時差式超聲波流量計在自來水廠計量中的應用

  昆明市第五自來水廠南分廠出水計量系統2000年投入使用 , 進出廠水量采用夾裝時差式超聲波流量計計量控制 。這些流量計的使用對第五自來水廠南分廠水量計量、 生產調度 、 成本核算及工藝控制起到積極作用, 但同時在運行過程中也暴露出其問題 : 南分廠出水 A 管道時差式超聲波流量計在使用過程中曾出現過信號中斷, 尤其在供水高峰期 , 會頻繁出現信號中斷 , 導致計量不準。針對上述問題 , 本文結合時差式超聲波流量計工作原理對南分廠出水 A管道流量計進行故障分析 , 通過分析提出改造措施。
1 時差式超聲波流量計測量原理
時差式超聲波流量計用于測量流體流速對雙向聲波信號的影響。它的兩個換能器探頭(T 1 、 T 2 ) 以一定的間距安裝在管壁外側, 交替發射和接收超聲波。當超聲波在靜止的流體中傳播時 , 從 T 1 到 T 2 的聲波信號傳送時間與從 T 2 到T 1 的傳送時間相同;當流體流動時 , 上游換能器T 1 向下游換能器 T 2 發射一個信號, 同時下游也向上游發射信號, 由于流體流速對超聲波信號的作用 , 加快從上游到下游方向的信號傳播速度 ,同時減慢從下游到上游方向的信號傳播速度 , 兩個信號之間產生了時間差 。由此求得流體的流速 ,再與圓管的流通截面積相乘計算出流量 。流體流速的基本計算公式:
Vf = Kdt / TL
式中:Vf為流速 ;K為標定系數 ;dt為上下游換能器測量時間差 ;TL為測量出的聲波平均穿過流體時間 。測量原理如圖 1所示 。

2 出水 A管道超聲波流量計無信號原因
影響時差式超聲波流量計計量因素很多,如換能器探頭安裝方式、 上下游直管段長度、 工藝管道參數等。為了確定出水 A 管道時差式超聲波流量計出現信號中斷的原因, 分別從以下兩方面進行檢測分析 。
2.1 換能器探頭安裝方式檢測
目前換能器探頭安裝方式主要有 V法和 Z法兩種安裝方式, 如圖 2、 3所示 。V法安裝 , 超聲波信號行程增加一倍, 適用于小管徑 , 管道條件好的流量測量。 Z法安裝超聲波信號衰減小, 適用于大管徑 。一般來說 。 D > 300mm 的管道易采用 Z法安裝。

根據換能器探頭安裝方式 , 昆明市第五自來水廠出廠水管管徑為 DN1000, 故原采用 Z 法安裝 ; 出現信號中斷的現象后 , 采用了 V法安裝方式進行試驗 , 結果發現無論是哪一種安裝方式,當供水機組工作時, 有時會出現信號中斷現象。故時差式超聲波流量計出現信號中斷排除安裝方式原因。
2.2 上下游直管段長度檢測
對于超聲波流量計安裝在直管段上下游長度有明確要求:上游直管長度在 10D以上, 下游在 5D以上, 同時盡量遠離泵和閥門, 避免有擾動因素。因為根據時差式超聲波流量計計算管道內流體流速公式:Vf = Kdt / TL, 其中標定系數K 是雷諾數的函數 , 當直管道不滿足長度要求,流體從穩定層流過渡成紊流狀態, 流速分布不均勻, 標定系數 K將產生較大變化, 引起測量準確度下降。并且如果在靠近三通 、 閥門附近 ( 即不滿足直管段長度) 安裝換能器探頭, 流體易從層流轉成紊流、 渦流狀態, 紊流、 渦流的產生使流體中有一定的氣體存在 , 由于氣體亦有一定的聲阻抗 , 使聲束分散。尤其當含氣量大時 , 將大大減小超聲波信號的強度, 造成信號中斷 。
根據上述分析及現場勘測發現: 昆明市第五自來水廠出水 A管道時差式超聲波流量計安裝位置下游長度不滿足要求, 在探頭安裝位置下游附近管道管徑由 1.0m變為 1.2m, 并且接有一根 DN200的支管。因此在供水高峰期時, 此段由于三通、 閥門影響, 水流易產生紊流 、 渦流從而產生氣泡, 大大減小聲波信號的強度, 致使時差式超聲波流量計出現信號中斷。通過在探頭位置靠近出水泵房一側移動 7m挖計量井, 其位置滿足上下游直管段長度要求, 利用便攜式超聲波流量計在此位置進行水流計量檢驗, 其結果信號良好。由此說明先前探頭安裝直管段長度不滿足要求造成信號中斷。時差式超聲波流量計位置見圖 4。

通過上述分析得出 : 出水 A管道超聲波流量計在供水期間出現信號中斷是因為探頭安裝位置不滿足直管段長度要求而造成的。
3 出水 A 管道時差式超聲波流量計改造
根據上述故障分析, 結合超聲波流量計拆除、安裝方便特點 , 此次改造不需要改管路 , 僅改變換能器探頭安裝位置 。
根據探頭安裝位置直管段長度要求, 出水 A管道計量井位置向出水泵房一側移 7m, 在出水泵房外綠化帶新建計量井 , 沿用原超聲波流量計,重新進行安裝, 安裝方式采用 Z法 。計量井設計要求防水, 底部設積水坑;并且有爬梯至底部。
改造后的探頭位置見圖 5所示。

由于出水 A管道埋設在地下 , 其外管壁涂有防銹漆 , 并且出現小的腐蝕坑。在安裝前, 對安裝位置管道表面進行清污處理。具體處理措施如下 :
1) 探頭安裝位置平行于地面 , 即水平安裝,分別位于管道水平兩側, 探頭水平間距為 1.0m。
2) 剝掉管道表面的防護層 , 清除管道表面的鐵銹 、 污垢等 。
3)打磨安裝位置, 打磨面積為探頭面積的 3倍。
4)將耦合劑涂滿探頭的整個發射表面, 不能有氣泡存在。
5)在打磨管道表面涂上硅脂。
6)將探頭牢牢地貼在管壁上, 用布帶或鋼帶固定探頭 ( 探頭發射方向相對)。
時差式超聲波流量計在使用過程中安裝 、 拆除方便, 便于維修;測量管徑大以及與自動化控制系統銜接好。同時我們注意到時差式超聲波流量計對安裝要求十分嚴格;抗干擾性差, 應避免在強電磁場附近安裝 ;對安裝直管段長度有特殊要求 。另外 , 時差式超聲波流量計使用對管道工藝參數亦有一定要求 。所以在時差式超聲波流量計的使用過程中 , 應當注意其安裝、 維護等基本技術問題, 以便達到準確測量和計量的目的 , 從而促進企業管理 , 有利于企業成本核算, 提高企業的效益。
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