超声波流量计在莱钢水计量中的应用

      1 莱钢水计量概况

      水的计量工作由动力部划归计控处后，计控处技术人员到现场熟悉、检查了计量设施的有关情况。目前莱钢绝大多数水计量仪表采用传统的机械式水表，技术非常落后。机械式水表精度等级一般只有±5.0%，这样最大允许正负偏差相差可达到10%。由于此种机械式水表容易损坏，校验也不方便，实际计量效果很差，现场计量结果也说明确实存在较大偏差。水表管径大小对水表计量结果影响较大，造成许多不必要的管道缩径，为二级单位用水造成较大的压力损失，产生了安装管径尺寸上的争议。机械式水表安装于地下表井的管道上，没有瞬时量，给工艺值班人员、计量、抄表人员均带来不便，计量数据更无法通过网络传输给管理人员。计控处计划对现有水表进行改造，特别是工业用水量计量表，经过对水计量有关技术和仪表资料的查阅和咨询，初步确定近期在莱钢采用超声波流量计。

      2 超声波流量计的特点

      基于微处理技术的超声波流量计，多数采用超大规模集成电路及低电压宽脉冲发射技术设计。在测量技术上，使用0.1ns超高分辨率时间测量电路，具有更高的分辨率和更大的测量范围。专门用于液体测量，最适合的测量介质就是水，自身功能完备，高精度、高可靠性、高性能、低功耗、抗干扰、使用方便。精度等级一般为4~1.0% ，而且可不用停产带压安装。该流量计一般可分现场传感器（探头）、传输电缆、显示主机三部分，其主机不仅可安装于值班室供值班人员观察，还可输出电流、脉冲等标准信号以及RS-232或RS-485接口通讯信号。探头有外夹式、插入式、法兰式等多种，显示主机分固定式和便携式，便携式主机可配备外夹式探头对在线运行的超声波流量计进行检查比对，安装只需十分钟。

      2.1 超声波流量计的测量原理

图1 测量原理示意图

      当超声波束在液体中传播时，流体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，这就是常用时差式超声波流量计的测量原理，其关系符合下列表达式

      V=MD/sin2θ ＊ △T/（Tup＊Tdown）

      其中：M —   为声束在液体的直线传播次数
               θ —   为声束与液体流动方向的夹角
               Tup    为声束在正方向上的传播时间
               Tdown为声束在逆方向上的传播时间
               △T = Tup- Tdown

      2.2 传感器的安装

      超声波流量计的安装在所有流量计中是最简单便捷的，只要选择一个合适的测量点、把测量点处的管道参数输入流量计中，然后把探头安装在管道上即可。

      2.2.1 传感器探头分类

      常用传感器有外夹式、插人式、管段式等几种。

      外夹式传感器：能够方便地进行管外流量测量，测量过程是将传感器贴装在管路外侧，该方式除适用于固定式外，也适合于便携式。外夹式安装需将管外壁安装位置打磨干净，然后用耦合剂将传感器贴于管路外壁，用专用装置固定。

      插人式传感器：由于外夹式传感器采用耦合剂贴于管路外侧，容易由于耦合剂的问题引起测量不稳定（信号接受状态变坏）。插人式传感器可避免耦合剂的问题，也可避免由于管内壁结垢带来的不稳定测量问题，能够在管路内壁严重结垢或流体含气的情况下，实现稳定可靠的测量。安装过程是用钻孔工具在不停产的情况下将传感器插人至管路内壁。

      管段式传感器：管段式传感器的主要特点是测量准确度高，已经过专门的出厂标定。采用标准法兰连接，安装时需要切开管路，但传感器可以不停产维修。

      2.2.2 选择测量点

      选择测量点要求一定的直管段，要选择流体流场分布均匀的部分，以保证测量数据准确。

      一般遵循以下原则：

      ◆ 要选择充满流体的管段，如管路的垂直部分或充满流体的水平管段。
      ◆ 测量点要选择距上游10倍管径，下游5倍管径以内的均匀直管段，没有任何阀门等干扰。
      ◆ 充分考虑管道内壁结垢状况，尽量选择无结垢管段测量。实在不能满足，可把结垢考虑为衬里以求较好的测量精度。
      ◆ 选择管材均匀致密，易于超声波传输的管段。

      如图2所标示三段均为理想管段。

图2 测量选点示意图

      2.2.3 安装探头

      传感器安装常用的有Z方式（图1所示即为Z方式安装的俯视图）、V方式（俯视图如图3所示），还有N方式和W方式，但不常用。一般在小管径时（管径100~300mm）可先选用V法；V法测不到信号或信号质量差时则选用Z法，管径在300mm以上或测量铸铁管时应优先选用Z法。N法和W法适合50mm以下细管道，但较难以掌握，较少使用。安装位置一般应选择两个探头在管道管轴水平方向上或与水平面夹角45o。

