能量计量

能量计量（共4篇）

能量计量 篇1

0 引言

当今社会,家庭采暖用热能作为需要花钱购买的消费品,已为广大消费者认可。然而多年以来,取暖收费一直是采取传统做法,即按取暖面积大小收费,既不方便用户取暖,又浪费了大量的能源。

国外的热计量经验表明,按照热量收费的制度是促使用户自觉节能的最有效手段,据统计“把大锅炉饭”式的采暖包费制,改为按实际使用热量向用户收费,可节能20%~30%。

按照国家节能的要求,生活用能必须计量向用户收费。因此,把热作为商品,由用户自行调节控制使用,并按实用热量合理收费,才能调动用热和供热两方面的积极性,进而促进节能[1]。因此本课题的研究目的是设计一个分户计量系统,即用户在使用供暖设备时,按所消耗能量进行计量的装置。

2 热量计量装置设计方案

2.1 硬件框架结构

本设计以单片机为控制核心,其辅助电路包括复位电路、温度检测电路、流量检测电路、显示电路和串行口电路五个部分。硬件框架图如图1所示[2]。

2.2 主CPU系统

C8051F340芯片是完全集成的混合信号系统级MCU芯片,高速、灵活、低价。具有8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS),它的速度快。新增了FLASH存储器,具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新8051固件。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、观察点、单步及运行和停机命令[2]。鉴于以上优点,并结合设计目标,特选用此款单片机。

C8051F340主控单元电路如图2所示。

2.3 流量传感器

流量传感器安装在管路系统上,用于计量流过供热回路的水的体积并发出流量信号,该信号是载热液体体积或质量的函数,也可是体积流量或质量流量的函数[3]。本设计是运用霍尔元件来制作的一个流量传感器。装有霍尔元件的转子每转一圈,霍尔元件和磁钢接近一次,从而发出一个脉冲信号。设定一个脉冲对应的流出水的体积为固定值(本设计中设定为10L)。由单片机接收霍尔元件输出的脉冲,进行脉冲计数,从而计算出相应的流量[3]。

2.4 配对温度传感器

配对温度传感器是指对同一个热量表,分别用来测量管路系统的入口和出口温度的两支温度传感器,分别安装在管路系统的入口和出口,采集系统内介质的温度并发出温度信号。本设计采用一对AD590将进出口温度转变为两个电流信号,然后经过温度调理电路,送入单片机进行处理。

2.5 串口自检电路设计

设计要求串行口具有自检能力, 即在系统启动或允许检查状态下,高速单片机C8051F340可以检测自己的串行口,即发送任意一个字节,并接收这一字节,若发送接收一致,则向PLC发送以及向内呼板上的单片机发送一个信号,并等待对方通过自检的信号,若对方亦过自检,则自检结束,进入正常工作状态[4,5]。

3 系统软件设计

3.1 主程序设计流程图

主程序设计流程图如图3所示。

3.2 显示模块流程图

在本设计中的显示单元选用的是字符型的1602LCD模块。模块内带标准字库,另外还有字符生成RAM(CGRAM)512字节,供用户自定义字符。LCD模块是一个慢显示器件,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平,表示不忙,否则此指令失效。在本设计中要显示的是累计热量值即由数字和单位组成。由于1602是字符型显示模块,故要把数字转化为对应的ASCII码,送到缓冲区再进行显示。显示子程序框图如图4所示。

4 系统硬件PCB设计

系统硬件PCB设计如图5所示。

5 结语

近年来,按热量收费己经越来越被重视,而热量表是热量计量的基础,可使热计量更为科学、更为合理。热量表作为热力公司向每一位住户收费的依据和手段,不仅已广泛被用户所接受,而且由于用热量与费用直接相关,也加强了用户的节能意识。

本设计对进入热用户的供暖热水量可以实时调节,从而使用户按其需要灵活自行调节供热量,达到节约能源和节省热费支出的双重目的[6]。

能量计量溯源性的建立及其标准化 篇2

1 GB/T 22723 与 GB/T 18603 的功能

国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会于2008年12月31日联合发布了国家标准GB/T 22723-2008《天然气能量的测定》, 该标准已于2009年8月1日起开始实施。GB/T 22723修改采用国际标准“天然气———能量测定”(ISO 15112:2007),并根据后者重新起草。国际标准化组织天然气技术委员会(ISO/TC 193)于2011年发布了ISO15112的修订版,但主要内容未作更动。

