一种用于管路上的装置及基于该装置的流量控制方法和防倒灌方法与流程
本发明属于流量控制和排水技术领域，具体涉及一种用于管路上的装置及基于该装置的流量控制方法和防倒灌方法。
背景技术：
流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量，即瞬时流量。在现代工业生产过程中，流量是重要的过程参数之一，是衡量设备的效率和经济性的重要指标，是生产操作和控制的依据，因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优化控制；同时为了进行经济核算，也必须知道流过的介质总量。所以，流量的测量与控制是实现工业生产过程的一项重要任务。
流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多，而且针对不同的应用领域，对于所使用的流量测量方法和仪表的要求也不同，即每种流量测量方法和仪表都具有特定的适用性，也都有它的局限性。
在我国的城市排水工程中的进水和/或出水管路系统中，对于污水流量的控制成为一个重要的研究领域，通过对管路系统中污水流量的控制，随时调控管路系统中的各个闸门及相关组件，实现水体的顺畅排放，避免因雨水过量而排放不及时导致的各种洪涝灾害。
目前的管路系统中，常用的流量控制器为在管路中安装各类流量计，但是其面对如此复杂庞大的管路系统，需要安装的流量计的数量势必也不少，而且多数流量计的结构复杂，体积庞大，安装和调试比较复杂，而且难以维修；大部分仪器仪表只是用于洁净的单相液体，并不适用于管路系统中常见的污水和雨水，可能还有一些固体悬浮物等；多数的管路系统中对于流量的控制不需要特别精确，若使用对精度要求较为严格的流量计，也必然造成采购价格高，投资较大，运行和维护费用较高等多种问题的出现。
再有，现有的流量控制装置的适用面较窄，一般仅能作为流量控制使用，开发具有更多功能的流量控制装置是现有排水系统急需的。
技术实现要素：
为了改善现有技术的不足，本发明提供了一种用于管路上的装置及基于该装置的流量控制方法和防倒灌方法，所述装置可以用于测量流经所述管路的流量，所述装置还可以用于防倒灌，所述装置巧妙地将流量控制和防倒灌结合在一个设备中，非常适合现有的排水系统的需求；所述流量控制方法可以精确得到流经管路的流量，完全替代了流量计，其具有操作方便，成本低廉等优点。
本发明提供如下技术方案：
一种用于管路上的装置，所述装置包括第一井体、第二井体和堰门；
所述第一井体和第二井体设置于管路上，且均与所述管路连通；所述第一井体位于上游管路，所述第二井体位于下游管路；
所述堰门设置于第一井体和第二井体的连接处；
所述装置还包括设置在第一井体中的第一液位计和设置在第二井体中的第二液位计；
所述第一液位计，用于检测所述第一井体内的上游水体的液位高度；
所述第二液位计，用于检测所述第二井体内的下游水体的液位高度。
根据本发明，所述第一井体与第二井体并行设置于所述管路上。
根据本发明，所述第一井体底部高度和第二井体底部高度相同或不同。
根据本发明，所述装置还包括控制器，所述控制器分别与所述第一液位计、所述第二液位计和所述堰门信号连接，用于接收所述第一液位计和第二液位计监测的液位信号，并根据所述液位信号控制所述堰门的开度。
根据本发明，所述堰门选自上开式堰门、下开式堰门和旋转堰门中的至少一种。
根据本发明，所述堰门的驱动方式可采用电动、液动或气动。
本发明还提供一种管路系统，所述管路系统包括上述的用于管路中的装置。
根据本发明，所述管路系统还包括管路，即设置所述第一井体和第二井体的管路。
本发明还提供上述装置的用途，其用于管路上的防倒灌。
优选地，用于截污管上的防倒灌。
优选地，用于分流井中截污管上的防倒灌。
本发明还提供上述装置的用途，其用于管路上的流量控制。
