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电磁流量计

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电磁流量计在南水北调大管道输水中的应用及各流量计性能比较

来源:北京市南水北调南干渠管理处作者:庞博 王凯胜 刘英杰【北京市南水北调南干渠管理处】发表时间:2017-08-10 10:38:23

摘要:合理地选用流量计对于保护首都珍贵的水资源、提高南干渠调水运行工作效率有着重要的意义。针对南干渠X-.程大管径输水管道的运行工况、流量计安装位置等现场实际条件,从运行能耗、直管段要求、水质特点及量程比等方面综合考虑.对比各类流量计的性能,最终选定电磁流量计作为分水口流量计量仪表.实现了对水量的精确调度。

        南干渠工程是北京市南水北调主要配套工程之一.目前主要承担着向北京市自来水集团郭公庄水厂供水的任务。工程沿线共设计高家堡、黄村、郭公庄及新机场等4处分水口。黄村、郭公庄2处分水口已建成。黄村分水日通过2支直径1.6 1T1分水管道向黄村水厂供水.设计流量为6.56 m3/s:郭公庄分水口通过4支直径1.6 m分水管道向郭公庄水厂供水.设计流量为12.15 m3/s,已通水运行。各分水I-II检修间内的分水管道上均需安装流量计.用于测
量向水厂供水流量。

1 南干渠流量计实际安装条件
1.1被测水质
        测量介质为引自丹江口水库的南水北调来水.根据2002年12月国务院批复的《南水北调工程总体规划》,丹江口水库现状水质为GB3838—2002《地表水环境质量标准》I~Ⅱ类标准。通过对总干渠采取必要的工程及管理措施.到北京的水质能够达到地表水水质Ⅱ类标准,见表1。

《地表水环境质量标准》Ⅱ类水体基本项目标准限值

1.2介质流速
        南干渠工程浅埋暗挖段(上段)设计流量为30 m3/s,大流量为35 m3/s。黄村分水口设计流量为6.56 m3/s,共2支分水管道,单支管道流速为1.64 IIl/s:郭公庄分水12设计流量为12.15 m3/s.共4支分水管道.单支管道流速为1.52 rrds。

1.3水头压力
        南干渠进口设计流量压力水头高程为55.771 m.加大流量压力水头高程为58.063 in.流量为20 m3/s时压力水头高程为52.181 m。高程均为北京地方高程基准。

1.4安装位置
        目前,南干渠起点至亦庄调节池沿途已设2处分水El。即郭公庄分水口、黄村分水口,分别采用4支和2支分水管道.每条分水管道自上游至下游依次布置电动蝶阀、流量计、调流阀、空气阀及检修蝶阀等,以郭公庄分水口为例。检修间长27.75 in,宽20.3 m.流量计安装位置见图1。

郭公庄分水口检修间流量计安装位置

2、流量计选型原则和考虑因素
        流量计的选型应当基于被测流体的性质、流速、压力及安装位置等前提条件,综合考虑测量的安全性、准确性和经济性,确定流量测量仪表的型式和规格。
        选型要综合考虑流量计性能、被测介质特性、现场安装条件、周边环境条件和经济性等5个方面。
        (1)仪表性能。包括测量准确度、流量范围、信号输出特性、数据重复性、线性度、范围度、响应时间和压力损失等。
        (2)流体特性。流量计的设计及使用应当考虑流体的物理化学性质等参数对流量特征的影响121。包括流体温度、压力、密度、粘度、腐蚀性、硬度、浑浊度、电导率、声速、导热系数和比热容等嫡指数。
        (3)安装条件。管道直径、管道布置方向、流体流向、直管段长度和安装空间等。
        (4)环境条件。环境温湿度、电磁扰动、安全性和管道振动等。

        (5)经济因素。流量计购置安装费、能耗、检修费、检定费和使用寿命等。
3、几种适用于大管径流量计的原理和特点
        目前常用的大管径输水管道流量测量仪表有节流差压流量计、电磁流量计、插人式涡轮流量计、插人式涡街流量计、均速管流量计以及超声波流量
计等。

