污水处理厂标准型巴氏计量槽设计选型比较_姜鸿.pdf

第 卷第 期 年 月广 州 化 工 .污水处理厂标准型巴氏计量槽设计选型比较姜 鸿，郑传奇，刘颖琪，张 朋，楼朝刚，陈 伟，陈新才（申能环境科技有限公司，浙江 杭州）摘 要：巴氏计量槽以其优越的性能被广泛应用于污水处理厂。现有涉及巴氏计量槽的规范、标准较多，且同一项目中可能会有数个适用的巴氏计量槽型号，使设计细节的把控和选型出现困难。通过某城市污水厂出水计量渠实际设计案例，结合曼宁公式重点分析了在淹没自由流和完全自由流条件下巴氏计量槽设计标高与流量之间的数学关系，对比了两种适用标准型巴氏计量槽的特点，同时总结了相关的设计要点，给未来同类设计提供参考。关键词：巴氏计量槽；淹没自由流；完全自由流；曼宁公式中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）第一作者：姜鸿（），男，硕士，中级工程师，主要研究方向水污染控制工程。，（.，.，）：.，.，.，.：；巴氏计量槽，即巴歇尔槽，广泛应用于污水处理厂进出水量的计量，特点是测量精确，水头损失小且不受杂质影响。巴氏计量槽设计有淹没自由流和完全自由流之分，目的是保证计量槽前后明渠内水流形态呈均匀流，避免在槽内产生涡旋、壅水影响计量精确度。两种自由流在设计上最大区别为上下游渠道底面高差的大小，即计量槽出口段是否形成完全跌流的水舌，限制因素包括行近渠长宽比、渠道流速、上下游水头要求等。本文将结合实际案例，利用曼宁公式推导得到满足所有计量流量条件下的巴氏计量槽关键设计标高的数学表达式，为巴氏计量槽选型设计提供依据。现有关于巴氏计量槽设计的相关的规范、标准较多，其中部分参数有矛盾之处。例如，给水排水设计手册（第 册城镇排水）（以下简称“手册”）第二版要求行近渠道直线长度不小于渠道宽度的 倍，给水排水设计手册（第 册常用资料）（以下简称“手册”）第二版和标准 城市排水流量堰槽测量标准巴歇尔量水槽 均要求行近渠道长度不小于渠宽的 倍，而标准 明渠堰槽流量计 要求行近渠道产区不小于槽宽的 倍。其中标准 出入较大，应当考虑了完全自由流的情况。鉴于以上情况，本文设计将采用各规范、标准中提及的最严要求。例如，在淹没（无跌水）自由流条件下，参照“手册”第二版和标准 ，行近渠道直线长度不小于渠道宽度的 倍；如果为完全（有跌水）自由流条件下，参照“手册”第二版，计量槽上游渠道长度，不小于渠宽的 倍。值得注意的是，“手册”第二版在章节.中对巴氏计量槽的详细设计说明，到第三版这部分内容已经省略，细节介绍要求参照“手册”。其原因之一应是手册 第二版中巴氏计量槽设计含有很多非标规格，实际现场施工难以满足精度要求，因此建议直接采用标准型号的成品槽，可显著提高计量精度。但“手册”第二版中关于巴氏计量槽的各项设计原则和细节仍值得参考借鉴，本文加以沿用。设计条件及要求河南某城市污水处理厂设计最小流量 ，最大流量 。巴氏计量槽与紫外消毒池合建，消毒后尾水进入计量明渠，最终通过下游渠道连接的 焊接钢管，重力流进入泵站外排。用于安装巴氏计量槽的明渠总长.，宽度待定。上游有侧向矩形进水孔，规格为宽高.，贴渠底设置。计量明渠第 卷第 期姜鸿，等：污水处理厂标准型巴氏计量槽设计选型比较 渠底标高为.，出口 管道中心标高为.。巴氏计量槽设计.巴氏计量槽选型本项目污水厂流量范围为 ，优先选择 号标准型巴氏计量槽（以下简称 号槽，计量范围（.）以及 号标准型巴氏计量槽（以下简称 号槽，计量范围（.）。如图 所示，号槽喉道宽度.，喉道长度.，进口段长度 .，出口段长度 .，槽总长度.，进口段始端宽度 .，出口段末端宽度.