長距離輸水工程壓力管線流量壓力調節信息化控制

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建設項目，提水工程總規模從黃河提水流量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，分四級提水，提水總揚程359 m，輸水干線總長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2180 m，預應力鋼筋混凝土壓力管道長17.5 km，另建中型調節水庫一座。黃河水在含沙量大于50 kg/m3時，或黃河水位低于設計最低取水位246 m的情況下，渠首泵站無法提水，由水庫調節供水。

1 存在問題

由于用戶用水量的變化，需要經常對22 km范圍內的十幾個閘、閥門人工現場操作調節，手動提升2 m×2.2 m閘門1 m需要30 min，費時費力，不能快速調節流量、壓力。在二十多千米混凝土預應力壓力管線上，只有較少的流量計和機械壓力計，監測手段僅靠人工現場蹲守觀測，電話把數值報送給調度室，然后由調度室下達指令進行操作。這種落后手段，不能做到混凝土預應力管壓力的快速有效調節，流量合理控制。由于用戶需水量少，混凝土預應力管沒有在設計狀態下運行，管道經常處于非均勻流狀態，管道處于滿管和非滿管之間，壓力變化較大，供水管網最大靜水壓力達93.8 m，管網中的壓力由于不能及時隨用水的谷、峰調節，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，每年都要發生1～2次爆管漏水事故，重點用水企業不得不停產、減產、極大地影響企業生產效益，城市居民飲水也受到了一定影響。

2 解決思路

對解決此類爆管漏水事故，提出利用現代電子技術、無線通信技術、計算機及網絡技術，實現水力參數信息實時在線監測、閘閥等設備遠程自動化控制。由于長距離壓力管線上水利設施和儀表點多面廣，實現信息監測和設備遠程控制，通信網絡選擇尤為重要。

3 通信方式選擇

目前配網通信系統在使用的技術方案有光纖通信、中壓載波通信、無線公網通信、無線專網通信等。其中，光纖通信完全滿足配網自動化系統對通信的可靠性、實時性、雙向性的要求。但是，長距離光纖通信建設費用較高，且系統的可擴充性、維護的方便性較差。無線公網是指由公網通信運營商建設并且對公眾開放的通信網絡。無線公網對用戶的數量沒有限制，用戶無需建網和維護，具有建設周期短、業務開展快、初期網絡成本低等特點[1]。隨著2G(GPRS)、3G、4G無線通信技術的不斷發展，不斷為管網自動化的通信系統提供了新的解決方案。2G(GPRS)、3G、4G無線通信在建設費用、施工難度、運行維護費用等方面比其他通訊方式更具有優勢。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。2G網絡中的GPRS數據通信技術是一個采用GSM技術體制實現的通用分組無線業務統，具有覆蓋范圍廣，流量費用低，適用于對數據傳輸速度和保證率要求不高野外數據采集。系統中語音和數據占用相同的網絡資源，并且根據保證語音相對于數據業務有優先權，因此一旦語音業務負載過高，數據業務就無法得到保障，甚至出現業務中斷的情況。經過統計，GPRS系統的一次通信成功率低于90%，無線公網GPRS終端在線率(終端在線時長/總統計時長)約為85%，有時出現斷網情況，影響系統數據完全可靠傳輸[2]。隨著3G、4G網絡系統的建設和普及，進行升級改造。由于3G、4G技術語音和數據分離，分別放在不同的網絡資源上承載，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、壓力數據的實時采集和閘閥的遠程可靠控制[3]。

4 更新改造

4.1 在輸水管道上裝設流量計、壓力表及采集裝置

在20 km輸水管線關鍵位置裝設壓力計和流量計，根據不同情況，裝設插入式電磁流量計或管道式流量計，流量計轉換器具有RS232或RS485串口通信功能，管道式電磁流量計精度在0.5%以上，插入式電磁流量計精度控制在2%；每隔3 km～4 km和需要調節壓力的閘閥門前后端安裝壓力計，具有數字量或模擬量輸出功能，精度控制在0.1%。每處流量計和壓力計處裝設具備3G、4G通信功能的DTU無線數據傳輸終端設備，實時傳輸壓力管道壓力、水位、流量數值。

