水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設計探討

李莉，劉秀琴

(海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101)

水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設計探討

李莉，劉秀琴

(海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101)

水封洞庫工程是國家原油戰(zhàn)略儲備的重要手段，通過對地下工程監(jiān)測對象的簡要介紹，闡明了安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設置目的；并根據(jù)已建成的國內地下工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的實際情況，總結了系統(tǒng)的總體設計方案及設計原則；詳細介紹了系統(tǒng)各組成部分硬件的基本配置要求，概述了系統(tǒng)軟件的功能性需求。與此同時，對系統(tǒng)的供電、防雷以及現(xiàn)場設備的接地也提出了相應的要求。

水封洞庫 地下工程 洞室 水幕巷道 施工巷道 安全監(jiān)測

水封洞庫項目的建設包括地上工程和地下工程建設。其中，地上工程的輸油工藝與傳統(tǒng)的輸油工藝差別不大，對儲油洞罐、輸油設施、輸油管線、閥組、公用工程等的過程監(jiān)控通常采用SCADA系統(tǒng)[1]，并設計安全儀表系統(tǒng)(SIS)[2]用于執(zhí)行油庫的安全儀表功能。地上部分的過程監(jiān)控和安全聯(lián)鎖等自控專業(yè)內容屬于常規(guī)設計；水封洞庫地下工程的安全監(jiān)測儀表和自動化系統(tǒng)設計是一項亟待總結的新內容。文中根據(jù)中國已建成和正在建設的水封洞庫的實際情況，僅對安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設計進行總結。

1 水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)概述

水封洞庫地下工程主要由洞罐、水幕巷道、施工巷道、連接巷道以及豎井等設施組成。其中，洞罐、水幕巷道、施工巷道以及連接巷道由于深埋地下，無法被洞庫運營人員直觀地掌握生命周期內的具體情況。因此，對于涉及洞庫圍巖安全穩(wěn)定性、地下水壓力、水位狀況的監(jiān)測內容，必須納入水封洞庫的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中，作為監(jiān)測、分析及使用的數(shù)據(jù)長期保存。

2 水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設置

2.1 系統(tǒng)結構

水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采取分布式結構形式，共分為三層。最上層為上位機部分，包括監(jiān)測站、服務器及相關網(wǎng)絡通信設備；中間層為工控機部分，包括工控機及通信設備；最下層為觀測站，包括數(shù)據(jù)采集單元及通信設備。系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示。

2.2 安裝位置

水封洞庫項目的各洞罐按長方體平行擺放，并置于相同的深度，大型水封洞庫項目油品儲量大，占地面積廣；洞罐的埋設深度根據(jù)儲存油品的性質、壓力，巖體風化程度和地下水位的高低等因素確定[3]。上述原因導致從現(xiàn)場監(jiān)測儀表至工控機的信號傳輸距離過長，因而建議在設計時應根據(jù)水封洞庫的總平面布置，在地面非防爆區(qū)沿施工巷道的外圍設置合適的觀測站；各觀測站設數(shù)據(jù)采集單元，負責采集相應區(qū)域內的安全監(jiān)測儀表的遠傳信號。

圖1 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)拓撲結構示意

系統(tǒng)的上位機及工控機部分一般設置在水封洞庫項目的中心控制室，通過冗余光纜實現(xiàn)與現(xiàn)場觀測站的數(shù)據(jù)通信。

2.3 觀測站的設置

觀測站內設自動化監(jiān)測箱、數(shù)據(jù)采集單元及光端機等設備。根據(jù)水封洞庫地面的地形情況，為觀測站設置數(shù)據(jù)采集小屋，若附近地形不滿足數(shù)據(jù)采集小屋的安裝要求，則設置露天安裝式觀測站，自動化監(jiān)測箱采用壁掛式安裝方式。觀測站不得設置在具有強電磁干擾的設備附近，并應有良好的接地。露天觀測站必須加裝適當?shù)姆雷o措施，安裝方式如圖2所示。

圖2 露天觀測站的安裝方式示意

3 水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)配置要求

3.1 上位機的配置

上位機中配備的監(jiān)測站和服務器的選型建議與SCADA系統(tǒng)的操作站及服務器的選型保持一致，其配置指標不應低于SCADA系統(tǒng)相應設備的配置指標。

3.2 工控機的配置

工控機完成對數(shù)據(jù)采集單元的信號采集和數(shù)據(jù)處理工作[4]，工控機的數(shù)據(jù)處理包括： 數(shù)據(jù)可視化顯示、數(shù)據(jù)判斷、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)庫管理等[5]。在水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中，工控機負責接收數(shù)據(jù)采集單元的各類信號，并將處理后的數(shù)據(jù)上傳至服務器供上位機使用。

