專利名稱：一種氣水多相流輸水系統水流量測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種液體流量測量技術，特別是一種氣水多相流輸水系統水流量
測量裝置。
背景技術：
引用河流、水庫水資源，利用地理位置高度落差，使水自流到市政水廠、工礦企業， 都要對水進行精確計量以便于計算水費進行貿易交接。大落差管道自流輸水系統因管道內 流體狀態的復雜性，一直以來不好解決流量計量，現有的絕大多數流量計不能直接使用，同 時諸如河道流量計、明渠流量計等也不可直接使用于管道系統流量計量。國內外著名的儀 表生產商諸如橫河、愛默生、西門子、ABB以及國內各大設計院的專家，都未能設計開發出合 適的儀表滿足要求，而各設計院在做工程設計時，一般也是直接選擇一臺現有的儀表安裝 于管道上。氣水多相流輸水系統，一般是賣方在地理位置較高的地方建一個大水池，比如天 然水池、人工水庫、水泵提水蓄水池、山洞等，輸水系統是沿地勢敷設的長距離輸水明渠、隧 道、壓力管道等的組合，水從大水池內自流直接進入長距離輸水系統，買方在輸水系統下游 合適位置通過分支取水，一個分支可能有一家或數家取水，該系統一般存在著如下共同特點。[0004]1、水質較差，水內混有大量泥沙、樹葉、樹枝，尤其是在長距離輸水系統中有長距 離明渠存在時，這種情況最嚴重。2、輸水系統呈樹狀分布，一根干管或一根支管可能同時有幾家用水單位同時用 水，各家用水量大小、地理位置海拔高度不一樣。3、用水單位一般是市政自來水廠或大企業，取水處一般是處于城市邊緣或者中心 人口集中區域的輸水系統壓力管道。4、供水單位為避免長距離輸水管道超壓爆管或者長距離輸水明渠溢流，一般是間 斷的從蓄水池放水；用水單位也不可能一直用水，尤其是不可能一直恒定量用水，在流量不 是長距離管道能夠通過的連續最大流量的情況下，自流過程中管道內可能長時間存在半管 情況或氣液兩相流情況。5、上下游落差大，大氣壓虹吸現象作用力較強。所以在開始送水和停止送水階段 相當一段時間內，管道內是氣流，隨后是氣液兩相流，只有穩定大流量用水是，管道內才可 能是穩定流。5、用水單位每年用水量大，計量準確度影響供需雙方很大的經濟利益，1 %的誤差 可能造成幾十萬幾百萬的水費誤差。水表的計量精度較低，根據國內最好的水表生產企業寧波水表廠的公開資料，水 表示值誤差是從包括最小流量至不包括分界流量的低區誤差為士5% ；從包括分界流量 至包括最大流量的高區誤差為士2%。但是，水量計量的準確性既與測量工具——計量儀 表有關，又與被測量對象——用戶的用水特性有關，首檢和周期更換沒有考慮到用戶的用水特性對計量的影響。水表的計量特性還會隨著水表使用時間的推移發生改變，新表和在 用水表的計量特性是不同的，由于水表機械部件的磨損和使用條件的影響，會對水表的計 量誤差產生影響。從《工業計量》2006. 4期第24 26頁中國計量協會水表工作委員會張 世豪、葉顯蒼等的“如何正確看待水表的始動流量” 一文得知，“實際使用中，計量誤差不可 能在士5%范圍之內，實驗證實大多在士20%以上，有的甚至大到30%、40%、50%”。《中 國計量》2006. 5期鄭州自來水公司任麗娟“水表在線準確性研究” 一文寫道，“如果水質較 差，水表內結垢、雜物沉積后，水表會逐步偏快，高于設計流速的水流切向沖擊葉輪，加速葉 輪旋轉，水表偏正。使用幾年的水表，偏快10 80%是正常現象，堵住過濾網孔，可使水表 偏快5%，堵住葉輪盒進水孔，可使水表偏快200%。”由于水表是容積式機械儀表，空氣流動葉輪同樣旋轉，所以在大落差自流管道輸 水系統存在前述水質差、兩相流的情況下，使用水表是不可能正確計量的。再者水中的泥沙 石塊棍棒等雜物會損壞水表的機械葉輪。