摘要:結合市政污水(shuǐ)管網(wǎng)中常(cháng)見的(de)非滿管狀态，介紹了(le)幾種常見的非(fēi)滿管測量(liàng)流量計
，分析各種流(liú)量計(jì)測量(liàng)原理(lǐ)、計量性能、應用(yòng)場景、安裝(zhuāng)條件(jiàn)、經濟成本(běn)等。爲市政(zhèng)污(wū)水(shuǐ)管網流量(liàng)監測項目和越來越多的(de)污水管網流量(liàng)監測智能(néng)化改(gǎi)造項目(mù)中(zhōng)流量(liàng)計的(de)合理選用(yòng)提供(gòng)一定的參(cān)考。
1前(qián)言.
污(wū)水管(guǎn)網系(xì)統被稱爲(wèi)“城市生命線”，在城市中承擔着(zhe)污(wū)水輸送、控制(zhì)水體(tǐ)污(wū)染及預防内澇(lào)溢(yì)流等作.用，是保(bǎo)證城市生活正常運轉的重要基礎(chǔ)設施，因此對(duì)污(wū)水管網的建設(shè)和監測(cè)至關重(zhòng)要。污(wū)水管網的(de)流量(liàng)監測有助(zhù)于管網污染物(wù)溯源能力的提升、監控企業偷(tōu)排漏排的(de)管控(kòng)、雨污(wū)混(hùn)接的及(jí)時整改、城市内(nèi)澇的(de)預(yù)警、海水(shuǐ)倒灌的(de)監測等，爲市(shì)政(zhèng)管網的(de)維(wéi)護提供數據(jù)支撐。如今，“建設智慧型(xíng)城市”已(yǐ)成爲諸(zhū)多市政工程(chéng)項(xiàng)目的重(zhòng)要指導思想之(zhī)一，在水環(huán)境規(guī)劃與(yǔ)治理(lǐ)項目(mù)中，市(shì)政(zhèng)污(wū)水管(guǎn)網的(de)建設或改(gǎi)造是重要的環(huán)節，其中，對于管(guǎn)網的智能(néng)化、可視化(huà)、實(shí)時(shí)性管(guǎn)理有着越來越(yuè)廣(guǎng)泛的(de)需求。在(zài)污水管網的設(shè)計階段(duàn)，在(zài)線監(jiān)測須被(bèi)統(tǒng)籌考(kǎo)慮，特别(bié)在一些(xiē)老舊管網改造(zào)項目中(zhōng)，新增在線監測通(tōng)常存(cún)在很多實際困(kùn)難，針對複(fú)雜的管網環(huán)境，滿管(guǎn)與非滿管并存(cún)的管道(dào)狀(zhuàng)态，如何設置适(shì)合的(de)流量(liàng)計顯(xiǎn)得尤(yóu)爲關鍵。
2污水管(guǎn)網流(liú)量(liàng)測量(liàng)難(nán)點
污水管(guǎn)網内的流(liú)體(tǐ)來源中，工業污(wū)水和生(shēng)活污水(shuǐ)占(zhàn)主要(yào)部分。
工業污水(shuǐ)，流體(tǐ)一般(bān)爲自(zì)然流動，流量大，并且(qiě)非(fēi)滿管具(jù)有自由水面，精确測量有一定(dìng)的難(nán)度。對污水(shuǐ)排入(rù)管(guǎn)網點位(wèi)的點(diǎn)源監測，以(yǐ)前多(duō)采用傳統(tǒng)槽式流量計，如(rú)圖1所(suǒ)示(shì)，不僅精(jīng)度較低(dī)，而(ér)且帶(dài)來較(jiào)大的(de)水頭損失，同時對上(shàng)遊渠道的坡(pō)度(dù)及下遊水深也均有(yǒu)一(yī)定的要求，當(dāng)不能滿足(zú)條件時測量精(jīng)度會(huì)降低(dī)，有時甚至(zhì)無法(fǎ)進行(háng)測量。如(rú)果(guǒ)用傳(chuán)統的
