方修睦 楊大易
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱;2.哈爾濱中冕智慧能源科技有限公司,哈爾濱)
傳感器是感知供熱物理設(shè)備網(wǎng)狀態(tài)的關(guān)鍵設(shè)備,傳感器的健康狀態(tài)直接影響智慧供熱系統(tǒng)調(diào)度決策和控制決策正確與否,會(huì)影響到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)安全[1]。
國(guó)內(nèi)外關(guān)于傳感器故障診斷的研究時(shí)間很久,所采用的研究方法可分為直接冗余法、解析冗余法和時(shí)序冗余法[2-5]。直接冗余法又稱硬件冗余法,它采用多個(gè)傳感器測(cè)量同一個(gè)系統(tǒng)參數(shù),利用同類傳感器的輸出差別來診斷故障。解析冗余法主要通過系統(tǒng)不同輸出量之間的解析關(guān)系來提供冗余信息,使用系統(tǒng)的參考模型和其他傳感器的信息提供該傳感器的冗余估計(jì)值,通過比較該估計(jì)值與直接測(cè)量值來檢測(cè)該傳感器故障。時(shí)序冗余法采用某傳感器的時(shí)間序列輸出得到的冗余信息來檢測(cè)故障,有的也把時(shí)序冗余法歸于解析冗余法中。硬件冗余法檢測(cè)原理簡(jiǎn)單,不需要了解系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,檢測(cè)速度快且比較可靠,但需要設(shè)置重復(fù)的設(shè)備,投資高。解析冗余法經(jīng)過幾十年的發(fā)展,形成了依賴于模型的故障診斷方法和不依賴于模型的故障診斷方法。依賴于模型的故障診斷方法是一種最早發(fā)展起來的診斷方法,研究、應(yīng)用較廣泛,但存在計(jì)算量大、建模誤差大、模型適應(yīng)性差、可靠性低、容易出現(xiàn)誤報(bào)和漏報(bào)等問題。依賴于模型的故障診斷方法可分為基于狀態(tài)估計(jì)的故障診斷方法、基于參數(shù)估計(jì)的故障診斷方法和等價(jià)空間故障診斷方法。不依賴于模型的故障診斷方法無需提供精確模型,有較強(qiáng)的適應(yīng)性,越來越受到人們的重視。不依賴于模型的故障診斷方法可分為基于信號(hào)處理的故障診斷方法和基于知識(shí)的故障診斷方法。在傳感器故障診斷方面雖然出現(xiàn)了大量的診斷方法,但這方面的研究大部分僅停留在具體應(yīng)用背景、計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)階段,應(yīng)用水平不高,真正成功應(yīng)用于實(shí)踐的實(shí)例較少。
流量計(jì)(包括熱量表的流量傳感器)是智慧供熱系統(tǒng)中的重要感知元件,在智慧供熱系統(tǒng)中應(yīng)用較多,從熱源到換熱站、到建筑物、甚至到熱用戶,形成了數(shù)量龐大的流量計(jì)群。在現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)中,流量計(jì)故障頻繁出現(xiàn),是所有傳感器中計(jì)量結(jié)果可信度最差的。
高質(zhì)量數(shù)據(jù)是智慧供熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的前提和保障分析結(jié)論可靠的基礎(chǔ),了解在役流量計(jì)的工作狀態(tài),判斷流量計(jì)是正常、異常還是故障狀態(tài),可有效提升數(shù)據(jù)質(zhì)量和提高控制系統(tǒng)的安全。為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,對(duì)流量計(jì)群中每個(gè)流量計(jì)的工作狀態(tài)進(jìn)行單獨(dú)診斷,工作量巨大、耗時(shí)多。目前供熱企業(yè)的核查設(shè)備的裝備水平、裝備數(shù)量,核查隊(duì)伍的人員配備及技術(shù)水平等,無法支撐對(duì)龐大流量計(jì)群中的每臺(tái)流量計(jì)的單獨(dú)在線核查。筆者在文獻(xiàn)[6]中介紹的直接核查法能解決單臺(tái)流量計(jì)的在線核查問題,但無法解決流量計(jì)群的在線核查問題。
智慧供熱系統(tǒng)可將流量計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到智慧供熱平臺(tái)上,為流量計(jì)群的云在線核查提供了數(shù)據(jù)支撐。本文根據(jù)智慧供熱系統(tǒng)的特點(diǎn),借鑒國(guó)內(nèi)外關(guān)于傳感器故障診斷的研究方法,利用智慧供熱云平臺(tái),結(jié)合流量計(jì)的已知結(jié)構(gòu)特性和參數(shù),以及應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用歷史,來探討流量計(jì)群的云在線運(yùn)行核查問題。
