一种集中供冷供热系统冷热量计量仪表在线检测方法

技术领域

本发明涉及集中供冷供热系统计量技术领域，具体涉及一种集中供冷供热系统冷热量计量仪表在线检测方法。

背景技术

目前，随着人们对生态文明的重视以及生活质量的追求，大大地促进了区域集中供冷供热项目的建设，市场对于集中供冷供热的节能环保优势也愈发重视。节能，就是从能源生产到消费的每一个环节，采取技术允许、经济合理以及环境和社会都能承受的措施，从而达到减少能源浪费目的的手段。建筑能耗在社会能源消耗总量中所占的比重较大，建筑节能是节能减排工作的一个重要抓手。因此建设部等部委鼓励建筑节能技术的推广和应用，出台了一系列的节能减排、绿色低碳的政策，积极推动建筑节能市场健康有序发展。

而建筑能耗的重要部分就是集中供冷供热的能源消耗，经过对西方国家和发达国家供热市场的分析，得出一个结论：供热的分户热计量工作是目前建筑节能降耗、推进绿色环保低碳经济的必由之路。因此，本申请提供的区域集中供冷供热系统中末端计量仪表的检测优化及应用，正是迎合市场对建筑节能技术的需求，同时对于提高热量表的计量准确性以及现场检测流程标准化等工作具有实践意义，对分户热计量的推广应用也将起到重要的推动作用。

随着碳达峰碳中和政策目标的实施，绿色低碳生活正成为社会对美好生活的一种向往。而区域集中供冷供热模式，因其占地小、能耗低、碳排放低、供冷供热效果良好扥绿色低碳属性，正成为南方城市解决供冷供热的优选模式，特别是结合光伏发电技术、水源热泵技术等的区域集中功能模式得到了快速发展。目前区域集中供冷供热项目正从按供能面积收费转变为供冷供热计量收费模式，因此冷热量表作为民用四表之一，其计量准确性越来越受到用户的关注，特别是耗能量较大的商业住户对冷热量表十分关心。

作为推行按冷热量计量收费的关键计量设备，DN50及以下的冷热量表已被列入了国家强制检定目录，需按照国家计量检定规程《热能表》(JJG225-2001)开展检定。冷热量的计量不同于水、电、气的单参数计量，需要同时计量介质流量和进出口温度，并计算得到冷热量，故冷热量表现场计量情况更为复杂。由于楼内所有的用户的热用量构成了整个建筑物的总用热量，所以在热计量时可以将楼栋建筑作为费用结算的基本单位。现行《供热计量技术规程》(JGJ173—2009)中充分肯定了楼栋计量的合理性、科学性。

冷热量表的计量准确性关系到集中供冷供热的贸易结算公平性，同时对区域集中供冷供热系统的总体能耗和碳排放量的计算有着重要影响。冷热量表在运行一定年限后，随着测量部件的磨损以及传感器的老化等因素往往存在测量准确度降低的情况，这就需要按照检定规程开展检定校准。而本申请的发明人经过研究发现，目前冷热量表的检定一般在标准实验室的热量表检定装置上完成，属于离线检测方式，这要求热量表的拆卸送检，造成供热管道的关停，势必影响到正常的生产生活，带来一定的经济效益损失，而且很难保证经检定合格的水表在运输和安装过程中不会对计量准确性造成二次影响。

因此围绕区域集中供冷供热系统实际存在的计量需求，旨在解决区域集中供冷供热系统末端用户计量仪表计量出现较大偏差，计量检测较为困难的问题，提出一种适应实际需求的集中供冷供热系统冷热量计量仪表在线检测技术，就显得十分必要。

发明内容

针对现有集中供冷供热系统中计量仪表，特别是楼栋使用的大口径仪表需要超期使用，拆卸送检麻烦，且现有技术难以满足供热系统对测量数据精度需求，为弥补当前集中供冷供热系统中冷热量表超检定周期长期运行而计量不准确的技术问题，本发明提供一种集中供冷供热系统冷热量计量仪表在线检测方法，本发明提供的适用于集中供冷供热系统的末端计量仪表在线检测方法是一种借助物联网系统利用大数据分析方法实现对其计量误差进行在线测量技术，能够实现对集中供冷供热系统构成上下级计量网络的冷热量表的测量误差实现免拆卸批量检测，旨在为集中供冷供热系统提供较为准确的贸易结算数据支撑，更好地节能降耗提供了技术支撑，在保证仪器性能及提高经济效益方面发挥了重要的作用。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种集中供冷供热系统冷热量计量仪表在线检测方法，包括以下步骤：

S1、收集供热管网中各计量仪表间包括管道长度、管道外径、绝热层材料、绝热层厚度、绝热层材料导热系数、管道外表面温度、绝热层外表面温度、环境温度、管道周围空气平均流速、管道内介质的流量、密度和比热容在内的参数，据此计算出单位长度管道散热量，并根据所述单位长度管道散热量计算得到管网管道总散热量和介质通过管道的介质温降；