GB/T 22723对能量计量的原理与方法、测定界面划分、交接计量模式等作了原则性的规定,故总体而言这是一个管理标准, 对对指导能量计量的实施缺乏可操作性。2001年发布的GB/T 18603《天然气计量系统技术要求》第6章“发热量测量”的内容才是在计量站实施能量计量时应遵循的具体规定。但该标准发布于10多年前,内容显得陈旧,且此章内容有多处不确切之处,不能满足目前发展的要求。尤其下列内容, 应在GB/T 18603修订过程中仔细斟酌:1根据GB/T 13610设置气相色谱仪对天然气组成进行分析 (实际应为: 根据GB 17820的要求按GB/T 13610规定的方法对天然气组成进行分析 );2气相色谱仪的性能评定采用JJG 700 (实际应为:气相色谱仪检定应执行JJG 700的规定);3必须指出, 目前计量站内用于天然气组成分析的均为在线气相色谱仪,其检定规程应为JJG 1035;4发热量测量系统的 不确定度 应小于1% ( 实际上按GB/T18603附录A的规定, 发热量测量系统的准确度应为0.5%),等等。

GB/T 18603修订过程中另一个必须重视的问题是: 第4版OIML国际建议把能量测定作为天然气计量站的基准, 即天然气计量系统的分级及其仪表配置均以能量计量为基础而做出相应规定。因此,气体流量 测量的溯 源体系应 与标准气 体混合物(RGM)溯源体系相匹配 ;并通过不确定度评定将溯源性量化(表1)。此外,第4版国际建议中把配套仪表的准确度用最大允许误差(MPE)表示(表2)。虽然MPE在概念上与测量不确定度有所不同,但它给出的仪表示值误差合格区间, 可以作为评定测量不确定度的依据。

%

按第4版“国际建议”的规定,英国现行法规“输气管网准入协定(NEA)”规定用户接受天然气的计算发热量(COTE)应与其支付的账单相一致;用户得到的天然气发热量必须与供气公司的声明值相符。为满足上述法规要求, 同时规定用于计算发热量的分析系统的MPE不得超过0.1MJ/m3。但我国目前天然气分析用多元标准气体混合物(RGM)的研制水平, 以及参比级 (0级) 热量计的建设状况均与此MPE要求尚有相当大的差距 ,其中也包括在标准化方面的差距。

2 ISO 15971 与 ISO/TR 24094 的技术要点

2008年ISO/TC 193发布的ISO 15971《天然气-性质测量-发热量和沃泊指数》是一个有关天然气发热量测定的重要标准, 目前尚未转化我国国家标准。总体而言,该ISO标准主要是针对应用于计量站内在线式连续测定型热量计的安装、运行与维护;但是,此类在线热量计在1990年代后基本上已为在线气相色谱仪所取代。

应予充分重视的是: 该国际标准对参比级(0级)热量计建设所规定的下列特殊要求,并在其附录C中作了详尽的说明, 这些内容对能量计量溯源性的建立极具参考价值[3], 但它们均未反映在相关的我国国家标准之中。

1)所有操作皆应严格按照最佳计量学实践方式进行, 且所有相关物理测量皆应通过不间断的比较链溯源至SI制单位。

2)参比级(0级)热量计应与天然气流量测定的m-t装置类似,“直接”测量质量(m)和温升(Δt)这2个参数。

3)测量结果必须表示为质量基发热量 ,即k J/g或MJ/kg。

4) 其基本结构形式应根据1930年代美国国家标准局研制成功的Rossini型等环境双体式热量计为基础进行设计。

由于天然气组成中甲烷组分浓度变化产生的分析偏差是影响发热量计算值准确度的关键因素。因此,利用参比级(0级)热量计直接测定甲烷的发热量是建立天然气能量计量溯源性的基础。根据2013年发布的技术报告“第3版ISO 6976的支持信息”(ISO/TR 29922)报导,从1848年首次测定甲烷发热量以来, 仅有5次是在250C下全面地测定了甲烷的标准摩尔发热量, 且这些试验研究完全独立进行的。后者分别由美国国家标准局Rossini(1931)、英国曼彻斯特大学Pittam和Pilcher(1972)、英国天然气与电力市场办公室Lythall和Dale(2002)、俄罗斯门捷列夫计量科学研究院Alexandrovt(2002)和欧洲气体研究集团/德国计量科学研究院(GERG/PTB,2010)完成的(表3)。OFGEM的Lythall和Dale是在同一套热量计各自独立地测定了一组数据, 故表3中列出的数据为6组。

(k J/mol,25℃)

