城鎮(zhèn)供水計(jì)量的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

【資料簡(jiǎn)介】

江蘇金鼎自動(dòng)化儀表有限公司 ：姚佳明  

　引言
　　
　　水是人類生存和發(fā)展不可替代的資源，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人口與經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，世界水資源的需求量不斷增加，水環(huán)境也不斷惡化，水資源緊缺已成為共同關(guān)注的性問(wèn)題。我國(guó)水資源短缺嚴(yán)重，約為世界人均水資源占有量的1/4。加上每年工業(yè)生活污水排放量已約達(dá)600億立方，使90%的城市水域受到不同程度的污染。干旱年交替出現(xiàn)，使全國(guó)660個(gè)城市中共有400多個(gè)缺水城市。其中嚴(yán)重缺水城市114個(gè)，日缺水1600萬(wàn)立方，全年缺水量為200億立方，每年因缺水造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2000億元以上，影響用水人口約4000萬(wàn)人次。據(jù)專家預(yù)測(cè)，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水占需求量54%，城市生活用水占46%。到2010年全國(guó)總可供水量（6200-6500）億立方，但實(shí)際需求量將達(dá)7300億立方，供需缺口近1000億立方；到2030年全國(guó)需水量將達(dá)10000億立方，全國(guó)將缺水（4000-4500）億立方；到2050年全國(guó)將缺水（6000-7000）億立方。由此可見(jiàn)，我國(guó)水資源供需矛盾和水污染狀態(tài)將面臨非常嚴(yán)峻的形勢(shì)，我們?nèi)绻谒Y源開(kāi)發(fā)利用和污水治理上沒(méi)有大的突破，在管理上不能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)需要，水資源就很難支持國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的需求，水資源危機(jī)將成為所有資源問(wèn)題中zui為嚴(yán)重的問(wèn)題，阻礙實(shí)現(xiàn)中等發(fā)達(dá)國(guó)家的目標(biāo)，前景十分令人擔(dān)憂。因此，使用高精度的流量計(jì)量?jī)x表，建立準(zhǔn)確、可靠的水計(jì)量體系可以極大地促進(jìn)水資源的合理利用，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高。
　　
　　1城鎮(zhèn)供水計(jì)zui儀表的應(yīng)用及特點(diǎn)
　　
　　國(guó)內(nèi)各自來(lái)水公司進(jìn)、出廠水流量的計(jì)量是供水行業(yè)水計(jì)量的關(guān)鍵，是自來(lái)水企業(yè)統(tǒng)計(jì)計(jì)算產(chǎn)水量、產(chǎn)銷量、產(chǎn)水成本、管網(wǎng)漏耗和能源單耗等主要生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)的重要依據(jù)，是供水行業(yè)*的檢測(cè)環(huán)節(jié)。
　　
　　上世紀(jì)，80年代以前，大多數(shù)水廠未配備計(jì)量?jī)x表，僅通過(guò)水泵特性曲線粗略推算，準(zhǔn)確性很低。隨著城市供水的發(fā)展，水廠計(jì)量?jī)x器儀表設(shè)備也獲得相應(yīng)較快的發(fā)展，并呈現(xiàn)出多品種的局面。一些水頭損失較大的差壓式流量計(jì)（如孔板流量計(jì)、均速管水頭損失不大）和插入式流量計(jì)（插入式渦輪流量計(jì)）逐步被具有壓力損失小、安裝方便、自動(dòng)化程度較高的流量?jī)x表取代（如電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)等），雖然在重大引水工程及水庫(kù)仍有大量的文丘里管流量計(jì)在使用，但與以往的差壓式流量計(jì)相比已有很大改進(jìn)。
　　
