插入式超聲波流量計(jì)在線不斷流安裝更換的實(shí)踐

方衛(wèi)國

(杭州蕭山環(huán)境集團(tuán)有限公司，浙江杭州 311200)

1 項(xiàng)目背景

由于管段式電磁流量計(jì)具有測(cè)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(diǎn)，目前市政工程中大量使用了大口徑管段式電磁流量計(jì)。生產(chǎn)實(shí)踐中，當(dāng)大口徑電磁流量計(jì)出現(xiàn)故障或臨近使用壽命時(shí)，易出現(xiàn)流量計(jì)不能正常工作以及測(cè)量偏差過大需要更換流量計(jì)的問題，而這些大口徑電磁流量計(jì)大多使用在市政管網(wǎng)的重要計(jì)量點(diǎn)，如：城市水源引水管線的流量計(jì)量、自來水廠的進(jìn)出廠流量計(jì)量、污水廠進(jìn)出廠流量計(jì)量等。一旦流量計(jì)出現(xiàn)問題，就會(huì)導(dǎo)致停水施工，停水施工不但成本高、周期長，還會(huì)有連帶的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)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(diǎn)的流量計(jì)，可以有效應(yīng)對(duì)上述問題，該流量計(jì)的選用應(yīng)優(yōu)先考慮以下幾方面。

(1)準(zhǔn)確度等級(jí)。流量計(jì)不僅用于安裝位置所在地點(diǎn)的流量計(jì)量，還要通過流量計(jì)監(jiān)測(cè)管網(wǎng)漏損和系統(tǒng)的平衡，所以新選用的流量計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)不能低于原有流量計(jì)，否則不但影響該計(jì)量點(diǎn)的測(cè)量還會(huì)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(shí)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(jì)量程比要大，通常在40∶1以上，最好應(yīng)達(dá)到100∶1以上，且保證量程范圍內(nèi)的測(cè)量準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

(3)直管段要求。通常流量計(jì)要求較長的前后直管段，特別是速度式流量計(jì)要求在流態(tài)充分發(fā)展(對(duì)稱、態(tài)分布)的狀態(tài)下方可準(zhǔn)確計(jì)量。管段式電磁流量計(jì)直管段至少要求為前5D后2D(D=流量計(jì)直徑)，而大部分速度式流量計(jì)要求直管段更長。要選擇的流量計(jì)直管段要求要與原有電磁流量計(jì)相當(dāng)，保證測(cè)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(jì)時(shí)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(jì)，但需要增加設(shè)備和土建的投資，而且現(xiàn)場(chǎng)要有足夠的空間。所以，選用的流量計(jì)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(jì)在測(cè)量過程中易產(chǎn)生不同程度的壓力損失，出現(xiàn)投資多、計(jì)量成本高、管網(wǎng)效率低的問題，所以選擇流量計(jì)要在測(cè)量過程中不產(chǎn)生壓損，滿足節(jié)能降耗的要求。

3 應(yīng)對(duì)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(jì)能滿足上述要求。

3.1 原理分析

選用多聲道超聲流量計(jì)主要取決于該流量計(jì)具有以下特點(diǎn)。

(1)測(cè)量精度更高

相對(duì)其他速度式流量計(jì)，雙聲道超聲流量計(jì)對(duì)上游障礙物如彎管、泵或閥的敏感度較低，測(cè)量結(jié)果的可靠性高，即使由于某些原因?qū)е乱粋€(gè)通道停止工作，流量?jī)x表仍可繼續(xù)測(cè)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(jì)的測(cè)量精度可達(dá)±0.5%。對(duì)比此精度下電磁流量計(jì)的重復(fù)性要求是該精度的1/3，超聲波流量計(jì)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(jì)能達(dá)到的要求高于電磁流量。

