淺談超聲波明渠流量計在污水排放中的應(yīng)用

黃建軍,蒙新德,肖茂新

（中國石油烏魯木齊石化公司 化肥廠，烏魯木齊 830019）

0 引言

中國是目前世界上第二位能源生產(chǎn)國和消費國，能源供應(yīng)持續(xù)增長，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供了重要的支撐。能源消費的快速增長，為世界能源市場創(chuàng)造了廣闊的發(fā)展空間。中國已經(jīng)成為世界能源市場不可或缺的重要組成部分，對維護全球能源安全，正在發(fā)揮著越來越重要積極作。

中國政府正在以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，加快發(fā)展現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會放在工業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略的突出位置，努力增強可持續(xù)發(fā)展能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家，繼續(xù)為世界經(jīng)濟發(fā)展和繁榮作出更大貢獻。實施水資源節(jié)約項目，加快水污染治理工程建設(shè)是現(xiàn)代企業(yè)所必須關(guān)注的當務(wù)之急。

烏石化公司化肥廠自建成投產(chǎn)以來就重視環(huán)保工作，不斷加大資金、技術(shù)投入、改進和完善環(huán)保設(shè)施，積極發(fā)揮其效益。隨著二化肥的建成投產(chǎn)，廠里在強化管理、提高效益的同時，更注意社會效益，對環(huán)保、節(jié)能減排提出了更高的要求，力爭年年實現(xiàn)全面達標。

眾所周知，化肥生產(chǎn)過程是一個需投入大量新水、脫鹽水、蒸汽、原燃料及輔助化工材料,并通過一定的工藝盡可能地將物料加以循環(huán)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廢料。其中通過地下管網(wǎng)排放污水便是一例。為了使此量得到有效控制，通常由質(zhì)檢部門定期取樣分析水中有害物含量，經(jīng)信息的及時反饋，由環(huán)保部門督導(dǎo)生產(chǎn)車間調(diào)整操作把排污水中的有害物含量降到國家或行業(yè)指標以下。但污水排量的多少始終無法檢測，過去由環(huán)保管理者根據(jù)經(jīng)驗?zāi)繙y污排量的大小，并以此要求相關(guān)車間加以控制。為此，廠里決定在污排管網(wǎng)上加裝流量計，經(jīng)1998年的實施達到了目的。下面，從幾點淺談超聲波明渠流量計在一、二化污水排放中的應(yīng)用。

1 問題的提出

本廠的節(jié)能減排排污管網(wǎng)通常是由大口徑地下的水泥管道或明暗渠構(gòu)成，這就給目前用的各種流量計施工安裝、維護標定帶來了麻煩。為選擇合適的流量計，本廠先從已有的各種流量計特點和原理上加以簡述對比，以證實問題的存在。

1.1 電磁流量計

它是基于介質(zhì)導(dǎo)電率（電磁感應(yīng)）大小來測流量的多少。一般都為管道式或插入式安裝[1]。而外排污水中成分含量多樣化，且變化波動頻繁，這就造成電導(dǎo)率的不穩(wěn)定，加之水中雜質(zhì)多，其電極需與污水接觸（水溫變化在10℃～70℃）。因此，儀表使用一段時間后，流道與電極點便會積垢導(dǎo)致測量性能下降，嚴重影響計量數(shù)據(jù)檢測的真實性。另外，此類表口徑越大價格越貴，加上拆裝送檢極為不便，故不合適選用。

1.2 旋渦流量計

它基于自然振蕩的卡門旋渦分離原理工作。其旋渦發(fā)生體必須與測量介質(zhì)相觸，即插入污水中也會由于積垢附著在流道或發(fā)生體上（甚至出現(xiàn)較大的臟物卡在旋渦發(fā)生體上）造成檢測精度降低，嚴重則會使表損壞。同樣，也存在大口徑價位高，拆裝檢定難的問題。

1.3 質(zhì)量流量計

它是目前精度最高的一種流量儀表。但與排污管相對應(yīng)的大口徑表還沒有生產(chǎn)出來（Ф350mm以上），既使有也會因此類表的傳感器外型尺寸過大（至少6m2）給施工安裝帶來不便，給維護、檢定造成困難。同樣這類表的價格更貴，使費效比變得不可?。?1/2吋表價即為15萬元）。另外，污水的特點必然會給傳感器的正常運行帶來麻煩。