用水量大的工業用戶或自來水廠的進水計量，最 好不用水表計量，因為如前所述最好的水表出廠最好的誤差也只是士2%，如果大用戶每年 用水100萬噸，計量誤差就有2萬噸，水費按2元/噸，價值4萬元，若士5%誤差，計量誤差 有5萬噸，價值10萬元。使用幾年的水表，偏快10 80%后計量誤差價值可以達到20 160萬元。電磁流量計和超聲波流量計是近幾年大量使用的高精度計量儀表，具有量程范圍 大、計量精度高的特點。電磁流量計計量的是液體的體積流量Q = AV，其中A 管道的截面 積，V 水的平均流速；所以在使用電磁流量計時最大忌諱是“空”，所謂忌“空”，即使用電磁 流量計時被測液體必須充滿管道，也不允許液體內存有氣泡。如果液體不充滿管道其一， 實際流體的截面將與管道內截面不一致，造成計算體積流量值偏差很大；其二，不導電的氣 相層或氣泡阻斷了兩電極之間的導體連接，法拉第定律的條件不滿足，不能感應出與流量 成正比的電動勢從而得出正確的流速V，造成計算體積流量值偏差很大。一般的防“空”的對策是從安裝方面盡量選擇安裝在流體自下向上流動的垂直管 道上。如必須安裝在水平或傾斜的管道上時，則電磁流量計的測量管中心應低于管道中心， 以保證測量管始終充滿液體，并保證電極所在的平面與地面平行。控制流量的閥門應安裝 在電磁流量計的下游，以免產生氣泡或不滿管。這些在大落差自流管道輸水系統中是很難 實現的，因為落差大，很難找一段管道消除大落差情況下因虹吸現象造成的階段性空管或 兩相流。超聲波流量計是以“速度差法”為原理，測量充滿封閉圓管內液體流。工作原理是 超聲波在流體中傳播時其傳播速度要受到流體流速的影響，通過測量超聲波在流體中傳播 速度可以檢測出流體的流速進而換算出流量來Q = VA, A 管道截面積。所以超聲波流量 計一旦出廠且安裝好后，流量累計值的大小決定于水的流速和管徑，對管道內流體是紊流、 層流、半管、兩相流等根本判斷不出。再者時差式超聲波流量計對水中混入的氣泡特別敏 感，隨之流過的氣泡會造成流量計示值的不穩定，積聚的氣泡如果正好附著在所安裝的探 頭上，將造成流量計根本無法工作。在豫西地區一大型國有企業，生產用水是通過大落差自流管道輸水系統取水，輸 水系統全程沿丘陵地區地面設有明渠、壓力管線、隧道等，全線海拔高度差最大93. 8米，取 水地點與輸水系統最上游的水庫、涵洞入口海拔高差71. 8米。該單位歷史上曾經用機械水表計量用水，但水中泥沙石塊和棍棒沖擊水表機械部件造成水表經常損壞，后來安裝精 度比較高的流通式電磁流量計，安裝于一坡度不是很大的下坡管道上，該單位日常間斷用 水，計量站值班人員說在供水前和停水后相當一段時間內，在水管旁邊和流量計附近的排 氣閥附近從聲音可判斷出管道內氣流量很大，但此時電磁流量計依然計量且有很大的瞬時 流量。一次供需雙方就計量問題產生爭議，請河南省計量科學研究院現場用水流量標準裝 置LJZ (15 600)檢定，檢定時為保證通過在用電磁流量計和用水流量標準裝置流量計的 水最大限度的滿管，人為最大限度加大供水量，校準結果為在用DN400電磁流量計的誤 差為+12. 59%，具體資料可以見液流字20090804-120 ；在用DN600電磁流量計的誤差為 +17. 67%，具體資料可以見液流字20090804-121。該廠工作人員講，正常情況下該廠用水 根本達不到校準檢定時的人為大流量，所以這個誤差應該是最小誤差。該廠日均用水1.4 萬噸，按檢定結果的誤差計算，用DN400電磁流量計計量應該每年多計量近64. 33萬噸，用 DN600電磁流量計計量應該每年多計量90. 29萬噸，按照水單價2. 88元/噸計算，直接經濟 損失最低185. 27 260萬元/年。