从表3的数据可以看出, 各研究者发表的测定结果相当一致, 其差别仅在于平均标准偏差有所变化;而此种变化正反映出1970年代以来发热量直接测定的技术进步,从而使测量不确定度明显改善。将表中6组测定数据的平均值加和后再取其平均值为890.579k J/mol; 故正在修订的ISO 6976( 第3版 ) 选取甲烷的理想气体高位摩尔发热量为890.58k J/mol(250C)。第3版标准中此值为890.63k J/mol,与第3版选取值的相对偏差仅0.008%。

在完成VAMGAS(试验)项目的基础上,ISO/TC193于2006年发布了ISO/TR 24094《天然气分析用气体标准物质的验证》的技术报告[4]。该技术报告不仅对通过室间比对试验(round robin test)验证RGM的方法与步骤作了详尽规定; 更为重要的是报告提出的验证方法成功地为RGM不确定度的标准值提供了实验证据, 从而使RGM室间比对试验定值法与计量学定值法相联系,将称量法制备RGM的“公议值”通过与参比热量计测量结果比对而溯源至SI制单位焦耳(J)。因此,ISO/TR 24094的规定对天然气能量计量溯源链的建立与完善至关重要, 应尽快转化为我国国家标准。

3 ISO 15796、ISO 10723:2012 (第 2版)与蒙特卡洛模拟的应用

3.1 ISO 15796 的技术要点

2008年ISO/TC 158发布了国际标准“气体分析—分析偏差的研究和处理”(ISO 15796), 该标准的重要性在于将天然气组成分析的偏差(型误差)与RGM溯源性之间的关系归纳为以下4个方面[5],从而奠定了根据ISO 10723(第2版)对气相色谱系统操作性能评价的基础, 但此标准日前尚未转化为我国国家标准。

1)每个分析结果通常是通过不间断的溯源链溯源至有关的国家标准或国际标准。如果在此溯源过程中, 能够证实一个分析结果在规定不确定度条件下没有显著偏差, 即可以认为此分析结果是可以溯源的。

2) 溯源性是天然气分析质量保证的关键之一;但溯源性并非是对每个分析数据进行验证而仅对整个分析系统的准确度提供保证; 并在特定的组分浓度范围内, 以一个规定的分析程序对大量不同组成的样品进行验证。

3) 如果可以证实一个分析程序没有显著的偏差,则此分析程序即可认为是可以溯源的,或者是具备溯源性的。

4)如果分析过程中产生的显著的偏差能通过测定可溯源的标准气混合物(RGM)来校正,同样也可以认为此分析程序是具备溯源性的。

ISO 15796提出可以用2种方法来处理分析偏差:一是通过溯源性观察偏差的类型,然后校正其影响;二是对偏差的影响加以平均,并增加测量结果的不确定度(范围)。显然,对于已经由国家标准GB/T18603明确规定了准确度的天然气能量计量系统 ,必须采用第一种方法来处理分析偏差。因此,对天然气能量计量系统而言, 有必要证实所有在线分析仪的偏差型误差的分布,并证实在包含区间为95%的条件下,其扩展不确定度(k=2)不超过国家标准规定的范围(0.5%)。

从以上分析可归纳出如下结论: 不确定度的实质就是测量误差的分布范围。

3.2 GB/T 28766 与 ISO 10723(第 2 版)的技术要点

从分析化学计量的角度看, 精密度和系统误差分别表示天然气分析(气相色谱)系统测量结果准确度的两个组成部分: 随机误差分量与系统误差分量[6]。对于随机分量的确定,国际标准化组织于1995年发布了ISO 10723《天然气在线分析系统性能评价》。我国于2012年使用重新起草法修改采用ISO10723:1995, 发布了国家标准GB/T 28766《天然气在线分析系统性能评价》。

GB/T 28766规定: 按仪器说明书建立的分析系统用于特定组成范围内的天然气组分浓度分析时,可以通过分析组成范围比预定要求更宽的试验气体来证实系统的有效性。具体操作过程是: 将按合适的标准方法制备的试验气体(test gas)注入到分析器中进行下列试验: 1分析系统对所规定的测量组分的有效性;2在规定范围内单独组分测量的重复性;3在规定范围内单独组分响应值与其浓度的关系;4在不同浓度范围内组分间不存在干扰。

但在上述试验中不包括分析测量的准确度,因为在原理上测量准确度主要由使用的RGM控制。因此,GB/ T 28766本质上是一个评价精密度的标准。

国际标准化组织于2012年发布了ISO 10723(第2版)。后者作了两处重大修改:一是在标题中取消了“在线”2字,拓宽了标准的应用范围;二是将“试验气体”改为“校准气体”,从而将精密度评价与不确定度评定结合一体。

