【www.zhangdahai.com--可行性研究报告】
刘高平
（中国核工业二四建设有限公司，河北 燕郊 065201）
随着“双碳”目标的提出，施工企业对降低能源消耗越来越重视。核电施工现场每天的施工过程均会使用到水、电、气，且每天都需排水，但施工中使用的水、电、气及现场排水为非主体工程，且施工现场对临时水、电、气的使用重视程度不足，导致能耗过大，同时排水不及时往往会使材料、设备被淹，造成重大损失。本文通过对智能水、电、气监测系统研究，通过系统生成任意时段或任意瞬间的用电、用水、用气曲线，大大降低了施工现场的能耗，同时降低排水不及时的风险。对重要用电设备进行状态及用电监测，得出用电曲线，监测设备的运行效率，及时替换运行低效的设备。及时发现用水、用电、用气异常，并及时处理减少能源浪费，寻求最大化降低能源无效的损耗。现场临时水、电、气的监测及计量均可在远端进行，降低了传统就地抄表计量方式的人工投入，同时远程终端可以自动记录现场实时水、电、气的使用量。自动对排水进行监测，去掉人工每天的现场积水坑检查，降低人工成本的同时还能够及时发现积水坑的液位是否发生异常，避免抽水不及时导致材料和设备损坏。
（1）传统的监测多使用普通的电表、水表，人工到现场抄表，无法实时记录现场水、电、气的使用状况，设备的利用率无法统计分析。
（2）核电工程施工中对于临时水、电仅对总量进行每月统计，未对各厂房和重要的设备水、电的用量进行统计分析。每月均需安排人员抄表，且抄表周期较长，无法及时发现现场水、电用量是否有异常。
（3）未对现场耗电量大的设备的运行效率进行重点监测，无法及时替换更低能耗的设备。
（4）未对现场用气量进行监测，需采用人工现场巡查的方式检查管网是否存在“跑、冒、滴、漏”的现象，需耗费大量的人力。
（5）传统排水采用浮球控制，但浮球受周边环境影响大，故障率高，无法远程监测积水的状况，无法远程控制水泵的运行。为保证现场积水及时排出，每天均需安排人员对现场的积水点进行巡查和抽排积水，需耗费大量人力。
针对传统监测方式存在的问题，通过调研市场上现有的智能监控设备，研究建立符合漳州核电项目部“华龙一号”实际工况的水、电、气监测系统，该系统智能化程度较高为全自动运行，可进行人工干预，现场仅需1名专人在办公室即可完成相关的监测工作，劳动强度低，系统的安全性和稳定性高。具体研究及应用如下。
2.1 智能用电监测系统
2.1.1 电流计算及电流互感器选型
根据用电设备铭牌计算用电设备电流大小，根据公式：
式中I为额定电流（A）；
P为额定功率（W）；
U为电压（V）；
φ为功率因素（0.7～0.85）。
用电设备电流大于100 A需加装电流互感器。
2.1.2 智能无线电表安装
（1）智能无线电表工作原理。智能用电监测系统主要通过智能无线电表对施工现场各厂房及主要的施工机械设备用电量进行实时监测。智能无线电表集成计量芯片将来自电压分压、电流互感器的相关信号转换为数字信号，并对其进行数字运算，从而精确地获得计量对象的有功电能和无功电能，微控制器依据相应比率和需量等规定对数据进行处理。其结果保存在数据存储器中，并随时向后台提供信息和进行数据交换，其工作原理如图1所示。
图1 智能无线电表工作原理图
（2）智能无线电表安装接线。根据产品说明书将电表安装在配电箱内或其他设备配电箱内，固定于固定架上或箱体内，应固定牢靠，做好防雨、防尘措施，对于大电流用电设备的监测，应根据所监测的电流值及电表的变比合理地选择电流互感器。电流互感器在满足电流额定值的前提下，变比应尽可能小，这样可以保证监测数据的精度，对于额定电流未超过电表允许通过电流应采用直入时，不增加电流互感器。安装时严格按照说明书中接线图进行作业，该环节重点在于接线正确，避免接线错误导致通电后电表损坏或监测数据错误。
