分析過熱蒸汽流量計設計及其在渠（qú）道節水中的應（yīng）用
點擊次數：2310 發布時間：2021-01-07 15:20:56
【摘 要】隨著水資源的日益緊張，對灌區用水進行有效地控製和精確地量測變得尤為重要，但由於缺少量測水設施，我國大（dà）多數灌區仍采用按灌溉麵積收費的形式，這不僅助長（zhǎng）了水量浪費（fèi），而且（qiě）也易導致（zhì）管理單位和用水戶之間的矛盾，給水費計收帶來困難。由於分水洞在灌區灌溉和渠（qú）道節水中又占了較大比重，分布廣（guǎng），管理難度很大（dà），因此，分水洞的計（jì）量精度和自動化管理在渠道（dào）節水中的作用至關重要。
東風渠灌區渠道分（fèn）水洞總計 1053 個，分水洞都無計量用水設施。為了加快東（dōng）風渠灌區計量用水（shuǐ）、節水的步伐，我處在東風渠東（dōng）幹渠上試（shì）點建成了過熱蒸汽流量計，該過熱蒸汽流量計是由四川省都江堰東風渠管（guǎn）理處、四川省水利科學研究院以及四川信德建設有限公司水工設備製造（zào）廠聯合研製。分水洞設計流量（liàng） Q ＜ 1m3 /s，管（guǎn）徑在 300mm～ 600mm 之間，分水洞集精（jīng）確的流（liú）量（liàng）計量、高（gāo）精度過熱蒸汽流量（liàng）計控製、全太陽能（néng）驅動和無線通（tōng）訊功能於一體（tǐ），讀（dú）數直觀，一體化板閘按照所設定的閘位或者按灌（guàn）溉需求，通過改變過熱蒸汽流量計開度來自動控製流量。一體化測控智能過熱蒸汽流量計具有（yǒu）操控方便，可遠程實時在線操（cāo）作和監（jiān）控，接口標準化，可實現（xiàn）自（zì）動化、智能化等特點，正（zhèng）是（shì）現代（dài）水利發展的必然方向。
1 過熱蒸汽流量計的結構設（shè）計（jì）
1. 1 分水洞的結構
分水洞采用了一種封閉式啟閉閘集（jí）成閘井預製件，包（bāo）括頂（dǐng）節（jiē）、標準（zhǔn）節和底座。與傳統現場澆築的方式相比，集成（chéng）閘井（jǐng）采用防水設計，並且安裝（zhuāng）更加（jiā）方便快（kuài）捷，很大程度上提高了安裝效（xiào）率，節約成本。采用事（shì）先預製好的啟閉閘支座、啟閉機機座，保證了設備的安裝精度，提（tí）高了設備運行的穩定性，減少了設備的後期（qī）維護。分水洞結構除了（le）預製混凝土外，還可考慮采用玻璃鋼或工（gōng）程塑料整體（tǐ）製作，用標準節調節（jiē）高度。分水洞結構設計（jì）見圖 1。
1. 2 全封閉式啟閉閘（zhá）
包括進水管、直（zhí）管、出水管、過熱蒸汽流量計組和啟（qǐ）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（chū）水管之間且位於出水管的入口處，過熱蒸汽流量計組通過聯結杆與啟閉機組的（de）輸出端連接。為防止泥沙（shā）淤積（jī）影響啟閉，過（guò）熱蒸（zhēng）汽流量計采用閘板式啟閉結構。密（mì）封式啟閉閘為整體封閉管道式，全部采用不鏽鋼材料，水流通過管道流出讓整個閘（zhá）井內幹燥無水。伸縮套管與（yǔ）波紋管的設（shè）計讓檢修與（yǔ）清理淤泥更加（jiā）方便。過熱蒸汽流量計裝有荷載限製器，其布置受（shòu）力明確、結（jié）構（gòu）緊湊、動作可靠（kào）。當吊具上的荷載達到額定值的 110%時，或電機電流超過額定電流 150%時，係統自動切（qiē）斷操作電（diàn）源以保護設備（bèi）安全。
2 計量儀（yí）器的輕量化設計
在東風渠東幹渠試點的流量儀選（xuǎn）用（yòng）的是一體式 MGG－KL 型電磁流（liú）量儀，分別有（yǒu）滿管和（hé）非滿管兩種（zhǒng）類型（xíng）。由於東幹渠渠道深度大多在（zài） 2m 以 上，且分水洞進口管徑大都在 30cm ～ 50cm 之間，基本能（néng）滿足流量儀上（shàng）下（xià）遊直管段 5D 和 3D，這種情況（kuàng）就選用的是安裝在全封閉式啟閉閘閘（zhá）前的滿管流（liú）電磁流量儀。有（yǒu）些渠段還滿足不了直管段要求，就選（xuǎn）用了安裝在全封閉式啟閉閘閘（zhá）後的非滿管流流量儀（yí）。