3.1节流差压流量计
        在压力管道中加装孔板、喷嘴、文丘里管及均速管等节流装置,用差压变送器测取节流装置前后水流速度变化而引起的压力差,换算成流量后输出直流信号,节流差压流量计结构见图2。

节流差压流量计结构图

        节流差压流量计具有装置简单、造价低廉的优点,但是受限于其测量原理,节流装置会产生一定的水头损失。

3.2、电磁流量计
        电磁流量计的测量原理基于法拉第电磁感应定律,主要由测量管、电极、励磁线圈、铁芯与磁扼及壳体等部分组成,在大中型水厂和新建水厂得到了广泛的应用,测量原理见图3。

电磁流量计测量原理示意图

        电磁流量计具有下列特点。
        (1)变送器结构简单,无可动部件,可靠性和稳定性好。
        (2)无附加阻力。没有节流部件,不阻碍流体流动,无压力损失,也不会引起磨损、堵塞等问题。
        (3)受被测介质影响程度低。不受流体的温度、粘度、密度以及电导率(在一定范围内)的影响。
        (4)测量精确度高。例如开封仪表厂生产的E - mag C型电磁流量计,在流速大于1 m/s时,精确度可达到示值的10.5%.
        (5)量程比大。在确保精确度的前提下,量程比可达40:1,可测范围可达200:10
        (6)直管段要求相对较低。电磁流量计安装位置要求上游具备5D直管段,下游具备5D直管段(D为流量计安装位置管道直径)。

3.3插入式涡轮流量计
        插人式涡轮流量计的工作原理是由导磁不锈钢涡轮叶片在流体推动下旋转,其转速随流量变化,叶片周期性切割电磁铁的磁力线,改变通过线圈的磁通量,在线圈内感应出脉动电势信号,通过变换器放大后输出直流信号。仪表购置成本较低,但是只适合测量清洁流体,因为流体中含有颗粒状杂质或粘稠物时,会引起涡轮卡滞。

3.4插入式涡街流量计
        涡街流量计是根据卡门(Karman )涡街原理研究生产的,这种仪表测量精确度可达11.0%,对流体中颗粒杂质的耐受性优于插人式涡轮流量计。但由于涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的,因此它的可测最低流速只能达到0.3-0.5 rn/s,因此,该种流量计不适用于流速较低的输水管道。

3.5、均速管流量计
        均速管流量计采取皮托管测流原理,通过测量装置上下游之间动压力和静压力之差来测流。主要特点是结构简单、价格便宜、维修方便、压力损失小、强度大、不怕磨损及不会泄漏等。但是当流体中含有泥沙等颗粒物质时,容易引起堵塞故障。

3.6、超声波流量计
        超声波流量计是非接触式流量计,测量结构中不含有任何阻碍流体流动的元件,具有不扰动流体、无压力损失、无可动元件及无易损元件等优点,广
泛应用于各种计量领域,具有以下特点。
        (1)由于其价格与管道直径无关,因此对于大管径输水管道来说,可以有效节省投资成本。
        (2)测量精度受管道直径影响,管径越大,精度越高。
        (3)与电磁流量计相比,超声波流量计具备一大优势,即可测量不导电流体。
        超声波流量计在循环水领域应用较为广泛,由于循环水管道直径较大,且水质比较污浊,超声波流量计以其安装方便、维护工作量小及不易受污染等优点,得到了广泛应用。

