分析一氧化碳流量計設(shè)計及其在渠道節(jié)水中的應(yīng)用
點擊次數(shù)：2506 發(fā)布時間：2021-01-08 07:16:42
【摘 要】隨著水資源的日益緊張，對灌區(qū)用水進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(shè)施，我國大多數(shù)灌區(qū)仍采用按灌溉面積收費的形式，這不僅助長了水量浪費，而且也易導致管理單位和用水戶之間的矛盾，給水費計收帶來困難。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，分水洞的計量精度和自動化管理在渠道節(jié)水中的作用至關(guān)重要。
東風渠灌區(qū)渠道分水洞總計 1053 個，分水洞都無計量用水設(shè)施。為了加快東風渠灌區(qū)計量用水、節(jié)水的步伐，我處在東風渠東干渠上試點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渠管理處、四川省水利科學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、全太陽能驅(qū)動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，通過改變一氧化碳流量計開度來自動控制流量。一體化測控智能一氧化碳流量計具有操控方便，可遠程實時在線操作和監(jiān)控，接口標準化，可實現(xiàn)自動化、智能化等特點，正是現(xiàn)代水利發(fā)展的必然方向。
1 一氧化碳流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計
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制件，包括頂節(jié)、標準節(jié)和底座。與傳統(tǒng)現(xiàn)場澆筑的方式相比，集成閘井采用防水設(shè)計，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。采用事先預制好的啟閉閘支座、啟閉機機座，保證了設(shè)備的安裝精度，提高了設(shè)備運行的穩(wěn)定性，減少了設(shè)備的后期維護。分水洞結(jié)構(gòu)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(jié)調(diào)節(jié)高度。分水洞結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖 1。
1. 2 全封閉式啟閉閘
包括進水管、直管、出水管、一氧化碳流量計組和啟閉機組，進水管、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聯(lián)結(jié)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(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閘井內(nèi)干燥無水。伸縮套管與波紋管的設(shè)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(jié)構(gòu)緊湊、動作可靠。當?shù)蹙呱系暮奢d達到額定值的 110%時，或電機電流超過額定電流 150%時，系統(tǒng)自動切斷操作電源以保護設(shè)備安全。
2 計量儀器的輕量化設(shè)計
在東風渠東干渠試點的流量儀選用的是一體式 MGG－KL 型電磁流量儀，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，且分水洞進口管徑大都在 30cm ～ 50cm 之間，基本能滿足流量儀上下游直管段 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儀。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儀。
2. 1 測量原理
電磁流量計是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理來測量導電介質(zhì)的。在管道直徑確定并維持磁場強度不變的情況下，感應(yīng)電勢的大小與體積流量具有一定的線性關(guān)系，把此感應(yīng)電勢引出、放大，就能由儀表顯示介質(zhì)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(nèi)無測量元件，無壓力損失，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性關(guān)系; 測量范圍寬，流量比達1 ∶ 100。
(2) 缺點。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 全自動計量管理設(shè)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、全太陽能驅(qū)動( 選配) 和無線通訊功能于一體的自動化灌溉設(shè)備。云端智慧測控一氧化碳流量計按照所設(shè)定的閘位或者按運管單位需求，具備手動控制模式、自動開度控制模式、自動恒定流量控制模式、自動恒定閘前水位控制模式以及自動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度指示及位置控制裝置，在電動機不工作的情況下，能跟蹤一氧化碳流量計的位置。開度指示在現(xiàn)地電控柜( 或手操器) 以數(shù)字直接顯示一氧化碳流量計開度，讀數(shù)精度為 0．01mm。開度控制設(shè)備除具備對上、下極限位置控制進行保護外，還有位置開度預置的功能。
3. 2. 1 微功耗設(shè)計
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，*低待機功耗≤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)定運行。
3. 2. 2 自清潔自維護功能
針對現(xiàn)有水利分水洞存在銹蝕及淤積現(xiàn)象，系統(tǒng)設(shè)置有自清潔自維護功能，根據(jù)現(xiàn)場情況自動判斷，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(xiàn)象。
3. 2. 3 遠程管理
通過云端平臺實時遠程管理野外設(shè)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(jiān)控工具及先進的報警系統(tǒng)可改變原有的運作模式，管理人員無需到達現(xiàn)場即可根據(jù)軟件提供的詳細實時信息，對出現(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)瀏覽器和移動通訊網(wǎng)絡(luò)接口即可。相對傳統(tǒng)的 SCADA 系統(tǒng)來說，這一方案成本低且配置快。操作人員可通過臺式電腦、手機、平板、短 信、電子郵件或微信公眾號實現(xiàn)警報通知、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制約水利信息化建設(shè)的絆腳石。許多先進的工業(yè)級設(shè)備在水利上并不能可靠地應(yīng)用，究其原因，主要歸結(jié)為三個因素: ①潮濕的環(huán)境; ②雷擊災(zāi)害; ③極端的溫度指標。“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，對上述因素進行反復的器件篩選和工藝改進，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 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)施的防雷是一項系統(tǒng)工程，包含外部防雷和內(nèi)部防雷兩個方面。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、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入大地。內(nèi)部防雷主要由屏蔽、等電位、過電壓保護和安全距離等組成，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)計有上述避雷設(shè)施，同時采用了避雷隔離技術(shù)、電子信號避雷技術(shù)等多種先進的避雷技術(shù)，對系統(tǒng)進行防護。
4. 3 寬溫設(shè)計
水利設(shè)施多設(shè)在野外，晝夜、冬夏溫差較大，為保證設(shè)備長期穩(wěn)定運行。“云端智慧閘控系統(tǒng)”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℃，是可以在極端條件下使用的工業(yè)級設(shè)備，確保每臺設(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)該是通過精細化管理來節(jié)水的有利時機，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，導致在干渠上分水洞眾多，管理上要面對每家每戶，并且不能計量用水，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”的管理方式才能實現(xiàn)。
