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★ 李偉波，魏冬（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300392）

摘要：本文結合市政污水管網中常見的非滿管狀態，介紹了幾種常見的非滿管測量流量計，分析各種流量計測量原理、計量性能、應用場景、安裝條件、經濟成本等。為市政污水管網流量監測項目和越來越多的污水管網流量監測智能化改造項目中流量計的合理選用提供一定的參考。

關鍵詞：非滿管；流量計；污水管網

1　前言

污水管網系統被稱為“城市生命線”，在城市中承擔著污水輸送、控制水體污染及預防內澇溢流等作用，是保證城市生活正常運轉的重要基礎設施，因此對污水管網的建設和監測至關重要。污水管網的流量監測有助于管網污染物溯源能力的提升、監控企業偷排漏排的管控、雨污混接的及時整改、城市內澇的預警、海水倒灌的監測等，為市政管網的維護提供數據支撐。如今，“建設智慧型城市”已成為諸多市政工程項目的重要指導思想之一，在水環境規劃與治理項目中，市政污水管網的建設或改造是重要的環節，其中，對于管網的智能化、可視化、實時性管理有著越來越廣泛的需求。

在污水管網的設計階段，在線監測須被統籌考慮，特別在一些老舊管網改造項目中，新增在線監測通常存在很多實際困難，針對復雜的管網環境，滿管與非滿管并存的管道狀態，如何設置適合的流量計顯得尤為關鍵。

2　污水管網流量測量難點

污水管網內的流體來源中，工業污水和生活污水占主要部分。

工業污水，流體一般為自然流動，流量大，并且非滿管具有自由水面，精確測量有一定的難度。對污水排入管網點位的點源監測，以前多采用傳統槽式流量計，如圖1所示，不僅精度較低，而且帶來較大的水頭損失，同時對上游渠道的坡度及下游水深也均有一定的要求，當不能滿足條件時測量精度會降低，有時甚至無法進行測量。如果用傳統的電磁流量計來測量污水，則需要建造額外的閘板和堰板以保證滿管，這些附加的安裝費用甚至會超出流量計本身的費用，大口徑管道時更是如此，而且還增加了管道堵塞的可能性。

圖1 槽式流量計實景圖

生活污水來源比較分散，排水管網末端流量小，不易測量，通常要在區域主干管道上布設流量計，對流量計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間周期性，導致管網內水量產生波動，對流量計測量的穩定性是不小的考驗。

此外，排水管網流量測量還面臨以下問題：排水管網內垃圾多、懸浮物高，導致數據干擾多，設備維護成本高；監測點通常分布較為分散，給市政電源的接入帶來難度；監測設備通常安裝于檢查井內，對設備的防護等級以及信號的傳輸能力提出更高要求；現場環境復雜，安裝不便，維護復雜等。

3　常見的管網流量計介紹

為解決上述管網流量監測中的難點與問題，須選用與實際工況相適宜的管網流量計。目前，常見的可檢測非滿管狀態的流量計有以下幾種：

3.1　多普勒式超聲波流量計

采用連續波超聲波多普勒原理（速度面積法），超聲波發射器為一固定聲源，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“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。發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動而產生的聲波多普勒頻移。這個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雜一些，將管道本身的斷面面積作為已知條件，進而將此問題轉換為對管道內液位的測量，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。

（2）在管道內部的正上方固定超聲波液位探頭。

（3）在管道內底部設置壓力傳感器，可置于測流速的超聲波聲源傳感器內，通過所測流體壓力，結合管道斷面參數等，反算出液位。

得到速度與面積，可計算出流體的流量。但這樣的流量測量的方式也導致了一定的局限性，即多普勒式超聲波流量計適用于規則的管道斷面，如圓形、矩形等。從測量介質來看，該流量計比較適用于雜質含量較多的市政污水、污泥的測量。常見的多普勒式流量計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。