電磁流量計
來測量污水，則需要建(jiàn)造額(é)外的(de)閘闆和堰(yàn)闆以保證滿管(guǎn)，這些(xiē)附(fù)加(jiā)的安(ān)裝費用甚至會(huì)超出(chū)流量計本(běn)身的費(fèi)用，大口(kǒu)徑管道時(shí)更是(shì)如此(cǐ)，而且還增(zēng)加了(le)管道堵塞(sāi)的可(kě)能性。
生(shēng)活(huó)污水來源比較(jiào)分散，排水管網(wǎng)末端流量小，不(bú)易測(cè)量，通常要(yào)在區域主(zhǔ)幹管道上布設流量(liàng)計，對流(liú)量(liàng)計的(de)合理(lǐ)分布(bù)提出更高要(yào)求(qiú)。生活(huó)污水流(liú)量(liàng)具有(yǒu)相對(duì)明顯(xiǎn)的時(shí)間周(zhōu)期性(xìng)，導緻管網内水(shuǐ)量産(chǎn)生波動，對流量(liàng)計測:量的穩(wěn)定性是(shì)不小(xiǎo)的考驗。
此(cǐ)外，排水管(guǎn)網流量測量還(hái)面臨(lín)以下(xià)問題(tí):排水(shuǐ)管網内垃(lā)圾多(duō)、懸浮物高(gāo)，導緻數(shù)據幹擾(rǎo)多,設(shè)備維(wéi)護成本高;監測點通(tōng)常分(fèn)布較爲(wèi)分散，給市政電源(yuán)的接入帶來難(nán)度;監測設(shè)備通(tōng)常安裝于檢查(chá)井内(nèi)，對設備的(de)防護(hù)等級(jí)以及(jí)信号(hào)的(de)傳輸能(néng)力提出更(gèng)高要求;現場(chǎng)環境複(fú)雜，安(ān)裝不便(biàn),維(wéi)護複(fú)雜(zá)等。
3常見(jiàn)的管網流(liú)量計(jì)介紹(shào)
爲解決上(shàng)述管網流(liú)量監(jiān)測中的(de)難點與(yǔ)問題，須(xū)選(xuǎn)用與實際工況相适宜的(de)管網(wǎng)流量計。目前，常見的(de)可檢測非滿管(guǎn)狀态的流(liú)量計(jì)有以(yǐ)下(xià)幾(jǐ)種:
3.1多普勒式超聲波(bō)流量計
采用連(lián)續波超聲(shēng)波(bō)多(duō)普勒(lè)原(yuán)理(lǐ)(速度面積(jī)法(fǎ)),超聲波(bō)發射器(qì)爲一固定聲源，随流體(tǐ)一起(qǐ)運動(dòng)的固(gù)體顆(kē)粒(lì)起(qǐ)了與(yǔ)聲源有(yǒu)相對運動的(de)“觀察(chá)者”的(de)作用，把入射到(dào)固體顆粒上(shàng)的(de)超聲波反射回(huí)接收據。發射聲(shēng)波與(yǔ)接收聲波之間的(de)頻(pín)率差(chà)，就是由于(yú)流體(tǐ)中固體顆(kē)粒運動而産(chǎn)生的聲波多普勒頻移(yí)。這個頻(pín)率(lǜ)差正(zhèng)比于(yú)流體流速，則可通過(guò)測量頻率差求得流(liú)速。
非(fēi)滿管(guǎn)情況(kuàng)下的流體斷面(miàn)面積的測(cè)量(liàng)要比滿(mǎn)管情況下(xià)複雜一些(xiē)，将管道本(běn)身的斷面(miàn)面積作爲(wèi)已知(zhī)條件,進而将此(cǐ)問題轉換(huàn)爲對(duì)管道内液(yè)位的測量，目(mù)前較爲(wèi)常見的形式有(yǒu)以下幾種:
(1)在(zài)管(guǎn)道正上方居中(zhōng)位置開孔，外加(jiā)
超聲(shēng)波液位計(jì)
。
