“華龍一號”智能水、電、氣監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

劉高平

（中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，河北 燕郊 065201）

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，施工企業(yè)對降低能源消耗越來越重視。核電施工現(xiàn)場每天的施工過程均會使用到水、電、氣，且每天都需排水，但施工中使用的水、電、氣及現(xiàn)場排水為非主體工程，且施工現(xiàn)場對臨時水、電、氣的使用重視程度不足，導(dǎo)致能耗過大，同時排水不及時往往會使材料、設(shè)備被淹，造成重大損失。本文通過對智能水、電、氣監(jiān)測系統(tǒng)研究，通過系統(tǒng)生成任意時段或任意瞬間的用電、用水、用氣曲線，大大降低了施工現(xiàn)場的能耗，同時降低排水不及時的風(fēng)險。對重要用電設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)及用電監(jiān)測，得出用電曲線，監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行效率，及時替換運(yùn)行低效的設(shè)備。及時發(fā)現(xiàn)用水、用電、用氣異常，并及時處理減少能源浪費(fèi)，尋求最大化降低能源無效的損耗。現(xiàn)場臨時水、電、氣的監(jiān)測及計量均可在遠(yuǎn)端進(jìn)行，降低了傳統(tǒng)就地抄表計量方式的人工投入，同時遠(yuǎn)程終端可以自動記錄現(xiàn)場實(shí)時水、電、氣的使用量。自動對排水進(jìn)行監(jiān)測，去掉人工每天的現(xiàn)場積水坑檢查，降低人工成本的同時還能夠及時發(fā)現(xiàn)積水坑的液位是否發(fā)生異常，避免抽水不及時導(dǎo)致材料和設(shè)備損壞。

1 施工現(xiàn)場臨時水、電、氣傳統(tǒng)監(jiān)測管理存在的問題

（1）傳統(tǒng)的監(jiān)測多使用普通的電表、水表，人工到現(xiàn)場抄表，無法實(shí)時記錄現(xiàn)場水、電、氣的使用狀況，設(shè)備的利用率無法統(tǒng)計分析。

（2）核電工程施工中對于臨時水、電僅對總量進(jìn)行每月統(tǒng)計，未對各廠房和重要的設(shè)備水、電的用量進(jìn)行統(tǒng)計分析。每月均需安排人員抄表，且抄表周期較長，無法及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場水、電用量是否有異常。

（3）未對現(xiàn)場耗電量大的設(shè)備的運(yùn)行效率進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，無法及時替換更低能耗的設(shè)備。

（4）未對現(xiàn)場用氣量進(jìn)行監(jiān)測，需采用人工現(xiàn)場巡查的方式檢查管網(wǎng)是否存在“跑、冒、滴、漏”的現(xiàn)象，需耗費(fèi)大量的人力。

（5）傳統(tǒng)排水采用浮球控制，但浮球受周邊環(huán)境影響大，故障率高，無法遠(yuǎn)程監(jiān)測積水的狀況，無法遠(yuǎn)程控制水泵的運(yùn)行。為保證現(xiàn)場積水及時排出，每天均需安排人員對現(xiàn)場的積水點(diǎn)進(jìn)行巡查和抽排積水，需耗費(fèi)大量人力。

2 針對臨時水、電、氣傳統(tǒng)監(jiān)測管理問題的解決措施

針對傳統(tǒng)監(jiān)測方式存在的問題，通過調(diào)研市場上現(xiàn)有的智能監(jiān)控設(shè)備，研究建立符合漳州核電項(xiàng)目部“華龍一號”實(shí)際工況的水、電、氣監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)智能化程度較高為全自動運(yùn)行，可進(jìn)行人工干預(yù)，現(xiàn)場僅需1名專人在辦公室即可完成相關(guān)的監(jiān)測工作，勞動強(qiáng)度低，系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性高。具體研究及應(yīng)用如下。