其他流量計如渦街流量計、差壓流量計等對氣水兩相流也是不能準確計量的，相 關教材和流量測量專著上論述很多，對含有大量雜質的氣水兩相流更是不能計量，雜質可 以很容易的損壞渦街流量計的渦街發生體和差壓流量計差壓發生部件并堵塞導壓管。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種氣水多相流輸水系統水流量測量裝 置，從而可以較為準確計量氣水多相流輸水系統的水流量。為了實現解決上述技術問題的目的，本實用新型采用了如下技術方案本實用新型的一種氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，包括包括緩沖除氣器、 液位調節閥、液位調節器、流量計、液位測量儀表；緩沖除氣器包括安裝于其頂部的自動排 氣閥、安裝于其底部的排污閥或排污孔、安裝于其上的液位測量儀表、安裝于其下部出水管 道上的流量計和液位調節閥，液位調節閥安裝于流量計的下游；液位調節器可就地安裝或 安裝于控制室；液位測量儀表和液位調節器、液位調節閥通過電纜實現信號傳輸。本實用新型的氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，所述的流量計包含二次儀 表，二次儀表可就地安裝或安裝于控制室。通過二次儀表可以把流量計的數據顯示到二次 儀表上，從而方便控制和顯示。本實用新型的氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，所述的緩沖除氣器可以選用 各種結構的分離器，基于常用的分離方法如重力沉降、折流分離、離心力分離、絲網分離、超 濾分離、填料分離等設計出分離器都可以使用。根據水流量大小計算出分離器的容積和長 徑比，根據供水系統水頭壓力大小設計好容器壓力等級。所述的緩沖除氣器的長徑比設計，原則上應符合化工部標準工藝系統工程設計技 術規定中的氣_液分離器設計HG/T 20570. 8-95的規定，但根據實際地理位置限制和流體 介質參數，可以超出該規定個性化設計，但是必須保證緩沖除氣器1的直徑D要大于進料管 的管徑，以保證介質進入一個大的容器，瞬間減壓氣化并實現氣液的徹底分離和固態雜質沉淀。所述的緩沖除氣器的最上方安裝有自動排氣閥，以保證分離后的氣體自動排出和吸入，緩沖除氣器內液位達到緩沖除氣器頂部時自動排氣閥自動關斷，保證水不會溢出；同 時在緩沖除氣器出水量突然增大，自動排氣閥又能夠迅速把空氣通過排氣閥吸入，防止出 現負壓而損壞緩沖除氣器。選用給排水行業常用的自動排氣閥如CARX-I復合式快速排氣 閥即可，選型時根據用戶輸水系統水頭壓力大小和緩沖除氣器容積的大小，選擇合適的壓 力等級和口徑即可。所述的緩沖除氣器的最下方設有排污口，可安裝排污閥或排污孔，實現人工或自 動排污，排除緩沖除氣器內沉降的固態雜質。所述的緩沖除氣器，根據用戶實際工況和地理位置，緩沖除氣器可以設計成開口 容器或水池，這樣設計原水進入后同樣可以完全完成氣水分離和固態雜質沉淀，分離后的 氣體自動逸出到大氣中。這樣設計的優點是可以不用屬于壓力容器的緩沖除氣器，同時省 去緩沖除氣器最上方安裝的自動排氣閥。如果安裝有自動排氣閥，一個Dmoo的CARX-I復 合式快速排氣閥市場價在2400元左右。但缺點是所設計的開口容器或水池的容積比起屬 于壓力容器的緩沖除氣器的容積可能需要大的多。所述的緩沖除氣器的液位測量儀表、液位調節器、液位調節閥組成液位測量和控 制回路。這樣可以控制合適的液位以保證氣水完全分離和從緩沖除氣器流出經過流量計計 量的水是不含雜質和氣相的單相流。液位測量和控制回路的儀表和調節閥可根據用戶經濟 和技術水平選用各種現有的液位測量儀表、調節器或調節系統、調節閥。