(2)在(zài)管(guǎn)道内部的(de)正上(shàng)方固定超(chāo)聲波液位(wèi)探頭(tóu)。
(3)在管道(dào)内底部(bù)設置(zhì)壓力(lì)傳感器，可(kě)置于測流(liú)速的超聲波聲(shēng)源傳感器内,通(tōng)過所測(cè)流體壓(yā)力，結(jié)合管道斷(duàn)面參數等，反算出液(yè)位。得到速(sù)度與面積(jī)，可計算出流體的流(liú)量。但這樣(yàng)的流量測(cè)量的(de)方式(shì)也導緻了一定(dìng)的局(jú)限性，即
多(duō)普勒
式超(chāo)聲波流量計
适用于(yú)規則(zé)的管(guǎn)道斷(duàn)面，如圓形、矩形(xíng)等。從測量(liàng)介質(zhì)來看(kàn)，該流量計比較(jiào)适用(yòng)于雜質含量較多的(de)市政污水(shuǐ)、污泥的測量。常(cháng)見的(de)多普勒(lè)式(shì)流量(liàng)計傳感器安裝方式有抱箍式安裝和(hé)杆(gǎn)式安裝，如圖2、圖(tú)3所示(shì)。
抱箍(gū)式安(ān)裝優(yōu)點是(shì)安裝形式(shì)簡(jiǎn)潔(jié)，在污水管(guǎn)道中(zhōng)不(bú)容(róng)易鈎(gōu)挂垃圾導緻管(guǎn)道堵塞(sāi)。但抱箍安裝時的(de)固定(dìng)問題決定了該(gāi)形式(shì)較适用于(yú)新建(jiàn)管(guǎn)網(wǎng)管道，現狀管道需做(zuò)臨時(shí)性堵(dǔ)水處(chù)理(lǐ)，保證安裝時(shí)的無(wú)水環境。且未來維護時，需(xū)要人員下(xià)井進(jìn)入管(guǎn)道潛水作業。
杆式安(ān)裝的(de)優點(diǎn)是，在管道(dào)位置和井室結(jié)構清(qīng)楚的前提(tí)下，安(ān)裝時無需(xū)人員下井，可以(yǐ)在低水位時(shí)帶水安裝。日常維(wéi)護方便，傳感器(qì)容易(yì)取出進行(háng)清(qīng)理(lǐ)。缺點是容(róng)易纏繞垃圾，爲(wèi)了彌補這(zhè)一-缺點，減(jiǎn)少杆式安(ān)裝日(rì)常(cháng)維(wéi)護的(de)頻率(lǜ)，可(kě)将底部(bù)固定傳感器的(de)底闆加長(zhǎng)，讓傳(chuán)感器更(gèng)加(jiā)深入管道(dào)内部，減少(shǎo)垃圾(jī)纏繞的幾(jǐ)率，避(bì)免對監測(cè)數據的(de)影(yǐng)響。
3.2多(duō)聲道(dào)超聲波流(liú)量計
時差法超聲波(bō)流量(liàng)計
本(běn)質上是(shì)以(yǐ)超聲(shēng)脈沖傳播(bō)速度(dù)與流體(tǐ)流速進(jìn)行矢量(liàng)疊(dié)加爲(wèi)基礎，通過測量(liàng)聲波(bō)在順(shùn)、逆流(liú)過程傳播所花(huā)時間來确(què)定流(liú)體軸向(xiàng)平均流(liú)速。基于該原理(lǐ)的流量計，目(mù)前(qián)在工(gōng)業上應用(yòng)得較爲(wèi)廣泛。由于單聲道測量(liàng)受(shòu)管道參(cān)數、流體運動參(cān)數變化影(yǐng)響(xiǎng)較大，具(jù)有一定(dìng)的(de)局限(xiàn)性，所(suǒ)以用多聲道布置以避免(miǎn)或消(xiāo)除徑向速(sù)度分量引入的(de)偏差,增(zēng)加聲道對測量截面的(de)覆蓋率。
多聲道(dào)超聲(shēng)波(bō)流量計
