长距离输水工程压力管线流量压力调节信息化控制

褚海波

(三门峡市水资源管理处，河南 三门峡 472000)

0 引言

三门峡市槐扒黄河提水工程是河南省重点建设项目，提水工程总规模从黄河提水流量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，分四级提水，提水总扬程359 m，输水干线总长31.17 km，渠系建筑物39座，其中泵站4座，沉砂池3座，隧洞7条，渡槽7座，倒虹8座，架空管7座及分水闸、增压站、分水口等。输水干线明渠8段共长2180 m，预应力钢筋混凝土压力管道长17.5 km，另建中型调节水库一座。黄河水在含沙量大于50 kg/m3时，或黄河水位低于设计最低取水位246 m的情况下，渠首泵站无法提水，由水库调节供水。

1 存在问题

由于用户用水量的变化，需要经常对22 km范围内的十几个闸、阀门人工现场操作调节，手动提升2 m×2.2 m闸门1 m需要30 min，费时费力，不能快速调节流量、压力。在二十多千米混凝土预应力压力管线上，只有较少的流量计和机械压力计，监测手段仅靠人工现场蹲守观测，电话把数值报送给调度室，然后由调度室下达指令进行操作。这种落后手段，不能做到混凝土预应力管压力的快速有效调节，流量合理控制。由于用户需水量少，混凝土预应力管没有在设计状态下运行，管道经常处于非均匀流状态，管道处于满管和非满管之间，压力变化较大，供水管网最大静水压力达93.8 m，管网中的压力由于不能及时随用水的谷、峰调节，造成管道局部压力增大，超过管子承压，压力管道接头处尤其薄弱，每年都要发生1～2次爆管漏水事故，重点用水企业不得不停产、减产、极大地影响企业生产效益，城市居民饮水也受到了一定影响。

2 解决思路

对解决此类爆管漏水事故，提出利用现代电子技术、无线通信技术、计算机及网络技术，实现水力参数信息实时在线监测、闸阀等设备远程自动化控制。由于长距离压力管线上水利设施和仪表点多面广，实现信息监测和设备远程控制，通信网络选择尤为重要。

3 通信方式选择

目前配网通信系统在使用的技术方案有光纤通信、中压载波通信、无线公网通信、无线专网通信等。其中，光纤通信完全满足配网自动化系统对通信的可靠性、实时性、双向性的要求。但是，长距离光纤通信建设费用较高，且系统的可扩充性、维护的方便性较差。无线公网是指由公网通信运营商建设并且对公众开放的通信网络。无线公网对用户的数量没有限制，用户无需建网和维护，具有建设周期短、业务开展快、初期网络成本低等特点[1]。随着2G(GPRS)、3G、4G无线通信技术的不断发展，不断为管网自动化的通信系统提供了新的解决方案。2G(GPRS)、3G、4G无线通信在建设费用、施工难度、运行维护费用等方面比其他通讯方式更具有优势。在使用中，从2010年～2015年间，分别使用了2G(GPRS)、3G、4G无线通信技术。2G网络中的GPRS数据通信技术是一个采用GSM技术体制实现的通用分组无线业务统，具有覆盖范围广，流量费用低，适用于对数据传输速度和保证率要求不高野外数据采集。系统中语音和数据占用相同的网络资源，并且根据保证语音相对于数据业务有优先权，因此一旦语音业务负载过高，数据业务就无法得到保障，甚至出现业务中断的情况。经过统计，GPRS系统的一次通信成功率低于90%，无线公网GPRS终端在线率(终端在线时长/总统计时长)约为85%，有时出现断网情况，影响系统数据完全可靠传输[2]。随着3G、4G网络系统的建设和普及，进行升级改造。由于3G、4G技术语音和数据分离，分别放在不同的网络资源上承载，互不影响，因此能保证更高的通信成功率和在线率，完全满足压力管道流量、压力数据的实时采集和闸阀的远程可靠控制[3]。

