影響熱量計測量精度的分析

劉 璞

（鄭州市熱力集團有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

供熱質量高低最終反映的是鍋爐產熱量和用戶使用量之間的合理分配，既要發揮鍋爐的最大效率保證供熱質量，又要節能降耗經濟運行。熱量計就成為鍋爐房眾多管理參數中的關鍵數據。

通過熱量計量儀所提供的數據（供回水溫度、鍋爐瞬時供熱量、累計熱量），對鍋爐的運行、燃燒狀態和所耗燃氣（耗煤）量隨時對鍋爐和外網進行合理調整，使其在最佳狀態下運行，應用“熱量調節法”實行科學的量化管理。

1 熱量計的分類

1.1 根據熱量計總體結構及設計原理熱量表分為3類

1.1.1 一體式熱量計

一體式熱量計是指熱量計的3 個組成部分（流量儀、積算儀、溫度傳感器），有部分產品設計結構結合在一起。例如，一體式時差法超聲波熱量計，它的換能器、流量儀、熱量儀和一支溫度傳感器在產品結構上是組合在同一固定長度管段上，其中流量儀和熱量儀的電氣部分集成在同一電路板上，檢定時只能對設備進行整體檢測。

1.1.2 分體式熱量表

分體式熱量表是指組成熱量表的3 個部分（流量儀、積算儀、溫度傳感器）可以獨立安裝，并且同型號的產品可以相互替換，在檢定時可以對各部件分別檢測。

1.1.3 緊湊型熱量表

緊湊型熱量表是指組成熱量表的3 個部分（流量儀、積算儀、溫度傳感器）至少其中2 個部分是組合在一起，以減少安裝中所產生的誤差。

1.2 依據熱量計中流量儀的結構和原理分類

1.2.1 機械熱量計

機械熱量計因其流量儀測量元件是用機械進行傳動而命名，其測量導流通道有單流束和多流束2 種，單流束是指流體在儀表內從一個方向單股推動機械葉輪轉動，機械磨損較大，使用年限短。多流束表是流體在儀表內從多個通道推動機械葉輪轉動，相對磨損較小，使用年限長。

1.2.2 電磁熱量計

電磁熱量計中采用的是電磁式流量儀。電磁式流量儀測量精度高，不受載體密度、壓力、熱流黏度以及流體分布等參數變化的影響，量程比最大可達1 ∶30。分析其工作原理可知，電磁式流量儀功耗較大，需外接電源，受被測流體導電率限制，不適合測量水質較純凈的流體[1]。

1.2.3 超聲波熱量計

超聲波熱量計中采用的是時差式超聲波流量儀。時差式超聲波流量儀不受載體熱流黏度、密度、壓力以及電解質等參數變化的影響。量程比最大可達1 ∶250，測量范圍寬，更加適合于變流量運行、負荷變量較大的場所?？蓮V泛應用于住宅小區、寫字樓以及企事業單位集中供熱、供水、空調、鍋爐等系統中的熱量計量。

鍋爐使用的是軟化水，由于時差式超聲波熱量表所具有的眾多優勢，所以鍋爐的熱量計量多采用時差法超聲波熱量表。

熱量計是由供回水溫度計、流量計、積算儀組成，影響熱量計計量精度穩定的原因有多種，該案例分析中使用的是時差法超聲波流量計。

2 時差式超聲波流量計的選型

2.1 熱量表外形尺寸

選用根據安裝和使用環境，選用合適的公稱壓力、熱表表體長度、積算儀安裝方式、流流計安裝方式、表接螺紋以及流量計表體材質等，保證熱量表可以正確安裝且設備無干擾、后期檢修方便。

2.2 熱量表技術參數選用

選用的熱量表技術參數包括熱量表的最小流量、常用流量、最大流量、熱量表的溫度范圍、公稱流量下的壓力損失、最大溫差、最小溫差、測量精度以及熱量表的防護等級等。

2.3 電氣及軟件部分時差法

超聲波熱量表供電方式一般為24 V 和220 V（具體參見產品說明書）。溫度傳感器類型，傳感器導線長度（嚴禁自行加長、裁短或更換導線）。熱表的通信方式及通信接口、流量計計量周期、通信接口、積算儀數據存儲量等。

3 影響時差式超聲波流量儀測量精度的主要因素

3.1 上下游直管段

由于時差式超聲波流量儀標定系數K 值是雷諾數函數，所以當流體從層流過渡到紊流時，其流速分布不均勻，標定系數K 值將產生較大的變化，從而影響測量準確度。根據設計要求換能器應安裝在上游直管段為10 倍管徑、下游直管段5 倍管徑的位置，對于上游存在泵、閥等設備時，需要按照“距離紊流、震動、熱源、噪聲和射線源越遠越好”的要求做，換能器應安裝在上游直管段30 倍管徑以上的位置。直管段長度是保證時差式超聲波流量儀測量準確度的重要因素之一。

3.2 安裝管道參數設置對時差式超聲波流量儀測量準確度的影響

根據時差式超聲波流量儀流量計量公式qv=（π/4）D2v，（qv瞬時流量，D 管道直徑，V 流體流速m/s）當管道材質及尺寸設置與實際管道尺寸不符時，將使理論管道流通截面積與實際管道流通截面積產生誤差，導致計算結果不準確。換能器的安裝距離是根據流體性質、管道材質、內外管徑、安裝方式等參數綜合運算的結果。據有關資料介紹，如果管道內徑誤差±1%，則引起約±3%的流量誤差。如果安裝距離誤差±1 mm將產生±1.5%以內的流量誤差。由此可見，只有正確設置管道參數，換能器才能安裝正確。因此，管道參數設置的準確性直接影響著時差式超聲波流量儀測量準確度。