2. 1 測量原理
電磁流量計是根據電磁感應的原理來測量（liàng）導電介質的。在管道直徑確定並維持磁場強度不變的情況下，感應電勢的大小與體積流量具有一定的（de）線性關係，把此感應電勢引出、放大，就能由儀表顯（xiǎn）示介質流量。
2. 2 特點
(1) 優（yōu）點。測量管與工藝管的口徑可以相同，管內無測量元件，無壓力損失，並可（kě）以測量含有顆粒、懸浮（fú）物的介質; 輸出信號不受介質的物理性質影響，輸出信號（hào）與流量大小具有（yǒu）很好的線（xiàn）性關係; 測量範圍寬（kuān），流量比達（dá）1 ∶ 100。
(2) 缺點。管道承壓及襯裏性質（zhì）影響其使用範圍，一般壓力（lì）不超過 4MPa，溫度不超過 150℃ ;流速應大於 50cm /s。
3 全自動計量管理設（shè）計
3. 1 雲（yún）端智慧測控過熱（rè）蒸汽流量計（jì）
過熱蒸汽流量（liàng）計是集精確的水位采（cǎi）集、流量計量、高精度過熱（rè）蒸汽（qì）流（liú）量計控製、全太陽能（néng）驅動( 選配) 和無線（xiàn）通訊功能於一體的自動化灌溉設備（bèi）。雲端智慧測控過熱蒸（zhēng）汽流量計按（àn）照所設定的閘位或者（zhě）按運管單位需求，具（jù）備手動控製模式、自動開度控製模式、自動恒定流量控製模（mó）式、自動恒定閘前水位控製（zhì）模式以（yǐ）及自動恒定閘後水位控製模式。配備有本地 LCD 顯示屏，能夠讓用戶控製和查看配水（shuǐ）口的瞬時流量和當前輸水流量以及灌溉總流量。
3. 2 高精度的過熱（rè）蒸汽流量計控製
過熱蒸汽流量計裝有一套開度指示及位置控製裝置，在電（diàn）動機不工作的（de）情況下，能跟蹤過熱蒸汽流量計的位（wèi）置。開度指示在現地電控櫃( 或手操器) 以數字直接顯示過（guò）熱蒸汽流（liú）量（liàng）計開度，讀數精度（dù）為 0．01mm。開度控製設備除具備對上、下*限位置控製進行（háng）保護外，還有位置開（kāi）度預置的功能。
3. 2. 1 微功（gōng）耗設計
為滿足水利野外光伏供電部署（shǔ）需求，係統采用微（wēi）功耗設計，*低待機功耗≤4. 8W，可有效支（zhī）撐野外部署（shǔ），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（fèn）水洞（dòng）存在鏽（xiù）蝕（shí）及淤積現象，係統設置有自（zì）清潔自維護功能，根據現（xiàn）場情況自動判斷，定期小幅度啟閉過熱蒸汽流量計，或反複按一定策略運行過熱蒸汽（qì）流量計，有效地防（fáng）止鏽蝕及（jí）淤積現象。
3. 2. 3 遠程管理
通過雲端平台實時遠（yuǎn）程管理野外設備，能夠加強維護、降（jiàng）低成本並強化渠係（xì）控製。一套（tào）全麵的遠程監控工具及先進的報警係統可改變原有（yǒu）的運作模式，管理人員無需到（dào）達現場即可根據軟件提供的詳細（xì）實時（shí）信（xìn）息，對出現（xiàn）的問題做出快速回應。用戶可以通（tōng）過互聯網管理野外裝置，隻需（xū）要配備網絡瀏（liú）覽器和移動通訊網（wǎng）絡接口即可。相對傳統的 SCADA 係統來說，這一（yī）方案成本低且（qiě）配置快。操作人員可通過台式電腦、手機、平板（bǎn）、短 信、電子郵（yóu）件或微信公眾號實現警報通（tōng）知、確認及緊急警報升級。
4 運行保障
多年來水利設（shè）施惡劣的工況一直是製約水利信息化建設的絆腳石。許多先進的工業級設備在水利上並不能可靠地應用（yòng），究其原因，主要歸結（jié）為三個因素: ①潮濕的環境; ②雷擊災害; ③*端的（de）溫（wēn）度指標。“雲端智慧閘控係統”根據多年的水（shuǐ）利行（háng）業應用經驗，對上述因素進行反複的器件篩（shāi）選（xuǎn）和工藝改進，使得係統能夠很（hěn）好地適應水利（lì）行業的苛刻要求（qiú）。