4 更新改造

4.1 在输水管道上装设流量计、压力表及采集装置

在20 km输水管线关键位置装设压力计和流量计，根据不同情况，装设插入式电磁流量计或管道式流量计，流量计转换器具有RS232或RS485串口通信功能，管道式电磁流量计精度在0.5%以上，插入式电磁流量计精度控制在2%；每隔3 km～4 km和需要调节压力的闸阀门前后端安装压力计，具有数字量或模拟量输出功能，精度控制在0.1%。每处流量计和压力计处装设具备3G、4G通信功能的DTU无线数据传输终端设备，实时传输压力管道压力、水位、流量数值。

4.2 闸、阀更新改造

对原有10个闸阀进行手动改电动控制改造。拆除闸门原有手动启闭机和阀门手动控制涡轮装置，更换为带涡轮箱的多回转电动控制装置，闸门启闭精度小于5 mm，阀门启闭精度小于1%，电动装置工作电压为380 V，具备缺相、过力矩保护、相序自动调整、现地远控转换、阀位模拟量输出功能。电动闸阀达到在2分钟以内完成启闭。

4.3 建设闸阀控制现场控制系统

闸阀门处安装PLC控制柜，由于每处闸阀控制所需数字量和模拟量较少，选择小型PLC即可满足要求。每处PLC控制柜安装3G、4G的DTU无线数据传输终端设备，进行监控中心计算机和PLC通讯。为保证电源的可靠性，根据负载大小，安装可满足2×24 h使用的UPS不间断电源。

4.4 电源防雷系统

为保证电源系统的可靠运行，防止从电源线、通信设备与传感器间的信号引入雷电损坏设备。在配电箱处安装380/60 kA防雷模块，在流量计、压力计仪表监测点安装220/40 kA模块浪涌保护器。在野外闸阀控制室安装避雷针、引下线、和接地极，并进行等电位连接。接地线不小于10 mm2，连接导线不小于6 mm2，并对接地进行处理，使接地电阻值小于4 Ω。

4.5 通信传输系统

系统内各种数据，包括水位、压力、流量、水量、闸控数据(含闸阀门开度)，所有数据通过无线传输终端接入无线网络，信息控制中心的计算机接入有线网络，数据传输和交换均通过无线网络和有线网络实现，网络建设使系统建立统一的数据交互平台，使信息高效传输、充分共享[4]。

4.6 监控中心软件系统

包括信息采集管理子系统、闸、阀门控制子系统、数据库子系统、业务应用子系统；建设一套完整的调度中心数据库管理系统以及组态软件系统，由信息采集以及闸门监控等监测系统采集或监测的流量、压力、闸门阀门开启度等数据在无线及有线网络的支撑下转入调度中心数据库，实现对数据的接收、存储、显示、数据请求以及曲线显示、报表打印输出等信息管理工作，设定各监控点位的压力、流量读数等报警限值，当出现被监控点位数据异常时可自动发出报警信号；通过组态软件仿真官网运行状态，对各站点闸阀门进行远程启闭调节控制。在配套软件的辅助下，通过客户端软件方便地访问实时和历史数据为实现信息共享以及统计分析提供数据服务，形成一套统一完整的信息管理平台。

5 结语

在长距离输水压力管线上装设流量计、压力计及其采集装置，通过2G(GPRS)、3G、4G等DTU设备进行数据采集，通过无线通信网络传输给控制中心计算机、建立数据库，实时监测管道运行状况；闸、阀门采用PLC作为主控，利用2G(GPRS)、3G、4G无线通信终端远程通信，监控中心管理人员依托各用水户用水量及流量大小，实时观测管道压力和流量数值，调节阀门开度大小，以达到调节流量、控制压力保障压力管道安全运行目的。以较少的投资实现流量、压力、阀位等数据的实时采集和闸阀门的远距离启闭调节控制，做到监控点无人值守，减轻管理人员劳动强度，降低供水成本。经过近10年的运行，再也没有发生爆管事故，确保了长距离预应力混凝土管道安全运行，提高了供水可靠性和保证率，取得了良好的社会评价和经济效益。