污水流量測量中流量計的選型

摘要：環保產業對污水流量的測量和控制的精確度、可靠性要求已越來越高，文章介紹了電磁式、渦街式、節流式等幾種流量計的選型設計，結合水處理工藝，從理論和實踐兩方面闡述各自的特點。  
    國外一位流量專家F.C.Kinghoro曾說過，流量計是少數幾種使用比制造艱難的粘性摩擦作用，還會產生不穩定的旋渦和二次流等復雜流動現象。測量儀表本身受到眾多因素，如：管道、口徑大小、形狀（圓形、矩形）、邊界條件、介質的物性（溫度、壓力、密度、粘度、臟污性、腐蝕性等）、流體的流動狀態（紊流狀態、速度分布等）以及安裝條件與水平的影響。面對國內外十幾類、上百個品種的流量儀表（先后發展起來的容積式、差壓式、渦輪式、面積式、電磁式、超聲波式和熱式流量計等類型），如何根據流量、流態、安裝要求與環境條件、經濟性等因素合理選型，是應用好流量儀表的前提和基礎。除了儀表自身質量要得到保證，工藝數據的提供和儀表的安裝、使用、維護是否合理也相當重要。本文介紹電磁式、渦街式、節流式等幾種流量計的選型設計。 
    1.電磁流量計選型設計 
    電磁流量計自20世紀50年代末國內首次工業應用以來，七八十年代在流量測量中運用和發展很快。電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應定律，即被測介質垂直于磁力線方向流動，因而在與介質流動和磁力線都垂直的方向上產生一感應電動勢EX感應電動勢EX與被測介質流量（流速）成正比，電磁流量計不受溫度、壓力、粘度、重度等外界因素的影響，測量管內部無收縮或凸出部分的壓力損失，另外，流量元件檢測出的最初信號，是一個與流體平均流速成精確線性變化的電壓，它與流體的其他性質無關，具有很大的優越性。 
    根據污水具有流量變化大、含雜質、腐蝕性小、有一定的導電能力等特性，測量污水的流量，電磁流量計是一個很好的選擇。它結構緊湊、體積小，安裝、操作、維護方便，如測量系統采用智能化設計，整體密封加強，能在較惡劣的環境下正常工作。可選用氯丁橡膠襯里，含鉬不銹鋼（OCrI8Ni12Mo2Ti）電極的電磁流量計，即可滿足污水流量測量的要求。 
    某冶煉廠在生產中，由于生產工藝的需要，會產生大量的工業污水，污水處理分廠必須對污水的流量進行監控。在以往的設計中，流量儀表不少都選用旋渦流量計和孔板流量計。而實際應用中發現測量的流量顯示值與實際流量偏差較大，而改用電磁流量計偏差大大減小。 
    2.渦街流量計選型設計 
    渦街流量計作為一種新型流量計，80年代中期以來發展較快，它在流量測量方面有著諸多的優點和長處，在現代流量測量中應用越來越廣泛。在國內使用渦街流量計進行流量測量也愈來愈得到重視，目前我國已有性能優良并有自主知識產權的產品系列。渦街流量計是基于流體振動發展起來的，根據旋渦的不同，檢測方式從熱絲式、熱敏式逐漸發展了應力式、磁敏式及差動開關電容式、超聲波式等。渦街流量計幾乎可用于一切可形成旋渦列的場合，不僅可用于封閉的管道，還可用于開放的溝槽。與渦輪流量計相比，渦街流量計沒有可動的機械部件，維護工作量小，儀表常數穩定；與孔板式流量計相比，渦街流量計測量范圍大，壓力損失小，準確度高，安裝與維護簡單。但渦街流量計的環境相關參數較多，容易在使用現場被忽略而影響流量計性能的正確發揮。 