，槽高.，计量槽上游槽底与出口段末段高差.；号槽喉道宽度.，喉道长度.，进口段长度.，出口段长度.，槽总长度.，进口段始端宽度 .，出口段末端宽度.，槽高 .，计量槽上游槽底与出口段末段高差.。图 号和 号标准型巴氏计量槽规格.根据“手册”第二版设计要求，喉宽一般为上游渠道宽度的，且上游渠道宽度进口段始端宽度。因此 号槽设计取上游渠宽 取.（.），下游渠道宽度同上游渠道，取.；号槽设计取上游渠宽 取.（.），下游渠道宽度 同上游渠道，取.。上游渠底与巴氏计量槽进口段底面有两种形式，一种为渠底 坡度斜向上连接槽底，另一种为渠底面与槽底面水平平接，。本项目设计采用水平平接形式，计量槽上游渠底标高与进口段槽底标高相同，即计量槽上游观察口水头高度上游渠水深。上游渠道进入计量槽进口段的收口有两种形式，一种为与池壁成 的八字脚，另一种为半径 倍上游渠道最大水深 的圆弧，且相切于进口段侧壁。考虑到施工难度，设计采用第一种 八字脚形式。由标准型巴歇尔槽流量公式 推导得：（）（）式中：设计流量，流量系数，无纲量，上游渠道观测点水头，即上游渠道水深，由喉道宽确定指数，无纲量，号槽.，.，号槽 .，.。最大流量.和最小流量.时，号槽上游渠道分别有最大水深 为.和最小水深为.；号槽上游渠道分别有最大水深 为.和最小水深 为.。公式（）结合流量公式 推导得：（）（）式中：上游渠内平均内流速，流量，上游渠过水断面面积，上游渠道宽度，根据公式（）得知，是关于变量 在.，.区间的单调递增函数，即流量越大，渠道内流速越大。因此在最大和最小流量条件下，号槽上游渠道分别有最大流速.和最小流速 .；号槽上游渠道分别为最大流速.和最小流速.。.下游渠道水位及渠底标高计算（）下游渠道水位管道过水断面如图 所示，该出口管道中心标高.，管底标高.，直径.，坡度.，焊接钢管粗糙系数 取.。根据设计条件可得知，下游渠道实际水位取决于下游渠道连接管道的过流能力。可通过曼宁公式，计算得到管道过流断面的水位标高，即为下游渠道末端水位标高，过程中须重点分析与水位标高相关参数 过水断面对应角度 和过水断面高度，从而得出流量 与 之间的数学关系。图 管道过水断面.管道过水断面水力学半径如下：广 州 化 工 年 月（）（）（）式中：水力学半径，管道湿周，管道直径，过水断面对应的角度，范围为 根据曼宁公式得到管道内流速与过水断面对应的角度 的关系式：.（）().（）式中：管道内流速，管道粗糙系数，焊接钢管取.坡降系数，取.推导过水断面对应角度 与高度 的关系式：（）.（）式中：管道充满度 过水断面高度，即管道过水断面顶端至管底的高度，管道直径，由公式（）、（）、（）得到流量 与过水断面高度 的关系式：.（）.（）().（.）.（）（）由（）可得反函数（），得到下游水位标高与流量的关系式：管底标高过水断面.（）。函数（）在.，.区间内单调递增，因此 也是关于变量 在该区间内的单调递增函数，最大流量条件下管道过水截面高度有最大值.，下游渠道末端水位标高有最大值 .；最小流量条件下，管道过水截面高度有最小值.，下游渠道末端水位标高有最小值.。（）下游渠底标高下游渠道铺贴瓷砖，粗糙系数 取.，渠道坡度 取.，流量公式如下：.（）（）式中：下游渠道流速，下游渠道宽度，渠道水深，号槽对应渠宽 .，得公式 .（.）（.）（），可 得 反 函 数 （）；号槽对应渠宽 .，得公式 .（.）（.）（），可得反函数（）。下渠底面标高 管底标高.，且在流量区间内，下游渠道水位标高 下游渠道水位高度 下渠底标高 恒成立，即：（）式中：下游渠道底标高，下游渠道末端水位标高，令（）.（）（）。对于 号槽，（）.