4. 1 防潮技術
濕氣是對 PCB 電路板*普遍、*具破壞（huài）性的主要（yào）因素。“雲（yún）端（duān）智慧閘控係統”采用浸潤工藝在（zài）印刷電路板及零（líng）組件塗覆丙烯酸基質保護層，有效地隔離並可保護電（diàn）路免遭潮濕和其它汙物的侵蝕，從而提高線路板的可靠（kào）性，增加其安全係數，並保（bǎo）證其使（shǐ）用壽命。
4. 2 防雷技術
水利設（shè）施的防雷（léi）是一項係統工程，包含外部防雷和內（nèi）部防雷兩個方麵。外部防雷（léi）是對（duì）直擊雷（léi）的防護，由接閃器( 接閃杆、接閃帶（dài）、接閃線、接閃網) 、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入大地。內部防（fáng）雷主要由（yóu）屏蔽、等電位、過電（diàn）壓保護和安全距離（lí）等組成，其作用是均衡係統電位，限製過電壓幅值。“雲端智慧閘控係統”不但設計有上述避雷設施，同時采用了避雷隔離技術、電子信號避雷技術等多種先進的（de）避雷技（jì）術，對係統進行防護。
4. 3 寬溫設計
水利設施多設在野外（wài），晝夜、冬夏溫差較大，為保證（zhèng）設備長期穩定運行。“雲端智（zhì）慧閘控（kòng）係統”采用優於工業級標準的元器件搭建，工作溫度範圍可達（dá）－10℃ ～60℃，是可以在*端條件下使用的（de）工業級設備，確保每台設備在惡劣環境下使用都安穩可靠，並保證工業通信（xìn）的穩定傳輸。
5 結語（yǔ）
東風渠灌區內省管幹渠大多數渠道（dào）已經（jīng）完成了續建配套與（yǔ）節水改造工程（chéng），渠道的防滲以及過（guò）流（liú）能力大大提高，眼下應該是通過精細化管理來節水的有（yǒu）利（lì）時機，但是由於灌區內農（nóng）業的主要耕作方式還是以農戶為主（zhǔ），支、鬥、農、毛渠的規劃混亂，導致在幹渠上（shàng）分水洞眾多，管理上（shàng）要麵對每家（jiā）每戶，並且不（bú）能（néng）計量用水，這給灌區節水（shuǐ）管理帶來很（hěn）大困難。做為灌區管理單位來說，分水洞的管理（lǐ）能夠（gòu）智能化，渠道管理難度*大（dà）的問題就解決了（le），“節水優先”的管理方式才能實現。
東風渠灌區渠道分（fèn）水洞總計 1053 個，分水洞都無計量用水設施。為了加快東（dōng）風渠灌區計量用水（shuǐ）、節水的步伐，我處在東風渠東（dōng）幹渠上試（shì）點建成了過熱蒸汽流量計，該過熱蒸汽流量計是由四川省都江堰東風渠管（guǎn）理處、四川省水利科學研究院以及四川信德建設有限公司水工設備製造（zào）廠聯合研製。分水洞設計流量（liàng） Q ＜ 1m3 /s，管（guǎn）徑在 300mm～ 600mm 之間，分水洞集精（jīng）確的流（liú）量（liàng）計量、高（gāo）精度過熱蒸汽流量（liàng）計控製、全太陽能（néng）驅動和無線通（tōng）訊功能於一體（tǐ），讀（dú）數直觀，一體化板閘按照所設定的閘位或者按灌（guàn）溉需求，通過改變過熱蒸汽流量計開度來自動控製流量。一體化測控智能過熱蒸汽流量計具有（yǒu）操控方便，可遠程實時在線操（cāo）作和監（jiān）控，接口標準化，可實現（xiàn）自（zì）動化、智能化等特點，正（zhèng）是（shì）現代（dài）水利發展的必然方向。
1 過熱蒸汽流量計的結構設（shè）計（jì）
1. 1 分水洞的結構
分水洞采用了一種封閉式啟閉閘集（jí）成閘井預製件，包（bāo）括頂（dǐng）節（jiē）、標準（zhǔn）節和底座。與傳統現場澆築的方式相比，集成（chéng）閘井（jǐng）采用防水設計，並且安裝（zhuāng）更加（jiā）方便快（kuài）捷，很大程度上提高了安裝效（xiào）率，節約成本。采用事（shì）先預製好的啟閉閘支座、啟閉機機座，保證了設備的安裝精度，提（tí）高了設備運行的穩定性，減少了設備的後期（qī）維護。分水洞結構除了（le）預製混凝土外，還可考慮采用玻璃鋼或工（gōng）程塑料整體（tǐ）製作，用標準節調節（jiē）高度。分水洞結構設計（jì）見圖 1。
