净水技术 | 插入式超声波流量计在线不断流安装更换的实践
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由于管段式电磁流量计具有测量精度高、稳定、可靠、不产生压力损失、可满足DN3000管径的应用需求等特点，目前市政工程中大量使用了大口径管段式电磁流量计。生产实践中，当大口径电磁流量计出现故障或临近使用寿命时，易出现流量计不能正常工作以及测量偏差过大需要更换流量计的问题，而这些大口径电磁流量计大多使用在市政管网的重要计量点，如：城市水源引水管线的流量计量、自来水厂的进出厂流量计量、污水厂进出厂流量计量等。一旦流量计出现问题，就会导致停水施工，停水施工不但成本高、周期长，还会有连带的经济损失和社会影响。
研究发现，通过应用具有不断流安装特点的流量计，可以有效应对上述问题，该流量计的选用应优先考虑以下几方面。
(1)准确度等级。流量计不仅用于安装位置所在地点的流量计量，还要通过流量计监测管网漏损和系统的平衡，所以新选用的流量计准确度等级不能低于原有流量计，否则不但影响该计量点的测量还会影响系统的误差和平衡。
(2)流速范围。通常供水管网中的流量变化比较大，一方面随着生活水平的提高，人均用水量在不断增加，另一方面集中用水现象日趋严重，夏季傍晚高峰时的用水量是夜间低谷的数倍甚至数十倍以上。因此，要求流量计量程比要大，通常在40∶1以上，最好应达到100∶1以上，且保证量程范围内的测量准确度和重复性。
(3)直管段要求。通常流量计要求较长的前后直管段，特别是速度式流量计要求在流态充分发展(对称、态分布)的状态下方可准确计量。管段式电磁流量计直管段至少要求为前5D后2D(D=流量计直径)，而大部分速度式流量计要求直管段更长。要选择的流量计直管段要求要与原有电磁流量计相当，保证测量稳定性。
(4)在线不断流带压安装、维护。通常在安装、维护或检定传统形式的流量计时要进行断流施工，为了避免断流带来的麻烦，通常采用安装旁路备份流量计，但需要增加设备和土建的投资，而且现场要有足够的空间。所以，选用的流量计应具备在无旁路、不断流的情况下能够安装维护，且能够在线标定。
(5)不产生压损，满足节能降耗的要求。部分流量计在测量过程中易产生不同程度的压力损失，出现投资多、计量成本高、管网效率低的问题，所以选择流量计要在测量过程中不产生压损，满足节能降耗的要求。
结合技术可行性和经济性分析，多声道超声流量计能满足上述要求。
原理分析
选用多声道超声流量计主要取决于该流量计具有以下特点。
(1)测量精度更高
相对其他速度式流量计，双声道超声流量计对上游障碍物如弯管、泵或阀的敏感度较低，测量结果的可靠性高，即使由于某些原因导致一个通道停止工作，流量仪表仍可继续测量。典型的入口直管段的要求是上游至少5D，下游至少2D，在满足上述安装要求的前提下，多通道超声流量计的测量精度可达±0.5%。对比此精度下电磁流量计的重复性要求是该精度的1/3，超声波流量计在此精度下的重复性是该精度的1/5，显然超声波流量计能达到的要求高于电磁流量。
(2)对直管段要求更低
多通道超声流量计由于采用对流速分布和面积分布的二重积分计算流量，所以在层流和紊流的情况下都能准确测量出流量，可做到计量交接的精度，同时可实现流量测量范围和测量口径大，对直管段要求小(前10D后3D)，目前市场上的产品可以做到最大的适用管道口径是DN5000，而且口径越大越容易实现高精度，多声道超声流量计的口径在理论上可以做成任意大。
(3)测量灵敏度更高
多声道超声流量计的另一特点是由于时间测量精度非常高，可达到皮秒级，所以可实现高测量灵敏度，从而保证低流速下的准确测量(0.05 m/s 时可达到0.5%)。量程比相对也较高，最高可达400∶1。
(4)可实现不断流带压施工和在线维护
插入式超声流量计与外卡式流量计不同，其传感器直接与水(介质)接触。与其他流量计一样有用法兰连接形式的工厂化的管段式产品，而且还可以在使用的管道上进行现场安装。大部分插入式超声波流量计可以通过带压安装工具实现不断流带压安装，这种技术不仅可以在旧管网改造工程中应用，还可以在新建工程中应用，免去伸缩节和连接法兰，如在管网通水后再进行安装，则可节省投资和工期。使用多年后，由于水质问题发生的管壁结垢和传感器前端结垢，这样有可能导致传感器信号发送和接收受到影响，此时传感器可以在线通过带压安装工具在不断流情况下将传感器退出清洗，继续保证流量计测量精度和稳定性。
(5)其他特点
超声流量计还具备其他一系列的特点，如对流体没有任何阻碍，也没有压力损失和流量损失，耗电小；使用寿命长，可以用不断流安装方式更换换能器；维护运营费用低；可以市电供电，也可以电池供电，通过电池供电时可以很好地解决电源引入的雷击问题；全套材料不锈钢，经久耐用，造型美观。
应用案例
某供水集团第N水厂某原安装管段式电磁流量计进行计量的DN1600管道，由于邻近使用寿命(已使用近15年)，出现流量计测量偏差和波动过大的现象，需要更换流量计。更换过程中，将DN1600电磁流量计外壳在现场用气焊切割掉，拆下励磁线圈后在原有流量计本体的管段上现场开孔安装双声道超声流量计。整个安装过程采用现场不断流在线带压安装，安装之后测得的流量稳定性、线性度都能达到使用要求。
经实践总结，更换实施过程中要注意的几个问题。
(1)要确认在用电磁流量计的管壁厚度及内衬材料特性，保证换能器在管段内壁的突出长度；
(2)用气焊切割电磁流量计外壳时，一定要在管道内充满水的情况下(最好是带压并继续保持管内水在运行流动的状态)进行，以免内衬受热凸起变形影响流态；
(3)要有足够安装空间(流量井)，可以用原有的流量井，但管壁与流量井墙壁最小距离不小于500 mm，流量井长不小于1.5倍管径。超声波流量计空管安装和带压安装要求空间如图1所示。
图1 空管安装和带压安装所要求空间示意图
为进一步确认现场开孔安装多声道超声流量计的性能指标，采用历史数据、泵机的电耗数据、流量计前端的清水池的库容等多个校核手段，对本次现场开孔安装的双声道超声波流量计进行了测量数据的核定。核定的结果是线性误差在0.48%以内，重复性在0.288%以内。
(1)通过以上分析研究及核定数据可以看出，对大口径电磁流量计由于出现故障或临近使用寿命出现流量计不能正常工作以及测量偏差过大需要更换流量计的问题，采用在线不断流带压现场开孔安装多声道超声流量计实现流量计更替的方法是可行的，能够满足生产实践的计量要求。
(2)对多声道超声流量计特点的了解和供水管网对流量计的要求来看，多声道超声流量计比较适合用于供水管网改造及不断流安装的现场，特别是大口径管道的计量。多声道超声流量计的广泛应用可为供水企业降低产销差率、控制漏失率提供有效的监控手段，可在类似工况中推广使用。
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