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            電磁流量計在南水北調大管道輸水中的應用及各流量計性能比較

            來源:北京市南水北調南干渠管理處作者:龐博 王凱勝 劉英杰【北京市南水北調南干渠管理處】發表時間:2017-08-10 10:38:23

            摘要:合理地選用流量計對于保護首都珍貴的水資源、提高南干渠調水運行工作效率有著重要的意義。針對南干渠X-.程大管徑輸水管道的運行工況、流量計安裝位置等現場實際條件,從運行能耗、直管段要求、水質特點及量程比等方面綜合考慮.對比各類流量計的性能,**終選定電磁流量計作為分水口流量計量儀表.實現了對水量的精確調度。

                    南干渠工程是北京市南水北調主要配套工程之一.目前主要承擔著向北京市自來水集團郭公莊水廠供水的任務。工程沿線共設計高家堡、黃村、郭公莊及新機場等4處分水口。黃村、郭公莊2處分水口已建成。黃村分水日通過2支直徑1.6 1T1分水管道向黃村水廠供水.設計流量為6.56 m3/s:郭公莊分水口通過4支直徑1.6 m分水管道向郭公莊水廠供水.設計流量為12.15 m3/s,已通水運行。各分水I-II檢修間內的分水管道上均需安裝流量計.用于測
            量向水廠供水流量。

            1 南干渠流量計實際安裝條件
            1.1被測水質
                    測量介質為引自丹江口水庫的南水北調來水.根據2002年12月國務院批復的《南水北調工程總體規劃》,丹江口水庫現狀水質為GB3838—2002《地表水環境質量標準》I~Ⅱ類標準。通過對總干渠采取必要的工程及管理措施.到北京的水質能夠達到地表水水質Ⅱ類標準,見表1。

            《地表水環境質量標準》Ⅱ類水體基本項目標準限值

            1.2介質流速
                    南干渠工程淺埋暗挖段(上段)設計流量為30 m3/s,大流量為35 m3/s。黃村分水口設計流量為6.56 m3/s,共2支分水管道,單支管道流速為1.64 IIl/s:郭公莊分水12設計流量為12.15 m3/s.共4支分水管道.單支管道流速為1.52 rrds。

            1.3水頭壓力
                    南干渠進口設計流量壓力水頭高程為55.771 m.加大流量壓力水頭高程為58.063 in.流量為20 m3/s時壓力水頭高程為52.181 m。高程均為北京地方高程基準。

            1.4安裝位置
                    目前,南干渠起點至亦莊調節池沿途已設2處分水El。即郭公莊分水口、黃村分水口,分別采用4支和2支分水管道.每條分水管道自上游至下游依次布置電動蝶閥、流量計、調流閥、空氣閥及檢修蝶閥等,以郭公莊分水口為例。檢修間長27.75 in,寬20.3 m.流量計安裝位置見圖1。

            郭公莊分水口檢修間流量計安裝位置

            2、流量計選型原則和考慮因素
                    流量計的選型應當基于被測流體的性質、流速、壓力及安裝位置等前提條件,綜合考慮測量的安全性、準確性和經濟性,確定流量測量儀表的型式和規格。
                    選型要綜合考慮流量計性能、被測介質特性、現場安裝條件、周邊環境條件和經濟性等5個方面。
                    (1)儀表性能。包括測量準確度、流量范圍、信號輸出特性、數據重復性、線性度、范圍度、響應時間和壓力損失等。
                    (2)流體特性。流量計的設計及使用應當考慮流體的物理化學性質等參數對流量特征的影響121。包括流體溫度、壓力、密度、粘度、腐蝕性、硬度、渾濁度、電導率、聲速、導熱系數和比熱容等嫡指數。
                    (3)安裝條件。管道直徑、管道布置方向、流體流向、直管段長度和安裝空間等。
                    (4)環境條件。環境溫濕度、電磁擾動、安全性和管道振動等。

                    (5)經濟因素。流量計購置安裝費、能耗、檢修費、檢定費和使用壽命等。
            3、幾種適用于大管徑流量計的原理和特點
                    目前常用的大管徑輸水管道流量測量儀表有節流差壓流量計、電磁流量計、插人式渦輪流量計、插人式渦街流量計、均速管流量計以及超聲波流量
            計等。