ISO 10723(第2版 )的附录A给出了一个将气相色谱法的分析结果应用于天然气高位发热量计算,及其平均误差与扩展不确定度评定的示例。该示例较全面地阐明了以ISO 6974规定的气相色谱分析方法所得到的结果,通过ISO 6976计算发热量的过程中, 如何运用合适的标准气体混合物RGM及ISO 10723规定的方法与程序 , 对发热量计算结果的测量误差与不确定度进行评定。鉴此,在当前能量计量技术正将全面推广的形势下, 必须尽快转化并实施ISO 10723(第2版)。

3.3 蒙特卡洛模拟的应用

天然气能量计量系统中, 如果正确地按使用目的配置了在线气相色谱仪, 其性能可以由两个特性来表征:一是以重复性表示的测量不确定度;二是各组分在不同含量条件下的响应值与(仪器出厂时的)假定值相一致程度(线性度)。

图1所示数据表明, 测量过程中在线仪器响应值的测量不确定度将随组分浓度变化而变化。图中虚线表示在线分析仪设定的响应值/摩尔浓度关系曲线, 高斯分布曲线则表示被测组分在不同摩尔浓度时精密度的不确定度的变化范围。对商品天然气中的多数组分而言, 其测量不确定度是随样品气中该组分摩尔浓度的增加而增加。同时,测量结果还要受到RGM本身不确定度,以及被测组分与RGM中组分浓度差的影响[7]。因此,此类测量模型不宜以线性近似的方式进行处理。

根据ISO/IEC Guide 98-3/Suppl.1:2008的有关规定, 我国于2011年发布国家计量技术规范JJF1059.2《用蒙特卡洛(CMC)法传播概率分布》。此项计量技术规范专门应用于测量模型不宜进行线性近似的场合, 因为在此场合下按JJF 1059.1规定的GUM法确定输出量的估计值和标准不确定度可能变得不可靠。同时,对于像我国这样每年供给量已经达到约2000亿m3的天然气消费大国, 其输配系统涉及数量十分庞大的、用于发热量间接测定的气相色谱仪, 对于如此巨大的样本数量也无法以GUM法进行测量不确定度评定。因此,必须以ISO 10723(第2版)附录A规定的CMC模拟法评定气相色谱分析系统的不确定度。这是今后能量计量技术发展的重要方面,应引起有关方面充分重视。

4 天然气分析溯源准则(ISO 14111)

4.1 天然气分析溯源链的本质

以上讨论可以看出,保证天然气发热量(间接)测量准确度的核心是建立并完善溯源链。ISO/TC193是全球第一个就化学测量中的溯源性问题提出标准化文件的国际组织, 它于1997年发布的ISO14111《天然气分析溯源性准则》从理论到实践奠定了以气相色谱法测量结果计算商品天然气发热量的基础。

与ISO/TC193发布的其他分析方法标准不同,ISO 14111并非规定某种特定的溯源方法 , 此国际标准的目标在于: 1澄清化学分析溯源性的基本概念;2判明溯源性在化学计量上应用的主要问题;3提出使用标准气混合物(RGM)是可行的溯源途径;4支持以RGM实现溯源的设计; 5作为其他天然气分析国际标准中应用溯源性概念的参考文件。

天然气分析溯源链的本质是: 将分析测量结果的溯源性还原为RGM的溯源性。

4.2 天然气分析溯源链的技术特点[8]

天然气分析在计量学上属化学计量范畴, 它与几何计量、力学计量等物理计量有很大不同。天然气气相色谱分析溯源性的技术特点如下:

1)一般选择SI制基本单位摩尔(mol)为计量单位, 实际使用中大多采用摩尔比的形式表示计量结果。

2)由于目前的技术条件下,直接溯源至SI制基本单位摩尔难以实现。作为替代的方法是溯源至另一个SI制基本单位———质量(kg),然后利用被测组分的相对摩尔质量与其质量之间的关系进行换算。

3)天然气是组成复杂的混合物 ,在量值溯源或量值传递过程中若采用分等级传递的方式, 不仅很繁琐且不易实现。因此, 一般采用标准气混合物(RGM)溯源的方式。

4)根据ISO/TC 193的规定,天然气分析的溯源链及其相应的标准气混合物(RGM)的量值传递系统如图2所示。

按ISO 14111的规定,天然气分析用的RGM分为3个层级。第1级称为基准标准气混合物(PSM),是实现某组分分析结果溯源的最终基准, 必须保证最佳的准确度和稳定性。第2级称为认证标准标准气混合物(CRM)