水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的工控機要求有較高運算速度和較大存儲容量，工控機應具有報警功能，系統(tǒng)自檢、自診斷功能，還應具有運行日志、故障日志記錄等功能。

3.3 數(shù)據(jù)采集單元的配置

利用工控機配合數(shù)據(jù)采集單元，完成對現(xiàn)場安全監(jiān)測儀表的信號采集任務，數(shù)據(jù)采集原理如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集原理示意

通過數(shù)據(jù)采集單元自檢、參數(shù)設置、單點測量、巡回測量以及定時測量，實現(xiàn)工控機與數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)采集單元與現(xiàn)場安全監(jiān)測儀表之間的信號傳輸。

數(shù)據(jù)采集單元應具有： 測量功能、控制功能、存儲功能、定時功能、通信功能、自檢自校功能、雷電保護功能、供電功能、抗電磁干擾功能[7]。

數(shù)據(jù)采集單元的采樣對象為電阻式、電容式、電感式、壓阻式、振弦式、光電式等具有不同測量原理的現(xiàn)場安全監(jiān)測儀表；其標準配置宜為8～32個通道[8]。

3.4 冗余化配置

為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行，上位機及工控機均采用冗余配置；監(jiān)測站、服務器、工控機、通信網(wǎng)絡均采用熱備冗余方式。

3.5 系統(tǒng)供電要求

上位機、工控機的供電與SCADA和SIS等統(tǒng)一采用UPS供電[9]，電源規(guī)格： 交流220 V(1±5%)，50 Hz±0.5 Hz，后備供電時間不小于30 min。設置專用配電箱為觀測站供電，觀測站本身應配備相互冗余的直流電源。

3.6 系統(tǒng)防雷要求

由于水封洞庫通常建設在山區(qū)，雷暴活動頻繁，因而系統(tǒng)必須進行防雷設計，上位機及工控機的防雷設計應符合文獻[10]的要求；觀測站內的數(shù)據(jù)采集單元必須采用防雷電路，電源也需配備防雷裝置。

4 水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)選型

4.1 總體要求

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)應采用技術成熟、有實際運營經驗的系統(tǒng)；應便于擴展，能夠滿足水封洞庫工程安全監(jiān)測與管理的需要。

4.2 系統(tǒng)選型

由于國內外廠商提供的系統(tǒng)集成產品各有優(yōu)缺點，設計時可根據(jù)已建成的水封洞庫地下工程安全監(jiān)測設計的具體情況，推薦采用性價比合適的產品，在集成后組成安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，并由系統(tǒng)集成商開發(fā)或提供適用于具體工程的監(jiān)測硬件和分析軟件。

5 水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)軟件的主要功能包括： 洞庫圍巖和支護結構變形監(jiān)測、地下工程微震監(jiān)測、地下水壓力監(jiān)測、地下水水質分析監(jiān)測等，主要完成在線采集、集中監(jiān)控、洞庫圍巖和支護結構變形可視化監(jiān)測、洞庫微震信號處理分析、微震事件三維顯示、地下水壓力可視化監(jiān)測、地下水水質可視化監(jiān)測、數(shù)據(jù)庫管理、圖形與報表制作、系統(tǒng)與資料管理、報警打印等內容。

5.1 洞庫圍巖和支護結構變形監(jiān)測功能

系統(tǒng)自帶可實現(xiàn)地下水封洞庫結構變形監(jiān)測的分析模型，可定量分析、預警地下工程的結構變形情況，并提供可視化顯示、報警及打印等功能。

通過采集設置于洞罐、水幕巷道、施工巷道等部位的多點位移計和錨桿應力計的信號，經過洞庫結構變形監(jiān)測模型的分析，可實現(xiàn)對地下工程的圍巖和支護結構變形監(jiān)測。其中，圍巖變形監(jiān)測包括對圍巖表面收斂、圍巖內部及表面變形、地質構造體位移等項目的監(jiān)測；支護結構監(jiān)測包括對支護錨桿應力及錨索應力、支護鋼格柵應力、襯砌混凝土鋼筋應力、混凝土應力應變、襯砌混凝土與圍巖結合面的變形監(jiān)測。