2.1 智能用電監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.1 電流計算及電流互感器選型

根據(jù)用電設(shè)備銘牌計算用電設(shè)備電流大小，根據(jù)公式：

式中I為額定電流（A）；P為額定功率（W）；U為電壓（V）；φ為功率因素（0.7～0.85）。

用電設(shè)備電流大于100 A需加裝電流互感器。

2.1.2 智能無線電表安裝

（1）智能無線電表工作原理。智能用電監(jiān)測系統(tǒng)主要通過智能無線電表對施工現(xiàn)場各廠房及主要的施工機(jī)械設(shè)備用電量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。智能無線電表集成計量芯片將來自電壓分壓、電流互感器的相關(guān)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并對其進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，從而精確地獲得計量對象的有功電能和無功電能，微控制器依據(jù)相應(yīng)比率和需量等規(guī)定對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存儲器中，并隨時向后臺提供信息和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其工作原理如圖1所示。

圖1 智能無線電表工作原理圖

（2）智能無線電表安裝接線。根據(jù)產(chǎn)品說明書將電表安裝在配電箱內(nèi)或其他設(shè)備配電箱內(nèi)，固定于固定架上或箱體內(nèi)，應(yīng)固定牢靠，做好防雨、防塵措施，對于大電流用電設(shè)備的監(jiān)測，應(yīng)根據(jù)所監(jiān)測的電流值及電表的變比合理地選擇電流互感器。電流互感器在滿足電流額定值的前提下，變比應(yīng)盡可能小，這樣可以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度，對于額定電流未超過電表允許通過電流應(yīng)采用直入時，不增加電流互感器。安裝時嚴(yán)格按照說明書中接線圖進(jìn)行作業(yè)，該環(huán)節(jié)重點(diǎn)在于接線正確，避免接線錯誤導(dǎo)致通電后電表損壞或監(jiān)測數(shù)據(jù)錯誤。

2.1.3 智能無線電表調(diào)試及應(yīng)用

智能無線電表安裝接線無誤后，插入流量卡與廠家基站及系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試匹配。調(diào)試完成后智能無線電表投入試運(yùn)行，試運(yùn)行一周后無問題則正式投入使用，此時對現(xiàn)場重要設(shè)備實(shí)時狀態(tài)、功率、用電量、電流、電壓等進(jìn)行監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸，并在系統(tǒng)上自動生成用電量、功率變化曲線。漳州核電現(xiàn)場將智能電表安裝在塔吊上，通過智能電表監(jiān)測塔吊各時段的運(yùn)行效率，可以對塔吊利用率進(jìn)行分析，找出塔吊使用率較低的時間段并加強(qiáng)管理。漳州核電現(xiàn)場采購并安裝2臺型三相四線智能電表，分別安裝在大空壓機(jī)和型空壓機(jī)的主電源上。安裝完成后對電表通電、聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行調(diào)試，通過調(diào)試智能電表可以將現(xiàn)場空壓機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)（瞬時電流、累計功率、瞬時功率、累計電能、瞬時電壓等參數(shù)）實(shí)時反饋至手機(jī)App和電腦的軟件平臺中，以下是智能電表記錄設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。安裝空壓機(jī)監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測空壓機(jī)的運(yùn)行功率、電流，通過查看設(shè)備的運(yùn)行功率曲線與設(shè)備的功率進(jìn)行對比可以分析出設(shè)備的利用率。查看空壓機(jī)的運(yùn)行情況，及時優(yōu)化空壓機(jī)選型，更換利用率高、能耗低的空壓機(jī)設(shè)備。通過智能電表的使用，現(xiàn)場塔吊的利用率顯著提升，大型設(shè)備的耗電量也大幅降低。通過對KRB等主要生產(chǎn)設(shè)備耗電量的監(jiān)測，可以分析出設(shè)備單位產(chǎn)能的耗電量，為做實(shí)、做細(xì)企業(yè)定額提供數(shù)據(jù)參考。

2.2 智能用水監(jiān)測系統(tǒng)

2.2.1 流量計及傳感器安裝

智能用水監(jiān)測系統(tǒng)主要在管道上使用電磁流量計對現(xiàn)場用水量進(jìn)行統(tǒng)計，電磁流量計工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律。測量流量時，流體流過垂直于流動方向的磁場，導(dǎo)電性流體的流動感應(yīng)出一個與平均流速成正比的電勢，因此要求被測的流動液體的電導(dǎo)率高于最低限度的電導(dǎo)率5 us/cm（電磁流量計理論上可以測量電導(dǎo)率大于5us/cm導(dǎo)電介質(zhì)，但是實(shí)際測量中應(yīng)保證電磁流量計使用在被測介質(zhì)電導(dǎo)率在30 us/cm及以上（大于理論值一到兩個數(shù)量級）的環(huán)境中，而且必須以在線測量得到的電導(dǎo)率值為基準(zhǔn)）。其感應(yīng)電壓信號通過兩個電極檢出，并通過電纜或網(wǎng)絡(luò)傳送至轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過模擬和數(shù)字的信號處理，將被測液體的瞬時流量和累計流量顯示在轉(zhuǎn)換器的顯示屏上。