      2.2.3.1 V法

      V法一般情况下是标准的安装方法，使用方便，测量准确。可测管径范围为25mm至大约400mm。安装探头时，注意两探头水平对齐，其中心线与管道轴线水平一线。

图3 V方式安装俯视示意图

      2.2.3.2 Z法

      当管道很粗或由于液体中存在悬浮物、管内壁结垢太厚或衬里太厚，造成V法安装信号弱时，要选用Z法安装。原因是：使用Z法时，超声波在管道中直接传输，没有折射（单声程），信号损耗小。Z法可测管径范围100mm 至大约600mm。一般300mm以上的管道都要选用Z法。

      2.2.4 检查安装

      检查“安装”是指检查探头安装是否合适，是否能够接受到正确的、足够强的、可以使主机正常工作的超声波信号。安装的好坏直接关系到流量值的准确和机器长时间的可靠运行，主要通过主机检查两个参数：信号强度、信号质量。

      信号强度是指上下游两个方向上接收信号的强度。信号强度越大，测量值越稳定可信，越能长时间可靠的运行。信号强度与探头的安装位置调整、安装间距、管道情况有关。

      信号质量是信号好坏程度，尽可能调至现场能调到的最大可能值。

      检查管道参数，输人必须正确，否则流量计不能准确计量。

      2.3 组成测控网络系统

      为了通讯，可通过PC机及其他通讯设备实现。把流量计的标准串行口用适当的串行口电缆连接到上位机串口，在上位机上用软件发出适当命令，就可以使流量计发出应答信号。使用流量计的标识码作为网络地址码，使用相应命令集作为通讯协议，而使用流量计的电流环及OCT输出控制步进式或模拟式电磁阀的开度，继电器输出可控制其他设备的上下电，这样不仅可实现数据采集，还可实现远程控制。数据的传输硬件，在短距离时可直接使用RS-232或RS-485接口，在中长距离时可采用电流环或无线传输。通过以太网可以将数据传入企业MIS网实现整个公司内的数据共享。

      3 超声波流量计在焦化厂水计量中的应用

      莱钢有几个测量点采用了超声波流量计，其中焦化厂采用的是插入式，自来水厂采用的是外夹式，都运行稳定。以下就焦化厂采用超声波流量进行水计量的情况介绍一下。

      2003年焦化厂对水表管道进行改造，并安装了D300机械式水表两台，取代了原先缩径的D200和D250水表。从提高计量准确度和技术进步的角度，为杜绝因机械式水表寿命周期太短（一般平均为6个月左右）而频繁停水更换，并使水计量处于值班人员的实时监控状态，计控处要求安装超声波流量计。

      经联系采用了唐山美伦仪表公司的产品。2004年9月11日至13日安装超声波流量计，计控处和唐山美仑公司人员以及焦化厂、动力部共同对安装的超声波流量计和焦化安装的机械式水表进行了计量数据比对，并采用便携式超声波流量计进行了进一步确认。从9月中旬至10月上旬又进行了长时间的运行记录分析。实验比对数据如下所示：表1、表2两组数据。因比对时间短而且数据显示位于两地点，比对准确度略差；表3、表4两组数据时间段长，比对结果准确。

表1 9月12日13:40—9月12日14:30用西线

起码

止码

实用量

平均小时量

差值及%

超声波流量计

1415

1629

214

256.8

便携式流量计

170

380

210

252

-1.87%

机械式水表

23260

23474

214

256.8

0%

    实验数据表明，超声波流量计和便携式超声波流量计的计量数相符，说明超声波流量计的计量数据是准确可信的，而机械式水表的数据也存在相对稳定性，但绝对准确性难以保证，西线和超声波相符，差别非常小，而东线差别非常大，平均在18%左右。同样两台水表产生如此大的差距，说明从水表制造、检验、安装、使用都可能存在严重的问题，从侧面也说明其他部分在用水表也可能存在严重的偏差。本次焦化厂改造安装的D300水表并未被认可，原先缩径安装的D200和D250水表计量数据每月用量明显高出当前计量数据，原先每月平均在20万吨以上，高时更达到26万吨，而超声波计量出的准确数表明每月用量平均在18万吨左右，这又说明水表的计量数据常常不可信，改造水计量特别是大用量计量水表已是当务之急。经研究讨论，焦化厂用水结算数据改以超声波流量计抄表为准。

      超声波流量计在焦化厂的成功应用，为其他各厂采用超声波流量计进行水计量改造提供了依据，目前中型厂、热电厂、炼铁厂、轧钢厂、炼钢厂的水计量改造正在计划中，近期将逐步实施改造计划。

      4 结论

      水是一种特殊的资源，不能单单从经济角度来考虑。莱钢地区水资源严重缺乏，全部使用地下水，枯水期用水更为紧张，控制用水是莱钢当前生活、生产和长期发展的必然要求。计量数据对节约用水有着指导作用，超声波流量计的安装可改变莱钢水计量落后的状况，为莱钢下一步准确计量、严格控制用水提供依据。莱钢2005年要达到千万吨级钢的产量，用水将更为紧张，对水消耗更加重视，水价已由2元/m3提高到5元/m3 。

      全公司的水表都有可能出现偏差，有的可能偏大，有的可能偏小，这不利于用水考核和节水控制。针对现状计控处已作了相关准备，并到各厂做了更多的调查，以使莱钢的水计量尽快的、更多的采用先进的超声波流量计，产生更好的效果。