圖2 抱箍式安裝實景圖 

圖3 桿式安裝實景圖

抱箍式安裝優點是安裝形式簡潔，在污水管道中不容易鉤掛垃圾導致管道堵塞。但抱箍安裝時的固定問題決定了該形式較適用于新建管網管道，現狀管道需做臨時性堵水處理，保證安裝時的無水環境。且未來維護時，需要人員下井進入管道潛水作業。

桿式安裝的優點是，在管道位置和井室結構清楚的前提下，安裝時無需人員下井，可以在低水位時帶水安裝。日常維護方便，傳感器容易取出進行清理。缺點是容易纏繞垃圾，為了彌補這一缺點，減少桿式安裝日常維護的頻率，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部，減少垃圾纏繞的幾率，避免對監測數據的影響。

3.2　多聲道超聲波流量計

時差法超聲波流量計本質上是以超聲脈沖傳播速度與流體流速進行矢量疊加為基礎，通過測量聲波在順、逆流過程傳播所花時間來確定流體軸向平均流速。基于該原理的流量計，目前在工業上應用得較為廣泛。由于單聲道測量受管道參數、流體運動參數變化影響較大，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，是提升流量計測量精度可靠性和穩定性的有效手段^[1]。

多聲道超聲波流量計在多層面對流體進行測量，通常采用4到5對傳感器，具有更高的精度，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，配套有儀表井、外部儀表箱及信號裝置，安裝環境相對較好，便于后期維護。多聲道超聲波流量計儀表井實景圖如圖4所示。

圖4 多聲道超聲波流量計儀表井實景圖

常見的多聲道超聲波流量計分為外夾式和插入式。

外夾式多聲道流量計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，可視為多臺單聲道儀表的疊加。

插入式流量計是將換能器直接插入管壁開孔處以測量流體流動，避免了信號在管壁中傳播這一過程，一定程度上提升了流量計計量性能。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平行帶內流體的平均速度，然后對各條聲道讀數進行加權平均即可估算出整個流通截面的流量^[1]。

上述兩種形式相比，外夾式流量計可以直接在管道外部安裝，或在現狀管網上的閥門井內安裝，無需設置專門的流量計井。在排水管網監測改造項目中，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，外夾式流量計容易受到閥門擾流的干擾，影響測量的精度及穩定性，此外，外夾式要求管道為均質式管材。與外夾式流量計相比，插入式多聲道流量計聲道空間覆蓋率更高，閥門擾流條件下測量結果的誤差波動范圍更小，數據重復性更好，因而更能反映出真實流場分布信息^[1]。但插入式流量計需設置專用的流量計井，以方便安裝與后期維護。

3.3　非滿管電磁流量計

傳統的電磁流量計是基于法拉第電磁感應原理，測量滿管狀況下的流量，在此基礎上，非滿管電磁流量計增加了管道內液位測量的功能，進而通過面積速度法計算得到流量。非滿管電磁流量計常見的液位測量形式有以下兩種：

（1）在傳統的電磁流量計相鄰位置的管道正上方居中部位開孔，外加超聲波液位計。

（2）通過在管道內設置發射電極，將電極間的電容值通過一定的比例關系換量成流體的液位高度，增加電極對數可以提高測量精度，一般為4~6個^[2]。

測得液位，進而可以得到非滿管流體的截面面積，結合流速，計算出流量。

非滿管電磁流量計維護工作量通常較小，但考慮到污水可能會在傳感器內壁附著，形成的積聚層會對傳感器電導率產生影響，并且由于非滿管電磁流量計傳感器均位于管道內部，不易進行人工清潔維護，所以該流量計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象。此外，非滿管電磁流量計需要專用的儀表井，以方便儀表的安裝與維護。

4　幾種流量計的綜合比較

從流量計的性能來看，多聲道超聲波流量計精度相對較高，一般誤差為1%~2%，是其核心優勢之一，且流速的測量范圍較大。多普勒式流量計和非滿管電磁流量計精度相當，誤差約為3%~5%，且與多聲道超聲波液位計相比，流速測量范圍相對較小。

