長(zhǎng)距離輸水工程壓力管線流量壓力調(diào)節(jié)信息化控制

褚海波

(三門峽市水資源管理處，河南 三門峽 472000)

0 引言

三門峽市槐扒黃河提水工程是河南省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，提水工程總規(guī)模從黃河提水流量7 m3/s，其中一期工程提水流量3 m3/s，二期工程提水流量4 m3/s，分四級(jí)提水，提水總揚(yáng)程359 m，輸水干線總長(zhǎng)31.17 km，渠系建筑物39座，其中泵站4座，沉砂池3座，隧洞7條，渡槽7座，倒虹8座，架空管7座及分水閘、增壓站、分水口等。輸水干線明渠8段共長(zhǎng)2180 m，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土壓力管道長(zhǎng)17.5 km，另建中型調(diào)節(jié)水庫一座。黃河水在含沙量大于50 kg/m3時(shí)，或黃河水位低于設(shè)計(jì)最低取水位246 m的情況下，渠首泵站無法提水，由水庫調(diào)節(jié)供水。

1 存在問題

由于用戶用水量的變化，需要經(jīng)常對(duì)22 km范圍內(nèi)的十幾個(gè)閘、閥門人工現(xiàn)場(chǎng)操作調(diào)節(jié)，手動(dòng)提升2 m×2.2 m閘門1 m需要30 min，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能快速調(diào)節(jié)流量、壓力。在二十多千米混凝土預(yù)應(yīng)力壓力管線上，只有較少的流量計(jì)和機(jī)械壓力計(jì)，監(jiān)測(cè)手段僅靠人工現(xiàn)場(chǎng)蹲守觀測(cè)，電話把數(shù)值報(bào)送給調(diào)度室，然后由調(diào)度室下達(dá)指令進(jìn)行操作。這種落后手段，不能做到混凝土預(yù)應(yīng)力管壓力的快速有效調(diào)節(jié)，流量合理控制。由于用戶需水量少，混凝土預(yù)應(yīng)力管沒有在設(shè)計(jì)狀態(tài)下運(yùn)行，管道經(jīng)常處于非均勻流狀態(tài)，管道處于滿管和非滿管之間，壓力變化較大，供水管網(wǎng)最大靜水壓力達(dá)93.8 m，管網(wǎng)中的壓力由于不能及時(shí)隨用水的谷、峰調(diào)節(jié)，造成管道局部壓力增大，超過管子承壓，壓力管道接頭處尤其薄弱，每年都要發(fā)生1～2次爆管漏水事故，重點(diǎn)用水企業(yè)不得不停產(chǎn)、減產(chǎn)、極大地影響企業(yè)生產(chǎn)效益，城市居民飲水也受到了一定影響。

2 解決思路

對(duì)解決此類爆管漏水事故，提出利用現(xiàn)代電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水力參數(shù)信息實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、閘閥等設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。由于長(zhǎng)距離壓力管線上水利設(shè)施和儀表點(diǎn)多面廣，實(shí)現(xiàn)信息監(jiān)測(cè)和設(shè)備遠(yuǎn)程控制，通信網(wǎng)絡(luò)選擇尤為重要。

3 通信方式選擇

目前配網(wǎng)通信系統(tǒng)在使用的技術(shù)方案有光纖通信、中壓載波通信、無線公網(wǎng)通信、無線專網(wǎng)通信等。其中，光纖通信完全滿足配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)通信的可靠性、實(shí)時(shí)性、雙向性的要求。但是，長(zhǎng)距離光纖通信建設(shè)費(fèi)用較高，且系統(tǒng)的可擴(kuò)充性、維護(hù)的方便性較差。無線公網(wǎng)是指由公網(wǎng)通信運(yùn)營(yíng)商建設(shè)并且對(duì)公眾開放的通信網(wǎng)絡(luò)。無線公網(wǎng)對(duì)用戶的數(shù)量沒有限制，用戶無需建網(wǎng)和維護(hù)，具有建設(shè)周期短、業(yè)務(wù)開展快、初期網(wǎng)絡(luò)成本低等特點(diǎn)[1]。隨著2G(GPRS)、3G、4G無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，不斷為管網(wǎng)自動(dòng)化的通信系統(tǒng)提供了新的解決方案。2G(GPRS)、3G、4G無線通信在建設(shè)費(fèi)用、施工難度、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等方面比其他通訊方式更具有優(yōu)勢(shì)。在使用中，從2010年～2015年間，分別使用了2G(GPRS)、3G、4G無線通信技術(shù)。2G網(wǎng)絡(luò)中的GPRS數(shù)據(jù)通信技術(shù)是一個(gè)采用GSM技術(shù)體制實(shí)現(xiàn)的通用分組無線業(yè)務(wù)統(tǒng)，具有覆蓋范圍廣，流量費(fèi)用低，適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度和保證率要求不高野外數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)中語音和數(shù)據(jù)占用相同的網(wǎng)絡(luò)資源，并且根據(jù)保證語音相對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有優(yōu)先權(quán)，因此一旦語音業(yè)務(wù)負(fù)載過高，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)就無法得到保障，甚至出現(xiàn)業(yè)務(wù)中斷的情況。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，GPRS系統(tǒng)的一次通信成功率低于90%，無線公網(wǎng)GPRS終端在線率(終端在線時(shí)長(zhǎng)/總統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng))約為85%，有時(shí)出現(xiàn)斷網(wǎng)情況，影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)完全可靠傳輸[2]。隨著3G、4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)和普及，進(jìn)行升級(jí)改造。由于3G、4G技術(shù)語音和數(shù)據(jù)分離，分別放在不同的網(wǎng)絡(luò)資源上承載，互不影響，因此能保證更高的通信成功率和在線率，完全滿足壓力管道流量、壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和閘閥的遠(yuǎn)程可靠控制[3]。

