分析過(guò)熱蒸汽流量計設計及其在渠道節水中的應用

【摘 要】隨著(zhù)水資源的日益緊張，對灌區用水進(jìn)行有效地控制和精確地量測變得尤為重要，但由于缺少量測水設施，我國大多數灌區仍采用按灌溉面積收費的形式，這不僅助長(cháng)了水量浪費，而且也易導致管理單位和用水戶(hù)之間的矛盾，給水費計收帶來(lái)困難。由于分水洞在灌區灌溉和渠道節水中又占了較大比重，分布廣，管理難度很大，因此，分水洞的計量精度和自動(dòng)化管理在渠道節水中的作用至關(guān)重要。
東風(fēng)渠灌區渠道分水洞總計 1053 個(gè)，分水洞都無(wú)計量用水設施。為了加快東風(fēng)渠灌區計量用水、節水的步伐，我處在東風(fēng)渠東干渠上試點(diǎn)建成了過(guò)熱蒸汽流量計，該過(guò)熱蒸汽流量計是由四川省都江堰東風(fēng)渠管理處、四川省水利科學(xué)研究院以及四川信德建設有限公司水工設備制造廠(chǎng)聯(lián)合研制。分水洞設計流量 Q ＜ 1m3 /s，管徑在 300mm～ 600mm 之間，分水洞集精確的流量計量、高精度過(guò)熱蒸汽流量計控制、全太陽(yáng)能驅動(dòng)和無(wú)線(xiàn)通訊功能于一體，讀數直觀(guān)，一體化板閘按照所設定的閘位或者按灌溉需求，通過(guò)改變過(guò)熱蒸汽流量計開(kāi)度來(lái)自動(dòng)控制流量。一體化測控智能過(guò)熱蒸汽流量計具有操控方便，可遠程實(shí)時(shí)在線(xiàn)操作和監控，接口標準化，可實(shí)現自動(dòng)化、智能化等特點(diǎn)，正是現代水利發(fā)展的必然方向。
1 過(guò)熱蒸汽流量計的結構設計
1. 1 分水洞的結構
分水洞采用了一種封閉式啟閉閘集成閘井預制件，包括頂節、標準節和底座。與傳統現場(chǎng)澆筑的方式相比，集成閘井采用防水設計，并且安裝更加方便快捷，很大程度上提高了安裝效率，節約成本。采用事先預制好的啟閉閘支座、啟閉機機座，保證了設備的安裝精度，提高了設備運行的穩定性，減少了設備的后期維護。分水洞結構除了預制混凝土外，還可考慮采用玻璃鋼或工程塑料整體制作，用標準節調節高度。分水洞結構設計見(jiàn)圖 1。

1. 2 全封閉式啟閉閘
包括進(jìn)水管、直管、出水管、過(guò)熱蒸汽流量計組和啟閉機組，進(jìn)水管、直管、出水管從左到右依次連接，過(guò)熱蒸汽流量計組安裝在直管和出水管之間且位于出水管的入口處，過(guò)熱蒸汽流量計組通過(guò)聯(lián)結桿與啟閉機組的輸出端連接。為防止泥沙淤積影響啟閉，過(guò)熱蒸汽流量計采用閘板式啟閉結構。密封式啟閉閘為整體封閉管道式，全部采用不銹鋼材料，水流通過(guò)管道流出讓整個(gè)閘井內干燥無(wú)水。伸縮套管與波紋管的設計讓檢修與清理淤泥更加方便。過(guò)熱蒸汽流量計裝有荷載限制器，其布置受力明確、結構緊湊、動(dòng)作可靠。當吊具上的荷載達到額定值的 110%時(shí)，或電機電流超過(guò)額定電流 150%時(shí)，系統自動(dòng)切斷操作電源以保護設備安全。

