分析过热蒸汽流量计设计及其在渠道节水中的应用
点击次数：2195 发布时间：2021-01-07 15:20:56
【摘 要】随着水资源的日益紧张，对灌区用水进行有效地控制和精确地量测变得尤为重要，但由于缺少量测水设施，我国大多数灌区仍采用按灌溉面积收费的形式，这不仅助长了水量浪费，而且也易导致管理单位和用水户之间的矛盾，给水费计收带来困难。由于分水洞在灌区灌溉和渠道节水中又占了较大比重，分布广，管理难度很大，因此，分水洞的计量精度和自动化管理在渠道节水中的作用至关重要。
东风渠灌区渠道分水洞总计 1053 个，分水洞都无计量用水设施。为了加快东风渠灌区计量用水、节水的步伐，我处在东风渠东干渠上试点建成了过热蒸汽流量计，该过热蒸汽流量计是由四川省都江堰东风渠管理处、四川省水利科学研究院以及四川信德建设有限公司水工设备制造厂联合研制。分水洞设计流量 Q ＜ 1m3 /s，管径在 300mm～ 600mm 之间，分水洞集精确的流量计量、高精度过热蒸汽流量计控制、全太阳能驱动和无线通讯功能于一体，读数直观，一体化板闸按照所设定的闸位或者按灌溉需求，通过改变过热蒸汽流量计开度来自动控制流量。一体化测控智能过热蒸汽流量计具有操控方便，可远程实时在线操作和监控，接口标准化，可实现自动化、智能化等特点，正是现代水利发展的必然方向。
1 过热蒸汽流量计的结构设计
1. 1 分水洞的结构
分水洞采用了一种封闭式启闭闸集成闸井预制件，包括顶节、标准节和底座。与传统现场浇筑的方式相比，集成闸井采用防水设计，并且安装更加方便快捷，很大程度上提高了安装效率，节约成本。采用事先预制好的启闭闸支座、启闭机机座，保证了设备的安装精度，提高了设备运行的稳定性，减少了设备的后期维护。分水洞结构除了预制混凝土外，还可考虑采用玻璃钢或工程塑料整体制作，用标准节调节高度。分水洞结构设计见图 1。
1. 2 全封闭式启闭闸
包括进水管、直管、出水管、过热蒸汽流量计组和启闭机组，进水管、直管、出水管从左到右依次连接，过热蒸汽流量计组安装在直管和出水管之间且位于出水管的入口处，过热蒸汽流量计组通过联结杆与启闭机组的输出端连接。为防止泥沙淤积影响启闭，过热蒸汽流量计采用闸板式启闭结构。密封式启闭闸为整体封闭管道式，全部采用不锈钢材料，水流通过管道流出让整个闸井内干燥无水。伸缩套管与波纹管的设计让检修与清理淤泥更加方便。过热蒸汽流量计装有荷载限制器，其布置受力明确、结构紧凑、动作可靠。当吊具上的荷载达到额定值的 110%时，或电机电流超过额定电流 150%时，系统自动切断操作电源以保护设备安全。
2 计量仪器的轻量化设计
在东风渠东干渠试点的流量仪选用的是一体式 MGG－KL 型电磁流量仪，分别有满管和非满管两种类型。由于东干渠渠道深度大多在 2m 以 上，且分水洞进口管径大都在 30cm ～ 50cm 之间，基本能满足流量仪上下游直管段 5D 和 3D，这种情况就选用的是安装在全封闭式启闭闸闸前的满管流电磁流量仪。有些渠段还满足不了直管段要求，就选用了安装在全封闭式启闭闸闸后的非满管流流量仪。
2. 1 测量原理
电磁流量计是根据电磁感应的原理来测量导电介质的。在管道直径确定并维持磁场强度不变的情况下，感应电势的大小与体积流量具有一定的线性关系，把此感应电势引出、放大，就能由仪表显示介质流量。
2. 2 特点
(1) 优点。测量管与工艺管的口径可以相同，管内无测量元件，无压力损失，并可以测量含有颗粒、悬浮物的介质; 输出信号不受介质的物理性质影响，输出信号与流量大小具有很好的线性关系; 测量范围宽，流量比达1 ∶ 100。
(2) 缺点。管道承压及衬里性质影响其使用范围，一般压力不超过 4MPa，温度不超过 150℃ ;流速应大于 50cm /s。