4.3 天然气分析用 RGM 的制备[9]

RGM制备是天然气分析溯源性获得的关键步骤。

从图2所示可以看出, 为适应天然气分析的溯源要求, 天然气分析用RGM的制备与量值传递系统具有以下特点。

1)由于天然气的组成相当复杂 ,通常在商品天然气中至少要包括10个左右的常见组分,因而要求使用的RGM品种甚多,目前已形成了比较庞大的体系。

2)天然气中各组分的含量变化范围颇大 ,而且要求所用RGM的组成尽可能接近被测样品, 故同一组分的RGM还应形成含量不同的系列。

3)RGM在使用过 程均被消 耗掉 , 而且各类RGM都规定了有效期 ,它们需要不断补充 ,故研制时必须考虑便于运输、贮存、使用等方面的问题。

4) 制备具有良好的精密度和准确度的RGM时,应采用国际公认的绝对方法———称量法。为此,ISO/TC 158与ISO/TC 193合作完成了对ISO 6142:1981版的修订 ,并于2001年发布ISO 6142修订版本,同时宣布撤消ISO 6142:1981。

2001年发布的ISO 6142已于2008年以等同采用的方式转化为国家标准GB/T 5274《校准用混合气体的制备———称量法”》。但ISO 6142规定的方法原理与制备流程是立足于单组分称量制备, 而将多元RGM和多元稀释混合物皆视为单组分称量制备的特例。因此,GB/T 5274应用于天然气用多元RGM制备缺乏可操作性 , 必须结合 考虑ISO/TR24094附录A和国家标准“标准样品工作导则(3)”的有关规定, 且只有在解决RGM的均匀性和稳定性前提下才能定值。由此可见,定值的实质是通过某种测定程序赋予制得的多元RGM特性值及其不确定度,并阐明其计量溯源性;定值的过程即为溯源性量化的过程。

以上讨论充分说明,ISO 14111是解决天然气能量计量系统溯源性建立、溯源性获得和溯源性量化3大关键技术的核心标准, 但迄今尚未相应地转化为我国国家标准。因此,建立天然分析溯源国家标准是当务之急[10]。

5 结论与建议

1) 由于天然气能量计量的实施涉及物理计量、物理化学计量和分析化学计量等3大计量领域,因而在解决能量计量系统溯源性建立、溯源性获得和溯源性量化等关键技术问题的过程中, 涉及大量规范和标准(表4)。

2)对照表4所示 ,可以认为我国在天然气流量计量领域已经正确地执行有关规范与标准的规定,目前已建立不确定度优于0.1%的原级基准装置及配套的传递标准和工作标准,形成了完整的量传(溯源)体系。

3)在发热量(直接)测定方面 ,由于对0级参比热量计的溯源本质缺乏正确理解, 故迄今尚未建立基准。但从发展角度看, 此基准装置的建设亟待重视, 否则今后将面临两方面的困境: 一是必须继续依靠进口RGM; 二是即使研制出准确度优于0.5%的国产RGM,由于我国目前不能制备基准级RGM,无法进行定值。

4) 根据ISO/15971规定 ,0级参比热量计是发热量直接和间接测量结果溯源的基础, 其结构和准确度要求均需按建设目的进行专门设计, 故并非是一种市售仪器。德国联邦物理技术研究院(PTB)2004年投入运转的0级热量计,其可行性研究报告是由6位欧盟专家花1年多时间才完成。

5)由于建设目的不同 ,目前全球正在运行的3台0级热量计的测量不确定度并不一致,PTB装置在测定纯 甲烷发热 量的测量 不确定度 已经达到0.05%(k=2),但门捷列夫全俄计量科学院装置则为0.1%(k=2)。

6)我国化学测量不确定度评定的标准化工作相对滞后,适用的国家计量规范(JJF 1135)2005才发布。同时,目前判定间接法测定天然气发热量测量不确定度用的RGM,准确度仅1%,不能满足能量计量的要求。

能量计量 篇3

随着各种采集终端的出现与大面积覆盖,计量自动化系统积累了大量准确实时、详实可靠的数据。但这些数据彼此独立,计量自动化系统未完全将这些数据进行深度研究,数据价值没有充分挖掘。本文将分析我局计量自动化系统在电能量数据应用上的不足,提出引入数据挖掘建设、推广智能电表的必要性,并对存在的问题予以解决建议。

