1 流量计的技术特点及主流热量表
1.1 流量计的技术特点
热量表由流量计、供回水温度计及积算器组成。根据流量计的测量原理，热量表分为电磁式、超声波式、机械式热量表[1]。这3种热量表的测温原理相同，区别在于流量计的测量原理不同，各自的特点如下。
① 电磁式流量计
电磁式流量计根据法拉第定律，当具有导电性的水流通过电磁场时，会产生感应电动势。水的流速越高，产生的感应电动势就越大。通过测量感应电动势即可得出管道内水流速度，然后由水的密度和管径即可确定管道内水的流量。电磁式流量计因无转动部件(即无磨损部件)使用寿命长，且测量精度高。但也存在缺点，它对水流的导电率有要求，水温的变化引起水流导电率变化，从而影响对水流流速的测量精度。另外，电磁式流量计耗电量大，需要电压为220V的交流电源供电，并对环境的电磁干扰敏感。
② 超声波式流量计
超声波式流量计利用超声波在管道内顺水流与逆水流的传播速率不同，测量管道内水的流速。水的流速越高，超声波在管道内顺水流与逆水流的传播速率相差就越大。在相同长度内，测量超声波顺水流和逆水流的传播时间差，就可以得出管道内水的流速。超声波式与电磁式流量计的优点相同。但超声波式流量计的超声波发射器、接收器及处在这两者之间的测量腔体易被水中污垢粘附或结垢，这对测量精度有很大影响。
③ 机械式流量计
机械式流量计利用水流流经流量计的叶轮时推动叶轮旋转，水的流速越大，叶轮的转速越高，通过测量叶轮的转速即可得出水的流速。由于机械式流量计存在转动部件(叶轮)，若设计不当，使用寿命和测量精度将低于电磁式、超声波式流量计。但机械式流量计克服了电磁式流量计耗电量大，且对水流导电率有要求的缺点，特别是机械式流量计的造价远低于电磁式、超声波式流量计。
1.2 主流热量表
合理设计的机械式热量表的使用寿命和测量精度并不比电磁式、超声波式热量表低，其使用寿命可超过6年，最大计量误差小于3%，特别是机械式热量表具备优越的经济性。因此，若机械式热量表发挥其优势，消除其劣势，将成为建筑供暖热计量领域中的主流热量表。然而，受机械式流量计设计结构所限，特别是受供暖水质的影响，机械式流量计存在堵塞、磨损、叶轮转速信号检测失灵及结垢等问题[2～12]。
2 现有机械式流量计存在的问题
① 堵塞
我国的供热介质水质明显低于国外，净化处理程度也远低于国外。这就对在我国使用的机械式热量计提出更苛刻的使用条件及更高的技术要求。我国供热介质中含有较多杂质，杂质的来源有两个方面:a.二级管网大多采用钢管，室内供暖管道和散热器许多也为钢质，钢管及钢质散热器易氧化腐蚀。另外，当供暖期过后，将供热介质排掉加速了管道及散热器的腐蚀。因此，腐蚀产生的铁锈颗粒和细屑是水中杂质的持续来源。b.由于施工清扫不善等原因被遗留在管道内的残留物，如泥沙、铁屑、焊渣、纤维等，有时还有体积更大的物体，如木块、石块、水泥块、钢筋等。
在采取管道冲洗和加装过滤器等措施后，供暖系统中仍会残留少量杂质，这些杂质比较细小，不会堵塞供暖管道，但也无法被过滤器过滤掉，属于难以处理的杂质。这对流量计的稳定性、测量精度和使用寿命产生了不利影响。
当含有杂质的热水通过机械式流量计时，水中杂质会对叶轮的旋转产生影响。对大量机械式流量计运行状况的调查及分析发现，堵塞的原因为:细小的颗粒，如泥沙、铁锈细屑等直径小于0.1mm的杂质，易淤积在叶轮的轴瓦内，增加叶轮转动阻力甚至引起堵塞；直径大于1mm的杂质颗粒会卡在叶轮与叶轮腔之间，造成叶轮转动困难或卡死；水中纤维状的杂质，如麻丝、聚四氟乙烯带等，易缠绕在叶轮轴上，造成叶轮转动困难或无法转动；水中的铁锈颗粒和细屑易吸附在用干簧管、霍尔元件、韦根元件作为流量传感器的磁铁上，造成叶轮转动困难甚至卡死[2]。
