基于间接核查法的流量计云在线运行核查方法

方修睦 杨大易

(1.哈尔滨工业大学,哈尔滨;2.哈尔滨中冕智慧能源科技有限公司,哈尔滨)

0 引言

传感器是感知供热物理设备网状态的关键设备,传感器的健康状态直接影响智慧供热系统调度决策和控制决策正确与否,会影响到设备的运行状态和系统安全[1]。

国内外关于传感器故障诊断的研究时间很久,所采用的研究方法可分为直接冗余法、解析冗余法和时序冗余法[2-5]。直接冗余法又称硬件冗余法,它采用多个传感器测量同一个系统参数,利用同类传感器的输出差别来诊断故障。解析冗余法主要通过系统不同输出量之间的解析关系来提供冗余信息,使用系统的参考模型和其他传感器的信息提供该传感器的冗余估计值,通过比较该估计值与直接测量值来检测该传感器故障。时序冗余法采用某传感器的时间序列输出得到的冗余信息来检测故障,有的也把时序冗余法归于解析冗余法中。硬件冗余法检测原理简单,不需要了解系统的数学模型,检测速度快且比较可靠,但需要设置重复的设备,投资高。解析冗余法经过几十年的发展,形成了依赖于模型的故障诊断方法和不依赖于模型的故障诊断方法。依赖于模型的故障诊断方法是一种最早发展起来的诊断方法,研究、应用较广泛,但存在计算量大、建模误差大、模型适应性差、可靠性低、容易出现误报和漏报等问题。依赖于模型的故障诊断方法可分为基于状态估计的故障诊断方法、基于参数估计的故障诊断方法和等价空间故障诊断方法。不依赖于模型的故障诊断方法无需提供精确模型,有较强的适应性,越来越受到人们的重视。不依赖于模型的故障诊断方法可分为基于信号处理的故障诊断方法和基于知识的故障诊断方法。在传感器故障诊断方面虽然出现了大量的诊断方法,但这方面的研究大部分仅停留在具体应用背景、计算机仿真或实验阶段,应用水平不高,真正成功应用于实践的实例较少。

流量计(包括热量表的流量传感器)是智慧供热系统中的重要感知元件,在智慧供热系统中应用较多,从热源到换热站、到建筑物、甚至到热用户,形成了数量庞大的流量计群。在现有的供热系统中,流量计故障频繁出现,是所有传感器中计量结果可信度最差的。

高质量数据是智慧供热系统数据分析的前提和保障分析结论可靠的基础,了解在役流量计的工作状态,判断流量计是正常、异常还是故障状态,可有效提升数据质量和提高控制系统的安全。为提高数据质量,对流量计群中每个流量计的工作状态进行单独诊断,工作量巨大、耗时多。目前供热企业的核查设备的装备水平、装备数量,核查队伍的人员配备及技术水平等,无法支撑对庞大流量计群中的每台流量计的单独在线核查。笔者在文献[6]中介绍的直接核查法能解决单台流量计的在线核查问题,但无法解决流量计群的在线核查问题。

智慧供热系统可将流量计的测量数据实时上传到智慧供热平台上,为流量计群的云在线核查提供了数据支撑。本文根据智慧供热系统的特点,借鉴国内外关于传感器故障诊断的研究方法,利用智慧供热云平台,结合流量计的已知结构特性和参数,以及应用场景及应用历史,来探讨流量计群的云在线运行核查问题。

1 流量计的间接核查方法

流量计的在线运行核查包括工作条件核查和技术性能核查2种,技术性能的在线核查可分为直接核查法和间接核查法。在文献[6]中笔者对工作条件核查和直接核查法作了介绍,本文仅讨论流量计的间接核查法。

在供热物理设备网中,除不同规模的流量计群外,还设有大量与流量有关的调节阀门、弯管、水泵等部件及设备。流量计的间接核查法是利用供热系统的机理、具有流量特性的设备(部件)或被核查流量计的相关参数等获得流过被核查流量计所安装管段上的流量(称为基准流量),与同时流过被核查流量测量系统(包括流量计、前后连接管道、介质流动状态等)的流量(称为被核查流量)作比较,利用式(1)判断被核查流量计的工作状态,以确定被核查流量计是否可以继续使用。

