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电磁流量计

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针对电磁流量计两路供电的改进措施与实时监控运行的设计研析

来源:珠海水务集团有限公司作者:黄佩利 肖 云发表时间:2022-01-20 10:59:19

 【本文主要内容】:针对现有电磁流量计供电稳定性差的问题,提出了在原有供电模式的基础上加装太阳能电源作为辅助电源进行两路供电的改进措施,并加装SCADA系统对电磁流量计的供电情况、仪表运行状态及流量数据进行实时监控。实践证明,该改进措施可解决电磁流量计传统单一供电不稳定、维护不及时的问题。

 
前言
        为了弥补机械式水表固有计量特性的不足,电磁流量计被大量用于供水领域,但因无持续供电、雷击故障所带来的无法计量问题却是让许多供水企业望而止步,更是持一种否认的态度。2011年,珠海水司根据自有电磁流量计(电磁流量计口径分布在DN150~1200之间)的用电现状,努力寻找扭转电磁流量计用电困难的被动局面,为保证可持续供电等进行了一系列的探索,并最终以在原有供电模式的基础上加装太阳能电源作为辅助电源进行两路供电的模式及结合实时监控的管理方法对部分电磁流量计进行了改造。
 
1太阳能辅助电源系统的设计
1.1蓄电池容量和太阳能电池组件功率选取
1.1.1蓄电池容量计算
        该水司现用电磁流量计耗电功率在12~18W,电源转换器(负载电压为24V)、无线终端等辅助电子设备耗电功率合计12~15W,因此,系统总计功率约30W。考虑现行的电磁流量计每周巡检管理制度、可能遇上的连续阴雨天气、线路故障维修的复杂性等因素,辅助电源必须满足系统工作≥7d的要求。蓄电池容量按式(1)计算:
        BC=A×QL×NL×T0/CC(1)
 
式中BC———蓄电池容量,AH;A———安全系数,一般取1.1~1.4,本工程取1.4;QL———负载日平均耗电量,等于工作耗电功率乘以日工作小时数,W·h;NL———最长连续阴雨天数,本工程取7d;T0———温度修正系数,一般在0℃以上取1;CC———蓄电池放电深度,一般铅酸蓄电池取0.75。经计算,蓄电池容量BC≈308AH,选用4个规格为12V、150AH铅酸免维护蓄电池,以先串后并(2+2)的组合方式组成24V、300AH的蓄电池组。
 
1.1.2太阳能电池组件功率选取
电磁流量计系统总耗电功率约为30W,每天工作时间为24h,每天有日照时间5h,太阳能电池组件的实际使用功率系数取0.7,蓄电池转换效率取0.8,驱动器效率取0.8。则太阳能峰值功率计算见式(2):
Pk=P×tu/(te×ηu×ηc×ηD)(2)式中Pk———太阳能电池组件功率,W;P———用电设备功率,W;tu———每日使用时间,h;te———每日有效日照时间,h;ηu———太阳能电池方阵实际使用功率系数;ηc———蓄电池转换效率;ηD———驱动器效率。经计算,太阳能电池组件功率Pk=321.43W。
 
1.2太阳能充放电控制系统的设计
太阳能充放电控制系统作为电磁流量计电源供应的核心部件,设计具有充放电控制、市电互补、欠电压保护、瞬态过电压保护、运行电压显示、运行状态指示等多种功能。另外,为避免电压转换带来过大的损耗功率,12VDC转220VAC逆变器采用2倍于用电功率(即80W)的纯正弦波逆变控制器。根据电磁流量计使用电压的不同,其功能不同,设备的组合设计见图1、图2。
220V供电系统结构示意24V供电系统结构示意
系统中各部分功能如下:
①参数显示器:显示充电电压、逆变电压、电瓶电量等;为便于系统的日常维护,通过测量不同的模块电压,即可判断各个模块的运行参量;
②无计量累时器:用于电磁流量计在故障期间无计量计时,作为水量追收的依据;
③无线测控终端:用于在15min采集并发送1次仪表运行数据;
④电涌保护器:用于限制瞬态过电压和对电涌电流进行分流,电压保护水平Up≤1.5kV;
⑤充放电控制器:对蓄电池进行脉冲式充电、瞬态过充保护;
⑥模块状态指示灯:指示充、放电状态、蓄电池低电量等。
 
1.3电源仪表箱及基座的尺寸与要求
仪表箱定制尺寸为800mm×600mm×100mm,箱体内同时并排存放4块尺寸为349mm×167
mm×174mm的蓄电池。因各设备在运行期间产生一定的热量以及箱体长时间暴晒极易造成箱内温度
过高,为尽量减少高温影响设备运行及其寿命,根据热空气上升原理,在箱体自上而下设计一定数量的空气对流排气孔。此外,为便于抄表员、流量计技术管理员进行巡表、抄表等,在箱门上设计相应的观察窗口以及为增加防盗性能采用上下连杆天地锁。基座尺寸为800mm×700mm×300mm,露出地面高度100mm,注重基座外表的美观及统一,在基座表面贴用相同的陶瓷片。
 
