供水業(yè)流量儀表技術(shù)與應(yīng)用
中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會流量儀表專業(yè)協(xié)會 蔡武昌
上世紀(jì)50年代以前，制水供水交接結(jié)算儀表都采用傳統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(yīng)用場所。
我國供水行業(yè)在上世紀(jì)70/80年代以前，由于公用事業(yè)制水廠、管網(wǎng)、銷售分配同屬一個企業(yè)，流量儀表應(yīng)用局限于制水廠內(nèi)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(shù)制水廠設(shè)置出廠成品水計量儀表。隨著為提高效益，控制管網(wǎng)漏損，供水業(yè)實施產(chǎn)銷分離，即制水廠生產(chǎn)和管網(wǎng)配售兩獨立企業(yè)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?shù)叫柘驀医桓端Y源費，也需增裝流量儀表。因此供水業(yè)大口徑交接核算儀表需量大增。
中國城鎮(zhèn)供水協(xié)會設(shè)備工作委員會于2002/2003年間，調(diào)查國內(nèi)46家大中城市供水企業(yè)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(yè)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(shù)發(fā)展規(guī)劃》中1991年調(diào)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(dǎo)應(yīng)用流量儀表相比（樣本臺數(shù)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(yīng)用較多，文丘里管差壓流量計則應(yīng)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(nèi)部流量控制均有較多使用。
供水企業(yè)對所用流量儀表的評價
國內(nèi)供水企業(yè)對所用流量儀表諸品種長期運行實踐認(rèn)為：電磁流量計性能好，精確度高，技術(shù)成熟，為多數(shù)企業(yè)認(rèn)可，雖價格較高，今后還會較多采用超聲流量計性能穩(wěn)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(yōu)點，預(yù)計因其價格適中，安裝便捷，將有較大發(fā)展空間；插入式渦輪流量計穩(wěn)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(zhèn)中小水廠使用；文丘里管差壓式流量計目前僅有少數(shù)企業(yè)裝用，如東深供水工程向香港輸水使用了數(shù)十臺，一般是中等精確度，實流校準(zhǔn)則可得較高精確度，具有只要測量文丘里管幾何尺寸實現(xiàn)定期檢查而毋需實流校準(zhǔn)的優(yōu)點，隨著技術(shù)進步，還是有一定發(fā)展空間。
按ISO9000《質(zhì)量管理體系》的要求，測量儀表必須在受控狀態(tài)下運行，以及JJG198－94《速度式流量計檢定規(guī)程》的規(guī)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(xiàn)場在線檢查兩種方法。離線法流量校準(zhǔn)檢查將儀表卸離管線送至實驗室流量校準(zhǔn)裝置上進行實流校準(zhǔn)。然而供水業(yè)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(zhǔn)，且因工程費用浩大不易實現(xiàn)。這一難題成為2003年11月中國水協(xié)設(shè)備委召開的“流量儀表應(yīng)用技術(shù)研討會”上的討論熱點。在實踐中各供水企業(yè)根據(jù)各自使用條件，探索若干在現(xiàn)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(zhǔn)精度等級范圍內(nèi)，作為是否仍可繼續(xù)使用或需進一步檢查提供依據(jù)。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(xiàn)場比對或在線驗證。
研討會論文中提出現(xiàn)場比對的方法有清水池容積法、串聯(lián)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。
利用便攜式外夾裝換能器超聲流量計比對流量在供水業(yè)應(yīng)用十分普遍，提出現(xiàn)場在線比對論文的11家企業(yè)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(yīng)評估安裝于現(xiàn)場比對超聲流量計所組成測量系統(tǒng)的不確定度。因為系統(tǒng)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(yīng)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(nèi)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(zhuǎn)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(dǎo)認(rèn)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(nèi)壁有嚴(yán)重銹蝕或積層），系統(tǒng)不確定度甚至超過5%。大部分供水企業(yè)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(shè)計流量計井時，在儀表井測量條件較理想位置預(yù)留裝比對流量計的管段和空間。有些企業(yè)在新設(shè)置流量計后，隨即用便攜式超聲流量計測量比對，并將數(shù)據(jù)記錄在案，便于今后分析被比對固定安裝流量計有無變化。
提出實施串聯(lián)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(fā)送和接收雙方對儀表測量精度出現(xiàn)爭議，于是分別臨時串聯(lián)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。
有兩家企業(yè)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(cè)預(yù)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(rèn)為渦輪流量計短時間內(nèi)使用，其測量值穩(wěn)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(tǒng)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(shù)/阻塞系數(shù)的不確定性等等，但有優(yōu)異的重復(fù)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(shù)據(jù)比較，可以評估該儀表運行是否正常準(zhǔn)確。
通過這些檢查驗證儀表是否保持原有性能。上海地區(qū)幾年來已積累了300余臺檢查驗證的經(jīng)驗，正在制訂《電磁流量儀在線校驗規(guī)范》。