摘要：合理地選用流量計(jì)對于保護(hù)首都珍貴的水資源、提高南干渠調(diào)水運(yùn)行工作效率有著重要的意義。針對南干渠X-．程大管徑輸水管道的運(yùn)行工況、流量計(jì)安裝位置等現(xiàn)場實(shí)際條件，從運(yùn)行能耗、直管段要求、水質(zhì)特點(diǎn)及量程比等方面綜合考慮．對比各類流量計(jì)的性能，最終選定電磁流量計(jì)作為分水口流量計(jì)量儀表．實(shí)現(xiàn)了對水量的精確調(diào)度。

        南干渠工程是北京市南水北調(diào)主要配套工程之一．目前主要承擔(dān)著向北京市自來水集團(tuán)郭公莊水廠供水的任務(wù)。工程沿線共設(shè)計(jì)高家堡、黃村、郭公莊及新機(jī)場等4處分水口。黃村、郭公莊2處分水口已建成。黃村分水日通過2支直徑1．6 1T1分水管道向黃村水廠供水．設(shè)計(jì)流量為6．56 m3／s：郭公莊分水口通過4支直徑1．6 m分水管道向郭公莊水廠供水．設(shè)計(jì)流量為12．15 m3／s，已通水運(yùn)行。各分水I-II檢修間內(nèi)的分水管道上均需安裝流量計(jì)．用于測
量向水廠供水流量。

1 南干渠流量計(jì)實(shí)際安裝條件
1．1被測水質(zhì)
        測量介質(zhì)為引自丹江口水庫的南水北調(diào)來水．根據(jù)2002年12月國務(wù)院批復(fù)的《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》，丹江口水庫現(xiàn)狀水質(zhì)為GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》I～Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。通過對總干渠采取必要的工程及管理措施．到北京的水質(zhì)能夠達(dá)到地表水水質(zhì)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

1．2介質(zhì)流速
        南干渠工程淺埋暗挖段(上段)設(shè)計(jì)流量為30 m3／s，大流量為35 m3／s。黃村分水口設(shè)計(jì)流量為6．56 m3／s，共2支分水管道，單支管道流速為1．64 IIl／s：郭公莊分水12設(shè)計(jì)流量為12．15 m3／s．共4支分水管道．單支管道流速為1．52 rrds。

1．3水頭壓力
        南干渠進(jìn)口設(shè)計(jì)流量壓力水頭高程為55．771 m．加大流量壓力水頭高程為58．063 in．流量為20 m3／s時壓力水頭高程為52．181 m。高程均為北京地方高程基準(zhǔn)。

1．4安裝位置
        目前，南干渠起點(diǎn)至亦莊調(diào)節(jié)池沿途已設(shè)2處分水El。即郭公莊分水口、黃村分水口，分別采用4支和2支分水管道．每條分水管道自上游至下游依次布置電動蝶閥、流量計(jì)、調(diào)流閥、空氣閥及檢修蝶閥等，以郭公莊分水口為例。檢修間長27．75 in，寬20．3 m．流量計(jì)安裝位置見圖1。

2、流量計(jì)選型原則和考慮因素
        流量計(jì)的選型應(yīng)當(dāng)基于被測流體的性質(zhì)、流速、壓力及安裝位置等前提條件，綜合考慮測量的安全性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，確定流量測量儀表的型式和規(guī)格。
        選型要綜合考慮流量計(jì)性能、被測介質(zhì)特性、現(xiàn)場安裝條件、周邊環(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)性等5個方面。
        (1)儀表性能。包括測量準(zhǔn)確度、流量范圍、信號輸出特性、數(shù)據(jù)重復(fù)性、線性度、范圍度、響應(yīng)時間和壓力損失等。
        (2)流體特性。流量計(jì)的設(shè)計(jì)及使用應(yīng)當(dāng)考慮流體的物理化學(xué)性質(zhì)等參數(shù)對流量特征的影響121。包括流體溫度、壓力、密度、粘度、腐蝕性、硬度、渾濁度、電導(dǎo)率、聲速、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等嫡指數(shù)。
        (3)安裝條件。管道直徑、管道布置方向、流體流向、直管段長度和安裝空間等。
        (4)環(huán)境條件。環(huán)境溫濕度、電磁擾動、安全性和管道振動等。

        (5)經(jīng)濟(jì)因素。流量計(jì)購置安裝費(fèi)、能耗、檢修費(fèi)、檢定費(fèi)和使用壽命等。
3、幾種適用于大管徑流量計(jì)的原理和特點(diǎn)
        目前常用的大管徑輸水管道流量測量儀表有節(jié)流差壓流量計(jì)、電磁流量計(jì)、插人式渦輪流量計(jì)、插人式渦街流量計(jì)、均速管流量計(jì)以及超聲波流量
計(jì)等。

