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原水调度中大口径電磁流量計与超声波流量计计量偏差的原因及改进

來源:作者:发表时间:2018-11-05 09:48:10

 摘要 原水系統中的液位、壓力、流量以及水質等重要參數的變化情況,是進行原水調度的重要依據,原水管網上的大口徑流量計計量是否准確,是調度的關鍵因素。電磁式流量計和超聲波流量計爲主的大口徑流量計,已經成熟應用在原水系統的輸水管線上,是確保原水合理調度、經濟運行的重要設備。在原水調度過程中,發現原水系統中的各類流量計之間存在一定的偏差。以青草沙原水系統中的金海支線爲例,分析各類流量計之間的固定偏差值,尋找産生偏差的原因,並提出改進措施。

 
在原水調度監控系統中,流量不僅是精准調度原水的參考數據,更是與水量結算相關的一個經濟指標[1]。因此,流量計能夠精准的測量出瞬時流量和累計流量就顯得十分重要。在原水調度的管理中可以發現,即使是在同一段管網中,電磁式流量計之間、超聲波流量計之間、電磁式和超聲波流量計之間都存在一定偏差。以青草沙原水系統金海支線爲例,分析該支線中各處流量之間的關系,尋找可能存在的固定偏差值,以及産生偏差的原因。
 
1 金海支線供水工藝
金海支線的起點由五號溝泵站金海方向的5台機泵增壓供水,經由2根管徑爲DN2 800的輸水總管至金海泵站後,一路直接至金海水廠,另一路經金海泵房二次增壓後分別向川沙水廠和南彙支線方向供應原水[2]。金海支線2根總管上分別安裝了超聲波流量計,其余水泵出口和分管上均安裝了電磁式流量計,流量計的具體型號和參數見表1。
 
2 金海支線流量計在線對比分析
通過原水調度監控系統對整個金海支線上的流量計進行在線對比分析,分別對五號溝泵站單泵出水的瞬時流量、出站總管的瞬時流量,以及金海泵站進站的總管瞬時流量,金海出站3個方向(金海水廠、川沙水廠、南彙支線)的瞬時流量分別進行對比,分析電磁式流量計之間的偏差,超聲波流量計之間的偏差,電磁式與超聲波流量計之間的偏差[3]。具體結果見表2
 
如表2所示,在原水調度監控系統中,通過獲取同一時間點的金海支線上各個流量計的瞬時流量的數值,使用式(1)進步相互比對。偏差值=(前置流量計的瞬時流量-後置流量計的瞬時流量)/前置流量計的瞬時流量×100%(1)通過表2和式(1),可以得出在金海支線上存在以下現象。
(1)電磁式流量計之間的在線對比:表2中“1與4的偏差值”爲0.4%~1.1%即五號溝泵站出站的單泵總瞬時流量要比金海出站總瞬時流量大0.4%~1.1%。
(2)超聲波流量計之間的在線對比:表2中“2與3的偏差值”爲2.5%~3.5%,即五號溝泵站出站的總管總瞬時流量要比金海泵站進站的總管總瞬時流量大2.5%~3.5%。
(3)電磁式與超聲波流量計之間的在線對比:表2中“3與4的偏差值”爲-2.0%~-1.0%,即在金海泵站內,進站的總管總瞬時流量要比出站的總瞬時流量小1.0%~2.0%。
(4)電磁式與超聲波流量計之間的在線對比:表2中“1與2的偏差值”爲-1.2%~-0.4%,即在五號溝泵站內,出站的單泵總瞬時流量要比出站的總管總瞬時流量小0.4%~1.2%。
 
