分析過熱蒸汽流量計(jì)設(shè)計(jì)及其在渠道節(jié)水中的應(yīng)用

【摘 要】隨著水資源的日益緊張，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行有效地控制和精確地量測(cè)變得尤為重要，但由于缺少量測(cè)水設(shè)施，我國(guó)大多數(shù)灌區(qū)仍采用按灌溉面積收費(fèi)的形式，這不僅助長(zhǎng)了水量浪費(fèi)，而且也易導(dǎo)致管理單位和用水戶之間的矛盾，給水費(fèi)計(jì)收帶來困難。由于分水洞在灌區(qū)灌溉和渠道節(jié)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(jì)量精度和自動(dòng)化管理在渠道節(jié)水中的作用至關(guān)重要。
東風(fēng)渠灌區(qū)渠道分水洞總計(jì) 1053 個(gè)，分水洞都無計(jì)量用水設(shè)施。為了加快東風(fēng)渠灌區(qū)計(jì)量用水、節(jié)水的步伐，我處在東風(fēng)渠東干渠上試點(diǎn)建成了過熱蒸汽流量計(jì)，該過熱蒸汽流量計(jì)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(shè)有限公司水工設(shè)備制造廠聯(lián)合研制。分水洞設(shè)計(jì)流量 Q ＜ 1m3 /s，管徑在 300mm～ 600mm 之間，分水洞集精確的流量計(jì)量、高精度過熱蒸汽流量計(jì)控制、全太陽能驅(qū)動(dòng)和無線通訊功能于一體，讀數(shù)直觀，一體化板閘按照所設(shè)定的閘位或者按灌溉需求，通過改變過熱蒸汽流量計(jì)開度來自動(dòng)控制流量。一體化測(cè)控智能過熱蒸汽流量計(jì)具有操控方便，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線操作和監(jiān)控，接口標(biāo)準(zhǔn)化，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化等特點(diǎn)，正是現(xiàn)代水利發(fā)展的必然方向。
1 過熱蒸汽流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1. 1 分水洞的結(jié)構(gòu)
分水洞采用了一種封閉式啟閉閘集成閘井預(yù)制件，包括頂節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和底座。與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)澆筑的方式相比，集成閘井采用防水設(shè)計(jì)，并且安裝更加方便快捷，很大程度上提高了安裝效率，節(jié)約成本。采用事先預(yù)制好的啟閉閘支座、啟閉機(jī)機(jī)座，保證了設(shè)備的安裝精度，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少了設(shè)備的后期維護(hù)。分水洞結(jié)構(gòu)除了預(yù)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)調(diào)節(jié)高度。分水洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖 1。

1. 2 全封閉式啟閉閘
包括進(jìn)水管、直管、出水管、過熱蒸汽流量計(jì)組和啟閉機(jī)組，進(jìn)水管、直管、出水管從左到右依次連接，過熱蒸汽流量計(jì)組安裝在直管和出水管之間且位于出水管的入口處，過熱蒸汽流量計(jì)組通過聯(lián)結(jié)桿與啟閉機(jī)組的輸出端連接。為防止泥沙淤積影響啟閉，過熱蒸汽流量計(jì)采用閘板式啟閉結(jié)構(gòu)。密封式啟閉閘為整體封閉管道式，全部采用不銹鋼材料，水流通過管道流出讓整個(gè)閘井內(nèi)干燥無水。伸縮套管與波紋管的設(shè)計(jì)讓檢修與清理淤泥更加方便。過熱蒸汽流量計(jì)裝有荷載限制器，其布置受力明確、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作可靠。當(dāng)?shù)蹙呱系暮奢d達(dá)到額定值的 110%時(shí)，或電機(jī)電流超過額定電流 150%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷操作電源以保護(hù)設(shè)備安全。