（）（）在区间.，.内单调递减，最大流量时有最小值（）.，因此.，未来考虑下渠回用取水，设计 .；对于 号槽，（）.（）（）在区间.，.内单调递增，最小流量时有最小值（）.，因此.，设计取.。.号标准型巴氏计量槽安装设计.按照淹没自由流（无跌水）设计（）计量槽上下游渠道长度要求：“手册”第二版和标准 中要求行近渠道长度不小于渠宽 倍。渠道直线长度 .，.，符合设计条件。要求：“手册”第二版中要求上游渠道直线长度不小于渠宽的 倍，下游不少于 倍的相关要求，即上渠长度下渠长度 总长不小于 倍。（）（）（.）.倍，符合设计条件。要求中对下渠长度要求更高，因而在总长度有限条件下优先保证下渠长度。设计取上游渠道长度取.（含.收缩段，.倍渠宽），下游渠道长度为.（含.扩张段，倍渠宽）。（）上游渠道底面标高下游渠道坡降系数为.，下渠设计为等底标高.，下游渠道水位起讫高差为.，取 ，下游渠道起始段水位.。巴氏计量槽上水流呈淹没自由流，需要保证在流量区间内，下游水头（）上游水头 恒成立，即：（）式中：上渠底标高，下渠水位起始标高，淹没系数，号槽为.上渠水深，安全水头，令（）.（）（），对于 号槽，有（）.（）.（.）.。（）函数在流量区间.，.内单调递减，即流量最小时有最大值（）.。考虑扰动情况，在理论值基础上增加安全水头，设计取.。（）上游渠底坡降系数及水头损失根据公式（）和（）得：（）（）（）结合公式（），对于 号槽，得 .（.）.（.）.，该函数在流量区间.，.内单调递增，在最大流量时有最大值.。上游渠道设计为等底标高.，上渠水位起讫高差为.，设计取 ，第 卷第 期姜鸿，等：污水处理厂标准型巴氏计量槽设计选型比较 上渠起始段水位.。图 号标准巴氏计量槽淹没自由流设计图.按照完全自由流（有跌水）设计（）计量槽上下游渠道长度完全（有跌水）自由流设计仅对上渠长度有要求，即上渠长度槽宽的 倍。设计取上游渠道长度取.（含.收缩段，.倍渠宽），下游渠道长度则为 （含.扩张段）。（）上游渠底标高下渠设计为等底标高.，下游渠道水位起讫高差为.，取 ，下游渠道起始段水位 .。槽上水流呈完全自由流，即上游渠道水流形态完全不受下游水位的影响，需要保证在流量区间内，上游渠底标高 下游渠起始水位，即：（）式中：安全水头，完全自由流条件下建议 巴氏计量槽出口段末端与进口段槽底间高差，在出口段末端形可形成跌流水舌。在流量最大时下渠起始水位有最大值.，.，设计取.。（）上游渠道坡降系数及水头损失根据前文可知迫降系数最大值 .。上游渠道设计为等底标高.，上渠水位起讫高差为.，设计取 ，上渠起始段水位.。图 号标准巴氏计量槽完全自由流设计图.号标准型巴氏计量槽安装设计.按照淹没自由流（无跌水）设计渠道总长 .，不符合 倍的设计条件，因此不能按照淹没（无跌水）自由流设计。.按照完全自由流（有跌水）设计（）计量槽上下游渠道长度上渠长度槽宽的 倍。号计量槽总长 .。设计取上游渠道长度取.（含.收缩段，.倍渠宽），下游渠道长度取.（含.扩张段）。（）上游渠底标高下渠设计为等底标高.，下游渠道水位起讫高差为.，取 ，下游渠道起始段水位.。槽上水流呈完全自由流，根据公式（），最大流量时有起始水位最大值 .，.，设计取.。（）上游渠道坡降系数及水头损失结合公式（），对于 号槽，得 .（.）.（.）.，该函数在流量区间.，.内单调递增，即在最大流量时有最大值.。上游渠道设计为等底标高.，上渠水位起讫高差为.，设计取，上渠起始段水位.。图 号槽完全自由流设计图.结 论（）巴氏计量槽设计参照标准规范较多，应优先采用标准型号槽进行设计。