1. 2 全封閉式啟閉閘（zhá）
包括進水管、直（zhí）管、出水管、過熱蒸汽流量計組和啟（qǐ）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（chū）水管之間且位於出水管的入口處，過熱蒸汽流量計組通過聯結杆與啟閉機組的（de）輸出端連接。為防止泥沙（shā）淤積（jī）影響啟閉，過（guò）熱蒸（zhēng）汽流量計采用閘板式啟閉結構。密（mì）封式啟閉閘為整體封閉管道式，全部采用不鏽鋼材料，水流通過管道流出讓整個閘（zhá）井內幹燥無水。伸縮套管與（yǔ）波紋管的設（shè）計讓檢修與（yǔ）清理淤泥更加（jiā）方便。過熱蒸汽流量計裝有荷載限製器，其布置受（shòu）力明確、結（jié）構（gòu）緊湊、動作可靠（kào）。當吊具上的荷載達到額定值的 110%時，或電機電流超過額定電流 150%時，係統自動切（qiē）斷操作電（diàn）源以保護設備（bèi）安全。
2 計量儀（yí）器的輕量化設計
在東風渠東幹渠試點的流量儀選（xuǎn）用（yòng）的是一體式 MGG－KL 型電磁流（liú）量儀，分別有（yǒu）滿管和（hé）非滿管兩種（zhǒng）類型（xíng）。由於東幹渠渠道深度大多在（zài） 2m 以 上，且分水洞進口管徑大都在 30cm ～ 50cm 之間，基本能（néng）滿足流量儀上（shàng）下（xià）遊直管段 5D 和 3D，這種情況（kuàng）就選用的是安裝在全封閉式啟閉閘閘（zhá）前的滿管流（liú）電磁流量儀。有（yǒu）些渠段還滿足不了直管段要求，就選（xuǎn）用了安裝在全封閉式啟閉閘閘（zhá）後的非滿管流流量儀（yí）。
2. 1 測量原理
電磁流量計是根據電磁感應的原理來測量（liàng）導電介質的。在管道直徑確定並維持磁場強度不變的情況下，感應電勢的大小與體積流量具有一定的（de）線性關係，把此感應電勢引出、放大，就能由儀表顯（xiǎn）示介質流量。
2. 2 特點
(1) 優（yōu）點。測量管與工藝管的口徑可以相同，管內無測量元件，無壓力損失，並可（kě）以測量含有顆粒、懸浮（fú）物的介質; 輸出信號不受介質的物理性質影響，輸出信號（hào）與流量大小具有（yǒu）很好的線（xiàn）性關係; 測量範圍寬（kuān），流量比達（dá）1 ∶ 100。
(2) 缺點。管道承壓及襯裏性質（zhì）影響其使用範圍，一般壓力（lì）不超過 4MPa，溫度不超過 150℃ ;流速應大於 50cm /s。
3 全自動計量管理設（shè）計
3. 1 雲（yún）端智慧測控過熱（rè）蒸汽流量計（jì）
過熱蒸汽流量（liàng）計是集精確的水位采（cǎi）集、流量計量、高精度過熱（rè）蒸汽（qì）流（liú）量計控製、全太陽能（néng）驅動( 選配) 和無線（xiàn）通訊功能於一體的自動化灌溉設備（bèi）。雲端智慧測控過熱蒸（zhēng）汽流量計按（àn）照所設定的閘位或者（zhě）按運管單位需求，具（jù）備手動控製模式、自動開度控製模式、自動恒定流量控製模（mó）式、自動恒定閘前水位控製（zhì）模式以（yǐ）及自動恒定閘後水位控製模式。配備有本地 LCD 顯示屏，能夠讓用戶控製和查看配水（shuǐ）口的瞬時流量和當前輸水流量以及灌溉總流量。
3. 2 高精度的過熱（rè）蒸汽流量計控製
過熱蒸汽流量計裝有一套開度指示及位置控製裝置，在電（diàn）動機不工作的（de）情況下，能跟蹤過熱蒸汽流量計的位（wèi）置。開度指示在現地電控櫃( 或手操器) 以數字直接顯示過（guò）熱蒸汽流（liú）量（liàng）計開度，讀數精度（dù）為 0．01mm。開度控製設備除具備對上、下*限位置控製進行（háng）保護外，還有位置開（kāi）度預置的功能。
3. 2. 1 微功（gōng）耗設計
