胡爽

（中國(guó)昆侖工程公司，北京100037）

近年來，隨著民眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)家環(huán)保部門對(duì)工業(yè)污水排放的要求越來越嚴(yán)格，明渠流量計(jì)以其非接觸測(cè)量及可用于敞開渠道的優(yōu)勢(shì)，在污水處理裝置中得到了廣泛應(yīng)用。筆者結(jié)合工程案例對(duì)明渠流量的工作原理及應(yīng)用進(jìn)行歸納、分析、總結(jié)，以供同行參考。

1 測(cè)量原理及計(jì)算公式

1.1 測(cè)量原理

明渠流量計(jì)由量水堰（槽）和水位流量轉(zhuǎn)換儀表（二次儀表）組成，其中二次儀表除完成水位流量轉(zhuǎn)換外，還顯示瞬時(shí)流量和累積流量。在流體流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)堰或槽時(shí)，將形成液位與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，二次儀表測(cè)量液位，再根據(jù)相應(yīng)公式（儀表內(nèi)部微處理器運(yùn)算）轉(zhuǎn)換成流量進(jìn)行顯示。常用超聲回波測(cè)距法來測(cè)量液位，超聲波固定探頭安裝在量水堰（槽）水位觀測(cè)點(diǎn)上方。

1）堰。在流道中設(shè)置上部有缺口的板壁，流體被堰擋住，水位有一定升高，然后通過缺口向下游側(cè)流去。這時(shí)板壁上游側(cè)水位與流量有對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測(cè)量水位可以計(jì)算出流量值。根據(jù)缺口形狀，分為三角堰、矩形堰、等寬堰等。

2）槽。敞開流道的某部分節(jié)流時(shí)，該處的流速增大，同時(shí)該部分的水位下降，測(cè)量水位的下降量求流量的裝置叫做水槽。常用的水槽有巴歇爾水槽和帕爾默·玻魯斯水槽。

因篇幅有限，文中僅介紹三角堰、矩形堰及巴歇爾槽的測(cè)量原理及計(jì)算公式。

1.2 流量計(jì)算公式

1）三角堰結(jié)構(gòu)如圖1所示，三角堰流量公式如下：

式中：qV——體積流量，m3／s；Ce——流量系數(shù)（需查表）；θ——三角缺口夾角，20°≤θ≤100°；he——有效水頭，m，he＝h＋Kh（h——實(shí)測(cè)水頭，m，Kh——水頭修正系數(shù)）。

2）矩形堰結(jié)構(gòu)如圖2所示，矩形堰流量公式如下：

式中：be——有效堰口寬度，m，be＝b＋Kb（b——實(shí)測(cè)堰口寬度，m，Kb——寬度修正系數(shù)）。

3）巴歇爾槽為矩形橫斷面短喉道槽，由喉道上游均勻收縮段、喉道段和喉道下游均勻擴(kuò)散段組成，如圖3所示。根據(jù)喉道寬度分為三種類型：小型槽 （b＝0.076，0.152，0.228m）、標(biāo) 準(zhǔn) 型 槽（0.25m≤b≤2.4m）和大型槽（3.05m≤b≤15.24m）。因篇幅有限，文中僅介紹標(biāo)準(zhǔn)型槽的水位流量關(guān)系。巴歇爾槽流量公式如下：

式中：b——喉道寬度，m；ha——實(shí)測(cè)水頭，m。

圖1 三角堰結(jié)構(gòu)示意

圖2 矩形堰結(jié)構(gòu)示意

圖3 巴歇爾槽結(jié)構(gòu)示意

2 結(jié)構(gòu)技術(shù)要求

每種堰或槽都有一定的結(jié)構(gòu)要求，如量水堰（槽）結(jié)構(gòu)達(dá)不到要求，即便明渠流量計(jì)的選型和安裝再仔細(xì)，測(cè)量結(jié)果也會(huì)大打折扣。