各标准、规范不同之处，建议采用最严格标准，确保计量槽的设计精度；（）本案例中可选用 种标准型号的巴氏计量槽，设计形式有 种。选用 号槽，计量渠较窄，占地更小，设计形式有淹没自由流和完全自由流 种；选用 号槽，计量渠较宽，占地面积较大，仅可按照完全自由流进行设计；（）选用淹没自由流，对上游水头的要求更低，但行近渠需要满足较高的长宽比；选用完全自由流，仅需满足上游渠道长度要求，但对上游水头要求较高，整体水头损失更大。上游渠道水头要求（即上游最大水位）：号槽完全自由流 号槽完全自由流 号槽淹没自由流；（）许多污水厂计量渠下游直接连接管道，槽下游水位取决于下渠连接管道的输送能力，通过曼宁公式可得到流量作为单一变量与下游水位、上游渠底标高之间的函数关系。对于淹没自由流，下游水位变化直接影响巴氏计量槽的淹没系数，需求出上游渠底标高的理论最小值，以确保所有工况条件下满足（下转第 页）第 卷第 期张瑞达，等：含超标缺陷 乙烯球罐合于使用评价 式中：一次薄膜应力变化范围所承受的循环次数，取值 二次弯曲应力变化范围所承受的循环次数，取值 将以上数据代入式（），可得工况要求承受的疲劳强度参量（）为.。.安全性评价根据 表 规定，乙烯球罐超标缺陷容许承受的疲劳强度参量：（）.其中（）（），即乙烯球罐 处超标缺陷通过疲劳失效评定。结 论乙烯球罐 发现 处超标埋藏缺陷，根据 ，对上述缺陷开展断裂与塑性失效评定及疲劳失效评定，结果表明：检验所发现的埋藏缺陷不影响球罐在操作工况的安全使用，允许保留。在未来的运行周期内，使用单位应对该球罐加强监管，严格按照允许使用工况运行，避免操作工况（压力、温度）剧烈波动，防止疲劳失效的发生，同时缩短球罐下次检验周期，对上述埋藏缺陷进行复测，监控缺陷是否扩展。参考文献 韩毅，淡勇，李小勇，等.含缺陷压力容器安全评定的发展历程与趋势石油化工设备技术，（）：.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.固定式压力容器安全技术监察规程北京：新华出版社，.张东华，王勇，杨宸萱，等.天然气球罐的 检测与安全评价特种设备安全技术，（）：.张巨银，李明娥，景子刚，等.液氨球罐安全评定建材技术与应用，（）：.国家市场监督管理总局.含缺陷压力容器安全评定北京：中国标准出版社，.（上接第 页）淹没系数的要求。对于完全自由流，须求出下游水位理论最大值，即确保上游渠底标高不低于最大流量条件下的下游水位。考虑到扰动因素，淹没自由流和完全自由流条件下设计均需增加安全水头；（）槽下游渠道建议采用.坡降系数计算下游水深，求出满足所有流量条件的下游渠底标高理论最小值，并在此基础上进行设计。上游坡降系数不低于所有流量条件下坡降系数的最大值。渠道须采用等底面设计，相应增加渠道起讫水头高差。（）巴氏计量槽进口段与上游渠道之间的连接方式建议采用平接，收缩段和扩张段采用 八字脚形式，有效降低施工难度，进一步确保精度。参考文献 杨鸿栩.工业厂区废水排放口设计探讨给水排水，（）：.李亚选.曹妃甸工业区起步区（北区）污水处理厂工程给水排水，（）：.陈金荣，王洪云.浅谈污水处理厂巴氏计量槽设计中国给水排水，（）：，.周丽颖，张玉峰，仲崇川，等.污水处理厂出水巴氏计量槽的改造中国给水排水，（）：.北京市市政工程设计研究总院.给水排水设计手册（第 册）：城镇排水 版.北京：中国建筑工业出版社，.北京市市政工程设计研究总院.给水排水设计手册（第 册）：常用资料 版.北京：中国建筑工业出版社，.城市排水流量堰槽测量标准巴歇尔量水槽 明渠堰槽流量计 北京市市政工程设计研究总院.给水排水设计手册（第 册）：城镇排水 版.北京：中国建筑工业出版社，.