摘要:結(jié)合市政污水管網(wǎng)中常見的非滿管狀態(tài)，介紹了幾種常見的非滿管測量流量計(jì)，分析各種流量計(jì)測量原理、計(jì)量性能、應(yīng)用場景、安裝條件、經(jīng)濟(jì)成本等。為市政污水管網(wǎng)流量監(jiān)測項(xiàng)目和越來越多的污水管網(wǎng)流量監(jiān)測智能化改造項(xiàng)目中流量計(jì)的合理選用提供一定的參考。
1前言.
污水管網(wǎng)系統(tǒng)被稱為“城市生命線”，在城市中承擔(dān)著污水輸送、控制水體污染及預(yù)防內(nèi)澇溢流等作.用，是保證城市生活正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，因此對污水管網(wǎng)的建設(shè)和監(jiān)測至關(guān)重要。污水管網(wǎng)的流量監(jiān)測有助于管網(wǎng)污染物溯源能力的提升、監(jiān)控企業(yè)偷排漏排的管控、雨污混接的及時(shí)整改、城市內(nèi)澇的預(yù)警、海水倒灌的監(jiān)測等，為市政管網(wǎng)的維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。如今，“建設(shè)智慧型城市”已成為諸多市政工程項(xiàng)目的重要指導(dǎo)思想之一，在水環(huán)境規(guī)劃與治理項(xiàng)目中，市政污水管網(wǎng)的建設(shè)或改造是重要的環(huán)節(jié)，其中，對于管網(wǎng)的智能化、可視化、實(shí)時(shí)性管理有著越來越廣泛的需求。在污水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)階段，在線監(jiān)測須被統(tǒng)籌考慮，特別在一些老舊管網(wǎng)改造項(xiàng)目中，新增在線監(jiān)測通常存在很多實(shí)際困難，針對復(fù)雜的管網(wǎng)環(huán)境，滿管與非滿管并存的管道狀態(tài)，如何設(shè)置適合的流量計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。
2污水管網(wǎng)流量測量難點(diǎn)
污水管網(wǎng)內(nèi)的流體來源中，工業(yè)污水和生活污水占主要部分。
工業(yè)污水，流體一般為自然流動(dòng)，流量大，并且非滿管具有自由水面，精確測量有一定的難度。對污水排入管網(wǎng)點(diǎn)位的點(diǎn)源監(jiān)測，以前多采用傳統(tǒng)槽式流量計(jì)，如圖1所示，不僅精度較低，而且?guī)磔^大的水頭損失，同時(shí)對上游渠道的坡度及下游水深也均有一定的要求，當(dāng)不能滿足條件時(shí)測量精度會(huì)降低，有時(shí)甚至無法進(jìn)行測量。如果用傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)來測量污水，則需要建造額外的閘板和堰板以保證滿管，這些附加的安裝費(fèi)用甚至?xí)隽髁坑?jì)本身的費(fèi)用，大口徑管道時(shí)更是如此，而且還增加了管道堵塞的可能性。
生活污水來源比較分散，排水管網(wǎng)末端流量小，不易測量，通常要在區(qū)域主干管道上布設(shè)流量計(jì)，對流量計(jì)的合理分布提出更高要求。生活污水流量具有相對明顯的時(shí)間周期性，導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)水量產(chǎn)生波動(dòng)，對流量計(jì)測:量的穩(wěn)定性是不小的考驗(yàn)。
此外，排水管網(wǎng)流量測量還面臨以下問題:排水管網(wǎng)內(nèi)垃圾多、懸浮物高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)干擾多,設(shè)備維護(hù)成本高;監(jiān)測點(diǎn)通常分布較為分散，給市政電源的接入帶來難度;監(jiān)測設(shè)備通常安裝于檢查井內(nèi)，對設(shè)備的防護(hù)等級以及信號的傳輸能力提出更高要求;現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，安裝不便,維護(hù)復(fù)雜等。
3常見的管網(wǎng)流量計(jì)介紹
為解決上述管網(wǎng)流量監(jiān)測中的難點(diǎn)與問題，須選用與實(shí)際工況相適宜的管網(wǎng)流量計(jì)。目前，常見的可檢測非滿管狀態(tài)的流量計(jì)有以下幾種:
3.1多普勒式超聲波流量計(jì)
采用連續(xù)波超聲波多普勒原理(速度面積法),超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運(yùn)動(dòng)的固體顆粒起了與聲源有相對運(yùn)動(dòng)的“觀察者”的作用，把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接收據(jù)。發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。這個(gè)頻率差正比于流體流速，則可通過測量頻率差求得流速。
