浅谈超声波明渠流量计在污水排放中的应用

黄建军,蒙新德,肖茂新

（中国石油乌鲁木齐石化公司 化肥厂，乌鲁木齐 830019）

0 引言

中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国，能源供应持续增长，为经济社会发展提供了重要的支撑。能源消费的快速增长，为世界能源市场创造了广阔的发展空间。中国已经成为世界能源市场不可或缺的重要组成部分，对维护全球能源安全，正在发挥着越来越重要积极作。

中国政府正在以科学发展观为指导，加快发展现代能源产业，坚持节约资源和保护环境的基本国策，把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，努力增强可持续发展能力，建设创新型国家，继续为世界经济发展和繁荣作出更大贡献。实施水资源节约项目，加快水污染治理工程建设是现代企业所必须关注的当务之急。

乌石化公司化肥厂自建成投产以来就重视环保工作，不断加大资金、技术投入、改进和完善环保设施，积极发挥其效益。随着二化肥的建成投产，厂里在强化管理、提高效益的同时，更注意社会效益，对环保、节能减排提出了更高的要求，力争年年实现全面达标。

众所周知，化肥生产过程是一个需投入大量新水、脱盐水、蒸汽、原燃料及辅助化工材料,并通过一定的工艺尽可能地将物料加以循环回收再利用，以求能耗、物耗和成本的最低化。但仍免不了排放一定的废料。其中通过地下管网排放污水便是一例。为了使此量得到有效控制，通常由质检部门定期取样分析水中有害物含量，经信息的及时反馈，由环保部门督导生产车间调整操作把排污水中的有害物含量降到国家或行业指标以下。但污水排量的多少始终无法检测，过去由环保管理者根据经验目测污排量的大小，并以此要求相关车间加以控制。为此，厂里决定在污排管网上加装流量计，经1998年的实施达到了目的。下面，从几点浅谈超声波明渠流量计在一、二化污水排放中的应用。

1 问题的提出

本厂的节能减排排污管网通常是由大口径地下的水泥管道或明暗渠构成，这就给目前用的各种流量计施工安装、维护标定带来了麻烦。为选择合适的流量计，本厂先从已有的各种流量计特点和原理上加以简述对比，以证实问题的存在。

1.1 电磁流量计

它是基于介质导电率（电磁感应）大小来测流量的多少。一般都为管道式或插入式安装[1]。而外排污水中成分含量多样化，且变化波动频繁，这就造成电导率的不稳定，加之水中杂质多，其电极需与污水接触（水温变化在10℃～70℃）。因此，仪表使用一段时间后，流道与电极点便会积垢导致测量性能下降，严重影响计量数据检测的真实性。另外，此类表口径越大价格越贵，加上拆装送检极为不便，故不合适选用。

1.2 旋涡流量计

它基于自然振荡的卡门旋涡分离原理工作。其旋涡发生体必须与测量介质相触，即插入污水中也会由于积垢附着在流道或发生体上（甚至出现较大的脏物卡在旋涡发生体上）造成检测精度降低，严重则会使表损坏。同样，也存在大口径价位高，拆装检定难的问题。

1.3 质量流量计

它是目前精度最高的一种流量仪表。但与排污管相对应的大口径表还没有生产出来（Ф350mm以上），既使有也会因此类表的传感器外型尺寸过大（至少6m2）给施工安装带来不便，给维护、检定造成困难。同样这类表的价格更贵，使费效比变得不可取（11/2吋表价即为15万元）。另外，污水的特点必然会给传感器的正常运行带来麻烦。

1.4 转子流量计

它是利用流体力学中节流装置恒压差原理实现测量。这类表通常需垂直装于管道中（介质由下向上流动），对粘度高的脏污介质不主张使用[1]。而排污管网大部为水平布置，难找垂直段，同时水中的杂物较多，会造成转子位移时的卡塞、堵塞、磨损加速，所以被选用的可能更小。

1.5 靶式流量计

它是基于流量能量形式的转换和力矩平衡原理工作。介质的感测部分为靶板，它位于流体管道的中心点上，垂直面向介质流动方向。使用中会面临靶板、流道因结垢、污脏物阻塞和粘挂等问题，造成力矩平衡点被破坏测量失准，最终陷入无法正常工作的境地。

1.6 涡轮或萝茨流量计

前者是由介质的流动来推动涡轮旋转，以切割磁力线而产生与涡轮速度成正比的脉冲。其涡轮旋转越快产生的脉冲越多，表明介质流量越大。而后者是基于进、出口形成的压力差为动力来测介质体积流量的。但从二者原理可见，其测量均靠部件与介质的充分接触来获得动能。这就必然发生污水中的杂质脏物堵、卡和结垢，最终导致测量失灵，严重则造成前滤网堵塞污水溢出的后果。

