观点讨论:排水流量测量如何做到更准确?
发布时间:2023-11-21 10:19:44 来源:中国给水排水 作者:本站编辑 浏览次数:



流量、液位、水质数据是排水管网、排水泵站和污水处理厂精准运维管理的基础,其中流量的准确与否又是排水运维质量管控的难点与重点。流量数据的严重误差,直接影响运行调度、药剂投加、精准曝气、工艺调整,以及排水设施入河水量与污染物计算和运行费用结算。

 

流量测量有如下特点

① 流量管理是城市排水运维的基本要素;

② 流量设施投入小,效益大;

③ 有多种排水流量测量方法与设备,但须有合适的应用场景及正确的安装;

④ 受排水管网中杂质、有害气体的影响,测量设备容易被缠绕、损坏,导致数据失准;

⑤ 缺少排水流量计在线校准的标准和方法。

 

排水系统流量精准测量需要解决的问题:

① 进一步挖掘排水可靠流量数据的价值;

② 降低流量测量误差(常见为20%以上);

③ 减少对流量计的维护工作量(常见1周左右);

④ 提高流量测量设备的寿命(常见1~2年);

⑤ 采用可靠的在线校准方法,校核流量测量数据的准确性。


目前,这些问题已在排水行业开始引起重视。

 

在此,我们想回顾一下排水管网流量计的发展历史,根据实地调研和工程实践总结,就流量计的选择、安装点的选择、安装方法和数据梳理等分享一些观点,即:流量测量流量计;流量测量=准确的流量计+合理的测量点+适合的安装方法+科学的数据分析。


01

排水管网流量计的发展史

目前对排水设施的流量测量,总体上分为接触式流量测量和非接触式流量测量见图1

接触式流量测量:包括超声波多普勒流量计、超声波时差法流量计超声波互相关流量计电磁流量计;

非接触式流量测量:包括雷达流量计和计量堰槽(Q-h关系)。


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1 排水系统主要流量计的分类


现有的水系统流量计都有漫长的发展历程,比如:

  • 文丘里流量计基于伯努利方程(1726年),第一台文丘里流量计出现于1886年;
  • 巴歇尔槽流量计由文丘里流量计改进发展而来,第一台巴歇尔槽流量计出现于1922年;
  • 电磁流量计基于基于法拉第原理(1831年),第一台电磁流量计出现于20世纪30年代;
  • 超声波时差法的第一个专利产生于1928年,第一台商用的超声波时差法流量计出现于1955年;
  • 超声波多普勒流量计基于多普勒效应(1842年),第一台商用的超声波多普勒流量计出现于20世纪60年代;
  • 20世纪60年代中期开始,互相关流量计的论文已陆续发表在英文期刊;20世纪80年代,国内已开始超声波互相关流量计的研究(参见:泽人仪器中的相关技术-互相关流量计电子测量技术[J]198606)。第一台商用的超声波互相关流量计出现于2000年。


排水系统流量计的发展史告诉我们:

  • 现有排水系统流量计的测量原理都是清晰、明确和可验证的;
  • 每款成熟的排水系统流量计,都需要长期的理论探索、试验验证,以及不断的产品迭代。


02

流量计的选择

通常,可以根据如下条件选择合适的流量计:

  • 前后平直段长度;
  • 测量精度要求;
  • 几何形状(外形尺寸);
  • 当前水位和高水位;
  • 预计当前流速;
  • 测量介质的浊度(河水、雨水、污水等);
  • 流动模式(湍流/对称);
  • 供电和通方式;

不同应用场景下可能流量计选择种类见表1


排水系统主要流量计的分类

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备注:是指可以使用,但测量不准确性偏大,或者受法规限制。


03

安装点的选择

选择合适的安装点时,需要考虑:

  • 雷诺数对流速剖面的影响;
  • 前后平直段、流速断面和测量精度的关系。

雷诺数(Re)是重要的无量纲量,可帮助预测不同流体流动情况下的流动模式。在低雷诺数下,流动倾向于以层流为主;而在高雷诺数下,湍流是由流体速度和方向的差异引起的。


安装点需要选择在雷诺数<
5000的位置。对于非满管的情况,通常要求平直段长度10D

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非满管渠道不同位置的流场变化

(此图来源法国斯特拉斯堡大学2013年博士论文,作者Laurent SOLLIEC,博士论文题目Real time flow rate modelling in disturbed conditions from velocity profilers在扰动条件下的速度剖面仪实时流速建模)


04

安装方法的选择

除了电磁流量计需要在设计阶段提前预留安装位置,开挖仪表井和做倒虹人为形成满管条件之外,排水系统流量计的安装方式大体如3所示可以根据需要选择。


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排水系统流量计的安装方式


 圈法安装:解决DN150~DN2000管道内楔形传感器的安装。圈法安装获得稳定的安装角度和安装方向,是目前楔形传感器比较理想的安装方式。缺点需要人员进入管道内安装,存在一定的安装风险。

 L杆安装:用于管道内12点钟6点钟方向的安装,是常用的安装方式。L杆安装的优点是简单快速,通常无需人员下井施工;缺点是容易挂垃圾导致维护工作量大,传感器很难精确定位,增加测量误差。也可以考虑用改进的L杆安装,降低维护工作量。

 浮板/浮船式安装:可以用于敞开渠道的流量测量。其优点是安装和维护方便,可以同步测量流速和污泥界面高度但不适表面垃圾很多的应用场景。

 渠道侧壁测量安装:将传感器固定在渠道侧壁上。其优点是可以解决大尺寸的渠道流量测量,其缺点是需要人员进入渠道内施工,传感器必须安装在最低液位之下。

 插入式安装:将管式传感器插入到管道内的安装。其优点是:安装快速,维护方便,传感器仅仅插入管道内壁12mm因而不容易挂垃圾;其缺点是需要进行管道开孔,并提前预留施工、安装和维护的空间。


05

数据处理

排水系统流量测量过程中,确实会获得一些异常的数据。我们建议,认真分析每一个异常数据,而不应直接优化这些数据。

我们建议的数据处理方式:
 采用液位冗余的测量,获得2组以上的同步液位数据,判断传感器是否被异物覆盖,并进一步判断是否应该优化已确认的传感器被异物覆盖期间的测量数据;
 与雨量计的数据结合判断,流量的异常数据是否由降雨导致,并进一步分析降雨、汇水分区等因素对流量的影响;
 根据流量计的自学习曲线,分析判断传感器自身的异常情况;
 除了传感器被异物覆盖、降雨影响流量及传感器异常等情况,都不应该对已获得测量数据进行优化处理,以避免丢失有用信息。


06

结语

 排水系统流量测量重要性排序维护间隔长、设备寿命长、适合的测量精度(适合的流量计)
 维护间隔长、适应性强、使用便捷是优先事项
 根据应用场景、测量精度要求等条件,选择合适的流量计;
 安装点需要选择在Re<5000的位置;对于非满管的情况,通常要求平直段长度10D
 根据现场条件,选择合适的安装方法;
 数据质量是数据分析和应用的前置条件;测量精度不高,数据变化趋势也会错误;
 科学合理地进行数据分析和处理,而不是盲目优化数据或曲线平滑化,是提高数据质量的重要原则



致谢:本文得到原上海市排水管理处处长马远东先生的帮助,在此感谢!


作者:王   强(上海铂尔怡环境技术股份有限公司)




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