　　國(guó)內(nèi)自來(lái)水公司進(jìn)、出廠水計(jì)量使用的流量計(jì)與其它領(lǐng)域相比具有其特殊的要求。首先，流量計(jì)的口徑比較大，一般大于DN1000mm，國(guó)內(nèi)使用的zui大口徑達(dá)到DN3000mm；其次，水的流量較大，一般為數(shù)千到幾萬(wàn)m3/h；再次，為保證滿足供水損失率的要求，流城鎮(zhèn)供水計(jì)zui的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)趙雨斌，等量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度高，一般應(yīng)優(yōu)于0.5%，甚至0.3%；還有，流量計(jì)的安裝位置對(duì)直管段的要求不能過(guò)高；盡量具備高度的智能化和網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。
　　
　　國(guó)外供水行業(yè)使用流量計(jì)時(shí)主要選擇本國(guó)產(chǎn)品，以便于售后服務(wù)，使用的流量計(jì)在結(jié)構(gòu)上盡量簡(jiǎn)單，不追求較高的準(zhǔn)確度等級(jí)（一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)供水損失率無(wú)限定指標(biāo)，流量計(jì)量主要為工藝運(yùn)行和合理調(diào)度提供參數(shù)）。發(fā)達(dá)國(guó)家目前使用的品種主要有：各種類型的電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)和少量文丘里管流量計(jì)。
　　
　　2常用流zui計(jì)及其技術(shù)發(fā)展通過(guò)
　　
　　對(duì)主要城市自來(lái)水公司和水庫(kù)在用大口徑流量計(jì)應(yīng)用情況的調(diào)查，我國(guó)城鎮(zhèn)供水行業(yè)主要使用了以電磁流量計(jì)為豐的多種流量計(jì)。各地自來(lái)水公司大量使用了電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)等，少量沿用插入式流量計(jì)（渦輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)等），并大量更新為智能化、高精度、多功能的流量?jī)x表。少數(shù)自來(lái)水公司已實(shí)現(xiàn)或部分應(yīng)用了有線/總線式數(shù)字通信方式（如MODBUS，PROFIBUS，F(xiàn)F，CAN等）以及無(wú)線的通信方式，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，并將流量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到公司中心調(diào)度室。在大型引水工程和水庫(kù)中，除了使用大口徑和特大口徑電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)外，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)量軟件的古典文丘里管流量計(jì)系統(tǒng)也得到大量應(yīng)用。
　　
　　2.1電磁流量計(jì)
　　
　　工作原理基于電磁感應(yīng)定律的電磁流量計(jì)是供水行業(yè)使用zui廣泛的一種流量計(jì)。由于電磁流量計(jì)具有一些突出的特點(diǎn)（無(wú)可動(dòng)件、無(wú)壓損、流量范圍度大、高準(zhǔn)確度、耐腐蝕性和高可靠性等），成為發(fā)展較快且技術(shù)較成熟的流量檢測(cè)儀表，并成為供水行業(yè)的流量計(jì)。
　　
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)也獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。傳感器的制造工藝采用了適合多種場(chǎng)合的各種襯里工藝（四氟塑料、F4、橡膠、陶瓷襯里等），并在勵(lì)磁線圈結(jié)構(gòu)和外殼防護(hù)方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，大口徑電磁流量傳感器基本滿足IP68，可靠性進(jìn)一步提高。電磁流量轉(zhuǎn)換器智能化技術(shù)進(jìn)一步完善和提高，借助單片機(jī)微處理器、DSP技術(shù)和軟件編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)勵(lì)磁方式的優(yōu)化和智能化（多頻勵(lì)磁、雙頻勵(lì)磁等），并實(shí)現(xiàn)拓寬量程（測(cè)量范圍度50：1，再考慮上限范圍度20：1，兩者相乘可擴(kuò)展到1000：1）、補(bǔ)償測(cè)量誤差、零點(diǎn)校正、勵(lì)磁及系統(tǒng)自診斷、正反相流判斷、空管與不滿管的自診斷等功能，極大地增強(qiáng)了電磁流量計(jì)技術(shù)性測(cè)量功能，改善了可靠性和穩(wěn)定性。為滿足FCS新型控制系統(tǒng)的要求，新型電磁流量計(jì)應(yīng)用了計(jì)算機(jī)串行通信技術(shù)，采用了PROFIBUS，F(xiàn)F等現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的雙向數(shù)字通信，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />　　