2.1 三角堰的結(jié)構(gòu)要求

1）堰板上游面為平面，在表面上任意兩點(diǎn)間的連線與垂直于軸線的平面之間的斜率應(yīng)小于1%。

2）三角形缺口堰頂線bc，cd為直線。

3）三角形缺口夾角（θ）平分線O′O′與堰板中垂線OO應(yīng)重合。

4）堰板頂面ab，df在同一水平面內(nèi)，與三角形缺口角度平分線O′O′成90°。

5）堰板堰口加工要求如圖4所示，堰口頂面為平面，與堰板上游面相交處成銳緣狀態(tài)，若堰口銳緣處被磨圓，其圓弧半徑不能大于0.25mm。堰口頂面寬度為1～2mm，允許寬度不得超出0.8～3.0mm。堰口表面應(yīng)無毛刺和刮痕，表面粗糙度為3.2。

圖4 三角堰剖面示意

6）堰板上游面距堰頂20～50mm范圍內(nèi)要求加工成光滑表面，粗糙度為3.2，在此范圍內(nèi)一般不得有凸出物，如采用螺栓安裝堰板時(shí)，其螺栓凸出物不得超出于堰板上游面成1∶10坡度的斜面。

7）當(dāng)堰板厚度大于堰口頂面寬度（1～2mm）時(shí)，超出堰口頂面寬度部分應(yīng)加工成斜面，斜面與頂面夾角不得小于45°，斜面表面粗糙度為3.2。

2.2 矩形堰的結(jié)構(gòu)要求

1）矩形缺口中垂線應(yīng)與行近渠槽中心線相重合，側(cè)緣（ac，fd）與底緣（cd）交角為90°，如圖5所示。

圖5 矩形堰剖面示意

2）堰板要求與2.1節(jié)第1）條相同。

3）矩形缺口側(cè)緣（ac，fd）及底緣（cd）均為銳緣堰口，加工要求與2.1節(jié)第5）～7）條相同。

2.3 巴歇爾槽的結(jié)構(gòu)要求

1）進(jìn)口收縮段要求底面嚴(yán)格水平，兩側(cè)邊墻與底面垂直與縱軸線成1∶5的比值對(duì)稱收縮。喉道段兩側(cè)邊墻互相平行，寬度（b）尺寸準(zhǔn)確。為了預(yù)防超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水漫溢，進(jìn)口收縮段邊墻高度應(yīng)增加0.35～0.50m超高。

2）上下游翼墻長(zhǎng)度取決于河渠的寬度，要求翼墻插入河渠兩岸的長(zhǎng)度不得少于0.4～0.5m。

3）大型巴歇爾槽可用混凝土材料建造，糙率要求小于0.017。小型巴歇爾槽可用塑料或玻璃鋼材料建造。

3 PTA污水處理工藝簡(jiǎn)介

3.1 概 述

PTA裝置生產(chǎn)過程中，排出的混合廢水含有對(duì)苯二甲酸、苯二甲酸、苯甲酸、醋酸甲酯、醋酸等污染物，對(duì)水體有較大的污染和危害。生產(chǎn)廢水首先經(jīng)過換熱、沉淀、水量水質(zhì)調(diào)節(jié)及中和工序后，進(jìn)入U(xiǎn)ASB厭氧池；UASB出水經(jīng)冷卻塔降溫后，與經(jīng)過集水井提升的其他廢水混合，一起進(jìn)入兩段好氧系統(tǒng)，分別為射流曝氣池及微孔曝氣池；再經(jīng)過濾池去除懸浮物、臭氧接觸池進(jìn)行高級(jí)氧化、曝氣生物濾池進(jìn)一步去除COD；最后廢水進(jìn)入絮凝過濾池，通過絮凝及過濾機(jī)制，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