嚴(yán)格按照說明書要求安裝電磁流量計，電磁流量計應(yīng)水平安裝，與管道連接應(yīng)牢靠，安裝時需注意管道內(nèi)被測流體的流動方向與流量計流量外殼方向標(biāo)記應(yīng)保持一致，在傳感器鄰近管道進(jìn)行焊接、切割、打磨等動火作業(yè)時，應(yīng)采取隔離措施，防止流量計襯里受熱脫落或變形。

2.2.2 試運(yùn)行與應(yīng)用

漳州核電在給水主管道上和各廠房的支管上安裝電磁流量計，安裝完成后試運(yùn)行1周，運(yùn)行無誤后投入正式使用，對用水量進(jìn)行計量，系統(tǒng)實(shí)時更新、記錄并存儲每一個流量計的年、月、日、時、分的水電量，并自動生成用水量曲線?？赏ㄟ^App輕松抄表，分析用水情況，改變了傳統(tǒng)抄表（每周安排人員到現(xiàn)場進(jìn)行手工抄表）方式。能夠及時發(fā)現(xiàn)用水異常的現(xiàn)象，可以監(jiān)測現(xiàn)場管網(wǎng)是否存在“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象。通過電磁流量計對給水管道的監(jiān)測應(yīng)用，及時處理多起異常情況，為項(xiàng)目部施工節(jié)約水資源，減少不必要的損耗。

2.3 智能用氣監(jiān)測系統(tǒng)

2.3.1 渦街流量計原理

智能用氣監(jiān)測系統(tǒng)主要使用渦街流量計對現(xiàn)場用氣量進(jìn)行統(tǒng)計，渦街流量計是以卡門和斯特羅哈爾有關(guān)旋渦的產(chǎn)生和旋渦與流量關(guān)系的理論為依據(jù)來測量氣體、蒸汽及低黏度液體的流量的。在表體中垂直插入一根三角柱即旋渦的發(fā)生體，當(dāng)表體中有介質(zhì)流過時，在三角柱的后面交替產(chǎn)生方向相反有規(guī)則的卡門旋渦，其旋渦的分離頻率F與介質(zhì)的流動速度V成正比。通過傳感頭檢測出旋渦的數(shù)量，就可以計算出流體流速，再根據(jù)流量計口徑計算出被測介質(zhì)的體積，通過與時間的數(shù)學(xué)運(yùn)算可測定管內(nèi)氣體的流量。

2.3.2 試運(yùn)行與應(yīng)用

現(xiàn)場采購電磁流量計，安裝在供氣管網(wǎng)的主管道上和分叉支管的前端。安裝完成后對流量計進(jìn)行調(diào)試，通過調(diào)試后現(xiàn)場管網(wǎng)內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以實(shí)時反饋至手機(jī)App和電腦的軟件平臺中，電磁流量計可監(jiān)測并記錄管道內(nèi)氣體瞬時流量和累計流量。通過安裝氣體流量監(jiān)測設(shè)備與運(yùn)行功率結(jié)合對比分析可以監(jiān)測現(xiàn)場管道是否存在“跑、冒、滴、漏”的情況，并及時處理，降低空壓機(jī)的無效能耗?！叭A龍一號”施工高峰期用氣點(diǎn)超過1 000處，若每天安排人員到現(xiàn)場巡查管網(wǎng)是否存在漏氣現(xiàn)象，則會投入較多人工?，F(xiàn)場安裝流量計后可在工人下班時查看主管上流量計的瞬時流量，即可發(fā)現(xiàn)是否存在“跑、冒、滴、漏”的現(xiàn)象。通過分別查看支管的流量可有效鎖定漏氣的區(qū)域。

