流量積算儀用于能源計量時需探討的幾個問題

[摘要]文章基于JJG1003-2005《流量積算儀》檢定規(guī)程和JJG640-1994《差壓式流量計》檢定規(guī)程對流量積算儀的生產(chǎn)和使用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，給出幾個合理使用的建議。
根據(jù)《能源計量監(jiān)督管理辦法》（國家質(zhì)監(jiān)總局第132號令）第八條的要求，用能單位應(yīng)當(dāng)按照規(guī)定使用符合要求的能量計量器具，確保在用能源計量器具的量值準(zhǔn)確可靠。現(xiàn)就城市集中供熱的流量計量為例，對作為常用能量計量的流量積算儀的生產(chǎn)、使用狀況進(jìn)行分析和研究，提出幾個合理使用的建議。
2000年上海市經(jīng)委出臺了《上海市城市集中供熱管理辦法》，對當(dāng)時的18條熱網(wǎng)加強了計量管理，計量器具依法實施強制檢定，不盡合理的計量器具（如雙波紋管差壓計等）采取*逐步淘汰的辦法。
在蒸汽流量的計量器具中大量采用了與孔板流量計或渦街流量計配合使用的流量積算儀。該辦法的實施為減少熱損、節(jié)能減排、合理結(jié)算起到了重要作用。
1 流量積算儀在流量計量中的作用和現(xiàn)狀
流量積算儀是流量二次儀表，對流量控制與監(jiān)測起到了很大的作用，也是用能單位*的重要設(shè)備。這些流量積算儀有比較強的功能，能與差壓式流量計（如孔板流量計）或速度式流量計（如渦街流量計）配合顯示瞬時流量和累積流量，同時還可以顯示工況的壓力、溫度和密度，有些還具有通訊功能。
流量積算儀有一個發(fā)展過程，它的前身是電動單元組合儀表的開方積算器，輸人信號來自差壓變送器，以后又增加了密度補償（壓力、溫度補償），在輸入信號方面又增加了脈沖頻率的，是工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)中的流量測量和控制儀表，可以對運行在設(shè)計工況附近的蒸汽進(jìn)行準(zhǔn)確計量，目前又被大量使用在能源的計量領(lǐng)域。
近些年來由于產(chǎn)業(yè)調(diào)整，蒸汽的用量變化較大，按常規(guī)及時更換孔板、管道，但仍不能達(dá)到準(zhǔn)確計量。這是因為不可能做到均衡用氣，往往高峰和低谷的用氣量相差較大，偏離設(shè)計流量的狀況越嚴(yán)重誤差就越大。經(jīng)分析，目前常用的過程測控用流量積算儀不宜用于流量經(jīng)常變化的能源計量中。因為它與孔板流量測量的數(shù)學(xué)模型之間有差異導(dǎo)致誤差。
用于工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)中的流量積算儀與孔板流量計配合使用時，當(dāng)孔板前后的壓差信號用的是4—20mA輸出的差壓變送器時，測量的數(shù)學(xué)模型為：

式中：q為質(zhì)量流量；qmax為設(shè)計工況下的Z大質(zhì)量流量；k為狀態(tài)補償函數(shù)，與壓力、溫度、濕度、可膨脹系數(shù)和雷諾數(shù)等因素有關(guān)，要求不高時取k=1；ρ為實際工況的密度，kg／m；ρ為設(shè)計工況的密度，kg／m；I為差壓變送器的輸出電流，mA。

3600（JJG640—1994《差壓式流量計》檢定規(guī)程給出的孔板流量計的質(zhì)量流量計算公式）的工程化形式。兩者具有一定誤差，狀態(tài)補償函數(shù)k的合理給出將大大縮小數(shù)學(xué)模型之間的誤差。目前，在用的流量積算儀幾乎只進(jìn)行密度的補償，均取k=1，未對可膨脹系數(shù)和雷諾數(shù)進(jìn)行補償。這就是造成偏離設(shè)計流量越嚴(yán)重誤差就越大的主要原因。
以一某發(fā)電廠對其鄰廠提供過熱蒸汽為例分析誤差產(chǎn)生的原因和程度。用孔板節(jié)流件配差壓變送器、壓力變送器、鉑電阻和智能流量積算儀進(jìn)行流量計量。工況及孔板設(shè)計參數(shù)如表1。