3.2 量水堰（槽）選用原則

選擇量水堰（槽）時(shí)，除了要考慮渠道內(nèi)流量的大小，還要考慮渠道內(nèi)水的流態(tài)，是否能形成自由流。流量小于2 400L／min時(shí)，一般應(yīng)選擇三角堰。大于2 400L／min時(shí)，一般應(yīng)選擇巴歇爾槽。如果流量大于2 400L／min，而渠道內(nèi)水位落差又較大時(shí)，可以選擇矩形堰；條件允許，最好選擇巴歇爾槽。因巴歇爾槽的水位與流量關(guān)系是由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定出來的，而且對(duì)上游行進(jìn)渠槽條件要求較低，而三角堰和矩形堰的水位與流量關(guān)系來源于理論計(jì)算，易忽視一些使用條件，帶來附加誤差。筆者設(shè)計(jì)的UASB厭氧池受安裝條件影響，多選用三角堰或矩形堰，其污水流量測(cè)量多選用明渠流量計(jì)，并采用分體式安裝，即超聲波探頭和變送器分開安裝。

4 儀表選型及安裝注意事項(xiàng)

4.1 選型注意事項(xiàng)

1）用于過程控制的場(chǎng)合，根據(jù)控制要求選擇不同精度等級(jí)的儀表；有些無需作精確控制和計(jì)量的場(chǎng)合，可以選擇精度等級(jí)稍低的儀表，如1.5級(jí)、2.5級(jí)，甚至4.0級(jí)，這時(shí)也可以選用價(jià)格低廉的插入式明渠流量計(jì)。

2）根據(jù)不同的量水堰（槽）種類、形狀、材質(zhì)，選擇不同的計(jì)算公式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

3）根據(jù)使用場(chǎng)合的溫度環(huán)境選擇合適的產(chǎn)品。

4.2 安裝注意事項(xiàng)

1）儀表探頭和最高液面距離必須大于盲區(qū)。2）儀表探頭安裝高度必須小于量程。

3）探頭必須垂直液面，探頭與液面間不能有管道或其他障礙物阻擋。

4）探頭必須安裝在渠道中央。

5）探頭須安裝在水堰（槽）的上游，一般距堰口（4～5）實(shí)測(cè)水頭高度位置（巴歇爾槽探頭須安裝在喉道入口處）。

6）探頭發(fā)射角內(nèi)不能有障礙物。

7）探頭避免放在太陽直射的地方（可加裝遮陽罩）。

8）不要安裝在高壓、高電流以及強(qiáng)電磁場(chǎng)的電氣設(shè)備旁邊。

5 儀表參數(shù)設(shè)置

明渠流量計(jì)安裝完畢后，需進(jìn)行液位校準(zhǔn)及流量參數(shù)設(shè)定。有效液位高度根據(jù)量水堰（槽）不同而有不同的定義，如巴歇爾槽一般旁邊有安裝儀表的連通測(cè)量管，管內(nèi)液位即實(shí)際液位；三角堰和矩形堰是缺口以上部分的液位為有效液位。實(shí)測(cè)有效液位、校準(zhǔn)液位時(shí)，盡量要保持液面相對(duì)平靜、穩(wěn)定。

參數(shù)設(shè)定根據(jù)不同廠家的產(chǎn)品而略有差別，但大同小異。一般需根據(jù)堰（槽）種類選擇設(shè)定編碼，輸入堰（槽）尺寸參數(shù)，然后進(jìn)入液位模式進(jìn)行液位校準(zhǔn)，再進(jìn)入流量模式進(jìn)行測(cè)量（具體設(shè)置需參閱選型產(chǎn)品調(diào)試說明書）。

6 結(jié)束語

明渠流量計(jì)主要與各種標(biāo)準(zhǔn)堰或槽配套，用于各類敞開式流道水量的計(jì)量或監(jiān)測(cè)。明渠流量計(jì)因其本身的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在水利工程及污水處理裝置的測(cè)量中，并具有其他儀表無法替代的優(yōu)越性。在選用時(shí)，盡量消除或減小誤差帶來的影響，不僅提高了該儀表的可靠性和準(zhǔn)確性，而且對(duì)于整個(gè)裝置的生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行也具有重要意義。

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