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脉冲式声学多普勒流量仪在城市排污中的应用解析

发布日期: 2023-09-13
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前言

 

近二十年来,我国正经历着一场速度迅猛、规模宏大的城镇化进程,截至2020年我国城镇化率已达63.89%。城镇经济的快速发展伴随着人口密度大幅上升,民生的排水问题逐渐成为影响城市良性发展的因素之一。


在二零二一年底,北方某城市污水处理厂就面临着一个污水管道测流的难题,他们对污水提升泵站长距离输送的流量非常关注,但历经两次不同测流产品的试用,都未能得到可靠的实时流量数据。为此,二零二二年二月份水厂开启了第三次设备尝试,引进了美国 SonTek 公司管道式声学多普勒剖面流量计 IQ Pipe,安装在一泵站出水约20米的位置,进行长期的考核测验。

 

历经长达一年的数据证明,第三次的设备选型与测验结果获得认可与肯定。IQ Pipe较好地满足用户测流需求,有效地为污水处理厂区域内排放量的监督、处理量的预测以及水资源调度等,提供了实时准确的水量信息,其意义重大。

 

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SonTek-IQ Pipe 可适用于明渠、管道或涵洞等工业和农业中流量的测定。产品最大的特点是不论规则渠道、非规则河道,满管或非满管的管道,均可在0.08至5米水深范围中提供可靠的高质量流量信息。

 

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双水位测深系统:垂直波束和压力传感器同时输出水位,可测量满管及非满管状态下的管道流态。

 

在本次测验中,采用的 IQ Pipe 流量仪能够提供高质量的水流数据保障,得益以下几个方面的原因:

 

  • 环境选址与组架设计

    成效:测流点位于泵站粗格栅之后和集成商设计的 U 型安装支架发挥了很大作用,尽可能降低了设备维护工作量;

  • IQ Pipe 工作原理:更高的声频 3 MHz、脉冲式的声学多普勒流速剖析

    成效:相比其它原理抗气候/磁场等因素干扰;提供高分辨率、高精确度、多流层、三维矢量的实时流速剖析,满足满管和非满管状态的管道测流需求;

  • IQ Pipe 测流模式:水下四波束同时仰视测流,SmartPulseHD 技术

    成效:以更多角度和垂线方向的实时测流方式,置信度更高;SmartPulseHD 技术保障环境适应性,特别适用于管道内常见的水流速不均、絮流、回流、弱流等情况。一台 IQ Pipe 等于多台其它测流仪且性能突出;

  • IQ Pipe 的截面积测验:内置双水位的测深设计

    成效:不同原理双水位的水深数据可同时输出,工作时相互作用,不受水体杂质多或气压波动的测深影响。保障了水位数据更精确,流量汇算所需的截面积数据高精度;

  • IQ Pipe 流量算法:内置了 SonTek 专门针对管道流量的算法

    成效:简单的设置,就能得到准确的流量数据;而且特殊环境或更高数据要求支持率定分析。

 

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背景

 

北方某城市污水提升泵站担负着某所大学及周边小区的污水输送任务。污水处理厂的管理者们非常关注该泵站的流量数据,曾先后采用了电磁流量计和连续式声学多普勒测流仪,以便实时监测管道内的污水流量,但使用后的数据不太理想,没有达到用户预期需求。

 

因此,赛莱默加入了污水处理厂管网流量测验的深度研讨,并多次赶赴现场实况勘察,进行相关工作。

 

 

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调研

污水提升泵站的输送水体主要为居民生活污水和雨水,管道长度约5.6公里,管道直径1.8米,管道的材质为不锈钢。我们经过实况勘察和调研,记录了现场测流存在主要特点:

 

  • 排水管的管壁,不能断开、变径和打孔

  • 污水输送管路经常处于不满管状态

  • 管道的水位偶尔很低,水流缓慢

  • 水质和流速变化较大,有回流情况

  • 水体浑浊,雨季杂质更多

  • 流量数据要求高,精度最好在10%以内

 

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项目复盘

经过调研总结,结合我们与设计院技术负责人多次会议交流、水厂工作人员的深入沟通,复盘现场前两次施策的流量计运行情况如下:

