引江濟淮工程亳州輸水管道自動化系統(tǒng)設計方案

沈 云，何晶晶，晉成龍

(中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

長距離輸水管道的工程監(jiān)測一直是輸水工程的重要內容，對工程安全運行起著至關重要的作用。近年來，隨著社會經濟的高速發(fā)展，城市用水的需求量逐漸增多，對供水工程的安全運行提出了更高的要求。管道工程又是供水工程最容易出故障的環(huán)節(jié)，準確及時地發(fā)現(xiàn)管道故障位置，甚至提前判斷可能出現(xiàn)故障的位置，及時進行維修可以最大限度的減小事故影響范圍，保證居民用水安全。本文以引江濟淮亳州城市供水工程為例，結合輸水管線特點，提出了管道自動化系統(tǒng)設計方案。

1 工程概況

亳州城市供水工程作為引江濟淮(安徽段)江水北送段的重要工程，建成后成為亳州市唯一的地上水源，有效改善了亳州水資源極度匱乏，長期開采深層地下水作為城市工業(yè)和生活用水水源的狀況，亳州將逐步封存地下水[1-2]。亳州城市供水工程主要由加壓站、供水管道及調蓄水庫3個部分組成，設計供水流量為5.0m3/s[3]。

亳州加壓站位于西淝河龍鳳新河河口處，加壓站抽水后沿龍鳳新河向北將水送至亳州調蓄水庫。輸水管道全線長約32km，為DN2000的PCCP管，單管輸水。

亳州城市供水管道工程輸水距離較長，沿線閥井數量眾多，但單體閥井內需要監(jiān)測或控制的設備數量較少，數據的采集和上傳是本工程自動化系統(tǒng)設計的重點和難點，也是工程管理單位在后期運行維護時關注的重點。

2 自動化系統(tǒng)設計

亳州地處淮北平原，本工程為典型的平原地區(qū)長距離輸水工程。根據相關規(guī)范要求和本工程特點，輸水管道沿線設置排水閥井、檢修閥井、流量計井、調壓塔井、空氣閥井、出口閥門井等設施，為實現(xiàn)對管道及閥井內設備的運行狀態(tài)監(jiān)測，本工程設計了輸水管道自動化系統(tǒng)，主要內容有：輸水管道監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、管道預警系統(tǒng)。

2.1 輸水管道監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.1監(jiān)測對象

管道工程監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控對象主要有：排氣閥井、檢修井、雙向調壓塔、流量計井，管道的泄露、爆管等。管道沿線監(jiān)測點情況見表1。

表1 管道沿線監(jiān)測點統(tǒng)計

2.1.2系統(tǒng)結構

在32km輸水管道沿線范圍內共設置54處監(jiān)控點，為保證系統(tǒng)的可靠性，主干網采用環(huán)形以太網。

本工程4處檢修閥井和1處出口閥井沿輸水管道均勻分布，故將檢修閥井和出口閥井位置設置為匯聚點，用工業(yè)交換機將檢修閥井前后監(jiān)測點數據匯聚到該閥井，極大減少了全線網絡傳輸通道，優(yōu)化了監(jiān)控系統(tǒng)的網絡結構。管道監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

2.1.3系統(tǒng)功能

(1)實現(xiàn)對現(xiàn)地各類監(jiān)測傳感器的實測數據自動采集和處理，對超出限值的數據發(fā)出越限報警信號并作記錄。

(2)實現(xiàn)對檢修井、出口閥門井電動閥門等設備的運行狀態(tài)監(jiān)測。

(3)實現(xiàn)對整個管道的泄露監(jiān)測、定位及報警。

(4)實現(xiàn)對現(xiàn)地數據采集單元(DAU)同時巡測或單臺巡測的控制。

(5)可顯示監(jiān)測系統(tǒng)的結構、監(jiān)測點位置、過程曲線和報警狀態(tài)等窗口。

(6)可在線打印實測數據和歷史數據，并評估工程的運行狀態(tài)。

(7)系統(tǒng)具有自診斷和自恢復功能。

2.2 輸水管道視頻監(jiān)視系統(tǒng)

2.2.1監(jiān)視對象

管道工程視頻監(jiān)視系統(tǒng)對輸水管道沿線各流量計井、檢修閥井、空氣閥井、調壓塔、出口閥門井等重要設施設備全天候的視頻監(jiān)控，一旦發(fā)生爆管或人為破壞等情況，迅速向加壓站監(jiān)控中心發(fā)出報警信息。同時本系統(tǒng)能與其它子系統(tǒng)進行報警聯(lián)動，滿足對安全管理的要求。

2.2.2系統(tǒng)結構

輸水管道沿線視頻監(jiān)視系統(tǒng)分為前端感知(攝像頭)、傳輸網絡和中心控制系統(tǒng)。

輸水管道沿線視頻監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)測信息通過交換機上傳到亳州加壓站視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻數據查看、管理、分析、存儲統(tǒng)一由亳州加壓站視頻中心監(jiān)控系統(tǒng)完成。

輸水管道視頻監(jiān)視系統(tǒng)網絡拓撲結構與管道監(jiān)側系統(tǒng)基本相同，主干網為環(huán)形以太網結構，并在4處檢修閥井和1處出口閥井位置設置匯聚點，利用工業(yè)交換機將匯聚點前后的視頻前端信息匯聚。管道視頻監(jiān)視系統(tǒng)拓撲圖如圖2所示。