            3.1節流差壓流量計
                    在壓力管道中加裝孔板、噴嘴、文丘里管及均速管等節流裝置,用差壓變送器測取節流裝置前后水流速度變化而引起的壓力差,換算成流量后輸出直流信號,節流差壓流量計結構見圖2。

            節流差壓流量計結構圖

                    節流差壓流量計具有裝置簡單、造價低廉的優點,但是受限于其測量原理,節流裝置會產生一定的水頭損失。

            3.2、電磁流量計
                    電磁流量計的測量原理基于法拉第電磁感應定律,主要由測量管、電極、勵磁線圈、鐵芯與磁扼及殼體等部分組成,在大中型水廠和新建水廠得到了廣泛的應用,測量原理見圖3。

            電磁流量計測量原理示意圖

                    電磁流量計具有下列特點。
                    (1)變送器結構簡單,無可動部件,可靠性和穩定性好。
                    (2)無附加阻力。沒有節流部件,不阻礙流體流動,無壓力損失,也不會引起磨損、堵塞等問題。
                    (3)受被測介質影響程度低。不受流體的溫度、粘度、密度以及電導率(在一定范圍內)的影響。
                    (4)測量精確度高。例如開封儀表廠生產的E - mag C型電磁流量計,在流速大于1 m/s時,精確度可達到示值的10.5%.
                    (5)量程比大。在確保精確度的前提下,量程比可達40:1,可測范圍可達200:10
                    (6)直管段要求相對較低。電磁流量計安裝位置要求上游具備5D直管段,下游具備5D直管段(D為流量計安裝位置管道直徑)。

            3.3插入式渦輪流量計
                    插人式渦輪流量計的工作原理是由導磁不銹鋼渦輪葉片在流體推動下旋轉,其轉速隨流量變化,葉片周期性切割電磁鐵的磁力線,改變通過線圈的磁通量,在線圈內感應出脈動電勢信號,通過變換器放大后輸出直流信號。儀表購置成本較低,但是只適合測量清潔流體,因為流體中含有顆粒狀雜質或粘稠物時,會引起渦輪卡滯。

            3.4插入式渦街流量計
                    渦街流量計是根據卡門(Karman )渦街原理研究生產的,這種儀表測量精確度可達11.0%,對流體中顆粒雜質的耐受性優于插人式渦輪流量計。但由于渦街流量計是應用流體振蕩原理來測量流量的,因此它的可測**低流速只能達到0.3-0.5 rn/s,因此,該種流量計不適用于流速較低的輸水管道。

            3.5、均速管流量計
                    均速管流量計采取皮托管測流原理,通過測量裝置上下游之間動壓力和靜壓力之差來測流。主要特點是結構簡單、價格便宜、維修方便、壓力損失小、強度大、不怕磨損及不會泄漏等。但是當流體中含有泥沙等顆粒物質時,容易引起堵塞故障。

            3.6、超聲波流量計
                    超聲波流量計是非接觸式流量計,測量結構中不含有任何阻礙流體流動的元件,具有不擾動流體、無壓力損失、無可動元件及無易損元件等優點,廣
            泛應用于各種計量領域,具有以下特點。
                    (1)由于其價格與管道直徑無關,因此對于大管徑輸水管道來說,可以有效節省投資成本。
                    (2)測量精度受管道直徑影響,管徑越大,精度越高。
                    (3)與電磁流量計相比,超聲波流量計具備一大優勢,即可測量不導電流體。
                    超聲波流量計在循環水領域應用較為廣泛,由于循環水管道直徑較大,且水質比較污濁,超聲波流量計以其安裝方便、維護工作量小及不易受污染等優點,得到了廣泛應用。