1.4 轉(zhuǎn)子流量計

它是利用流體力學(xué)中節(jié)流裝置恒壓差原理實現(xiàn)測量。這類表通常需垂直裝于管道中（介質(zhì)由下向上流動），對粘度高的臟污介質(zhì)不主張使用[1]。而排污管網(wǎng)大部為水平布置，難找垂直段，同時水中的雜物較多，會造成轉(zhuǎn)子位移時的卡塞、堵塞、磨損加速，所以被選用的可能更小。

1.5 靶式流量計

它是基于流量能量形式的轉(zhuǎn)換和力矩平衡原理工作。介質(zhì)的感測部分為靶板，它位于流體管道的中心點上，垂直面向介質(zhì)流動方向。使用中會面臨靶板、流道因結(jié)垢、污臟物阻塞和粘掛等問題，造成力矩平衡點被破壞測量失準，最終陷入無法正常工作的境地。

1.6 渦輪或蘿茨流量計

前者是由介質(zhì)的流動來推動渦輪旋轉(zhuǎn)，以切割磁力線而產(chǎn)生與渦輪速度成正比的脈沖。其渦輪旋轉(zhuǎn)越快產(chǎn)生的脈沖越多，表明介質(zhì)流量越大。而后者是基于進、出口形成的壓力差為動力來測介質(zhì)體積流量的。但從二者原理可見，其測量均靠部件與介質(zhì)的充分接觸來獲得動能。這就必然發(fā)生污水中的雜質(zhì)臟物堵、卡和結(jié)垢，最終導(dǎo)致測量失靈，嚴重則造成前濾網(wǎng)堵塞污水溢出的后果。

1.7 用孔板、噴嘴、文丘里管與差變組合的測量方式

這些方式更難以勝任，因產(chǎn)生的差壓會由于污水中的雜質(zhì)進入導(dǎo)壓管淤積或結(jié)垢導(dǎo)致壓損增大測量失準，甚至?xí)a(chǎn)生堵塞一道伐、導(dǎo)壓管及差變正負壓室的現(xiàn)象。此點在本廠一化側(cè)新水及循環(huán)水的差變中都時常發(fā)生。

綜上分析可知，要實現(xiàn)對污水排放量的有效計量，必須采用非接觸式流量計。經(jīng)探討咨詢，認為唯一可考慮的是管道外壁粘貼式超聲波流量計（如計量站用的便攜式超聲波流量計）。但通過對其說明書技術(shù)指標規(guī)格及要求的核實，證明其存在一定的局限性：1）被測介質(zhì)中的各類成分含量變化應(yīng)相對恒定，管道必須充滿介質(zhì)；2）管道為金屬材質(zhì)內(nèi)壁不能結(jié)垢太多，否則表的測量誤差較大無法正常工作。而本廠現(xiàn)污排管網(wǎng)：第一，為水泥預(yù)制的明暗渠；第二，污水不可能處于充滿狀態(tài)（環(huán)保的目的就是盡可能減少污水排量）。顯然這種流量計也滿足不了要求。經(jīng)與環(huán)保部門對接，結(jié)合已有信息提出：①在二化排污線上找一段平直足夠長的水泥暗渠，掀開5m～8m蓋板做成明渠（為今后清污創(chuàng)造條件）；②選測量穩(wěn)定精度高安裝維護檢修方便的非接觸式流量計；③流量計能就地顯示瞬時/積累量，具有遠傳4mA～20mA標準信號功能，以實現(xiàn)對一、二化排污量的計量。

2 選型

通過1997年底1998年初環(huán)保部門牽頭，有關(guān)單位的協(xié)調(diào)施工，首先完成了對排污暗渠部分改明渠的工作（此段明渠的寬為800mm，深為1200mm）。后經(jīng)確認，選用了德國E+H 公司的超聲波明渠流量計。如圖1所示。

2.1 明渠流量計的組成

2.1.1 卡發(fā)基文丘里渠

QV306型（根據(jù)圖紙尺寸用水泥預(yù)制而成）。

2.1.2 超聲波探頭

FDV80-RG1A型（導(dǎo)線與探頭為一體化，可防腐、防雨水）。

2.1.3 超聲波智能變送顯示器

FMU861-RIBIA3型（具有設(shè)定，故障診斷功能），電源為(180～)230V)AC。

2.1.4 智能流量液晶數(shù)顯儀

WP-L61803-02AAGHLP，電源為(180～)230V)AC。

2.2 明渠流量計的工作原理

2.2.1 卡發(fā)基文丘里渠

它的工作原理類似于管道中裝的一次測量元件文丘里管。當污水在明渠的平穩(wěn)段流動進入卡發(fā)基文丘里渠時，會產(chǎn)生一個大的落差，使之加速通過下游明渠[2]。由于卡發(fā)基文丘里渠入水段較短，且收縮處理呈圓弧狀，加之選擇了與明渠寬度想匹配的長度，使得摩擦損失降到了最?。珊雎圆挥嫞６掠味蔚臄U展又較緩慢（1：8），這就大大降低了流體的動能損失，為獲取理論計算與實測值間的平均偏差≤1%創(chuàng)造了條件，如圖2所示。

