★ 李伟波，魏冬（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392）

摘要：本文结合市政污水管网中常见的非满管状态，介绍了几种常见的非满管测量流量计，分析各种流量计测量原理、计量性能、应用场景、安装条件、经济成本等。为市政污水管网流量监测项目和越来越多的污水管网流量监测智能化改造项目中流量计的合理选用提供一定的参考。

关键词：非满管；流量计；污水管网

1　前言

污水管网系统被称为“城市生命线”，在城市中承担着污水输送、控制水体污染及预防内涝溢流等作用，是保证城市生活正常运转的重要基础设施，因此对污水管网的建设和监测至关重要。污水管网的流量监测有助于管网污染物溯源能力的提升、监控企业偷排漏排的管控、雨污混接的及时整改、城市内涝的预警、海水倒灌的监测等，为市政管网的维护提供数据支撑。如今，“建设智慧型城市”已成为诸多市政工程项目的重要指导思想之一，在水环境规划与治理项目中，市政污水管网的建设或改造是重要的环节，其中，对于管网的智能化、可视化、实时性管理有着越来越广泛的需求。

在污水管网的设计阶段，在线监测须被统筹考虑，特别在一些老旧管网改造项目中，新增在线监测通常存在很多实际困难，针对复杂的管网环境，满管与非满管并存的管道状态，如何设置适合的流量计显得尤为关键。

2　污水管网流量测量难点

污水管网内的流体来源中，工业污水和生活污水占主要部分。

工业污水，流体一般为自然流动，流量大，并且非满管具有自由水面，精确测量有一定的难度。对污水排入管网点位的点源监测，以前多采用传统槽式流量计，如图1所示，不仅精度较低，而且带来较大的水头损失，同时对上游渠道的坡度及下游水深也均有一定的要求，当不能满足条件时测量精度会降低，有时甚至无法进行测量。如果用传统的电磁流量计来测量污水，则需要建造额外的闸板和堰板以保证满管，这些附加的安装费用甚至会超出流量计本身的费用，大口径管道时更是如此，而且还增加了管道堵塞的可能性。

图1 槽式流量计实景图

生活污水来源比较分散，排水管网末端流量小，不易测量，通常要在区域主干管道上布设流量计，对流量计的合理分布提出更高要求。生活污水流量具有相对明显的时间周期性，导致管网内水量产生波动，对流量计测量的稳定性是不小的考验。

此外，排水管网流量测量还面临以下问题：排水管网内垃圾多、悬浮物高，导致数据干扰多，设备维护成本高；监测点通常分布较为分散，给市政电源的接入带来难度；监测设备通常安装于检查井内，对设备的防护等级以及信号的传输能力提出更高要求；现场环境复杂，安装不便，维护复杂等。

3　常见的管网流量计介绍

为解决上述管网流量监测中的难点与问题，须选用与实际工况相适宜的管网流量计。目前，常见的可检测非满管状态的流量计有以下几种：

3.1　多普勒式超声波流量计

采用连续波超声波多普勒原理（速度面积法），超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。这个频率差正比于流体流速，则可通过测量频率差求得流速。

非满管情况下的流体断面面积的测量要比满管情况下复杂一些，将管道本身的断面面积作为已知条件，进而将此问题转换为对管道内液位的测量，目前较为常见的形式有以下几种：

（1）在管道正上方居中位置开孔，外加超声波液位计。

（2）在管道内部的正上方固定超声波液位探头。

（3）在管道内底部设置压力传感器，可置于测流速的超声波声源传感器内，通过所测流体压力，结合管道断面参数等，反算出液位。

得到速度与面积，可计算出流体的流量。但这样的流量测量的方式也导致了一定的局限性，即多普勒式超声波流量计适用于规则的管道断面，如圆形、矩形等。从测量介质来看，该流量计比较适用于杂质含量较多的市政污水、污泥的测量。常见的多普勒式流量计传感器安装方式有抱箍式安装和杆式安装，如图2、图3所示。