1 计量自动化系统电能量数据管理现状与不足

2013年,贵港供电局厂站、专变、配变覆盖率100%,计量自动化系统完成变电站计量遥测、大客户负荷管理、配变计量监测、低压集抄四合一,负责提供准确实时、详实可靠的原始数据,供给供电局生产、营销部门应用 ;在系统平台方面,也初步完成了电能量数据在负荷统计、有序用电、线损管理、停电管理、电压合格率、负载率等功能上的应用,但其对电能量数据的应用还处于运算的初级阶段,不能支持智能化分析,对电能量数据管理带来难度。

1.1 计量装置用电异常排查难

目前用电异常分析主要采用远程监控的方式,主要通过每日专人检查、过滤计量自动化系统失压、失流、数据异常等告警事件并开展电能量数据原始分析,但经过长期应用,存在以下难点 :1. 用电信息采集系统告警事件海量,独立性强、辅助信息不足,难以开展后台分析工作。2. 用电信息分析耗时长。3. 所有分析工作均依靠人员的电能计量运维知识、经验,数据分析方式较单一,比较复杂的、尤其是电流波动异常的计量故障、窃电手段不能及时发现。

1.2 采集终端质量统计难

计量自动化系统虽然采集了终端上、下线的时间、数据采集情况,却没有基于时间维度,对终端掉线次数、在线无数据、数据采集失效等进行统计及简要分析。导致终端质量运维报告只能人工开展,常发生数据遗漏、统计难等问题。

1.3 用户用电数据传递难

很多用电客户交电费时才发现近期用电量激增,却并不知晓自身用电行为如何导致用电量发生,也无法获取有效、详细的用电信息,导致客户抱怨或投诉电表计费不准。如计量自动化系统能有效利用现有电能量数据形成客户用电报表,明确告知客户电量变化情形,帮助居民改变不科学的用电习惯,将有效提升客户满意度。

2 计量自动化系统电能量数据应用完善方向

2.1 引入数据挖掘技术,建立计量装置用电异常智能分析模块

为加强对现场计量装置、采集设备和配电网运行情况的监测,提高对用户用电行为异常分析的准确性,计量自动化系统需开发数据挖掘工具,建立计量装置用电异常智能识别及分析模块。

所谓数据挖掘、智能识别及分析,即是依据电力系统工作原理,通过典型窃电案例的分析,找出用电异常、计量异常的数据特征 ;并基于空间和时间,对各种电压、电流、功率因素等电能量数据进行多维度配置和叠加计算,根据不同数据项和算法特征设立阀值,建立各类型阀值指标体系及分析模型。最后通过定时运算从海量数据中准确、自动筛选存在用电异常、计量装置故障、违约用电窃电嫌疑的用户。当然智能识别出的用户异常事件涵盖率需达100%、准确度需达65% 以上,以确保无用电异常计量装置落网、缩短异常分析时间。

2.2 新增采集终端质量统计模块

应用终端上下线时间、数据采集告警等数据,基于时间维度设置采集终端掉线频率、终端数据异常公式、阀值,按厂家分类自动生成终端质量分析周、月、年报表。

2.3 持续完善数据接口,搭建用户互动平台

利用计量自动化系统功率因素、电压合格率等用电质量数据,设置告警信息,经人工筛选确认后通过95598系统短信平台提醒专变用户,避免功率因素低罚单发生。建立电费查询网页或手机APP,做好计量自动化数据接口,为低压集抄用户提供年、月、日电量数据、比对信息、电费清单,若日电量激增还提供短信提醒或手机APP告警,让用户安心用电放心缴费。

2.4 针对专变用户,推广应用智能电表

与多功能电子式电能表相比,智能电表在其传统计量功能外还具备用电信息存储、双向多种费率计量、用户端控制等功能。它还可为专变用户提供以下数据支撑远程应用 :1. 智能电表通过检测出电压波形畸形、谐波、不平衡等现象,提示电力电子设备、接地等故障可能发生,帮助用户远程管理用电设备。2. 随着技术发展智能电表可监控用户所有设备用电情况,并通过计量自动化系统与手机APP的搭配使用,用户可轻松获取用电设备每日用电数据、电费余额,方便供电公司更好地指导用户及时远程缴费、分时用电、节能减排,提升客户满意度。3. 为实现分布式电源计量、双向互动服务、智能家居等奠定基础。

