長距離壓力輸水工程水錘態勢應急監測系統設計

胡 偉

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

我國幅員遼闊，海岸線漫長，水資源較為豐富，但是受到各種地域、地形的限制，水資源時空分布并不均勻，呈現南多北少，東多西少的趨勢，因此水資源供需矛盾日益加劇。為解決上述問題，我國建設了很多大型的長距離輸水工程，如南水北調、引江濟漢、引漢濟渭等[1]。這些工程的建設和投入使用，很大程度上解決了局部地區缺水問題，使得水資源合理分配。然而，長距離的輸水工程一般管線都很長，且受到地形的影響，管道起伏也比較大，水流流速會發生相應的劇烈變化，從而導致水壓在管道內不斷的發生交替變化，尤其在拐彎處，水流會大力撞擊水管，發生水錘現象，引起爆管問題，不僅影響了水資源的正常輸送，也造成了嚴重的經濟損失[2]。

面對上述問題，長距離壓力輸水工程中水錘問題的監測至關重要，能夠及時發現問題，并及時進行預警和處理，可避免造成更大的損失。關于水錘問題的研究有很多，如朱滿林等人以寶雞市馮家山水庫重力輸水工程為例，研究了從馮家山水庫取水到水處理廠這一段的水錘問題，并提出空氣閥組概念，為水錘問題的解決提供了參考。趙衛國等人以“引大入港”管道輸水工程為對象，結合GPRS技術構建一種管道輸水實時監測系統，對這一段輸水管道水錘問題進行了實時監測，有效避免了管線爆管問題。徐海林結合遠程終端 RTU系統對長距離輸水管線上各個關鍵點的壓力進行監測，并以崇明島原水輸水系統一期工程為例，進行監測測試，證明了遠程終端 RTU系統的監測效果。

在前人研究的基礎上，結合信號處理技術設計一種長距離壓力輸水工程水錘態勢應急監測系統。該系統通過在長距離輸水管線各處布置傳感設備，經過信號處理后，判斷是否發生水錘爆管問題，一旦出現水錘爆管問題，即可控制水錘的蝶閥門關閉，并確定出現水錘問題的位置，然后通知維修人員進行維修，盡快恢復正常輸水。通過本系統設計，為長距離壓力輸水工程水錘問題的解決提供參考和建議，以避免造成過大的損失和水資源浪費。

1 水錘態勢應急監測系統

水錘現象是由水流在管道內急速變化，從而不斷沖擊水管線引起的事故問題，其描述方程如下：

(1)

(2)

式中，H—相應某基準面的某斷面在時刻t的水頭,m；x—位置坐標,m；A—管道過流面積,m2；f—管道摩阻系數；Q—某斷面在時刻t的流量,m3/s，其正負取決于流量Q的方向；|Q|—流量的絕對值,m3/s；D—管道直徑,m；a—水錘波的傳播速度,m/s。

水錘現象極易引起水管爆裂，造成水資源浪費，導致經濟損失，因此長距離壓力輸水工程水錘態勢應急監測至關重要。

1.1 系統設計框架

框架設計是系統設計的第一步，為后續硬件和軟件的搭建提供基礎輪廓。本系統的邏輯框架分為3層，從上到下依次為應用層、支撐層與數據層，如圖1所示[3]。

圖1 系統邏輯框架

應用層：系統的最上層，主要負責各種業務邏輯的運算，包括數據采集邏輯、數據處理邏輯、控制輸出邏輯、預警提醒邏輯、顯示邏輯等[4]。

支撐層：系統的中間層，在該層中包含了各種功能組件，為上述應用層提供基層服務支撐，實現服務端與 PC端之間的交互。

數據層：系統的最底層，主要負責采集關于水錘態勢的數據，是整個系統運行的基礎數據。

1.2 系統主要硬件

1.2.1傳感器

(1)壓力變送器

當某一水錘現象發生時，尤其是當水泵在啟動和停止時，水流產生的沖擊波極大，就像錘子一樣，不斷敲打管道，破壞力極強，當破壞力達到一定程度， 就會導致管道破裂，造成漏水問題[5]。一旦水錘造成水管漏水，就會在泄漏處立即產生負壓波，從而不斷向兩端傳播，引起管線內壓力發生變化。利用這一點可以通過壓力變送器實時采集沿線壓力，以此來進行水錘問題發生處的確定，以便及時進行應急處理。本系統當中的壓力變送器為通用型壓力變送器，該設備主要優勢特征如下：①采用膜片隔離技術；②集成芯片、寬電壓供電；③結構小巧、安裝方便；④截頻設計、抗干擾能力強、防雷擊；⑤限流、限壓、反接保護(僅限電流輸出)；⑥精度高、穩定性好、響應速度快、耐沖擊。

(2)流量變送器

水錘現象引起水管爆管后，除了壓力變化外，同樣也會引起水流量的變化。根據爆管經驗， 爆漏量達1000m3/h以上時，有可能引發次生災害。為明確水管內水流量變化，采用渦輪式流量計進行監測。它精度高、可靠性好、量程可調范圍大、帶負載、抗干擾能力強[6]。該設備基本參數見表1。

表1 渦輪式流量計基本參數

1.2.2GPRS無線通信硬件

長距離壓力輸水工程水管線很長，因此布局在沿線上的各傳感器節點在采集到壓力、流量數據之后，需要將其傳輸到單片機當中[7]。為此，在本系統中使用GSM/GPRS無線通信模塊，其硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 GSM/GPRS無線通信模塊硬件組成框圖

