供水業(yè)流量儀表技術(shù)與應(yīng)用

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(huì)流量儀表專業(yè)協(xié)會(huì) 蔡武昌

供水行業(yè)應(yīng)用流量儀表分為進(jìn)廠原水、出廠成品水、向用戶供水等交接結(jié)算計(jì)量和水廠內(nèi)部工藝流程的流量、測量/控制兩大類。 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(jì)和終端用戶收費(fèi)機(jī)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(jì)，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(jì)、均速管流量計(jì)、超聲流量計(jì)等。這些儀表各有特點(diǎn)，各自適用于不同應(yīng)用場所。 供水業(yè)流量儀表裝用 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(gè)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(fèi)計(jì)量，只有少數(shù)制水廠設(shè)置出廠成品水計(jì)量儀表。隨著為提高效益，控制管網(wǎng)漏損，供水業(yè)實(shí)施產(chǎn)銷分離，即制水廠生產(chǎn)和管網(wǎng)配售兩獨(dú)立企業(yè)間，需要增裝交接核算計(jì)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(fèi)，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(huì)設(shè)備工作委員會(huì)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(tái)流量儀表中用得最多的是電磁流量計(jì)，占61.9%，其次是超聲流量計(jì)為26.6%，插入式流量計(jì)為9.7%，文丘里管流量計(jì)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(jì)相比，電磁流量計(jì)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(bào)導(dǎo)應(yīng)用流量儀表相比（樣本臺(tái)數(shù)1083臺(tái)，文丘里管差壓流量計(jì)30.1%，電磁流量計(jì)45.2%，超聲流量計(jì)18.4%），我們電磁流量計(jì)應(yīng)用較多，文丘里管差壓流量計(jì)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(jìn)廠原水的交接計(jì)量和水廠內(nèi)部流量控制均有較多使用。 供水企業(yè)對(duì)所用流量儀表的評(píng)價(jià) 國內(nèi)供水企業(yè)對(duì)所用流量儀表諸品種長期運(yùn)行實(shí)踐認(rèn)為：電磁流量計(jì)性能好，精確度高，技術(shù)成熟，為多數(shù)企業(yè)認(rèn)可，雖價(jià)格較高，今后還會(huì)較多采用超聲流量計(jì)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(jì)可不斷流不停役安裝，是其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)因其價(jià)格適中，安裝便捷，將有較大發(fā)展空間；插入式渦輪流量計(jì)穩(wěn)定性和精確度較差，但價(jià)格較低，在維護(hù)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(jì)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(tái)，一般是中等精確度，實(shí)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(shí)現(xiàn)定期檢查而毋需實(shí)流校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，隨著技術(shù)進(jìn)步，還是有一定發(fā)展空間。 大口徑流量儀表的現(xiàn)場比對(duì)和在線驗(yàn)證 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(yùn)行，以及JJG198－94《速度式流量計(jì)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(shí)驗(yàn)室流量校準(zhǔn)裝置上進(jìn)行實(shí)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(shí)施離線校準(zhǔn)，且因工程費(fèi)用浩大不易實(shí)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(huì)”上的討論熱點(diǎn)。在實(shí)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(duì)或間接檢驗(yàn)（查）的方法，驗(yàn)證或評(píng)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(jí)范圍內(nèi)，作為是否仍可繼續(xù)使用或需進(jìn)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(duì)或在線驗(yàn)證。 流量儀表的實(shí)流校準(zhǔn)是確立被校準(zhǔn)流量儀表指示值與原始標(biāo)準(zhǔn)器或傳遞標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)值之間關(guān)系的一組操作過程，將校準(zhǔn)值傳遞給被校準(zhǔn)儀表，是有法定計(jì)量性質(zhì)的；現(xiàn)場比對(duì)是在規(guī)定條件下用相同（或相近）精確度等級(jí)儀表量對(duì)值進(jìn)行比較，是沒有計(jì)量法定性質(zhì)的操作；在線驗(yàn)證是在現(xiàn)場通過檢查和提供客觀證據(jù)表明規(guī)定要求下已經(jīng)滿足的認(rèn)可。 