大口径热能表标准装置的研制

一、装置研制的技术依据

JJG164-2000《液体流量标准装置》检定规程、JJG643-2003《标准表法流量标准装置》检定规程、JJG225-2001《热能表》检定规程、JJG686-2006《热水表》检定规程、《美国国家标准与技术研究院新水流量校准装置》、OIML R75-2001《热量表》、欧洲标准EN 1434-2007《热量表》。

二、装置的组成及工作原理(见图1)

<CTSM>图1大口径热能表标准装置工作原理图</CTSM>
 

装置主要由加热及控温设备、储水容器、水泵、稳压容器、标准表组、流量调节阀、夹表器具、前直管段组、检表台、后直管段组、气泡观察视窗、换向器、天平组(3台)、回水管路、电气控制柜等组成。
 

装置采用电子天平和标准表作为主、次标准器。启动热水循环系统，使热水流经被检表并进入标准器(衡器或标准表)，调整检定点的流量和恒温槽的温度；当热量值达到一定量后，停止热水循环，记录热能表的热能显示值、标准器的显示值；由流量标准值、恒温槽的温度、试验段热水的温度及试验管段的压力，经过计算得到热能标准值，与被检表的热能示值相比较，从而确定热能表的计量准确度。

三、装置设计总体思路

1.设计思想
 

装置采用质量法+标准表法。装置的标准器采用二级标准器，主标准器为电子天平，次标准器为高精度电磁流量计。
 

2.技术要求
 

装置的建立不仅要满足热能表的试验要求，还应能扩大其使用范围，保证质量流量计、超声波流量计、电磁流量计、椭圆齿轮流量计等液体流量计的检定与试验，使其作为国家有关标准与规程制定的技术依据，并提供可靠数据。
 

设计装置总体流量测量范围为(0.2～600)m3/h。质量法用于检测较小口径的热能表及流量计，其测量范围为(0.2～120)m3/h；不确定度为U=0.1%，k=2；标准表法用于检测较大口径的热能表及流量计，其测量范围为(0.2～600)m3/h，不确定度为U=0.2%，k=2。
 

3.解决的问题
 

大口径热能表检定装置包括热水流量标准装置、配对温度传感器标准装置和计算器检定装置。大口径热能表检定装置的温度传感器标准装置和计算器检定装置，在JJG225-2001中已有明确的配套设备，大口径热能表标准装置的主要研制对象是热水流量标准装置。研制过程中需要解决加热方式的选择和设计、介质升温、降温、保温、冷/热水切换、换向器的研制开发、控制系统数据采集及处理的研制等。

四、装置设计方案

1.冷热水一体方案
 

为节约能源、降低能耗，设计装置既可使用热水检测热能表，又能使用未加热的冷水检测冷水水表或流量计，即冷热水一体方案。冷水储水池容积可以建得足够大，而热水装置部分使用的介质是热水，需要加热、耗能、保温，储水容器不宜建得很大。
 

2.标准器及换向器的选择与设计
 

在计量标准器的设计上，采用标准电子天平，外加智能流量传感器的办法，使检定过程既迅速又准确，并与国际上先进国家的计量标准在量值上具有可比性。衡器的有效称重范围为2t，约2m3，按60s计算，可以测量最大为120m3/h的瞬时流量。装置设计如果只采用质量法，场地及设备的造价过高。按600m3/h(DN200的最大流量)的流量，一般要求称量值不得小于30s的流量值，也就是5t。为达到经济适用的目的，我们同时选用标准表法，在保证装置测量范围及准确度要求的前提下，降低装置成本。
 

选用标准流量计口径需要考虑的几个因素:一是在接近上限流量时是否对测量有利；二是口径的大小在同等流量下管路上产生的压力损失对测量有多大影响。根据资料数据计算，我们选择DN100作为最大口径的次级标准流量计。
 

各电磁流量计配备相应的直管段，每根管道在电磁流量计前后贴近其安装测温传感器，每根管道上安装调节阀。标准器及换向器的选择如表1所示。
 

<CTSM>表1标准器及换向器的选择</CTSM>
 

3.信号采集方式
 

对热量表信号的采集我们采用激光计数头外加程序判断等方法，使装置计数具有“人脑”功能。
 

4.水箱的设计
 

装置主要用于热能表流量传感器的流量计量性能试验，一般水温要达到(50±5)℃。较小口径热能表检定时用水量小，大口径检定时用水量大，为了节约能源，加快升温速度，根据需要检定的热能表口径的大小，决定是加热一个水箱还是两个水箱。水箱之间采用双阀门连接，加热一个水箱时，两阀门之间排空，降低热传导。
 

5.恒压系统设计
 

稳压罐上安装压力变送器，压力信号输出给水泵控制器，逐一启动水泵，最后一台启动的水泵通过变频器进行变频控制，以达到稳定压力的作用，使流量稳定。装置设计的稳压方式暂且定为大流量依靠变频调整，小流量依靠稳压罐与恒压系统控制。所以稳压容器不必设计得过大，一般设计为2m3，稳压容器内采用气囊稳压。稳压罐的压力通过压力变送器与水泵的变频器连接，人工设定压力，自动恒压。
 

6.取热方式的选择和设计
 

从室温(30℃)加热到90℃大约需要1200kW·h的电能，按12h加热时间，加热功率为100kW算，使用电能加热本单位的电网可能需要增容。在整个社会都强调节约能源的大环境下，我们在流量装置上开创性地采用太阳能加热和天然气锅炉加热方式，太阳能加热将水温升到接近设定温度时由锅炉加热，进行恒温调整控制。太阳能加热为主要方式，燃气锅炉加热为辅助方式。
 

考虑到节能，储水箱温度由太阳能主加热+燃气锅炉辅助加热，自动恒温控制。热能表的检定或试验，需要将水温提高到检定与试验要求，一般检定时的水温要达到(50±5)℃，并且每次检定温度不能出现5K的变化。本装置设计采用燃气锅炉加热，电加热作为辅助加热，以保障试验温度的稳定。
 

7.控制及调节系统
 

计算机控制采用气动阀门和电动调节阀，可实现流量的控制，标准表数据及被检表数据由计算机完成自动采集。控制内容:水泵开启、加热监控、管道水温采集，阀门调节，检定流程控制，及一些意外情况的监控处理。主控制由一台工控机完成，流量大小通过电动调节阀实现流量的自动调节。
 

8.管道内气体排空设计
 

并联管道汇管内有“死角”，会有气体驻留，当存在于标准表和被检定表之间时，由于压力变化气体容易压缩的原因，会影响试验结果，管道不允许有气体存在，必须排气。汇管处每根直管段前安装有排气装置。
 

9.场地设计
 

装置的安装中，水箱上表面应低于检表台的高度，整套装置不便于同一平面上进行，我们设计为三层结构。太阳能板置于楼顶，装置及燃气锅炉水平安装，水箱部分置于地面之下，这样有利于建筑施工、便于设备维护。

五、结束语

国家质检总局“十一五计量规划”把“完善量传、溯源体系”和“全面实施能源计量工程”列入重点工作，为我们研制大口径热能表检定装置确定了指导思想，装置的应用对提高我国热能表的产品质量及市场竞争力，把好进口热能表的质量关，具有积极的社会意义。

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