3 金海支線流量計計量偏差的原因分析
通過金海支線流量計在線對比分析,可以發現該支線上同一管網中流量計的計量存在一定偏差,結合電磁式流量計和超聲波流量計本身的計量誤差,超聲波流量計和電磁流量計的准確度不同,分析金海支線流量計計量偏差的原因。
金海支线上流量计的参数
3.1 電磁式流量計的測量誤差
金海支线的电磁式流量计均采用科隆公司生产的型号为OPTIFLUX2300W電磁流量計。OPTI-FLUX2300W流量计计量误差的原因受到产品精度、管径、水流流速、以及外部干扰条件等多方面的影响[4],是造成金海支线计量偏差的原因之一。产生误差的因素有以下6点。
 
3.1.1 只能測量導電介質
電導率限制條件б≥1~5μs/cm(水>20μs/cm),不能測量非導電介質。如果管網中的原水含有大量氣體,産生流量計的測量數據嚴重波動。
 
3.1.2 必須存在磁場
勵磁電流經測量管上下勵磁線圈産生磁場。勵磁線圈斷路,流量計不工作,勵磁電流穩定性直接影響流量計的測量。測量管必須爲非導磁材料,保證磁場穿過導管,測量管應采用不鏽鋼材質。
 
3.1.3 實際測量值爲流體流速
電磁流量計实际测量介质的流速,其实是速度式流量计。测量介质的体积流量,使用流速换算见式(2):
20181105095856.jpg
式中DN———管道內直徑,mm;V———流速,mm/s。
 
電磁流量計是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。按照计量要求,对于液态介质,应该测量质量流量,测量介质流量应涉及到流体的密度,不同流体介质具有不同的密度,而且随温度变化。如果電磁流量計转换器不考虑流体密度,仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。
 
3.1.4 電磁流量計自身的产品精度
科隆公司的電磁流量計,不同型号其测量误差(精度)不同。如金海支线使用的上OPTI-FLUX2300W的测量精度为±0.2%的相对误差。相同规格不同口径测量误差不同,过大过小口径配套标定难度高[5]。
 
3.1.5 與流速相關的合成誤差
用測量點的相對誤差+很好誤差之和表示總的測量誤差。低流速測量誤差大。計算見式(3)。
20181105095901.jpg
式中δ———合成誤差。
在图1中,曲线(2)是OPTIFLUX2300W(管径DN1 600)電磁流量計的合成误差曲线。曲线(1)和曲线(3)是其他型号流量计的合成误差曲线。从曲线(2)中可以看出:如测量点流速为1m/s时,δ合成误差=±0.2%+(1mm/s)/(1m/s)=±0.3%。如测量点流速为0.1m/s时,δ合成误差=±0.2%+(1mm/s)/(0.1m/s)=±1.2%。
電磁流量計的误差曲线
根據科隆公司對OPTIFLUX2300W的精度描述,當DN10~1 600時,合成誤差爲±0.3%。當爲DN>1 600mm,爲±合成誤差爲±0.5%。因此,金海支線上電磁式流量測量出的瞬時流量受到流速影響而産生不同程度的誤差。
 
3.1.6 內徑尺寸改變而造成的附加誤差
原水管道結垢或磨損改變內徑尺寸,將影響原定的流量值,造成測量誤差。如DN1 600口徑電磁式流量計,利用式(2)可以計算出,管道內徑變化2mm時會帶來約0.25%的附加誤差[6]。
 
3.2 超聲波流量計的測量誤差
金海支線總管上的超聲波流量計爲瑞士瑞特邁爾公司生産的RISONIC2000,采用時差法原理來測量多條相互平行聲道上的線平均流速,然後結合渠道形狀換算出瞬時流量和累計水量。導致超聲波流量計産生測量誤差的原因較多,在每年的年檢維護中,管道內壁是否有沈積物、探頭是否清潔、水流溫度、壓力與工作條件都是造成誤差的原因。其中,換能器安裝誤差、管道內徑誤差和測量條件是造成超聲波流量計計量誤差的**大因素。分析産生誤差的具體原因有以下3點。
 
