乌鲁木齐河供水系统流量计的技术特点和应用

张润杰

（新疆天山源水管理经营有限公司乌鲁木齐河管理处，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 乌鲁木齐河供水系统流量计简介

乌鲁木齐河供水系统中有 3 个水源地泵站，29 眼井，使用了 3 种流量计：八一闸水源地 12 眼井，使用电磁流量计；甘河子水源地 8 眼井，使用可拆卸螺翼式远传水表；西山水源地 9 眼井，使用电磁流量计。给水务集团供原水的交接处有以下 3 个计量点：1）八一闸水源地一水厂计量点，使用时差法超声波流量计，DN1000；2）东线供水计量点，使用电磁流量计；3）西山供水计量点，使用电磁流量计。给红雁池一、二电厂供水的有 2 个计量点，一电厂使用的是时差法超声波流量计；二电厂使用的是电磁流量计。

乌鲁木齐河供水系统流量计按测量原理分 2 类：1）电磁流量计，其原理是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，感应电动势和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量，其测量精度和灵敏度都较高，多用于测量水流量，可测最大管径达 2 m ，压损极小，但造价较高，且信号易受外磁场干扰；2）超声波流量计，时差法超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速影响声波本身传波速度的时差原理而设计的，它是由测流速来反映流量大小的，由于它可以制成非接触式（外夹在管外），对流体不产生扰动和阻力，并可与超声波水位计联动进行开口流量测量，所以很受欢迎。按流量计结构分为 2 类：1）接入式电磁流量计；2）外夹式超声波流量计。

2 乌鲁木齐河供水系统流量计的技术特点

2.1 不同地点使用不同的流量计

乌鲁木齐河供水系统根据不同的地点、管径、供水目的，使用不同型号的流量计。依据供水目的可分为 3 部分：1）打井抽取地下水汇集到蓄水池直接供生活用水，该部分主要指八一闸水源地，井深 20～30 m 不等，抽水量 150～180 m3/h，管径150 mm，主要使用 E-mag C 型电磁流量计；甘河子水源地，井深 150～200 m 不等，抽水量 180～200 m3/h，管径 150 mm，受到现场条件的限制同时考虑安全等问题，使用了 LXLJ-50Y～500Y 可拆卸螺翼式远传水表；西山水源地，井深 180～200 m 不等，抽水量 180～200 m3/h，管径 200 mm，主要使用了 KLOHNE IFM4080 电磁流量计，上述 3 个水源地的流量计都考虑了传输控制问题，能够接入 PLC 控制并有视频监控。2）直接给水务集团供水，需要双方认可方便计量收费，并考虑到管径大，精度高的要求，八一闸水源地一水厂计量点使用了 ACCUSONIC7510+C 型超声波流量计；东线红雁池水厂计量点使用了 IFM4100 DN800 电磁流量计；西山供水计量点使用了 E-mag C 型电磁流量计，DN800。3）直接给工业发电供水，要求管径大，计量准确，可以测量热水，随时能够传输数据，便于双方计量认可收取水费，红雁池一电厂使用的是型号为 KRC-1518 标准型超声波流量计，二电厂使用的是型号为 IFM4100 DN700 的电磁流量计。

2.2 实现流量数据自动传输

供水系统的流量计都配有数据接口，各监控点通过数据采集模块采集流量等数据，经过 RS-232/RS-485、Hart、Modbus（一般为 RS-232/RS-485）等数字通信接口与 GPRS 透明数据传输终端相连，通过终端内置嵌入式处理器对数据处理，协议封装后发送到网络，再通过 GPRS 网络与监控中心相连，各监控点使用统一的 STK/SIM卡，同时监控中心对各点进行登记，保存相关资料以便识别和维护处理，各信息采集点运行监控系统软件，支持 24 h 实时在线，实现采集点 24 h 不间断传送采集的信息数据。

GPRS 无线监控系统具备如下特点：1）良好的实时响应与处理能力，具有实时在线特征，系统无时延并能够同时收取、处理多个或所有监测点的各种数据，可以同步监测点的时钟，可以满足系统对数据采集和传输实时性的要求；2）远程仪器设备控制，由于采用 GPRS 双向传输系统，监控中心可以实现对仪器设备的时间校正，状态报告，开关及其它监控等功能；3）建设成本低，充分利用现有 GSM 网络、设备安装即接通，如采用超短波通信需充分考虑现场环境，还需配备天线铁架等附属设备；4）安装调试简单，建设周期短，利用 GSM 网络，系统投入运行时基本不需要调试；5）覆盖范围广，供水系统要求数据通信覆盖范围广、扩容无限制、接入地点无限制，能满足山区、跨地区的接入要求；6）数据传输率高，GPRS 网络传送速率理论上可达 171. 2 kbps，实际应用时数据传输速率在 40 kbps 左右；7）系统的传输容量大，监控中心要和每个监控点实现实时连接，由于监控点数量比较多，系统要求能满足突发性数据传输；8）通信费用低，GPRS 采用包月计费的方式，运营维护成本低，月通信费用在 200 元之内。