S2、采用现有物联网技术对供冷供热系统中上下级计量网络中的计量仪表热量读数、流量读数、供回路温度读数进行实时采集；

S3、计算供热管道或回路管道上游计量仪表的温度和下游计量仪表的温度之差，即是两个计量点之间的温度差，将此温度差与所述步骤S1中计算得到的介质通过管道的介质温降进行比较，若二者相对误差在预设温度阈值范围内，则认为上下游两只计量仪表的温度传感器是准确的；同时对总表的流量读数与各分表的流量读数之和进行比较，若二者流量相对误差在预设流量阈值范围内，则认为上下游计量网络中各个计量仪表的流量传感器是准确的；

如果最终判定计量网络中计量仪表的温度传感器和流量传感器是准确的，即计量仪表的温度传感器和流量传感器的相对误差均在预设合理范围内，则执行以下步骤S4；如果通过其他校准手段，也能够确保流量传感器和温度传感器的测量误差在合理范围内，则也可直接执行步骤4；

S4、依据供热管网拓扑结构构架起计量仪表计量网络上下级之间的能量平衡关系，即采用不同时间周期内各计量仪表实测热量读数、管网管道总散热量以及管网管道漏失热量建立各计量仪表计量误差间的关联式，运用大数据方法求解各计量仪表计量误差间的关联式，找出满足约束条件的各计量仪表的计量误差。

进一步，所述步骤S1中单位长度管道散热量采用以下公式计算：

q

其中，D

所述步骤S1中管网管道总散热量采用以下公式计算：

Q

其中，L为管道长度；

所述步骤S1中介质通过管道的介质温降采用以下公式计算：

Δt＝3.6K

其中，K

进一步，所述步骤S3中计算供热管道或回路管道上游计量仪表的温度和下游计量仪表的温度之差，即是两个计量点之间的温度差，将此温度差与所述步骤S1中计算得到的介质通过管道的介质温降进行比较，若二者相对误差在预设温度阈值范围内，则认为上下游两只计量仪表的温度传感器是准确的，具体包括：

记在计量仪表的进口管路处安装的配对温度传感器之一为进口温度传感器，其测量的温度为进口温度T

记在计量仪表的出口管路处安装的配对温度传感器之一为出口温度传感器，其测量的温度为出口温度T

则上游总表计量仪表的进口温度记为T

则同一进口管路中上下游计量仪表实测进口温度之差为：

Δt

则同一出口管路中上下游计量仪表实测出口温度之差为：

Δt

将该进出口管路中上下游计量仪表实测温度之差与介质通过上下游计量仪表质检的管道介质温降Δt采用下式进行比较：

给定一个预设温度阈值，若δ

进一步，所述步骤S3中对总表的流量读数与各分表的流量读数之和进行比较，若二者流量相对误差在预设流量阈值范围内，则认为上下游计量网络中各个计量仪表的流量传感器是准确的，具体包括：

对于上下游各计量仪表计量的流量读数，在不存管道漏损的情况，理论上存在上游流量之和等于下游流量之和的关系，即：

其中，F

但是计量仪表的流量传感器往往存在计量误差，故上述上游流量之和等于下游流量之和的关系式在实际工作中往往由流量相对误差来表示上下游流量的关系，具体流量相对误差通过以下公式确定：

给定一个预设流量阈值，若δ

进一步，所述步骤S4中各计量仪表计量误差间的关联式如下：

其中，Q(i)为计量周期i供热总计量仪表计量值，K为分计量仪表即下游计量仪表总数，Q

当积累n个周期的数据后，由所述各计量仪表计量误差间的关联式得到由n个方程组成的如下方程组：

其中，Q(i)为已知量，代表总计量仪表计量值；方程组中共包括n个方程，当方程数量大于或等于K+1时，通过最小二乘法求解出未知参数δ

与现有技术相比，本发明提供的集中供冷供热系统冷热量计量仪表在线检测方法，利用现有物联网技术构建在线采集系统，构建基于远程在线监测与大数据分析技术的计量仪表计量误差分析模型，在此基础上采用能量平衡法，对上下级管网节点进行分析，给出计量仪表运行误差的在线检测方法，其具有以下优点：(1)能够实现供冷供热系统中末端级联计量仪表计量误差的批量在线检测，免去了计量仪表送检的麻烦，能够为贸易结算提供较为准确的数据支撑；(2)可提高计量网络中测量数据的精度和可靠性，对工业企业提高能源数据管理水平，更好地节能降耗提供了技术支撑，在保证仪器性能及提高经济效益方面发挥了重要的作用。