2.2.2 超聲波探頭

它是基于聲波在遇到介質(zhì)時會被吸收減弱，同時發(fā)生反射、折射現(xiàn)象產(chǎn)生超聲脈沖的原理來檢測介質(zhì)的量。其具有以下特點：

1）探頭是整體非接觸式的，無可動部件，不受光線，粉塵，腐蝕性高、粘度大、毒性強等物質(zhì)及固體物的影響，能實現(xiàn)對介質(zhì)流量的連續(xù)測量。

2）具有對污物和產(chǎn)生的結(jié)垢不敏感的特性，還可選擇一體化加熱器來防止探頭表面結(jié)冰，而且安裝固定簡單方便，與智能變送顯示器的連接線長度可任選（5 m～30m）。

3）其盲區(qū)為0.3m，在23℃時的工作頻率為58KHZ，工作溫度為-20℃～60℃，所處環(huán)溫為-40℃～60℃，相對濕度為100%，最大工作壓力0.2MPa。探頭外殼所用材料為高壓聚四氯乙稀，如圖3、圖4所示。

2.2.3 超聲波智能變送顯示器

它通過把探頭射出的超聲波經(jīng)介質(zhì)的反射而被探頭作為回波信號接收，并依據(jù)超聲的運行時間計算出介質(zhì)的流量。其可通過面板上的鍵盤來做相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，由上圖3可見，儀表工可依據(jù)操作規(guī)程在現(xiàn)場快速簡捷地實施設(shè)定。即用V（豎直）和H（水平）鍵進行對話輸入，用“+”，“—”和“--”鍵輸入?yún)?shù)，用“E”鍵進行儲存。從而達到對該測量回路的有效檢查，標定和投用。另外，該表可采用現(xiàn)場掛壁或表箱內(nèi)支架方式安裝，并將標準信號4mA～20mA送入主控二次表顯示監(jiān)控。

2.2.4 智能流量液晶數(shù)顯儀

它是一臺可架裝或盤裝的二次儀表，其有完備的參數(shù)運算設(shè)定功能，可接收來自熱偶、熱阻、壓力、流量等多種測量信號（以實現(xiàn)補償），能根據(jù)要求選擇0mA～20mA或4mA～20mA的DC信號作為輸入或輸出(具體接線以回路的設(shè)計要求及所用場合按說明書執(zhí)行)。通過與超聲智能變送顯示器輸出相接實現(xiàn)對介質(zhì)流量的監(jiān)控，為巡檢查抄數(shù)據(jù)提供方便。

3 施工安裝及投用

3.1 施工安裝

1）依據(jù)環(huán)保部門提供的參數(shù)，即二化外排污水Qmax=400m3/h，Qmin=80m3/h及Q（常）=250～280m3/h。在參閱該表說明書基礎(chǔ)上，最終選定的卡發(fā)基文丘里渠土建施工尺寸為QV306型。因其尺寸與二化排污渠相當，施工難度不大，故可滿足測量要求，如圖5、6、7所示。

2）根據(jù)選定尺寸結(jié)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，在明渠前后各預(yù)制一段與卡發(fā)基渠文丘里明渠入/出口尺寸相等的引渠（長度分別為20m和10m），以保污水入/出卡發(fā)基明渠前流動平穩(wěn)。

3）按超聲波流量計說明書的要求，為保證超聲波探頭在安裝時能方便地上下左右移動。則在土建施工中就制作了支撐面，即用一鋼板埋入水泥渠壁側(cè)面并焊接出幾組固定螺桿，以備調(diào)整固定之用。在安裝探頭時，根據(jù)實際制做了可調(diào)余地大的不銹鋼支架。