東風渠灌區(qū)渠道分水洞總計 1053 個，分水洞都無計量用水設(shè)施。為了加快東風渠灌區(qū)計量用水、節(jié)水的步伐，我處在東風渠東干渠上試點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渠管理處、四川省水利科學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、全太陽能驅(qū)動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，通過改變一氧化碳流量計開度來自動控制流量。一體化測控智能一氧化碳流量計具有操控方便，可遠程實時在線操作和監(jiān)控，接口標準化，可實現(xiàn)自動化、智能化等特點，正是現(xiàn)代水利發(fā)展的必然方向。
1 一氧化碳流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計
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制件，包括頂節(jié)、標準節(jié)和底座。與傳統(tǒng)現(xiàn)場澆筑的方式相比，集成閘井采用防水設(shè)計，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。采用事先預制好的啟閉閘支座、啟閉機機座，保證了設(shè)備的安裝精度，提高了設(shè)備運行的穩(wěn)定性，減少了設(shè)備的后期維護。分水洞結(jié)構(gòu)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(jié)調(diào)節(jié)高度。分水洞結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖 1。
1. 2 全封閉式啟閉閘
包括進水管、直管、出水管、一氧化碳流量計組和啟閉機組，進水管、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聯(lián)結(jié)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(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閘井內(nèi)干燥無水。伸縮套管與波紋管的設(shè)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(jié)構(gòu)緊湊、動作可靠。當?shù)蹙呱系暮奢d達到額定值的 110%時，或電機電流超過額定電流 150%時，系統(tǒng)自動切斷操作電源以保護設(shè)備安全。
2 計量儀器的輕量化設(shè)計
在東風渠東干渠試點的流量儀選用的是一體式 MGG－KL 型電磁流量儀，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，且分水洞進口管徑大都在 30cm ～ 50cm 之間，基本能滿足流量儀上下游直管段 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儀。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儀。
2. 1 測量原理
電磁流量計是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理來測量導電介質(zhì)的。在管道直徑確定并維持磁場強度不變的情況下，感應(yīng)電勢的大小與體積流量具有一定的線性關(guān)系，把此感應(yīng)電勢引出、放大，就能由儀表顯示介質(zhì)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(nèi)無測量元件，無壓力損失，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性關(guān)系; 測量范圍寬，流量比達1 ∶ 100。
(2) 缺點。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 全自動計量管理設(shè)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、全太陽能驅(qū)動( 選配) 和無線通訊功能于一體的自動化灌溉設(shè)備。云端智慧測控一氧化碳流量計按照所設(shè)定的閘位或者按運管單位需求，具備手動控制模式、自動開度控制模式、自動恒定流量控制模式、自動恒定閘前水位控制模式以及自動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度指示及位置控制裝置，在電動機不工作的情況下，能跟蹤一氧化碳流量計的位置。開度指示在現(xiàn)地電控柜( 或手操器) 以數(shù)字直接顯示一氧化碳流量計開度，讀數(shù)精度為 0．01mm。開度控制設(shè)備除具備對上、下極限位置控制進行保護外，還有位置開度預置的功能。
3. 2. 1 微功耗設(shè)計
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，*低待機功耗≤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)定運行。
3. 2. 2 自清潔自維護功能
針對現(xiàn)有水利分水洞存在銹蝕及淤積現(xiàn)象，系統(tǒng)設(shè)置有自清潔自維護功能，根據(jù)現(xiàn)場情況自動判斷，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(xiàn)象。
3. 2. 3 遠程管理
通過云端平臺實時遠程管理野外設(shè)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(jiān)控工具及先進的報警系統(tǒng)可改變原有的運作模式，管理人員無需到達現(xiàn)場即可根據(jù)軟件提供的詳細實時信息，對出現(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)瀏覽器和移動通訊網(wǎng)絡(luò)接口即可。相對傳統(tǒng)的 SCADA 系統(tǒng)來說，這一方案成本低且配置快。操作人員可通過臺式電腦、手機、平板、短 信、電子郵件或微信公眾號實現(xiàn)警報通知、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制約水利信息化建設(shè)的絆腳石。許多先進的工業(yè)級設(shè)備在水利上并不能可靠地應(yīng)用，究其原因，主要歸結(jié)為三個因素: ①潮濕的環(huán)境; ②雷擊災(zāi)害; ③極端的溫度指標。“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，對上述因素進行反復的器件篩選和工藝改進，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 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)施的防雷是一項系統(tǒng)工程，包含外部防雷和內(nèi)部防雷兩個方面。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、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入大地。內(nèi)部防雷主要由屏蔽、等電位、過電壓保護和安全距離等組成，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)計有上述避雷設(shè)施，同時采用了避雷隔離技術(shù)、電子信號避雷技術(shù)等多種先進的避雷技術(shù)，對系統(tǒng)進行防護。
4. 3 寬溫設(shè)計
水利設(shè)施多設(shè)在野外，晝夜、冬夏溫差較大，為保證設(shè)備長期穩(wěn)定運行。“云端智慧閘控系統(tǒng)”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℃，是可以在極端條件下使用的工業(yè)級設(shè)備，確保每臺設(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)該是通過精細化管理來節(jié)水的有利時機，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，導致在干渠上分水洞眾多，管理上要面對每家每戶，并且不能計量用水，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”的管理方式才能實現(xiàn)。