關(guān)于智能液體流量計故障及計量偏差過大分析研究
點擊次數(shù)：1950 發(fā)布時間：2021-09-13 06:46:14
摘要：文中主要針對在生產(chǎn)實踐中智能液體流量計由于出現(xiàn)故障或臨近使用壽命出現(xiàn)流量計不能正常工作以及計量偏差過大需要更換流量計的問題進(jìn)行分析研究，探討利用原有流量計管段在線不斷流帶壓安裝流量計的方案。實踐發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用多聲道超聲流量計可實現(xiàn)在線帶壓開孔安裝，不僅對生產(chǎn)企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率具有重要意義，也避免了由于停水造成的連帶經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。
1 項目背景
由于管段式智能液體流量計具有測量精度高、穩(wěn)定、可靠、不產(chǎn)生壓力損失、可滿足 DN3000 管徑的應(yīng)用需求等特點，目前市政工程中大量使用了管段式智能液體流量計。生產(chǎn)實踐中，當(dāng)智能液體流量計出現(xiàn)故障或臨近使用壽命時，易出現(xiàn)流量計不能正常工作以及測量偏差過大需要更換流量計的問題，而這些智能液體流量計大多使用在市政管網(wǎng)的重要計量點，如:城市水源引水管線的流量計量、自來水廠的進(jìn)出廠流量計量、污水廠進(jìn)出廠流量計量等。一旦流量計出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致停水施工，停水施工不但成本高、周期長，還會有連帶的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。
2 問題分析
研究發(fā)現(xiàn)，通過應(yīng)用具有不斷流安裝特點的流量計，可以有效應(yīng)對上述問題，該流量計的選用應(yīng)優(yōu)先考慮以下幾方面。
(1)準(zhǔn)確度等級。流量計不僅用于安裝位置所在地點的流量計量，還要通過流量計監(jiān)測管網(wǎng)漏損和系統(tǒng)的平衡，所以新選用的流量計準(zhǔn)確度等級不能低于原有流量計，否則不但影響該計量點的測量還會影響系統(tǒng)的誤差和平衡。
(2)流速范圍。通常供水管網(wǎng)中的流量變化比較大，一方面隨著生活水平的提高，人均用水量在不斷增加，另一方面集中用水現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，夏季傍晚高峰時的用水量是夜間低谷的數(shù)倍甚至數(shù)十倍以上。因此，要求流量計量程比要大，通常在 40∶1以上，*好應(yīng)達(dá)到 100∶1以上，且保證量程范圍內(nèi)的測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性。
(3)直管段要求。通常流量計要求較長的前后直管段，特別是速度式流量計要求在流態(tài)充分發(fā)展(對稱、態(tài)分布)的狀態(tài)下方可準(zhǔn)確計量。管段式智能液體流量計直管段至少要求為前 5D 后 2D(D= 流量計直徑)，而大部分速度式流量計要求直管段更長。要選擇的流量計直管段要求要與原有智能液體流量計相當(dāng)，保證測量穩(wěn)定性。
(4)在線不斷流帶壓安裝、維護(hù)。通常在安裝、維護(hù)或檢定傳統(tǒng)形式的流量計時要進(jìn)行斷流施工，為了避免斷流帶來的麻煩，通常采用安裝旁路備份流量計，但需要增加設(shè)備和土建的投資，而且現(xiàn)場要有足夠的空間。所以，選用的流量計應(yīng)具備在無旁路、不斷流的情況下能夠安裝維護(hù)，且能夠在線標(biāo)定。