1.2.3單片機

單片機是典型的嵌入式微控制器，在系統當中主要負責各種業務邏輯的運算，是系統監測中心的核心硬件。本系統當中的單片機為51位AT89C51芯片，它是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器[8]。其主要特性如下：①與MCS-51 兼容；②4K字節可編程閃爍存儲器；③壽命：1000寫/擦循環，數據保留時間10年；④全靜態工作： 0Hz-24Hz；⑤三級程序存儲器鎖定；⑥128×8位內部RAM，32可編程I/O線，2個16位定時器/計數器，5個中斷源；⑦可編程串行通道；⑧低功耗的閑置和掉電模式；⑨片內振蕩器和時鐘電路。

1.2.4人機交互設備

與AT89C51單片機顯示接口相接的人機交互設備為一塊觸控屏。在該顯示器上布局了與水錘態勢監測所有相關的功能控制模塊，如圖3所示。

圖3 人機交互界面功能模塊布局圖

當監測結果達到預警值，會在顯示器報警模塊上進行報警，并控制各閘門的開、關、停和設置開度及比例閥開度，以便及時控制水錘現象的“惡化”，及時止損[9]。

1.3 系統軟件設計

系統軟件是系統邏輯運行的思路，為硬件提供控制程序。本系統軟件總體運行邏輯如圖4所示。

在圖4中將其分為3個子程序，即采集處理子程序、GPRS網絡通信子程序、態勢分析及預警子程序等，下面進行具體分析[10]。

圖4 系統軟件總體運行邏輯框圖

1.3.1采集處理子程序

采集處理子程序是系統的第一個業務邏輯程序，依靠壓力變送器和流量變送器來運行[11]。具體過程如下。

步驟1：接收單片機發送過來的采集質量；

步驟2：傳感器(壓力變送器和流量變送器)初始化，并進入工作狀態；

步驟3：采樣壓力值和流量值；

步驟4：判斷采集是否結束。結束，關閉傳感器，并進入下一步驟，否則繼續進行采集。

步驟5：壓力值和流量值信號調理、放大、濾波；

步驟6：壓力值和流量值信號A/D轉換；

步驟7：壓力值和流量值信號發送[12]。

1.3.2GPRS無線網絡通信子程序

GSM/GPRS無線通信模塊運行程序如下。

步驟1：GPRS無線網絡注冊；

步驟2：獲取水錘態勢應急監測中心的授權；

步驟3：校正時鐘，保持時間同步；

步驟4：上傳傳感器實時采集到壓力值和流量值信號；

步驟5： 處理、分析數據是否安全。安全，則通過GSM發送信息到應急監測中心；否則，進行預警；

步驟6：判斷數據發送是否結束。結束，則在GPRS網絡中撤銷鏈路，完成了一次實時數據傳輸任務，并等待下一次任務；否則繼續傳輸[13]。

1.3.3態勢分析及預警子程序

態勢分析即根據壓力值和流量值判斷是否發生水錘事故，并判斷發生事故的地點，具體過程如下。

步驟1：將采集到的壓力值、流量值信號波形與正常壓力值和流量值信號波形進行對比；

步驟2：判斷是否發生異常。若發生異常，進行下一步；否則，繼續進行下一次數據對比分析。

步驟3： 計算水錘發生點的位置。計算公式如下：

(3)

式中，x0—水錘發生點距輸水管首的距離,m；L—管線長度,m；u—管內流體的流速,m/s，通過水流量與時間計算得出；v—負壓波的傳輸速度,m/s；Δt—上下游傳感器接收到負壓波的時間差[14],s。

步驟4：進行應急預警，并關閉閥門。

2 系統測試

系統設計完成后，為測試系統的應用性能，并發現其中存在的問題，進行系統仿真測試。

2.1 長距離壓力輸水工程模型

一般情況下，以實際長距離壓力輸水工程為例，進行系統測試得到的結果更為準確的，但是這是不現實的，沒有經過測試的系統，無法將其應用到實際工程中，因此在這里以某長距離壓力輸水工程為對象(如圖5所示)，建立長距離壓力輸水工程模型[15]。

圖5 某長距離壓力輸水工程

長距離壓力輸水工程中關鍵參數見表2。

表2 長距離壓力輸水工程中關鍵參數表

2.2 水錘態勢應急監測模型

在建立的長距離壓力輸水工程模型上搭建監測設備，構建水錘態勢應急監測模型，如圖6所示。

圖6 水錘態勢應急監測模型

長距離壓力輸水工程模型沿線上共安置150個壓力變送器，以及首、末端各安裝1個流量變送器。

2.3 兩種情況下沿線節點壓力和流量變化特征

正常情況和水錘事故發生情況下長距離壓力輸水沿線各節點壓力和流量變化特征見表3。

表3 長距離壓力輸水沿線各節點壓力和流量變化特征

2.4 系統的水錘事故監測性能分析

假定在距長距離壓力輸水沿線首端5、25、35km處發生1000m3/h爆漏事故，利用所設計的系統進行監測，監測結果見表4。

表4 系統監測結果分析 單位：km

從表4中可以看出，應用本系統，準確判斷出了某長距離壓力輸水工程沿線發生水錘事故，并進行了預警，與此同時，給出的定位結果與水錘事故實際發生的位置非常接近，誤差均在±0.3km，證明了本系統的監測性能。

3 結語

綜上所述，我國水資源分布不均，存在嚴重的局部地區水資源短缺問題。為此，建設了很多長距離的輸水工程。在長距離的輸水工程運營中，水錘現象是難以避免的，極易引起爆管問題。為此，設計一種長距離壓力輸水工程水錘態勢應急監測系統。該系統通過采集水管內水壓和水流量來監測水錘態勢，以便及時進行預警和處理，避免事故的發生。該系統經過測試，證明了其監測效果，可以被廣泛應用到長距離的輸水工程水錘問題的監測中。