　　大口徑流量的在線檢定是困擾供水行業(yè)的另一個(gè)難題。電磁流量計(jì)目前仍采用傳統(tǒng)的定期離線檢定方式，這對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的供水行業(yè)而言無(wú)疑是不可能的。國(guó)家對(duì)大流量計(jì)量站曾在電磁流量計(jì)的在線檢定方面做了一些研究，目前多采用與超聲流量計(jì)比對(duì)的方法。有些生產(chǎn)廠商提供了具有在線自診斷功能的電磁流量計(jì)，能在一定程度上定性地判斷流封十的工作狀態(tài)。正在開(kāi)發(fā)中的新型流量計(jì)在線檢定系統(tǒng)能夠通過(guò)比較流量計(jì)主要參數(shù)的變化情況，判斷流量計(jì)的計(jì)量性能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的在線檢定功能。該技術(shù)的關(guān)鍵是確保出廠檢定和在線檢定具有相同的基準(zhǔn)和復(fù)現(xiàn)性，并將代表流量計(jì)性能的重要參數(shù)（如傳感器勵(lì)磁參數(shù)、內(nèi)阻、絕緣、有關(guān)參數(shù)設(shè)置等）形成電子指紋，以供定期在線檢查。
　　
　　2.2文丘里管流盤計(jì)
　　
　　文丘里管流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)的一種，是比較傳統(tǒng)的流量測(cè)量?jī)x表。其測(cè)量穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度也基本能滿足要求，在水庫(kù)和少量的自來(lái)水公司有一定的應(yīng)用。文丘里管流量計(jì)由文丘里管（節(jié)流件）和配套的差壓變送器組成，通過(guò)測(cè)量流過(guò)節(jié)流件前后的差壓計(jì)算出流量。這種流量計(jì)的節(jié)流件差不多沒(méi)有改進(jìn)的余地了，已經(jīng)達(dá)到比較完善的程度，并已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。傳統(tǒng)的文丘里流量計(jì)使用模擬型差壓變送器，測(cè)量準(zhǔn)確度不很高（1.0%一1.5%），在現(xiàn)代水廠的計(jì)量應(yīng)用中稍顯不足。
　　
　　提高文丘里管流量計(jì)計(jì)量性能的主要途徑是采用高性能高準(zhǔn)確度的差壓變送器和計(jì)量軟件，并實(shí)現(xiàn)其智能化和網(wǎng)絡(luò)信息化。新型差壓變送器的發(fā)展趨于兩個(gè)，一個(gè)是輕小型，追求簡(jiǎn)單化，采用擴(kuò)散硅固態(tài)壓力傳感器，性能和可靠性都不錯(cuò)；另一個(gè)是高精度多功能型，采用單片機(jī)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化和信息化。與文丘里管配套的多為電容式智能化差壓變送器，通過(guò)其內(nèi)部的微處理器可以進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算和各種補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)差壓信號(hào)的高精度、寬范圍的測(cè)量（測(cè)量精度為0.07591、范圍度1000.1），其可靠性*，基本不需要調(diào)整和維護(hù)，并具備包括HART，F(xiàn)F等多種現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字通信功能。
　　