研討會(huì)論文中提出現(xiàn)場比對(duì)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(jì)法和插入渦輪流量計(jì)法，在線驗(yàn)證的方法有對(duì)電磁流量計(jì)的檢查驗(yàn)證。 清水池容積法比對(duì)流量是供水業(yè)經(jīng)常采用的傳統(tǒng)方法，可利用制水廠現(xiàn)成大容積清水池的有利條件，可獲得較高的比對(duì)精度。在研討會(huì)提出實(shí)施本方法論文有3家企業(yè)，其中長沙自來水公司的論文簡述了實(shí)施過程和比對(duì)實(shí)測例的數(shù)據(jù)。仔細(xì)丈量水池幾何尺寸，指望可獲得0.2%的體積不確定度；運(yùn)行較長時(shí)間（幾小時(shí)以上）使進(jìn)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(duì)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(jì)比對(duì)流量在供水業(yè)應(yīng)用十分普遍，提出現(xiàn)場在線比對(duì)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(duì)精度，但采用本方法時(shí)應(yīng)評(píng)估安裝于現(xiàn)場比對(duì)超聲流量計(jì)所組成測量系統(tǒng)的不確定度。因?yàn)橄到y(tǒng)不確定度除了超聲流量計(jì)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(dòng)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(jì)的精度實(shí)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(jì)比對(duì)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(duì)便攜式超聲流量計(jì)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(jì)流量計(jì)井時(shí)，在儀表井測量條件較理想位置預(yù)留裝比對(duì)流量計(jì)的管段和空間。有些企業(yè)在新設(shè)置流量計(jì)后，隨即用便攜式超聲流量計(jì)測量比對(duì)，并將數(shù)據(jù)記錄在案，便于今后分析被比對(duì)固定安裝流量計(jì)有無變化。 還可改變便攜式超聲流量計(jì)換能器安裝位置或方式，探測現(xiàn)場管段流動(dòng)狀況。例如沿著管圓周移動(dòng)兩換能器，核對(duì)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(shí)際的平均流速位置，因?yàn)樵谧畈粚?duì)稱位置的流速畸變所形成的平均流速讀數(shù)最小。這是所有發(fā)表實(shí)驗(yàn)報(bào)告論據(jù)所建議的評(píng)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(yán)重橫向流動(dòng)，也就是有旋轉(zhuǎn)流的跡象，應(yīng)給予注意，采取措施。 提出實(shí)施串聯(lián)管段式流量儀表比對(duì)法論文有3家。廣州市自來水公司DN800和DN1200電磁流量計(jì)各一臺(tái)使用五年，發(fā)送和接收雙方對(duì)儀表測量精度出現(xiàn)爭議，于是分別臨時(shí)串聯(lián)接入同口徑或異口徑電磁流量計(jì)作較長時(shí)間運(yùn)行比對(duì)，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(tái)插入管壁固定安裝換能器的超聲流量計(jì)下游，串聯(lián)接入一臺(tái)電磁流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)超聲流量計(jì)少計(jì)量8%。南昌供水公司采取出廠水管線串聯(lián)接裝兩臺(tái)電磁流量計(jì)相互比對(duì)。若兩表測量值間差別出現(xiàn)異常，可分步送檢，一旦其中一臺(tái)儀表發(fā)生故障，另一臺(tái)照常工作，不會(huì)因計(jì)量中斷而發(fā)生糾紛。 有兩家企業(yè)用插入式渦輪流量計(jì)與固定安裝正在使用中流量計(jì)作流量比對(duì)。南昌供水公司在DN1000管線更新3臺(tái)流量計(jì)時(shí)，在其一側(cè)預(yù)留插入孔和閥門以便插入渦輪流量計(jì)，作定期流量比對(duì)。該公司認(rèn)為渦輪流量計(jì)短時(shí)間內(nèi)使用，其測量值穩(wěn)定可*，操作簡便，費(fèi)用省。襄樊供水公司對(duì)原插入式渦輪流量計(jì)測量點(diǎn)更新成管段式流量計(jì)時(shí)，保留原插入安裝口，俾日后定期再插入渦輪流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)。雖然插入式流量計(jì)組成大管徑系統(tǒng)的測量精度低（2.5%～5%），因?yàn)榧词箿u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(jì)與在用流量計(jì)比對(duì)，與新裝后首次比對(duì)數(shù)據(jù)比較，可以評(píng)估該儀表運(yùn)行是否正常準(zhǔn)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(xiàn)場在線檢查和驗(yàn)證電磁流量計(jì)的方法，采用檢查流量傳感器勵(lì)磁線圈電阻/絕緣和勵(lì)磁電流以評(píng)價(jià)磁場強(qiáng)度是否變化，測量電極接液電阻以評(píng)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(hào)器及其他通用儀器檢查轉(zhuǎn)換器。 通過這些檢查驗(yàn)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(tái)檢查驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)，正在制訂《電磁流量儀在線校驗(yàn)規(guī)范》。