溫 漢 宏

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

0 引言

在凍結(jié)工程中，為保證凍結(jié)壁均勻發(fā)展，要求各凍結(jié)孔鹽水流量均衡。在井筒凍結(jié)工程中，普遍具有孔數(shù)少、孔深長(zhǎng)且統(tǒng)一的特點(diǎn)，通常都是進(jìn)行單孔鹽水循環(huán)。由于各孔深度一致，在鹽水干管中安裝電磁流量計(jì)以監(jiān)測(cè)鹽水總流量，采用串接機(jī)械水表的方式測(cè)量單孔流量，在凍結(jié)孔回水管上安設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)，根據(jù)各孔回水溫度的高低對(duì)比，來(lái)判斷單孔鹽水流量是否均衡。然而，鹽水流量變化時(shí)，回水溫度往往滯后反應(yīng)，而機(jī)械水表會(huì)影響鹽水的正常流動(dòng)，只能作為臨時(shí)測(cè)量手段[1，2]。

隨著人工凍結(jié)技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于大型地鐵隧道施工，凍結(jié)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)孔數(shù)多、孔深短且長(zhǎng)短不一的趨勢(shì)，并且通常會(huì)將幾個(gè)凍結(jié)孔串連成組進(jìn)行鹽水循環(huán)，由于各組凍結(jié)孔總延米數(shù)很難保持一致，往往需要對(duì)各組流量進(jìn)行平衡調(diào)整。在市政凍結(jié)工程中，除了鹽水干管，還需要在分組凍結(jié)孔管路中安裝電磁流量計(jì)，以對(duì)分組鹽水流量進(jìn)行持續(xù)的精確化監(jiān)測(cè)。

本文對(duì)電磁流量計(jì)在市政凍結(jié)工程分組鹽水流量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，結(jié)合電磁流量計(jì)的原理、結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)[3,4]，明確了安裝技術(shù)要求，并在廣州地鐵十一號(hào)線某地鐵隧道橫通道凍結(jié)加固工程中成功應(yīng)用。

1 電磁流量計(jì)

1.1 電磁流量計(jì)的測(cè)量原理

電磁流量計(jì)是應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律而制成(見圖1)，即：將流體作為一種導(dǎo)電體，導(dǎo)電體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，切割磁力線從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小又和液體的流量大小成正比，可以通過(guò)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)變化來(lái)反映管道內(nèi)液體流量的變化。

1.2 電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)包含傳感器和轉(zhuǎn)換器兩個(gè)部分(見圖2)，傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量管道中流體的瞬時(shí)流量，并將所測(cè)流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)輸送到轉(zhuǎn)換器中。轉(zhuǎn)換器則負(fù)責(zé)將接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)換成實(shí)際流量值進(jìn)行顯示，還可以輸出4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或RS485信號(hào)，實(shí)現(xiàn)管道流量的遠(yuǎn)距離自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

1.3 電磁流量計(jì)的特點(diǎn)

電磁流量計(jì)具有如下主要特點(diǎn)：

1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器內(nèi)無(wú)阻流部件，管道壓力損失小，對(duì)所測(cè)液體的流動(dòng)干擾小。

2)測(cè)量結(jié)果不受所測(cè)管道內(nèi)液體的溫度、密度、壓力和粘度的影響，工作可靠，而且有較高的測(cè)量精度。

3)無(wú)機(jī)械慣性，反應(yīng)靈敏，可以測(cè)量流體的瞬時(shí)脈動(dòng)流量，有較好的線性，可以將所測(cè)電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，通常有一體顯示與分體顯示兩種模式，可滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景。

4)根據(jù)所測(cè)液體切割磁力線方向的不同，電磁流量計(jì)可以測(cè)量流體的正反向流量值。

5)量程范圍較大，量程比高達(dá)1∶100，測(cè)量結(jié)果只與所測(cè)流體的平均流速有關(guān)，而與軸對(duì)稱分布下的紊流或?qū)恿鳡顟B(tài)無(wú)關(guān)。

6)傳感器內(nèi)沒有可動(dòng)部件，選擇合理的材料制作與所測(cè)液體有直接接觸的襯里和電極，即可達(dá)到很好的耐磨損、耐腐蝕要求。

2 電磁流量計(jì)的安裝要求

為確保電磁流量計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性，安裝時(shí)應(yīng)滿足以下要求：

1)電磁流量計(jì)公稱通徑應(yīng)與所測(cè)鹽水管道的管徑大小一致，當(dāng)傳感器口徑小于鹽水管道時(shí)，必須在傳感器前后加接異徑管。

2)由于鹽水(氯化鈣溶液)具有腐蝕性，電磁流量計(jì)應(yīng)選配耐腐蝕性良好的傳感器襯里和電極。

3)安裝時(shí)應(yīng)保證鹽水流動(dòng)方向與殼體所標(biāo)流動(dòng)方向一致，若發(fā)現(xiàn)兩者不一致時(shí)，應(yīng)調(diào)整傳感器的安裝方向，或者修改轉(zhuǎn)換器中關(guān)于液體流動(dòng)方向的設(shè)置。