图2 抱箍式安装实景图 

图3 杆式安装实景图

抱箍式安装优点是安装形式简洁，在污水管道中不容易钩挂垃圾导致管道堵塞。但抱箍安装时的固定问题决定了该形式较适用于新建管网管道，现状管道需做临时性堵水处理，保证安装时的无水环境。且未来维护时，需要人员下井进入管道潜水作业。

杆式安装的优点是，在管道位置和井室结构清楚的前提下，安装时无需人员下井，可以在低水位时带水安装。日常维护方便，传感器容易取出进行清理。缺点是容易缠绕垃圾，为了弥补这一缺点，减少杆式安装日常维护的频率，可将底部固定传感器的底板加长，让传感器更加深入管道内部，减少垃圾缠绕的几率，避免对监测数据的影响。

3.2　多声道超声波流量计

时差法超声波流量计本质上是以超声脉冲传播速度与流体流速进行矢量叠加为基础，通过测量声波在顺、逆流过程传播所花时间来确定流体轴向平均流速。基于该原理的流量计，目前在工业上应用得较为广泛。由于单声道测量受管道参数、流体运动参数变化影响较大，具有一定的局限性，所以用多声道布置以避免或消除径向速度分量引入的偏差，增加声道对测量截面的覆盖率，是提升流量计测量精度可靠性和稳定性的有效手段^[1]。

多声道超声波流量计在多层面对流体进行测量，通常采用4到5对传感器，具有更高的精度，误差约为±1%，适用于满管、非满管的流体情况，也适用于不同管道材料，如金属、水泥等。同时，配套有仪表井、外部仪表箱及信号装置，安装环境相对较好，便于后期维护。多声道超声波流量计仪表井实景图如图4所示。

图4 多声道超声波流量计仪表井实景图

常见的多声道超声波流量计分为外夹式和插入式。

外夹式多声道流量计由安装在管壁上的多对超声换能器组合而成，每条声道均过轴中心线，可视为多台单声道仪表的叠加。

插入式流量计是将换能器直接插入管壁开孔处以测量流体流动，避免了信号在管壁中传播这一过程，一定程度上提升了流量计计量性能。一般在流道中不同高度位置处平行布置多条声道，每条声道测得的线速度可以代表待测截面上相应平行带内流体的平均速度，然后对各条声道读数进行加权平均即可估算出整个流通截面的流量^[1]。

上述两种形式相比，外夹式流量计可以直接在管道外部安装，或在现状管网上的阀门井内安装，无需设置专门的流量计井。在排水管网监测改造项目中，更不容易受到土建条件的制约。但值得注意的是，利用阀门井安装，外夹式流量计容易受到阀门扰流的干扰，影响测量的精度及稳定性，此外，外夹式要求管道为均质式管材。与外夹式流量计相比，插入式多声道流量计声道空间覆盖率更高，阀门扰流条件下测量结果的误差波动范围更小，数据重复性更好，因而更能反映出真实流场分布信息^[1]。但插入式流量计需设置专用的流量计井，以方便安装与后期维护。

3.3　非满管电磁流量计

传统的电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理，测量满管状况下的流量，在此基础上，非满管电磁流量计增加了管道内液位测量的功能，进而通过面积速度法计算得到流量。非满管电磁流量计常见的液位测量形式有以下两种：

（1）在传统的电磁流量计相邻位置的管道正上方居中部位开孔，外加超声波液位计。

（2）通过在管道内设置发射电极，将电极间的电容值通过一定的比例关系换量成流体的液位高度，增加电极对数可以提高测量精度，一般为4~6个^[2]。

测得液位，进而可以得到非满管流体的截面面积，结合流速，计算出流量。

非满管电磁流量计维护工作量通常较小，但考虑到污水可能会在传感器内壁附着，形成的积聚层会对传感器电导率产生影响，并且由于非满管电磁流量计传感器均位于管道内部，不易进行人工清洁维护，所以该流量计一般适用于流速大于3m/s的管道，这样一定程度上可以减轻污染物附着沉积的现象。此外，非满管电磁流量计需要专用的仪表井，以方便仪表的安装与维护。

