供水业流量仪表技术与应用

作者：中国仪器仪表行业协会流量仪表专业协会 蔡武昌

欢迎访问e展厅 展厅 12 流量计展厅 涡轮流量计, 涡街流量计, 旋涡流量计, 电磁流量计, 罗茨流量计, ... 供水行业应用流量仪表分为进厂原水、出厂成品水、向用户供水等交接结算计量和水厂内部工艺流程的流量、测量/控制两大类。 上世纪50年代以前，制水供水交接结算仪表都采用传统文丘里管差压流量计和终端用户收费机械式叶轮水表。国外60年代、我国70年代中期出现了大管径电磁流量计，才开始打破文丘里管仪表垄断大管径水流量仪表的局面。70年代中期还出现了其他测量原理的大管径流量仪表，如插入式涡轮流量计、均速管流量计、超声流量计等。这些仪表各有特点，各自适用于不同应用场所。 供水业流量仪表装用 我国供水行业在上世纪70/80年代以前，由于公用事业制水厂、管网、销售分配同属一个企业，流量仪表应用局限于制水厂内部过程控制（如净水过程中原水/凝聚剂配比流量控制）和终端用户耗水收费计量，只有少数制水厂设置出厂成品水计量仪表。随着为提高效益，控制管网漏损，供水业实施产销分离，即制水厂生产和管网配售两独立企业间，需要增装交接核算计量流量仪表；此外，水厂从江河汲水由无偿到需向国家交付水资源费，也需增装流量仪表。因此供水业大口径交接核算仪表需量大增。 中国城镇供水协会设备工作委员会于2002/2003年间，调查国内46家大中城市供水企业所装用流量仪表的品种组成（不包括叶轮式水表），在46家企业1900台流量仪表中用得最多的是电磁流量计，占61.9%，其次是超声流量计为26.6%，插入式流量计为9.7%，文丘里管流量计仅1.8%。与《城市供水2000年技术发展规划》中1991年调查制水厂出厂水用流量计相比，电磁流量计增加许多（1991年为55%），插入式则减少很多（1991年为20%）。与日本东京都水道局2000年报导应用流量仪表相比（样本台数1083台，文丘里管差压流量计30.1%，电磁流量计45.2%，超声流量计18.4%），我们电磁流量计应用较多，文丘里管差压流量计则应用较少。东京都水道局文丘里管差压式仪表在出厂成品水和进厂原水的交接计量和水厂内部流量控制均有较多使用。 供水企业对所用流量仪表的评价 国内供水企业对所用流量仪表诸品种长期运行实践认为：电磁流量计性能好，精确度高，技术成熟，为多数企业认可，虽价格较高，今后还会较多采用超声流量计性能稳定，精确度中等，多声道或管段式仪表则较高，具有外夹装换能器的超声流量计可不断流不停役安装，是其独特优点，预计因其价格适中，安装便捷，将有较大发展空间；插入式涡轮流量计稳定性和精确度较差，但价格较低，在维护管理好的情况下，比较适合城镇中小水厂使用；文丘里管差压式流量计目前仅有少数企业装用，如东深供水工程向香港输水使用了数十台，一般是中等精确度，实流校准则可得较高精确度，具有只要测量文丘里管几何尺寸实现定期检查而毋需实流校准的优点，随着技术进步，还是有一定发展空间。 大口径流量仪表的现场比对和在线验证 按ISO9000《质量管理体系》的要求，测量仪表必须在受控状态下运行，以及JJG198－94《速度式流量计检定规程》的规定必须定期检定。流量仪表流量值的检查方法通常有离线检查和现场在线检查两种方法。离线法流量校准检查将仪表卸离管线送至实验室流量校准装置上进行实流校准。然而供水业大管径水管不容许随意切断水流，停役拆卸流量传感器，实施离线校准，且因工程费用浩大不易实现。这一难题成为2003年11月中国水协设备委召开的“流量仪表应用技术研讨会”上的讨论热点。在实践中各供水企业根据各自使用条件，探索若干在现场比对或间接检验（查）的方法，验证或评估流量仪表的流量测量值仍保持或已超过原始校准精度等级范围内，作为是否仍可继续使用或需进一步检查提供依据。19家供水公司提出的24篇论文中有11篇涉及大口径流量仪表现场比对或在线验证。 流量仪表的实流校准是确立被校准流量仪表指示值与原始标准器或传递标准相应值之间关系的一组操作过程，将校准值传递给被校准仪表，是有法定计量性质的；现场比对是在规定条件下用相同（或相近）精确度等级仪表量对值进行比较，是没有计量法定性质的操作；在线验证是在现场通过检查和提供客观证据表明规定要求下已经满足的认可。 研讨会论文中提出现场比对的方法有清水池容积法、串联管段式仪表法、外夹装（外贴）式换能器超声流量计法和插入涡轮流量计法，在线验证的方法有对电磁流量计的检查验证。 