映秀灣水電站泥沙濃度在線監測系統設計

吳曉冬，羅勇鋼，王昌林，魯志海，秦泰松，郝 俠

(1.國網四川省電力公司映秀灣水力發電總廠，四川 都江堰 611830 2.南瑞集團公司(國網電力科學研究院)，江蘇 南京 211100)

映秀灣水電站位于四川省汶川縣岷江上游干流上，年均發電量7.13 億kWh，是一座中型徑流引水式電站，電站多年平均過機含沙量0.33～0.37 kg/m3[1]。電站運行發電時，攜帶泥沙的高速水流對水輪機過流表面產生沖磨，造成機組磨蝕破壞，嚴重影響機組運行效率，甚至威脅水輪機組的安全運行，為此，加強對發電水體的泥沙濃度監測，對電站的科學調度具有重要意義[2,3]。

泥沙濃度的測定傳統上通常采用烘干法、過濾法等人工取樣分析方法，該類方法可以較準確的實現泥沙含量的測量[4]，但受人力資源及實驗室條件限制，這種測量結果與電站的發電記錄有明顯時滯，且分析次數通常較少，極易遺漏含沙量大的情況，不能準確反映流域泥沙濃度的變化情況。隨著科學技術不斷發展，國內外機構對泥沙濃度自動化測量技術進行了大量的研究，根據測量原理，主要有同位素測量法、超聲測量法、光學測量法、振動測量法等[5-8]，泥沙濃度自動化測量技術較好的避免了傳統測量方法的缺點和不足，其中，光學測量法具有設站簡單、實時性好、無二次污染等優點，可較好的滿足于發電水體泥沙濃度監測需求。

1 系統原理

本系統基于水體渾濁度與泥沙濃度的相關性實現水域泥沙濃度的測量[9,10]。當一束光線在水中遇到泥沙等懸浮微粒物時，光線會發生散射，其中，90°方向的散射光強符合米氏(MIE)定律[11]:

Is=KMANI0

(1)

式中：KM為米氏散射的散射系數；A為懸浮微粒表面積；N為單位體積水中的懸浮微粒數。

當懸浮微粒表面積和入射光強一定時，90°方向的散射光強與水樣渾濁度呈正比，即可根據90°方向散射光強的測量實現水體渾濁度的測量，進而經水體渾濁度與泥沙濃度率定后，即可通過濁度傳感器實現水樣泥沙濃度的測量。

2 系統設計

泥沙濃度在線監測系統設計由傳感器層、數據采集層及高級應用層三層結構組成，可根據需求實現多點泥沙濃度測量，現場數據顯示與現地控制、數據分析應用等功能，系統結構示意圖如圖1。

圖1 泥沙濃度在線監測系統示意圖Fig.1 Diagram of on-line monitoring system for sediment concentration

2.1 傳感器設計

傳感器可實現水域泥沙濃度的測量，是泥沙濃度在線監測系統的基礎。本系統采用符合ISO7027標準的散射式濁度傳感器進行濁度的測量，傳感器結構圖如圖2所示。

圖2 濁度傳感器結構圖Fig.2 Structure of Turbidity sensor

傳感器主要由光學部件、結構部件及清洗部件組成，光學部件是傳感器測量的核心，本系統濁度傳感器設計充分考慮泥沙測量特點和相關標準要求，采用880nm的近紅外光作為測量波長，可有效減弱日光等雜散光的影響。經準直的近紅外光入射水體后被泥沙等懸浮顆粒散射，并經90°方向設置的光電接收器接收后實現水體濁度測量。傳感器清洗部件可定時清洗傳感器測量光學部件，確保儀器長期測量的穩定性。此外，考慮到水體渾濁度通常為逐漸變化的過程，傳感器在數據處理中采用中值濾波算法設計，可有效抑制氣泡等偶然因素對測量的影響，提高傳感器測量可靠性。

2.2 數據采集裝置設計

數據采集裝置可實現傳感器測量數據采集與處理、現地控制及與上位機通訊等功能。本系統采集裝置采用機盒式結構設計，裝置的電源電路、保護電路、測量電路板安裝在機盒底部，作防塵防潮設計，充分滿足現場使用要求。采集裝置通過處理器實現數據采集和處理，并通過處理器擴展實現人機界面顯示、外部通信與電源管理等功能，采集裝置原理框圖如圖3所示。

圖3 數據采集裝置原理框圖Fig.3 Schematic diagram of data-acquisition device

考慮到系統的多點布設需求和可拓展性需求，設計的數據采集裝置與濁度傳感器采用RS485接口通信，并可同時連接多達16支濁度傳感器。此外，由于泥沙濃度與渾濁度相關性受水域泥沙特性影響[12]，為提高測量可靠性，數據采集裝置需通過泥沙濃度與濁度率定后進行相關參數設定，設定完成后，采集裝置即可同時存儲和輸出濁度測值和泥沙濃度測值。