從應用場景及安裝條件來看，多普勒式流量計安裝形式靈活，特別是在老舊的現狀管網中，更容易找到合適安裝的點位；儀表安裝地點為管道檢查井，無需過多額外的土建施工，但在現狀管網中加裝該流量計時，應對相應位置的檢查井進行勘查，并根據實際情況做適當改造，以滿足設備的安放。多聲道超聲波流量計在安裝時，在管道外操作，且可以在管道帶壓狀態下進行，方便施工；多數情況下配有專用儀表井，儀表箱及信號裝置安裝環境相對較好，便于后期維護。對于非滿管電磁流量計，由于其檢測電極通常以管道襯里的形式設置，再將該段管道整體嵌入管網中，通常要在新建管網中提前考慮安裝位置，并設置儀表井。雖然安裝要求較高，但后期維護工作相對較少。

從經濟性來看，多普勒式流量計由于機箱、蓄電池等相關設備置于管道或檢查井內，環境較為惡劣，對設備的防護等級及維護頻率提出更高要求；安裝時常為帶水作業，需要聘請具有潛水作業資質的人員進行安裝。基于以上原因，除流量計本身造價較高外，安裝及后期維護還需要額外投入。與之相比，多聲道超聲波流量計造價相對較低，但需考慮儀表井、管線開挖等額外的土建費用。非滿管電磁流量計目前在國內應用較少，產品多為國外進口，價格較高。影響經濟性的因素較多，本文不做更多討論，實際項目中，須結合具體情況，對各種流量計的經濟性進行評價。

5　結論

（1）多普勒式流量計，安裝形式靈活，可以利用現狀檢查井作為安裝地點，建議用于現狀管網智慧化監測改造的項目中。在選擇流量計安裝位置時，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，防止井內渦流或跌水現象對測量精度產生影響。由于涉及下井帶水作業，施工現場需進行相關施工安全組織，請具有潛水作業資質的人員進行安裝，同時需要協調排水管網管理單位，降低管網內水位。

（2）多聲道超聲波流量計，測量精度高，測量范圍廣，在設計時要提前考慮流量計及專用井位置，滿足直管段和儀表井尺寸的要求。建議用于新建管網的流量監測項目中，相關管線及結構專業可以較早的介入。若在現狀管網加裝該流量計，需考慮是否有合適位置滿足流量計設置要求并且便于土建施工。

（3）非滿管電磁流量計解決了傳統電磁流量計只能測滿管工況的問題，但其結構較為復雜，且該流量計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、國內應用經驗較少等因素，目前不建議非滿管電磁流量計在污水管網中應用。

參考文獻：

[1] 吳波, 李晶晶, 李曉鵬, 等. 閥門擾流條件下外夾式與插入式多聲道超聲流量計性能對比[J]. 計量技術, 2020, (8) : 34 - 39, 33．

[2] 黃彤. 非滿管電磁流量計在污水測量中的應用[J]. 工業儀表與自動化裝置, 2006, (4) : 43 - 45．

[3] 蘇彥勛, 梁國偉, 盛健. 流量計量與測試[M]. 北京 : 中國計量出版社, 2007 : 63 - 64．

[4] 岳桂杰, 保承軍, 徐宏彤. 電磁流量計的選型與安裝[J]. 自動化與儀器儀表, 2013, (1) : 133 - 134．

[5] 徐英華. 流量計量 (上冊) [M]. 北京 : 中國質檢出版社, 2012 : 90 - 96．

[6] 劉映東. 城市污水處理現狀及其發展趨勢分析[J]. 資源節約與環保, 2015, (2) : 161．

作者簡介：

李偉波（1984-），男，山東濰坊人，高級工程師，碩士，現就職于天津市政工程設計研究總院有限公司，研究方向為電力電子與電力傳動。

魏　冬（1990-），男，天津人，工程師，碩士，現就職于天津市政工程設計研究總院有限公司，研究方向為電氣工程。

摘自《自動化博覽》2022年5月刊