(2)對(duì)直管段要求更低

多通道超聲流量計(jì)由于采用對(duì)流速分布和面積分布的二重積分計(jì)算流量，所以在層流和紊流的情況下都能準(zhǔn)確測(cè)量出流量，可做到計(jì)量交接的精度，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量范圍和測(cè)量口徑大，對(duì)直管段要求小(前10D后3D)，目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品可以做到最大的適用管道口徑是DN5000，而且口徑越大越容易實(shí)現(xiàn)高精度，多聲道超聲流量計(jì)的口徑在理論上可以做成任意大。

(3)測(cè)量靈敏度更高

多聲道超聲流量計(jì)的另一特點(diǎn)是由于時(shí)間測(cè)量精度非常高，可達(dá)到皮秒級(jí)，所以可實(shí)現(xiàn)高測(cè)量靈敏度，從而保證低流速下的準(zhǔn)確測(cè)量(0.05 m/s 時(shí)可達(dá)到0.5%)。量程比相對(duì)也較高，最高可達(dá)400∶1。

(4)可實(shí)現(xiàn)不斷流帶壓施工和在線維護(hù)

插入式超聲流量計(jì)與外卡式流量計(jì)不同，其傳感器直接與水(介質(zhì))接觸。與其他流量計(jì)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(chǎng)安裝。大部分插入式超聲波流量計(jì)可以通過帶壓安裝工具實(shí)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(hào)發(fā)送和接收受到影響，此時(shí)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(jì)測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

(5)其他特點(diǎn)

超聲流量計(jì)還具備其他一系列的特點(diǎn)，如對(duì)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(fèi)用低；可以市電供電，也可以電池供電，通過電池供電時(shí)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)第N水廠某原安裝管段式電磁流量計(jì)進(jìn)行計(jì)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(jì)測(cè)量偏差和波動(dòng)過大的現(xiàn)象，需要更換流量計(jì)。更換過程中，將DN1600電磁流量計(jì)外殼在現(xiàn)場(chǎng)用氣焊切割掉，拆下勵(lì)磁線圈后在原有流量計(jì)本體的管段上現(xiàn)場(chǎng)開孔安裝雙聲道超聲流量計(jì)。整個(gè)安裝過程采用現(xiàn)場(chǎng)不斷流在線帶壓安裝，安裝之后測(cè)得的流量穩(wěn)定性、線性度都能達(dá)到使用要求。

經(jīng)實(shí)踐總結(jié)，更換實(shí)施過程中要注意的幾個(gè)問題。

(1)要確認(rèn)在用電磁流量計(jì)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)用氣焊切割電磁流量計(jì)外殼時(shí)，一定要在管道內(nèi)充滿水的情況下(最好是帶壓并繼續(xù)保持管內(nèi)水在運(yùn)行流動(dòng)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最小距離不小于500 mm，流量井長不小于1.5倍管徑。超聲波流量計(jì)空管安裝和帶壓安裝要求空間如圖1所示。

圖1 空管安裝和帶壓安裝所要求空間示意圖Fig.1 Space Required for Empty Pipe Installation and Pressure Pipe Installation

為進(jìn)一步確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)開孔安裝多聲道超聲流量計(jì)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(jì)前端的清水池的庫容等多個(gè)校核手段，對(duì)本次現(xiàn)場(chǎng)開孔安裝的雙聲道超聲波流量計(jì)進(jìn)行了測(cè)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(duì)大口徑電磁流量計(jì)由于出現(xiàn)故障或臨近使用壽命出現(xiàn)流量計(jì)不能正常工作以及測(cè)量偏差過大需要更換流量計(jì)的問題，采用在線不斷流帶壓現(xiàn)場(chǎng)開孔安裝多聲道超聲流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量計(jì)更替的方法是可行的，能夠滿足生產(chǎn)實(shí)踐的計(jì)量要求。

(2)對(duì)多聲道超聲流量計(jì)特點(diǎn)的了解和供水管網(wǎng)對(duì)流量計(jì)的要求來看，多聲道超聲流量計(jì)比較適合用于供水管網(wǎng)改造及不斷流安裝的現(xiàn)場(chǎng)，特別是大口徑管道的計(jì)量。多聲道超聲流量計(jì)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。