明渠流量计在PTA污水处理装置中的应用

胡爽

（中国昆仑工程公司，北京100037）

近年来，随着民众环保意识的增强，国家环保部门对工业污水排放的要求越来越严格，明渠流量计以其非接触测量及可用于敞开渠道的优势，在污水处理装置中得到了广泛应用。笔者结合工程案例对明渠流量的工作原理及应用进行归纳、分析、总结，以供同行参考。

1 测量原理及计算公式

1.1 测量原理

明渠流量计由量水堰（槽）和水位流量转换仪表（二次仪表）组成，其中二次仪表除完成水位流量转换外，还显示瞬时流量和累积流量。在流体流经标准堰或槽时，将形成液位与流量的对应关系，二次仪表测量液位，再根据相应公式（仪表内部微处理器运算）转换成流量进行显示。常用超声回波测距法来测量液位，超声波固定探头安装在量水堰（槽）水位观测点上方。

1）堰。在流道中设置上部有缺口的板壁，流体被堰挡住，水位有一定升高，然后通过缺口向下游侧流去。这时板壁上游侧水位与流量有对应关系，通过测量水位可以计算出流量值。根据缺口形状，分为三角堰、矩形堰、等宽堰等。

2）槽。敞开流道的某部分节流时，该处的流速增大，同时该部分的水位下降，测量水位的下降量求流量的装置叫做水槽。常用的水槽有巴歇尔水槽和帕尔默·玻鲁斯水槽。

因篇幅有限，文中仅介绍三角堰、矩形堰及巴歇尔槽的测量原理及计算公式。

1.2 流量计算公式

1）三角堰结构如图1所示，三角堰流量公式如下：

式中：qV——体积流量，m3／s；Ce——流量系数（需查表）；θ——三角缺口夹角，20°≤θ≤100°；he——有效水头，m，he＝h＋Kh（h——实测水头，m，Kh——水头修正系数）。

2）矩形堰结构如图2所示，矩形堰流量公式如下：

式中：be——有效堰口宽度，m，be＝b＋Kb（b——实测堰口宽度，m，Kb——宽度修正系数）。

3）巴歇尔槽为矩形横断面短喉道槽，由喉道上游均匀收缩段、喉道段和喉道下游均匀扩散段组成，如图3所示。根据喉道宽度分为三种类型：小型槽 （b＝0.076，0.152，0.228m）、标 准 型 槽（0.25m≤b≤2.4m）和大型槽（3.05m≤b≤15.24m）。因篇幅有限，文中仅介绍标准型槽的水位流量关系。巴歇尔槽流量公式如下：

式中：b——喉道宽度，m；ha——实测水头，m。

图1 三角堰结构示意

图2 矩形堰结构示意

图3 巴歇尔槽结构示意

2 结构技术要求

每种堰或槽都有一定的结构要求，如量水堰（槽）结构达不到要求，即便明渠流量计的选型和安装再仔细，测量结果也会大打折扣。

2.1 三角堰的结构要求

1）堰板上游面为平面，在表面上任意两点间的连线与垂直于轴线的平面之间的斜率应小于1%。

2）三角形缺口堰顶线bc，cd为直线。

3）三角形缺口夹角（θ）平分线O′O′与堰板中垂线OO应重合。

4）堰板顶面ab，df在同一水平面内，与三角形缺口角度平分线O′O′成90°。

5）堰板堰口加工要求如图4所示，堰口顶面为平面，与堰板上游面相交处成锐缘状态，若堰口锐缘处被磨圆，其圆弧半径不能大于0.25mm。堰口顶面宽度为1～2mm，允许宽度不得超出0.8～3.0mm。堰口表面应无毛刺和刮痕，表面粗糙度为3.2。

图4 三角堰剖面示意

6）堰板上游面距堰顶20～50mm范围内要求加工成光滑表面，粗糙度为3.2，在此范围内一般不得有凸出物，如采用螺栓安装堰板时，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）当堰板厚度大于堰口顶面宽度（1～2mm）时，超出堰口顶面宽度部分应加工成斜面，斜面与顶面夹角不得小于45°，斜面表面粗糙度为3.2。

2.2 矩形堰的结构要求

1）矩形缺口中垂线应与行近渠槽中心线相重合，侧缘（ac，fd）与底缘（cd）交角为90°，如图5所示。

图5 矩形堰剖面示意

2）堰板要求与2.1节第1）条相同。

3）矩形缺口侧缘（ac，fd）及底缘（cd）均为锐缘堰口，加工要求与2.1节第5）～7）条相同。

2.3 巴歇尔槽的结构要求

1）进口收缩段要求底面严格水平，两侧边墙与底面垂直与纵轴线成1∶5的比值对称收缩。喉道段两侧边墙互相平行，宽度（b）尺寸准确。为了预防超出设计标准的洪水漫溢，进口收缩段边墙高度应增加0.35～0.50m超高。