流量計(jì)的在線運(yùn)行核查包括工作條件核查和技術(shù)性能核查2種,技術(shù)性能的在線核查可分為直接核查法和間接核查法。在文獻(xiàn)[6]中筆者對(duì)工作條件核查和直接核查法作了介紹,本文僅討論流量計(jì)的間接核查法。
在供熱物理設(shè)備網(wǎng)中,除不同規(guī)模的流量計(jì)群外,還設(shè)有大量與流量有關(guān)的調(diào)節(jié)閥門、彎管、水泵等部件及設(shè)備。流量計(jì)的間接核查法是利用供熱系統(tǒng)的機(jī)理、具有流量特性的設(shè)備(部件)或被核查流量計(jì)的相關(guān)參數(shù)等獲得流過被核查流量計(jì)所安裝管段上的流量(稱為基準(zhǔn)流量),與同時(shí)流過被核查流量測(cè)量系統(tǒng)(包括流量計(jì)、前后連接管道、介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)等)的流量(稱為被核查流量)作比較,利用式(1)判斷被核查流量計(jì)的工作狀態(tài),以確定被核查流量計(jì)是否可以繼續(xù)使用。
-|Eimax|≤E≤|Eimax|
(1)
式中Eimax為被核查流量計(jì)第i個(gè)流量測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)示值誤差最大值;E為被核查流量計(jì)的相對(duì)示值誤差范圍。
各值的計(jì)算方法見文獻(xiàn)[6]。
流量計(jì)的間接核查方法很多,這里主要討論基于信號(hào)處理的故障診斷方法和硬件能力冗余法。
基于信號(hào)處理的故障診斷方法可分為流量平衡法和電參數(shù)檢查法。
基于信息校核的方法是基于信號(hào)處理的故障診斷方法中比較簡(jiǎn)單有效的方法。這種故障診斷方法的原理是依據(jù)物料平衡與能量守恒定律等物理化學(xué)規(guī)律及數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)來進(jìn)行信息的校核。智慧供熱系統(tǒng)中流量計(jì)群的工作狀態(tài)核查適合采用流量平衡法。
流量平衡法是根據(jù)系統(tǒng)中各處設(shè)置的流量計(jì)流入的流量總和應(yīng)與系統(tǒng)中設(shè)置的流量計(jì)流出的流量總和相等,或其差值在合理范圍內(nèi)的原理來核查流量計(jì)的工作狀態(tài)。在供熱系統(tǒng)中,當(dāng)各熱源或供熱首站設(shè)置總流量計(jì)、各熱力站一次網(wǎng)側(cè)均設(shè)置流量計(jì)時(shí),可采用此方法在云上基于熱源或供熱首站設(shè)置的流量計(jì)來核查各熱力站處設(shè)置的流量計(jì);當(dāng)熱力站二次網(wǎng)側(cè)及建筑物熱力入口處均設(shè)置流量計(jì)時(shí),可采用此方法在云上來核查熱力站設(shè)置的流量計(jì)和各建筑物熱力入口處設(shè)置的流量計(jì);當(dāng)建筑物熱力入口處及供暖用戶熱力入口處均設(shè)置流量計(jì)時(shí),可采用此方法在云上來核查建筑物流量計(jì)和每戶設(shè)置的流量計(jì)。不同規(guī)模的供熱物理設(shè)備網(wǎng),流量計(jì)群的規(guī)模不同,各流量計(jì)群中所安裝的流量計(jì)種類不同、生產(chǎn)廠家不同,流量測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差,除了各流量計(jì)自身存在的制造誤差外,還存在著安裝使用誤差,只有消除這些誤差后,才能應(yīng)用流量計(jì)群的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、決策,并依據(jù)消除誤差后的數(shù)據(jù)進(jìn)行流量計(jì)群工作狀態(tài)的在線核查。具體核查方法將專文介紹,這里不再贅述。
電參數(shù)核查法是對(duì)于應(yīng)用的流量計(jì),利用其工作原理,通過對(duì)與性能有關(guān)的電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,來在線核查流量計(jì)的工作狀態(tài),看其是否仍保持在原校準(zhǔn)(出廠)時(shí)所規(guī)定的允許范圍內(nèi)。以電磁流量計(jì)為例,其體積流量qV可表示為
(2)
式中D為測(cè)量管內(nèi)徑,m;vp為被測(cè)流體的平均流速,m/s;k為系數(shù);Le為電磁流量計(jì)測(cè)量電極之間的距離,用于提取被測(cè)流體的流動(dòng)狀況,m;Ee為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),V;B為流量計(jì)勵(lì)磁線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;K為常數(shù),K=πD2/(4kLe),由廠家采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)得到,m。
