污水,废水流量计量的选型

水资源包括经过初级过滤的工业水、原水经再次沉淀后的过滤水、过滤水经去离子处理后的脱盐水、各生产装置排出的污水及污水经处理后的回用水等,为深入开展节能、节水工作,生产装置上采用了各种类型的流量仪表。笔者重点针对满足使用要求、提高效费比的目的,对污水流量计量仪表的选型要点进行阐述。

污水流量的测量难度较高,很多流量计不能用于污水流量的测量,经过实践验证,共有 4 种流量计可供使用:明渠流量计,如堰式流量计、槽式流量计和流速 - 水位流量计;电磁流量计,采用电学原理,分为普通式和插入式;超声波流量计,采用声学原理,常用的有时差式及多普勒式等;差压式流量计,采用动压原理,如匀速管流量计或威力巴流量计。

仪表选型应避免片面追求高性能、高精确度,这不仅增加了购置费,而且备件费也相应增加。最优的设计选型是在满足使用要求前提下,选择可靠性好、维修方便的仪表。

1 污水流量测量的特点和仪表的选型要点

污水可分为生活污水和工业污水,其水质比较脏污(有时含有油、固体颗粒或悬浮物,甚至可能有直径较大的固体颗粒),还有一定的腐蚀性,流体工况条件变化大(有时介质情况每天都有变化),测量范围悬殊,可靠性要求有差异,精确度要求也有高有低,用户的购置能力不一样,针对不同工况的污水选型一种既好用又省钱的流量仪表需综合考虑很多因素。

选择污水流量计量也应该考虑一些其他因素,如:流量测量最不直观,现场很难直接判定其准确度;污水管道常采用大管径,低流速给流量计量带来很大困难;污水流量计量仪表与管道直接连接,通常不能在线拆卸,仪表出故障时不允许断流且无法修复等。所以污水流量计量的选型在国内外都被视为难点。

污水流量计量仪表的选型要点包括 [1] :

a. 法兰标准,包括中国国家标准 GB、欧洲体系标准 DIN 及美洲体系标准 ANSI 等;

b. 测量管道,管道直径通常是指外径,同样规格的管道直径有着不同的壁厚;

c. 流量计材料的选用,通常情况下不锈钢材料 316L 基本可以满足需求;

d. 确定流量计的用途,对于精确计量、一般计量、流量控制及只观察瞬时量而不要求累积等必须明确;

e. 企 业 能 源 计 量 器 具 性 能 要 求 ( GB/T17167),对于企业排放污水的应达到 ± 5% × FS(FS 为满量程)的精确度;

f. 介质的物理、化学性质,对于介质状态、化学性质、压力损失及物理性质等必须明确;

g. 流量测量范围,不同流量计对最低流速和最高流速有明确要求;

h. 安装环境与条件,对于管道与仪表通径、位置空间能否满足安装和维护要求、上下游直管段情况和阀门的位置、安装环境有无振动、有无供电条件、安装周围有无电磁干扰、安装环境的温/湿度及防爆要求等必须明确;

i. 流量计的输出类型,对于现场直读、数字脉冲或模拟量输出及含 HART 协议输出等必须明确;

j. 对于安装、运行、校验、维护及备件等费用,使用寿命、性价比及技术服务等必须明确。

2 几类污水流量计的特点及选型

2.1 堰式流量计和槽式流量计

给/排水道若为敞开渠道,具有自由表面自然流,或是一些排水道和下水管渠,虽不敞开,但是在非受压、非满水状态下流动,实际上都属于明渠,可以采用堰式流量计和槽式流量计进行计量。其优点是:测量精确度较高,可靠性好,对液体无特殊要求。槽式流量计所在的水中固态物质几乎不沉淀且随水流排出,堰式流量计所在渠道要截流但检测元件结构较简单,直管段要求较短,槽式流量计水位抬高比堰式流量计小,适用于不允许有大落差的渠道等。而其缺点在于:水头损失大,不能用于接近平坦地面的渠道,堰式流量计上游直管段比槽式流量计长,堰上游易堆积固形物,要定期清理,槽式流量计所在渠道一段要装入槽但检测件结构较复杂等。堰式流量计的测流槽有直角三角堰(60°或90°)、矩形堰及等宽堰等。槽式流量计测流槽有多种形式,主要有矩形明渠的 P 槽(常用)及圆形明渠的 PB 槽等。堰式流量计和槽式流量计都是用液位计来间接进行流量测量,因此均需配用非接触超声式液位计来连续测量液位,并按照制定的流量同液位的关系计算流量值,例如某一种超声式液位计与三角堰配用流量计量精度可达± (1. 00 ~3. 00)% × FS,与矩形堰配用流量计量精度可达 ± (1. 00 ~ 5. 00)% × FS,与巴歇尔槽(即 P 槽) 配用流量计量精度可达 ± (3. 00 ~4. 00)% × FS。注意,为保证超声式液位计的正常使用,测量点必须避免表面有大量泡沫。