4)為防止氯化鈣結(jié)晶及其他雜質(zhì)沉積，安裝位置應(yīng)避開鹽水管道最低處。

5)為防止因?yàn)閭鞲衅鲀?nèi)液體不滿管而產(chǎn)生測(cè)量誤差，安裝位置應(yīng)避開鹽水管道最高處、鹽水泵吸水口、鹽水管出水口及向下流動(dòng)的管道等易產(chǎn)生空管現(xiàn)象的地方。

6)為保證通過(guò)電磁流量計(jì)的鹽水流動(dòng)平穩(wěn)，傳感器安裝位置前后直管段長(zhǎng)度要求如下：進(jìn)水端直管段大于5倍管道內(nèi)徑，出水端直管段大于3倍管道內(nèi)徑，從電極軸線開始測(cè)量。

7)為保證測(cè)量準(zhǔn)確，安裝時(shí)應(yīng)保證電磁流量計(jì)的電極軸線近似在水平方向。

8)為避免因電磁干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差，應(yīng)將傳感器與轉(zhuǎn)換器的接地極進(jìn)行可靠接地，要求接地電阻值小于10 Ω。

9)為防止安裝期間損壞電磁流量計(jì)，搬運(yùn)過(guò)程中應(yīng)避免傳感器內(nèi)襯及轉(zhuǎn)換器受力，安裝鹽水管道時(shí)應(yīng)預(yù)留電磁流量計(jì)的位置，待焊接作業(yè)完成后再安裝電磁流量計(jì)。

10)由于鹽水溫度較低，為防止鹽水管道結(jié)霜越結(jié)越大，影響轉(zhuǎn)換器正常工作，鹽水管道及傳感器外殼應(yīng)進(jìn)行保溫。

11)鹽水管道周邊通常濕度較大，應(yīng)將進(jìn)線口進(jìn)行密封處理，每次開蓋接線或調(diào)整設(shè)置后，應(yīng)檢查密封膠圈是否完好，并將端蓋擰緊，防止因進(jìn)水引起轉(zhuǎn)換器故障。

12)為了避免因鹽水中含有大量氣泡而使電磁流量計(jì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，可以采取以下措施：a.往鹽水中加入適量的有機(jī)硅消泡劑，可以有效消除鹽水中的氣泡；b.將鹽水箱液位維持在較高位置，也能減小因鹽水泵吸水而導(dǎo)致的吸氣現(xiàn)象；c.在鹽水管路最高處安裝放氣閥，定期排放管道中積聚的空氣。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

廣州地鐵十一號(hào)線某地鐵隧道橫通道凍結(jié)工程共設(shè)計(jì)凍結(jié)孔438個(gè)，單孔深度1.8 m～52.3 m，共分成90組，單組總延米數(shù)9.1 m～298.8 m，設(shè)計(jì)要求單孔流量不小于5 m3/h，各組延米數(shù)差異較大，流量不均的問(wèn)題比較突出，需要對(duì)各組流量進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，在每組凍結(jié)孔回水管處安裝1臺(tái)電磁流量計(jì)，實(shí)際安裝位置見圖3，電磁流量計(jì)主要技術(shù)參數(shù)如下：

型號(hào)：YSDLD-DN50；

公稱通徑：50 mm；

額定壓力：1.0 MPa；

襯里：四氟；

電極：316 L；

供電：DC220 V；

精度等級(jí)：0.5級(jí)；

信號(hào)輸出：RS485。

通過(guò)UT6008MT型串口服務(wù)器，將電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器輸出的RS485信號(hào)接入凍結(jié)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了凍結(jié)孔分組鹽水流量的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

3.2 測(cè)量應(yīng)用

2020年3月25日1號(hào)橫通道由于凍結(jié)孔內(nèi)積氣導(dǎo)致右側(cè)第19組流量偏小，采取添加有機(jī)硅消泡劑的措施來(lái)消除鹽水中的氣泡，處理過(guò)程如下：9:30往1號(hào)鹽水箱中添加10 kg消泡劑，10:00開始右側(cè)第19組流量逐步增大，期間流量偶有波動(dòng)，說(shuō)明孔內(nèi)空氣仍未排凈，次日0:40流量增大速度驟然加快，1:10流量增至最大值10.5 m3/h，并在此流量附近保持穩(wěn)定，說(shuō)明該組氣堵問(wèn)題已得到解決，7:55將該組流量調(diào)小到5.5 m3/h。

處理氣堵問(wèn)題期間，數(shù)據(jù)庫(kù)中間隔10 min存儲(chǔ)的右側(cè)第19組及周邊2組凍結(jié)孔鹽水流量變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，由于處理氣堵問(wèn)題期間鹽水泵閥門未進(jìn)行調(diào)節(jié)，在右側(cè)第19組凍結(jié)孔流量緩慢增大及調(diào)小的同時(shí)，周邊組凍結(jié)孔的流量呈反向緩慢變化，即鹽水總流量保持不變。

4 結(jié)語(yǔ)

廣州地鐵十一號(hào)線某地鐵隧道橫通道凍結(jié)工程通過(guò)應(yīng)用YSDLD-DN50型電磁流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)凍結(jié)工程凍結(jié)孔分組流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其能及時(shí)準(zhǔn)確 的反映各孔鹽水流量變化，從而實(shí)現(xiàn)了分組流量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

電磁流量計(jì)為類似的復(fù)雜布孔市政凍結(jié)工程的分組鹽水流量監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)有效手段。