排水管网流量测量的原理,方法和设备选择分析「排水流量计算公式」

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排水管网流量测量的原理、方法和设备选择

随着水环境治理的深化，越来越发现可靠的流量测量数据，是排水管网诊断、提质增效、厂站网河一体化和水务数字化项目规划、建设和高效运营的起点和前提。而排水管网流量的测量，也恰恰是这些项目的痛点和难点。

1 排水管网的特点和流量测量的现状

国内排水管网的特点为：（1）两高，管网高水位、污水厂高负荷；（2）两低，进水浓度低、减排效率低。

排水管网具有的这些特点，相应对流量计提出如下要求：

☑ 测量瞬时流速、瞬时流量、液位、水温和累计流量；

☑ 根据测量点的要求，选择合适的测量精度，并要求不同流量计之间的数据一致性好；

☑ 规避沉积物对流量测量的影响；

☑ 规避排水管网内微生物膜对传感器表面的附着，减少微生物膜对测量数据的影响；

☑ 规避测量数据的二次清洗，减少人为误差；

☑ 考虑排水管网腐蚀性气体的影响，完善防腐方法，确保长期稳定运行；

☑ 要求方便安装和维护；

☑ 使用寿命长，尽可能免维护。

目前，业内普遍重视排水管网的水质测量，而对流量测量的重视程度不够。同时，常用的流量测量设备寿命短、精度差、维护工作量大；测量数据的重复性差。因此，普遍认为排水管网的流量测不准，测不好。

事实上，排水管网有大量的流量测量需求，更有大量的流量测量难题亟需解决。

2 排水管网流量测量的方法

结合国内外的流量测量设备，排水管网的流量测量方法可以分为：超声波流量计、感应式电磁流量计、雷达流量计和基于水力学计算的流量计。

而超声波流量计和感应式电磁流量计可以归为接触式或速度-面积法流量计，雷达流量计和基于水力学计算的流量计可以归为非接触式流量计。

雷达流量计和基于水力学计算的非接触式流量测量方法的测量误差大，更多的用于定性的测量而非定量测量。

接触式或速度-面积法流量测量方法中，感应式电磁流量计需要开挖施工，且存在小流量偏差大的情况。因此，感应式电磁流量计不是排水管网流量测量的主流产品。而超声波时差法受水中悬浮物的影响大，通常用在比较干净的河水和供水管网，不适合含杂质比较多的排水管网。因此，排水管网中使用的主要是超声波多普勒和超声波互相关流量计。

德国NIVUS（尼沃斯）集团在45年前开始生产多普勒流量计，20年前开始生产互相关流量计。数十年以来，NIVUS对相关产品持续改进，在多普勒流量计和互相关流量计领域积累了深厚的技术积淀。

以下的比较，基于德国NIVUS生产的超声波多普勒和超声波互相关流量计这两种速度-面积法流量计。

2.1 流量测量方法

流量无法直接测量，可以采用速度-面积法测量。速度-面积法测量流量Q时，需要测量两个因素：平均流速V和过流面积A，通用计算公式如下。

Q = v(平均) • A

因此，需要精确测量平均流速V平均和过流面积A。

液位的精确测量 (h)

通过连续测量包含渠道、管道或箱涵的充满度来确认过流的横截面A。液位变化会导致过流横截面积的变化，因此精确的流量测量需要在所有水力条件下进行精确可靠的液位测量。排水管网中含有较多的杂质，需要考虑多重冗余的液位测量解决方案，确保在非满管等复杂情况下液位的精确测量，提供更多的数据判断可能存在的问题。

平均流速的精确测量 (V平均)

过流断面平均流速的精确测量，是速度-面积法测量的核心技术。为解决上面的问题，我们对（1）多普勒流量计和（2）互相关流量计进行分析，以便选择合适的流速测量方法。

2.2 多普勒流量计测量原理

NIVUS多普勒流量计基于多普勒效应，根据反射频率的变化得到过流断面中某个颗粒或气泡的流速；再通过变送器中预设的流态分布曲线，拟合得到断面的平均流速。

多普勒流量计具有技术成熟、价格便宜等优点；但也有如下的缺点：

☒ 无法感知被测量颗粒或气泡的具体位置；

☒ 实际为点流速，而非断面流速；

☒ 测量精度受颗粒浓度影响；

☒ 流速由统计确定最终结果，而非实际测量结果；

☒ 需要稳定的流场条件；

☒ 需要定期校正，通过比较测量进行校准；

☒ 信号穿透深度通常只有0.5米左右，等等。

这些缺点，导致多普勒流量计的流量测量误差大，甚至需要对测量数据进行二次处理（即数据清洗）。

2.3 互相关流量计测量原理

NIVUS互相关流量计的测量流速的方法是基于超声波反射原理。

NIVUS互相关流量计基于超声波互相关原理而非多普勒效应，传感器连续扫描水中多个颗粒或气泡，反射信息存储为图像，基于频率特征的粒子识别，根据脉冲重复频率确定两个脉冲之间的TPRF时差Δt，根据这个时间差和距离间隔得到颗粒或气泡的速度，从而得到这个点的流速。可以把超声波互相关流量计想象为超声波相机：互相关流量计可以记录超声波束内的水平和垂直方向多个颗粒或气泡，如同测量“颗粒云”，并在几毫秒内对颗粒或气泡进行相互比较（两张照片的比对）。互相关流量计的优点是：测量实际流速而不是拟合值，无需对流量计进行校准，无需数据二次处理（即数据清洗）、在复杂条件下具有极高的测量精度；缺点是价格贵。