    渦街流量計的原理是在流量計管道中，設置一滯流件，當流體流經滯流件時，由于滯流件表面的滯流作用等原因，在其下游會產生兩列不對稱的旋渦，這些旋渦在滯流件的側后方分開，形成所謂的卡門（Karman）旋渦列，兩列旋渦的旋轉方向是相反的，卡門從理論上證明了當h/L=0.281（h為兩旋渦列之間的寬度，L為兩個相鄰旋渦間的距離）時，旋渦列是穩定的雷諾數Re是表征粘性流體流動特性的一個無量綱數，其物理意義是流體流動的慣性力與粘滯力的比值。因此，流體的流動狀態對渦街流量計的使用也有一定的影響。如果環境參數對流體流動狀態有影響也會影響到渦街流量計的使用性能。 
    經過實踐，如下幾個方面對渦街流量計的使用都有影響，應對這些問題進行分析。 
    （1）渦街流量計的測量范圍較大，一般10：1，但測量下限受許多因素限制：Re＞10000是渦街流量計工作的最基本條件，除此以外，它還受旋渦能量的限制，介質流速較低，則旋渦的強度、旋轉速度也低，難以引起傳感元件產生響應信號，旋渦頻率f也小，還會使信號處理發生困難。測量上限則受傳感器的頻率響應（如磁敏式一般不超過400Hz）和電路的頻率限制，因此設計時一定要對流速范圍進行計算、核算，根據流體的流速進行選擇。使用現場環境條件復雜，選型時除注意環境溫度、濕度、氣氛等條件外，還要考慮電磁干擾。在強干擾如高壓輸電電站、大型整流所等場合，磁敏式、壓電應力式等儀表不能正常工作或不能準確測量。 
    （2）振動也是該類儀表的一大勁敵。因此在使用時注意避免機械振動，尤其是管道的橫向振動（垂直于管道軸線又垂直旋渦發生體軸線的振動），這種影響在流量計結構設計上是無法抑制和消除的。由于渦街信號對流場影響同樣敏感，故直管段長度不能保證穩定渦街所必要的流動條件時，是不宜選用的。即使是抗振性較強的電容式、超聲波式，保證流體為充分發展的單向流，也是不可忽略的。 
    （3）介質溫度對渦街流量計的使用性能也有很大的影響。如壓力應力式渦街流量計不能長期使用在300℃狀態下，因其絕緣阻抗會由常溫下的10MΩ～100MΩ急降至1MΩ～10KΩ，輸出信號也變小，導致測量特性惡化，對此宜選用磁敏式或電容式結構。在測量系統中，傳感器與轉換器宜采用分離安裝方式，以免長期高溫影響儀表可靠性和使用壽命。  
    渦街流量計是一種比較新型的流量計，處于發展階段，還不很成熟，如果選擇不當，性能也不能很好發揮。只有經過合理選型、正確安裝后，還需要在使用過程中認真定期維護，不斷積累經驗，提高對系統故障的預見性以及判斷、處理問題的能力，從而達到令人滿意的效果。 
    3.節流式流量計選型設計 
    節流式流量計是早期大量使用的一種測量流量的計量裝置，其歷史最長，用量最多。現在常見的為圓孔板型和錐形入口板型，其工作原理是在流體管道中加入一孔板節流件，通過導壓管引入壓差變送器測出節流件上、下游的壓差，根據所測的壓差經過計算即得出流量的瞬時值。由于導壓管內水的不流動性，在較寒冷地區，冬天室外安裝的孔板取壓管容易凍裂（凍住），使差壓儀器無法正常工作。測量較臟的污水時，孔板需經常清洗。如清洗不及時，測量精度降低，取壓管經常被污物堵死，儀表無法使用。用孔板的方式測流量時還有壓力損失大、維護量大等缺點。因此改變取壓方式，例如用徑距取壓法，就可以減少孔板污物的影響。 
    4.結語 
    以上幾種污水流量測量流量計中，電磁流量計性能較好，節流流量計應用范圍廣，而渦街流量計比較新型，并正在不斷發展。只有了解這幾種流量計各自的性能，才能對流量計選型設計好，使污水流量的測量和控制達到精確度和可靠性要求。