分析一氧化碳流量計設計及其在渠道節水中的應用
點擊次數：2571 發布時間：2021-01-08 07:16:42
【摘 要】隨著水資源的日益緊張，對灌區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化管理在渠道節水中的作用至關重要。
東風渠灌區渠道分水洞總計 1053 個，分水洞都無計量用水設施。為了加快東風渠灌區計量用水、節水的步伐，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有限公司水工設備制造廠聯合研制。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、全太陽能驅動和無線通訊功能于一體，讀數直觀，一體化板閘按照所設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控，接口標準化，可實現自動化、智能化等特點，正是現代水利發展的必然方向。
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，水流通過管道流出讓整個閘井內干燥無水。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、動作可靠。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，系統自動切斷操作電源以保護設備安全。
2 計量儀器的輕量化設計
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
電磁流量計是根據電磁感應的原理來測量導電介質的。在管道直徑確定并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線性關系，把此感應電勢引出、放大，就能由儀表顯示介質流量。
2. 2 特點
(1) 優點。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，并可以測量含有顆粒、懸浮物的介質; 輸出信號不受介質的物理性質影響，輸出信號與流量大小具有很好的線性關系; 測量范圍寬，流量比達1 ∶ 100。
(2) 缺點。管道承壓及襯里性質影響其使用范圍，一般壓力不超過 4MPa，溫度不超過 150℃ ;流速應大于 50cm /s。
3 全自動計量管理設計
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、全太陽能驅動( 選配) 和無線通訊功能于一體的自動化灌溉設備。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。開度指示在現地電控柜( 或手操器) 以數字直接顯示一氧化碳流量計開度，讀數精度為 0．01mm。開度控制設備除具備對上、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 微功耗設計
為滿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象。
3. 2. 3 遠程管理
通過云端平臺實時遠程管理野外設備，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的報警系統可改變原有的運作模式，管理人員無需到達現場即可根據軟件提供的詳細實時信息，對出現的問題做出快速回應。用戶可以通過互聯網管理野外裝置，只需要配備網絡瀏覽器和移動通訊網絡接口即可。相對傳統的 SCADA 系統來說，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警報通知、確認及緊急警報升級。
4 運行保障
多年來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。許多先進的工業級設備在水利上并不能可靠地應用，究其原因，主要歸結為三個因素: ①潮濕的環境; ②雷擊災害; ③極端的溫度指標。“云端智慧閘控系統”根據多年的水利行業應用經驗，對上述因素進行反復的器件篩選和工藝改進，使得系統能夠很好地適應水利行業的苛刻要求。
4. 1 防潮技術
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，并保證其使用壽命。
4. 2 防雷技術
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) 、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，其作用是均衡系統電位，限制過電壓幅值。“云端智慧閘控系統”不但設計有上述避雷設施，同時采用了避雷隔離技術、電子信號避雷技術等多種先進的避雷技術，對系統進行防護。
4. 3 寬溫設計
水利設施多設在野外，晝夜、冬夏溫差較大，為保證設備長期穩定運行。“云端智慧閘控系統”采用優于工業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級設備，確保每臺設備在惡劣環境下使用都安穩可靠，并保證工業通信的穩定傳輸。
5 結語
東風渠灌區內省管干渠大多數渠道已經完成了續建配套與節水改造工程，渠道的防滲以及過流能力大大提高，眼下應該是通過精細化管理來節水的有利時機，但是由于灌區內農業的主要耕作方式還是以農戶為主，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，并且不能計量用水，這給灌區節水管理帶來很大困難。做為灌區管理單位來說，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，“節水優先”的管理方式才能實現。
東風渠灌區渠道分水洞總計 1053 個，分水洞都無計量用水設施。為了加快東風渠灌區計量用水、節水的步伐，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有限公司水工設備制造廠聯合研制。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、全太陽能驅動和無線通訊功能于一體，讀數直觀，一體化板閘按照所設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控，接口標準化，可實現自動化、智能化等特點，正是現代水利發展的必然方向。
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，水流通過管道流出讓整個閘井內干燥無水。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、動作可靠。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，系統自動切斷操作電源以保護設備安全。
2 計量儀器的輕量化設計
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
電磁流量計是根據電磁感應的原理來測量導電介質的。在管道直徑確定并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線性關系，把此感應電勢引出、放大，就能由儀表顯示介質流量。
2. 2 特點
(1) 優點。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，并可以測量含有顆粒、懸浮物的介質; 輸出信號不受介質的物理性質影響，輸出信號與流量大小具有很好的線性關系; 測量范圍寬，流量比達1 ∶ 100。
(2) 缺點。管道承壓及襯里性質影響其使用范圍，一般壓力不超過 4MPa，溫度不超過 150℃ ;流速應大于 50cm /s。
3 全自動計量管理設計
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、全太陽能驅動( 選配) 和無線通訊功能于一體的自動化灌溉設備。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。開度指示在現地電控柜( 或手操器) 以數字直接顯示一氧化碳流量計開度，讀數精度為 0．01mm。開度控制設備除具備對上、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 微功耗設計
為滿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象。
3. 2. 3 遠程管理
通過云端平臺實時遠程管理野外設備，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的報警系統可改變原有的運作模式，管理人員無需到達現場即可根據軟件提供的詳細實時信息，對出現的問題做出快速回應。用戶可以通過互聯網管理野外裝置，只需要配備網絡瀏覽器和移動通訊網絡接口即可。相對傳統的 SCADA 系統來說，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警報通知、確認及緊急警報升級。
4 運行保障
多年來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。許多先進的工業級設備在水利上并不能可靠地應用，究其原因，主要歸結為三個因素: ①潮濕的環境; ②雷擊災害; ③極端的溫度指標。“云端智慧閘控系統”根據多年的水利行業應用經驗，對上述因素進行反復的器件篩選和工藝改進，使得系統能夠很好地適應水利行業的苛刻要求。
4. 1 防潮技術
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，并保證其使用壽命。
4. 2 防雷技術
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) 、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，其作用是均衡系統電位，限制過電壓幅值。“云端智慧閘控系統”不但設計有上述避雷設施，同時采用了避雷隔離技術、電子信號避雷技術等多種先進的避雷技術，對系統進行防護。
4. 3 寬溫設計
水利設施多設在野外，晝夜、冬夏溫差較大，為保證設備長期穩定運行。“云端智慧閘控系統”采用優于工業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級設備，確保每臺設備在惡劣環境下使用都安穩可靠，并保證工業通信的穩定傳輸。
5 結語
東風渠灌區內省管干渠大多數渠道已經完成了續建配套與節水改造工程，渠道的防滲以及過流能力大大提高，眼下應該是通過精細化管理來節水的有利時機，但是由于灌區內農業的主要耕作方式還是以農戶為主，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，并且不能計量用水，這給灌區節水管理帶來很大困難。做為灌區管理單位來說，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，“節水優先”的管理方式才能實現。