-|Eimax|≤E≤|Eimax|

(1)

式中Eimax为被核查流量计第i个流量测量点的相对示值误差最大值;E为被核查流量计的相对示值误差范围。

各值的计算方法见文献[6]。

流量计的间接核查方法很多,这里主要讨论基于信号处理的故障诊断方法和硬件能力冗余法。

2 基于信号处理的故障诊断方法

基于信号处理的故障诊断方法可分为流量平衡法和电参数检查法。

2.1 流量平衡法

基于信息校核的方法是基于信号处理的故障诊断方法中比较简单有效的方法。这种故障诊断方法的原理是依据物料平衡与能量守恒定律等物理化学规律及数理统计知识来进行信息的校核。智慧供热系统中流量计群的工作状态核查适合采用流量平衡法。

流量平衡法是根据系统中各处设置的流量计流入的流量总和应与系统中设置的流量计流出的流量总和相等,或其差值在合理范围内的原理来核查流量计的工作状态。在供热系统中,当各热源或供热首站设置总流量计、各热力站一次网侧均设置流量计时,可采用此方法在云上基于热源或供热首站设置的流量计来核查各热力站处设置的流量计;当热力站二次网侧及建筑物热力入口处均设置流量计时,可采用此方法在云上来核查热力站设置的流量计和各建筑物热力入口处设置的流量计;当建筑物热力入口处及供暖用户热力入口处均设置流量计时,可采用此方法在云上来核查建筑物流量计和每户设置的流量计。不同规模的供热物理设备网,流量计群的规模不同,各流量计群中所安装的流量计种类不同、生产厂家不同,流量测量数据的误差,除了各流量计自身存在的制造误差外,还存在着安装使用误差,只有消除这些误差后,才能应用流量计群的测量数据进行分析、决策,并依据消除误差后的数据进行流量计群工作状态的在线核查。具体核查方法将专文介绍,这里不再赘述。

2.2 电参数核查法

电参数核查法是对于应用的流量计,利用其工作原理,通过对与性能有关的电参数进行测量,来在线核查流量计的工作状态,看其是否仍保持在原校准(出厂)时所规定的允许范围内。以电磁流量计为例,其体积流量qV可表示为

(2)

式中D为测量管内径,m;vp为被测流体的平均流速,m/s;k为系数;Le为电磁流量计测量电极之间的距离,用于提取被测流体的流动状况,m;Ee为感应电动势,V;B为流量计励磁线圈磁感应强度,T;K为常数,K=πD2/(4kLe),由厂家采用标准试验台得到,m。

式(2)表明,通过检查在一定流速下B的变化情况,即可确定电磁流量计的工作状态。经过工作条件核查的流量计,检查影响磁感应强度B的主要因素和转换器参数是否保持在出厂测量流量时所规定的允许范围内,即可确定所核查的流量计示值是否出现偏差。检查磁感应强度B时,需要核查励磁线圈电阻和对地绝缘电阻、传感器接地电阻及电极接液电阻;检查转换器参数时,主要检查电源端子与外壳之间的绝缘电阻、励磁电流、输出频率、瞬时流量示值误差及重复性、转换器零点、电磁流量计零点漂移[7-10]。进而确定被核查流量计是否可以继续使用。

3 设备能力核查法

硬件冗余法通过设置多个传感器测量同一个系统参数来进行传感器核查。当测量同一流量的2个流量计的输出流量出现明显不同时,可以认为流量计工作状态出了问题。在供热物理设备网中,虽然不能像部分热源厂与热力公司那样,通过重复设置大口径贸易结算表来核查热量(流量),但可以根据硬件冗余法的检测原理,利用供热物理设备网中设置的具有流量特性的设备或部件,根据通过这些设备或部件的流量来实现对工作流量计的在线核查。这些设备、部件包括水泵、弯管和阀门。