2.3 性能好、精度高、误差小

供水系统所用的流量计主要为电磁流量计和超声波流量计，管径在 150～1000 mm 之间，主要测量瞬时流量值和累计水量值，其精度为 ± (0.3～0.5) %，基本满足要求。在考虑供水流量计性能时需要考虑以下因素：

1）考虑测量瞬时流量和累计总量的因素，选择合适流量计，其仪表原理上是以测量流体流速推导出流量，响应快，适用于过程控制，有积算功能可获得总量。

2）准确度，流量计仪表整体测量准确度要求为多高，是在某一特定流量下使用还是在某一流量范围内使用，在什么测量范围内保持准确度，所选仪表的准确度能保持多久，是否易于重新校验，是否要现场在线校对仪表准确度，这些问题都必须考虑清楚。供水系统中的八一闸水源地一水厂流量计，红雁池一电厂的 8 台流量计都是靠在线校对仪表准确度的。如不是单纯计量总量，而是应用在流量控制系统中，则检测仪表准确度的确定要在整个系统控制准确度要求下进行，因为整个系统不仅有流量检测的误差，还包含有信号传输、控制调节、操作执行等环节的误差和各种影响因素，如操作执行环节通常有 2 % 左右的回差，对测量仪器确定过高的准确度（比如说 0.5 级）不合理，也不经济，八一闸水源地和西山水源地的井群流量计就考虑了此因素。就流量仪表本身而言，检测元件（或传感器）和转换/显示仪表之间的准确度可适当确定，如未经实际标定的均速管、弯管等差压装置误差在（0.25 %～ 5.00 %）F.S 之间，产品说明书所定的准确度是指基本误差，在现场使用环境下，动力、流体条件变化等将产生附加误差。现场使用准确度受基本误差与影响量产生的附加误差影响，如影响量大，附加误差可能远远超过基本误差。

3）流量范围度为上限、下限流量的比值，其值越大，表示流量范围越宽。八一闸水源地一水厂的流量计的流量范围度可达 1500∶1。

安装这些流量计时的检定问题，是非常重要的。对于电磁流量计的检定，特别是大口径流量计的检定，由于电磁流量计拆装和运输都很麻烦，而且费用很高，一般不轻易送检。现在常用的办法是检查和对比方法。检查方法是根据流量计出厂时提供的校验单，用流量计厂家提供的校验仪表对转换器进行校验，有时也对传感器本身进行校验，看是否与原始校验单有出入，如有误差则进行调校；对比的方法是用便携式流量计（如：超声波流量计）对固定式的流量计进行对比，对比的方法要求现场要有较好测试条件，如直管段要满足要求，要有足够的操作空间，管道最好没有衬里、管道要圆等。最好的办法是在设计流量计安装位置时就将流量计井做得足够大，留有对比用便携式流量计的安装和操作空间，而且要专门设计 1 条不锈钢短管，不加任何衬里，用于比对测量，这样可以大大提高测量精度。对比的方法一般只能定性说明电磁流量计有无故障，不能用于对电磁流量计进行调校，因为一般便携式流量计的精度要低于电磁流量计的精度。在有些场合是必须要送检的，比如，产生贸易纠纷了，供需双方又不能通过协商解决的，就必须送检了，送检时要注意保护流量计处于原工作状态，最好贴上封条，并派技术人员到检定现场，监督整个过程，以避免不必要的误解和疏忽。

在安装中考虑了诸因素，供水系统流量计具有性能好、精度高、误差小的技术特点。

2.4 流量计应用技术特点

2.4.1 电磁流量计应用技术特点

电磁流量计的特点是：1）变送器结构简单，没有可动部件，也没有任何阻碍流体流动的节流部件，当流体通过时不会引起任何附加的压力损失，同时它不会引起诸如磨损、堵塞等问题；2）它是一种体积流量测量仪表，在测量过程中，不受被测介质的温度、粘度、密度及电导率（在一定范围内）的影响；3）量程范围极宽，同一台电磁流量计的量程比可达 1∶100，此外，电磁流量计只与被测介质的平均流速成正比，而与轴对称分布下的流动状态（层流或紊流）无关；4）无机械惯性，反映灵敏，可以测量瞬时脉动流量，且线性好，因此，可将测量信号直接用转换器线性地转换成标准信号输出，可就地显示，也可远距离传输；5）转换器采用表面安装技术（SMT），具有自检和自诊断功能。

2.4.2 超声波流量计应用技术特点

超声波流量计的主要特点为：1）是非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体及大管径流量；2）均可管外安装，非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大的超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比优越，多普勒法超声波流量计可测双向介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量也可用于气体测量，管径的适用范围为 0.02～5.00 m，最大测量管径为 15 m，从几米宽的明渠、暗渠到 500 m 宽的河流都可适用；3）流量测量准确度几乎不受被测流量体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题；4）鉴于超声波流量计的非接触测量特点，再配以合理的电子线路，1 台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。