在多層面對流體進(jìn)行測量，通(tōng)常采用4到5對傳(chuán)感器(qì)，誤(wù)差約爲(wèi)±1%，适用于滿管、非(fēi)滿管的流體情(qíng)況，也适(shì)用(yòng)于不同管道材料，如(rú)金屬、水泥等。同(tóng)時，配(pèi)套有儀表井、外部儀表箱及信号裝置，安(ān)裝環境相對較好(hǎo)，便于(yú)後期維(wéi)護。多聲道(dào)超聲波流(liú)量(liàng)計(jì)儀表井實景圖如圖(tú)4所示(shì)。
常見的多(duō)聲道(dào)超聲(shēng)波流(liú)量計(jì)分爲外夾(jiá)式和(hé)插入(rù)式。外夾式(shì)多(duō)聲(shēng)道流(liú)量計由安(ān)裝在管壁上的多對(duì)超聲(shēng)換能(néng)器組(zǔ)合而(ér)成，每條聲道均過(guò)軸(zhóu)中心線,可視爲多台(tái)單聲道儀表的(de)疊加。
插入式流(liú)量計
是将(jiāng)換能(néng)器直(zhí)接(jiē)插(chā)入管(guǎn)壁開(kāi)孔處以測量流體流動，避(bì)免了信号(hào)在管(guǎn)壁中傳播(bō)這--過(guò)程，一定(dìng)程(chéng)度上提升了流量計(jì)計量性能。一般(bān)在流道中不(bú)同(tóng)高度位置(zhì)處平行布(bù)置多條聲道，每(měi)條聲道測(cè)得的線速度可(kě)以代表待(dài)測截面.上(shàng)相應(yīng)平行帶内流體(tǐ)的平均速(sù)度(dù)，然後對(duì)各條聲道(dào)讀數(shù)進行加權平均(jun1)即可估算(suàn)出整個流通截面的(de)流量。
上述(shù)兩種形式相比(bǐ)，外夾(jiá)式流量計可以直接在管道外(wài)部安裝，或在現(xiàn)狀管網.上的閥(fá)門井内(nèi)安裝，無(wú)需設(shè)置專門(mén)的(de)流量計(jì)井(jǐng)。在排水管網監(jiān)測改造項目中，更不(bú)容易受到土建(jiàn)條件的制(zhì)約。但值得注意(yì)的是(shì)，利用(yòng)閥門井安(ān)裝，
外夾(jiá)式流量(liàng)計
容易受(shòu)到閥(fá)門擾流的幹擾(rǎo)，影響測量的精(jīng)度及(jí)穩定性，此(cǐ)外，外夾(jiá)式(shì)要求管道爲均質式(shì)管材(cái)。與(yǔ)外夾式(shì)流量計相比，插入式多(duō)聲道流量計(jì)聲道空間覆(fù)蓋率更高，閥(fá)門擾流(liú)條件下(xià)測量結果(guǒ)的誤(wù)差波動範圍更(gèng)小，數據重(zhòng)複性(xìng)更好，因而更能(néng)反映出真實流場分(fèn)布信息"。但(dàn)插入式(shì)流(liú)量計需設(shè)置專用的(de)流量計井,以方(fāng)便安裝(zhuāng)與後期(qī)維護(hù)。
3.3非滿(mǎn)管電(diàn)磁流量計
傳統(tǒng)的電磁流(liú)量計(jì)是基(jī)于(yú)法拉第(dì)電磁感應原理(lǐ),測:量滿管狀況(kuàng)下的流量(liàng)，在此(cǐ)基礎(chǔ)上(shàng)，
非滿管電磁流(liú)量(liàng)計
增(zēng)加了管道内液位測(cè)量的功能(néng)，進而(ér)通(tōng)過(guò)面積(jī)速度法計(jì)算得到流量(liàng)。非滿管(guǎn)電磁流量計常見的液位測量(liàng)形式有(yǒu)以下兩(liǎng)種:
(1)在(zài)傳統(tǒng)的電(diàn)磁(cí)流量計(jì)相鄰位置的(de)管道正(zhèng)上方居(jū)中部位開孔(kǒng)，外加超聲(shēng)波液位計。
