濁度儀在映秀灣水電站泥沙濃度監(jiān)測中的應(yīng)用

唐明亮，倪 亮，張文淵，付 軍，代劍君

(1.國網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，四川 都江堰 611830;2.南瑞集團公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

在水力發(fā)電領(lǐng)域，尤其是徑流式水電站中，流域中的懸移質(zhì)泥沙容易直接進入水輪機組，導(dǎo)致機組過流部件受損，不僅明顯降低了水電站發(fā)電效率，而且還增加了維修的成本，嚴重影響水電站運行的經(jīng)濟效益［1-4］。實現(xiàn)懸移質(zhì)泥沙濃度的在線監(jiān)測，為水電站的科學(xué)調(diào)度提供參考依據(jù)，具有重要的經(jīng)濟意義和社會意義。

泥沙濃度的測定通常采用烘干稱重法，現(xiàn)場先采集水樣，過濾沙樣，烘干后稱重確定泥沙相對于水樣體積的比例。這種方法雖然精確，但操作復(fù)雜，不適合泥沙濃度的快速和連續(xù)測量。濁度法依據(jù)泥沙懸浮物對光線產(chǎn)生散射的原理，實現(xiàn)水體濁度的測定，具有測量實時性好，設(shè)站簡易方便等優(yōu)勢。根據(jù)特定條件下濁度與泥沙濃度的可轉(zhuǎn)換關(guān)系，在工程應(yīng)用中，通常將濁度轉(zhuǎn)換為泥沙濃度或直接用濁度替代表示泥沙濃度［5］。

本文結(jié)合懸移質(zhì)泥沙測量要求及濁度測量相關(guān)標準［6-7］，研制了一種基于90°散射光測量原理的濁度儀，并以該濁度儀為基礎(chǔ)，在映秀灣水電站建立了泥沙濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)。試驗室檢驗及現(xiàn)場應(yīng)用表明，該濁度儀測量重復(fù)性好，準確度高，通過泥沙濃度與濁度相關(guān)性率定后，能較好地反映水域泥沙濃度的變化趨勢。

1 測量原理

當(dāng)一束光在水中傳輸時，遇到介質(zhì)顆粒會發(fā)生不同角度的散射。根據(jù)光學(xué)理論，不同粒徑的介質(zhì)顆粒在單位體積的水樣產(chǎn)生的90°方向的散射光強度分別服從瑞利散射定理和米氏散射定理［8-9］。當(dāng)水中懸浮微粒的直徑小于入射光波長時，單位體積水樣產(chǎn)生的90°方向的散射光強度服從瑞利散射定律，即

式中，N為單位體積水樣中的懸浮微粒數(shù);I0為入射光強度;Is為散射光強度;n1和n2分別為懸浮微粒和水的折射率;λ為入射光波長;ν為單個懸浮微粒體積;r為懸浮微粒到散射光強測試點的距離;n1、n2、λ、r為常數(shù)。當(dāng)微粒體積與入射光強度一定時，Is與顆粒的濃度成正比。

當(dāng)水中懸浮微粒的直徑大于或等于入射光波長時，單位體積的水樣產(chǎn)生的90°方向的散射光強度服從米氏定律，即

式中，KM為米氏散射的散射系數(shù)(米氏系數(shù));A為懸浮微粒表面積。當(dāng)微粒表面積一定時，Is也與顆粒的濃度成正比。

2 濁度儀設(shè)計

結(jié)合水域泥沙測量需求，本濁度儀設(shè)計量程為0～1 000 NTU，并可根據(jù)需要擴展至1 200 NTU。濁度儀由儀表探頭和儀表控制器2個部分組成，探頭與控制器通過四芯屏蔽電纜連接。

2.1 儀表探頭設(shè)計

濁度儀探頭與待測水體直接接觸，實現(xiàn)水體濁度的測量。探頭主要由紅外傳感器、清洗裝置、控制電路、外殼及附件等部件組成。濁度儀探頭總體結(jié)構(gòu)見圖1。

2.1.1 紅外傳感器

圖1 濁度儀探頭結(jié)構(gòu)