3.1 利用水泵流量特性进行核查

水泵是供热物理设备网中为使水在管道中流动而提供动力的必设设备。工频泵的流量G与扬程H、轴功率Nz、效率η有关,水泵的工作点a一旦确定,其流量Ga、扬程Ha、效率ηa、轴功率Nza亦确定(见图1)。

图1 水泵特性曲线

实际工程中应用的是由变频器、电动机、水泵三部分组成的变频调速水泵装置,对于变频调速水泵装置来说,其流量与扬程、输入功率、装置效率有关。水泵装置的输入功率随着流量的增大而增大;不同频率时,水泵装置的最高效率不同,不同工作点的输入功率不同。水泵的工作点a或b一旦确定,其流量Ga(Gb)、扬程Ha(Hb)、装置效率ηa(ηb)、输入功率Na(Nb)亦确定[11](见图2)。流量可以通过变频水泵装置的输入功率和频率来确定,可以通过输入功率和扬程确定,也可以通过频率和扬程来确定:

图2 变频水泵装置特性曲线

G=f(N,fp)

(3)

H=f(N,fp)

(4)

G=f(N,H)

(5)

G=f(fp,H)

(6)

式(3)～(6)中N为变频水泵装置的输入功率,kW;fp为变频水泵装置的频率,Hz。

在实验室中对1台变频水泵装置的测试结果见表1。测试所用流量计为0.5级的电磁流量计,电量采用0.5级的多功能电表测定,测得的数据分别按式(3)、(5)、(6)进行水泵特性识别。识别结果用相对误差和残差的标准偏差来评价。相对误差绝对值的平均值按式(7)、(8)计算,残差的标准差s按式(9)计算。

表1 各方法精度对比

(7)

(8)

(9)

式中vk为第k次测量值与识别值之差。

由表1可以看出,识别水泵流量的最佳方法是采用变频水泵的频率和输入功率来识别。频率和输入功率属电学信号,相较于水泵系统中的其他参数,具有测量精度高、测量方法简单、反应灵敏等特点,尤其适用于流量计的云在线核查。

变频水泵装置在不同频率下,其流量误差不同。图3显示了利用0.5级电磁流量计为标准表获得的某型号变频水泵装置的流量误差曲线。由图3可知:1) 相对流量>0.34、频率≥34 Hz时,流量相对误差在±2.9%范围内;2) 相对流量为0.34、频率≥34 Hz时,流量相对误差在±3.1%范围内;3) 相对流量为0.29、频率≥34 Hz时,流量相对误差<6.4%。利用水泵流量特性,将水泵的工作流量作为基准流量,利用式(1)可确定与水泵串接的被核查流量计是否可继续使用。

图3 变频水泵装置流量误差曲线

在烟台某热力公司对单台变频调速水泵装置进行的测试表明:在流量为额定流量的27%时,最大误差接近30%;在流量为额定流量的71%～125%时,流量误差在±6%之内[12]。在鹤岗市某供热公司对并联运行的2台变频调速水泵装置进行的测试表明:并联运行水泵,在流量为额定流量的48%时,最大误差约为-18%;在流量大于额定流量的62%时,流量误差在±5%之内。

3.2 利用弯管流量特性进行核查

在供热管道的拐弯处均设有弯头。水流过弯头时产生的惯性离心力的大小与流体的流速、流体的密度及作圆周运动的曲率半径等因素有关。离心力的大小可通过测量弯管内外侧压力差来确定。如果将普通弯头更换为标准机制弯头,则其流量系数可在一定范围内看作常数(见式(10));定期或不定期地将高精度差压变送器与标准机制弯头内外侧测压连接管相连,测得弯管外侧壁与内侧壁的压力差,根据式(11)即可得到流经弯管的流量。将流经弯管的流量作为基准流量,利用式(1)可以确定与弯管串接的被核查流量计的健康状态,确定被核查流量计是否可继续使用。

(10)

(11)

式(10)、(11)中C为流量系数;α为校正因子;R为曲率半径,m;ρ为流体密度,kg/m3;Δp为弯头外侧壁与内侧壁的压力差,Pa。

标准机制弯头作为传感器时,在实验室内利用标准流量装置(流量测量的扩展不确定度Urel=0.14%～0.16%,k=2)进行校准的结果见表2。由表2可见,利用标准机制弯头作为流量传感器的最大流量误差为1.4%。