优选地，用于截污管上的流量控制。
优选地，用于分流井中截污管上的流量控制。
本发明还提供一种用于管路上的双液位流量控制方法，所述方法是基于上述的用于管路上的装置，所述方法包括如下步骤：
1)监测第一井体内的上游水体的液位高度h1和第二井体内的下游水体的液位高度h2；
2)确定第一井体内的上游水体和第二井体内的下游水体的液位差(h1-h2)及堰门开度s与流经管路的流量q的关系式如下：
式中，
s——堰门开度(堰门中的过水面积)(m2)；
h1——第一液位计监测的上游水体的液位高度(m)；
h2——第二液位计监测的下游水体的液位高度(m)；
σs——淹没系数；
g——重力加速度(m/s2)；
m——自由溢流的流量系数，与管道等边界条件有关；
σc——侧收缩系数，反映由于管道的横向收缩，减小有效的过流宽度和增加的局部能量损失对泄流能力的影响；
μ——管道自由出流的流量系数，反映管道与堰门的相对开度对泄流量的影响；
3)基于监测的上游水体和下游水体的液位差以及所述关系式，通过调节堰门开度来实现流经管路的水体的流量控制。
根据本发明，所述关系式中，σs为淹没系数，与液位差(h1-h2)有关，可以直接查表得到。
根据本发明，所述关系式中，k为集合系数，当液位差(h1-h2)确定后，k也为确定的值。
根据本发明，所述关系式中，所述参数通过查表确定相关系数，并在使用时根据实际情况进行修正；或者，根据实际的测量值，直接利用关系式
根据本发明，所述双液位流量控制方法用于管路的流量控制。
根据本发明，所述双液位流量控制方法用于截污管的流量控制。
根据本发明，所述双液位流量控制方法用于分流井中截污管的流量控制。
根据本发明，所述双液位流量控制方法还包括如下步骤：
根据与截污管相连的下游管道所能处理的最大流量或与截污管相连的下游污水处理厂所能处理的最大流量设定流量q1；
a)晴天时，流经截污管的流量低于设定流量q1时，堰门处于全开状态，旱流污水全部流入截污管中；
b)雨天时，判断此时降雨是初期雨水或是中后期雨水；若是初期雨水，执行下述步骤b-1)；若是中后期雨水，执行下述步骤b-2)；
b-1)初期雨水时，当流经截污管的流量低于设定流量q1时，堰门处于全开状态；
当流经截污管的流量高于设定流量q1时，调节堰门的开度，实现流入截污管中水体的精确控制；
b-2)中后期雨水时，堰门处于截流状态，水体不流入截污管。
本发明中，所述的初期雨水是指含有大量污染物，水质没有达到排放标准的水体，一般为开始下雨时到下雨持续5-30min内的雨水；所述的中后期雨水是指水质达到排放标准的水体。
本发明还提供一种防倒灌的方法，所述方法是基于上述的用于管路上的装置；所述防倒灌方法包括如下步骤：
1)通过第一液位计和第二液位计分别监测第一井体和第二井体的水体液位值，分别记为h1和h2；
2)通过第一液位计监测的水体液位值h1和第二液位计监测的水体液位值h2的大小进行判断：
当h1-h2大于零或h2-h1小于零时，堰门处于开启状态，第一井体的水体溢流通过堰门并流向第二井体；
当h1-h2等于零或h2-h1等于零时，调节堰门的开度至h1-h2大于零或h2-h1等于零，避免第二井体中的水体溢流通过堰门，发生倒灌进入第一井体；以及，
当h1-h2小于零或h2-h1大于零时，堰门处于截流状态，避免第二井体中的水体溢流通过堰门，发生倒灌进入第一井体。
优选地，所述方法是用于截污管上的防倒灌。
优选地，所述方法是用于分流井中截污管上的防倒灌。
本发明的有益效果：
(1)本发明的用于管路上的装置可以实现管路流量的控制，还可以实现管路防倒灌的监控，其可以整套配置并进行预制，其结构简单，节省建设和设备成本，也大大降低劳动力的投入。
(2)本发明的用于管路上的装置还可以实现远程控制和监测，通过实时监测第一井体内的上游水体和第二井体内的下游水体的液位差来控制堰门的开合大小，可实现双液位流量控制或者防倒灌。