紅外傳感器是濁度儀探頭的核心部件，其可根據(jù)指令產(chǎn)生測量所需的平行入射光，并接收經(jīng)懸浮微粒散射產(chǎn)生的90°散射光。紅外傳感器采用880 nm的近紅外LED發(fā)光管作為光源，其發(fā)光強度穩(wěn)定，譜帶較窄，工作壽命長，并可有效減少自然光中紅外輻射的干擾［10］。光源發(fā)出的紅外光通過準直透鏡后形成平行光束，平行光束經(jīng)水體中的懸浮顆粒散射后進入與入射平行光成呈90°方向的光敏元件，并經(jīng)光敏元件轉(zhuǎn)換輸出可測的電壓信號。在光敏元件前部還設(shè)計有光闌和濾光片，從而有效抑制雜散光對測量的干擾。紅外傳感器示意見圖2。

圖2 紅外傳感器示意

2.1.2 清洗裝置

濁度儀探頭長時間浸泡在水中，其測量光窗極易受污染物質(zhì)附著而影響測量。對此，本濁度儀探頭設(shè)計有機械清洗裝置。清洗裝置由清洗刷、微型電機、聯(lián)軸器、磁鋼、霍爾開關(guān)等構(gòu)成。微型電機帶動清洗刷旋轉(zhuǎn)，并通過磁鋼和霍爾開關(guān)配合實現(xiàn)啟停位置的控制，從而實現(xiàn)對探頭測量光窗的清洗。

2.1.3 控制電路

探頭控制電路實現(xiàn)對探頭紅外傳感器測量控制和清洗裝置控制。控制電路為紅外傳感器的光源提供穩(wěn)定、可靠的恒流電源，并對光敏元件采集的光電信號進行處理，確保測量的準確性。此外，控制電路通過對清洗裝置電機的控制可實現(xiàn)對探頭測量光窗的清洗，確保測量的長期穩(wěn)定性。探頭控制電路見圖3。

圖3 控制電路

2.2 儀表控制器設(shè)計

儀表控制器可實現(xiàn)濁度及泥沙濃度的實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲及與上位機通訊等功能。儀表控制器整體呈機盒式結(jié)構(gòu)，并采用液晶觸摸屏設(shè)計。濁度儀探頭通過RS485接口接入儀表控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。控制器通過觸摸屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和人機交互等功能。同時，可通過以太網(wǎng)連接方式與上位機通信，實現(xiàn)濁度儀遠程參數(shù)設(shè)置及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。儀表控制器原理見圖4。

圖4 儀表控制器原理

2.3 數(shù)據(jù)處理

在低濁度范圍內(nèi)，90°方向的散射光強與被測液的濁度具有良好的線性關(guān)系。但隨著濁度值逐漸增高，由于二次散射等因素的影響，散射光強與濁度測量線性關(guān)系逐漸降低。對此，本濁度儀采用分段線性擬合的數(shù)據(jù)處理方式，提高儀器測量的可靠性。考慮到水體濁度通常為逐漸變化的過程，濁度儀采用中值濾波算法，可有效抑制氣泡等偶然因素對測量的影響。

泥沙濃度與濁度的相關(guān)性受水域泥沙特性的影響。為提高測量的可靠性，儀器需通過泥沙濃度與濁度率定后進行相關(guān)參數(shù)設(shè)定，設(shè)定完成后，濁度儀即可同時輸出濁度和泥沙濃度示值。

3 性能測試

為檢驗濁度儀的性能，根據(jù)國家相關(guān)標準和技術(shù)要求［11-12］，配制了4 000 NTU的福爾馬肼標準濁度液和經(jīng)0.2 μm終端過濾制備的超純水，并對濁度儀校正后進行性能測試。

3.1 重復(fù)性

稀釋配制800 NTU(量程值的80%)的標準濁度液并混合均勻，將儀表探頭置于該濁度液中重復(fù)測定9次，所得儀器重復(fù)性數(shù)據(jù)見圖5。利用貝塞爾公式計算儀器的重復(fù)性，可得儀器重復(fù)性為0.23%，滿足儀器設(shè)計要求。