1.4太阳能电池组件立杆基座的抗风设计与避雷设计
1.4.1抗风设计
        立杆水泥基座尺寸为700mm×700mm×800mm,并采用4根M12×600地脚螺栓固定立杆。为防止积水、泥土覆盖等对立杆根部造成一定的腐蚀,水泥基座上表面露出地面约50mm。由于该水司大部分电磁流量计转换器安装于市政绿化带等空旷地带,其土层疏松,水平抗力差,需因地制宜对部分基座在原设计基础上适度加大底部尺寸以增加安全性。
 
1.4.2避雷设计
为避免在雷雨天时立杆引起雷电对电磁流量计产生破坏,因此,在浇筑立杆水泥基座时应在基座底深埋接地线。根据热稳定条件,未考虑腐蚀时,接地导体的最小截面积应按式(3)要求进行计算:
S≥I×t0.5×K(3)
式中S———接地导体的最小截面积,mm2;I———流过接地导体的短路电流稳定值,A,本工程取200A;t———接地短路的等效持续时间,取断路器开断时间,漏电保护开关动作时间t≤0.1s;K———接地导体材料的热稳定系数,对于裸钢导体取70,裸铜导体取210,本工程使用裸钢。
 
经计算,接地导体的最小截面积为0.9mm2。
 
        人工接地极、接地导体采用镀锌件垂直接地。因该水司电磁流量计在安装传感器时已有良好的接地且与管件连接,该类接地可类似看成为水平接地。为了减少相邻接地的屏蔽作用(相互之间的磁场影响电流散流效果),人工垂直接地极间的距离及人工水平接地极间的距离不宜小于5m。为了减少外界温度和温度变化对流散电阻的影响,人工接地极在土壤中的埋设深度一般为0.6~0.8m。太阳能立杆接地为垂直接地,立杆与流量仪表的距离需≥5m。为避免太阳能电源线与仪表设备连接距离过长而增加线路的故障率,计量仪表箱与立杆的设计距离在5~10m之间,当因受地方限制时应适当减少距离。
 
1.5太阳能电池组件立杆的设计与角度安装
        太阳能电池组件立杆设计高度为3.5m,电池方阵的放置采用固定安装。为了让太阳能电池方阵有尽可能多的太阳辐射能,方便选择最佳安装方位角与倾斜角,电池方阵支架被设计成可在立杆上实现人工方位角调节、倾斜角调节以及高度调节,见图3、图4。
倾斜角、方位角安装角度示意太阳能电池方阵支架实物
1.5.1方位角计算
        太阳能电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角(向东偏设定为负角度,向西偏设定为正角度)。一般在北半球,方阵朝向正南(即方阵垂直面与正南的夹角为0°)时,太阳能电池发电量最大。珠海市区坐标为东经113.56°,北纬22.27°;一天中负荷的峰值时刻取13点。方位角按式(4)计算。
        ∠A=(Tp-12)×15+(L-116)(4)
式中∠A———方位角,°;Tp———一天中负荷的峰值时刻(24小时制);L———经度,°。经计算,∠A=12.56°。
 
1.5.2倾斜角计算
        倾斜角是太阳能电池方阵平面与水平地面的夹角,并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关,当纬度较高时,相应的倾斜角也大。在纬度0°~25°时,太阳能电池组件的倾斜角与纬度相同;方阵的倾斜角常取成整数。倾斜角=纬度=22.27°≈22°
 
2SCADA系统的运行模式与无线终端设备的选型
2.1SCADA系统现状
        目前,该水司SCADA系统(数据采集与监视控制系统)主要采集水厂、泵站的生产数据,水源(库)的水质、水位、气象等数据,管网运行的水压、流量、水质等数据,数据采集系统的终端设备和远传通讯设备由不同的厂家提供。如有的以中心站软件与数据终端(含通讯设备,下同)同时成套提供;有的只是提供数据终端,中心站前台软件由公司信息中心自行开发。通讯方式采用中心站主动呼叫问答方式、终端设备定时自报方式。通讯信道采用传统的超短波无线电数传、移动通信公众数据网(GPRS、CDMA)、城市光纤网络实现数据交换等多种形式。尽管出现终端设备不同、信道不同、通讯方式不同,但最终采集的数据都统一存放到指定的数据库服务器中,而后由信息管理中心将各数据整理成报表的形式向各使用单位发布。在供水调度室同时运行的几套SCADA系统:
 
