供水業流量儀表技術與應用

供水業流量儀表技術與應用

中國儀器儀表行業協會流量儀表專業協會 蔡武昌

供水行業應用流量儀表分為進廠原水、出廠成品水、向用戶供水等交接結算計量和水廠內部工藝流程的流量、測量/控制兩大類。 上世紀50年代以前，制水供水交接結算儀表都采用傳統文丘里管差壓流量計和終端用戶收費機械式葉輪水表。國外60年代、我國70年代中期出現了大管徑電磁流量計，才開始打破文丘里管儀表壟斷大管徑水流量儀表的局面。70年代中期還出現了其他測量原理的大管徑流量儀表，如插入式渦輪流量計、均速管流量計、超聲流量計等。這些儀表各有特點，各自適用于不同應用場所。 供水業流量儀表裝用 我國供水行業在上世紀70/80年代以前，由于公用事業制水廠、管網、銷售分配同屬一個企業，流量儀表應用局限于制水廠內部過程控制（如凈水過程中原水/凝聚劑配比流量控制）和終端用戶耗水收費計量，只有少數制水廠設置出廠成品水計量儀表。隨著為提高效益，控制管網漏損，供水業實施產銷分離，即制水廠生產和管網配售兩獨立企業間，需要增裝交接核算計量流量儀表；此外，水廠從江河汲水由無償到需向國家交付水資源費，也需增裝流量儀表。因此供水業大口徑交接核算儀表需量大增。 中國城鎮供水協會設備工作委員會于2002/2003年間，調查國內46家大中城市供水企業所裝用流量儀表的品種組成（不包括葉輪式水表），在46家企業1900臺流量儀表中用得最多的是電磁流量計，占61.9%，其次是超聲流量計為26.6%，插入式流量計為9.7%，文丘里管流量計僅1.8%。與《城市供水2000年技術發展規劃》中1991年調查制水廠出廠水用流量計相比，電磁流量計增加許多（1991年為55%），插入式則減少很多（1991年為20%）。與日本東京都水道局2000年報導應用流量儀表相比（樣本臺數1083臺，文丘里管差壓流量計30.1%，電磁流量計45.2%，超聲流量計18.4%），我們電磁流量計應用較多，文丘里管差壓流量計則應用較少。東京都水道局文丘里管差壓式儀表在出廠成品水和進廠原水的交接計量和水廠內部流量控制均有較多使用。 供水企業對所用流量儀表的評價 國內供水企業對所用流量儀表諸品種長期運行實踐認為：電磁流量計性能好，精確度高，技術成熟，為多數企業認可，雖價格較高，今后還會較多采用超聲流量計性能穩定，精確度中等，多聲道或管段式儀表則較高，具有外夾裝換能器的超聲流量計可不斷流不停役安裝，是其獨特優點，預計因其價格適中，安裝便捷，將有較大發展空間；插入式渦輪流量計穩定性和精確度較差，但價格較低，在維護管理好的情況下，比較適合城鎮中小水廠使用；文丘里管差壓式流量計目前僅有少數企業裝用，如東深供水工程向香港輸水使用了數十臺，一般是中等精確度，實流校準則可得較高精確度，具有只要測量文丘里管幾何尺寸實現定期檢查而毋需實流校準的優點，隨著技術進步，還是有一定發展空間。 大口徑流量儀表的現場比對和在線驗證 按ISO9000《質量管理體系》的要求，測量儀表必須在受控狀態下運行，以及JJG198－94《速度式流量計檢定規程》的規定必須定期檢定。流量儀表流量值的檢查方法通常有離線檢查和現場在線檢查兩種方法。離線法流量校準檢查將儀表卸離管線送至實驗室流量校準裝置上進行實流校準。然而供水業大管徑水管不容許隨意切斷水流，停役拆卸流量傳感器，實施離線校準，且因工程費用浩大不易實現。這一難題成為2003年11月中國水協設備委召開的“流量儀表應用技術研討會”上的討論熱點。在實踐中各供水企業根據各自使用條件，探索若干在現場比對或間接檢驗（查）的方法，驗證或評估流量儀表的流量測量值仍保持或已超過原始校準精度等級范圍內，作為是否仍可繼續使用或需進一步檢查提供依據。19家供水公司提出的24篇論文中有11篇涉及大口徑流量儀表現場比對或在線驗證。 流量儀表的實流校準是確立被校準流量儀表指示值與原始標準器或傳遞標準相應值之間關系的一組操作過程，將校準值傳遞給被校準儀表，是有法定計量性質的；現場比對是在規定條件下用相同（或相近）精確度等級儀表量對值進行比較，是沒有計量法定性質的操作；在線驗證是在現場通過檢查和提供客觀證據表明規定要求下已經滿足的認可。 研討會論文中提出現場比對的方法有清水池容積法、串聯管段式儀表法、外夾裝（外貼）式換能器超聲流量計法和插入渦輪流量計法，在線驗證的方法有對電磁流量計的檢查驗證。 