② 磨损
我国现有机械式流量计的设计结构实际上是借鉴国外水表，将较小的计量启动流量(10L/h以下)、间歇方式工作在冷水中的流量计，移植到供暖系统中使用。由于机械式流量计的叶轮需长期处在温度为75～95℃且含杂质的水中工作，转速通常为500min-1，因此其工作1个月通过的水量，相当于普通水表工作3年通过的水量，这不可避免地对叶轮产生很大磨损。
机械式流量计主要分为单流束和多流束流量计。无论是单流束还是多流束流量计，其叶轮都采用了两段式立轴结构。多流束流量计结构见图1，立轴结构由下部支撑轴和上部支撑轴组成。下部支撑轴的下端固定在叶轮腔底座上，上端嵌套于叶轮下部轴瓦中。上部支撑轴的下端固定在叶轮上，上端嵌套于叶轮腔上盖轴瓦中。支撑轴与轴瓦间在横向和纵向都留有0.5mm左右的间隙。
两段式立轴结构的优点为:由于支撑轴与轴瓦为点接触，因此摩擦力小，流量计的启动流量较小，10L/h的小流量就可使叶轮转动，很适宜作为启动流量小、流量变化频率高、洁净度高流体的计量，如作为自来水表使用。但是，当两段式立轴结构的流量计作为热量表时，就显现出它的缺陷。由于对强度和韧性的要求，上下部支撑轴为锥形，采用防锈耐磨的金属制造。在供暖期内，高水温、较高水压和连续的大流量，使叶轮长期高速旋转，尤其是细小的杂质加速了支撑轴的磨损，扩大了支撑轴与轴瓦间横向与纵向的间隙，加大了叶轮的摆动幅度。这会引起叶轮的转动失衡，偏离设计的流量曲线，计量精度迅速下降。对于单流束流量计，立轴还会受到侧面水流的压力，产生更为严重的侧向磨损。
图1 多流束流量计结构
在我国的热量表生产和检验标准中，为了检验热量表的耐久性，采取了大流量加速磨损的检验方法。对于管径为20mm的户用热量表，须在最大流量5000L/h下连续工作300h仍能保持原有的测量精度，才视为合格的热量表。这种大流量加速磨损的检验方法，使得不少生产厂家的机械式热量表由于流量计叶轮磨损导致测量精度下降而难以通过耐久性检验。另外，根据我国多处建筑供暖热计量的试点结果，现有机械式流量计的磨损现象十分严重，工作1年后，有20%的热量表由于流量计的磨损，计量误差已超过了15%，不能再继续使用了。由此可见，机械式流量计现有的结构不适应我国的建筑供暖热计量。
③ 转速信号检测失灵
由于水中的铁锈颗粒、细屑会吸附在流量传感器的磁铁上，造成叶轮转动困难，导致堵塞。为解决这个问题，国内外大部分机械式流量计采用了无磁流量传感器检测叶轮的转速。无磁流量传感器是通过一种LC振荡阻尼电路，以非接触方式探测附在叶轮上的无磁金属片的转动，实现了无磁性元件的检测[13]。为了提高检测精度和电路集成度，美国TI公司专门为无磁流量传感器开发了专用MSP430系列芯片。但在实践中发现，无磁流量传感器对无磁金属片和感应探头的间距要求很严格，该间距的变化和不稳定，常使叶轮转速信号检测失灵，即出现热量表部分流量信号丢失的现象。转速信号检测失灵的原因为:现有单流束或多流束流量计的叶轮都采用了两段式立轴结构，支撑轴与轴瓦之间点接触的方式使叶轮在正常情况下都会产生上下窜动和水平摆动。当支撑轴与轴瓦之间发生磨损或流量计堵塞时，都会加剧叶轮上下窜动和水平摆动的幅度，从而引起转速信号检测失灵的现象，这必然导致测量流量小于真实值，使得流量计的测量精度和可信度下降。
④ 结垢