附图说明

图1是本发明提供的集中供冷供热系统冷热量计量仪表在线检测方法流程示意图。

图2是本发明提供的集中供冷供热系统计量仪表数据采集示意图。

图3是本发明提供的一种上下级计量网络示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

区域集中供冷供热系统是一个十分复杂的多参数影响的动态系统，其末端计量仪表(又称冷热量表)的计量准确性直接影响到供冷供热系统的收费问题，特别是对于大口径冷热量表(DN>50)一旦安装在供冷供热系统上以后一般很难按期送检，导致其计量准确性经常处于未知状态。除非用能方发现贸易费用较往年增加幅度较大提出质疑，用能方才将热量表送检。随着计量意识的提高，人们对大口径冷热量表的计量准确性问题的关注度逐渐提高。

当前，冷热量表抄表系统基本都实现了远程在线监测与抄表技术，因此为开展基于远程在线监测和大数据分析的计量误差分析模型提供了技术基础和数据支撑，完成冷热量表的运行状态评估可大大提高冷热量表的计量准确性。在能源数据服务平台或者企业自身的能耗检测系统的技术上，结合大数据分析技术，实时获取管网末端计量仪表的计量读数和管网运行状态(如保温性能、温度、压力等参数)，以供冷供热系统中计量仪表为研究对象，采用能量平衡原理，通过计算供热管网中介质的焓值、管网散热量(散热损失)等因素求得各计量节点的实时热量，进而利用大数据误差模型计算出各计量仪表的计量误差，实现仪表的在线检测。

具体请参考图1至图3所示，本发明提供一种集中供冷供热系统冷热量计量仪表在线检测方法，包括以下步骤：

S1、收集供热管网中各计量仪表间包括管道长度、管道外径、绝热层材料、绝热层厚度、绝热层材料导热系数、管道外表面温度、绝热层外表面温度、环境温度、管道周围空气平均流速、管道内介质的流量、密度和比热容在内的参数，据此计算出单位长度管道散热量，并根据所述单位长度管道散热量计算得到管网管道总散热量和介质通过管道的介质温降；

S2、采用现有物联网技术对供冷供热系统中上下级计量网络中的计量仪表热量读数、流量读数、供回路温度读数进行实时采集；其中，图2中的数据采集器直接读取冷热量表的热量、流量、温度、温差读数，上传到上位机中进行运行误差分析求解；冷热量表可直接测量管道中的流量、进回水温度，通过流量*温差*比热得到介质热量；

S3、计算供热管道或回路管道上游计量仪表的温度和下游计量仪表的温度之差，即是两个计量点之间的温度差，将此温度差与所述步骤S1中计算得到的介质通过管道的介质温降进行比较，若二者相对误差在预设温度阈值范围内，则认为上下游两只计量仪表的温度传感器是准确的，以此类推对两两计量点间的计量仪表的温度传感器的准确度进行初步判定；同时对总表的流量读数与各分表的流量读数之和进行比较，若二者流量相对误差在预设流量阈值范围内，则认为上下游计量网络中各个计量仪表的流量传感器是准确的；

如果按照上述方法最终判定计量网络中计量仪表的温度传感器和流量传感器是准确的，即计量仪表的温度传感器和流量传感器的相对误差均在预设合理范围内，则执行以下步骤S4；反之，若计量仪表的温度传感器或流量传感器的相对误差存在不准确的情况，则对数据进行进一步研判以确定坏表，并进行更换；

S4、依据供热管网拓扑结构构架起计量仪表计量网络上下级之间的能量平衡关系，即采用不同时间周期内各计量仪表实测热量读数、管网管道总散热量以及管网管道漏失热量建立各计量仪表计量误差间的关联式，运用大数据方法求解各计量仪表计量误差间的关联式，找出满足约束条件的各计量仪表的计量误差。

作为具体实施例，为了建立管网中各计量仪表之间的能量平衡关系，需要考虑管道延程的散热损失对管道内介质温度的影响，为此需要搜集管道散热损失计算相关的参数，即前述步骤S1中提及的管道长度、管道外径、绝热层材料和厚度等参数，并据此计算出单位长度管道散热量和介质温降。具体地，所述步骤S1中单位长度管道散热量(单位W/m)采用以下公式计算：

q

其中，D

所述步骤S1中管网管道总散热量采用以下公式计算：

Q

其中，L为管道长度(单位m)；

所述步骤S1中介质通过管道的介质温降采用以下公式计算：

Δt＝3.6K

其中，Δt为正则表示降温，为负则表示升温，其具体取决于管道外表面温度T

作为具体实施例，请参考图3所示，所述步骤S3中计算供热管道或回路管道上游计量仪表的温度和下游计量仪表的温度之差，即是两个计量点之间的温度差，将此温度差与所述步骤S1中计算得到的介质通过管道的介质温降进行比较，若二者相对误差在预设温度阈值范围内，则认为上下游两只计量仪表的温度传感器是准确的，具体包括：