(5)不產(chǎn)生壓損，滿足節(jié)能降耗的要求部分流量計在測量過程中易產(chǎn)生不同程度的壓力損失，出現(xiàn)投資多、計量成本高、管網(wǎng)效率低的問題，所以選擇流量計要在測量過程中不產(chǎn)生壓損，滿足節(jié)能降耗的要求。
3 應(yīng)對措施
結(jié)合技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性分析，多聲道超聲流量計能滿足上述要求。
3．1 原理分析
選用多聲道超聲流量計主要取決于該流量計具有以下特點。
(1)測量精度更高
相對其他速度式流量計，雙聲道超聲流量計對上游障礙物如彎管、泵或閥的敏感度較低，測量結(jié)果的可靠性高，即使由于某些原因?qū)е乱粋€通道停止工作，流量儀表仍可繼續(xù)測量。典型的入口直管段的要求是上游至少 5D，下游至少 2D，在滿足上述安裝要求的前提下，多通道超聲流量計的測量精度可達(dá)±0. 5%。對比此精度下智能液體流量計的重復(fù)性要求是該精度的 1/3，超聲波流量計在此精度下的重復(fù)性是該精度的 1/5，顯然超聲波流量計能達(dá)到的要求高于電磁流量。
(2)對直管段要求更低
多通道超聲流量計由于采用對流速分布和面積分布的二重積分計算流量，所以在層流和紊流的情況下都能準(zhǔn)確測量出流量，可做到計量交接的精度，同時可實現(xiàn)流量測量范圍和測量口徑大，對直管段要求小(前 10D 后 3D)，目前市場上的產(chǎn)品可以做到*大的適用管道口徑是 DN5000，而且口徑越大越容易實現(xiàn)高精度，多聲道超聲流量計的口徑在理論上可以做成任意大。
(3)測量靈敏度更高
多聲道超聲流量計的另一特點是由于時間測量精度非常高，可達(dá)到皮秒級，所以可實現(xiàn)高測量靈敏度，從而保證低流速下的準(zhǔn)確測量(0. 05 m/s 時可達(dá)到 0. 5%)。量程比相對也較高，*高可達(dá) 400∶1。
(4)可實現(xiàn)不斷流帶壓施工和在線維護(hù)
插入式超聲流量計與外卡式流量計不同，其傳感器直接與水(介質(zhì))接觸。與其他流量計一樣有用法蘭連接形式的工廠化的管段式產(chǎn)品，而且還可以在使用的管道上進(jìn)行現(xiàn)場安裝。大部分插入式超聲波流量計可以通過帶壓安裝工具實現(xiàn)不斷流帶壓安裝，這種技術(shù)不僅可以在舊管網(wǎng)改造工程中應(yīng)用，還可以在新建工程中應(yīng)用，免去伸縮節(jié)和連接法蘭，如在管網(wǎng)通水后再進(jìn)行安裝，則可節(jié)省投資和工期。使用多年后，由于水質(zhì)問題發(fā)生的管壁結(jié)垢和傳感器前端結(jié)垢，這樣有可能導(dǎo)致傳感器信號發(fā)送和接收受到影響，此時傳感器可以在線通過帶壓安裝工具在不斷流情況下將傳感器退出清洗，繼續(xù)保證流量計測量精度和穩(wěn)定性。
(5)其他特點
超聲流量計還具備其他一系列的特點，如對流體沒有任何阻礙，也沒有壓力損失和流量損失，耗電小;使用壽命長，可以用不斷流安裝方式更換換能器;維護(hù)運(yùn)營費用低;可以市電供電，也可以電池供電，通過電池供電時可以很好地解決電源引入的雷擊問題;全套材料不銹鋼，經(jīng)久耐用，造型美觀。
3．2 應(yīng)用案例