2.3 高級應用設計

系統高級應用軟件可實現測量數據存儲和數據分析等功能，并為用戶提供本系統運行情況及測量情況的直觀展示。本系統高級應用軟件通過分層的體系結構設計和全組態結構設計等實現數據訪問、對外通信、圖形及報表建立、超限報警等功能，系統信息流程圖如圖4所示。

圖4 系統信息流程圖Fig.4 Flow chart of information system

本系統中，數據采集裝置將處理后的信號通過數據通信傳輸代理軟件傳入中心站數據庫，并在數據庫進行數據存儲。數據分析軟件通過數據服務代理從數據庫讀取數據信息，進行數據分析并通過圖表等方式對測量數據進行直觀展示，方便水電站管理人員及時掌握水域泥沙變化情況。

3 應用分析

3.1 現場實施

依據泥沙濃度在線監測系統設計要求，本系統在映秀灣水電站進行了安裝應用。結合現場情況和電站測量需求，工程人員在大壩兩側上游約50 m處各安裝傳感器一支，其中左岸傳感器位于電站取水口上游約10 m處，安裝位置示意圖如圖5(a)。根據水電站運行資料，電站運行水位為高程944.5 m，對此，本傳感器測量點設計水位為高程943 m，可確保傳感器可靠測量。考慮到汛期期間，流域水流急湍，本系統設計了傳感器安裝限位管以減緩傳感器晃動，同時傳感器通過鋼索連接安裝以方便傳感器維護。傳感器通過四芯屏蔽電纜與采集裝置連接，實現傳感器電源供給與數據采集。采集裝置與中心站通過網絡接口連接，并將數據采集裝置和系統中心站安裝在閘首值班室內，滿足現場測量需求和系統安裝要求，系統現場安裝方式示意圖如圖5(b)。

圖5 傳感器安裝圖Fig.5 Sensor installation diagram

3.2 數據分析

3.2.1 現場率定

依據系統測量需求，提取現場水域泥沙作為泥沙樣品，在0～3 kg/m3的濃度范圍內依次配制不同泥沙濃度的水樣進行傳感器率定，實驗結果如圖6所示。

圖6 濁度與泥沙濃度率定關系Fig.6 Rating relation between turbidityand sediment concentration

對實驗結果分析處理，泥沙濃度與濁度測值間的率定關系為：

Y=0.002 8XNTU-0.011 2

(2)

式中：XNTU為傳感器濁度測值；Y為泥沙濃度。

將上述線性相關參數輸入數據采集裝置，即作為泥沙在線監測系統計算輸出泥沙濃度值的參數。

3.2.2 穩定性分析

傳感器經率定后，泥沙濃度在線監測系統進入穩定運行。為檢驗系統運行穩定性，選取近20天的濁度測量數據進行分析，系統濁度測值變化趨勢如圖7所示。

圖7 系統測值變化趨勢Fig.7 Variation trend of the measurement value

數據分析表明，該泥沙濃度在線監測系統運行穩定，該段時間內，傳感器測值變化情況與現場水沙環境相符。

3.2.3 可靠性分析

為進一步驗證系統測量的可靠性，采用實驗室方法對測值進行了比測。實驗人員在2號傳感器側提取水樣，經實驗室過濾烘干后測量水域的泥沙含量，并在取樣的同時記錄本系統的濁度測值及泥沙濃度測值，實驗數據如表1。

表1 比測實驗結果Tab.1 Results of thecomparative experiments

比測實驗中，由于樣品取樣點與傳感器實際測量點的泥沙濃度難免存在誤差，且樣品取樣時間與傳感器實際測量時間也容易存時間差的影響，導致實驗室分析結果與系統泥沙濃度測值容易存在誤差。但是分析實驗數據，泥沙濃度在線監測系統測值與實驗室方法測試結果誤差基本在允許范圍內，表明本系統可靠性良好。

4 結 語

結合映秀灣水電站泥沙特點和濁度法測量泥沙濃度的優點，設計了一套泥沙濃度在線監測系統。系統以散射式原理的濁度傳感器為測量基礎，并依據泥沙監測需求設計了數據采集裝置和高級應用軟件，形成了傳感器層、數據采集層和高級應用軟件層三層獨立設計的系統結構，可實現水域泥沙濃度多點測量布設、數據實時監測和數據輔助分析等功能。系統在映秀灣水電站的應用表明，本系統運行穩定性良好，可靠性高，測值變化趨勢可較好的反應現場水沙環境的變化 情況，可為水電站的科學調度提供參考，具有較高的實用價值和推廣意義。

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