2）上下游翼墙长度取决于河渠的宽度，要求翼墙插入河渠两岸的长度不得少于0.4～0.5m。

3）大型巴歇尔槽可用混凝土材料建造，糙率要求小于0.017。小型巴歇尔槽可用塑料或玻璃钢材料建造。

3 PTA污水处理工艺简介

3.1 概 述

PTA装置生产过程中，排出的混合废水含有对苯二甲酸、苯二甲酸、苯甲酸、醋酸甲酯、醋酸等污染物，对水体有较大的污染和危害。生产废水首先经过换热、沉淀、水量水质调节及中和工序后，进入UASB厌氧池；UASB出水经冷却塔降温后，与经过集水井提升的其他废水混合，一起进入两段好氧系统，分别为射流曝气池及微孔曝气池；再经过滤池去除悬浮物、臭氧接触池进行高级氧化、曝气生物滤池进一步去除COD；最后废水进入絮凝过滤池，通过絮凝及过滤机制，保证出水水质达标。

3.2 量水堰（槽）选用原则

选择量水堰（槽）时，除了要考虑渠道内流量的大小，还要考虑渠道内水的流态，是否能形成自由流。流量小于2 400L／min时，一般应选择三角堰。大于2 400L／min时，一般应选择巴歇尔槽。如果流量大于2 400L／min，而渠道内水位落差又较大时，可以选择矩形堰；条件允许，最好选择巴歇尔槽。因巴歇尔槽的水位与流量关系是由实验标定出来的，而且对上游行进渠槽条件要求较低，而三角堰和矩形堰的水位与流量关系来源于理论计算，易忽视一些使用条件，带来附加误差。笔者设计的UASB厌氧池受安装条件影响，多选用三角堰或矩形堰，其污水流量测量多选用明渠流量计，并采用分体式安装，即超声波探头和变送器分开安装。

4 仪表选型及安装注意事项

4.1 选型注意事项

1）用于过程控制的场合，根据控制要求选择不同精度等级的仪表；有些无需作精确控制和计量的场合，可以选择精度等级稍低的仪表，如1.5级、2.5级，甚至4.0级，这时也可以选用价格低廉的插入式明渠流量计。

2）根据不同的量水堰（槽）种类、形状、材质，选择不同的计算公式进行参数设置。

3）根据使用场合的温度环境选择合适的产品。

4.2 安装注意事项

1）仪表探头和最高液面距离必须大于盲区。2）仪表探头安装高度必须小于量程。

3）探头必须垂直液面，探头与液面间不能有管道或其他障碍物阻挡。

4）探头必须安装在渠道中央。

5）探头须安装在水堰（槽）的上游，一般距堰口（4～5）实测水头高度位置（巴歇尔槽探头须安装在喉道入口处）。

6）探头发射角内不能有障碍物。

7）探头避免放在太阳直射的地方（可加装遮阳罩）。

8）不要安装在高压、高电流以及强电磁场的电气设备旁边。

5 仪表参数设置

明渠流量计安装完毕后，需进行液位校准及流量参数设定。有效液位高度根据量水堰（槽）不同而有不同的定义，如巴歇尔槽一般旁边有安装仪表的连通测量管，管内液位即实际液位；三角堰和矩形堰是缺口以上部分的液位为有效液位。实测有效液位、校准液位时，尽量要保持液面相对平静、稳定。

参数设定根据不同厂家的产品而略有差别，但大同小异。一般需根据堰（槽）种类选择设定编码，输入堰（槽）尺寸参数，然后进入液位模式进行液位校准，再进入流量模式进行测量（具体设置需参阅选型产品调试说明书）。

6 结束语

明渠流量计主要与各种标准堰或槽配套，用于各类敞开式流道水量的计量或监测。明渠流量计因其本身的特点而广泛应用在水利工程及污水处理装置的测量中，并具有其他仪表无法替代的优越性。在选用时，尽量消除或减小误差带来的影响，不仅提高了该仪表的可靠性和准确性，而且对于整个装置的生产平稳运行也具有重要意义。

［1］陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册［M］.3版.北京：化学工业出版社，2000：117－118.

［2］黄步余，王建民，王玉华.SH／T 3018—2003石油化工安全仪表系统设计规范［S］.北京：中国石化出版社，2004.

［3］李振国，李善征，张昌征.JJG 711—1990明渠堰槽流量计［S］.北京：国家技术监督局，1990：5－10.

［4］王社平，高俊发.污水处理厂工艺设计手册［M］.2版.北京：化学工业出版社，2011.

［5］谢经良.污水处理设备操作维护问答［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［6］白润英.水处理新技术、新工艺与设备［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［7］刘静.给排水及其设备安装工程基础理论与监理实务［M］.北京：中国环境科学出版社，2007.

［8］韩洪军.城市污水处理构筑物设计计算与运行管理［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2011.

［9］亚历山大·奥梅利琴科，亚历山大·皮沃瓦罗夫，吉姆·斯温德.现代水处理设备与方法［M］.郭建博，杨景亮，译.北京：气象出版社，2009.

［10］张朝升.给水排水工程设备基础［M］.北京：高等教育出版社，2004.