1.7 用孔板、喷嘴、文丘里管与差变组合的测量方式

这些方式更难以胜任，因产生的差压会由于污水中的杂质进入导压管淤积或结垢导致压损增大测量失准，甚至会产生堵塞一道伐、导压管及差变正负压室的现象。此点在本厂一化侧新水及循环水的差变中都时常发生。

综上分析可知，要实现对污水排放量的有效计量，必须采用非接触式流量计。经探讨咨询，认为唯一可考虑的是管道外壁粘贴式超声波流量计（如计量站用的便携式超声波流量计）。但通过对其说明书技术指标规格及要求的核实，证明其存在一定的局限性：1）被测介质中的各类成分含量变化应相对恒定，管道必须充满介质；2）管道为金属材质内壁不能结垢太多，否则表的测量误差较大无法正常工作。而本厂现污排管网：第一，为水泥预制的明暗渠；第二，污水不可能处于充满状态（环保的目的就是尽可能减少污水排量）。显然这种流量计也满足不了要求。经与环保部门对接，结合已有信息提出：①在二化排污线上找一段平直足够长的水泥暗渠，掀开5m～8m盖板做成明渠（为今后清污创造条件）；②选测量稳定精度高安装维护检修方便的非接触式流量计；③流量计能就地显示瞬时/积累量，具有远传4mA～20mA标准信号功能，以实现对一、二化排污量的计量。

2 选型

通过1997年底1998年初环保部门牵头，有关单位的协调施工，首先完成了对排污暗渠部分改明渠的工作（此段明渠的宽为800mm，深为1200mm）。后经确认，选用了德国E+H 公司的超声波明渠流量计。如图1所示。

2.1 明渠流量计的组成

2.1.1 卡发基文丘里渠

QV306型（根据图纸尺寸用水泥预制而成）。

2.1.2 超声波探头

FDV80-RG1A型（导线与探头为一体化，可防腐、防雨水）。

2.1.3 超声波智能变送显示器

FMU861-RIBIA3型（具有设定，故障诊断功能），电源为(180～)230V)AC。

2.1.4 智能流量液晶数显仪

WP-L61803-02AAGHLP，电源为(180～)230V)AC。

2.2 明渠流量计的工作原理

2.2.1 卡发基文丘里渠

它的工作原理类似于管道中装的一次测量元件文丘里管。当污水在明渠的平稳段流动进入卡发基文丘里渠时，会产生一个大的落差，使之加速通过下游明渠[2]。由于卡发基文丘里渠入水段较短，且收缩处理呈圆弧状，加之选择了与明渠宽度想匹配的长度，使得摩擦损失降到了最小（可忽略不计）。而下游段的扩展又较缓慢（1：8），这就大大降低了流体的动能损失，为获取理论计算与实测值间的平均偏差≤1%创造了条件，如图2所示。

2.2.2 超声波探头

它是基于声波在遇到介质时会被吸收减弱，同时发生反射、折射现象产生超声脉冲的原理来检测介质的量。其具有以下特点：

1）探头是整体非接触式的，无可动部件，不受光线，粉尘，腐蚀性高、粘度大、毒性强等物质及固体物的影响，能实现对介质流量的连续测量。

2）具有对污物和产生的结垢不敏感的特性，还可选择一体化加热器来防止探头表面结冰，而且安装固定简单方便，与智能变送显示器的连接线长度可任选（5 m～30m）。

3）其盲区为0.3m，在23℃时的工作频率为58KHZ，工作温度为-20℃～60℃，所处环温为-40℃～60℃，相对湿度为100%，最大工作压力0.2MPa。探头外壳所用材料为高压聚四氯乙稀，如图3、图4所示。

2.2.3 超声波智能变送显示器

它通过把探头射出的超声波经介质的反射而被探头作为回波信号接收，并依据超声的运行时间计算出介质的流量。其可通过面板上的键盘来做相关参数的设定，由上图3可见，仪表工可依据操作规程在现场快速简捷地实施设定。即用V（竖直）和H（水平）键进行对话输入，用“+”，“—”和“--”键输入参数，用“E”键进行储存。从而达到对该测量回路的有效检查，标定和投用。另外，该表可采用现场挂壁或表箱内支架方式安装，并将标准信号4mA～20mA送入主控二次表显示监控。

2.2.4 智能流量液晶数显仪

它是一台可架装或盘装的二次仪表，其有完备的参数运算设定功能，可接收来自热偶、热阻、压力、流量等多种测量信号（以实现补偿），能根据要求选择0mA～20mA或4mA～20mA的DC信号作为输入或输出(具体接线以回路的设计要求及所用场合按说明书执行)。通过与超声智能变送显示器输出相接实现对介质流量的监控，为巡检查抄数据提供方便。