非滿管情況下的流體斷面面積的測量要比滿管情況下復(fù)雜一些，將管道本身的斷面面積作為已知條件,進(jìn)而將此問題轉(zhuǎn)換為對管道內(nèi)液位的測量，目前較為常見的形式有以下幾種:
(1)在管道正上方居中位置開孔，外加超聲波液位計(jì)。
(2)在管道內(nèi)部的正上方固定超聲波液位探頭。
(3)在管道內(nèi)底部設(shè)置壓力傳感器，可置于測流速的超聲波聲源傳感器內(nèi),通過所測流體壓力，結(jié)合管道斷面參數(shù)等，反算出液位。得到速度與面積，可計(jì)算出流體的流量。但這樣的流量測量的方式也導(dǎo)致了一定的局限性，即多普勒式超聲波流量計(jì)適用于規(guī)則的管道斷面，如圓形、矩形等。從測量介質(zhì)來看，該流量計(jì)比較適用于雜質(zhì)含量較多的市政污水、污泥的測量。常見的多普勒式流量計(jì)傳感器安裝方式有抱箍式安裝和桿式安裝，如圖2、圖3所示。
抱箍式安裝優(yōu)點(diǎn)是安裝形式簡潔，在污水管道中不容易鉤掛垃圾導(dǎo)致管道堵塞。但抱箍安裝時(shí)的固定問題決定了該形式較適用于新建管網(wǎng)管道，現(xiàn)狀管道需做臨時(shí)性堵水處理，保證安裝時(shí)的無水環(huán)境。且未來維護(hù)時(shí)，需要人員下井進(jìn)入管道潛水作業(yè)。
桿式安裝的優(yōu)點(diǎn)是，在管道位置和井室結(jié)構(gòu)清楚的前提下，安裝時(shí)無需人員下井，可以在低水位時(shí)帶水安裝。日常維護(hù)方便，傳感器容易取出進(jìn)行清理。缺點(diǎn)是容易纏繞垃圾，為了彌補(bǔ)這一-缺點(diǎn)，減少桿式安裝日常維護(hù)的頻率，可將底部固定傳感器的底板加長，讓傳感器更加深入管道內(nèi)部，減少垃圾纏繞的幾率，避免對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。
3.2多聲道超聲波流量計(jì)
時(shí)差法超聲波流量計(jì)本質(zhì)上是以超聲脈沖傳播速度與流體流速進(jìn)行矢量疊加為基礎(chǔ)，通過測量聲波在順、逆流過程傳播所花時(shí)間來確定流體軸向平均流速。基于該原理的流量計(jì)，目前在工業(yè)上應(yīng)用得較為廣泛。由于單聲道測量受管道參數(shù)、流體運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化影響較大，具有一定的局限性，所以用多聲道布置以避免或消除徑向速度分量引入的偏差,增加聲道對測量截面的覆蓋率。多聲道超聲波流量計(jì)在多層面對流體進(jìn)行測量，通常采用4到5對傳感器，誤差約為±1%，適用于滿管、非滿管的流體情況，也適用于不同管道材料，如金屬、水泥等。同時(shí)，配套有儀表井、外部儀表箱及信號裝置，安裝環(huán)境相對較好，便于后期維護(hù)。多聲道超聲波流量計(jì)儀表井實(shí)景圖如圖4所示。
常見的多聲道超聲波流量計(jì)分為外夾式和插入式。外夾式多聲道流量計(jì)由安裝在管壁上的多對超聲換能器組合而成，每條聲道均過軸中心線,可視為多臺(tái)單聲道儀表的疊加。
插入式流量計(jì)是將換能器直接插入管壁開孔處以測量流體流動(dòng)，避免了信號在管壁中傳播這--過程，一定程度上提升了流量計(jì)計(jì)量性能。一般在流道中不同高度位置處平行布置多條聲道，每條聲道測得的線速度可以代表待測截面.上相應(yīng)平行帶內(nèi)流體的平均速度，然后對各條聲道讀數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均即可估算出整個(gè)流通截面的流量。
上述兩種形式相比，外夾式流量計(jì)可以直接在管道外部安裝，或在現(xiàn)狀管網(wǎng).上的閥門井內(nèi)安裝，無需設(shè)置專門的流量計(jì)井。在排水管網(wǎng)監(jiān)測改造項(xiàng)目中，更不容易受到土建條件的制約。但值得注意的是，利用閥門井安裝，外夾式流量計(jì)容易受到閥門擾流的干擾，影響測量的精度及穩(wěn)定性，此外，外夾式要求管道為均質(zhì)式管材。與外夾式流量計(jì)相比，插入式多聲道流量計(jì)聲道空間覆蓋率更高，閥門擾流條件下測量結(jié)果的誤差波動(dòng)范圍更小，數(shù)據(jù)重復(fù)性更好，因而更能反映出真實(shí)流場分布信息"。但插入式流量計(jì)需設(shè)置專用的流量計(jì)井,以方便安裝與后期維護(hù)。
3.3非滿管電磁流量計(jì)
傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)原理,測:量滿管狀況下的流量，在此基礎(chǔ)上，非滿管電磁流量計(jì)增加了管道內(nèi)液位測量的功能，進(jìn)而通過面積速度法計(jì)算得到流量。非滿管電磁流量計(jì)常見的液位測量形式有以下兩種:
(1)在傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)相鄰位置的管道正上方居中部位開孔，外加超聲波液位計(jì)。