5.2 地下工程微震監(jiān)測功能

地下工程微震監(jiān)測功能覆蓋從水封洞庫施工到運營全過程的監(jiān)測工作，通過采集微震儀的信號，可對水封洞庫開挖過程中可能發(fā)生的巖體失穩(wěn)，如大范圍的冒頂、塌方等進行監(jiān)測預警，為施工優(yōu)化提供指導；并根據(jù)開挖后的圍巖變形監(jiān)測，做出是否存在巖體不穩(wěn)定性的判斷，以便決策是否暫停施工及確定作業(yè)人員重返開挖工作面的時間；可對區(qū)域內因水封洞庫施工和運營引起的斷層等地質構造活動進行評估；洞庫投用后提供一種先進的安防措施，實時監(jiān)測周邊劃定區(qū)域的爆破、機械施工等危險事件；洞庫運營期間，可以定量評估由于油量變化而產生的附加應力對洞室穩(wěn)定性的相關影響，可以對地下洞室中可能發(fā)生的塌方和冒頂及時做出評估、預警和分析等，為安全預警提供相關科學依據(jù)。

5.3 地下水壓力監(jiān)測功能

系統(tǒng)自帶可實現(xiàn)水封洞庫工程地下水壓力監(jiān)測的分析模型，包括洞罐滲壓監(jiān)測模型、地下水水位監(jiān)測模型。該功能可定量分析和預警地下工程的滲流異常、水封壓力變化的情況，并提供可視化顯示、報警及打印等功能。

通過采集洞室及洞罐間滲壓計的信號，結合洞罐滲壓監(jiān)測模型的分析，可以監(jiān)測由于圍巖變形或各洞罐儲油品種不同等原因引起的洞室與洞室、洞罐與洞罐間巖體水壓的變化，進而分析可能發(fā)生的滲流異常，以采取必要的預防措施。

通過采集水幕巷道及洞庫周邊的滲壓計信號，利用地下水水位監(jiān)測模型，實時監(jiān)測地下水水位，用于判斷儲油水封壓力，進而及時進行水幕補水，以保證洞庫水封的可靠性和安全性。

5.4 地下水水質分析監(jiān)測功能

在水封洞庫周邊一定范圍內設置水質監(jiān)測孔，運營人員定期對地下水進行采樣、檢測及分析，將檢測結果輸入安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)結果保存、打印等工作。

6 結束語

地下工程是水封洞庫的核心組成部分，選擇技術先進、安全可靠的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)是保證洞庫安全建設和運營的關鍵。因此，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的方案設計是水封洞庫工程設計的重要環(huán)節(jié)，設計者應給予足夠的重視。

[1] 蔡峰，張岑，李代甜.SCADA系統(tǒng)在石油管線中的應用[J].石油化工自動化，2007，43(02)： 58-59.

[2] 李勝利，盧金芳.石油化工裝置安全儀表系統(tǒng)的設計[J].石油化工自動化，2007，43(02)： 18-22.

[3] 劉秀琴，李莉.地下水封石洞油庫洞罐儀表的選型設計[J].石油化工自動化，2013，49(03)： 6-9.

[4] 萬紅.研華工控機在儲罐液位控制系統(tǒng)中的應用[J].電子儀器儀表用戶，2000(06)： 26-27.

[5] 羅記龍.研華工控機在惡劣環(huán)境下不間斷工作的應用實例[J].電子儀器儀表用戶，1997(01)： 22-25.

[6] 程洪波.大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)應用探討[J].安全監(jiān)測，2010(05)： 60-62.

[7] 葉桂萍.陳村大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應用[J].工程安全監(jiān)測技術，2006(01)： 66-69.

[8] 彭虹，盧有清，劉果，等.DL/T 5211—2005大壩安全監(jiān)測自動化技術規(guī)范[S].北京： 中國電力出版社，2005.

[9] 周懋忠，呂明倫，劉一笑.SH/T 3082—2003石油化工儀表供電設計規(guī)范[S].北京： 中國石化出版社，2004.

[10] 劉一笑，馬恒平，方留安，等.SH/T 3164—2012石油化工儀表系統(tǒng)防雷設計規(guī)范[S].北京： 中國石化出版社，2012.

Discussion on Design of Safety Supervised Automation System for Water Sealed Rock Caverns

Li Li, Liu Xiuqin

(Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd., Qingdao, 266101, China)

Water sealed rock cavern engineering is the important means for national crude oil storage. Through brief summarization for underground engineering’s supervised object, the setting aim of safety supervised automation system is illuminated. According to reality of safety supervised automation system in built underground engineering, the general system design scheme and principle are summarized. The configuration requirement of system’s composed hardware is introduced in detail. The functional requirement of system’s software is summed up. Besides, the requirement for system’s power supply, lightning surge protection and the field instrument’s grounding are also proposed.

underground rock caverns; underground engineering; cavern; water curtain tunnel; access tunnel; safety supervise

李莉(1982—)，女，2007年畢業(yè)于青島大學計算機應用技術專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)就職于海工英派爾工程有限公司自控室，從事石油化工自控設計工作。

TP277

B

1007-7324(2017)03-0008-03

稿件收到日期： 2017-01-10，修改稿收到日期： 2017-02-28。