3.1節(jié)流差壓流量計(jì)
        在壓力管道中加裝孔板、噴嘴、文丘里管及均速管等節(jié)流裝置，用差壓變送器測取節(jié)流裝置前后水流速度變化而引起的壓力差，換算成流量后輸出直流信號，節(jié)流差壓流量計(jì)結(jié)構(gòu)見圖2。

        節(jié)流差壓流量計(jì)具有裝置簡單、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)，但是受限于其測量原理，節(jié)流裝置會產(chǎn)生一定的水頭損失。

3.2、電磁流量計(jì)
        電磁流量計(jì)的測量原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，主要由測量管、電極、勵磁線圈、鐵芯與磁扼及殼體等部分組成，在大中型水廠和新建水廠得到了廣泛的應(yīng)用，測量原理見圖3。

        電磁流量計(jì)具有下列特點(diǎn)。
        (1)變送器結(jié)構(gòu)簡單，無可動部件，可靠性和穩(wěn)定性好。
        (2)無附加阻力。沒有節(jié)流部件，不阻礙流體流動，無壓力損失，也不會引起磨損、堵塞等問題。
        (3)受被測介質(zhì)影響程度低。不受流體的溫度、粘度、密度以及電導(dǎo)率(在一定范圍內(nèi))的影響。
        (4)測量精確度高。例如開封儀表廠生產(chǎn)的E - mag C型電磁流量計(jì)，在流速大于1 m/s時，精確度可達(dá)到示值的10.5%.
        (5)量程比大。在確保精確度的前提下，量程比可達(dá)40:1，可測范圍可達(dá)200:10
        (6)直管段要求相對較低。電磁流量計(jì)安裝位置要求上游具備5D直管段，下游具備5D直管段(D為流量計(jì)安裝位置管道直徑)。

3.3插入式渦輪流量計(jì)
        插人式渦輪流量計(jì)的工作原理是由導(dǎo)磁不銹鋼渦輪葉片在流體推動下旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速隨流量變化，葉片周期性切割電磁鐵的磁力線，改變通過線圈的磁通量，在線圈內(nèi)感應(yīng)出脈動電勢信號，通過變換器放大后輸出直流信號。儀表購置成本較低，但是只適合測量清潔流體，因?yàn)榱黧w中含有顆粒狀雜質(zhì)或粘稠物時，會引起渦輪卡滯。

3.4插入式渦街流量計(jì)
        渦街流量計(jì)是根據(jù)卡門(Karman )渦街原理研究生產(chǎn)的，這種儀表測量精確度可達(dá)11.0%，對流體中顆粒雜質(zhì)的耐受性優(yōu)于插人式渦輪流量計(jì)。但由于渦街流量計(jì)是應(yīng)用流體振蕩原理來測量流量的，因此它的可測最低流速只能達(dá)到0.3-0.5 rn/s，因此，該種流量計(jì)不適用于流速較低的輸水管道。

3.5、均速管流量計(jì)
        均速管流量計(jì)采取皮托管測流原理，通過測量裝置上下游之間動壓力和靜壓力之差來測流。主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、維修方便、壓力損失小、強(qiáng)度大、不怕磨損及不會泄漏等。但是當(dāng)流體中含有泥沙等顆粒物質(zhì)時，容易引起堵塞故障。

3.6、超聲波流量計(jì)
        超聲波流量計(jì)是非接觸式流量計(jì)，測量結(jié)構(gòu)中不含有任何阻礙流體流動的元件，具有不擾動流體、無壓力損失、無可動元件及無易損元件等優(yōu)點(diǎn)，廣
泛應(yīng)用于各種計(jì)量領(lǐng)域，具有以下特點(diǎn)。
        (1)由于其價(jià)格與管道直徑無關(guān)，因此對于大管徑輸水管道來說，可以有效節(jié)省投資成本。
        (2)測量精度受管道直徑影響，管徑越大，精度越高。
        (3)與電磁流量計(jì)相比，超聲波流量計(jì)具備一大優(yōu)勢，即可測量不導(dǎo)電流體。
        超聲波流量計(jì)在循環(huán)水領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，由于循環(huán)水管道直徑較大，且水質(zhì)比較污濁，超聲波流量計(jì)以其安裝方便、維護(hù)工作量小及不易受污染等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

4、流量計(jì)性能分析
4.1、運(yùn)行能耗對比
        流量計(jì)測量過程中的能量消耗主要有2種:①測量元件的阻力帶來的壓力損失;②儀表本身的耗電量。因此，本文主要從以上2個方面的能耗上對比各類流量計(jì)的性能。
        (1)壓力損失比較。對于壓力損失帶來的能耗來說，電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)由于沒有節(jié)流元件，因此幾乎不存在壓力損失。渦輪、渦街及均速管等幾種流量計(jì)有節(jié)流元件，但產(chǎn)生的影響較小。而差壓式流量計(jì)受到其測量原理的限制，產(chǎn)生的阻力較大，會損失一定的水頭。
        (2)耗電量比較。上述幾種儀表均有不同程度的耗電量，其中電磁流量計(jì)耗電量最大，不過隨著低頻矩形波勵磁等新技術(shù)的研發(fā)，電磁流量計(jì)的總電耗可以控制在1020 W以內(nèi)。