　　新型文丘里管流量計(jì)系統(tǒng)中增加了流量計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)字通信的方式將高精度差壓變送器測(cè)量的差壓信號(hào)傳遞到流量計(jì)算機(jī)，并由計(jì)量軟件實(shí)現(xiàn)寬量程、高精度的流量測(cè)量（流量測(cè)量精度優(yōu)于0.5%，范圍度20：1），必要時(shí)可實(shí)現(xiàn)分段修正測(cè)量誤差，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。廣東粵港供水公司向香港供水項(xiàng)目：東江—深圳供水改造工程（魯班獎(jiǎng)工程）應(yīng)用了數(shù)十套此類系統(tǒng)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以Rosemount3095MV為代表的新型多參量智能差壓變送器可以同時(shí)測(cè)量差壓、壓力和溫度，并安裝了符合ISO和API計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量軟件，可實(shí)現(xiàn)高精度的流量測(cè)量。用一臺(tái)儀表即可實(shí)現(xiàn)以前多臺(tái)儀表測(cè)量的過(guò)程，如與文丘里管等節(jié)流件配套使用也可以實(shí)現(xiàn)差壓式流量計(jì)技術(shù)的飛躍。
　　
　　3.3超聲流量計(jì)
　　
　　超聲流量計(jì)多用于非接觸測(cè)量流量，它具有不干擾流場(chǎng)、無(wú)壓力損失、無(wú)可動(dòng)易損零部件等優(yōu)點(diǎn)，從而在以給排水行業(yè)為中心的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前使用的超聲流量計(jì)多為便攜式，采用在管道外部夾持安裝的方式。由于其正常測(cè)量要求的直管段較長(zhǎng)，單聲道測(cè)量精度不高，多用于流量計(jì)的比對(duì)和檢測(cè)，直接用于出廠水計(jì)量的較少。采用多聲道（四聲道）和濕式管段安裝以后，可以進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確性，也是供水行業(yè)的新選擇之一。
　　
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　
　　針對(duì)水資源短缺問(wèn)題，城鎮(zhèn)供水行業(yè)對(duì)水流量的計(jì)量手段在不斷地更新，并應(yīng)用了較新的流量計(jì)量?jī)x表，這些儀表的技術(shù)水平代表了水流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展前景。
　　
　　通過(guò)分析常用的電磁流量計(jì)等流量?jī)x表的技術(shù)演變，流量計(jì)量?jī)x表等自動(dòng)化儀表呈現(xiàn)了以下的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：
　　
　　①大量應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。新型的流量計(jì)都具有智能化和網(wǎng)絡(luò)化的功能，通過(guò)采用單片機(jī)和軟件實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)高精度的測(cè)量，并提供了多種通信方式，如：HART協(xié)議、PROFIBUS，F(xiàn)F，CAN，MODBUS等現(xiàn)場(chǎng)總線；
　　
　　②采用新器件提高儀表性能。干擾和噪聲是影響流量計(jì)測(cè)量的重要因素，如何將有效的微弱信號(hào)從背景噪聲中分離出來(lái)并進(jìn)行處理是提高儀表性能的關(guān)鍵。DSP器件和電路可以提供出模擬信號(hào)處理以外更多的技術(shù)方案，某些企業(yè)已在做使用嵌人技術(shù)和DSP器件改良電磁流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器；
　　
　　③電磁兼容性技術(shù)（EMC）得到進(jìn)一步的重視。泵房電機(jī)等電氣設(shè)備的電磁輻射及大功率電氣設(shè)備引起的電網(wǎng)波動(dòng)等是影響智能化流量計(jì)正常工作的主要因素。抗ESD的PCB電路板布局和布線技術(shù)、開(kāi)關(guān)電源電磁干擾抑制EMI技術(shù)、PCB屏蔽和接地技術(shù)等已經(jīng)得到不同程度的應(yīng)用，也是工業(yè)自動(dòng)化儀表應(yīng)重點(diǎn)研究的課題；
　　
　　④計(jì)量軟件的作用越來(lái)越重要。采用計(jì)量軟件的流量計(jì)能夠提供高精度、寬范圍度的流量測(cè)量，并能夠提供一些特殊測(cè)量情況下的補(bǔ)償計(jì)算功能；
　　
　　⑤更好的易操作性。更方便的儀表接線和操作將是自動(dòng)化儀表的另一個(gè)努力方向。