明渠流量計在PTA污水處理裝置中的應用

胡爽

（中國昆侖工程公司，北京100037）

近年來，隨著民眾環保意識的增強，國家環保部門對工業污水排放的要求越來越嚴格，明渠流量計以其非接觸測量及可用于敞開渠道的優勢，在污水處理裝置中得到了廣泛應用。筆者結合工程案例對明渠流量的工作原理及應用進行歸納、分析、總結，以供同行參考。

1 測量原理及計算公式

1.1 測量原理

明渠流量計由量水堰（槽）和水位流量轉換儀表（二次儀表）組成，其中二次儀表除完成水位流量轉換外，還顯示瞬時流量和累積流量。在流體流經標準堰或槽時，將形成液位與流量的對應關系，二次儀表測量液位，再根據相應公式（儀表內部微處理器運算）轉換成流量進行顯示。常用超聲回波測距法來測量液位，超聲波固定探頭安裝在量水堰（槽）水位觀測點上方。

1）堰。在流道中設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流去。這時板壁上游側水位與流量有對應關系，通過測量水位可以計算出流量值。根據缺口形狀，分為三角堰、矩形堰、等寬堰等。

2）槽。敞開流道的某部分節流時，該處的流速增大，同時該部分的水位下降，測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量原理及計算公式。

1.2 流量計算公式

1）三角堰結構如圖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（需查表）；θ——三角缺口夾角，20°≤θ≤100°；he——有效水頭，m，he＝h＋Kh（h——實測水頭，m，Kh——水頭修正系數）。

2）矩形堰結構如圖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——實測堰口寬度，m，Kb——寬度修正系數）。

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散段組成，如圖3所示。根據喉道寬度分為三種類型：小型槽 （b＝0.076，0.152，0.228m）、標 準 型 槽（0.25m≤b≤2.4m）和大型槽（3.05m≤b≤15.24m）。因篇幅有限，文中僅介紹標準型槽的水位流量關系。巴歇爾槽流量公式如下：

式中：b——喉道寬度，m；ha——實測水頭，m。

圖1 三角堰結構示意

圖2 矩形堰結構示意

圖3 巴歇爾槽結構示意

2 結構技術要求

每種堰或槽都有一定的結構要求，如量水堰（槽）結構達不到要求，即便明渠流量計的選型和安裝再仔細，測量結果也會大打折扣。

2.1 三角堰的結構要求

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

4）堰板頂面ab，df在同一水平面內，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，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范圍內要求加工成光滑表面，粗糙度為3.2，在此范圍內一般不得有凸出物，如采用螺栓安裝堰板時，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）當堰板厚度大于堰口頂面寬度（1～2mm）時，超出堰口頂面寬度部分應加工成斜面，斜面與頂面夾角不得小于45°，斜面表面粗糙度為3.2。

2.2 矩形堰的結構要求

1）矩形缺口中垂線應與行近渠槽中心線相重合，側緣（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節第1）條相同。

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

2.3 巴歇爾槽的結構要求

1）進口收縮段要求底面嚴格水平，兩側邊墻與底面垂直與縱軸線成1∶5的比值對稱收縮。喉道段兩側邊墻互相平行，寬度（b）尺寸準確。為了預防超出設計標準的洪水漫溢，進口收縮段邊墻高度應增加0.35～0.50m超高。

2）上下游翼墻長度取決于河渠的寬度，要求翼墻插入河渠兩岸的長度不得少于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污水處理工藝簡介

3.1 概 述

PTA裝置生產過程中，排出的混合廢水含有對苯二甲酸、苯二甲酸、苯甲酸、醋酸甲酯、醋酸等污染物，對水體有較大的污染和危害。生產廢水首先經過換熱、沉淀、水量水質調節及中和工序后，進入UASB厭氧池；UASB出水經冷卻塔降溫后，與經過集水井提升的其他廢水混合，一起進入兩段好氧系統，分別為射流曝氣池及微孔曝氣池；再經過濾池去除懸浮物、臭氧接觸池進行高級氧化、曝氣生物濾池進一步去除COD；最后廢水進入絮凝過濾池，通過絮凝及過濾機制，保證出水水質達標。

3.2 量水堰（槽）選用原則

選擇量水堰（槽）時，除了要考慮渠道內流量的大小，還要考慮渠道內水的流態，是否能形成自由流。流量小于2 400L／min時，一般應選擇三角堰。大于2 400L／min時，一般應選擇巴歇爾槽。如果流量大于2 400L／min，而渠道內水位落差又較大時，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系是由實驗標定出來的，而且對上游行進渠槽條件要求較低，而三角堰和矩形堰的水位與流量關系來源于理論計算，易忽視一些使用條件，帶來附加誤差。筆者設計的UASB厭氧池受安裝條件影響，多選用三角堰或矩形堰，其污水流量測量多選用明渠流量計，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

4.1 選型注意事項

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

2）根據不同的量水堰（槽）種類、形狀、材質，選擇不同的計算公式進行參數設置。

3）根據使用場合的溫度環境選擇合適的產品。

4.2 安裝注意事項

1）儀表探頭和最高液面距離必須大于盲區。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）實測水頭高度位置（巴歇爾槽探頭須安裝在喉道入口處）。

6）探頭發射角內不能有障礙物。

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、高電流以及強電磁場的電氣設備旁邊。

5 儀表參數設置

明渠流量計安裝完畢后，需進行液位校準及流量參數設定。有效液位高度根據量水堰（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量管，管內液位即實際液位；三角堰和矩形堰是缺口以上部分的液位為有效液位。實測有效液位、校準液位時，盡量要保持液面相對平靜、穩定。

參數設定根據不同廠家的產品而略有差別，但大同小異。一般需根據堰（槽）種類選擇設定編碼，輸入堰（槽）尺寸參數，然后進入液位模式進行液位校準，再進入流量模式進行測量（具體設置需參閱選型產品調試說明書）。

6 結束語

明渠流量計主要與各種標準堰或槽配套，用于各類敞開式流道水量的計量或監測。明渠流量計因其本身的特點而廣泛應用在水利工程及污水處理裝置的測量中，并具有其他儀表無法替代的優越性。在選用時，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確性，而且對于整個裝置的生產平穩運行也具有重要意義。

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