脈沖式聲學多普勒流量儀在城市排污中的應用

前言

 近二十年來，我國正經(jīng)歷著一場速度迅猛、規(guī)模宏大的城鎮(zhèn)化進程，截至2020年我國城鎮(zhèn)化率已達63.89%。城鎮(zhèn)經(jīng)濟的快速發(fā)展伴隨著人口密度大幅上升，民生的排水問題逐漸成為影響城市良性發(fā)展的因素之一。

 在二零二一年底，某污水處理廠就面臨污水管道測流的難題，他們對污水提升泵站長距離輸送的流量非常關注，但歷經(jīng)兩次不同測流產品的試用，都未能得到可靠的實時流量數(shù)據(jù)。為此，二零二二年二月份水廠開啟了第三次設備嘗試，引進了賽萊默旗下品牌SonTek管道式聲學多普勒剖面流量計IQpipe，安裝在泵站出水約20米的位置，進行長期考核測驗。

 歷經(jīng)長達一年的數(shù)據(jù)監(jiān)測，第三次的設備選型與測驗結果獲得認可與肯定。IQpipe較好地滿足用戶測流需求，有效地為污水處理廠區(qū)域內排放量的監(jiān)督、處理量的預測以及水資源調度等，提供了實時準確的水量信息，其意義重大。

在本次測驗中，采用的IQpipe流量儀能夠提供高質量的水流數(shù)據(jù)保障，得益以下幾個方面的原因：

·環(huán)境選址與組架設計

成效：測流點位于泵站粗格柵之后和集成商設計的U型安裝支架發(fā)揮了很大作用，很大程度降低了設備維護工作量；

·IQpipe工作原理：更高的聲頻3MHZ、脈沖式的聲學多普勒流速剖析

成效：相比其它原理抗氣候/磁場等因素干擾；提供高分辨率、高精確度、多流層、三維矢量的實時流速剖析，滿足滿管和非滿管狀態(tài)的管道測流需求；

·IQpipe測流模式：水下四波束同時仰視測流，Smartpulse技術

成效：以更多角度和垂線方向的實時測流方式，置信度更高；Smartpulse技術保障環(huán)境適應性，特別適用于管道內常見的水流速不均、絮流、回流、弱流等情況。一臺IQpipe等于多臺其它測流儀且性能突出；

·IQpipe的截面積測驗：內置雙水位的測深設計

成效：不同原理雙水位的水深數(shù)據(jù)可同時輸出，工作時相互作用，不受水體雜質多或氣壓波動的測深影響。保障了水位數(shù)據(jù)更精確，流量匯算所需的截面積數(shù)據(jù)高精度

·IQpipe流量算法：內置了SONTEK專門針對管道流量的算法

成效：簡單的設置，就能得到準確的流量數(shù)據(jù)；而且特殊環(huán)境或更高數(shù)據(jù)要求支持率定分析

污水處理廠 俯瞰圖

背景

 某污水提升泵站位于城市新區(qū)，擔負著高校校區(qū)及周邊小區(qū)的污水輸送任務。污水處理廠的管理者們非常關注該泵站的流量數(shù)據(jù)，曾先后采用電磁流量計和連續(xù)式聲學多普勒測流儀，以便實時監(jiān)測管道內的污水流量，但采集數(shù)據(jù)不理想，沒有達到用戶預期需求。

為此，賽萊默與污水處理廠就管網(wǎng)流量測驗共同進行深度研討，并多次趕赴現(xiàn)場實況勘察，

1、調研工作

 污水提升泵站的輸送水體主要為居民生活污水和雨水，管道長度約5.6公里，管道直徑1.8米，管道的材質為不銹鋼。我們經(jīng)過實況勘察和調研，記錄了現(xiàn)場測流存在主要特點:

·排水管的管壁，不能斷開、變徑和打孔

·污水輸送管路經(jīng)常處于不滿管狀態(tài)

·管道的水位偶爾很低，水流緩慢

·水質和流速變化較大，有回流情況

·水體渾濁，雨季雜質更多

·流量數(shù)據(jù)要求高，精度最好在10%以內

2、選型分析

 城市排污管網(wǎng)測流產品的選型時，滿管優(yōu)先選擇電磁流量計。但在非滿管條件下，往往會涉及到復雜的水體組份，管道材質的差異、液位變化的頻次、市場繁多測流品牌以及價格、維護成本等因素，讓業(yè)主很難做出選擇。

市場上不同測流產品良莠不齊，不同產品之間進行同步比測，有時數(shù)據(jù)差別都很大，業(yè)主甚至不清楚應該以哪組數(shù)據(jù)為準，從何處溯源。

針對這種情況，賽萊默推薦聲學多普勒剖面測流技術，尤其在非滿管管道測流情況，且用戶仍非常關注流量數(shù)據(jù)準確性的時候，理由如下：

·從技術角度出發(fā)，聲學多普勒剖面測流的是水下多流層剖析，是最為成熟的測流手段之一。除了滿管狀態(tài)下應用的電磁流量計，聲學多普勒剖面測流儀相比較其它原理的測流儀而言，它的測量結果更具真實性和代表性，在很多行業(yè)和領域可以視為其它測流儀的溯源數(shù)據(jù)。