清水池容積法比對流量是供水業經常采用的傳統方法，可利用制水廠現成大容積清水池的有利條件，可獲得較高的比對精度。在研討會提出實施本方法論文有3家企業，其中長沙自來水公司的論文簡述了實施過程和比對實測例的數據。仔細丈量水池幾何尺寸，指望可獲得0.2%的體積不確定度；運行較長時間（幾小時以上）使進水池水位差超過1m，以減少各類操作誤差的影響。在這樣的操作條件下，清水池比對法總不確定度可望在0.5%～1%之間。 利用便攜式外夾裝換能器超聲流量計比對流量在供水業應用十分普遍，提出現場在線比對論文的11家企業中有9家采用過本方法。本方法可獲得中等比對精度，但采用本方法時應評估安裝于現場比對超聲流量計所組成測量系統的不確定度。因為系統不確定度除了超聲流量計本身精度（流速的0.5%～1.5%）外，還應包括流通面積、聲程距離和聲程角的測量偏差形成的附加誤差（如管內徑測量偏差0.5%，流通面積形成附加誤差1%；換能器間距安裝偏差1%，附加誤差1%；45?聲路角偏差1°，附加誤差1.7%）。來流受上游撓流件（如閥、彎管）撓動而直管段不足形成速度分布畸變和旋轉流所帶來的附加誤差等。通常所稱便攜式超聲流量計的精度實際上是所測流速的精度，切勿誤解或受誤導認為是所測流量的精度。便攜式超聲流量計比對法的總不確定度在2%～5%之間，若丈量幾何尺寸粗糙或無法獲悉確切流通面積（如內壁有嚴重銹蝕或積層），系統不確定度甚至超過5%。大部分供水企業已注意到比對便攜式超聲流量計安裝位置和管道/安裝尺寸的重要性，例如石家莊市供水總公司新設計流量計井時，在儀表井測量條件較理想位置預留裝比對流量計的管段和空間。有些企業在新設置流量計后，隨即用便攜式超聲流量計測量比對，并將數據記錄在案，便于今后分析被比對固定安裝流量計有無變化。 還可改變便攜式超聲流量計換能器安裝位置或方式，探測現場管段流動狀況。例如沿著管圓周移動兩換能器，核對所測不同位置的線平均流速，最大流速處可能就是最接近實際的平均流速位置，因為在最不對稱位置的流速畸變所形成的平均流速讀數最小。這是所有發表實驗報告論據所建議的評估方法。比較換能器按Z法和V法安裝所測得的流速，如兩者相差很大，表明存在嚴重橫向流動，也就是有旋轉流的跡象，應給予注意，采取措施。 提出實施串聯管段式流量儀表比對法論文有3家。廣州市自來水公司DN800和DN1200電磁流量計各一臺使用五年，發送和接收雙方對儀表測量精度出現爭議，于是分別臨時串聯接入同口徑或異口徑電磁流量計作較長時間運行比對，相差僅在0.1%～0.2%之間，爭議即平息。 長春自來水公司在一臺插入管壁固定安裝換能器的超聲流量計下游，串聯接入一臺電磁流量計進行比對，發現超聲流量計少計量8%。南昌供水公司采取出廠水管線串聯接裝兩臺電磁流量計相互比對。若兩表測量值間差別出現異常，可分步送檢，一旦其中一臺儀表發生故障，另一臺照常工作，不會因計量中斷而發生糾紛。 有兩家企業用插入式渦輪流量計與固定安裝正在使用中流量計作流量比對。南昌供水公司在DN1000管線更新3臺流量計時，在其一側預留插入孔和閥門以便插入渦輪流量計，作定期流量比對。該公司認為渦輪流量計短時間內使用，其測量值穩定可*，操作簡便，費用省。襄樊供水公司對原插入式渦輪流量計測量點更新成管段式流量計時，保留原插入安裝口，俾日后定期再插入渦輪流量計進行比對。雖然插入式流量計組成大管徑系統的測量精度低（2.5%～5%），因為即使渦輪流量傳感器有較高精度（流速的0.5%～1%），還要包括流通面積測量誤差以及流速分布系數/阻塞系數的不確定性等等，但有優異的重復性（0.25%～0.5%）。如果在同一位置定期用渦輪流量計與在用流量計比對，與新裝后首次比對數據比較，可以評估該儀表運行是否正常準確。 上海自來水公司/原水公司、廣州市自來水公司分別摸索現場在線檢查和驗證電磁流量計的方法，采用檢查流量傳感器勵磁線圈電阻/絕緣和勵磁電流以評價磁場強度是否變化，測量電極接液電阻以評估電極表面狀況，檢查各部位絕緣以判斷零部件劣化程度等等，用模擬信號器及其他通用儀器檢查轉換器。 通過這些檢查驗證儀表是否保持原有性能。上海地區幾年來已積累了300余臺檢查驗證的經驗，正在制訂《電磁流量儀在線校驗規范》。