3 效益分析

3.1 提高电能量数据管理工作效率,减少电量流失

如用电异常智能分析研发成功,电能量数据管理员排查量由数万条信息降低至数百条信息,大大缩短计量异常查找时间,及时处理计量故障,减少窃电时间、电量流失,对窃电行为形成有效的震慑,有效降低电网管理线损,提升企业经济效益。

3.2 提升运行计量终端质量,减少运维次数

采集终端分析报告能快速发现同一厂家或批次终端质量问题,为下一年度的终端轮换、终端采购提供有效依据,长期应用能优化终端整体质量,减少终端运维工作量。

3.3 用电服务多样化

用电客户关心两个问题 :用电电费。计量自动化系统能为用户提供准确、及时的用电信息,实现电能计量、计费的公平、公开、公正 ;通过智能电表帮助专变用户管理用电设备、开展用电管理 ;短信服务也减少缴费不及时产生的停电等,增进供、用电双方互动,提高客户满意度。

4 结语

能量计量 篇4

关键词：高炉,鼓风机,同轴机组,回收能量,计量

0引言

在高炉炼铁生产过程中,回收炉顶煤气压力能量是节能减排的重要措施之一。回收方式主要是通过高炉煤气余压回收装置(TRT)将炉顶压力能量转换成电能或者机械能。目前国内容积大于1 000 m3的高炉中有96%以上配备了TRT,1 000 m3以下的高炉也有相当大比例配备了TRT,而且有不断增长的趋势。据统计,TRT回收的能量大约可以占到高炉鼓风机消耗能量的25%～40%,具有回收效率高、投资少、运行成本低廉的优点,

已经成为炼铁生产中最具有节能成效、运行最为成功的节能设施。

根据能量转换方式TRT可以分为两种,一种是透平机直接驱动发电机工作,产生电能,电能反馈回电网;另一种是透平机和高炉鼓风机组成同轴机组,透平机通过变速离合器直接驱动鼓风机,产生旋转机械能,与电动机共同驱动鼓风机,从而降低电动机的输出功率,达到节能的目的[1]。

崇利制钢有限公司9#高炉的TRT采用的是第2种能量转换方式,高炉鼓风机由电动机和透平机共同驱动,构成同轴机组。在这种转换方式下,鼓风机消耗的能量由电动机和透平机共同提供,TRT回收的能量就是透平机产生的能量,同时也是电动机的节电量。

该同轴机组的主要参数如下:鼓风机型号 AV50-13;额定排气压力 316 kPa;额定入口风量 2 257 m3/min;电动机型号 YGF1000-4;电动机额定功率 9 500 kW;透平机型号 MPG5.4-251.6/170;设计工况点煤气入口流量 120 000 m3/h;透平机进口压力 150 kPa;透平机进口温度 200 ℃;透平机最大输出功率 4 500 kW。

同轴机组控制系统采用西门子S7-400H冗余系统,下位编程软件采用Step7 V5.4,上位监控软件采用WinCC6.0 ASIA版。

机组自2008年投运以来,运行平稳,达到了预期效果。但是由于同轴机组不发电,回收能量无法直接通过仪表来测量,因此在确定生产经济指标时,就难以对TRT的回收能量进行考核。为此,我们于2009年开始对同轴机组回收能量的计量方法进行了研究,提出了一种新型的计量方法。

1现有解决方案

对于同轴机组透平机回收能量的计量,在现有资料中,尚没有一种公认的、科学的解决方案。目前大致分为使用厂家和设备制造厂家两种做法。

使用厂家大部分采用统计方法,即将透平机未投用和投用后的鼓风机功率相比较,得到一个一段时间的数据,再将功率乘以时间得到回收能量。这种方法优点是计算简单,容易得到结果,具有参考价值,缺点是统计周期太长,采用的鼓风机功率是透平机未投用时的数值,是一个固定值,而实际上鼓风机和透平机的工况一直在变化,因此得出的数据不能实时反映透平机的运行状况,因而得出的回收能量就不准确。

设备制造厂家则从透平机设计的角度,根据热工力学和流体力学理论,计算透平机功率,再对功率进行积分得到回收能量。透平机功率

N=ηQCpT1[1-(P2/P1)(K-1)/K] (1)

式中,η为透平机能量转换效率,%;Q为通过透平机的煤气流量,m3/h;Cp为定压比热容,kJ/m3;T1为透平机入口煤气绝对温度,K;P1为透平机入口煤气绝对压力,kPa;P2为透平机出口煤气绝对压力,kPa;K为绝热指数,这里取1.4。这种方法的优点是从理论的角度用式(1)可以非常准确、及时地计算出透平机的功率,缺点是在实际应用中公式中的一些参数误差较大,尤其是Q误差较大,不能满足计算需要,而且η是一个理想状态下给出的值,并不能反映真实的数据[2]。