4、流量计性能分析
4.1、运行能耗对比
        流量计测量过程中的能量消耗主要有2种:①测量元件的阻力带来的压力损失;②仪表本身的耗电量。因此,本文主要从以上2个方面的能耗上对比各类流量计的性能。
        (1)压力损失比较。对于压力损失带来的能耗来说,电磁流量计和超声波流量计由于没有节流元件,因此几乎不存在压力损失。涡轮、涡街及均速管等几种流量计有节流元件,但产生的影响较小。而差压式流量计受到其测量原理的限制,产生的阻力较大,会损失一定的水头。
        (2)耗电量比较。上述几种仪表均有不同程度的耗电量,其中电磁流量计耗电量最大,不过随着低频矩形波励磁等新技术的研发,电磁流量计的总电耗可以控制在1020 W以内。

4.2 直管段要求对比
        为了满足仪表使用要求和保证测量精度,对流量计上下游直管段的要求,见表2

各种流量计对上下游直管段要求

        对于大管径输水管道.选用直管段要求较长的流量计时.要充分考虑场地制约因素。以南干渠郭公庄分水口DNl600 mm管道为例,有多种流量计要求上游直管段长度达到20D以上,这就要求上游必须具备32 In以上的直管段.这对于分水口占地、检修间尺寸提出了很高的要求。郭公庄分水口检修间总长27.75 m.而且检修间内还需要安装调流阀、检修蝶阀等其他设备,对于直管段要求较长的流量计.几乎无法满足其要求。因此在选择流量计时,应尽量选择电磁流量计、插入式涡轮流量计等对直管段要求较低的类型。

4.3水质适应性对比
        各种流量仪表对于水质清洁程度的要求不同.其中电磁流量计不受水中杂质含量影响,因此适用于各种条件的水质.只要电导率大于5 us/cm且1]可满足要求。对于超声波流量计来说.由于没有节流元件.水中杂质不会产生堵塞问题,但会干扰超声波的传播。影响精确度。差压、涡街和均速管等几种流量计由于均带有节流元件.因此仅可以测量含少量杂质的水.并且需要采取节流元件冲刷、排除杂质等措施。对于大管径连续输水管道来说。离线冲洗、排污等措施势必会影响调水运行效率。插入式涡轮流量计的涡轮头容易被水中颗粒磨损.因此要求对水进行过滤或沉淀处理.减少颗粒杂质含量.延长其使用寿命。

        南干渠输水管线水源来自丹江口水库.流经河南、河北。长途跋涉1 276 km后到达北京,由于水源为江河水.总干渠以明渠为主.因此水中含有少量泥沙,总体水质符合GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类水体。超声波、差压、涡街、均速管及涡轮等几种流量计均会不同程度地受到泥沙颗粒的干扰.而电磁流量计由于不受水中杂质影响.因此对南干渠的水质适应性最强。

4.4量程比对比
        量程比是在保证测量精度的前提下仪表所能测量的最大流量和最小流量之比。量程比越大。说明仪表所能测量的流量范围越大。如表3所示,电磁流量计的量程比通常为40:1.超声波流量计和插入式涡街流量计可做到10:1.插入式涡轮流量计约为5:1。而差压式流量计和均速管流量计由于受临界雷诺数及流量、差压的平方根非线性关系的限制,量程比较小.节流差压式流量计的量程比只有3:1.均速管流量计约为3.5:1左右。

各类流量计量程比


        由于南干渠需要根据调水中心的调度指令对分水流量进行调整.因此选择电磁流量计等大量程比的流量计。可以精确地完成调水量调整工作。

5 结论
        综上所述,选用精确、实用及可靠的流量仪表对于平稳、准确、合理地执行调水指令、完成调水运行工作有着重要意义.也关系到后期的运行维护工作量。本文结合南干渠工程输水管道特点、水质情况.对各类大口径流量计的主要技术特点和影响因素进行了分析与研究。综合考虑能耗、直管段要求、分水El检修间尺寸、输水水质和量程比等因素,选择电磁流量计作为黄村分水IZl、郭公庄分水KI供水量计量仪表。由于具有直管段要求低、能耗低、对水质适应性强以及量程比大等优点.电磁流量计在大管径输水管道上一定会有更广泛的应用。