3 施工安装及投用

3.1 施工安装

1）依据环保部门提供的参数，即二化外排污水Qmax=400m3/h，Qmin=80m3/h及Q（常）=250～280m3/h。在参阅该表说明书基础上，最终选定的卡发基文丘里渠土建施工尺寸为QV306型。因其尺寸与二化排污渠相当，施工难度不大，故可满足测量要求，如图5、6、7所示。

2）根据选定尺寸结合二化已施工成形的排污明渠尺寸制定了可行有效的土建施工方案，在明渠前后各预制一段与卡发基渠文丘里明渠入/出口尺寸相等的引渠（长度分别为20m和10m），以保污水入/出卡发基明渠前流动平稳。

3）按超声波流量计说明书的要求，为保证超声波探头在安装时能方便地上下左右移动。则在土建施工中就制作了支撑面，即用一钢板埋入水泥渠壁侧面并焊接出几组固定螺杆，以备调整固定之用。在安装探头时，根据实际制做了可调余地大的不锈钢支架。

4）按接线安装要求从一化主控旧盘引220V AC供电电缆，同时在现场加装表箱。随后固定智能变送显示器和液晶数显仪。

5）整个回路安装完供电预热，然后用钢卷尺量出探头到水渠底的距离L，再按说明书参数设定一览表，结合回路所测污水的工艺参数和要求，逐一通过智能变送显示器的操作矩阵区输入选定参数，并把输入参数记录下来以备今后核查。同时对液晶数显仪设定，该表便被投用。

4 运行效果的评价及维护要求

4.1 运行效果的评价

该流量计于1998年9月中旬投用到今年4月，时间达15年半之久，从每月查抄的数据分析可知，其测得的二化污水排量与新水补量之比为1：2，即污水排量是总新水补量的50%左右，其远低于公司环保排放量和考核指标。若按原排放量收费显然高了，原收费标准：污排量=（新水补量×80%）×0.05元(未装计量表的收费指标)。当装流量计后，以数据为准收费，费用明显下降，利于成本核算。

4.2 维护要求

1）仪表维护人员必须每周对该表进行两次巡检，查看污水在渠中的高度（深度）变化，以判定其与表显值是否相一致。同时定期打扫表箱表体及探头卫生，保证其清洁干净。

2）生产车间应根据情况不定期清理明渠底部与渠壁的污垢淤积，以防污水位上抬使测量不准，排污收费增加成本上升。但在做此工作时禁止碰移探头,避免使其损坏或变位。

3）每季度仪表维护人员必须测一次渠底到探头和污水面的距离，以便检查确认智能变送显示器所设参数，并适当地修正液晶数显仪参数，以确保测量回路始终处于准确度±1%内运行。

5 故障现象汇总及表征[2]

1）出现错误代码“E613,E614”,仪表显示在固定状态报警，报警指示灯红灯亮，瞬时流量值和积算值都不变化。

2）出现错误代码“E601,E602”,仪表显示报警状态，红灯亮，无流量显示。

3）出现错误代码“E641,E642”,仪表显示报警状态，红灯闪烁，现场超声波探头工作异常，声响较大且频繁，流量显示保持工作状态，但不变化。

4）测量值不准确，过小或过大，流量值波动范围大。

6 解决办法

1）针对标题5中的1）所列故障，检查仪表设备是否处于模拟模式，或开关操作模式被非法设置，清除错误并重新设置开关模式。

2）针对标题5中的2）所列故障，检查线性化通道是否故障，假若V2H0～V2H9中单一数值即不增加，也不减少，重新设置曲线参考点，重设线性化通道类型。现场确认发生体探头距离介质液面高度是否处于探头盲区（300MM以下），或者渠道被堵塞，已造成探头被淹或故障。重设探头位置，并清理渠道堵塞物，畅通水渠。

3）针对标题5中的3）所列故障，先确认发生体探头是否工作正常，此时探头工作应频率平顺，声响温和。再检查电源系统是否故障，并确认探头安装位置不在盲区。假若错误清除不了，联系厂家查找CPU故障。

4）针对标题5中的4）所列故障，检查探头是否完好，检查探头和被测液面距离不在盲区。再检查空流量标定和满流量标定值是否正常，必要情况进行重新标定。

7 结束语

总之，通过超声波明渠流量计在一、二化排污系统中的应用，为解决类似的问题提供了经验，使化肥总排污水流量的计量检测变得简单易行。更重要的是它为环保部门实施有效的污排监控提供了准确的数据依据，为最终做好环保工作和节能减排做出了积极的贡献。

[1]王森,朱炳兴,周庆人,等.仪表工试题集[M].北京:化学工业出版社,2011.

[2]德国E+H 超声波明渠流量计.FMU861-RIBIA3型仪表说明书[Z].