4 更新改造

4.1 在輸水管道上裝設(shè)流量計(jì)、壓力表及采集裝置

在20 km輸水管線關(guān)鍵位置裝設(shè)壓力計(jì)和流量計(jì)，根據(jù)不同情況，裝設(shè)插入式電磁流量計(jì)或管道式流量計(jì)，流量計(jì)轉(zhuǎn)換器具有RS232或RS485串口通信功能，管道式電磁流量計(jì)精度在0.5%以上，插入式電磁流量計(jì)精度控制在2%；每隔3 km～4 km和需要調(diào)節(jié)壓力的閘閥門前后端安裝壓力計(jì)，具有數(shù)字量或模擬量輸出功能，精度控制在0.1%。每處流量計(jì)和壓力計(jì)處裝設(shè)具備3G、4G通信功能的DTU無線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)備，實(shí)時(shí)傳輸壓力管道壓力、水位、流量數(shù)值。

4.2 閘、閥更新改造

對(duì)原有10個(gè)閘閥進(jìn)行手動(dòng)改電動(dòng)控制改造。拆除閘門原有手動(dòng)啟閉機(jī)和閥門手動(dòng)控制渦輪裝置，更換為帶渦輪箱的多回轉(zhuǎn)電動(dòng)控制裝置，閘門啟閉精度小于5 mm，閥門啟閉精度小于1%，電動(dòng)裝置工作電壓為380 V，具備缺相、過力矩保護(hù)、相序自動(dòng)調(diào)整、現(xiàn)地遠(yuǎn)控轉(zhuǎn)換、閥位模擬量輸出功能。電動(dòng)閘閥達(dá)到在2分鐘以內(nèi)完成啟閉。

4.3 建設(shè)閘閥控制現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)

閘閥門處安裝PLC控制柜，由于每處閘閥控制所需數(shù)字量和模擬量較少，選擇小型PLC即可滿足要求。每處PLC控制柜安裝3G、4G的DTU無線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)備，進(jìn)行監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)和PLC通訊。為保證電源的可靠性，根據(jù)負(fù)載大小，安裝可滿足2×24 h使用的UPS不間斷電源。

4.4 電源防雷系統(tǒng)

為保證電源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，防止從電源線、通信設(shè)備與傳感器間的信號(hào)引入雷電損壞設(shè)備。在配電箱處安裝380/60 kA防雷模塊，在流量計(jì)、壓力計(jì)儀表監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝220/40 kA模塊浪涌保護(hù)器。在野外閘閥控制室安裝避雷針、引下線、和接地極，并進(jìn)行等電位連接。接地線不小于10 mm2，連接導(dǎo)線不小于6 mm2，并對(duì)接地進(jìn)行處理，使接地電阻值小于4 Ω。

4.5 通信傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)內(nèi)各種數(shù)據(jù)，包括水位、壓力、流量、水量、閘控?cái)?shù)據(jù)(含閘閥門開度)，所有數(shù)據(jù)通過無線傳輸終端接入無線網(wǎng)絡(luò)，信息控制中心的計(jì)算機(jī)接入有線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸和交換均通過無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)使系統(tǒng)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互平臺(tái)，使信息高效傳輸、充分共享[4]。

4.6 監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)

包括信息采集管理子系統(tǒng)、閘、閥門控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)；建設(shè)一套完整的調(diào)度中心數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及組態(tài)軟件系統(tǒng)，由信息采集以及閘門監(jiān)控等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集或監(jiān)測(cè)的流量、壓力、閘門閥門開啟度等數(shù)據(jù)在無線及有線網(wǎng)絡(luò)的支撐下轉(zhuǎn)入調(diào)度中心數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、顯示、數(shù)據(jù)請(qǐng)求以及曲線顯示、報(bào)表打印輸出等信息管理工作，設(shè)定各監(jiān)控點(diǎn)位的壓力、流量讀數(shù)等報(bào)警限值，當(dāng)出現(xiàn)被監(jiān)控點(diǎn)位數(shù)據(jù)異常時(shí)可自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；通過組態(tài)軟件仿真官網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)各站點(diǎn)閘閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程啟閉調(diào)節(jié)控制。在配套軟件的輔助下，通過客戶端軟件方便地訪問實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)為實(shí)現(xiàn)信息共享以及統(tǒng)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)服務(wù)，形成一套統(tǒng)一完整的信息管理平臺(tái)。

5 結(jié)語

在長(zhǎng)距離輸水壓力管線上裝設(shè)流量計(jì)、壓力計(jì)及其采集裝置，通過2G(GPRS)、3G、4G等DTU設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制中心計(jì)算機(jī)、建立數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道運(yùn)行狀況；閘、閥門采用PLC作為主控，利用2G(GPRS)、3G、4G無線通信終端遠(yuǎn)程通信，監(jiān)控中心管理人員依托各用水戶用水量及流量大小，實(shí)時(shí)觀測(cè)管道壓力和流量數(shù)值，調(diào)節(jié)閥門開度大小，以達(dá)到調(diào)節(jié)流量、控制壓力保障壓力管道安全運(yùn)行目的。以較少的投資實(shí)現(xiàn)流量、壓力、閥位等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和閘閥門的遠(yuǎn)距離啟閉調(diào)節(jié)控制，做到監(jiān)控點(diǎn)無人值守，減輕管理人員勞動(dòng)強(qiáng)度，降低供水成本。經(jīng)過近10年的運(yùn)行，再也沒有發(fā)生爆管事故，確保了長(zhǎng)距離預(yù)應(yīng)力混凝土管道安全運(yùn)行，提高了供水可靠性和保證率，取得了良好的社會(huì)評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益。