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原水調度中大口徑電磁流量計與超聲波流量計計量偏差的原因及改進

來源:作者:發表時間: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準確,是調度的關鍵因素。電磁式流量計和超聲波流量計為主的大口徑流量計,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為例,分析各類流量計之間的固定偏差值,尋找產生偏差的原因,并提出改進措施。

 
在原水調度監控系統中,流量不僅是精準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,流量計能夠精準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為例,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,以及產生偏差的原因。
 
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臺機泵增壓供水,經由2根管徑為DN2 800的輸水總管至金海泵站后,一路直接至金海水廠,另一路經金海泵房二次增壓后分別向川沙水廠和南匯支線方向供應原水[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、南匯支線)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-后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”為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”為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”為-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”為-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準確度不同,分析金海支線流量計計量偏差的原因。
金海支線上流量計的參數
3.1 電磁式流量計的測量誤差
金海支線的電磁式流量計均采用科隆公司生產的型號為OPTIFLUX2300W電磁流量計。OPTI-FLUX2300W流量計計量誤差的原因受到產品精度、管徑、水流流速、以及外部干擾條件等多方面的影響[4],是造成金海支線計量偏差的原因之一。產生誤差的因素有以下6點。
 
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,產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產生磁場。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。測量管必須為非導磁材料,保證磁場穿過導管,測量管應采用不銹鋼材質。
 
3.1.3 實際測量值為流體流速
電磁流量計實際測量介質的流速,其實是速度式流量計。測量介質的體積流量,使用流速換算見式(2):
20181105095856.jpg
式中DN———管道內直徑,mm;V———流速,mm/s。
 
電磁流量計是通過測量導電液體的速度確定工作狀態下的體積流量。按照計量要求,對于液態介質,應該測量質量流量,測量介質流量應涉及到流體的密度,不同流體介質具有不同的密度,而且隨溫度變化。如果電磁流量計轉換器不考慮流體密度,僅給出常溫狀態下的體積流量是不合適的。
 
3.1.4 電磁流量計自身的產品精度
科隆公司的電磁流量計,不同型號其測量誤差(精度)不同。如金海支線使用的上OPTI-FLUX2300W的測量精度為±0.2%的相對誤差。相同規格不同口徑測量誤差不同,過大過小口徑配套標定難度高[5]。
 
3.1.5 與流速相關的合成誤差
用測量點的相對誤差+絕對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。
在圖1中,曲線(2)是OPTIFLUX2300W(管徑DN1 600)電磁流量計的合成誤差曲線。曲線(1)和曲線(3)是其他型號流量計的合成誤差曲線。從曲線(2)中可以看出:如測量點流速為1m/s時,δ合成誤差=±0.2%+(1mm/s)/(1m/s)=±0.3%。如測量點流速為0.1m/s時,δ合成誤差=±0.2%+(1mm/s)/(0.1m/s)=±1.2%。
電磁流量計的誤差曲線
根據科隆公司對OPTIFLUX2300W的精度描述,當DN10~1 600時,合成誤差為±0.3%。當為DN>1 600mm,為±合成誤差為±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產生不同程度的誤差。
 
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為瑞士瑞特邁爾公司生產的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,然后結合渠道形狀換算出瞬時流量和累計水量。導致超聲波流量計產生測量誤差的原因較多,在每年的年檢維護中,管道內壁是否有沉積物、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最大因素。分析產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準確而導致的安裝誤差。
 超聲波流量計測量原理
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,流量計計量更加精準,理論誤差不易算出。現場安裝時,尤其是大口徑鋼管管道時,要想保證準確的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、壁厚按標準圓估算截面積,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。為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
推導金海支線總管DN2 800管壁內結垢0mm時,流量誤差將達到1.4% 。
 
3.2.3  測量條件所造成的誤差
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準確度,所以在流量計的上下游要有足夠的直管段。參考多項資料和超聲波流量計的使用手冊,一般要求上游有5~10倍管徑的直管段,下游有3~5倍管徑的直管段。
 
3.3  電磁式流量計和超聲波流量計的準確度不同
電磁式流量計 OPTIFLUX2300W 的產品精度為±0.2% ,每臺電磁式流量計的傳感器系數 GK 在出廠時候進過標定后特有的,用 GK 能夠更加準確反映某一傳感器的流量信號特征,繼而保證電磁式流量計的產品精度不受安裝條件的影響。超聲波流量計 RISONIC 2000的產品精度為±0.5% ,在實際應用中,由于現場管道的內徑、壁厚、圓度都無法精確測量等諸多因素會使測量準確度超出標準準確度許多,超聲波流量計的安裝距離 L 值誤差10mm ,就可能造成的合成誤差遠超±0.5% 。對供水行業的計量來說,超聲波流量計的實際測量誤差能控制在3%以內就算高準確度了。
 
從表2中,也可以明顯看出電磁式流量計和超聲波流量計的準確度不同。在金海支線上,電磁式流量計之間進過在線對比,其 偏差值 在 0.5% ~1.1% 。超聲波流量計之間進行在線對比,其偏差值在2.5%~3.5% 。可以得出,在金海支線上,電磁式流量計的偏差值要小于超聲波流量計。
 
5  結語
通過金海支線流量計在線對比分析,結合電磁式流量計和超聲波流量計本身的計量誤差原因,可以得出金海支線流量計之間的計量偏差和偏差原因。一是由于電磁式流量計和超聲波流量計本身的誤差,二是由于電磁式流量計和超聲波流量計之間的準確度不同。在金海支線上,電磁式流量計之間的偏差值在0.5%~1.1% 。超聲波流量計的偏差值在2.5%~3.5% 。電磁式流量計與超聲波流量計之間的偏差在-2%~-0.5% 。在實際工況中,對產生異常偏差值的流量計需要根據實際情況進行具體分析,找出其計量誤差的最大原因。
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