2.1.3 智能无线电表调试及应用
智能无线电表安装接线无误后，插入流量卡与厂家基站及系统进行调试匹配。调试完成后智能无线电表投入试运行，试运行一周后无问题则正式投入使用，此时对现场重要设备实时状态、功率、用电量、电流、电压等进行监测和数据传输，并在系统上自动生成用电量、功率变化曲线。漳州核电现场将智能电表安装在塔吊上，通过智能电表监测塔吊各时段的运行效率，可以对塔吊利用率进行分析，找出塔吊使用率较低的时间段并加强管理。漳州核电现场采购并安装2台型三相四线智能电表，分别安装在大空压机和型空压机的主电源上。安装完成后对电表通电、联网进行调试，通过调试智能电表可以将现场空压机的运行数据（瞬时电流、累计功率、瞬时功率、累计电能、瞬时电压等参数）实时反馈至手机App和电脑的软件平台中，以下是智能电表记录设备的运行参数。安装空压机监测设备、监测空压机的运行功率、电流，通过查看设备的运行功率曲线与设备的功率进行对比可以分析出设备的利用率。查看空压机的运行情况，及时优化空压机选型，更换利用率高、能耗低的空压机设备。通过智能电表的使用，现场塔吊的利用率显著提升，大型设备的耗电量也大幅降低。通过对KRB等主要生产设备耗电量的监测，可以分析出设备单位产能的耗电量，为做实、做细企业定额提供数据参考。
2.2 智能用水监测系统
2.2.1 流量计及传感器安装
智能用水监测系统主要在管道上使用电磁流量计对现场用水量进行统计，电磁流量计工作原理基于法拉第电磁感应定律。测量流量时，流体流过垂直于流动方向的磁场，导电性流体的流动感应出一个与平均流速成正比的电势，因此要求被测的流动液体的电导率高于最低限度的电导率5 us/cm（电磁流量计理论上可以测量电导率大于5us/cm导电介质，但是实际测量中应保证电磁流量计使用在被测介质电导率在30 us/cm及以上（大于理论值一到两个数量级）的环境中，而且必须以在线测量得到的电导率值为基准）。其感应电压信号通过两个电极检出，并通过电缆或网络传送至转换器，经过模拟和数字的信号处理，将被测液体的瞬时流量和累计流量显示在转换器的显示屏上。
严格按照说明书要求安装电磁流量计，电磁流量计应水平安装，与管道连接应牢靠，安装时需注意管道内被测流体的流动方向与流量计流量外壳方向标记应保持一致，在传感器邻近管道进行焊接、切割、打磨等动火作业时，应采取隔离措施，防止流量计衬里受热脱落或变形。
2.2.2 试运行与应用
漳州核电在给水主管道上和各厂房的支管上安装电磁流量计，安装完成后试运行1周，运行无误后投入正式使用，对用水量进行计量，系统实时更新、记录并存储每一个流量计的年、月、日、时、分的水电量，并自动生成用水量曲线。可通过App轻松抄表，分析用水情况，改变了传统抄表（每周安排人员到现场进行手工抄表）方式。能够及时发现用水异常的现象，可以监测现场管网是否存在“跑、冒、滴、漏”现象。通过电磁流量计对给水管道的监测应用，及时处理多起异常情况，为项目部施工节约水资源，减少不必要的损耗。
2.3 智能用气监测系统
2.3.1 涡街流量计原理
智能用气监测系统主要使用涡街流量计对现场用气量进行统计，涡街流量计是以卡门和斯特罗哈尔有关旋涡的产生和旋涡与流量关系的理论为依据来测量气体、蒸汽及低黏度液体的流量的。在表体中垂直插入一根三角柱即旋涡的发生体，当表体中有介质流过时，在三角柱的后面交替产生方向相反有规则的卡门旋涡，其旋涡的分离频率F与介质的流动速度V成正比。通过传感头检测出旋涡的数量，就可以计算出流体流速，再根据流量计口径计算出被测介质的体积，通过与时间的数学运算可测定管内气体的流量。