圖1 輸水管道監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖

圖2 輸水管道視頻監(jiān)視系統(tǒng)拓撲圖

2.2.3系統(tǒng)功能

(1)攝像機能適應現(xiàn)場照明條件，有效、清晰地獲取圖像。顯示設備能清晰、穩(wěn)定顯示攝像機所采集的圖像。

(2)具有遠程瀏覽功能，用標準規(guī)約的以太網接口接入加壓站視頻監(jiān)視系統(tǒng)，以C/S和B/S模式提供遠程視頻監(jiān)視服務。授權用戶可遠程瀏覽管道視頻監(jiān)視系統(tǒng)的全部或者部分視頻圖像，也可對攝像機進行控制和操作。

(3)視頻顯示方式滿足安全管理要求，能實時監(jiān)視各監(jiān)測點的情況。圖像可設定為自動切換方式，即根據預定時間在預定顯示設備上顯示預定監(jiān)控點的圖像。

(4)監(jiān)視圖像上顯示有監(jiān)視畫面編號、位置、時間、日期等信息。

(5)系統(tǒng)軟件具有圖像切換、分割顯示功能；云臺控制、預置位，鏡頭變倍變焦、光圈調節(jié)、圖像參數調整等功能；視頻錄像、檢索和回放功能；提供快放、慢放、單幀播放功能，可實現(xiàn)圖像抓拍，放大等要求；具有開放的數據接口，能實現(xiàn)信息發(fā)布、報警聯(lián)動功能；具有多個操作員密碼，多個操作等級，滿足不同操作人員的需求。

2.3 輸水管道預警系統(tǒng)

2.3.1系統(tǒng)概述

對于長距離輸水工程，當管道中發(fā)生泄露或其它破壞時，通常會影響城鎮(zhèn)居民的生活和生產用水，社會影響較大。分布式光纖傳感技術可有效提高對大型PCCP的管道泄漏、外界環(huán)境破壞等情況監(jiān)測水平，預防管道事故發(fā)生，其系統(tǒng)定位精度小于3m，最長監(jiān)測長度超過50km[3-4]。本工程設計1套分布式光纖管道預警系統(tǒng)，用來實時監(jiān)測管道安全運行狀態(tài)。

分布式光纖管道預警系統(tǒng)利用特種光纖構成輸水管道的微振動傳感器，鋪設在輸水管道外側附近，可全線監(jiān)測輸水管道的漏損、爆管、PCCP管斷絲、異常破壞產生的振動信號。當沿線管道因自身內部發(fā)生爆管或外力因素發(fā)生破壞時，管道周圍產生的振動會被光纖傳感器接收，并上傳至計算機進行分析處理，能及時精確定位管道泄漏或遭到破壞位置，并發(fā)出報警信號。通過系統(tǒng)定位的故障點，工程運維人員能及時找到該管道進行維修或侵擾制止，能保證供水工程安全運行，有效控制管網漏損及外界侵害，防止事故繼續(xù)擴大。

2.3.2系統(tǒng)結構

輸水管道預警系統(tǒng)采用分布式體系結構，從層次結構劃分，整個系統(tǒng)可以分為：監(jiān)測傳感層、數據采集層、網絡傳輸層、監(jiān)測應用及管理層等4個層次。預警系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

(1)監(jiān)測傳感層

輸水管道全線安裝埋設分布式光纖傳感器，通過光纖傳感器感知管道的泄漏或周圍振動情況。

(2)數據采集層

智能數據采集終端接收光纖傳輸的信號光源，通過數據采集單元對所連接的各類傳感器進行信號采樣、信號處理、數據轉換、計算處理、數據存儲等任務。

(3)網絡傳輸層

網絡傳輸層主要負責各數據采集裝置與采集計算機間的信息傳輸與交互，實現(xiàn)監(jiān)測數據的上傳及測控指令的下達。智能采集終端與上位機之間采用光纖網絡傳輸。

(4)應用及管理層

應用及管理層主要包括監(jiān)控主機、數據服務器及監(jiān)測信息管理軟件等，負責對采集到的數據進行管理。主要包括數據采集、計算分析、監(jiān)控預警、安全評估等。為運行管理部門提供決策支持。

2.3.3系統(tǒng)功能

泄漏與破壞同步監(jiān)測：利用分布式光時域散射技術，探測管道故障點的振動和聲紋信息，判斷管道泄漏點或爆管位置。

自動實時檢測：24小時實時在線監(jiān)測輸水管道周圍的振動變化，當管道沿線某個點或多個點出現(xiàn)振動異常時，系統(tǒng)可立即定位報警，判斷該處可能存在泄漏、開挖或施工破壞。

網絡聯(lián)動：當輸水管道發(fā)生異常振動警報時，可根據需要聯(lián)動聲光報警、短信報警等功能，預警系統(tǒng)可將報警信息推送到運維人員手機上，同時還可以通過監(jiān)測系統(tǒng)遠程查看現(xiàn)場報警狀態(tài)。

數據分析：系統(tǒng)可以有效監(jiān)測管道中水錘效應和其他危害管道運行事件，為管理單位的運維提供決策支持。

圖3 分布式光纖管道預警系統(tǒng)圖

3 結語

本文根據亳州城市供水工程輸水線路長，輸水可靠性要求高等特點，結合現(xiàn)代傳感器技術、視頻監(jiān)視技術、通信技術等，提出長距離管道輸水工程自動化系統(tǒng)設計的方案，闡述了各子系統(tǒng)的結構和功能實現(xiàn)。通過監(jiān)測管道沿線設備、視頻監(jiān)視、管道預警等方法，實現(xiàn)輸水管道全線實時監(jiān)測。

該自動化系統(tǒng)能大大減少管理單位巡檢工作難度和強度，有效預防管道事故發(fā)生頻率，提前預警；在管道發(fā)生故障后，能快速、精準定位故障點，為管道的安全和可靠運行提供有力的技術支撐和保障，對提高管道的自動化運行管理水平具有重要意義，同時為平原地區(qū)類似的長距離管道輸水工程的自動化設計提供參考。