(2)通過(guò)在管(guǎn)道(dào)内設置(zhì)發射(shè)電極(jí),将電極間的電容值(zhí)通過一(yī)定(dìng)的比(bǐ)例關(guān)系換量成(chéng)流體的(de)液(yè)位高度，增加電極對(duì)數可以提高測量精度(dù)，一(yī)般爲(wèi)4~6個4。
測得液(yè)位，進而可(kě)以得到非(fēi)滿管(guǎn)流體的截面面積，結(jié)合流(liú)速，計(jì)算出(chū)流量(liàng)。
非滿(mǎn)管電磁流(liú)量(liàng)計維護(hù)工作(zuò)量通(tōng)常較小，但(dàn)考慮(lǜ)到污(wū)水可(kě)能會在傳感器(qì)内壁附着(zhe)，形成的積(jī)聚(jù)層會對(duì)傳感器電導率(lǜ)産生影響，并且(qiě)由于非滿(mǎn)管電(diàn)磁流量計傳感(gǎn)器均位于(yú)管道内部(bù)，不易進行(háng)人工(gōng)清潔(jié)維護，所以該流量計(jì)一般(bān)适用于流(liú)速大(dà)于3m/s的管道(dào)，這樣一-定程度上可以減輕污(wū)染物(wù)附着沉積的現象。此外，非(fēi)滿管電磁流量(liàng)計需(xū)要專用的儀表井，以(yǐ)方便(biàn)儀表的安裝與(yǔ)維護。
4幾(jǐ)種(zhǒng)流量(liàng)計的綜合比較(jiào)
從流量(liàng)計的性(xìng)能來看，多(duō)聲道(dào)超聲波流量計精度相對(duì)較高(gāo)，一般誤差爲1%~2%，是(shì)其核心優勢(shì)之一，且流速的測(cè)量範圍較大。多普勒(lè)式流(liú)量計和(hé)非滿(mǎn)管(guǎn)電磁(cí)流量計精度相當，誤(wù)差約爲3%~5%，且(qiě)與多聲(shēng)道超聲(shēng)波液(yè)位計相比，流速測量(liàng)範圍(wéi)相對(duì)較小(xiǎo)。
從(cóng)應(yīng)用場景及(jí)安裝條件來看(kàn)，多普勒式流(liú)量(liàng)計安裝形式靈活，特(tè)别是(shì)在老(lǎo)舊的現狀管網中，更(gèng)容易找到合适(shì)安裝的點位;儀表安裝地(dì)點爲(wèi)管道(dào)檢(jiǎn)查井，無(wú)需過多(duō)額(é)外的土建施(shī)工，但在(zài)現狀管網中加裝該(gāi)流量計時(shí),應對相應(yīng)位(wèi)置(zhì)的檢查井進行(háng)勘查，并根(gēn)據實(shí)際情況(kuàng)做适當改造，以(yǐ)滿足設(shè)備的安放。多聲(shēng)道超聲波(bō)流量計在安裝(zhuāng)時，在管道(dào)外操作，且可以在(zài)管(guǎn)道帶(dài)壓狀态(tài)下(xià)進行(háng),方便(biàn)施工(gōng);多數(shù)情況下配有專(zhuān)用儀表井，儀表(biǎo)箱及信号裝置(zhì)安裝環境相(xiàng)對(duì)較好，便于(yú)後期維護。對于(yú)非滿(mǎn)管電(diàn)磁流(liú)量計(jì)，由于其檢測電(diàn)極通常(cháng)以管道(dào)襯裏的形式設(shè)置，再(zài)将該(gāi)段管道整體嵌(qiàn)入管(guǎn)網中(zhōng)，通常要在新建管網中提(tí)前考慮安(ān)裝位(wèi)置,并(bìng)設(shè)置儀表(biǎo)井。雖(suī)然安(ān)裝要(yào)求較(jiào)高(gāo)，但後期(qī)維護工作(zuò)相對(duì)較少。.