(3)本发明的用于管路上的双液位流量控制是基于在管路中并行设置的第一井体和第二井体及分别设置于其中的第一液位计和第二液位计，通过第一液位计监测的第一井体内的上游水体液位和第二液位计监测的第二井体内的下游水体液位的液位差计算得出流经该管路的流量，而不需要再使用流量计即可实现水体的流量监测。所述第一井体和第二井体的设计，可以方便检修，方便安装闸门且更易于实现流量的控制和防倒灌的目的。
(4)本发明的用于管路上的双液位流量控制方法简单、易于操作，还可以实现远程控制和监测，通过实时监测双液位的液位差来控制堰门的开合大小，实现对管路中水体的流量控制。
附图说明
图1为本发明一个优选实施方式所述的装置的主视图；其中，1-上游管路、2-第一液位计、3-第二液位计、5-下游管路、6-堰门。
图2为本发明一个优选实施方式所述的装置的俯视图；其中，7-第一井体；8-第二井体。
图3为本发明一个优选实施方式所述的装置的主视图；其中，1-上游管路、2-第一液位计、3-第二液位计、5-下游管路、6-堰门。
图4为本发明一个优选实施方式所述的装置的俯视图；其中，7-第一井体；8-第二井体。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，应理解，在阅读了本发明所记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的范围。
实施例1
如图1-图4所示，本实施例提供一种用于管路上的装置，所述装置包括第一井体7、第二井体8和堰门6，所述堰门6可以是下开式堰门(图1和图2所示)或旋转堰门(图3和图4所示)；
所述第一井体7和第二井体8设置于管路上，且均与所述管路连通；所述第一井体7位于上游管路1，所述第二井体8位于下游管路5；
所述堰门6设置于第一井体7和第二井体8的连接处；
所述装置还包括设置在第一井体7中的第一液位计2和设置在第二井体8中的第二液位计3；
所述第一液位计2，用于检测所述第一井体7内的上游水体的液位高度；
所述第二液位计3，用于检测所述第二井体8内的下游水体的液位高度。
在本发明的一个优选实施方式中，所述第一井体7与第二井体8并行设置于所述管路上。
在本发明的一个优选实施方式中，所述第一井体7底部高度和第二井体8底部高度相同或不同。
在本发明的一个优选实施方式中，所述装置还包括控制器(未示出)，所述控制器分别与所述第一液位计2、所述第二液位计3和所述堰门6信号连接，用于接收所述第一液位计2和第二液位计3监测的液位信号，并根据所述液位信号控制所述堰门6的开度。
在本发明的一个优选实施方式中，所述堰门6的驱动方式可采用电动、液动或气动。
实施例2
本实施例提供一种管路系统，所述管路系统包括实施例1所述的用于管路中的装置。
在本发明的一个优选实施方式中，所述管路系统还包括管路，即设置所述第一井体和第二井体的管路。
在本发明的一个优选实施方式中，所述管路为截污管。
在本发明的一个优选实施方式中，所述截污管为分流井中的截污管。
实施例3
本实施例提供一种用于管路上的双液位流量控制方法，所述方法是基于实施例1所述的用于管路上的装置，所述方法包括如下步骤：
1)监测第一井体内的上游水体的液位高度h1和第二井体内的下游水体的液位高度h2；
2)确定第一井体内的上游水体和第二井体内的下游水体的液位差(h1-h2)及堰门开度s与流经管路的流量q的关系式如下：
式中，
s——堰门开度(堰门中的过水面积)(m2)；
h1——第一液位计监测的上游水体的液位高度(m)；
h2——第二液位计监测的下游水体的液位高度(m)；
σs——淹没系数；
g——重力加速度(m/s2)；
m——自由溢流的流量系数，与管道等边界条件有关；