3 全自动计量管理设计
3. 1 云端智慧测控过热蒸汽流量计
过热蒸汽流量计是集精确的水位采集、流量计量、高精度过热蒸汽流量计控制、全太阳能驱动( 选配) 和无线通讯功能于一体的自动化灌溉设备。云端智慧测控过热蒸汽流量计按照所设定的闸位或者按运管单位需求，具备手动控制模式、自动开度控制模式、自动恒定流量控制模式、自动恒定闸前水位控制模式以及自动恒定闸后水位控制模式。配备有本地 LCD 显示屏，能够让用户控制和查看配水口的瞬时流量和当前输水流量以及灌溉总流量。
3. 2 高精度的过热蒸汽流量计控制
过热蒸汽流量计装有一套开度指示及位置控制装置，在电动机不工作的情况下，能跟踪过热蒸汽流量计的位置。开度指示在现地电控柜( 或手操器) 以数字直接显示过热蒸汽流量计开度，读数精度为 0．01mm。开度控制设备除具备对上、下*限位置控制进行保护外，还有位置开度预置的功能。
3. 2. 1 微功耗设计
为满足水利野外光伏供电部署需求，系统采用微功耗设计，*低待机功耗≤4. 8W，可有效支撑野外部署，不同季节、不同日照地区都能稳定运行。
3. 2. 2 自清洁自维护功能
针对现有水利分水洞存在锈蚀及淤积现象，系统设置有自清洁自维护功能，根据现场情况自动判断，定期小幅度启闭过热蒸汽流量计，或反复按一定策略运行过热蒸汽流量计，有效地防止锈蚀及淤积现象。
3. 2. 3 远程管理
通过云端平台实时远程管理野外设备，能够加强维护、降低成本并强化渠系控制。一套全面的远程监控工具及先进的报警系统可改变原有的运作模式，管理人员无需到达现场即可根据软件提供的详细实时信息，对出现的问题做出快速回应。用户可以通过互联网管理野外装置，只需要配备网络浏览器和移动通讯网络接口即可。相对传统的 SCADA 系统来说，这一方案成本低且配置快。操作人员可通过台式电脑、手机、平板、短 信、电子邮件或微信公众号实现警报通知、确认及紧急警报升级。
4 运行保障
多年来水利设施恶劣的工况一直是制约水利信息化建设的绊脚石。许多先进的工业级设备在水利上并不能可靠地应用，究其原因，主要归结为三个因素: ①潮湿的环境; ②雷击灾害; ③*端的温度指标。“云端智慧闸控系统”根据多年的水利行业应用经验，对上述因素进行反复的器件筛选和工艺改进，使得系统能够很好地适应水利行业的苛刻要求。
4. 1 防潮技术
湿气是对 PCB 电路板*普遍、*具破坏性的主要因素。“云端智慧闸控系统”采用浸润工艺在印刷电路板及零组件涂覆丙烯酸基质保护层，有效地隔离并可保护电路免遭潮湿和其它污物的侵蚀，从而提高线路板的可靠性，增加其安全系数，并保证其使用寿命。
4. 2 防雷技术
水利设施的防雷是一项系统工程，包含外部防雷和内部防雷两个方面。外部防雷是对直击雷的防护，由接闪器( 接闪杆、接闪带、接闪线、接闪网) 、引下线、接地体等组成，作用是接闪、泄放雷电流，通过该措施可将绝大部分雷电能量直接导入大地。内部防雷主要由屏蔽、等电位、过电压保护和安全距离等组成，其作用是均衡系统电位，限制过电压幅值。“云端智慧闸控系统”不但设计有上述避雷设施，同时采用了避雷隔离技术、电子信号避雷技术等多种先进的避雷技术，对系统进行防护。
4. 3 宽温设计
水利设施多设在野外，昼夜、冬夏温差较大，为保证设备长期稳定运行。“云端智慧闸控系统”采用优于工业级标准的元器件搭建，工作温度范围可达－10℃ ～60℃，是可以在*端条件下使用的工业级设备，确保每台设备在恶劣环境下使用都安稳可靠，并保证工业通信的稳定传输。
5 结语