3.2.1 換能器安裝誤差
超聲波流量計換能器(探頭)的安裝誤差對測量結果影響很大。從測量原理上(見圖2),推導換能器安裝位置不准確而導致的安裝誤差。
 超声波流量计测量原理
順流傳播時間(見式4):
20181105100049.jpg
逆流傳播時間(見式5):
20181105100052.jpg
式中V0———超聲波在水中的傳播速度,受水溫影響較大,mm/s;
R———管道的內徑,mm;
L———安裝距離,mm。
 
綜上得到式(6)~式(8):
20181105100056.jpg
由此可算出安裝距離“L”的誤差所帶來的流量誤差。例如,在DN1 200管道上安裝超聲波傳感器(單聲道),當L數值偏差30mm時,誤差將達到4.67%。金海支線上安裝的RISONIC2000超聲波流量計是8聲道的,可能存在多個安裝距離,流量計計量更加精准,理論誤差不易算出。現場安裝時,尤其是大口徑鋼管管道時,要想保證准確的L值,必須借助更加精密的測距儀器,否則容易造成流量計的計量誤差[7]。
 
3.2.2 管道內徑誤差
超聲波流量計是通過測量流體速度再乘以管道內截面積來確定流量。在實際應用中,無法直接測量內徑和管道圓度,只能根據外徑、壁厚按標准圓估算截面積,由此帶來的不確定性已超過1%。理論上,1%的內徑誤差會導致2%的流量測量誤差。爲了減少管徑誤差的影響,一般把實測內徑輸入流量計,這樣可減少內徑對測量的影響。從理論上分析其誤差,由流量公式推導出內徑誤差引起的測量誤差見式(9):
20181105100132.jpg
推导金海支线总管DN2 800管壁内结垢0mm时,流量误差将达到1.4% 。
 
3.2.3  测量条件所造成的误差
由超聲波流量計的測量原理可知,傳感器所測量的流速是流體的線速度。只有流速分布均勻才能保證測量的准確度,所以在流量計的上下遊要有足夠的直管段。參考多項資料和超聲波流量計的使用手冊,一般要求上遊有5~10倍管徑的直管段,下遊有3~5倍管徑的直管段。
 
3.3  电磁式流量计和超声波流量计的准确度不同
电磁式流量计 OPTIFLUX2300W 的产品精度为±0.2% ,每台电磁式流量计的传感器系数 GK 在出厂时候进过标定后特有的,用 GK 能够更加准确反映某一传感器的流量信号特征,继而保证电磁式流量计的产品精度不受安装条件的影响。超声波流量计 RISONIC 2000的产品精度为±0.5% ,在实际应用中,由于现场管道的内径、壁厚、圆度都无法精确测量等诸多因素会使测量准确度超出标准准确度许多,超声波流量计的安装距离 L 值误差10mm ,就可能造成的合成误差远超±0.5% 。对供水行业的计量来说,超声波流量计的实际测量误差能控制在3%以内就算高准确度了。
 
从表2中,也可以明显看出电磁式流量计和超声波流量计的准确度不同。在金海支线上,电磁式流量计之间进过在线对比,其 偏差值 在 0.5% ~1.1% 。超声波流量计之间进行在线对比,其偏差值在2.5%~3.5% 。可以得出,在金海支线上,电磁式流量计的偏差值要小于超声波流量计。
 
5  结语
通过金海支线流量计在线对比分析,结合电磁式流量计和超声波流量计本身的计量误差原因,可以得出金海支线流量计之间的计量偏差和偏差原因。一是由于电磁式流量计和超声波流量计本身的误差,二是由于电磁式流量计和超声波流量计之间的准确度不同。在金海支线上,电磁式流量计之间的偏差值在0.5%~1.1% 。超声波流量计的偏差值在2.5%~3.5% 。电磁式流量计与超声波流量计之间的偏差在-2%~-0.5% 。在实际工况中,对产生异常偏差值的流量计需要根据实际情况进行具体分析,找出其计量误差的**大原因。