分析一氧化碳流量計設計及其在渠道節水中的應用
點(diǎn)擊次數：1775 發(fā)布時(shí)間：2021-01-08 07:16:42
【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)建成了一氧化碳流量計，該一氧化碳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、高精度一氧化碳流量計控制、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)改變一氧化碳流量計開(kāi)度來(lái)自動(dòng)控制流量。一體化測控智能一氧化碳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 一氧化碳流量計的結構設計
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、一氧化碳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，一氧化碳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，一氧化碳流量計組通過(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，一氧化碳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。一氧化碳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 云端智慧測控一氧化碳流量計
一氧化碳流量計是集精確的水位采集、流量計量、高精度一氧化碳流量計控制、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。云端智慧測控一氧化碳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 高精度的一氧化碳流量計控制
一氧化碳流量計裝有一套開(kāi)度指示及位置控制裝置，在電動(dòng)機不工作的情況下，能跟蹤一氧化碳流量計的位置。開(kāi)度指示在現地電控柜( 或手操器) 以數字直接顯示一氧化碳流量計開(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，定期小幅度啟閉一氧化碳流量計，或反復按一定策略運行一氧化碳流量計，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。
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)建成了一氧化碳流量計，該一氧化碳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、高精度一氧化碳流量計控制、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)改變一氧化碳流量計開(kāi)度來(lái)自動(dòng)控制流量。一體化測控智能一氧化碳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 一氧化碳流量計的結構設計
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、一氧化碳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，一氧化碳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，一氧化碳流量計組通過(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，一氧化碳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。一氧化碳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 云端智慧測控一氧化碳流量計
一氧化碳流量計是集精確的水位采集、流量計量、高精度一氧化碳流量計控制、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。云端智慧測控一氧化碳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 高精度的一氧化碳流量計控制
一氧化碳流量計裝有一套開(kāi)度指示及位置控制裝置，在電動(dòng)機不工作的情況下，能跟蹤一氧化碳流量計的位置。開(kāi)度指示在現地電控柜( 或手操器) 以數字直接顯示一氧化碳流量計開(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，定期小幅度啟閉一氧化碳流量計，或反復按一定策略運行一氧化碳流量計，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。