            4、流量計性能分析
            4.1、運行能耗對比
                    流量計測量過程中的能量消耗主要有2種:①測量元件的阻力帶來的壓力損失;②儀表本身的耗電量。因此,本文主要從以上2個方面的能耗上對比各類流量計的性能。
                    (1)壓力損失比較。對于壓力損失帶來的能耗來說,電磁流量計和超聲波流量計由于沒有節流元件,因此幾乎不存在壓力損失。渦輪、渦街及均速管等幾種流量計有節流元件,但產生的影響較小。而差壓式流量計受到其測量原理的限制,產生的阻力較大,會損失一定的水頭。
                    (2)耗電量比較。上述幾種儀表均有不同程度的耗電量,其中電磁流量計耗電量**大,不過隨著低頻矩形波勵磁等新技術的研發,電磁流量計的總電耗可以控制在1020 W以內。

            4.2 直管段要求對比
                    為了滿足儀表使用要求和保證測量精度,對流量計上下游直管段的要求,見表2

            各種流量計對上下游直管段要求

                    對于大管徑輸水管道.選用直管段要求較長的流量計時.要充分考慮場地制約因素。以南干渠郭公莊分水口DNl600 mm管道為例,有多種流量計要求上游直管段長度達到20D以上,這就要求上游必須具備32 In以上的直管段.這對于分水口占地、檢修間尺寸提出了很高的要求。郭公莊分水口檢修間總長27.75 m.而且檢修間內還需要安裝調流閥、檢修蝶閥等其他設備,對于直管段要求較長的流量計.幾乎無法滿足其要求。因此在選擇流量計時,應盡量選擇電磁流量計、插入式渦輪流量計等對直管段要求較低的類型。

            4.3水質適應性對比
                    各種流量儀表對于水質清潔程度的要求不同.其中電磁流量計不受水中雜質含量影響,因此適用于各種條件的水質.只要電導率大于5 us/cm且1]可滿足要求。對于超聲波流量計來說.由于沒有節流元件.水中雜質不會產生堵塞問題,但會干擾超聲波的傳播。影響精確度。差壓、渦街和均速管等幾種流量計由于均帶有節流元件.因此僅可以測量含少量雜質的水.并且需要采取節流元件沖刷、排除雜質等措施。對于大管徑連續輸水管道來說。離線沖洗、排污等措施勢必會影響調水運行效率。插入式渦輪流量計的渦輪頭容易被水中顆粒磨損.因此要求對水進行過濾或沉淀處理.減少顆粒雜質含量.延長其使用壽命。

                    南干渠輸水管線水源來自丹江口水庫.流經河南、河北。長途跋涉1 276 km后到達北京,由于水源為江河水.總干渠以明渠為主.因此水中含有少量泥沙,總體水質符合GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類水體。超聲波、差壓、渦街、均速管及渦輪等幾種流量計均會不同程度地受到泥沙顆粒的干擾.而電磁流量計由于不受水中雜質影響.因此對南干渠的水質適應性**強。

            4.4量程比對比
                    量程比是在保證測量精度的前提下儀表所能測量的**大流量和**小流量之比。量程比越大。說明儀表所能測量的流量范圍越大。如表3所示,電磁流量計的量程比通常為40:1.超聲波流量計和插入式渦街流量計可做到10:1.插入式渦輪流量計約為5:1。而差壓式流量計和均速管流量計由于受臨界雷諾數及流量、差壓的平方根非線性關系的限制,量程比較?。澚鞑顗菏搅髁坑嫷牧砍瘫戎挥?:1.均速管流量計約為3.5:1左右。

            各類流量計量程比


                    由于南干渠需要根據調水中心的調度指令對分水流量進行調整.因此選擇電磁流量計等大量程比的流量計??梢跃_地完成調水量調整工作。

            5 結論
                    綜上所述,選用精確、實用及可靠的流量儀表對于平穩、準確、合理地執行調水指令、完成調水運行工作有著重要意義.也關系到后期的運行維護工作量。本文結合南干渠工程輸水管道特點、水質情況.對各類大口徑流量計的主要技術特點和影響因素進行了分析與研究。綜合考慮能耗、直管段要求、分水El檢修間尺寸、輸水水質和量程比等因素,選擇電磁流量計作為黃村分水IZl、郭公莊分水KI供水量計量儀表。由于具有直管段要求低、能耗低、對水質適應性強以及量程比大等優點.電磁流量計在大管徑輸水管道上一定會有更廣泛的應用。

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