4.2 閘、閥更新改造

對原有10個閘閥進行手動改電動控制改造。拆除閘門原有手動啟閉機和閥門手動控制渦輪裝置，更換為帶渦輪箱的多回轉電動控制裝置，閘門啟閉精度小于5 mm，閥門啟閉精度小于1%，電動裝置工作電壓為380 V，具備缺相、過力矩保護、相序自動調整、現地遠控轉換、閥位模擬量輸出功能。電動閘閥達到在2分鐘以內完成啟閉。

4.3 建設閘閥控制現場控制系統

閘閥門處安裝PLC控制柜，由于每處閘閥控制所需數字量和模擬量較少，選擇小型PLC即可滿足要求。每處PLC控制柜安裝3G、4G的DTU無線數據傳輸終端設備，進行監控中心計算機和PLC通訊。為保證電源的可靠性，根據負載大小，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

為保證電源系統的可靠運行，防止從電源線、通信設備與傳感器間的信號引入雷電損壞設備。在配電箱處安裝380/60 kA防雷模塊，在流量計、壓力計儀表監測點安裝220/40 kA模塊浪涌保護器。在野外閘閥控制室安裝避雷針、引下線、和接地極，并進行等電位連接。接地線不小于10 mm2，連接導線不小于6 mm2，并對接地進行處理，使接地電阻值小于4 Ω。

4.5 通信傳輸系統

系統內各種數據，包括水位、壓力、流量、水量、閘控數據(含閘閥門開度)，所有數據通過無線傳輸終端接入無線網絡，信息控制中心的計算機接入有線網絡，數據傳輸和交換均通過無線網絡和有線網絡實現，網絡建設使系統建立統一的數據交互平臺，使信息高效傳輸、充分共享[4]。

4.6 監控中心軟件系統

包括信息采集管理子系統、閘、閥門控制子系統、數據庫子系統、業務應用子系統；建設一套完整的調度中心數據庫管理系統以及組態軟件系統，由信息采集以及閘門監控等監測系統采集或監測的流量、壓力、閘門閥門開啟度等數據在無線及有線網絡的支撐下轉入調度中心數據庫，實現對數據的接收、存儲、顯示、數據請求以及曲線顯示、報表打印輸出等信息管理工作，設定各監控點位的壓力、流量讀數等報警限值，當出現被監控點位數據異常時可自動發出報警信號；通過組態軟件仿真官網運行狀態，對各站點閘閥門進行遠程啟閉調節控制。在配套軟件的輔助下，通過客戶端軟件方便地訪問實時和歷史數據為實現信息共享以及統計分析提供數據服務，形成一套統一完整的信息管理平臺。

5 結語

在長距離輸水壓力管線上裝設流量計、壓力計及其采集裝置，通過2G(GPRS)、3G、4G等DTU設備進行數據采集，通過無線通信網絡傳輸給控制中心計算機、建立數據庫，實時監測管道運行狀況；閘、閥門采用PLC作為主控，利用2G(GPRS)、3G、4G無線通信終端遠程通信，監控中心管理人員依托各用水戶用水量及流量大小，實時觀測管道壓力和流量數值，調節閥門開度大小，以達到調節流量、控制壓力保障壓力管道安全運行目的。以較少的投資實現流量、壓力、閥位等數據的實時采集和閘閥門的遠距離啟閉調節控制，做到監控點無人值守，減輕管理人員勞動強度，降低供水成本。經過近10年的運行，再也沒有發生爆管事故，確保了長距離預應力混凝土管道安全運行，提高了供水可靠性和保證率，取得了良好的社會評價和經濟效益。