2.2 流速 - 水位流量计

流速 - 水位流量计实际是液位计(常采用压力式、静压式和超声波液位计)和流量计(常采用时间差法超声波流量计、多普勒超声波流量计和电磁流量计)的组合,它也属于明渠流量计,常被置于矩形明渠中,使用液位计来测液位(因矩形明渠宽度已知则流通面积可知),使用流量计来测流速(使用时间差法超声波流量计测的是线平均流速,多普勒超声波流量计测的是测量点流速或局部小面积平均流速),两者相乘便可得到流量值。从一般意义上讲,污水处理装置入口待处理污水较为浑浊,压力式或静压式液位计故障率较高,多普勒超声波流量计较为适用;污水处理装置出口净化后污水较为清澈,静压式液位计和时间差法超声波流量计较为适用;电磁流量计测流

速均能适用(从一定意义上说就是非满管电磁流量计)。其优点是:水头损失小,测量范围宽,可测逆向流,水中固态物质几乎不沉淀且随水流排出,不必改动渠道。其缺点是上/下游直管段要有足够长的直渠渠道,上游直管段比堰式流量计和槽式流量计长。

2.3 电磁流量计

电磁流量计是测量导电性流体理想的体积流量计,因此它最适用于污水流量的计量,从污水经沉淀浓缩后进入离心脱水机,离心脱水机入口污泥流量计采用电磁流量计就能得到很好的证明,从这个意义上说,电磁流量计属于万能流量计。

其优点是:传感器安装处管道为光滑直管、无阻塞、无磨损、压损小,无可动部件,可靠性高,长期稳定性好,免维护;测量范围大,保证精度的测量范围一般可达 40∶ 1;对流体状况要求不高,对前/后直管段要求低(如前 5D 后 2D);精度高可达±0. 20% × FS;口径范围大(DN1 ~ DN3 000mm);可测正/反方向流量;与流体接触的电极和内衬材料有多种选择;响应速度可达 10ms;可自清洗等。

其缺点是:有最小电导率的限制;磨损和结垢会影响测量精度;流体需要充满管道(也有不满管型电磁流量计,但精度较低);大口径产品价格高,口径越大价格越高。

电磁流量计按激磁方式可分为直流激磁(目前已不采用)、交流激磁(工频 50Hz)及低频矩形波激磁(主流产品)等;按安装连接方式分法兰连接(带测量管法兰式或对夹式)、螺纹连接及插入式等;按结构形式分为一体型及分体型等;按介质状态分为满管型和不满管型。交流激磁的优点是磁感应强度大、信噪比高且适用于双向介质等;缺点是容易引进工频干扰、容易产生噪声(比如液体中涡电流与流量信号同相位噪声、电极污染形成噪声及相位移动噪声等)及零点漂移大等。电磁流量计选用要点首先是精度选择,满管型 ± (0. 50 ~2. 00) × FS 级,不满管型 ± (1. 50 ~2. 00) × FS 级,插入型 ± (2. 00 ~ 4. 00) × FS 级;其次是流速选择,流速范围 0. 5 ~ 10. 0m/s,注意易粘附、沉积且结垢的应大于 2m/s,含颗粒介质的应小于 3m/s。大口径电磁流量计价格较贵,解决方案是选用插入式流量计(价格基本不随管径而改变),其优点在于重量轻、压损小、易于安装和维修,其所测流速下限无限制、阻塞影响可忽略,只是误差较大。大口径污水管路由于流速普遍较低,泥沙及污垢等容易在探头表面沉积,因此常配有球阀,实现在不断流情况下可以拆下探头进行维护和检查。插入式电磁流量计探头一般位于管道中的特定位置(一般为管道内径的1/8 处,即管道平均流速之处),测量该处局部流速,然后根据管道内流速分布及传感器的几何尺寸等推算出流量,不过前/后直管段要求比普通电磁流量计要高(如前10D、后 5D),另外管道中必须充满液体,为防止液体中的气体在管道中积聚,应在管道最高点安装排气阀,实现自动排气或人工定期排气。2b594e2baad.jpg