(2)通過在管道內(nèi)設(shè)置發(fā)射電極,將電極間的電容值通過一定的比例關(guān)系換量成流體的液位高度，增加電極對數(shù)可以提高測量精度，一般為4~6個(gè)4。
測得液位，進(jìn)而可以得到非滿管流體的截面面積，結(jié)合流速，計(jì)算出流量。
非滿管電磁流量計(jì)維護(hù)工作量通常較小，但考慮到污水可能會(huì)在傳感器內(nèi)壁附著，形成的積聚層會(huì)對傳感器電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，并且由于非滿管電磁流量計(jì)傳感器均位于管道內(nèi)部，不易進(jìn)行人工清潔維護(hù)，所以該流量計(jì)一般適用于流速大于3m/s的管道，這樣一-定程度上可以減輕污染物附著沉積的現(xiàn)象。此外，非滿管電磁流量計(jì)需要專用的儀表井，以方便儀表的安裝與維護(hù)。
4幾種流量計(jì)的綜合比較
從流量計(jì)的性能來看，多聲道超聲波流量計(jì)精度相對較高，一般誤差為1%~2%，是其核心優(yōu)勢之一，且流速的測量范圍較大。多普勒式流量計(jì)和非滿管電磁流量計(jì)精度相當(dāng)，誤差約為3%~5%，且與多聲道超聲波液位計(jì)相比，流速測量范圍相對較小。
從應(yīng)用場景及安裝條件來看，多普勒式流量計(jì)安裝形式靈活，特別是在老舊的現(xiàn)狀管網(wǎng)中，更容易找到合適安裝的點(diǎn)位;儀表安裝地點(diǎn)為管道檢查井，無需過多額外的土建施工，但在現(xiàn)狀管網(wǎng)中加裝該流量計(jì)時(shí),應(yīng)對相應(yīng)位置的檢查井進(jìn)行勘查，并根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)改造，以滿足設(shè)備的安放。多聲道超聲波流量計(jì)在安裝時(shí)，在管道外操作，且可以在管道帶壓狀態(tài)下進(jìn)行,方便施工;多數(shù)情況下配有專用儀表井，儀表箱及信號裝置安裝環(huán)境相對較好，便于后期維護(hù)。對于非滿管電磁流量計(jì)，由于其檢測電極通常以管道襯里的形式設(shè)置，再將該段管道整體嵌入管網(wǎng)中，通常要在新建管網(wǎng)中提前考慮安裝位置,并設(shè)置儀表井。雖然安裝要求較高，但后期維護(hù)工作相對較少。.
從經(jīng)濟(jì)性來看，多普勒式流量計(jì)由于機(jī)箱、蓄電池等相關(guān)設(shè)備置于管道或檢查井內(nèi)，環(huán)境較為惡劣，對設(shè)備的防護(hù)等級及維護(hù)頻率提出更高要求;安裝時(shí)常為帶水作業(yè)，需要聘請具有潛水作業(yè)資質(zhì)的人員進(jìn)行安裝。基于以上原因，除流量計(jì)本身造價(jià)較高外，安裝及后期維護(hù)還需要額外投入。與之相比，多聲道超聲波流量計(jì)造價(jià)相對較低，但需考慮儀表井、管線開挖等額外的土建費(fèi)用。非滿管電磁流量計(jì)目前在國內(nèi)應(yīng)用較少,產(chǎn)品多為國外進(jìn)口，價(jià)格較高。影響經(jīng)濟(jì)性的因素較多，本文不做更多討論，實(shí)際項(xiàng)目中，須結(jié)合具體情況，對各種流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評價(jià)。
5結(jié)論
(1)多普勒式流量計(jì)，安裝形式靈活，可以利用現(xiàn)狀檢查井作為安裝地點(diǎn)，建議用于現(xiàn)狀管網(wǎng)智慧化監(jiān)測改造的項(xiàng)目中。在選擇流量計(jì)安裝位置時(shí)，盡量選在管道直線段，且注意檢查井前后管道無過大的高差，防止井內(nèi)渦流或跌水現(xiàn)象對測量精度產(chǎn)生影響。由于涉及下井帶水作業(yè)，施工現(xiàn)場需進(jìn)行相關(guān)施工安全組織，請具有潛水作業(yè)資質(zhì)的人員進(jìn)行安裝，同時(shí)需要協(xié)調(diào)排水管網(wǎng)管理單位，降低管網(wǎng)內(nèi)水位。
(2)多聲道超聲波流量計(jì)，測量精度高，測量范圍廣，在設(shè)計(jì)時(shí)要提前考慮流量計(jì)及專用井位置，滿足直管段和儀表井尺寸的要求。建議用于新建管網(wǎng)的流量監(jiān)測項(xiàng)目中，相關(guān)管線及結(jié)構(gòu)專業(yè)可以較早的介入。若在現(xiàn)狀管網(wǎng)加裝該流量計(jì)，需考慮是否有合適位置滿足流量計(jì)設(shè)置要求并且便于土建施工。
(3)非滿管電磁流量計(jì)解決了傳統(tǒng)電磁流量計(jì)只能測:滿管工況的問題，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且該流量計(jì)安裝后將成為管道的一部分，具有較大的局限性。此外，考慮其成本較高、國內(nèi)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少等因素，目前不建議非滿管電磁流量計(jì)在污水管網(wǎng)中應(yīng)用。
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