圖5 重復(fù)性數(shù)據(jù)

3.2 準確度

稀釋配制500 NTU(量程中間值)的標準濁度液并混合均勻，將儀表探頭置于該濁度液中重復(fù)測定6次，求出測量平均值與標準溶液濁度值之差相對于量程中間值的百分率，測試數(shù)據(jù)見表1。由表1數(shù)據(jù)計算得到其準確度為1.97%，滿足儀器設(shè)計要求。

表1 試驗數(shù)據(jù)

4 工程應(yīng)用

濁度儀經(jīng)第三方驗證后，在映秀灣水電站進行了工程試用，并以本濁度儀為基礎(chǔ)搭建了該水電站泥沙濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)安裝示意見圖6。該系統(tǒng)中，濁度儀探頭通過限位承壓管浸入水中，并通過鋼索連接固定，可方便探頭維護;儀表控制器放置在閘首值班室內(nèi)，可方便測量數(shù)據(jù)查看和參數(shù)設(shè)置;探頭和控制器通過四芯電纜連接實現(xiàn)電源供給和數(shù)據(jù)傳輸;儀表控制器通過以太網(wǎng)與上位機通訊，進而直觀地展示測量水域濁度及泥沙濃度的變化情況，實現(xiàn)濁度和泥沙濃度的實時監(jiān)測。

圖6 泥沙濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 現(xiàn)場率定

在映秀灣水電站閘首取水口采集水樣，過濾提取水樣中的泥沙，經(jīng)恒溫烘箱烘干后，即為率定用泥沙試樣。用超純水和泥沙試樣配制不同體積濃度的濁水，攪拌均勻后進行率定試驗，試驗結(jié)果見表2。每一測量結(jié)果為6個測值的平均值。

表2 現(xiàn)場濁度率定試驗結(jié)果

對標定的泥沙濃度與濁度測量的平均值進行線性回歸分析，結(jié)果見圖7。從圖7可知，兩者的率定轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為

圖7 濁度與泥沙含量率定關(guān)系

式中，XNTU為濁度測值;Y為標定的泥沙濃度。在1 000 NTU以內(nèi)，其相關(guān)系數(shù)R2高達0.998，表明兩者具有高度的相關(guān)性，其轉(zhuǎn)換公式具有較高的應(yīng)用性。將上述線性關(guān)系參數(shù)輸入儀表控制器，即可作為泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)計算輸出泥沙濃度值的參數(shù)。

4.2 數(shù)據(jù)分析

泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)投入到映秀灣水電站使用后，選取近20 d的測量數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的應(yīng)用效果，系統(tǒng)的測值變化趨勢見圖8。數(shù)據(jù)分析表明，該泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，該時間段內(nèi)濁度測值和泥沙濃度的變化與現(xiàn)場的水沙環(huán)境相符，映秀灣水電站泥沙濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)可較好地滿足現(xiàn)場的監(jiān)測需求。

圖8 泥沙濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)測值

由于濁度儀在校準和測量時不僅受到泥沙濃度的影響，而且還與泥沙的成分、顆粒大小、表面性質(zhì)等因素有關(guān)。在應(yīng)用過程時，應(yīng)充分考慮泥沙變化對率定關(guān)系的影響，并根據(jù)實際的水沙變化情況對率定公式進行調(diào)整，以達到準確測量的效果。

5 結(jié)語

本文根據(jù)濁度測量相關(guān)標準和流域的泥沙濃度測量特點，設(shè)計了一種基于90°散射光原理的濁度儀，并以該濁度儀為基礎(chǔ)，建立了映秀灣水電站泥沙濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對發(fā)電水體泥沙濃度的在線監(jiān)測。應(yīng)用表明，該濁度儀測量可靠性良好，濁度儀測值與泥沙濃度具有良好的線性關(guān)系，率定后能較好地實現(xiàn)泥沙濃度的在線監(jiān)測，可及時反映監(jiān)測水域發(fā)電水體的泥沙變化情況，輔助水電站管理人員及時進行調(diào)度決策。

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