4）按接線安裝要求從一化主控舊盤引220V AC供電電纜，同時在現(xiàn)場加裝表箱。隨后固定智能變送顯示器和液晶數(shù)顯儀。

5）整個回路安裝完供電預(yù)熱，然后用鋼卷尺量出探頭到水渠底的距離L，再按說明書參數(shù)設(shè)定一覽表，結(jié)合回路所測污水的工藝參數(shù)和要求，逐一通過智能變送顯示器的操作矩陣區(qū)輸入選定參數(shù)，并把輸入?yún)?shù)記錄下來以備今后核查。同時對液晶數(shù)顯儀設(shè)定，該表便被投用。

4 運行效果的評價及維護要求

4.1 運行效果的評價

該流量計于1998年9月中旬投用到今年4月，時間達15年半之久，從每月查抄的數(shù)據(jù)分析可知，其測得的二化污水排量與新水補量之比為1：2，即污水排量是總新水補量的50%左右，其遠低于公司環(huán)保排放量和考核指標。若按原排放量收費顯然高了，原收費標準：污排量=（新水補量×80%）×0.05元(未裝計量表的收費指標)。當裝流量計后，以數(shù)據(jù)為準收費，費用明顯下降，利于成本核算。

4.2 維護要求

1）儀表維護人員必須每周對該表進行兩次巡檢，查看污水在渠中的高度（深度）變化，以判定其與表顯值是否相一致。同時定期打掃表箱表體及探頭衛(wèi)生，保證其清潔干凈。

2）生產(chǎn)車間應(yīng)根據(jù)情況不定期清理明渠底部與渠壁的污垢淤積，以防污水位上抬使測量不準，排污收費增加成本上升。但在做此工作時禁止碰移探頭,避免使其損壞或變位。

3）每季度儀表維護人員必須測一次渠底到探頭和污水面的距離，以便檢查確認智能變送顯示器所設(shè)參數(shù)，并適當?shù)匦拚壕?shù)顯儀參數(shù)，以確保測量回路始終處于準確度±1%內(nèi)運行。

5 故障現(xiàn)象匯總及表征[2]

1）出現(xiàn)錯誤代碼“E613,E614”,儀表顯示在固定狀態(tài)報警，報警指示燈紅燈亮，瞬時流量值和積算值都不變化。

2）出現(xiàn)錯誤代碼“E601,E602”,儀表顯示報警狀態(tài)，紅燈亮，無流量顯示。

3）出現(xiàn)錯誤代碼“E641,E642”,儀表顯示報警狀態(tài)，紅燈閃爍，現(xiàn)場超聲波探頭工作異常，聲響較大且頻繁，流量顯示保持工作狀態(tài)，但不變化。

4）測量值不準確，過小或過大，流量值波動范圍大。

6 解決辦法

1）針對標題5中的1）所列故障，檢查儀表設(shè)備是否處于模擬模式，或開關(guān)操作模式被非法設(shè)置，清除錯誤并重新設(shè)置開關(guān)模式。

2）針對標題5中的2）所列故障，檢查線性化通道是否故障，假若V2H0～V2H9中單一數(shù)值即不增加，也不減少，重新設(shè)置曲線參考點，重設(shè)線性化通道類型。現(xiàn)場確認發(fā)生體探頭距離介質(zhì)液面高度是否處于探頭盲區(qū)（300MM以下），或者渠道被堵塞，已造成探頭被淹或故障。重設(shè)探頭位置，并清理渠道堵塞物，暢通水渠。

3）針對標題5中的3）所列故障，先確認發(fā)生體探頭是否工作正常，此時探頭工作應(yīng)頻率平順，聲響溫和。再檢查電源系統(tǒng)是否故障，并確認探頭安裝位置不在盲區(qū)。假若錯誤清除不了，聯(lián)系廠家查找CPU故障。

4）針對標題5中的4）所列故障，檢查探頭是否完好，檢查探頭和被測液面距離不在盲區(qū)。再檢查空流量標定和滿流量標定值是否正常，必要情況進行重新標定。

7 結(jié)束語

總之，通過超聲波明渠流量計在一、二化排污系統(tǒng)中的應(yīng)用，為解決類似的問題提供了經(jīng)驗，使化肥總排污水流量的計量檢測變得簡單易行。更重要的是它為環(huán)保部門實施有效的污排監(jiān)控提供了準確的數(shù)據(jù)依據(jù)，為最終做好環(huán)保工作和節(jié)能減排做出了積極的貢獻。

[1]王森,朱炳興,周慶人,等.儀表工試題集[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[2]德國E+H 超聲波明渠流量計.FMU861-RIBIA3型儀表說明書[Z].