2 計量?jì)x器的輕量化設計
在東風(fēng)渠東干渠試點(diǎn)的流量?jì)x選用的是一體式 MGG－KL 型電磁流量?jì)x，分別有滿(mǎn)管和非滿(mǎn)管兩種類(lèi)型。由于東干渠渠道深度大多在 2m 以 上，且分水洞進(jìn)口管徑大都在 30cm ～ 50cm 之間，基本能滿(mǎn)足流量?jì)x上下游直管段 5D 和 3D，這種情況就選用的是安裝在全封閉式啟閉閘閘前的滿(mǎn)管流電磁流量?jì)x。有些渠段還滿(mǎn)足不了直管段要求，就選用了安裝在全封閉式啟閉閘閘后的非滿(mǎn)管流流量?jì)x。
2. 1 測量原理
電磁流量計是根據電磁感應的原理來(lái)測量導電介質(zhì)的。在管道直徑確定并維持磁場(chǎng)強度不變的情況下，感應電勢的大小與體積流量具有一定的線(xiàn)性關(guān)系，把此感應電勢引出、放大，就能由儀表顯示介質(zhì)流量。
2. 2 特點(diǎn)
(1) 優(yōu)點(diǎn)。測量管與工藝管的口徑可以相同，管內無(wú)測量元件，無(wú)壓力損失，并可以測量含有顆粒、懸浮物的介質(zhì); 輸出信號不受介質(zhì)的物理性質(zhì)影響，輸出信號與流量大小具有很好的線(xiàn)性關(guān)系; 測量范圍寬，流量比達1 ∶ 100。
(2) 缺點(diǎn)。管道承壓及襯里性質(zhì)影響其使用范圍，一般壓力不超過(guò) 4MPa，溫度不超過(guò) 150℃ ;流速應大于 50cm /s。
3 全自動(dòng)計量管理設計
3. 1 云端智慧測控過(guò)熱蒸汽流量計
過(guò)熱蒸汽流量計是集精確的水位采集、流量計量、高精度過(guò)熱蒸汽流量計控制、全太陽(yáng)能驅動(dòng)( 選配) 和無(wú)線(xiàn)通訊功能于一體的自動(dòng)化灌溉設備。云端智慧測控過(guò)熱蒸汽流量計按照所設定的閘位或者按運管單位需求，具備手動(dòng)控制模式、自動(dòng)開(kāi)度控制模式、自動(dòng)恒定流量控制模式、自動(dòng)恒定閘前水位控制模式以及自動(dòng)恒定閘后水位控制模式。配備有本地 LCD 顯示屏，能夠讓用戶(hù)控制和查看配水口的瞬時(shí)流量和當前輸水流量以及灌溉總流量。
3. 2 高精度的過(guò)熱蒸汽流量計控制
過(guò)熱蒸汽流量計裝有一套開(kāi)度指示及位置控制裝置，在電動(dòng)機不工作的情況下，能跟蹤過(guò)熱蒸汽流量計的位置。開(kāi)度指示在現地電控柜( 或手操器) 以數字直接顯示過(guò)熱蒸汽流量計開(kāi)度，讀數精度為 0．01mm。開(kāi)度控制設備除具備對上、下*限位置控制進(jìn)行保護外，還有位置開(kāi)度預置的功能。
3. 2. 1 微功耗設計
為滿(mǎn)足水利野外光伏供電部署需求，系統采用微功耗設計，*低待機功耗≤4. 8W，可有效支撐野外部署，不同季節、不同日照地區都能穩定運行。
3. 2. 2 自清潔自維護功能
針對現有水利分水洞存在銹蝕及淤積現象，系統設置有自清潔自維護功能，根據現場(chǎng)情況自動(dòng)判斷，定期小幅度啟閉過(guò)熱蒸汽流量計，或反復按一定策略運行過(guò)熱蒸汽流量計，有效地防止銹蝕及淤積現象。
3. 2. 3 遠程管理
通過(guò)云端平臺實(shí)時(shí)遠程管理野外設備，能夠加強維護、降低成本并強化渠系控制。一套全面的遠程監控工具及先進(jìn)的報警系統可改變原有的運作模式，管理人員無(wú)需到達現場(chǎng)即可根據軟件提供的詳細實(shí)時(shí)信息，對出現的問(wèn)題做出快速回應。用戶(hù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)管理野外裝置，只需要配備網(wǎng)絡(luò )瀏覽器和移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )接口即可。相對傳統的 SCADA 系統來(lái)說(shuō)，這一方案成本低且配置快。操作人員可通過(guò)臺式電腦、手機、平板、短 信、電子郵件或微信公眾號實(shí)現警報通知、確認及緊急警報升級。
4 運行保障
多年來(lái)水利設施惡劣的工況一直是制約水利信息化建設的絆腳石。許多先進(jìn)的工業(yè)級設備在水利上并不能可靠地應用，究其原因，主要歸結為三個(gè)因素: ①潮濕的環(huán)境; ②雷擊災害; ③*端的溫度指標。“云端智慧閘控系統”根據多年的水利行業(yè)應用經(jīng)驗，對上述因素進(jìn)行反復的器件篩選和工藝改進(jìn)，使得系統能夠很好地適應水利行業(yè)的苛刻要求。
4. 1 防潮技術(shù)
濕氣是對 PCB 電路板*普遍、*具破壞性的主要因素。“云端智慧閘控系統”采用浸潤工藝在印刷電路板及零組件涂覆丙烯酸基質(zhì)保護層，有效地隔離并可保護電路免遭潮濕和其它污物的侵蝕，從而提高線(xiàn)路板的可靠性，增加其安全系數，并保證其使用壽命。
4. 2 防雷技術(shù)
水利設施的防雷是一項系統工程，包含外部防雷和內部防雷兩個(gè)方面。外部防雷是對直擊雷的防護，由接閃器( 接閃桿、接閃帶、接閃線(xiàn)、接閃網(wǎng)) 、引下線(xiàn)、接地體等組成，作用是接閃、泄放雷電流，通過(guò)該措施可將絕大部分雷電能量直接導入大地。內部防雷主要由屏蔽、等電位、過(guò)電壓保護和安全距離等組成，其作用是均衡系統電位，限制過(guò)電壓幅值。“云端智慧閘控系統”不但設計有上述避雷設施，同時(shí)采用了避雷隔離技術(shù)、電子信號避雷技術(shù)等多種先進(jìn)的避雷技術(shù)，對系統進(jìn)行防護。
4. 3 寬溫設計
水利設施多設在野外，晝夜、冬夏溫差較大，為保證設備長(cháng)期穩定運行。“云端智慧閘控系統”采用優(yōu)于工業(yè)級標準的元器件搭建，工作溫度范圍可達－10℃ ～60℃，是可以在*端條件下使用的工業(yè)級設備，確保每臺設備在惡劣環(huán)境下使用都安穩可靠，并保證工業(yè)通信的穩定傳輸。
5 結語(yǔ)
東風(fēng)渠灌區內省管干渠大多數渠道已經(jīng)完成了續建配套與節水改造工程，渠道的防滲以及過(guò)流能力大大提高，眼下應該是通過(guò)精細化管理來(lái)節水的有利時(shí)機，但是由于灌區內農業(yè)的主要耕作方式還是以農戶(hù)為主，支、斗、農、毛渠的規劃混亂，導致在干渠上分水洞眾多，管理上要面對每家每戶(hù)，并且不能計量用水，這給灌區節水管理帶來(lái)很大困難。做為灌區管理單位來(lái)說(shuō)，分水洞的管理能夠智能化，渠道管理難度*大的問(wèn)題就解決了，“節水優(yōu)先”的管理方式才能實(shí)現。

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