式(2)表明,通過檢查在一定流速下B的變化情況,即可確定電磁流量計(jì)的工作狀態(tài)。經(jīng)過工作條件核查的流量計(jì),檢查影響磁感應(yīng)強(qiáng)度B的主要因素和轉(zhuǎn)換器參數(shù)是否保持在出廠測(cè)量流量時(shí)所規(guī)定的允許范圍內(nèi),即可確定所核查的流量計(jì)示值是否出現(xiàn)偏差。檢查磁感應(yīng)強(qiáng)度B時(shí),需要核查勵(lì)磁線圈電阻和對(duì)地絕緣電阻、傳感器接地電阻及電極接液電阻;檢查轉(zhuǎn)換器參數(shù)時(shí),主要檢查電源端子與外殼之間的絕緣電阻、勵(lì)磁電流、輸出頻率、瞬時(shí)流量示值誤差及重復(fù)性、轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)、電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移[7-10]。進(jìn)而確定被核查流量計(jì)是否可以繼續(xù)使用。
硬件冗余法通過設(shè)置多個(gè)傳感器測(cè)量同一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)來進(jìn)行傳感器核查。當(dāng)測(cè)量同一流量的2個(gè)流量計(jì)的輸出流量出現(xiàn)明顯不同時(shí),可以認(rèn)為流量計(jì)工作狀態(tài)出了問題。在供熱物理設(shè)備網(wǎng)中,雖然不能像部分熱源廠與熱力公司那樣,通過重復(fù)設(shè)置大口徑貿(mào)易結(jié)算表來核查熱量(流量),但可以根據(jù)硬件冗余法的檢測(cè)原理,利用供熱物理設(shè)備網(wǎng)中設(shè)置的具有流量特性的設(shè)備或部件,根據(jù)通過這些設(shè)備或部件的流量來實(shí)現(xiàn)對(duì)工作流量計(jì)的在線核查。這些設(shè)備、部件包括水泵、彎管和閥門。
水泵是供熱物理設(shè)備網(wǎng)中為使水在管道中流動(dòng)而提供動(dòng)力的必設(shè)設(shè)備。工頻泵的流量G與揚(yáng)程H、軸功率Nz、效率η有關(guān),水泵的工作點(diǎn)a一旦確定,其流量Ga、揚(yáng)程Ha、效率ηa、軸功率Nza亦確定(見圖1)。
圖1 水泵特性曲線
實(shí)際工程中應(yīng)用的是由變頻器、電動(dòng)機(jī)、水泵三部分組成的變頻調(diào)速水泵裝置,對(duì)于變頻調(diào)速水泵裝置來說,其流量與揚(yáng)程、輸入功率、裝置效率有關(guān)。水泵裝置的輸入功率隨著流量的增大而增大;不同頻率時(shí),水泵裝置的最高效率不同,不同工作點(diǎn)的輸入功率不同。水泵的工作點(diǎn)a或b一旦確定,其流量Ga(Gb)、揚(yáng)程Ha(Hb)、裝置效率ηa(ηb)、輸入功率Na(Nb)亦確定[11](見圖2)。流量可以通過變頻水泵裝置的輸入功率和頻率來確定,可以通過輸入功率和揚(yáng)程確定,也可以通過頻率和揚(yáng)程來確定:
圖2 變頻水泵裝置特性曲線
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為變頻水泵裝置的輸入功率,kW;fp為變頻水泵裝置的頻率,Hz。
在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)1臺(tái)變頻水泵裝置的測(cè)試結(jié)果見表1。測(cè)試所用流量計(jì)為0.5級(jí)的電磁流量計(jì),電量采用0.5級(jí)的多功能電表測(cè)定,測(cè)得的數(shù)據(jù)分別按式(3)、(5)、(6)進(jìn)行水泵特性識(shí)別。識(shí)別結(jié)果用相對(duì)誤差和殘差的標(biāo)準(zhǔn)偏差來評(píng)價(jià)。相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值按式(7)、(8)計(jì)算,殘差的標(biāo)準(zhǔn)差s按式(9)計(jì)算。
表1 各方法精度對(duì)比
(7)
(8)
(9)
式中vk為第k次測(cè)量值與識(shí)別值之差。
由表1可以看出,識(shí)別水泵流量的最佳方法是采用變頻水泵的頻率和輸入功率來識(shí)別。頻率和輸入功率屬電學(xué)信號(hào),相較于水泵系統(tǒng)中的其他參數(shù),具有測(cè)量精度高、測(cè)量方法簡(jiǎn)單、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn),尤其適用于流量計(jì)的云在線核查。