按設(shè)計慣例，首先應(yīng)根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)按JJG640-1994規(guī)程計算常用差壓與開孔直徑。程序為：按常用流量、Z大流量和Z大差壓計算常用差壓，再用常用差壓和常用流量確定孑L板的開孔直徑。然后用迭代方式按數(shù)學(xué)模型驗算常用流量的符合性。在Z后認(rèn)定孔板的開孔直徑后發(fā)現(xiàn)孔板流量計在各流量點的理論流量值與流量積算儀工程化的計算值只有在常用流量點附近誤差Z小。表2為設(shè)計工況（溫度70~C、表壓力0．6MPa、密度2．85860kg/m）時兩種流量數(shù)學(xué)模型的比較結(jié)果。

從這些數(shù)據(jù)可以觀察到：差壓信號為20kPa（常用差壓附近）時兩種數(shù)學(xué)模型理論值誤差在±0．2％之內(nèi)；差壓信號小于20kPa時，流量積算儀的流量計算值偏低，越小誤差越大；差壓信號大于20kPa時，流量積算儀的流量計算值偏高。同樣，偏離越遠(yuǎn)偏差越大，考慮工況的偏離，僅數(shù)學(xué)模型的不同誤差Z大可達(dá)1．5％。
產(chǎn)生偏差的原因在于流量積算儀工程化的流量公式中g(shù)只是設(shè)計工況和常用流量的產(chǎn)物，沒有隨工況和流量的變化而變化。因此，在流量不能運行在設(shè)計的常用流量附近時k不能為1，應(yīng)介入一個補償函數(shù)以減小它們的誤差。
由于流量積算儀的g。是按設(shè)計工況及常用流量的占、C和／3計算得到的。而、c和／3并不是一個定數(shù)，與差壓卸、壓力P和溫度t有關(guān)。經(jīng)分析，C和的變化較小，的變化卻不可忽視，因為它與△p和P的關(guān)系更密切。應(yīng)設(shè)法對可膨脹性系數(shù)ε進(jìn)行補償，

流量積算儀在數(shù)學(xué)模型中增加補償函數(shù)k的功能設(shè)置后，計量性能大為改善。在設(shè)計工況附近36％～100％流量范圍內(nèi)理論流量的相對誤差不超過±0.16％。
2流量積算儀用于貿(mào)易結(jié)算時應(yīng)重視的幾個問題
（1）流量積算儀的流量信號來自孔板時，流量應(yīng)嚴(yán)格控制在常用流量附近，而且也應(yīng)該在設(shè)計工況下運行才不至于造成明顯的流量理論值誤差。
（2）鑒于目前70％的流量裝置是孔板加流量積算儀的現(xiàn)狀，為提高準(zhǔn)確性必須對流量積算儀進(jìn)行改進(jìn)。運用可膨脹系數(shù)補償函數(shù)k可有效地提高測量準(zhǔn)確度。目前有提供可膨脹系數(shù)補償?shù)牧髁糠e算儀，希望得到實際有效的運用。因能源計量和貿(mào)易結(jié)算迫切要求有準(zhǔn)確的計量。
（3）用于貿(mào)易結(jié)算的差壓式流量裝置，由于孔板流量計算是一個復(fù)雜的循環(huán)過程，其值只有經(jīng)過迭代運算才能逐步逼近到準(zhǔn)確的流量值，每一個工況參數(shù)的變化都會引起流量計算值的變化，目前絕大部分的流量積算儀很難做到這一點。現(xiàn)代技術(shù)提供的CPU有*的運算能力，帶CPU的流量顯示儀表或流量裝置（如一體化的孔板流量計）可以按孔板流量計算公式實時計算流量，所以準(zhǔn)確度比普通的流量積算儀高出很多，特別是在離常用流量較遠(yuǎn)的流量點上，仍能保持很高的測量準(zhǔn)確度，為能源計量提供保障，是流量積算儀的發(fā)展方向。