某供水集團(tuán)* N 水廠某原安裝管段式智能液體流量計進(jìn)行計量的 DN1600 管道，由于鄰近使用壽命(已使用近 15 年)，出現(xiàn)流量計測量偏差和波動過大的現(xiàn)象，需要更換流量計。更換過程中，將 DN1600 智能液體流量計外殼在現(xiàn)場用氣焊切割掉，拆下勵磁線圈后在原有流量計本體的管段上現(xiàn)場開孔安裝雙聲道超聲流量計。整個安裝過程采用現(xiàn)場不斷流在線帶壓安裝，安裝之后測得的流量穩(wěn)定性、線性度都能達(dá)到使用要求。經(jīng)實踐總結(jié)，更換實施過程中要注意的幾個問題。
(1)要確認(rèn)在用智能液體流量計的管壁厚度及內(nèi)襯材料特性，保證換能器在管段內(nèi)壁的突出長度;(2)用氣焊切割智能液體流量計外殼時，一定要在管道內(nèi)充滿水的情況下(*好是帶壓并繼續(xù)保持管內(nèi)水在運(yùn)行流動的狀態(tài))進(jìn)行，以免內(nèi)襯受熱凸起變形影響流態(tài);(3)要有足夠安裝空間(流量井)，可以用原有的流量井，但管壁與流量井墻壁*小距離不小于 500 mm，流量井長不小于 1. 5 倍管徑。超聲波流量計空管安裝和帶壓安裝要求空間如圖 1 所示。
為進(jìn)一步確認(rèn)現(xiàn)場開孔安裝多聲道超聲流量計的性能指標(biāo)，采用歷史數(shù)據(jù)、泵機(jī)的電耗數(shù)據(jù)、流量計前端的清水池的庫容等多個校核手段，對本次現(xiàn)場開孔安裝的雙聲道超聲波流量計進(jìn)行了測量數(shù)據(jù)的核定。核定的結(jié)果是線性誤差在 0. 48%以內(nèi)，重復(fù)性在 0. 288%以內(nèi)。
4 結(jié)論
(1)通過以上分析研究及核定數(shù)據(jù)可以看出，對智能液體流量計由于出現(xiàn)故障或臨近使用壽命出現(xiàn)流量計不能正常工作以及測量偏差過大需要更換流量計的問題，采用在線不斷流帶壓現(xiàn)場開孔安裝多聲道超聲流量計實現(xiàn)流量計更替的方法是可行的，能夠滿足生產(chǎn)實踐的計量要求。
(2)對多聲道超聲流量計特點的了解和供水管網(wǎng)對流量計的要求來看，多聲道超聲流量計比較適合用于供水管網(wǎng)改造及不斷流安裝的現(xiàn)場，特別是管道的計量。多聲道超聲流量計的廣泛應(yīng)用可為供水企業(yè)降低產(chǎn)銷差率、控制漏失率提供有效的監(jiān)控手段，可在類似工況中推廣使用。
1 項目背景
由于管段式智能液體流量計具有測量精度高、穩(wěn)定、可靠、不產(chǎn)生壓力損失、可滿足 DN3000 管徑的應(yīng)用需求等特點，目前市政工程中大量使用了管段式智能液體流量計。生產(chǎn)實踐中，當(dāng)智能液體流量計出現(xiàn)故障或臨近使用壽命時，易出現(xiàn)流量計不能正常工作以及測量偏差過大需要更換流量計的問題，而這些智能液體流量計大多使用在市政管網(wǎng)的重要計量點，如:城市水源引水管線的流量計量、自來水廠的進(jìn)出廠流量計量、污水廠進(jìn)出廠流量計量等。一旦流量計出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致停水施工，停水施工不但成本高、周期長，還會有連帶的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。
2 問題分析
研究發(fā)現(xiàn)，通過應(yīng)用具有不斷流安裝特點的流量計，可以有效應(yīng)對上述問題，該流量計的選用應(yīng)優(yōu)先考慮以下幾方面。
(1)準(zhǔn)確度等級。流量計不僅用于安裝位置所在地點的流量計量，還要通過流量計監(jiān)測管網(wǎng)漏損和系統(tǒng)的平衡，所以新選用的流量計準(zhǔn)確度等級不能低于原有流量計，否則不但影響該計量點的測量還會影響系統(tǒng)的誤差和平衡。