所述的氣水多相流輸水系統水流量測量裝置的流量計，可根據用戶對計量精 度的要求從現有各種技術成熟的主流流量計中按儀表設計選型規定選型，但必須符合 GB17167-2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》要求的精度等級，同時若用于貿易 結算計量，流量計在使用中必須按照國家有關規定強制鑒定。所述的氣水多相流輸水系統水流量測量裝置的出水管道上裝有流量計的管 段，管段的設計必須滿足所選流量計的安裝技術要求和規范，管段的施工安裝須符合GB 50093-2002《自動化儀表工程施工及驗收規范》，以保證流量計穩定高精度計量。所述的氣水多相流輸水系統水流量測量裝置的液位調節閥，安裝于流量計的下 游。這樣可以保證控制緩沖除氣器的液位使從緩沖除氣器下部管道流出的水不含氣相，同 時保證調節閥節流產生的水流態紊亂不影響流量計計量。所述的氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，緩沖除氣器的進水口設置在其上 部，出水口設置在其下部，以保證氣水分離效果和流出水中不含有固態雜質和出水水流的 流態是穩定的層流，從而保證流量計正確測量。所述的下部是指緩沖除氣器的高度二分之 一以下部位，但不包括緩沖除氣器的底部。所述的氣水多相流輸水系統水流量測量裝置還可以設旁路管線，以便于短時間排 污切換操作時輸水不間斷。旁路管線可以根據用戶需要的輸水量大小、水中含氣量大小、水 中固態雜質多少、用戶對輸水連續性的要求，進行設計。所述的氣水多相流輸水系統水流量測量裝置可在測量裝置的輸水系統中設置兩 套或多套并列或相互切換運行，確保輸水連續性滿足用戶需要。所述的兩套或多套并列測 量裝置可以根據用戶需要的輸水量大小、水中含氣量大小、水中固態雜質多少、用戶對輸水 連續性的要求進行設計。這些技術方案也可以互相組合或者結合，從而達到更好的技術效果。[0034]本實用新型的氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，其原理是原水從緩沖除氣 器上部進入，通過進料管進入緩沖除氣器，瞬間減壓氣化和旋流分離、沉降分離，實現氣液 的徹底分離和固態雜質沉淀。分離出的氣體通過排氣閥自動排出，沉淀下來的固態雜物通 過排污閥或排污孔人工清除，液位調節器通過液位調節閥自動調節緩沖除氣器的液位，確 保緩沖除氣器內的原水中的雜質徹底沉淀和氣水徹底分離，從緩沖除氣器下部管道流出的 水是穩定的單相流，確保流量計計量準確。通過采用上述技術方案，本實用新型具有以下的有益效果采用本實用新型的氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，象前述的豫西地區一大 型國有企業生產用水直接計量造成的+12. 59%和+17. 67%誤差完全可以降低到按本設計 規則選型流量儀表的誤差范圍。對豫西地區一大型國有企業生產用水計量方法按照本設計 進行改造，企業輸水系統的最大水頭壓力為93. 8米*lKg/m3 = 93. 8Kg/m2，本裝置的緩沖除 氣器可以選用該企業內可降級使用的舊壓力容器，裝置可安裝于該廠取水分支管線沿線的 自有空地，購置設備材料費用和施工費用，按照當地取費標準計算，總投資占每年水費損失 的很小一部分。
圖1是本專利的一種氣水多相流輸水系統水流量測量裝置流程圖。圖2是本專利的一種氣水多相流輸水系統水流量測量裝置使用開口緩沖除氣器 的流程圖。圖3是本專利的測量裝置兩套并聯運行流程圖。圖4是本專利的一種氣水多相流輸水系統水流量測量裝置實際應用流程圖。該用 戶原安裝于_3米的地溝內的流量計拆除，原流量計前后管口盲死，原水就進引到地表通過 氣水多相流輸水系統水流量測量裝置再回到原企業輸水管道，占地5米*30米。圖5是本專利的一種氣水多相流輸水系統水流量測量裝置實際應用的另一種流 程圖。