電磁流量計在市政凍結工程監測中的應用

溫 漢 宏

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

0 引言

在凍結工程中，為保證凍結壁均勻發展，要求各凍結孔鹽水流量均衡。在井筒凍結工程中，普遍具有孔數少、孔深長且統一的特點，通常都是進行單孔鹽水循環。由于各孔深度一致，在鹽水干管中安裝電磁流量計以監測鹽水總流量，采用串接機械水表的方式測量單孔流量，在凍結孔回水管上安設溫度測點，根據各孔回水溫度的高低對比，來判斷單孔鹽水流量是否均衡。然而，鹽水流量變化時，回水溫度往往滯后反應，而機械水表會影響鹽水的正常流動，只能作為臨時測量手段[1，2]。

隨著人工凍結技術越來越多的應用于大型地鐵隧道施工，凍結設計呈現孔數多、孔深短且長短不一的趨勢，并且通常會將幾個凍結孔串連成組進行鹽水循環，由于各組凍結孔總延米數很難保持一致，往往需要對各組流量進行平衡調整。在市政凍結工程中，除了鹽水干管，還需要在分組凍結孔管路中安裝電磁流量計，以對分組鹽水流量進行持續的精確化監測。

本文對電磁流量計在市政凍結工程分組鹽水流量監測中的應用進行研究，結合電磁流量計的原理、結構以及特點[3,4]，明確了安裝技術要求，并在廣州地鐵十一號線某地鐵隧道橫通道凍結加固工程中成功應用。

1 電磁流量計

1.1 電磁流量計的測量原理

電磁流量計是應用法拉第電磁感應定律而制成(見圖1)，即：將流體作為一種導電體，導電體在磁場中運動，切割磁力線從而產生感應電動勢，感應電動勢的大小又和液體的流量大小成正比，可以通過測量電動勢變化來反映管道內液體流量的變化。

1.2 電磁流量計的結構

電磁流量計的結構包含傳感器和轉換器兩個部分(見圖2)，傳感器負責測量管道中流體的瞬時流量，并將所測流量的感應電動勢信號輸送到轉換器中。轉換器則負責將接收到的感應電動勢信號放大，并轉換成實際流量值進行顯示，還可以輸出4 mA～20 mA標準電流信號或RS485信號，實現管道流量的遠距離自動化監測。

1.3 電磁流量計的特點

電磁流量計具有如下主要特點：

1)結構簡單，傳感器內無阻流部件，管道壓力損失小，對所測液體的流動干擾小。

2)測量結果不受所測管道內液體的溫度、密度、壓力和粘度的影響，工作可靠，而且有較高的測量精度。

3)無機械慣性，反應靈敏，可以測量流體的瞬時脈動流量，有較好的線性，可以將所測電勢信號轉換成標準信號輸出，通常有一體顯示與分體顯示兩種模式，可滿足多種應用場景。

4)根據所測液體切割磁力線方向的不同，電磁流量計可以測量流體的正反向流量值。

5)量程范圍較大，量程比高達1∶100，測量結果只與所測流體的平均流速有關，而與軸對稱分布下的紊流或層流狀態無關。

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

2 電磁流量計的安裝要求

為確保電磁流量計測量的準確性，安裝時應滿足以下要求：

1)電磁流量計公稱通徑應與所測鹽水管道的管徑大小一致，當傳感器口徑小于鹽水管道時，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，電磁流量計應選配耐腐蝕性良好的傳感器襯里和電極。

3)安裝時應保證鹽水流動方向與殼體所標流動方向一致，若發現兩者不一致時，應調整傳感器的安裝方向，或者修改轉換器中關于液體流動方向的設置。

4)為防止氯化鈣結晶及其他雜質沉積，安裝位置應避開鹽水管道最低處。

5)為防止因為傳感器內液體不滿管而產生測量誤差，安裝位置應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的管道等易產生空管現象的地方。

6)為保證通過電磁流量計的鹽水流動平穩，傳感器安裝位置前后直管段長度要求如下：進水端直管段大于5倍管道內徑，出水端直管段大于3倍管道內徑，從電極軸線開始測量。

7)為保證測量準確，安裝時應保證電磁流量計的電極軸線近似在水平方向。

8)為避免因電磁干擾而產生測量誤差，應將傳感器與轉換器的接地極進行可靠接地，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，搬運過程中應避免傳感器內襯及轉換器受力，安裝鹽水管道時應預留電磁流量計的位置，待焊接作業完成后再安裝電磁流量計。

10)由于鹽水溫度較低，為防止鹽水管道結霜越結越大，影響轉換器正常工作，鹽水管道及傳感器外殼應進行保溫。

11)鹽水管道周邊通常濕度較大，應將進線口進行密封處理，每次開蓋接線或調整設置后，應檢查密封膠圈是否完好，并將端蓋擰緊，防止因進水引起轉換器故障。

12)為了避免因鹽水中含有大量氣泡而使電磁流量計產生測量誤差，可以采取以下措施：a.往鹽水中加入適量的有機硅消泡劑，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致的吸氣現象；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 工程應用

3.1 工程概況

廣州地鐵十一號線某地鐵隧道橫通道凍結工程共設計凍結孔438個，單孔深度1.8 m～52.3 m，共分成90組，單組總延米數9.1 m～298.8 m，設計要求單孔流量不小于5 m3/h，各組延米數差異較大，流量不均的問題比較突出，需要對各組流量進行平衡調節，在每組凍結孔回水管處安裝1臺電磁流量計，實際安裝位置見圖3，電磁流量計主要技術參數如下：

型號：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：0.5級；

信號輸出：RS485。

通過UT6008MT型串口服務器，將電磁流量計轉換器輸出的RS485信號接入凍結實時監測系統，實現了凍結孔分組鹽水流量的自動化監測。

3.2 測量應用

2020年3月25日1號橫通道由于凍結孔內積氣導致右側第19組流量偏小，采取添加有機硅消泡劑的措施來消除鹽水中的氣泡，處理過程如下：9:30往1號鹽水箱中添加10 kg消泡劑，10:00開始右側第19組流量逐步增大，期間流量偶有波動，說明孔內空氣仍未排凈，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定，說明該組氣堵問題已得到解決，7:55將該組流量調小到5.5 m3/h。

處理氣堵問題期間，數據庫中間隔10 min存儲的右側第19組及周邊2組凍結孔鹽水流量變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，由于處理氣堵問題期間鹽水泵閥門未進行調節，在右側第19組凍結孔流量緩慢增大及調小的同時，周邊組凍結孔的流量呈反向緩慢變化，即鹽水總流量保持不變。

4 結語

廣州地鐵十一號線某地鐵隧道橫通道凍結工程通過應用YSDLD-DN50型電磁流量計，實現了對凍結工程凍結孔分組流量的實時監測，其能及時準確 的反映各孔鹽水流量變化，從而實現了分組流量的精準調節。

電磁流量計為類似的復雜布孔市政凍結工程的分組鹽水流量監測提供了一個有效手段。