(2)流速范圍。通常供水管網(wǎng)中的流量變化比較大，一方面隨著生活水平的提高，人均用水量在不斷增加，另一方面集中用水現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，夏季傍晚高峰時的用水量是夜間低谷的數(shù)倍甚至數(shù)十倍以上。因此，要求流量計量程比要大，通常在 40∶1以上，*好應(yīng)達(dá)到 100∶1以上，且保證量程范圍內(nèi)的測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性。
(3)直管段要求。通常流量計要求較長的前后直管段，特別是速度式流量計要求在流態(tài)充分發(fā)展(對稱、態(tài)分布)的狀態(tài)下方可準(zhǔn)確計量。管段式智能液體流量計直管段至少要求為前 5D 后 2D(D= 流量計直徑)，而大部分速度式流量計要求直管段更長。要選擇的流量計直管段要求要與原有智能液體流量計相當(dāng)，保證測量穩(wěn)定性。
(4)在線不斷流帶壓安裝、維護(hù)。通常在安裝、維護(hù)或檢定傳統(tǒng)形式的流量計時要進(jìn)行斷流施工，為了避免斷流帶來的麻煩，通常采用安裝旁路備份流量計，但需要增加設(shè)備和土建的投資，而且現(xiàn)場要有足夠的空間。所以，選用的流量計應(yīng)具備在無旁路、不斷流的情況下能夠安裝維護(hù)，且能夠在線標(biāo)定。
(5)不產(chǎn)生壓損，滿足節(jié)能降耗的要求部分流量計在測量過程中易產(chǎn)生不同程度的壓力損失，出現(xiàn)投資多、計量成本高、管網(wǎng)效率低的問題，所以選擇流量計要在測量過程中不產(chǎn)生壓損，滿足節(jié)能降耗的要求。
3 應(yīng)對措施
結(jié)合技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性分析，多聲道超聲流量計能滿足上述要求。
3．1 原理分析
選用多聲道超聲流量計主要取決于該流量計具有以下特點。
(1)測量精度更高
相對其他速度式流量計，雙聲道超聲流量計對上游障礙物如彎管、泵或閥的敏感度較低，測量結(jié)果的可靠性高，即使由于某些原因?qū)е乱粋€通道停止工作，流量儀表仍可繼續(xù)測量。典型的入口直管段的要求是上游至少 5D，下游至少 2D，在滿足上述安裝要求的前提下，多通道超聲流量計的測量精度可達(dá)±0. 5%。對比此精度下智能液體流量計的重復(fù)性要求是該精度的 1/3，超聲波流量計在此精度下的重復(fù)性是該精度的 1/5，顯然超聲波流量計能達(dá)到的要求高于電磁流量。
(2)對直管段要求更低
多通道超聲流量計由于采用對流速分布和面積分布的二重積分計算流量，所以在層流和紊流的情況下都能準(zhǔn)確測量出流量，可做到計量交接的精度，同時可實現(xiàn)流量測量范圍和測量口徑大，對直管段要求小(前 10D 后 3D)，目前市場上的產(chǎn)品可以做到*大的適用管道口徑是 DN5000，而且口徑越大越容易實現(xiàn)高精度，多聲道超聲流量計的口徑在理論上可以做成任意大。
(3)測量靈敏度更高
多聲道超聲流量計的另一特點是由于時間測量精度非常高，可達(dá)到皮秒級，所以可實現(xiàn)高測量靈敏度，從而保證低流速下的準(zhǔn)確測量(0. 05 m/s 時可達(dá)到 0. 5%)。量程比相對也較高，*高可達(dá) 400∶1。
(4)可實現(xiàn)不斷流帶壓施工和在線維護(hù)