2.4 智能排水監(jiān)測系統(tǒng)

智能排水監(jiān)測系統(tǒng)主要采用超聲波傳感器收集集水箱內(nèi)水位高度，在水箱內(nèi)液位達(dá)到設(shè)定排水高度時，自動啟動水泵電進(jìn)行排水，再通過中央處理模塊將水箱內(nèi)水位信息實(shí)時反饋給工作人員，且可以在App上遠(yuǎn)程控制水泵的啟停。多元化自動報警方式，摒棄了傳統(tǒng)人工加泵排水、人工現(xiàn)場巡視方式。多種方式自動報警，對現(xiàn)場積水進(jìn)行全方位、無死角監(jiān)視。通過移動通信將報警信息自動上傳監(jiān)控系統(tǒng)，以短信和軟件消息通知的方式發(fā)送報警信息，同時現(xiàn)場發(fā)出異常警報聲音及時有效地提醒現(xiàn)場施工人員，大大提高了水位應(yīng)急響應(yīng)速度，提高排水系統(tǒng)運(yùn)行的有效性，提高現(xiàn)場排水系統(tǒng)穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)場排水要求（如圖2所示）。

圖2 智能排水系統(tǒng)圖

由于核電廠區(qū)占地面積普遍很大，在雨季施工時克服排水水系的復(fù)雜性保證排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證施工進(jìn)度盡可能不受影響等方面任重而道遠(yuǎn)，漳州核電項(xiàng)目部首次將排水系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)維的自動化，漳州核電現(xiàn)場以集水箱作為匯水點(diǎn)，集水箱內(nèi)設(shè)置22 kW、11 kW一大一小2臺水泵組成水泵電機(jī)組，通過超聲波傳感器反應(yīng)的不同水位來進(jìn)行不同水位的排水方式。超聲波液位計總量程為5 m，現(xiàn)場可設(shè)置低液位、中液位、高液位、高高液位，根據(jù)超聲波傳感器實(shí)時反映的數(shù)據(jù)，做到低液位時水泵不工作、中液位啟動11 kW水泵、高液位時同時啟動2臺水泵、高高液位時報警。中央處理模塊通過無線信號模塊接收超聲波傳感器信號，將現(xiàn)場排水情況上傳至PC端及移動端，并可控制水泵電機(jī)組的啟停，形成可視化、可控化智能排水系統(tǒng)。漳州核電應(yīng)用智能排水系統(tǒng)后，系統(tǒng)可直觀地了解實(shí)時水位信息，同時人員通過App控制水泵的運(yùn)行和停止，可智能地對各類信息進(jìn)行及時處理，對突發(fā)事件警示，提高處理突發(fā)事件的能力，增加排水系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時現(xiàn)場無須每天安排人員巡查抽水，大大降低了施工成本。

3 結(jié)語

綜上所述，漳州核電項(xiàng)目部“華龍一號”成功應(yīng)用了智能水、電、氣監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)智能化程度較高，為全自動運(yùn)行，亦可人工干預(yù)，現(xiàn)場僅需1名專人在辦公室即可完成相關(guān)的監(jiān)測工作，勞動強(qiáng)度低，系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性高?，F(xiàn)場水泵的啟停根據(jù)設(shè)定的水位線進(jìn)行自動啟停及超水位報警和水泵故障報警。也可以在手機(jī)上和電腦上遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)坑的水位，遠(yuǎn)程控制水泵的運(yùn)行和停車。在管道上安裝液體流量監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測現(xiàn)場管道是否存在“跑、冒、滴、漏”的現(xiàn)象，并及時處理，減少水資源的浪費(fèi)。智能電表可以監(jiān)測辦公區(qū)下班時空調(diào)等用電設(shè)備是否關(guān)閉，及異常的用電情況，同時可以監(jiān)測大型用電設(shè)備的運(yùn)行功率及利用率，及時替換運(yùn)行低效的設(shè)備。系統(tǒng)可生成任意時段或任意瞬間的用電、用水、用氣曲線，最終形成一套適用于核電施工的臨時用電、用水、用氣參數(shù)，為后續(xù)核電施工提供數(shù)據(jù)參考，尋求最大化地降低能源無效的損耗，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)做貢獻(xiàn)。