 

电磁流量计

电磁流量计是电磁感应原理,法兰固定,断管安装。适用于满管带压的流量测验,易被磁场环境干扰。因为现场管道不允许断开和做变径处理,选址的水量经常达不到满管的状态,电磁流量计仍然按照水流充满管的面积计算流量,导致了极大误差。

 

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电磁流量计

 

连续式声学多普勒流量计

连续式声学多普勒流量计采用的是连续式声学多普勒原理,它们不等同于的声学多普勒剖面流量仪。连续式多普勒不能实现 真正的“流层剖面”分析,源于它们运行原理对空间的距离信息是未知的。


该原理的设备采用发射声波和接收声波信号分置方式,虽然有两个换能器窗口,大部分只是测量的单条声波上的测流数据。水体中连续不间断的声波信号群之间会产生很大的背景噪音,直接影响正常信号的采集分析,导致流速的误差大、辨识度很低。虽然开发者会采取算法或程序上的补偿,但也仅仅是降低了部分干扰,在缓慢水流、回水条件和双向流态等环境中分辨率和置信度仍然很差。塘沽污水泵站管网的水情复杂,经常有低水速情况以及偶尔的回水现象,当时设备的误差显著且无法在程序汇算中得到补偿。

 

 

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连续式声学多普勒流量计

 

 

流速仪

市场上还存在很多其它的流速仪,篇幅问题我

们仅简述两种典型非接触式的测流产品。

 

 

非接触式多普勒原理的测流仪

常见的非接触式多普勒测流仪分为电波、声波或雷达测流仪,是一种测量局部水面的流速为“指标流速”。该方法的优点是水面以上安装,相对易维护;缺点是这种水面流速的代表性比剖面流速面积法的要差很多,易受环境气候影响。如下图所示:用表面局部流速强行表征水体平均流速,类似在流场无规律的污水管道里仅仅测了一个“点”,即使在该点流速做好率定关系,但流态随时发生变化,其误差不言而喻。

 

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非接触式多普勒原理的测流仪

 

非接触式水位-流量计

水位流量关系法产品是水文行业早期的一种测流方式。工作原理是实时监测水位,通过水位和流量的曲线关系最终计算流量。该方法的优点是水面以上安装,在具备堰槽的情况下数据可靠,成本低且易维护;缺点是相比流速面积法误差大,尤其在流速突变的情况,同时假如不具备标准堰槽的条件下,不同环境中安装使用都需要大量的的率定工作,才能建立最佳的水位流量关系曲线,耗时耗力。

 

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非接触式水位-流量计

 

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选型分析

城市排污管网测流产品的选型时,满管优先选择电磁流量计。但在非满管条件下,往往会涉及到复杂的水体组份,管道材质的差异、液位变化的频次、市场繁多测流品牌以及价格、维护成本等考虑因素,让业主很难做出最佳的选择。

 

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市场上不同测流产品良莠不齐,不同产品之间进行同步比测,有时数据差别都很大,业主甚至不清楚应该以哪组数据为准,从何处溯源数据。


针对这种情况,赛莱默做出的推荐是声学多普勒剖面测流技术,尤其是在非满管的管道测流情况,用户仍非常关注流量数据准确性的时候,理由如下:

 

  • 从技术角度出发,声学多普勒剖面测流的是水下多流层剖析,早已是为成熟的测流手段之一。除了满管状态下应用的电磁流量计,声学多普勒剖面测流仪相比较其它原理的测流仪而言,它的测量结果更具真实性和代表性,在很多行业和领域可以视为其它测流仪的溯源数据。

  • 从实用角度出发,声学多普勒流速剖面仪作为当前流行的一种测流产品(业内称为“ADCP”),安装简便,日常运行成本低。它是通过水下换能器发射脉冲式声波,可以为用户提供具代表性的瞬时流量、平均流速、多流层流速、断面面积以及累计流量等水流信息。

 