2.4 超声波流量计

超声波流量计的换能器可以不直接接触污水。其按测量原理有传播时间法(时间差法等)、多普勒效应法及其他方法等,其中时间差法和多普勒效应法采用较多;按安装方式可分为移动安装(外夹式换能器)和固定安装(带测量管或在线安装式换能器);按声道数分单声道和多声道。其优点是在于无阻力损失、流量下限低及适用于大型管道等。缺点是只能用于清洁的介质、不能用于小口径测量及多声道且价格昂贵等。同时,该流量计精确度差别很大,在时间差法超声波流量计中,大管径带测量管多声道超声波流量计的精确度最高,达 ± (0. 50 ~ 1. 00)% × FS,有的高达 ±0. 15% × FS,但对安装要求极高,必须在专业人员的指导下精确安装,能够在线安装,多普勒超声波流量计的精度达 ± (3. 00 ~ 10. 00)% × FS,当固体含量基本不变时,可达 ± (0. 50 ~3. 00)%× FS。

时间差法超声波流量计主要用来测量洁净的流体流量,此外还可以测量固体杂质含量不高(一般固体颗粒含量小于 10g/L,颗粒直径小于1mm)的均匀流体,但不能测量含有影响超声波传播的连续混入气泡、固体颗粒含量较高或固体颗粒直径较大的流体流量。因此,被测介质中固体颗粒杂质含量或固体颗粒直径都应有上限,具体为:被测介质里气泡含量不能超过 5%;浊度不能超过 5 000mg/L,固体含量大于 10%不推荐使用;不能有连续的大量絮状悬浮物;若含有大量泥沙等颗粒状物时,其颗粒直径不能大于 3mm;介质不应在管壁内产生大量结晶物。多普勒法超声波流量计依靠污水中固体颗粒杂质的反射来测量污水流速,因此适用于固体颗粒杂质含量较多或固体颗粒直径较大的脏水或浆体,如城市污水、污泥及杂质含量稳定的工厂过程液等,而且可以测量连续混入气泡的液体,被测介质中必须含有一定数量的散射体(颗粒或气泡),否则仪表不能正常工作。需要注意的是,被测介质中固体颗粒杂质含量或固体颗粒直径都应有下限。

2.5 差压式流量计

污水流量计量还保留了部分孔板流量计,而新上装置已基本不选。其优点是:制作简单、性能稳定、对振动不敏感及抗干扰能力较强等。其缺点是:计量精度属于中等水平、范围度较窄、压力损失大、安装要求较高、泄漏点多、导压管易被污水中的固体颗粒等杂物堵塞(有时被迫采用隔离措施)及维护量较大等。

3 污水流量计量仪表选型建议

用敞开渠道输送的污水流量可用堰式流量计、槽式流量计及流速 - 水位流量计等来计量,其精度均可以满足计量要求。对于要求水头损失较小的应选用流速 - 水位流量计,不过应对不同水质选择合适的液位计和流量计组合来构成流速 -水位流量计。对于允许水头损失大的可以选用堰式流量计或槽式流量计,其中造价较为便宜、允许有较大落差和可以定期清理上游侧固态沉积物的可选用堰式流量计,反之则选型槽式流量计,但选用槽式流量计时应防止淹没流和逆向流。用管道输送的污水流量可用电磁流量计或超声波流量计进行计量,但要注意测量管、电极及换能器等的清洗。一般来说,管径不大于 200mm 时超声波流量计比电磁流量计贵,可选用电磁流量计,而管径不小于 250mm 时超声波流量计比电磁流量计便宜,可选用超声流量计。注意,不必追求过高性能而选用多声道超声波流量计(比如单声道超声波流量计)。从性能上来说,时间差法超声波流量计和多普勒法超声波流量计对于固体颗粒杂质含量或固体颗粒直径在一定范围内的污水流量均能计量(即它们的适用范围有一定重合区域),但低于或超出该范围就只能分别选用时间差法超声波流量计或多普勒法超声波流量计进行计量。从这个意义上说,全面掌握被测污水的介质情况是仪表选型的关键,当无法确认被测污水的介质情况时应尽量选用电磁流量计,但应注意多普勒法超声波流量计精度较低;另外在大管道上可选用插入式电磁流量计、可移动安装(外夹式换能器)、固定安装(在线安装式换能器)式超声波流量计,精度完全满足计量要求,但应优先选用插入式电磁流量计或可移动安装(外夹式换能器)式超声波流量计;由于差压式流量计安装要求较高、泄漏点多、导压管易被污水中的固体颗粒等杂物堵塞且维护量较大,因此在污水流量测量时尽量不选用。

4 结束语

污水处理系统中流量测量仪表的选型是一项难题,笔者介绍了 4 种污水测量仪表特点选型要点,通过了解这几类测量仪表的性能,根据工艺生产需要选用合适的测量仪表,使污水流量的测量和控制满足了精确度和可靠性的要求。

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