2新型解决方案

上述第1种解决方案的缺点是鼓风机功率采用了一个固定不变的值,不能反映实际功率,要提高计量精度就必须采用实时数据,而鼓风机的实时功率无法直接测量,结合第2种方案的思路,如果能找出与鼓风机功率相关的参数进行测量并计算,就可以间接求出透平机的功率。根据流体力学知识,鼓风机功率主要与鼓风机进口空气流量及出口压力有关,由于鼓风机进口管道比较粗,直管段难以满足测量需要,导致空气流量的测量误差通常较大,因此有的鼓风机就不检测进口空气流量。而对于轴流式鼓风机而言,静叶开度实际上就反映了鼓风机的进口空气流量,且静叶开度的反馈信号非常精确,因此这里我们考虑可以用静叶开度代替鼓风机进口空气流量进行计算。由于同轴机组在透平机未投用时鼓风机功率就等于电动机功率,因此我们用电动机功率代替鼓风机功率进行计算。我们统计了崇利制钢有限公司同轴机组在透平机未投用时的运行数据,选取了其中具有代表性的15组进行分析[3](15组数据如表1所示)。

根据表1数据可知,鼓风机功率与静叶开度、出口风压虽然不是严格的线性关系,但都是递增关系,为了便于计算,我们进行了线性简化,假设鼓风机功率Nb与静叶开度J、出口风压Pb有如下关系:

Nb=X1J+X2Pb+X0 (2)

式中,X1,X2和X0分别为静叶开度系数、出口风压系数和补偿系数。

用二元线性回归方法对表1中的数据进行求解[4],可以得出:

X1=54.8,X2=13.28,X0=75.84

将各系数代入式(2)可得:

Nb=54.8J+13.28Pb+75.84 (3)

将表1中的数据代回式(3)中进行校验,可以得出与15组数据相应的Nb,与实际测量值比较的平均误差为0.56%,其中第1点误差最大,为1.64%,而该工况点在实际运行中不经常用到,所

以采用假设的式(2)完全可以满足计量的要求。

当同轴机组的透平机投入运行后,由于鼓风机由电动机和透平机共同驱动,因此,透平机功率

Nt=Nb-Nd=54.8J+13.28Pb+75.84-Nd (4)

式中,Nd为电动机功率。

式(4)中的所有变量在机组的控制程序中都有,可以直接使用。为了保证数据的实时性,采样周期选择为1 s。利用Step7循环调用周期为1 s的组织块OB32,在OB32中编程就可以实现上述方案。

得到透平机功率后,对功率进行累积就是透平机所做的功,也即同轴机组的回收能量,该回收能量在上位机画面中显示。实际运行如图1所示。

3应用效果及结论

程序运行以来,准确、实时地对透平机的回收能量进行了计量,计量数据与透平机出厂设计的理论计算数据相比误差小于1%。不但为制定经济指标提供了准确数据,而且为掌握透平机运行状态提供了准确参数,便于及时了解设备运行情况。

这种解决方法是在统计大量风机运行数据的情况下,运用数学方法得到的工程近似方法,统计数据区间越接近平时运行的工况区间,数据量越大,得到的公式就越精确。需要注意的是由于鼓风机功率还与鼓风机进口空气温度有关,而本文统计的数据是在一个较短时间段得到的,温度变化比较小,如果考虑全年温度变化,可能会产生较大的误差,因此如果增加对温度的补偿,结果会更加接近实际数据。另外,该解决方法采用的是鼓风机功率的假设公式,如果采用鼓风机设计厂家实际的功率理论计算公式并进行简化,采用工程中容易测量、精度可以满足计算需要的参数进行运算,得到的结果可能会更准确,这将是下一步研究的课题。

参考文献

[1]西安陕鼓动力股份有限公司.能量回收透平装置技术及应用[R].西安:西安陕鼓动力股份有限公司,2007.

[2]张焕荣.宝钢TRT功率效验及分析[J].炼铁,2005(9):96-98.ZHANG Huan-rong.Power test and analysis for TRT at Baosteel[J].Ironmaking,2005(9):96-98.

[3]冯磊,张晓东,李大伟.混合煤气热值的合理化计算[J].冶金自动化,2009,33(6):65-66.FENG Lei,ZHANG Xiao-dong,LI Da-wei.Rationalization calculation of mixed gas calorific value[J].Metallurgical Industry Automation,2009,33(6):65-66.