4.2 直管段要求對比
        為了滿足儀表使用要求和保證測量精度，對流量計(jì)上下游直管段的要求，見表2

        對于大管徑輸水管道．選用直管段要求較長的流量計(jì)時．要充分考慮場地制約因素。以南干渠郭公莊分水口DNl600 mm管道為例，有多種流量計(jì)要求上游直管段長度達(dá)到20D以上，這就要求上游必須具備32 In以上的直管段．這對于分水口占地、檢修間尺寸提出了很高的要求。郭公莊分水口檢修間總長27．75 m．而且檢修間內(nèi)還需要安裝調(diào)流閥、檢修蝶閥等其他設(shè)備，對于直管段要求較長的流量計(jì)．幾乎無法滿足其要求。因此在選擇流量計(jì)時，應(yīng)盡量選擇電磁流量計(jì)、插入式渦輪流量計(jì)等對直管段要求較低的類型。

4．3水質(zhì)適應(yīng)性對比
        各種流量儀表對于水質(zhì)清潔程度的要求不同．其中電磁流量計(jì)不受水中雜質(zhì)含量影響，因此適用于各種條件的水質(zhì)．只要電導(dǎo)率大于5 us／cm且1]可滿足要求。對于超聲波流量計(jì)來說．由于沒有節(jié)流元件．水中雜質(zhì)不會產(chǎn)生堵塞問題，但會干擾超聲波的傳播。影響精確度。差壓、渦街和均速管等幾種流量計(jì)由于均帶有節(jié)流元件．因此僅可以測量含少量雜質(zhì)的水．并且需要采取節(jié)流元件沖刷、排除雜質(zhì)等措施。對于大管徑連續(xù)輸水管道來說。離線沖洗、排污等措施勢必會影響調(diào)水運(yùn)行效率。插入式渦輪流量計(jì)的渦輪頭容易被水中顆粒磨損．因此要求對水進(jìn)行過濾或沉淀處理．減少顆粒雜質(zhì)含量．延長其使用壽命。

        南干渠輸水管線水源來自丹江口水庫．流經(jīng)河南、河北。長途跋涉1 276 km后到達(dá)北京，由于水源為江河水．總干渠以明渠為主．因此水中含有少量泥沙，總體水質(zhì)符合GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類水體。超聲波、差壓、渦街、均速管及渦輪等幾種流量計(jì)均會不同程度地受到泥沙顆粒的干擾．而電磁流量計(jì)由于不受水中雜質(zhì)影響．因此對南干渠的水質(zhì)適應(yīng)性最強(qiáng)。

4．4量程比對比
        量程比是在保證測量精度的前提下儀表所能測量的最大流量和最小流量之比。量程比越大。說明儀表所能測量的流量范圍越大。如表3所示，電磁流量計(jì)的量程比通常為40：1．超聲波流量計(jì)和插入式渦街流量計(jì)可做到10：1．插入式渦輪流量計(jì)約為5：1。而差壓式流量計(jì)和均速管流量計(jì)由于受臨界雷諾數(shù)及流量、差壓的平方根非線性關(guān)系的限制，量程比較小．節(jié)流差壓式流量計(jì)的量程比只有3：1．均速管流量計(jì)約為3．5：1左右。

        由于南干渠需要根據(jù)調(diào)水中心的調(diào)度指令對分水流量進(jìn)行調(diào)整．因此選擇電磁流量計(jì)等大量程比的流量計(jì)。可以精確地完成調(diào)水量調(diào)整工作。

5 結(jié)論
        綜上所述，選用精確、實(shí)用及可靠的流量儀表對于平穩(wěn)、準(zhǔn)確、合理地執(zhí)行調(diào)水指令、完成調(diào)水運(yùn)行工作有著重要意義．也關(guān)系到后期的運(yùn)行維護(hù)工作量。本文結(jié)合南干渠工程輸水管道特點(diǎn)、水質(zhì)情況．對各類大口徑流量計(jì)的主要技術(shù)特點(diǎn)和影響因素進(jìn)行了分析與研究。綜合考慮能耗、直管段要求、分水El檢修間尺寸、輸水水質(zhì)和量程比等因素，選擇電磁流量計(jì)作為黃村分水IZl、郭公莊分水KI供水量計(jì)量儀表。由于具有直管段要求低、能耗低、對水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)以及量程比大等優(yōu)點(diǎn)．電磁流量計(jì)在大管徑輸水管道上一定會有更廣泛的應(yīng)用。