表2 标准机制弯头流量误差

图4为采用标准机制弯头作为传感器,配以高精度差压变送器作为核查的基准表时,对某热力站用的DN250电磁流量计进行运行核查的现场照片,核查同时还采用了经过校准的便携式超声波流量计进行验证。核查结果表明:1) 采用标准机制弯头的核查结果与采用便携式超声波流量计的核查结果相近;2) 在流量为80～270 m3/h时,被核查的电磁流量计偏差为-34.0%～-30.5%,需要离线校准。实践证明,可以从供热系统使用的众多标准机制弯头中,选出满足测量条件的弯头作为核查流量的弯管传感器。标准机制弯头作为传感器的测量精度虽然低于专用的弯管流量计,但其投资少、性能稳定,适合作为核查的流量传感器,如果设置固定的差压变送器,尚可将测量结果实时送至云平台,在云上实现流量计的云在线运行核查。

1.电磁流量计;2.便携式超声波流量计;3.标准机制弯头。图4 现场用标准机制弯头核查流量计

3.3 利用阀门流量特性进行核查

目前的供热系统中,设置有很多具有调节特性的阀门。式(12)表明,调节阀的两侧压差与流量有关,根据阀门两侧的压差,可以得到流过调节阀的流量。将流过调节阀的流量作为基准流量,利用式(1)可以确定与调节阀串接的被核查流量计的健康状态,确定被核查流量计是否可继续使用。

(12)

式中Cf为调节阀的流通能力;Δpf为阀门两侧的压差,Pa。

图5显示了某型号调节阀的流量特性曲线。标准流量计为0.1级电磁流量计。由图6可知,阀门相对开度为10%～22%时,流量最大误差为-13.54%;相对开度≥23%时,流量最大误差为4.44%。利用阀门的流量特性,可将流过阀门的流量作为基准流量,利用式(1)确定与阀门串接的被核查流量计是否可继续使用。配上差压变送器,可将测量数据传送到云平台,在云上实现流量计的云在线运行核查。

图5 阀门流量特性

图6 阀门误差

4 云在线运行核查方法

在线运行核查是流量传感器不拆离所安装使用的供热系统而进行的核查;云在线运行核查是将在役使用的流量计的测量数据远传至智慧供热平台,在智慧供热的云平台上,对接收到的在线测量数据进行分析,对流量计工作状态进行评估。

前面介绍的间接核查方法中除电参数核查法不方便在云上进行核查外,其余方法均可实现云在线核查。在智慧供热的云平台上对获取的流量参考值和被核查流量计的测量值进行误差分析,依据式(1)对被核查流量计的技术性能进行核查,对误差满足要求的流量计,继续使用;对误差不满足要求的流量计,在现场利用直接核查方法进行在线核查,若误差满足要求则继续使用,若误差不满足要求则进行离线核查。离线核查误差不满足要求的流量计,允许对所核查流量计的仪表系数进行修改的,进行云在线修正,修正后的流量计测量数据进入下一轮核查;对不允许在线修正仪表系数的流量计,进行在线校准或离线校准(如图7所示)。

5 结论

1) 利用供热系统的机理、被核查流量计的相关参数、供热物理设备网中设置的具有流量特性的设备或部件来实现对工作流量计进行在线核查的方法,简单、适用,可避免核查设备的重复设置,技术性能可满足在线运行核查的要求。

2) 本文提出的流量计的云在线运行核查技术流程,可以快速判断在线应用的流量计的技术性能是否满足使用要求,解决供热企业核查人员及核查仪器设备不足的缺陷,有效提升智慧供热系统的数据质量和提高控制系统的安全。

6 致谢

感谢哈尔滨市计量检定测试院朱继光总工对在线核查工作的支持,提供实验场地并一起开展核查技术实验;感谢研究生王哲为采用水泵在线核查所做的实验工作;感谢研究生李辉为采用阀门在线核查所进行的实验工作;感谢山东琅卡博能源科技股份有限公司提供的阀门试验数据。