        ①自主开发的超短波无线电数传系统,用于市区测压,采用主从问答循环呼叫方式;
        ②自主开发的中心站软件,以CDMA公众数据网作为信道的数据采集系统,采用主从问答循环呼叫方式;
        ③深圳拓安信公司成套提供的分区流量GPRS遥测系统,采用终端站自报上传方式;
        ④上海三高公司成套提供的管网压力GPRS遥测系统,采用终端站自报上传方式;
        ⑤成套采购的水库气象GPRS遥测系统,采用终端站自报上传方式。
 
2.2SCADA系统运行模式的选择
        本项目SCADA系统主要采集各站点流量计的
实时计量数据。考虑因改造后电磁流量计现场可保证有充足的电源,则采用上述的第②套系统,中心站软件由信息管理人员进行维护,而设备供应商仅需提供数据终端设备、安装、调试,无需再提供中
心站软件。
2.3无线终端监控设备的选型由于该水司在计量分区电磁流量计中曾使用一批
        EIPC2000-T(无线测控终端)对计量数据、管网压力进行实时监控,且该产品也已在公司的其他SCADA系统中大量使用,并已经自主开发有相对比较完善的数据采集系统,因此,为考虑日后更易进行维护与管理,继续选购EIPC2000-T。该无线终端具有信号测量、数据采集、数据计算、数据存储、数据上传、控制等多种功能。其功能为:
        ①电子盘存储历史数据,掉电永不丢失数据,可存储30000条历史数据;
        ②1~8通道被测模拟信号输入;
        ③1~6通道开关量输出(继电器触点输出);
        ④1~9通道开关量输入(有源或无源);
        ⑤标准串行通讯接口:RS-232、RS-485;
        ⑥无线远程数据上传;
        ⑦可以通过HART接口采集1次仪表的数据并进行数据上传处理;
        ⑧提供变送器用+24VDC配电输出,方便用户使用。为日后监控管理的升级提供了更多的选择。其所能构成的系`统框架及可外接信号线端口分别如图5、图6所示。
EIPC2000-T无线测控系统框EIPC2000-T接线模组
3运行效果及效益分析
3.1运行效果
        工程自调试运行以来,无线终端监控器15min采集并发送1次流量仪表的运行数据,数据被接收后统一存放到指定的数据库服务器中,经过整合,然后以报表的形式在公司局域网络发布(见表1)。当电磁流量计现场出现故障或断电时,流量计管理人员只需通过“正常否”栏目的显示即可发现存在异常,可在很好时间内赶至现场。表2为改造前、后电磁流量计同期停电时间对比。电磁流量计加装辅助电源后,仪表连续运行至今已达6个月,期间未出现断电、雷击故障等现象,与改造前已形成鲜明的对比。
改造后各站点流量仪表数据接收情况及数值显示和计同期停电时间对比
3.2经济效益分析
        本次改造只在原电磁流量计安装位置的基础上进行,无需进行市电供电线路等的迁移,投资费用明显减少。对15套流量计实施改造,总投资60.3万,其中后备电源部分投资45万(运行5~6年后只需更换蓄电池,蓄电池约占总电源造价的17%),实时监控投资15.3万。改造以选取布点远、月用水量高的电磁流量计作为试点(单户月平均用水均在10000m3以上,最高达400000m3),可收获以下几点效益:
 
        (1)通过加装太阳能电源和进行实时监控管理可减少电磁流量计现场巡检人力、物力的消耗。
        (2)减少水费纠纷,推动公司品牌形象建设。在未安装太阳能辅助电源时,当电磁流量计出现停电、故障时,水量的计算则按照该水司现行的管理制度规定与用户协商进行估算,但常常遭到用户的质疑,不可避免地产生一些矛盾。
        (3)杜绝拉闸断电进行偷水的行为。如某工厂在生产期间的高峰用水量达1300m3/h,但在生产时间之外,其用水较少,而计算所得的月均小时流量只达400m3。为降低生产成本,该用户在生产用水高峰期间对电磁流量计进行拉闸断电。
 
        根据该水司对电磁流量计停电无计量时水量的估算方法,若月停电时间较少,则以月均时流量乘停电时间的方法进行水量补收,如此1h便使该水司蒙受900m3的水损,按照珠海市现行工业用水水价1.65元/m3进行金额换算达1485元。由于工厂用水量长期存在较大的波动,月波动水量可达几万m3之多,而电磁流量计在计量抄表周期内出现停电达几十小时的现象已司空见惯,因此,出现这样的“停电户”,倘若未发现,很难判断用户是否曾进行偷水。
 
4结语
        对于电磁流量计的可持续供电改造与实时监控虽然在改造初期投入资金较多,且在短期也不易发现其带来的显著利益,但随着时间的推移,其价值将会日益显现。另外,若利用已有的实时监控平台,可更加快速地掌握用户的用水实情,为科学的供水调度以及进一步优化客户服务提供有力的帮助。