东风渠灌区内省管干渠大多数渠道已经完成了续建配套与节水改造工程，渠道的防渗以及过流能力大大提高，眼下应该是通过精细化管理来节水的有利时机，但是由于灌区内农业的主要耕作方式还是以农户为主，支、斗、农、毛渠的规划混乱，导致在干渠上分水洞众多，管理上要面对每家每户，并且不能计量用水，这给灌区节水管理带来很大困难。做为灌区管理单位来说，分水洞的管理能够智能化，渠道管理难度*大的问题就解决了，“节水优先”的管理方式才能实现。
东风渠灌区渠道分水洞总计 1053 个，分水洞都无计量用水设施。为了加快东风渠灌区计量用水、节水的步伐，我处在东风渠东干渠上试点建成了过热蒸汽流量计，该过热蒸汽流量计是由四川省都江堰东风渠管理处、四川省水利科学研究院以及四川信德建设有限公司水工设备制造厂联合研制。分水洞设计流量 Q ＜ 1m3 /s，管径在 300mm～ 600mm 之间，分水洞集精确的流量计量、高精度过热蒸汽流量计控制、全太阳能驱动和无线通讯功能于一体，读数直观，一体化板闸按照所设定的闸位或者按灌溉需求，通过改变过热蒸汽流量计开度来自动控制流量。一体化测控智能过热蒸汽流量计具有操控方便，可远程实时在线操作和监控，接口标准化，可实现自动化、智能化等特点，正是现代水利发展的必然方向。
1 过热蒸汽流量计的结构设计
1. 1 分水洞的结构
分水洞采用了一种封闭式启闭闸集成闸井预制件，包括顶节、标准节和底座。与传统现场浇筑的方式相比，集成闸井采用防水设计，并且安装更加方便快捷，很大程度上提高了安装效率，节约成本。采用事先预制好的启闭闸支座、启闭机机座，保证了设备的安装精度，提高了设备运行的稳定性，减少了设备的后期维护。分水洞结构除了预制混凝土外，还可考虑采用玻璃钢或工程塑料整体制作，用标准节调节高度。分水洞结构设计见图 1。
1. 2 全封闭式启闭闸
包括进水管、直管、出水管、过热蒸汽流量计组和启闭机组，进水管、直管、出水管从左到右依次连接，过热蒸汽流量计组安装在直管和出水管之间且位于出水管的入口处，过热蒸汽流量计组通过联结杆与启闭机组的输出端连接。为防止泥沙淤积影响启闭，过热蒸汽流量计采用闸板式启闭结构。密封式启闭闸为整体封闭管道式，全部采用不锈钢材料，水流通过管道流出让整个闸井内干燥无水。伸缩套管与波纹管的设计让检修与清理淤泥更加方便。过热蒸汽流量计装有荷载限制器，其布置受力明确、结构紧凑、动作可靠。当吊具上的荷载达到额定值的 110%时，或电机电流超过额定电流 150%时，系统自动切断操作电源以保护设备安全。
2 计量仪器的轻量化设计
在东风渠东干渠试点的流量仪选用的是一体式 MGG－KL 型电磁流量仪，分别有满管和非满管两种类型。由于东干渠渠道深度大多在 2m 以 上，且分水洞进口管径大都在 30cm ～ 50cm 之间，基本能满足流量仪上下游直管段 5D 和 3D，这种情况就选用的是安装在全封闭式启闭闸闸前的满管流电磁流量仪。有些渠段还满足不了直管段要求，就选用了安装在全封闭式启闭闸闸后的非满管流流量仪。
2. 1 测量原理
电磁流量计是根据电磁感应的原理来测量导电介质的。在管道直径确定并维持磁场强度不变的情况下，感应电势的大小与体积流量具有一定的线性关系，把此感应电势引出、放大，就能由仪表显示介质流量。
2. 2 特点
(1) 优点。测量管与工艺管的口径可以相同，管内无测量元件，无压力损失，并可以测量含有颗粒、悬浮物的介质; 输出信号不受介质的物理性质影响，输出信号与流量大小具有很好的线性关系; 测量范围宽，流量比达1 ∶ 100。
(2) 缺点。管道承压及衬里性质影响其使用范围，一般压力不超过 4MPa，温度不超过 150℃ ;流速应大于 50cm /s。
3 全自动计量管理设计
3. 1 云端智慧测控过热蒸汽流量计