變頻水泵裝置在不同頻率下,其流量誤差不同。圖3顯示了利用0.5級(jí)電磁流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)表獲得的某型號(hào)變頻水泵裝置的流量誤差曲線。由圖3可知:1) 相對(duì)流量>0.34、頻率≥34 Hz時(shí),流量相對(duì)誤差在±2.9%范圍內(nèi);2) 相對(duì)流量為0.34、頻率≥34 Hz時(shí),流量相對(duì)誤差在±3.1%范圍內(nèi);3) 相對(duì)流量為0.29、頻率≥34 Hz時(shí),流量相對(duì)誤差<6.4%。利用水泵流量特性,將水泵的工作流量作為基準(zhǔn)流量,利用式(1)可確定與水泵串接的被核查流量計(jì)是否可繼續(xù)使用。
圖3 變頻水泵裝置流量誤差曲線
在煙臺(tái)某熱力公司對(duì)單臺(tái)變頻調(diào)速水泵裝置進(jìn)行的測(cè)試表明:在流量為額定流量的27%時(shí),最大誤差接近30%;在流量為額定流量的71%~125%時(shí),流量誤差在±6%之內(nèi)[12]。在鶴崗市某供熱公司對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的2臺(tái)變頻調(diào)速水泵裝置進(jìn)行的測(cè)試表明:并聯(lián)運(yùn)行水泵,在流量為額定流量的48%時(shí),最大誤差約為-18%;在流量大于額定流量的62%時(shí),流量誤差在±5%之內(nèi)。
在供熱管道的拐彎處均設(shè)有彎頭。水流過彎頭時(shí)產(chǎn)生的慣性離心力的大小與流體的流速、流體的密度及作圓周運(yùn)動(dòng)的曲率半徑等因素有關(guān)。離心力的大小可通過測(cè)量彎管內(nèi)外側(cè)壓力差來確定。如果將普通彎頭更換為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭,則其流量系數(shù)可在一定范圍內(nèi)看作常數(shù)(見式(10));定期或不定期地將高精度差壓變送器與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭內(nèi)外側(cè)測(cè)壓連接管相連,測(cè)得彎管外側(cè)壁與內(nèi)側(cè)壁的壓力差,根據(jù)式(11)即可得到流經(jīng)彎管的流量。將流經(jīng)彎管的流量作為基準(zhǔn)流量,利用式(1)可以確定與彎管串接的被核查流量計(jì)的健康狀態(tài),確定被核查流量計(jì)是否可繼續(xù)使用。
(10)
(11)
式(10)、(11)中C為流量系數(shù);α為校正因子;R為曲率半徑,m;ρ為流體密度,kg/m3;Δp為彎頭外側(cè)壁與內(nèi)側(cè)壁的壓力差,Pa。
標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭作為傳感器時(shí),在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用標(biāo)準(zhǔn)流量裝置(流量測(cè)量的擴(kuò)展不確定度Urel=0.14%~0.16%,k=2)進(jìn)行校準(zhǔn)的結(jié)果見表2。由表2可見,利用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭作為流量傳感器的最大流量誤差為1.4%。
表2 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭流量誤差
圖4為采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭作為傳感器,配以高精度差壓變送器作為核查的基準(zhǔn)表時(shí),對(duì)某熱力站用的DN250電磁流量計(jì)進(jìn)行運(yùn)行核查的現(xiàn)場(chǎng)照片,核查同時(shí)還采用了經(jīng)過校準(zhǔn)的便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。核查結(jié)果表明:1) 采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭的核查結(jié)果與采用便攜式超聲波流量計(jì)的核查結(jié)果相近;2) 在流量為80~270 m3/h時(shí),被核查的電磁流量計(jì)偏差為-34.0%~-30.5%,需要離線校準(zhǔn)。實(shí)踐證明,可以從供熱系統(tǒng)使用的眾多標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭中,選出滿足測(cè)量條件的彎頭作為核查流量的彎管傳感器。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭作為傳感器的測(cè)量精度雖然低于專用的彎管流量計(jì),但其投資少、性能穩(wěn)定,適合作為核查的流量傳感器,如果設(shè)置固定的差壓變送器,尚可將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)送至云平臺(tái),在云上實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的云在線運(yùn)行核查。
