何志俊，殷勝軍，紀(jì)波峰，紀(jì) 綱

(1.上海同欣自動化儀表有限公司，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。這對保證系統(tǒng)安全、及時發(fā)現(xiàn)故障和存在的問題、進(jìn)行優(yōu)化操作和管理、爭取更大的經(jīng)濟(jì)效益，有著意想不到的效果。重點討論了管路損耗計算和監(jiān)控方法，并就蒸汽供熱網(wǎng)中管網(wǎng)損耗有規(guī)律增大的實例進(jìn)行分析，找出管損增大的原因。由于渦街流量計超流速必引發(fā)示值偏低，通過準(zhǔn)確的計算，證明了2臺大口徑流量計存在超流速的情況。換上2臺上限流速可達(dá)80 m/s的優(yōu)質(zhì)渦街流量計后，實現(xiàn)了準(zhǔn)確測量，為企業(yè)挽回了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。查找流量計失準(zhǔn)的原因是一項技巧性極強(qiáng)的工作，必須進(jìn)行細(xì)致的實地調(diào)查研究，以解決實際問題。

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

0 引言

隨著人們對環(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，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、及時發(fā)現(xiàn)故障和各種問題、方便操作和管理、為用戶爭取更大的經(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)計報表制作與輸出、收費(fèi)單據(jù)制作與輸出、故障診斷、越限報警、管損計算等[3]。

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

1 管損計算方法及計算結(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)口表所計總量，可以是一臺計量表所計總量，也可以是多臺關(guān)口表所計總量，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，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)中的失水率計算中，總量的單位為m3；在熱量損耗率計算中，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]。

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

2 管損統(tǒng)計結(jié)果的顯示

管損統(tǒng)計結(jié)果可用數(shù)字顯示，也可用趨勢圖顯示。前者用數(shù)字顯示某一時刻的計算結(jié)果，后者用曲線顯示管損隨時間變化的關(guān)系。管損統(tǒng)計結(jié)果數(shù)據(jù)量大，在計算機(jī)顯示畫面中，可在讀數(shù)窗口通過移動讀數(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管損趨勢圖。從圖1(a)可知，在常規(guī)情況下，整個管網(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仍保持過熱狀態(tài)，再加上先進(jìn)的管理方法，所以實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)口計量表都直接用于計算各路總管的管損，計算結(jié)果都用管損趨勢圖顯示。對當(dāng)天的各總管管損趨勢圖進(jìn)行原因分析，發(fā)現(xiàn)在4路總管中有3路的管損趨勢穩(wěn)定，但是圖1(c)所示的第2路管損趨勢圖與圖1(b)所示的趨勢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)計數(shù)據(jù)計算，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個分表的流量趨勢圖，發(fā)現(xiàn)有用汽單位的2臺流量計，每天9∶00起用汽量大增，與該路總管管損圖在時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個計量點計量不準(zhǔn)引發(fā)的。

通過進(jìn)一步分析，這2臺流量計每天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個計量點所計的蒸汽都是用戶用于熱風(fēng)干燥濕料的。這個公司的產(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。這兩個計量點的流量趨勢圖如圖2所示。

圖2 流量趨勢圖

從圖2可見：這2個計量點的蒸汽在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個計量點采用的是渦街流量計+壓力變送器+溫度傳感器+流量演算器的測量方法，而具體選用的渦街流量計是國內(nèi)某個品牌的產(chǎn)品，公稱通徑分別是DN300和DN250。經(jīng)調(diào)查，這個品牌的渦街流量計在測量氣體和蒸汽時，保證測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，北區(qū)DN300的1臺流量計最大質(zhì)量流量為19 t/h，南區(qū)DN250的1臺流量計最大質(zhì)量流量為10 t/h。這時流過渦街流量計測量管的流體流速可用式(2)計算[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臺蒸汽流量計工況條件為Pf= 0.8 MPa，溫度為280 ℃，查表得ρf=3.618 kg/m3。此時，DN300流量計qm=19 t/h，代入式(2)得v=20.6 m/s；DN250流量計qm=10 t/h，代入式(2)得v= 15.6 m/s。因此，9∶00前，這2臺渦街流量計的流速都未高于上限流速，所以測量精確度是有保證的。

從式(2)可知，要計算流過測量管的流體流速，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。蒸汽流量計就是為了完成這項任務(wù)才設(shè)置的，因為流量計可能不準(zhǔn)，即流量計測量得到的qm數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，所以以qm為基礎(chǔ)計算得到的v也不會準(zhǔn)確。但從渦街流量計測量原理分析，流速一旦超過上限，流量測量結(jié)果只會偏低而不會偏高[2]，所以，以渦街流量計顯示的質(zhì)量流量為基礎(chǔ)計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qm= 62.9 t/h，假定這時的流量示值是準(zhǔn)確的，代入式(2)得流速v= 68.3 m/s；南區(qū)DN250流量計qm= 36 t/h，代入式(2)得流速v=56.3 m/s。

從這2個計算結(jié)果可明顯看出，假定這2臺流量計并不偏低，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偏低程度仍未知，所以2臺表的流速不能準(zhǔn)確計算。但是根據(jù)“超上限流速即偏低”這一事實可知[9-10]，每天9∶00后，這2臺流量計的實際流速已嚴(yán)重超過上限，所以流量示值嚴(yán)重偏低，導(dǎo)致整個熱網(wǎng)管損陡增。

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

因此，該公司換上2臺品質(zhì)較好的流量計，使允許的上限流速得到相應(yīng)提高，杜絕了這2臺流量計超上限流速使用的現(xiàn)象，保證了流量測量精度，進(jìn)而使一天24 h的管損回歸到正常水平，維護(hù)了計量的公正性，挽回了供熱單位的嚴(yán)重?fù)p失。這2臺渦街流量計更換之后，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)出管損計算公式，然后將管損計算結(jié)果用數(shù)字或圖形顯示。其中，管損趨勢圖以其直觀明了、信息量大的優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。發(fā)現(xiàn)管損增大后，應(yīng)及時進(jìn)行分析，查找管損增大的原因。品質(zhì)欠佳的渦街流量計，允許使用的最高流速只有品質(zhì)優(yōu)良的渦街流量計允許值的一半，實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，可應(yīng)對實際需求，實現(xiàn)準(zhǔn)確測量。

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

[2] 刑軍,楊權(quán)文.利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理維護(hù)計量儀表[J].石油化工自動化,2001(4):81-83.

[3] 紀(jì)綱.流量測量儀表應(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.能源計量百問[M].北京:中國計量出版社,2007.

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

[6] 蘇彥勛,梁國偉,盛健.流量計量與測試[M].2版.北京:中國計量出版社,2007.

[7] 王池,王自和,張寶珠,等.流量測量技術(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