與圖4不同的是，該用戶存在間斷用水和用水量大小不穩定的情況，并且該用戶離廠 區較近的輸水管道附近可以利用的空地不足，該用戶又不愿意新增屬于壓力容器的緩沖除 氣器，選擇使用開口水池做緩沖除氣器，這樣為保證開口水池的水不因供用水流量變化造 成的液位高而溢流，特意在開口容器的入口增加13原水調節閥，13原水調節閥受6液位調 節器控制，當開口水池的液位達到高高限，比如90%時，自動調節關閉該閥停止原水供應。圖中，1為緩沖除氣器，2為排氣閥，3為排污閥或排污孔，4為流量計，5為液位調節 閥，6為液位調節器，7為進料管及其付線，8為切換閥，9為原供水管路，10為原管路的計量 儀表，11和12為增加的盲板，13為控制信號線。
具體實施方式
實施例1如圖4所示，氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，由下列部件組成緩沖除氣器 1，排氣閥2，排污閥或排污孔3、流量計4、液位調節閥5、液位調節器6、進料管及其付線7、 切換閥8。緩沖除氣器采用的分離方法為旋流分離氣水和重力沉降分離固態雜質，緩沖除氣器1的直徑D為DN3000mm，大于進料管及其付線7的管徑DN600mm，緩沖除氣器1安裝 于原地下輸水管道旁邊的地面上，排氣閥2選用CARX-I復合式快速排氣閥，其壓力等級為 PNl. 0，口徑為DN100，流量計4為DN450電磁流量計和流量計算機。如圖4，該裝置安裝于用戶原輸水管路側面，原水從原地下DN600的水管引出地 面，通過進料管7進入緩沖除氣器1，在緩沖除氣器1內完成固態物質沉淀和氣液分離，分理 出的氣體通過排氣閥2自動排出，沉淀的固態雜質定期通過排污閥或排污孔3人工清除。為 保障供水不中斷，清除固態雜物時，原水通過進料管付線7和切換閥8切換，將緩沖除氣器 1從輸水系統中短時間隔離，原水通過付線短時間流通，通過排污閥或排污孔3人工清除沉 降下來的固態雜物。液位調節器6根據緩沖除氣器1內部液位高低輸出調節信號，通過液 位調節閥5自動調節緩沖除氣器1內的液位，確保緩沖除氣器1內的原水中的雜質徹底沉 淀和氣水徹底分離，同時保持緩沖除氣器1內有一定液位，確保從緩沖除氣器1底部的水中 不含氣相和固態雜質，使流過流量計4計量的水是穩定的單相流，確保流量計4計量準確。實施例2如圖5所示，氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，由下列部件組成緩沖除氣器 1，排污閥或排污孔3、流量計4、液位調節閥5、液位調節器6、進料管及其付線7、切換閥8、 液位調節閥13。緩沖除氣器1采用的分離方法為重力沉降分離法，緩沖除氣器1的直徑D為 DN4500mm，大于進料管及其付線7的管徑DN600mm，緩沖除氣器1安裝于用戶原輸水管路側 面，流量計4為DN450電磁流量計和流量計算機。如圖5，原水從原地下DN600的水管引出地面，通過進料管7進入緩沖除氣器1， 在緩沖除氣器1內完成固態物質沉淀和氣液分離，分離出的氣體從開口水池自然逸出到大 氣，沉淀的固態雜質定期通過排污閥或排污孔3人工清除。為保障供水不中斷，清除固態雜 物時，原水通過進料管付線7和切換閥8切換，將緩沖除氣器1從輸水系統中短時間隔離， 原水通過付線短時間流通，通過排污閥或排污孔3人工清除沉降下來的固態雜物。液位調 節器6根據緩沖除氣器1內部液位高低輸出調節信號，通過液位調節閥5和液位調節閥13 自動調節緩沖除氣器1內的液位，確保緩沖除氣器1不溢流的前提下，原水中的雜質徹底沉 淀和氣水徹底分離，同時保持緩沖除氣器1內有一定液位，確保從緩沖除氣器1底部的水中 不含氣相和固態雜質，使流過流量計4計量的水是單相流，確保流量計4計量準確。實施例1、2的計量誤差實施例1、2所采用的流量計是精度等級為0. 5級的電磁流量計，流量二次儀表是 精度等級為0.1級的流量計算機，則按照誤差理論，流量計量系統的誤差為Es = 士(0. 52+0. 12)1/2%= 士 0. 509%該誤差符合GB17167-2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》要求的精度等級。與豫西地區一大型國有企業生產用水直接計量造成的+12. 59%和+17. 67%誤差 相比，明顯減少。相應的全年水計量損失最少可減少200萬元左右。