1.電磁流量計(jì);2.便攜式超聲波流量計(jì);3.標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭。圖4 現(xiàn)場(chǎng)用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制彎頭核查流量計(jì)
目前的供熱系統(tǒng)中,設(shè)置有很多具有調(diào)節(jié)特性的閥門。式(12)表明,調(diào)節(jié)閥的兩側(cè)壓差與流量有關(guān),根據(jù)閥門兩側(cè)的壓差,可以得到流過調(diào)節(jié)閥的流量。將流過調(diào)節(jié)閥的流量作為基準(zhǔn)流量,利用式(1)可以確定與調(diào)節(jié)閥串接的被核查流量計(jì)的健康狀態(tài),確定被核查流量計(jì)是否可繼續(xù)使用。
(12)
式中Cf為調(diào)節(jié)閥的流通能力;Δpf為閥門兩側(cè)的壓差,Pa。
圖5顯示了某型號(hào)調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)為0.1級(jí)電磁流量計(jì)。由圖6可知,閥門相對(duì)開度為10%~22%時(shí),流量最大誤差為-13.54%;相對(duì)開度≥23%時(shí),流量最大誤差為4.44%。利用閥門的流量特性,可將流過閥門的流量作為基準(zhǔn)流量,利用式(1)確定與閥門串接的被核查流量計(jì)是否可繼續(xù)使用。配上差壓變送器,可將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到云平臺(tái),在云上實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的云在線運(yùn)行核查。
圖5 閥門流量特性
圖6 閥門誤差
在線運(yùn)行核查是流量傳感器不拆離所安裝使用的供熱系統(tǒng)而進(jìn)行的核查;云在線運(yùn)行核查是將在役使用的流量計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至智慧供熱平臺(tái),在智慧供熱的云平臺(tái)上,對(duì)接收到的在線測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)流量計(jì)工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。
前面介紹的間接核查方法中除電參數(shù)核查法不方便在云上進(jìn)行核查外,其余方法均可實(shí)現(xiàn)云在線核查。在智慧供熱的云平臺(tái)上對(duì)獲取的流量參考值和被核查流量計(jì)的測(cè)量值進(jìn)行誤差分析,依據(jù)式(1)對(duì)被核查流量計(jì)的技術(shù)性能進(jìn)行核查,對(duì)誤差滿足要求的流量計(jì),繼續(xù)使用;對(duì)誤差不滿足要求的流量計(jì),在現(xiàn)場(chǎng)利用直接核查方法進(jìn)行在線核查,若誤差滿足要求則繼續(xù)使用,若誤差不滿足要求則進(jìn)行離線核查。離線核查誤差不滿足要求的流量計(jì),允許對(duì)所核查流量計(jì)的儀表系數(shù)進(jìn)行修改的,進(jìn)行云在線修正,修正后的流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)入下一輪核查;對(duì)不允許在線修正儀表系數(shù)的流量計(jì),進(jìn)行在線校準(zhǔn)或離線校準(zhǔn)(如圖7所示)。
1) 利用供熱系統(tǒng)的機(jī)理、被核查流量計(jì)的相關(guān)參數(shù)、供熱物理設(shè)備網(wǎng)中設(shè)置的具有流量特性的設(shè)備或部件來實(shí)現(xiàn)對(duì)工作流量計(jì)進(jìn)行在線核查的方法,簡(jiǎn)單、適用,可避免核查設(shè)備的重復(fù)設(shè)置,技術(shù)性能可滿足在線運(yùn)行核查的要求。
2) 本文提出的流量計(jì)的云在線運(yùn)行核查技術(shù)流程,可以快速判斷在線應(yīng)用的流量計(jì)的技術(shù)性能是否滿足使用要求,解決供熱企業(yè)核查人員及核查儀器設(shè)備不足的缺陷,有效提升智慧供熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和提高控制系統(tǒng)的安全。
感謝哈爾濱市計(jì)量檢定測(cè)試院朱繼光總工對(duì)在線核查工作的支持,提供實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地并一起開展核查技術(shù)實(shí)驗(yàn);感謝研究生王哲為采用水泵在線核查所做的實(shí)驗(yàn)工作;感謝研究生李輝為采用閥門在線核查所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)工作;感謝山東瑯卡博能源科技股份有限公司提供的閥門試驗(yàn)數(shù)據(jù)。