记在计量仪表的进口管路(供热管路)处安装的配对温度传感器之一为进口温度传感器，其测量的温度为进口温度T

记在计量仪表的出口管路(冷水管路)处安装的配对温度传感器之一为出口温度传感器，其测量的温度为出口温度T

则上游总表计量仪表的进口温度记为T

则同一进口管路中上下游计量仪表实测进口温度之差为：

Δt

则上游总表计量仪表的出口温度记为T

则同一出口管路中上下游计量仪表实测出口温度之差为：

Δt

将该进出口管路中上下游计量仪表实测温度之差与介质通过上下游计量仪表质检的管道介质温降Δt采用下式进行比较：

给定一个预设温度阈值，比如±10％，若δ

作为具体实施例，所述步骤S3中对总表的流量读数与各分表的流量读数之和进行比较，若二者流量相对误差在预设流量阈值范围内，则认为上下游计量网络中各个计量仪表的流量传感器是准确的，具体包括：

对于上下游各计量仪表计量的流量读数，在不存管道漏损的情况，理论上存在上游流量之和等于下游流量之和的关系，即：

其中，F

但是计量仪表的流量传感器往往存在计量误差，故上述上游流量之和等于下游流量之和的关系式(式7)在实际工作中往往由流量相对误差来表示上下游流量的关系，具体流量相对误差通过以下公式确定：

若J＝1，表示一只上游表对应若干只下游表，即为总表下设置多只分表的结构，那么式(7)变为：

相应地，流量相对误差计算式(8)变为：

同理，给定一个预设流量阈值，比如±5％，若δ

作为具体实施例，在确保所有计量仪表的温度传感器和流量传感器计量准确可靠的情况下，方能建立其较为可信的能量平衡关联式。供热计量网络中的基于计量仪表间隔一定时间段内计量值，计算每只计量仪表运行误差，当计量仪表运行误差计算结果超过该表允许误差限，则判定该表的运行误差超差，属于不合格计量仪表。根据能量守恒定律，总计量仪表供热量＝所有分计量仪表用热量之和+管网管道漏失热量+管网管道总散热量，可得所述步骤S4中各计量仪表计量误差间的关联式如下：

其中，Q(i)为计量周期i供热总计量仪表计量值，K为分计量仪表即下游计量仪表总数，Q

对此，需要说明的是在一定供热介质温度和供热压力下，管网冷热介质量的漏损可认为是固定，故由其带来的漏失热量Q

当积累n个周期的数据后，由所述各计量仪表计量误差间的关联式即式(11)得到由n个方程组成的如下方程组：

其中，Q(i)为已知量，代表总计量仪表计量值；方程组中共包括n个方程，当方程数量大于或等于K+1时，通过最小二乘法等数学方法求解出未知参数δ

作为具体实施方式，请参考图3所示，该实施方式由三个用能户组成，即计量网络有一只总表和三只分表，需要搜集的管道散热损失计算相关参数与前述具体实施例中说明的参数相同，在此不再赘述。以该供热系统中的计量网络为对象，每隔一定时间如10分钟，采用物联网技术，如集中抄表系数对总表和三只分表计量的热量值、流量值、供回水温度及温差值进行读取，并传至上位机中进行数据分析。按照建立的数学模型进行迭代求解，假设总表的计量误差是已知的，则可计算每只分计量仪表的运行误差和漏失热量。当某只计量仪表运行误差计算结果超过该表允许误差限，则判定为该表的运行误差超差，属于不合格计量仪表，需要进行更换或者实验室检定确定。

本技术方案实际计算时，考虑到仅三只分表，故可考虑采集大于等于4个周期的数据，本实施方式采集5个周期的各表读数，并根据能量守恒定律，总表供热量＝3只分表用热量之和+管道供热漏失热量+管道散热热量，可得到如下方程组：

由以上方程组可知，当积累5个周期的数据后，方程的个数已经大于了未知数的个数，故可通过最小二乘法等数学方法求解出未知δ

与现有技术相比，本发明提供的集中供冷供热系统冷热量计量仪表在线检测方法，利用现有物联网技术构建在线采集系统，构建基于远程在线监测与大数据分析技术的计量仪表计量误差分析模型，在此基础上采用能量平衡法，对上下级管网节点进行分析，给出计量仪表运行误差的在线检测方法，其具有以下优点：(1)能够实现供冷供热系统中末端级联计量仪表计量误差的批量在线检测，免去了计量仪表送检的麻烦，能够为贸易结算提供较为准确的数据支撑；(2)可提高计量网络中测量数据的精度和可靠性，对工业企业提高能源数据管理水平，更好地节能降耗提供了技术支撑，在保证仪器性能及提高经济效益方面发挥了重要的作用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。