從經(jīng)濟性來看，多普勒式(shì)流量(liàng)計由于機(jī)箱、蓄電池等相(xiàng)關設(shè)備置于管(guǎn)道或檢查(chá)井内，環境(jìng)較爲惡劣(liè)，對設(shè)備的(de)防護等級(jí)及維護頻(pín)率提出更高要(yào)求;安裝時(shí)常爲(wèi)帶水作(zuò)業，需要聘請具有潛水(shuǐ)作業資質(zhì)的人(rén)員進行安裝。基(jī)于以上原(yuán)因，除(chú)流量計本身造(zào)價較高(gāo)外(wài)，安裝及後(hòu)期(qī)維護還(hái)需要額外投入(rù)。與之相比，多聲(shēng)道超聲波流量(liàng)計造(zào)價相對較低，但需考慮儀(yí)表井(jǐng)、管線開挖(wā)等額外的(de)土建費用(yòng)。非(fēi)滿管電(diàn)磁流量計(jì)目前(qián)在國内(nèi)應用較(jiào)少,産品多(duō)爲國(guó)外進口，價(jià)格較(jiào)高。影(yǐng)響經濟性(xìng)的因(yīn)素較多，本(běn)文不做更多讨論，實(shí)際項目(mù)中(zhōng)，須結合(hé)具(jù)體情(qíng)況，對(duì)各(gè)種(zhǒng)流量(liàng)計的經濟(jì)性進行評價。
5結論
(1)多(duō)普勒式流量計(jì)，安裝形式(shì)靈活(huó)，可以利(lì)用(yòng)現狀(zhuàng)檢查井(jǐng)作爲安(ān)裝地(dì)點，建議用(yòng)于現(xiàn)狀管網智慧化監測(cè)改造(zào)的項目中。在選(xuǎn)擇流量計(jì)安裝(zhuāng)位置時(shí)，盡量選(xuǎn)在管道直線段(duàn)，且注意檢查井(jǐng)前後管(guǎn)道(dào)無過(guò)大的高差，防止(zhǐ)井内渦流(liú)或跌(diē)水現象對測量(liàng)精度産生影響。由于涉(shè)及(jí)下井(jǐng)帶水(shuǐ)作業，施工現場需(xū)進行相(xiàng)關施(shī)工(gōng)安全組(zǔ)織，請具(jù)有(yǒu)潛水(shuǐ)作業(yè)資(zī)質(zhì)的人(rén)員進(jìn)行安(ān)裝，同(tóng)時需要協調排(pái)水管(guǎn)網管(guǎn)理單(dān)位，降低管網内(nèi)水位(wèi)。
(2)多(duō)聲道超(chāo)聲波流量計，測量精(jīng)度高，測量(liàng)範圍(wéi)廣，在(zài)設計(jì)時要提前考慮(lǜ)流量(liàng)計及專用(yòng)井位置，滿足直(zhí)管段(duàn)和儀表井尺寸的要(yào)求。建(jiàn)議用于新建管(guǎn)網的流(liú)量(liàng)監測(cè)項目中，相(xiàng)關管(guǎn)線及(jí)結(jié)構專業(yè)可以較(jiào)早的介入。若(ruò)在現(xiàn)狀管(guǎn)網加裝該(gāi)流量計，需(xū)考慮是否(fǒu)有(yǒu)合适位(wèi)置滿(mǎn)足流量計(jì)設置要求并且(qiě)便于(yú)土建(jiàn)施(shī)工。
(3)非滿管電(diàn)磁(cí)流量計(jì)解(jiě)決了傳統電(diàn)磁流(liú)量計(jì)隻能(néng)測:滿管工況的(de)問題，但(dàn)其(qí)結構(gòu)較爲(wèi)複雜，且該(gāi)流量計安(ān)裝後(hòu)将成爲管道(dào)的(de)一部分，具(jù)有較(jiào)大的局(jú)限(xiàn)性。此(cǐ)外，考(kǎo)慮其成本(běn)較高、國内應用(yòng)經驗較(jiào)少等因(yīn)素，目前不(bú)建議(yì)非滿管電磁流(liú)量計(jì)在(zài)污水管網中應用。
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