σc——侧收缩系数，反映由于管道的横向收缩，减小有效的过流宽度和增加的局部能量损失对泄流能力的影响；
μ——管道自由出流的流量系数，反映管道与堰门的相对开度对泄流量的影响；
3)基于监测的上游水体和下游水体的液位差以及所述关系式，通过调节堰门开度来实现流经管路的水体的流量控制。
在本发明的一个优选实施方式中，所述关系式中，σs为淹没系数，与液位差(h1-h2)有关，可以直接查表得到。
在本发明的一个优选实施方式中，所述关系式中，k为集合系数，当液位差(h1-h2)确定后，k也为确定的值。
在本发明的一个优选实施方式中，所述关系式中，所述参数通过查表确定相关系数，并在使用时根据实际情况进行修正；或者，根据实际的测量值，直接利用关系式
在本发明的一个优选实施方式中，所述双液位流量控制方法用于管路的流量控制。
在本发明的一个优选实施方式中，所述双液位流量控制方法用于截污管的流量控制。
在本发明的一个优选实施方式中，所述双液位流量控制方法用于分流井中截污管的流量控制。
实施例4
本实施例还提供一种双液位流量控制方法，所述双液位流量控制方法包括实施例3中的步骤，进一步还包括如下步骤：
根据与截污管相连的下游管道所能处理的最大流量或与截污管相连的下游污水处理厂所能处理的最大流量设定流量q1；
a)晴天时，流经截污管的流量低于设定流量q1时，堰门处于全开状态，旱流污水全部流入截污管中；
b)雨天时，判断此时降雨是初期雨水或是中后期雨水；若是初期雨水，执行下述步骤b-1)；若是中后期雨水，执行下述步骤b-2)；
b-1)初期雨水时，当流经截污管的流量低于设定流量q1时，堰门处于全开状态；
当流经截污管的流量高于设定流量q1时，调节堰门的开度，实现流入截污管中水体的精确控制；
b-2)中后期雨水时，堰门处于全关状态，水体不流入截污管。
本发明中，所述的初期雨水是指含有大量污染物，水质没有达到排放标准的水体，一般为开始下雨时到下雨持续5-30min内的雨水；所述的中后期雨水是指水质达到排放标准的水体。
实施例5
本实施例提供一种防倒灌的方法，所述方法是基于实施例1所述的用于管路上的装置；所述防倒灌方法包括如下步骤：
1)通过第一液位计和第二液位计分别监测第一井体和第二井体的水体液位值，分别记为h1和h2；
2)通过第一液位计监测的水体液位值h1和第二液位计监测的水体液位值h2的大小进行判断：
当h1-h2大于零或h2-h1小于零时，堰门处于开启状态，第一井体的水体溢流通过堰门并流向第二井体；
当h1-h2等于零或h2-h1等于零时，调节堰门的开度至h1-h2大于零或h2-h1等于零，避免第二井体中的水体溢流通过堰门，发生倒灌进入第一井体；以及，
当h1-h2小于零或h2-h1大于零时，堰门处于截流状态，避免第二井体中的水体溢流通过堰门，发生倒灌进入第一井体。
优选地，所述方法是用于截污管上的防倒灌。
优选地，所述方法是用于分流井中截污管上的防倒灌。
在排水过程中，若出现第二井体中的水体液位高度高于第一井体中的水体液位高度，水体会在该管路中发生倒灌现象，即下游水体涌入上游端，导致上游水体不能及时排走而发生内涝。为了防止这种现象的发生，本发明提出了一种利用双液位的防倒灌方法，在堰门的上游端和下游端分别安装液位计，通过液位计监测堰门上游端和下游端的水体液位高度来判断流经该管路的水体是否会发生倒灌现象。当上游端的水体液位高度高于下游端的水体液位高度时，水体依靠重力作用，向下游端排走；当上游端的水体液位高度低于下游端的水体液位高度时，水体依靠重力作用，向上游端排走，此时需要及时关闭堰门，有效防止出现下游水体的倒灌现象。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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