2.3.2 试运行与应用
现场采购电磁流量计，安装在供气管网的主管道上和分叉支管的前端。安装完成后对流量计进行调试，通过调试后现场管网内的运行数据可以实时反馈至手机App和电脑的软件平台中，电磁流量计可监测并记录管道内气体瞬时流量和累计流量。通过安装气体流量监测设备与运行功率结合对比分析可以监测现场管道是否存在“跑、冒、滴、漏”的情况，并及时处理，降低空压机的无效能耗。“华龙一号”施工高峰期用气点超过1 000处，若每天安排人员到现场巡查管网是否存在漏气现象，则会投入较多人工。现场安装流量计后可在工人下班时查看主管上流量计的瞬时流量，即可发现是否存在“跑、冒、滴、漏”的现象。通过分别查看支管的流量可有效锁定漏气的区域。
2.4 智能排水监测系统
智能排水监测系统主要采用超声波传感器收集集水箱内水位高度，在水箱内液位达到设定排水高度时，自动启动水泵电进行排水，再通过中央处理模块将水箱内水位信息实时反馈给工作人员，且可以在App上远程控制水泵的启停。多元化自动报警方式，摒弃了传统人工加泵排水、人工现场巡视方式。多种方式自动报警，对现场积水进行全方位、无死角监视。通过移动通信将报警信息自动上传监控系统，以短信和软件消息通知的方式发送报警信息，同时现场发出异常警报声音及时有效地提醒现场施工人员，大大提高了水位应急响应速度，提高排水系统运行的有效性，提高现场排水系统稳定性，满足现场排水要求（如图2所示）。
图2 智能排水系统图
由于核电厂区占地面积普遍很大，在雨季施工时克服排水水系的复杂性保证排水系统的稳定性，保证施工进度尽可能不受影响等方面任重而道远，漳州核电项目部首次将排水系统与监测系统联动，实现了运维的自动化，漳州核电现场以集水箱作为汇水点，集水箱内设置22 kW、11 kW一大一小2台水泵组成水泵电机组，通过超声波传感器反应的不同水位来进行不同水位的排水方式。超声波液位计总量程为5 m，现场可设置低液位、中液位、高液位、高高液位，根据超声波传感器实时反映的数据，做到低液位时水泵不工作、中液位启动11 kW水泵、高液位时同时启动2台水泵、高高液位时报警。中央处理模块通过无线信号模块接收超声波传感器信号，将现场排水情况上传至PC端及移动端，并可控制水泵电机组的启停，形成可视化、可控化智能排水系统。漳州核电应用智能排水系统后，系统可直观地了解实时水位信息，同时人员通过App控制水泵的运行和停止，可智能地对各类信息进行及时处理，对突发事件警示，提高处理突发事件的能力，增加排水系统稳定性。同时现场无须每天安排人员巡查抽水，大大降低了施工成本。
综上所述，漳州核电项目部“华龙一号”成功应用了智能水、电、气监测系统，该系统智能化程度较高，为全自动运行，亦可人工干预，现场仅需1名专人在办公室即可完成相关的监测工作，劳动强度低，系统的安全性和稳定性高。现场水泵的启停根据设定的水位线进行自动启停及超水位报警和水泵故障报警。也可以在手机上和电脑上远程监测技术坑的水位，远程控制水泵的运行和停车。在管道上安装液体流量监测设备，监测现场管道是否存在“跑、冒、滴、漏”的现象，并及时处理，减少水资源的浪费。智能电表可以监测办公区下班时空调等用电设备是否关闭，及异常的用电情况，同时可以监测大型用电设备的运行功率及利用率，及时替换运行低效的设备。系统可生成任意时段或任意瞬间的用电、用水、用气曲线，最终形成一套适用于核电施工的临时用电、用水、用气参数，为后续核电施工提供数据参考，寻求最大化地降低能源无效的损耗，为实现碳达峰、碳中和目标做贡献。
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