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  時(shí)間:2022-8-18 08:44:30

非滿管測(cè)量技術(shù)在污水管網(wǎng)中應(yīng)用

摘要:結(jié)合市政污水管網(wǎng)中常見(jiàn)的非滿管狀態(tài),介紹了幾種常見(jiàn)的非滿管測(cè)量流量計(jì),分析各種流量計(jì)測(cè)量原理、計(jì)量性能、應(yīng)用場(chǎng)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(cè)項(xiàng)目和越來(lái)越多的污水管網(wǎng)流量監(jiān)測(cè)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(chēng)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(duì)污水管網(wǎng)的建設(shè)和監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。污水管網(wǎng)的流量監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)于管網(wǎng)的智能化、可視化、實(shí)時(shí)性管理有著越來(lái)越廣泛的需求。在污水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)階段,在線監(jiān)測(cè)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(cè)通常存在很多實(shí)際困難,針對(duì)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(cè)量難點(diǎn)
  污水管網(wǎng)內(nèi)的流體來(lái)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(cè)量有一定的難度。對(duì)污水排入管網(wǎng)點(diǎn)位的點(diǎn)源監(jiān)測(cè),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)?lái)較大的水頭損失,同時(shí)對(duì)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(cè)量精度會(huì)降低,有時(shí)甚至無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。如果用傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)來(lái)測(cè)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(lái)源比較分散,排水管網(wǎng)末端流量小,不易測(cè)量,通常要在區(qū)域主干管道上布設(shè)流量計(jì),對(duì)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(duì)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(duì)流量計(jì)測(cè):量的穩(wěn)定性是不小的考驗(yàn)。
  此外,排水管網(wǎng)流量測(cè)量還面臨以下問(wèn)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(cè)點(diǎn)通常分布較為分散,給市政電源的接入帶來(lái)難度;監(jiān)測(cè)設(shè)備通常安裝于檢查井內(nèi),對(duì)設(shè)備的防護(hù)等級(jí)以及信號(hào)的傳輸能力提出更高要求;現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,安裝不便,維護(hù)復(fù)雜等。
3常見(jiàn)的管網(wǎng)流量計(jì)介紹
  為解決上述管網(wǎng)流量監(jiān)測(cè)中的難點(diǎn)與問(wèn)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(jiàn)的可檢測(cè)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(duì)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(guò)測(cè)量頻率差求得流速。
  非滿管情況下的流體斷面面積的測(cè)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(wèn)題轉(zhuǎn)換為對(duì)管道內(nèi)液位的測(cè)量,目前較為常見(jiàn)的形式有以下幾種:
(1)在管道正上方居中位置開(kāi)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(cè)流速的超聲波聲源傳感器內(nèi),通過(guò)所測(cè)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(cè)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(cè)量介質(zhì)來(lái)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(cè)量。常見(jiàn)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(jiǎn)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(wèn)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(wú)水環(huán)境。且未來(lái)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(wú)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(zhǎng),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(duì)監(jiān)測(cè)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(guò)測(cè)量聲波在順、逆流過(guò)程傳播所花時(shí)間來(lái)確定流體軸向平均流速;谠撛淼牧髁坑(jì),目前在工業(yè)上應(yīng)用得較為廣泛。由于單聲道測(cè)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(duì)測(cè)量截面的覆蓋率。多聲道超聲波流量計(jì)在多層面對(duì)流體進(jìn)行測(cè)量,通常采用4到5對(duì)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?jī)x表箱及信號(hào)裝置,安裝環(huán)境相對(duì)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(jiàn)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(duì)超聲換能器組合而成,每條聲道均過(guò)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(kāi)孔處以測(cè)量流體流動(dòng),避免了信號(hào)在管壁中傳播這--過(guò)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(cè)得的線速度可以代表待測(cè)截面.上相應(yīng)平行帶內(nèi)流體的平均速度,然后對(duì)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(mén)井內(nèi)安裝,無(wú)需設(shè)置專(zhuān)門(mén)的流量計(jì)井。在排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(mén)井安裝,外夾式流量計(jì)容易受到閥門(mén)擾流的干擾,影響測(cè)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(mén)擾流條件下測(cè)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(chǎng)分布信息"。但插入式流量計(jì)需設(shè)置專(zhuān)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(cè):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(cè)量的功能,進(jìn)而通過(guò)面積速度法計(jì)算得到流量。非滿管電磁流量計(jì)常見(jiàn)的液位測(cè)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(kāi)孔,外加超聲波液位計(jì)。
(2)通過(guò)在管道內(nèi)設(shè)置發(fā)射電極,將電極間的電容值通過(guò)一定的比例關(guān)系換量成流體的液位高度,增加電極對(duì)數(shù)可以提高測(cè)量精度,一般為4~6個(gè)4。
  測(cè)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(duì)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(zhuān)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(lái)看,多聲道超聲波流量計(jì)精度相對(duì)較高,一般誤差為1%~2%,是其核心優(yōu)勢(shì)之一,且流速的測(cè)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(cè)量范圍相對(duì)較小。
  從應(yīng)用場(chǎng)景及安裝條件來(lái)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(wú)需過(guò)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(duì)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(zhuān)用儀表井,儀表箱及信號(hào)裝置安裝環(huán)境相對(duì)較好,便于后期維護(hù)。對(duì)于非滿管電磁流量計(jì),由于其檢測(cè)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(duì)較少。.
  從經(jīng)濟(jì)性來(lái)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(duì)設(shè)備的防護(hù)等級(jí)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(qǐng)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(duì)較低,但需考慮儀表井、管線開(kāi)挖等額外的土建費(fèi)用。非滿管電磁流量計(jì)目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少,產(chǎn)品多為國(guó)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(duì)各種流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)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(cè)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(wú)過(guò)大的高差,防止井內(nèi)渦流或跌水現(xiàn)象對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。由于涉及下井帶水作業(yè),施工現(xiàn)場(chǎng)需進(jìn)行相關(guān)施工安全組織,請(qǐng)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(cè)量精度高,測(cè)量范圍廣,在設(shè)計(jì)時(shí)要提前考慮流量計(jì)及專(zhuān)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(cè)項(xiàng)目中,相關(guān)管線及結(jié)構(gòu)專(zhuān)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(cè):滿管工況的問(wèn)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(guó)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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