过热蒸汽流量计是集精确的水位采集、流量计量、高精度过热蒸汽流量计控制、全太阳能驱动( 选配) 和无线通讯功能于一体的自动化灌溉设备。云端智慧测控过热蒸汽流量计按照所设定的闸位或者按运管单位需求，具备手动控制模式、自动开度控制模式、自动恒定流量控制模式、自动恒定闸前水位控制模式以及自动恒定闸后水位控制模式。配备有本地 LCD 显示屏，能够让用户控制和查看配水口的瞬时流量和当前输水流量以及灌溉总流量。
3. 2 高精度的过热蒸汽流量计控制
过热蒸汽流量计装有一套开度指示及位置控制装置，在电动机不工作的情况下，能跟踪过热蒸汽流量计的位置。开度指示在现地电控柜( 或手操器) 以数字直接显示过热蒸汽流量计开度，读数精度为 0．01mm。开度控制设备除具备对上、下*限位置控制进行保护外，还有位置开度预置的功能。
3. 2. 1 微功耗设计
为满足水利野外光伏供电部署需求，系统采用微功耗设计，*低待机功耗≤4. 8W，可有效支撑野外部署，不同季节、不同日照地区都能稳定运行。
3. 2. 2 自清洁自维护功能
针对现有水利分水洞存在锈蚀及淤积现象，系统设置有自清洁自维护功能，根据现场情况自动判断，定期小幅度启闭过热蒸汽流量计，或反复按一定策略运行过热蒸汽流量计，有效地防止锈蚀及淤积现象。
3. 2. 3 远程管理
通过云端平台实时远程管理野外设备，能够加强维护、降低成本并强化渠系控制。一套全面的远程监控工具及先进的报警系统可改变原有的运作模式，管理人员无需到达现场即可根据软件提供的详细实时信息，对出现的问题做出快速回应。用户可以通过互联网管理野外装置，只需要配备网络浏览器和移动通讯网络接口即可。相对传统的 SCADA 系统来说，这一方案成本低且配置快。操作人员可通过台式电脑、手机、平板、短 信、电子邮件或微信公众号实现警报通知、确认及紧急警报升级。
4 运行保障
多年来水利设施恶劣的工况一直是制约水利信息化建设的绊脚石。许多先进的工业级设备在水利上并不能可靠地应用，究其原因，主要归结为三个因素: ①潮湿的环境; ②雷击灾害; ③*端的温度指标。“云端智慧闸控系统”根据多年的水利行业应用经验，对上述因素进行反复的器件筛选和工艺改进，使得系统能够很好地适应水利行业的苛刻要求。
4. 1 防潮技术
湿气是对 PCB 电路板*普遍、*具破坏性的主要因素。“云端智慧闸控系统”采用浸润工艺在印刷电路板及零组件涂覆丙烯酸基质保护层，有效地隔离并可保护电路免遭潮湿和其它污物的侵蚀，从而提高线路板的可靠性，增加其安全系数，并保证其使用寿命。
4. 2 防雷技术
水利设施的防雷是一项系统工程，包含外部防雷和内部防雷两个方面。外部防雷是对直击雷的防护，由接闪器( 接闪杆、接闪带、接闪线、接闪网) 、引下线、接地体等组成，作用是接闪、泄放雷电流，通过该措施可将绝大部分雷电能量直接导入大地。内部防雷主要由屏蔽、等电位、过电压保护和安全距离等组成，其作用是均衡系统电位，限制过电压幅值。“云端智慧闸控系统”不但设计有上述避雷设施，同时采用了避雷隔离技术、电子信号避雷技术等多种先进的避雷技术，对系统进行防护。
4. 3 宽温设计
水利设施多设在野外，昼夜、冬夏温差较大，为保证设备长期稳定运行。“云端智慧闸控系统”采用优于工业级标准的元器件搭建，工作温度范围可达－10℃ ～60℃，是可以在*端条件下使用的工业级设备，确保每台设备在恶劣环境下使用都安稳可靠，并保证工业通信的稳定传输。
5 结语
东风渠灌区内省管干渠大多数渠道已经完成了续建配套与节水改造工程，渠道的防渗以及过流能力大大提高，眼下应该是通过精细化管理来节水的有利时机，但是由于灌区内农业的主要耕作方式还是以农户为主，支、斗、农、毛渠的规划混乱，导致在干渠上分水洞众多，管理上要面对每家每户，并且不能计量用水，这给灌区节水管理带来很大困难。做为灌区管理单位来说，分水洞的管理能够智能化，渠道管理难度*大的问题就解决了，“节水优先”的管理方式才能实现。