisionDept.,ShengliOilfield)

Applying a ultrasonic flowmeter to measure heating flow in Shengli Thermal Power Plant was proposed and the test data were calculated and processed to show that, the obvious errors can be found in heating flow measurement which resulting in a great economic loss together with increased pollution degree in the plant’s living quarters. The solutions to these deficiencies were proposed finally.

ultrasonic flowmeter, flow test, heating system, error

TH814+.92

A

1000-3932(2017)08-0744-03

2017-03-09，

2017-07-24)

中國石化科技項目(714037，710014)；山東省自然科學基金項目(ZR2016EEM46)。

熊兆洪(1967-)，高級工程師，從事油田計量測試技術的研究與管理工作, xiongzhaohong.slyt@sinopec.com。