為滿足水利野外光伏供電部署（shǔ）需求，係統采用微（wēi）功耗設計，*低待機功耗≤4. 8W，可有效支（zhī）撐野外部署（shǔ），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（fèn）水洞（dòng）存在鏽（xiù）蝕（shí）及淤積現象，係統設置有自（zì）清潔自維護功能，根據現（xiàn）場情況自動判斷，定期小幅度啟閉過熱蒸汽流量計，或反複按一定策略運行過熱蒸汽（qì）流量計，有效地防（fáng）止鏽蝕及（jí）淤積現象。
3. 2. 3 遠程管理
通過雲端平台實時遠（yuǎn）程管理野外設備，能夠加強維護、降（jiàng）低成本並強化渠係（xì）控製。一套（tào）全麵的遠程監控工具及先進的報警係統可改變原有（yǒu）的運作模式，管理人員無需到（dào）達現場即可根據軟件提供的詳細（xì）實時（shí）信（xìn）息，對出現（xiàn）的問題做出快速回應。用戶可以通（tōng）過互聯網管理野外裝置，隻需（xū）要配備網絡瀏（liú）覽器和移動通訊網（wǎng）絡接口即可。相對傳統的 SCADA 係統來說，這一（yī）方案成本低且（qiě）配置快。操作人員可通過台式電腦、手機、平板（bǎn）、短 信、電子郵（yóu）件或微信公眾號實現警報通（tōng）知、確認及緊急警報升級。
4 運行保障
多年來水利設（shè）施惡劣的工況一直是製約水利信息化建設的絆腳石。許多先進的工業級設備在水利上並不能可靠地應用（yòng），究其原因，主要歸結（jié）為三個因素: ①潮濕的環境; ②雷擊災害; ③*端的（de）溫（wēn）度指標。“雲端智慧閘控係統”根據多年的水（shuǐ）利行（háng）業應用經驗，對上述因素進行反複的器件篩（shāi）選（xuǎn）和工藝改進，使得係統能夠很（hěn）好地適應水利（lì）行業的苛刻要求（qiú）。
4. 1 防潮技術
濕氣是對 PCB 電路板*普遍、*具破壞（huài）性的主要（yào）因素。“雲（yún）端（duān）智慧閘控係統”采用浸潤工藝在（zài）印刷電路板及零（líng）組件塗覆丙烯酸基質保護層，有效地隔離並可保護電（diàn）路免遭潮濕和其它汙物的侵蝕，從而提高線路板的可靠（kào）性，增加其安全係數，並保（bǎo）證其使（shǐ）用壽命。
4. 2 防雷技術
水利設（shè）施的防雷（léi）是一項係統工程，包含外部防雷和內（nèi）部防雷兩個方麵。外部防雷（léi）是對（duì）直擊雷（léi）的防護，由接閃器( 接閃杆、接閃帶（dài）、接閃線、接閃網) 、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入大地。內部防（fáng）雷主要由（yóu）屏蔽、等電位、過電（diàn）壓保護和安全距離（lí）等組成，其作用是均衡係統電位，限製過電壓幅值。“雲端智慧閘控係統”不但設計有上述避雷設施，同時采用了避雷隔離技術、電子信號避雷技術等多種先進的（de）避雷技（jì）術，對係統進行防護。
4. 3 寬溫設計
水利設施多設在野外（wài），晝夜、冬夏溫差較大，為保證（zhèng）設備長期穩定運行。“雲端智（zhì）慧閘控（kòng）係統”采用優於工業級標準的元器件搭建，工作溫度範圍可達（dá）－10℃ ～60℃，是可以在*端條件下使用的（de）工業級設備，確保每台設備在惡劣環境下使用都安穩可靠，並保證工業通信（xìn）的穩定傳輸。
5 結語（yǔ）
東風渠灌區內省管幹渠大多數渠道（dào）已經（jīng）完成了續建配套與（yǔ）節水改造工程（chéng），渠道的防滲以及過（guò）流（liú）能力大大提高，眼下應該是通過精細化管理來節水的有（yǒu）利（lì）時機，但是由於灌區內農（nóng）業的主要耕作方式還是以農戶為主（zhǔ），支、鬥、農、毛渠的規劃混亂，導致在幹渠上（shàng）分水洞眾多，管理上（shàng）要麵對每家（jiā）每戶，並且不（bú）能（néng）計量用水，這給灌區節水（shuǐ）管理帶來很（hěn）大困難。做為灌區管理單位來說，分水洞的管理（lǐ）能夠（gòu）智能化，渠道管理難度*大（dà）的問題就解決了（le），“節水優先”的管理方式才能實現。