“華龍一號”智能水、電、氣監測系統應用研究

劉高平

（中國核工業二四建設有限公司，河北 燕郊 065201）

0 引言

隨著“雙碳”目標的提出，施工企業對降低能源消耗越來越重視。核電施工現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、氣及現場排水為非主體工程，且施工現場對臨時水、電、氣的使用重視程度不足，導致能耗過大，同時排水不及時往往會使材料、設備被淹，造成重大損失。本文通過對智能水、電、氣監測系統研究，通過系統生成任意時段或任意瞬間的用電、用水、用氣曲線，大大降低了施工現場的能耗，同時降低排水不及時的風險。對重要用電設備進行狀態及用電監測，得出用電曲線，監測設備的運行效率，及時替換運行低效的設備。及時發現用水、用電、用氣異常，并及時處理減少能源浪費，尋求最大化降低能源無效的損耗。現場臨時水、電、氣的監測及計量均可在遠端進行，降低了傳統就地抄表計量方式的人工投入，同時遠程終端可以自動記錄現場實時水、電、氣的使用量。自動對排水進行監測，去掉人工每天的現場積水坑檢查，降低人工成本的同時還能夠及時發現積水坑的液位是否發生異常，避免抽水不及時導致材料和設備損壞。

1 施工現場臨時水、電、氣傳統監測管理存在的問題

（1）傳統的監測多使用普通的電表、水表，人工到現場抄表，無法實時記錄現場水、電、氣的使用狀況，設備的利用率無法統計分析。

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

（3）未對現場耗電量大的設備的運行效率進行重點監測，無法及時替換更低能耗的設備。

（4）未對現場用氣量進行監測，需采用人工現場巡查的方式檢查管網是否存在“跑、冒、滴、漏”的現象，需耗費大量的人力。

（5）傳統排水采用浮球控制，但浮球受周邊環境影響大，故障率高，無法遠程監測積水的狀況，無法遠程控制水泵的運行。為保證現場積水及時排出，每天均需安排人員對現場的積水點進行巡查和抽排積水，需耗費大量人力。

2 針對臨時水、電、氣傳統監測管理問題的解決措施

針對傳統監測方式存在的問題，通過調研市場上現有的智能監控設備，研究建立符合漳州核電項目部“華龍一號”實際工況的水、電、氣監測系統，該系統智能化程度較高為全自動運行，可進行人工干預，現場僅需1名專人在辦公室即可完成相關的監測工作，勞動強度低，系統的安全性和穩定性高。具體研究及應用如下。

2.1 智能用電監測系統

2.1.1 電流計算及電流互感器選型

根據用電設備銘牌計算用電設備電流大小，根據公式：

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。智能用電監測系統主要通過智能無線電表對施工現場各廠房及主要的施工機械設備用電量進行實時監測。智能無線電表集成計量芯片將來自電壓分壓、電流互感器的相關信號轉換為數字信號，并對其進行數字運算，從而精確地獲得計量對象的有功電能和無功電能，微控制器依據相應比率和需量等規定對數據進行處理。其結果保存在數據存儲器中，并隨時向后臺提供信息和進行數據交換，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。根據產品說明書將電表安裝在配電箱內或其他設備配電箱內，固定于固定架上或箱體內，應固定牢靠，做好防雨、防塵措施，對于大電流用電設備的監測，應根據所監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，變比應盡可能小，這樣可以保證監測數據的精度，對于額定電流未超過電表允許通過電流應采用直入時，不增加電流互感器。安裝時嚴格按照說明書中接線圖進行作業，該環節重點在于接線正確，避免接線錯誤導致通電后電表損壞或監測數據錯誤。

2.1.3 智能無線電表調試及應用

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進行調試匹配。調試完成后智能無線電表投入試運行，試運行一周后無問題則正式投入使用，此時對現場重要設備實時狀態、功率、用電量、電流、電壓等進行監測和數據傳輸，并在系統上自動生成用電量、功率變化曲線。漳州核電現場將智能電表安裝在塔吊上，通過智能電表監測塔吊各時段的運行效率，可以對塔吊利用率進行分析，找出塔吊使用率較低的時間段并加強管理。漳州核電現場采購并安裝2臺型三相四線智能電表，分別安裝在大空壓機和型空壓機的主電源上。安裝完成后對電表通電、聯網進行調試，通過調試智能電表可以將現場空壓機的運行數據（瞬時電流、累計功率、瞬時功率、累計電能、瞬時電壓等參數）實時反饋至手機App和電腦的軟件平臺中，以下是智能電表記錄設備的運行參數。安裝空壓機監測設備、監測空壓機的運行功率、電流，通過查看設備的運行功率曲線與設備的功率進行對比可以分析出設備的利用率。查看空壓機的運行情況，及時優化空壓機選型，更換利用率高、能耗低的空壓機設備。通過智能電表的使用，現場塔吊的利用率顯著提升，大型設備的耗電量也大幅降低。通過對KRB等主要生產設備耗電量的監測，可以分析出設備單位產能的耗電量，為做實、做細企業定額提供數據參考。