4　几种流量计的综合比较

从流量计的性能来看，多声道超声波流量计精度相对较高，一般误差为1%~2%，是其核心优势之一，且流速的测量范围较大。多普勒式流量计和非满管电磁流量计精度相当，误差约为3%~5%，且与多声道超声波液位计相比，流速测量范围相对较小。

从应用场景及安装条件来看，多普勒式流量计安装形式灵活，特别是在老旧的现状管网中，更容易找到合适安装的点位；仪表安装地点为管道检查井，无需过多额外的土建施工，但在现状管网中加装该流量计时，应对相应位置的检查井进行勘查，并根据实际情况做适当改造，以满足设备的安放。多声道超声波流量计在安装时，在管道外操作，且可以在管道带压状态下进行，方便施工；多数情况下配有专用仪表井，仪表箱及信号装置安装环境相对较好，便于后期维护。对于非满管电磁流量计，由于其检测电极通常以管道衬里的形式设置，再将该段管道整体嵌入管网中，通常要在新建管网中提前考虑安装位置，并设置仪表井。虽然安装要求较高，但后期维护工作相对较少。

从经济性来看，多普勒式流量计由于机箱、蓄电池等相关设备置于管道或检查井内，环境较为恶劣，对设备的防护等级及维护频率提出更高要求；安装时常为带水作业，需要聘请具有潜水作业资质的人员进行安装。基于以上原因，除流量计本身造价较高外，安装及后期维护还需要额外投入。与之相比，多声道超声波流量计造价相对较低，但需考虑仪表井、管线开挖等额外的土建费用。非满管电磁流量计目前在国内应用较少，产品多为国外进口，价格较高。影响经济性的因素较多，本文不做更多讨论，实际项目中，须结合具体情况，对各种流量计的经济性进行评价。

5　结论

（1）多普勒式流量计，安装形式灵活，可以利用现状检查井作为安装地点，建议用于现状管网智慧化监测改造的项目中。在选择流量计安装位置时，尽量选在管道直线段，且注意检查井前后管道无过大的高差，防止井内涡流或跌水现象对测量精度产生影响。由于涉及下井带水作业，施工现场需进行相关施工安全组织，请具有潜水作业资质的人员进行安装，同时需要协调排水管网管理单位，降低管网内水位。

（2）多声道超声波流量计，测量精度高，测量范围广，在设计时要提前考虑流量计及专用井位置，满足直管段和仪表井尺寸的要求。建议用于新建管网的流量监测项目中，相关管线及结构专业可以较早的介入。若在现状管网加装该流量计，需考虑是否有合适位置满足流量计设置要求并且便于土建施工。

（3）非满管电磁流量计解决了传统电磁流量计只能测满管工况的问题，但其结构较为复杂，且该流量计安装后将成为管道的一部分，具有较大的局限性。此外，考虑其成本较高、国内应用经验较少等因素，目前不建议非满管电磁流量计在污水管网中应用。

参考文献：

[1] 吴波, 李晶晶, 李晓鹏, 等. 阀门扰流条件下外夹式与插入式多声道超声流量计性能对比[J]. 计量技术, 2020, (8) : 34 - 39, 33．

[2] 黄彤. 非满管电磁流量计在污水测量中的应用[J]. 工业仪表与自动化装置, 2006, (4) : 43 - 45．

[3] 苏彦勋, 梁国伟, 盛健. 流量计量与测试[M]. 北京 : 中国计量出版社, 2007 : 63 - 64．

[4] 岳桂杰, 保承军, 徐宏彤. 电磁流量计的选型与安装[J]. 自动化与仪器仪表, 2013, (1) : 133 - 134．

[5] 徐英华. 流量计量 (上册) [M]. 北京 : 中国质检出版社, 2012 : 90 - 96．

[6] 刘映东. 城市污水处理现状及其发展趋势分析[J]. 资源节约与环保, 2015, (2) : 161．

作者简介：

李伟波（1984-），男，山东潍坊人，高级工程师，硕士，现就职于天津市政工程设计研究总院有限公司，研究方向为电力电子与电力传动。

魏　冬（1990-），男，天津人，工程师，硕士，现就职于天津市政工程设计研究总院有限公司，研究方向为电气工程。

摘自《自动化博览》2022年5月刊