插入式超聲流量計與外卡式流量計不同，其傳感器直接與水(介質(zhì))接觸。與其他流量計一樣有用法蘭連接形式的工廠化的管段式產(chǎn)品，而且還可以在使用的管道上進(jìn)行現(xiàn)場安裝。大部分插入式超聲波流量計可以通過帶壓安裝工具實現(xiàn)不斷流帶壓安裝，這種技術(shù)不僅可以在舊管網(wǎng)改造工程中應(yīng)用，還可以在新建工程中應(yīng)用，免去伸縮節(jié)和連接法蘭，如在管網(wǎng)通水后再進(jìn)行安裝，則可節(jié)省投資和工期。使用多年后，由于水質(zhì)問題發(fā)生的管壁結(jié)垢和傳感器前端結(jié)垢，這樣有可能導(dǎo)致傳感器信號發(fā)送和接收受到影響，此時傳感器可以在線通過帶壓安裝工具在不斷流情況下將傳感器退出清洗，繼續(xù)保證流量計測量精度和穩(wěn)定性。
(5)其他特點
超聲流量計還具備其他一系列的特點，如對流體沒有任何阻礙，也沒有壓力損失和流量損失，耗電小;使用壽命長，可以用不斷流安裝方式更換換能器;維護(hù)運(yùn)營費用低;可以市電供電，也可以電池供電，通過電池供電時可以很好地解決電源引入的雷擊問題;全套材料不銹鋼，經(jīng)久耐用，造型美觀。
3．2 應(yīng)用案例
某供水集團(tuán)* N 水廠某原安裝管段式智能液體流量計進(jìn)行計量的 DN1600 管道，由于鄰近使用壽命(已使用近 15 年)，出現(xiàn)流量計測量偏差和波動過大的現(xiàn)象，需要更換流量計。更換過程中，將 DN1600 智能液體流量計外殼在現(xiàn)場用氣焊切割掉，拆下勵磁線圈后在原有流量計本體的管段上現(xiàn)場開孔安裝雙聲道超聲流量計。整個安裝過程采用現(xiàn)場不斷流在線帶壓安裝，安裝之后測得的流量穩(wěn)定性、線性度都能達(dá)到使用要求。經(jīng)實踐總結(jié)，更換實施過程中要注意的幾個問題。
(1)要確認(rèn)在用智能液體流量計的管壁厚度及內(nèi)襯材料特性，保證換能器在管段內(nèi)壁的突出長度;(2)用氣焊切割智能液體流量計外殼時，一定要在管道內(nèi)充滿水的情況下(*好是帶壓并繼續(xù)保持管內(nèi)水在運(yùn)行流動的狀態(tài))進(jìn)行，以免內(nèi)襯受熱凸起變形影響流態(tài);(3)要有足夠安裝空間(流量井)，可以用原有的流量井，但管壁與流量井墻壁*小距離不小于 500 mm，流量井長不小于 1. 5 倍管徑。超聲波流量計空管安裝和帶壓安裝要求空間如圖 1 所示。
為進(jìn)一步確認(rèn)現(xiàn)場開孔安裝多聲道超聲流量計的性能指標(biāo)，采用歷史數(shù)據(jù)、泵機(jī)的電耗數(shù)據(jù)、流量計前端的清水池的庫容等多個校核手段，對本次現(xiàn)場開孔安裝的雙聲道超聲波流量計進(jìn)行了測量數(shù)據(jù)的核定。核定的結(jié)果是線性誤差在 0. 48%以內(nèi)，重復(fù)性在 0. 288%以內(nèi)。
4 結(jié)論
(1)通過以上分析研究及核定數(shù)據(jù)可以看出，對智能液體流量計由于出現(xiàn)故障或臨近使用壽命出現(xiàn)流量計不能正常工作以及測量偏差過大需要更換流量計的問題，采用在線不斷流帶壓現(xiàn)場開孔安裝多聲道超聲流量計實現(xiàn)流量計更替的方法是可行的，能夠滿足生產(chǎn)實踐的計量要求。
(2)對多聲道超聲流量計特點的了解和供水管網(wǎng)對流量計的要求來看，多聲道超聲流量計比較適合用于供水管網(wǎng)改造及不斷流安裝的現(xiàn)場，特別是管道的計量。多聲道超聲流量計的廣泛應(yīng)用可為供水企業(yè)降低產(chǎn)銷差率、控制漏失率提供有效的監(jiān)控手段，可在類似工況中推廣使用。