2.5 具有完整的管理系统软件的特点

乌鲁木齐河供水系统流量计，设置了 6 个监控子系统，约 42 个监测点，每个子系统集是一类具体功能模块的集合，通过系统菜单整合在一起，系统配置硬件最低要求奔腾级计算机，至少是 32 M 内存。使用 Microsoft Windows95/98/2000/xp 操作系统，管道流量监测系统软件 V1.0，Microsoft Excel 表格编辑软件，监测软件为绿色软件，无需安装，直接拷贝程序目录即可。管理系统软件具有实时监测、流量明细查询、流量按日汇总、流量按月汇总，并能统计、制表和绘图，从而实现管道流量实时监测和历史数据存档、归类、检查和管理功能。

3 乌鲁木齐河供水系统流量计的应用效果

1）使供水与用水户之间的矛盾越来越小，因为在安装流量计时双方都在现场进行监督都已认可，有利于结算水账，同时也检查出了安装流量计前后的水量误差，消除了估算带来的许多问题，从安装到参数设定，双方均在场认可，这样，既节省了时间，又提高了效益。

2）找到了多年来因为估算水量而带来的水量平衡的误差，过去此误差在 2.5 % 左右，其中存在人为的误差或为了达到允许的范围，人为估算其它水量，进缺补进，出缺补出，现在误差有所减少。

3）乌鲁木齐河供水系统包括原水的供应，东线的供水，红雁池一、二电厂的供水实际供应的都是原水—乌拉泊水库的水。平常情况下，水的浊度较河水低，但到 6、7、8 月份的汛期，水库水的浊度就比较高，采用的电磁流量计和超声波流量计正适合浊度较高的液体[1]。

4）乌鲁木齐河供水中的八一闸水源地、西山水源地和甘河子水源地出厂的水一般为纯净的井水，可直接供应自来水，对出厂水的计量传统采用人工观测（看水表），这种方法误差大，采用电磁流量计或超声波流量计，避免了人工误差，使其准确度等级完全能够满足生产的需要。在售水计量上，选用电磁流量计或超声波流量计，不但节能降耗，而且从功能上也是一种最好的实现形式。

5）电磁流量计和超声波流量计精度高，线性好，运行稳定，提高了计量的准确性和数据的可信度，克服了有些仪表运行不太稳定造成的测量数据不可信问题。红雁池二电厂使用的电磁流量计，经过现场便携式超声波流量计比对，误差均在生产允许的控制范围之内，增强了对仪表的信任程度，结束了按水泵的线性曲线计算水量的不科学计量方法，切实做到以仪表采集数据为准，避免了人为因素。

6）电磁流量计和超声波流量计结构简单，传感器没有可动部件，不存在因机械运行磨损或杂质缠绕而产生的测量误差或仪表故障，因此故障率很低，维修量大大减少，节约了大量人力物力。

7）电磁流量计和超声波流量计都有多种接口电路，可以方便地与数据采集终端或计算机联接，数据采集、分析、管理自动化，供水量和原水量的原始数据都进行了计算机采集与传输网络，大大提高了计量检测数据的真实性和公正性，为计量检测的科学化、规范化打下了坚实的基础。

8）应用流量计过程中存在的难点、故障及解决方法。乌鲁木齐河供水系统中所用的电磁流量计和超声波流量计，具有较高的稳定性，仪表设备本身一般很少发生故障。但是由于环境条件的变化或安装工况条件所限，也发生了一些问题或故障，问题或故障主要表现为：a）没有满足流量计的安装条件，电磁流量计对管道的直管段要求较高，在新建水厂设计时可以尽量满足，而对于加装来说，以上条件就变得几乎苛刻，乌鲁木齐河供水系统的流量计大部分是加装的，由此影响了测量稳定性，其解决办法为加装整流管或调节阀以改善流动特性；b）被测水的流速过低影响测量的精度，特别是在一些水源地的井群出水量处安装的流量计，由于水泵出水小（时间长，出水量压力小，水泵老化）而造成流速过低，其解决办法是尽量更换水泵；c）管道水中有气，造成测量波动大影响稳定性（比如八一闸水源地一水厂安装流量计处就有此种情况，最后改进排气孔），其解决办法要设法找到气的来源并加以解决，必要时在管道中加装排气阀或设排气孔；d）雷击造成电磁流量计的转换器损坏，以致无法测量，其解决办法为在转换器信号输入端，励磁电流输入端和工作电源端分别加装相应的避雷器；e）流量计要 24 h 运行，不能掉电，在 GPRS 传输中，也不能掉电，停电会造成数据断档，累计数据有误，解决的办法是配备 UPS 备用电池组在断电时自动供电。

4 结语

随着社会经济的发展，供水对计量的要求越来越高，流量计的发展空间也越来越大，从乌鲁木齐河供水系统流量计应用的效果看，流量计在供水服务工作中成效显著，表明流量计的建设是供水服务的发展方向，应加强、加快流量计普及的进程，开创供水现代化建设的新局面。

[1]宋丽春. 谈超声波流量计在供水中的应用[J]. 城市质量监督，1999 (5): 45-48.