考虑到项目现场长期处于非满管,我们根据综上情况最终向用户推荐 SonTek IQ 系列的底座式多普勒剖面流量计。同时,我们明确告知 IQ 设备不具备防爆功能;并且如果水中漂浮物或泥沙含量过大,潜在定期维护量也会增加,用户表示理解与支持。

 

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IQ Pipe 流量仪介绍

 

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概述

IQ Pipe 是一款高性价比的管道型测流产品,采用成熟的脉冲式声学多普勒剖面测流原理,核心技术是 SonTek 前沿的智能脉冲技术(SmartPulseHD),产品拥有五束声波换能器:四束测流、一束专门测深。

 

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SonTek-IQ Pipe 可适用于明渠、管道或涵洞等工业和农业中流量的测定。产品最大的特点是不论规则渠道、非规则河道,满管或非满管的管道,均可在0.08至5米水深范围中提供可靠的高质量流量信息。

 

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性能

  • 声学脉冲多普勒剖面测流原理;剖面数量可高达100个

 

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  • 声波频率高频达 3Mkz;注释:相同条件下,声波频率越高,分辨率越高

  • 五束的声波换能器;多角度、多流层、多垂线监测管道水流

 

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  • SonTek 技术的 SmartPulseHD 智能脉冲功能

  • 双水位测深系统:垂直波束和压力传感器同时输出水位

 

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  • 可以测量满管以及非满管状态下的管道流态

  • 运行功耗小于1w,适用于野外无市电的场所

  • 无需显示器,设备本身处理数据带内存,具备数据输出接口和协议

 

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选址

选址一直都是测流非常重要的环节,决策结果因实况不同而异。我们在管道测流选址时,需要参考事宜(实际应不限于列举内容):

 

  • 方便提供市电的情况下,选市电

  • 流量计安装尽量避免管道形状、方向发生变化的位置,会影响流量精度

  • 水流尽可能平稳地方,建议距离能引起水流变化的环节(如弯道或出入口等)有5-10倍管道直径的长度

  • 管道外形几何(圆形/椭圆形)尽可能规则的位置

  • 漂浮物和易沉积物尽可能少的位置

 

在遵循以上要素,结合管道生活污水的悬浮物多,我们测点位置定位在泵站出水约20米处,水体经拦污粗格栅之后,实践证明确实极大减少了日常维护量

 

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注:粗格栅由多组平行金属栅条组成,倾斜安装在进水渠道或泵站进水口,主要用来截留污水中较大的悬浮物和漂浮物,如纤维、毛发、塑料制品等,减轻后续负荷。

 

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安装

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安装现场示例图

 

该项目中最终安装架设计如下:

 

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调试

1) 参数设置(设备检查-安装位置-管道形状-水流阈值等)

 

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2) 运行观察(水位-流速-流量-总流量的时序表分析)

 

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维护

SonTek-IQ 具有防止受到水中生物沾污的性能,即便换能器上生长了一些生物或较浅泥沙覆盖,仍然能够有效地运行,无需的太多维护作业。然而,在城市排水管网水体流量监测领域里,漂浮物和泥沙含量较大是一个显著的问题,两种情况的维护量特说明如下:

 

1) IQ Pipe 安装在管道底部位置,设备外型是平滑扁圆形结构,这种安装位置和外壳设计本身可以起到避免水体中悬浮物挂壁的作用。需注意当水流缓慢且悬浮物很高的场所,维护量会大幅增加,这就需要设计过滤或自动清洗装置,也可以采取的措施是合理选址:如在提升泵站的拦污格栅或污水厂进水口的细格栅后端等。


2) 我们还需特别注意的是颗粒物杂质的淤埋情况,如果水流较小,泥沙含量特别大的水体,管道底部就会充满泥沙。这种情况会大大增加管道清洗作业,也会增加设备的维护量,可采取的有效措施是适当增加设备的安装高度。

 

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注:参考5.2章节描述的U型支架,两侧固定支杆,中间提升安装高度。

 

实测分析

 

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往复流态的测验效果

2022年2月25日调试设备时,管网水流状态非常不稳定,提升泵并没有正常开启。水流处于受上游原水水力影响,呈现往复流态。IQ Pipe 准确记录了此时的水流状态的数据,水深约0.7米,水流在±20cm/s之间波动,累计水量缓慢上升。如下图标:可以制造任意复杂形状的三维实体,若要生产不同形状的零件模型,只需改变 CAD 模型,重新调整和设置参数即可。