2 計(jì)量?jī)x器的輕量化設(shè)計(jì)
在東風(fēng)渠東干渠試點(diǎn)的流量?jī)x選用的是一體式 MGG－KL 型電磁流量?jī)x，分別有滿管和非滿管兩種類型。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，基本能滿足流量?jī)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管流電磁流量?jī)x。有些渠段還滿足不了直管段要求，就選用了安裝在全封閉式啟閉閘閘后的非滿管流流量?jī)x。
2. 1 測(cè)量原理
電磁流量計(jì)是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理來測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的。在管道直徑確定并維持磁場(chǎng)強(qiáng)度不變的情況下，感應(yīng)電勢(shì)的大小與體積流量具有一定的線性關(guān)系，把此感應(yīng)電勢(shì)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(cè)量管與工藝管的口徑可以相同，管內(nèi)無測(cè)量元件，無壓力損失，并可以測(cè)量含有顆粒、懸浮物的介質(zhì); 輸出信號(hào)不受介質(zhì)的物理性質(zhì)影響，輸出信號(hào)與流量大小具有很好的線性關(guān)系; 測(cè)量范圍寬，流量比達(dá)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 4MPa，溫度不超過 150℃ ;流速應(yīng)大于 50cm /s。
3 全自動(dòng)計(jì)量管理設(shè)計(jì)
3. 1 云端智慧測(cè)控過熱蒸汽流量計(jì)
過熱蒸汽流量計(jì)是集精確的水位采集、流量計(jì)量、高精度過熱蒸汽流量計(jì)控制、全太陽能驅(qū)動(dòng)( 選配) 和無線通訊功能于一體的自動(dòng)化灌溉設(shè)備。云端智慧測(cè)控過熱蒸汽流量計(jì)按照所設(shè)定的閘位或者按運(yùn)管單位需求，具備手動(dòng)控制模式、自動(dòng)開度控制模式、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，能夠讓用戶控制和查看配水口的瞬時(shí)流量和當(dāng)前輸水流量以及灌溉總流量。
3. 2 高精度的過熱蒸汽流量計(jì)控制
過熱蒸汽流量計(jì)裝有一套開度指示及位置控制裝置，在電動(dòng)機(jī)不工作的情況下，能跟蹤過熱蒸汽流量計(jì)的位置。開度指示在現(xiàn)地電控柜( 或手操器) 以數(shù)字直接顯示過熱蒸汽流量計(jì)開度，讀數(shù)精度為 0．01mm。開度控制設(shè)備除具備對(duì)上、下*限位置控制進(jìn)行保護(hù)外，還有位置開度預(yù)置的功能。
3. 2. 1 微功耗設(shè)計(jì)
為滿足水利野外光伏供電部署需求，系統(tǒng)采用微功耗設(shè)計(jì)，*低待機(jī)功耗≤4. 8W，可有效支撐野外部署，不同季節(jié)、不同日照地區(qū)都能穩(wěn)定運(yùn)行。
3. 2. 2 自清潔自維護(hù)功能
針對(duì)現(xiàn)有水利分水洞存在銹蝕及淤積現(xiàn)象，系統(tǒng)設(shè)置有自清潔自維護(hù)功能，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況自動(dòng)判斷，定期小幅度啟閉過熱蒸汽流量計(jì)，或反復(fù)按一定策略運(yùn)行過熱蒸汽流量計(jì)，有效地防止銹蝕及淤積現(xiàn)象。
3. 2. 3 遠(yuǎn)程管理
通過云端平臺(tái)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程管理野外設(shè)備，能夠加強(qiáng)維護(hù)、降低成本并強(qiáng)化渠系控制。一套全面的遠(yuǎn)程監(jiān)控工具及先進(jìn)的報(bào)警系統(tǒng)可改變?cè)械倪\(yùn)作模式，管理人員無需到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)即可根據(jù)軟件提供的詳細(xì)實(shí)時(shí)信息，對(duì)出現(xiàn)的問題做出快速回應(yīng)。用戶可以通過互聯(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(duì)傳統(tǒng)的 SCADA 系統(tǒng)來說，這一方案成本低且配置快。操作人員可通過臺(tái)式電腦、手機(jī)、平板、短 信、電子郵件或微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)警報(bào)通知、確認(rèn)及緊急警報(bào)升級(jí)。
4 運(yùn)行保障
多年來水利設(shè)施惡劣的工況一直是制約水利信息化建設(shè)的絆腳石。許多先進(jìn)的工業(yè)級(jí)設(shè)備在水利上并不能可靠地應(yīng)用，究其原因，主要?dú)w結(jié)為三個(gè)因素: ①潮濕的環(huán)境; ②雷擊災(zāi)害; ③*端的溫度指標(biāo)。“云端智慧閘控系統(tǒng)”根據(jù)多年的水利行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上述因素進(jìn)行反復(fù)的器件篩選和工藝改進(jìn)，使得系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)水利行業(yè)的苛刻要求。
4. 1 防潮技術(shù)
濕氣是對(duì) PCB 電路板*普遍、*具破壞性的主要因素。“云端智慧閘控系統(tǒng)”采用浸潤(rùn)工藝在印刷電路板及零組件涂覆丙烯酸基質(zhì)保護(hù)層，有效地隔離并可保護(hù)電路免遭潮濕和其它污物的侵蝕，從而提高線路板的可靠性，增加其安全系數(shù)，并保證其使用壽命。
4. 2 防雷技術(shù)
水利設(shè)施的防雷是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，包含外部防雷和內(nèi)部防雷兩個(gè)方面。外部防雷是對(duì)直擊雷的防護(hù)，由接閃器( 接閃桿、接閃帶、接閃線、接閃網(wǎng)) 、引下線、接地體等組成，作用是接閃、泄放雷電流，通過該措施可將絕大部分雷電能量直接導(dǎo)入大地。內(nèi)部防雷主要由屏蔽、等電位、過電壓保護(hù)和安全距離等組成，其作用是均衡系統(tǒng)電位，限制過電壓幅值。“云端智慧閘控系統(tǒng)”不但設(shè)計(jì)有上述避雷設(shè)施，同時(shí)采用了避雷隔離技術(shù)、電子信號(hào)避雷技術(shù)等多種先進(jìn)的避雷技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)。
4. 3 寬溫設(shè)計(jì)
水利設(shè)施多設(shè)在野外，晝夜、冬夏溫差較大，為保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。“云端智慧閘控系統(tǒng)”采用優(yōu)于工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的元器件搭建，工作溫度范圍可達(dá)－10℃ ～60℃，是可以在*端條件下使用的工業(yè)級(jí)設(shè)備，確保每臺(tái)設(shè)備在惡劣環(huán)境下使用都安穩(wěn)可靠，并保證工業(yè)通信的穩(wěn)定傳輸。
5 結(jié)語
東風(fēng)渠灌區(qū)內(nèi)省管干渠大多數(shù)渠道已經(jīng)完成了續(xù)建配套與節(jié)水改造工程，渠道的防滲以及過流能力大大提高，眼下應(yīng)該是通過精細(xì)化管理來節(jié)水的有利時(shí)機(jī)，但是由于灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)的主要耕作方式還是以農(nóng)戶為主，支、斗、農(nóng)、毛渠的規(guī)劃混亂，導(dǎo)致在干渠上分水洞眾多，管理上要面對(duì)每家每戶，并且不能計(jì)量用水，這給灌區(qū)節(jié)水管理帶來很大困難。做為灌區(qū)管理單位來說，分水洞的管理能夠智能化，渠道管理難度*大的問題就解決了，“節(jié)水優(yōu)先”的管理方式才能實(shí)現(xiàn)。

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