·從實用角度出發(fā)，聲學多普勒流速剖面儀作為當前流行的一種測流產品（業(yè)內稱為“ADCP"），安裝簡便，日常運行成本低。它是通過水下?lián)Q能器發(fā)射脈沖式聲波，可以為用戶提供具代表性的瞬時流量、平均流速、多流層流速、斷面面積以及累計流量等水流信息。

 考慮到北塘項目現(xiàn)場長期處于非滿管，我們根據(jù)綜上情況最終向用戶推薦SONTEK-IQ系列的底座式多普勒剖面流量計。同時，我們明確告知用戶IQ設備不具備防爆功能；并且如果水中漂浮物或泥沙含量過大，潛在定期維護量也會增加，用戶表示理解支持。

實測分析

1、往復流態(tài)的測驗效果

2022年2月25日調試設備時，管網(wǎng)水流狀態(tài)非常不穩(wěn)定，提升泵并沒有正常開啟。水流處于受上游原水水力影響，呈現(xiàn)往復流態(tài)。

IQpipe準確記錄了此時的水流狀態(tài)的數(shù)據(jù)，水深約0.7米，水流在±20cm/s之間波動，累計水量緩慢上升。如下圖標：

用戶平臺采集的流速數(shù)據(jù)曲線圖

IQpipe自帶客戶端的流速/流量/水位數(shù)據(jù)曲線圖

2、突變流態(tài)的測驗效果

2.1

2023年6月7號14時左右大雨引起了流量突變，雨停后流量又回到原初。IQpipe記錄了過程的數(shù)據(jù)，瞬時流量從0.2018m3/s上升到約0.3m3/s，雨停后很快恢復到0.22m3/s附近。如下圖表

2.2

2023年4月19號～4月30號期間，因為現(xiàn)場的提升泵進行幾次停水維護作業(yè)，管道的瞬時流量快速降低為0，啟動泵后又恢復正常的幾個時間。IQpipe記錄了泵站幾次維護的流量突變情況，如下藍色▲標記：

3、長期穩(wěn)定性的測驗效果

IQpipe在現(xiàn)場運行已經(jīng)有一年三個月，除初期調試數(shù)據(jù)和正常維護工作，設備持續(xù)穩(wěn)定為污水處理廠提供可靠的流量數(shù)據(jù)。如下數(shù)據(jù)日報、月報、年報數(shù)據(jù)表示例:

案例總結

如何快速獲取真實可靠的流量數(shù)據(jù)，對水資源管理者們準確掌握排水管網(wǎng)的排放總量，對城市水資源的合理調度、污水排放的有效監(jiān)管有著非凡的意義。

在城市排水管網(wǎng)測流項目中，繁多的流量計，為何選擇IQpipe呢？

1、產品集多功能合一，小巧、細長、扁平的外型設計，有效降低污物清理的維護量。

2、產品自帶內存和CUP處理系統(tǒng)，無需二次儀表獨立運行，占用空間少、易安裝、功耗低。

3、產品具備兩種不同原理的雙水位測深系統(tǒng)，科學的自切換和自校正邏輯保障在任何水體中，深度的準確性。

注：深度數(shù)據(jù)精度直接影響流量數(shù)據(jù)里截面積的精度。

4、產品工作在水下，比非接觸式的流速儀更具有代表意義。以多角度、多流層的方式，實時剖析四束垂向的水流信息，最終匯算成流量數(shù)據(jù)。一臺IQpipe的測流代表性相當于多臺其它測流儀。

5、IQpipe的技術核心是采用了高頻3MHZ的SONTEK智能脈沖技術，噪音低、分辨率高，水流環(huán)境自適應并且抗氣候因素和磁場干擾能力強，滿足用戶對數(shù)據(jù)精度的高需求。

6、產品是針對管道測流專門設計的一款ADCP流量計，內置科學的管道測流算法，支持率定分析，對管道型測流場所有更好的適應性。

7、產品可以實現(xiàn)滿管、非滿管狀態(tài)的管道實時測流。從本案例也印證了無論管網(wǎng)處在豐水或枯水，甚至回水情況時，IQpipe設備都能清晰為用戶提供實時可靠測流數(shù)據(jù)。

8、當然，任何水下設備都有一個共同的課題：當設備處在懸浮物、漂浮物和沉積物冗多的水中，清理雜物的維護工作頻率會很高。如果水資源管理者們仍需準確的流量數(shù)據(jù)，則需提前解決或規(guī)避雜物的干擾。方式不局限如下：要考慮合理的選址，靈活地設計支架、過濾裝置或反沖洗系統(tǒng)。如本次案例中，生活污水的流量監(jiān)測維護頻率可以達到一個月以上，這與選址和現(xiàn)場設計密不可分。注：項目的選址是在污水提升泵之后，提升泵前端的生活污水經(jīng)過了一步攔污粗格柵的過濾，并且現(xiàn)場靈活設計了U型支架安裝，這兩點都非常重要。

綜上，IQpipe產品的性能可靠、數(shù)據(jù)準確、抗氣候與磁場環(huán)境干擾的能力強，尤其測流的實時剖析能力優(yōu)勢明顯。產品應用在城市雨污水管道測流時，如能合理的解決或規(guī)避漂浮物或沉積物雜多的影響，既能保障管網(wǎng)中各種水位下的高質量數(shù)據(jù)，又能達到極低的維護成本，是在這類水域下測流的最佳工具之一。