 

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用户平台采集的流速数据曲线图

 

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IQ Pipe 自带客户端的流速/流量/水位数据曲线图

 

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突变流态的测验效果

2023年6月7号14时左右大雨引起了流量突变,雨停后流量又回到原初。IQ Pipe 记录了过程的数据,瞬时流量从0.2018m/s上升到约0.3m/s,雨停后很快恢复到0.22m/s附近。如下图表

 

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2023年4月19号~4月30号期间,因为现场的提升泵进行几次停水维护作业,管道的瞬时流量快速降低为0,启动泵后又恢复正常的几个时间。IQ Pipe 记录了泵站几次维护的流量突变情况,如下蓝色标记:

 

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长期稳定性的测验效果

IQ Pipe 在现场运行已经有一年三个月的历史,初期调试数据和正常维护工作除外,设备持续稳定为污水处理厂提供可靠的流量数据。如下数据日报、月报、年报数据表示例:

 

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案例总结

如何快速获取真实可靠的流量数据,对水资源管理者们准确掌握排水管网的排放总量,对城市水资源的合理调度、污水排放的有效监管有着非凡的意义。在城市排水管网测流项目中,繁多的流量计,为何选择 IQ Pipe 呢?

 

  1. 产品集多功能合一,小巧、细长、扁平的外型设计,有效降低污物清理的维护量。

  2. 产品自带内存和 CUP 处理系统,无需二次仪表独立运行,占用空间少、易安装、功耗低。

  3. 产品具备两种不同原理的双水位测深系统,科学的自切换和自校正逻辑保障在任何水体中,深度的准确性。

    注:深度数据精度直接影响流量数据里截面积的精度。

  4. 产品工作在水下,比非接触式的流速仪更具有代表意义。以多角度、多流层的方式,实时剖析四束垂向的水流信息,最终汇算成流量数据。一台 IQ Pipe 的测流代表性相当于多台其它测流仪。

  5. IQ Pipe 的技术核心是采用了高频 3 MHz 的 SonTek 智能脉冲技术,噪音低、分辨率高,水流环境自适应并且抗气候因素和磁场干扰能力强,满足用户对数据精度的高需求。

  6. 产品是针对管道测流专门设计的一款 ADCP 流量计,内置科学的管道测流算法,支持率定分析,对管道型测流场所有更好的适应性。

  7. 产品可以实现满管、非满管状态的管道实时测流。从本案例也印证了无论管网处在丰水或枯水,甚至回水情况时,IQ Pipe 设备都能清晰为用户提供实时可靠测流数据。

  8. 当然,任何水下设备都有一个共同的课题:当设备处在悬浮物、漂浮物和沉积物冗多的水中,清理杂物的维护工作频率会很高。如果水资源管理者们仍需准确的流量数据,则需提前解决或规避杂物的干扰。方式不局限如下:要考虑合理的选址,灵活地设计支架、过滤装置或反冲洗系统。如本次案例中,生活污水的流量监测维护频率可以达到一个月以上,这与选址和现场设计密不可分。注:项目的选址是在污水提升泵之后,提升泵前端的生活污水经过了一步拦污粗格栅的过滤,并且现场灵活设计了 U 型支架安装,这两点都非常重要。

 

综上,IQ Pipe 产品的性能可靠、数据准确、抗气候与磁场环境干扰的能力强,尤其测流的实时剖析能力明显优于同类产品。产品应用在城市雨污水管道测流时,如能合理的解决或规避漂浮物或沉积物杂多的影响,它既能保障管网中各种水位下的高质量数据,又能达到极低的维护成本,是在这类水域下测流的最佳工具之一。

 

 

参考文献:

[1] SL247-2012水文资料整编规范[S].北京:中国水利水电出版社,2012.

[2] SonTek技术白皮书.XA00118. 声学多普勒流量计类型比较:低成本的连续波与多流层脉冲波.

 



 

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