清水池容积法比对流量是供水业经常采用的传统方法，可利用制水厂现成大容积清水池的有利条件，可获得较高的比对精度。在研讨会提出实施本方法论文有3家企业，其中长沙自来水公司的论文简述了实施过程和比对实测例的数据。仔细丈量水池几何尺寸，指望可获得0.2%的体积不确定度；运行较长时间（几小时以上）使进水池水位差超过1m，以减少各类操作误差的影响。在这样的操作条件下，清水池比对法总不确定度可望在0.5%～1%之间。 利用便携式外夹装换能器超声流量计比对流量在供水业应用十分普遍，提出现场在线比对论文的11家企业中有9家采用过本方法。本方法可获得中等比对精度，但采用本方法时应评估安装于现场比对超声流量计所组成测量系统的不确定度。因为系统不确定度除了超声流量计本身精度（流速的0.5%～1.5%）外，还应包括流通面积、声程距离和声程角的测量偏差形成的附加误差（如管内径测量偏差0.5%，流通面积形成附加误差1%；换能器间距安装偏差1%，附加误差1%；45?声路角偏差1°，附加误差1.7%）。来流受上游挠流件（如阀、弯管）挠动而直管段不足形成速度分布畸变和旋转流所带来的附加误差等。通常所称便携式超声流量计的精度实际上是所测流速的精度，切勿误解或受误导认为是所测流量的精度。便携式超声流量计比对法的总不确定度在2%～5%之间，若丈量几何尺寸粗糙或无法获悉确切流通面积（如内壁有严重锈蚀或积层），系统不确定度甚至超过5%。大部分供水企业已注意到比对便携式超声流量计安装位置和管道/安装尺寸的重要性，例如石家庄市供水总公司新设计流量计井时，在仪表井测量条件较理想位置预留装比对流量计的管段和空间。有些企业在新设置流量计后，随即用便携式超声流量计测量比对，并将数据记录在案，便于今后分析被比对固定安装流量计有无变化。 还可改变便携式超声流量计换能器安装位置或方式，探测现场管段流动状况。例如沿着管圆周移动两换能器，核对所测不同位置的线平均流速，最大流速处可能就是最接近实际的平均流速位置，因为在最不对称位置的流速畸变所形成的平均流速读数最小。这是所有发表实验报告论据所建议的评估方法。比较换能器按Z法和V法安装所测得的流速，如两者相差很大，表明存在严重横向流动，也就是有旋转流的迹象，应给予注意，采取措施。 提出实施串联管段式流量仪表比对法论文有3家。广州市自来水公司DN800和DN1200电磁流量计各一台使用五年，发送和接收双方对仪表测量精度出现争议，于是分别临时串联接入同口径或异口径电磁流量计作较长时间运行比对，相差仅在0.1%～0.2%之间，争议即平息。 长春自来水公司在一台插入管壁固定安装换能器的超声流量计下游，串联接入一台电磁流量计进行比对，发现超声流量计少计量8%。南昌供水公司采取出厂水管线串联接装两台电磁流量计相互比对。若两表测量值间差别出现异常，可分步送检，一旦其中一台仪表发生故障，另一台照常工作，不会因计量中断而发生纠纷。 有两家企业用插入式涡轮流量计与固定安装正在使用中流量计作流量比对。南昌供水公司在DN1000管线更新3台流量计时，在其一侧预留插入孔和阀门以便插入涡轮流量计，作定期流量比对。该公司认为涡轮流量计短时间内使用，其测量值稳定可靠，操作简便，费用省。襄樊供水公司对原插入式涡轮流量计测量点更新成管段式流量计时，保留原插入安装口，俾日后定期再插入涡轮流量计进行比对。虽然插入式流量计组成大管径系统的测量精度低（2.5%～5%），因为即使涡轮流量传感器有较高精度（流速的0.5%～1%），还要包括流通面积测量误差以及流速分布系数/阻塞系数的不确定性等等，但有优异的重复性（0.25%～0.5%）。如果在同一位置定期用涡轮流量计与在用流量计比对，与新装后首次比对数据比较，可以评估该仪表运行是否正常准确。 上海自来水公司/原水公司、广州市自来水公司分别摸索现场在线检查和验证电磁流量计的方法，采用检查流量传感器励磁线圈电阻/绝缘和励磁电流以评价磁场强度是否变化，测量电极接液电阻以评估电极表面状况，检查各部位绝缘以判断零部件劣化程度等等，用模拟信号器及其他通用仪器检查转换器。 通过这些检查验证仪表是否保持原有性能。上海地区几年来已积累了300余台检查验证的经验，正在制订《电磁流量仪在线校验规范》。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/25/2004)