供热介质中含有化学物质，且结垢在热水中更容易发生，因此完全避免流量计结垢很困难。当结垢现象不严重时易使流量计压力损失增大，但当结垢严重时就能阻塞流量计。根据供暖热计量试点工程的调研及热量表运行实验，流量计转动的固体表面以及与速度较高的水流相平行的固体表面，结垢现象不很明显，结垢易发生在缓流、积水和扭曲滞流的固体表面。由于多流束流量计比单流束流量计的流道弯曲复杂，存在着多处阻水结构，这些地方常为流体的缓流和滞流区，因此多流束流量计比单流束流量计更容易结垢。
3 防堵塞原理及SST技术构想
3.1 防堵塞原理
多流束流量计与单流束流量计相比，具有启动流量小、量程宽、测量精度高、压力损失稍大的特点，一段时间我国机械式流量计大多选用了多流束流量计。但对大量的机械式流量计的使用情况调查发现，单流束流量计的防堵塞性远高于多流束流量计。多流束流量计的结构特点是水流进入流量计壳体后，先通过弯曲的水道，由叶轮腔将水流分成多束流，再将各流束引导至沿叶轮外缘均匀分布的各叶轮喷口处，形成多流束同时喷射叶片。多流束流量计能充分和有效地利用水流动力，因此具有启动流量小、量程宽、测量精度高的优点。但由于流道弯曲复杂，使水流的压力损失增大。叶轮与叶轮腔的间隙小及多流束流道狭窄导致了多流束流量计在含有细小杂质的水中工作时，很容易结垢而被堵塞。调查结果显示，在我国含有杂质的供热介质中，短者1个供暖期，长者两个供暖期，大部分多流束流量计就被堵塞而不能正常工作。
单流束流量计的结构特点是水流进入流量计壳体后，不进行分流，引导单束流至叶轮侧向的叶轮喷口，以固定的方向从叶轮一侧喷射叶片。单流束流量计的结构对流体不分流，流体方向改变小，流道简单，水流压力损失小。尤其是叶轮与叶轮腔的间隙大，在含有细小杂质的水通过时，不容易被堵塞。但是，它不能充分和有效地利用水流动力，因此其启动流量稍大，测量精度也稍差。
因此，单流束流量计的防堵塞性要优于多流束流量计。借鉴单流束流量计的结构，可得出机械式流量计的防堵塞原理，即流量计的流道应有足够的尺寸，使含有杂质的流体顺畅通过。为此，机械式流量计的防堵塞结构应具有这样的特征:流量计对流体不分流，流道简单，保持叶轮与叶轮腔之间有较大的间隙。
3.2 SST技术构想
为了解决现有机械式流量计的堵塞、磨损、转速信号检测失灵和结垢问题，根据机械式流量计的防堵塞原理，以防堵塞结构为指导方向，从机械式流量计的结构、部件和系统配置上进行全面分析与改进。以消除机械式流量计堵塞为关键，以解决磨损为重点，形成了机械式流量计SST技术的设计理念，SST技术的设计理念主要表现为:
① 对称设计
对称设计(SymmetryDesign)，即机械式流量计内外结构的对称性。使热量表在保持相同的测量精度下，不受进出口方向的安装限制，更适合于各种复杂多变的安装现场，使安装的可操作性和可靠性提高。
② 直通式进出水流道
直通式进出水流道(StraightRoutewayTube)，即机械式流量计的进出水流道与流量计壳体形成直接的流畅通路。可使流体通畅流动，具有抗结垢、低压损的特性。
③ 独立横轴叶轮系统
独立横轴叶轮系统(TransverseAxleImpellerSet)，即将单根叶轮轴、叶片组、定位器、无磁金属片组成横向优化配置。横轴叶轮系统是由一根固定横轴贯穿叶轮，轴与嵌入叶轮中部的轴套采用两种不同的非金属碳氮化合物材料，形成了高耐磨和防止摆动的稳定系统。独立横轴叶轮系统是机械式流量计防堵塞的关键，它与直通式进出水流道配合，实现了计量与排污同时完成。热量表具有防堵塞、抗磨损、稳定性高的特点，可水平、垂直或倾斜角度随意安装的特点。
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