2.2 智能用水監測系統

2.2.1 流量計及傳感器安裝

智能用水監測系統主要在管道上使用電磁流量計對現場用水量進行統計，電磁流量計工作原理基于法拉第電磁感應定律。測量流量時，流體流過垂直于流動方向的磁場，導電性流體的流動感應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率高于最低限度的電導率5 us/cm（電磁流量計理論上可以測量電導率大于5us/cm導電介質，但是實際測量中應保證電磁流量計使用在被測介質電導率在30 us/cm及以上（大于理論值一到兩個數量級）的環境中，而且必須以在線測量得到的電導率值為基準）。其感應電壓信號通過兩個電極檢出，并通過電纜或網絡傳送至轉換器，經過模擬和數字的信號處理，將被測液體的瞬時流量和累計流量顯示在轉換器的顯示屏上。

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

2.2.2 試運行與應用

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，安裝完成后試運行1周，運行無誤后投入正式使用，對用水量進行計量，系統實時更新、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。可通過App輕松抄表，分析用水情況，改變了傳統抄表（每周安排人員到現場進行手工抄表）方式。能夠及時發現用水異常的現象，可以監測現場管網是否存在“跑、冒、滴、漏”現象。通過電磁流量計對給水管道的監測應用，及時處理多起異常情況，為項目部施工節約水資源，減少不必要的損耗。

2.3 智能用氣監測系統

2.3.1 渦街流量計原理

智能用氣監測系統主要使用渦街流量計對現場用氣量進行統計，渦街流量計是以卡門和斯特羅哈爾有關旋渦的產生和旋渦與流量關系的理論為依據來測量氣體、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生體，當表體中有介質流過時，在三角柱的后面交替產生方向相反有規則的卡門旋渦，其旋渦的分離頻率F與介質的流動速度V成正比。通過傳感頭檢測出旋渦的數量，就可以計算出流體流速，再根據流量計口徑計算出被測介質的體積，通過與時間的數學運算可測定管內氣體的流量。

2.3.2 試運行與應用

現場采購電磁流量計，安裝在供氣管網的主管道上和分叉支管的前端。安裝完成后對流量計進行調試，通過調試后現場管網內的運行數據可以實時反饋至手機App和電腦的軟件平臺中，電磁流量計可監測并記錄管道內氣體瞬時流量和累計流量。通過安裝氣體流量監測設備與運行功率結合對比分析可以監測現場管道是否存在“跑、冒、滴、漏”的情況，并及時處理，降低空壓機的無效能耗。“華龍一號”施工高峰期用氣點超過1 000處，若每天安排人員到現場巡查管網是否存在漏氣現象，則會投入較多人工。現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，即可發現是否存在“跑、冒、滴、漏”的現象。通過分別查看支管的流量可有效鎖定漏氣的區域。

2.4 智能排水監測系統

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

圖2 智能排水系統圖

由于核電廠區占地面積普遍很大，在雨季施工時克服排水水系的復雜性保證排水系統的穩定性，保證施工進度盡可能不受影響等方面任重而道遠，漳州核電項目部首次將排水系統與監測系統聯動，實現了運維的自動化，漳州核電現場以集水箱作為匯水點，集水箱內設置22 kW、11 kW一大一小2臺水泵組成水泵電機組，通過超聲波傳感器反應的不同水位來進行不同水位的排水方式。超聲波液位計總量程為5 m，現場可設置低液位、中液位、高液位、高高液位，根據超聲波傳感器實時反映的數據，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，將現場排水情況上傳至PC端及移動端，并可控制水泵電機組的啟停，形成可視化、可控化智能排水系統。漳州核電應用智能排水系統后，系統可直觀地了解實時水位信息，同時人員通過App控制水泵的運行和停止，可智能地對各類信息進行及時處理，對突發事件警示，提高處理突發事件的能力，增加排水系統穩定性。同時現場無須每天安排人員巡查抽水，大大降低了施工成本。

3 結語

綜上所述，漳州核電項目部“華龍一號”成功應用了智能水、電、氣監測系統，該系統智能化程度較高，為全自動運行，亦可人工干預，現場僅需1名專人在辦公室即可完成相關的監測工作，勞動強度低，系統的安全性和穩定性高。現場水泵的啟停根據設定的水位線進行自動啟停及超水位報警和水泵故障報警。也可以在手機上和電腦上遠程監測技術坑的水位，遠程控制水泵的運行和停車。在管道上安裝液體流量監測設備，監測現場管道是否存在“跑、冒、滴、漏”的現象，并及時處理，減少水資源的浪費。智能電表可以監測辦公區下班時空調等用電設備是否關閉，及異常的用電情況，同時可以監測大型用電設備的運行功率及利用率，及時替換運行低效的設備。系統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，為后續核電施工提供數據參考，尋求最大化地降低能源無效的損耗，為實現碳達峰、碳中和目標做貢獻。