3.3 換能器安裝對時差法超聲波流量儀測量準確度的影響

時差法超聲波流量計測量器件換能器聲波的傳輸分為直線式和反射式，反射式按安裝方式又有V 式、Z 式、W 式，可根據管徑、所測流體性質，有無管襯以及現場安裝條件進行選擇。另外換能器必須安裝在與管線正切的方向，否則會影響聲波的發射和接收，進而影響時差法超聲波流量計的測量準確度。

3.4 被測流體含氣量對時差法超聲波流量計測量準確度的影響

不溶氣體具有非常低的聲阻抗，可能造成聲束分散，含氣量大時，將減弱聲波信號強度，因此被測流體含氣量對時差法超聲波流量計測量數據有很大影響。

在實際供熱生產中，所有熱量計安裝的外部條件勻已很好地滿足設計要求，但當鍋爐出水溫度低于80℃時，熱量計工作正常，當鍋爐出水溫度高于80℃時，管道內會有細小的氣泡產生，在閉環的鍋爐系統中，這些氣泡使終裹挾在流體里，從而影響時差法超聲波流量計測量準確度，造成熱量值的誤差，影響熱量調節工作[2]。

要想消除這些氣泡，可以在鍋爐出口安裝一個大于出口管徑的聚氣裝置，加長流量計上游的直管段距離，還可以采取安裝紊流裝置的設施，以減少和消除被測介質內的含氣量，保證熱量計的測量準確性。

3.5 耦合劑對時差法超聲波流量計準確度的影響

為了保證換能器能夠與管道充分接觸，安裝換能器時需要在管道表面均勻地涂一層耦合劑，一般厚度為1 mm，并將耦合劑內的氣泡和顆粒擠出去，換能器的發射面應緊密地貼在管壁上。

鍋爐出口溫度在冬節生產時往往會在100℃～110℃，安裝在鍋爐出口的時差法超聲波流量計如果使用普通的耦合計在短時間內便會失效，從而影響時差法超聲波流量計的測量準確度，因此，必須選用特制的耐高溫耦合劑。

在供熱管線上的時差法超聲波流量計，往往會安裝在儀表井內，安裝環境潮濕，有時會被水淹，一般的普通耦合劑不具備防水性質會很快失效，影響時差法超聲波流量計的測量準確度，必須選用具有防水性的耦合劑。

耦合劑有使用有效期，根據性質、品牌不同有效期也不盡相同，一般為12 個月，因此，為了保證測量準確度，每12 個月應重新更換耦合劑，重新安裝換能器。

3.6 溫度傳感器對熱量計測量精度的影響

根據熱量表的工作原理可知，熱量表是由流量計、積算儀和一對溫度傳感器組成，為了保證熱量計的測量精度，時差法超聲波熱量計中的溫度傳感器往往采用分度值更為精細的PT500，并且是成對配置的，一支安裝在供水管道上標記為紅色，另一支安裝在回水管道上標記為藍色。

溫度傳感器不宜安裝在管道的較高位置上（可能充不滿液體）；要確保溫度傳感器的插入深度，應使溫度傳感器位于管道中心偏下的位置。當溫度傳感器與流量傳感器處于同一管路上時，溫度傳感器應安裝在流量計下游5 倍管徑或更遠的位置，以避免因安裝位置產生的氣泡和亂流影響流量計的測量準確度。

溫度傳感器的安裝位置還與被測目標有一定的關系，在以鍋爐為熱源的零次網循環系統中，如果把零次網熱交換器作為熱量測量目標，2 支溫度傳感器應分別安裝在零次網換熱器的入口和出口管路上，這樣可以減少鍋爐到零次網換熱器之間的熱傳輸誤差，從而測得零次網換熱器的真實用熱量。

在鍋爐作為熱源的供熱循環系統中，把鍋爐的產熱量作為測量目標時，2 支溫度傳感器應分別安裝在鍋爐的出口管路和入口管路上。

在熱量的計算中，不論是采用焓差法還是熱系數法，供回水溫度溫差都對其有較大的影響，熱量計的溫度傳感器是成對配置的，當2 支溫度傳感器的測量誤差向不同方向偏移或產生不同步偏移時，會加大溫度測量誤差，從而影響到熱量的測量準確性。溫度傳感器根據使用性質一般檢定周期為1～2 年，作為鍋爐熱量計的溫度傳感器，可每年檢定一次，以減少由于溫度傳感器的測量誤差帶來的熱量計系統測量誤差。

3.7 時差法超聲波流量計安裝位置對測量準確度的影響

時差法超聲波流量計流的安裝應遠離高頻干擾源，例如變頻器、高壓電機、變壓器以及高壓線網等。應有良好的接地系統，必要時可單獨設置地線網。電源線、信號線要分別穿金屬管敷設，并且金屬管要有良好的接地。

4 結語

該文通過對影響熱計量儀表精度的各個環節進行分析，給出了相應的解決方案，為提高供熱企業的經濟效益、降低供熱企業能源消耗，節能減排，提高社會效益、環境效益和經濟效益提供助力。