權利要求1.一種氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，其特征是包括包括緩沖除氣器(1)、 液位調節閥(5)、液位調節器(6)、流量計(4)、液位測量儀表；緩沖除氣器(1)包括安裝于 其頂部的自動排氣閥(2)、安裝于其底部的排污閥或排污孔(3)、安裝于其上的液位測量儀 表、安裝于其下部出水管道上的流量計(4)和液位調節閥(5)，液位調節閥(5)安裝于流量 計(4)的下游；液位調節器(6)可就地安裝或安裝于控制室；液位測量儀表和液位調節器 (6)、液位調節閥(5)通過電纜實現信號傳輸。
2.根據權利要求1所述氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，其特征是所述的流量 計(4)包含二次儀表，二次儀表可就地安裝或安裝于控制室。
3.根據權利要求1所述氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，其特征是所述的緩沖 除氣器(1)的的直徑D大于進料管的管徑。
4.根據權利要求1、2或3任一項所述氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，其特征是 所述的緩沖除氣器(1)的最下方設有排污口，安裝排污閥或排污孔(3)。
5.根據權利要求1、2或3任一項所述氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，其特征是 所述的緩沖除氣器(1)可以設計成開口容器或水池。
6.根據權利要求1所述氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，其特征是所述的緩沖 除氣器(1)的進水口設置在其上部，出水口設置在其下部的非底部部位。
7.根據權利要求1所述氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，其特征是測量裝置還 設置旁路管線，以便于短時間排污時切換操作時輸水不間斷。
8.根據權利要求1所述氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，其特征是在測量裝置 的輸水系統中設置兩套或多套并列或相互切換運行，確保輸水連續性滿足用戶需要。
專利摘要本實用新型介紹了一種氣水多相流輸水系統水流量測量裝置，包括緩沖除氣器、液位調節閥、液位調節器、流量計、液位測量儀表；緩沖除氣器包括安裝于其頂部的自動排氣閥、安裝于其底部的排污閥或排污孔、安裝于其上的液位測量儀表、安裝于其下部出水管道上的流量計和液位調節閥，液位調節閥安裝于流量計的下游；液位調節器可就地安裝或安裝于控制室；液位測量儀表和液位調節器、液位調節閥通過電纜實現信號傳輸。本實用新型可以較為準確計量氣水多相流輸水系統的水流量，降低流量儀表的誤差范圍。
文檔編號G01F15/08GK201787986SQ201020207639
公開日2011年4月6日 申請日期2010年5月31日 優先權日2010年5月31日
發明者胡平杰, 趙靜藝 申請人:趙靜藝