NIVUS互相关流量计基于最新的水力模型，COSP系统计算了一个密集的测量网络，从单个测量点位出发涵盖了整个流体横截面。具有如下特点：

✎ 经过科学的流量测量得到渠道专用的实时流体数学模型；

✎ 靠近壁面和水平速度分布的流速计算；

✎ 速度积分覆盖整个断面，最多测量16层流速；

✎ 水力扰动下渠道平均流速的理想研究方法；

✎ 具有最高的测量精度和稳定的读数；

✎ 无需校准；

✎ 流场的确定和指示。

2.4 互相关流量计和多普勒流量计的比较

互相关流量计和多普勒流量计的比较，如下表。

3 排水管网流量计的选择

3.1 选择排水管网流量计时的影响因素

下面这些因素会影响到排水管网流量计种类的选择：

➨ 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；

➨ 流动模式（湍流/对称）；

➨ 有毒有害气体浓度；

➨ 管材；

➨ 管网的状况、检查井和结构；

➨ 沉积物（安装前开始清理）；

➨ 进入检查井（整洁、可及性、爬梯的状态）；

➨交通管制（需要特殊许可吗？）；

➨ 管网内沉积物的清理。

其中的测量点前后平直段长度、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、流动模式（湍流/对称）等因素，直接影响传感器和变送器种类、数量，以及安装方式。

3.2 排水管网流量计的选择

排水管网测量条件复杂，有些测量位置适合进行流量测量，有些测量位置不适合测量。对于不同的位置，可以选择NIVUS多普勒流量计或NIVUS互相关流量计。

排水管网的使用条件复杂；常常遇到设备选型不当、安装点位置选择错误而导致的测量结果偏差大、数据不稳定等问题。一个成功的排水管网流量测量，除了需要选择适合的高质量的流量计之外，也需要重视前期的设计选型和设备安装；还需要对数据的持续关注和分析，及时应对和解决使用中存在的问题。

4 NIVUS互相关流量计的技术参数、使用寿命、维护和保养

4.1 NIVUS互相关流量计技术参数

4.2 NIVUS互相关流量计的使用寿命、维护和保养

NIVUS互相关流量计已面市21年，整体设计使用寿命10年，10年后送厂检修后，可以再次使用。迄今为止，已有互相关流量计连续运行18年的案例。

此外，互相关流量计还有如下特点：

✪ 传感器、电缆、电缆表面和传感器接口、传感器背板等材质，有良好的耐受性和耐腐蚀性能；

✪ NIVUS互相关流量计的传感器符合IP68要求，可以耐受40米水压；

✪ NIVUS互相关流量计可以满足ATEX 0区防爆；

✪ 液位冗余测量方式，可以提高测量精度并延长产品寿命；

✪ 日常维护工作量小，互相关传感器可以做到连续一年免维护。

传感器、电缆、电缆表面和传感器接口和传感器背板的材质说明如下。

5 互相关流量计的测量难度分类

排水管网测量条件复杂，有些测量位置适合进行流量测量，有些测量位置不适合测量。对于NIVUS互相关流量计：（1）95%的测量点属于常规测量，即单套互相关流量计可以完成；（2）5%的测量点属于特殊流量测量，即需要多组互相关流量计的组合测量。

5.1 常规流量测量

通常，排水管网流量测量中，95%的测量场合，可以用单套NIVUS互相关流量计进行测量。

在此情况下，可以解决如下测量难题：

✔ 0cm-100%满管：采用NIVUS互相关流量计和空气超声波相结合的办法，可以解决0cm-100%满管的流量测量；

✔ 沉积物：采用互相关流量计偏心安装的方式，规避沉积物对流量测量的影响；

✔ 超临界流体条件：NIVUS互相关流量计可以测量-1至 6m/s的流速范围，在低液位和高流速的超临界条件下，也可以稳定运行；

✔ 旋流、逆流和压力流：NIVUS互相关流量计可以测量最多16层流速，测量-1至 6m/s的流量范围；

✔ 超低流速：NIVUS互相关流量计可以测量例如0.005m/s超低流速；

✔ 高流速：NIVUS互相关流量计可以测量高达 6m/s的高流速；

✔ 低浊度的应用：NIVUS互相关流量计很灵敏，可以测量低浊度和低流速水中的气泡，从而精确测量低浊度水的流速；

✔ 小直径管道：NIVUS互相关流量计可以测量低至DN150mm非满管流量。

5.2 特殊流量测量

排水管网流量测量中，5%的测量场合属于特殊流量测量，即需要多组互相关流量计的组合测量。

多组互相关流量计的组合测量，可以解决：

✔ 大尺寸的断面；

✔ 前后平直段的距离不足；

✔ 断面尺寸变化，等等问题。

多组互相关流量计的组合测量的结果，如下图。