吳曉冬，羅勇鋼，王昌林，魯志海，秦泰松，郝 俠

(1.國網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，四川 都江堰 611830 2.南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)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(fā)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(jī)含沙量0.33～0.37 kg/m3[1]。電站運(yùn)行發(fā)電時(shí)，攜帶泥沙的高速水流對(duì)水輪機(jī)過流表面產(chǎn)生沖磨，造成機(jī)組磨蝕破壞，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行效率，甚至威脅水輪機(jī)組的安全運(yùn)行，為此，加強(qiáng)對(duì)發(fā)電水體的泥沙濃度監(jiān)測(cè)，對(duì)電站的科學(xué)調(diào)度具有重要意義[2,3]。

泥沙濃度的測(cè)定傳統(tǒng)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(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)泥沙含量的測(cè)量[4]，但受人力資源及實(shí)驗(yàn)室條件限制，這種測(cè)量結(jié)果與電站的發(fā)電記錄有明顯時(shí)滯，且分析次數(shù)通常較少，極易遺漏含沙量大的情況，不能準(zhǔn)確反映流域泥沙濃度的變化情況。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，國內(nèi)外機(jī)構(gòu)對(duì)泥沙濃度自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，根據(jù)測(cè)量原理，主要有同位素測(cè)量法、超聲測(cè)量法、光學(xué)測(cè)量法、振動(dòng)測(cè)量法等[5-8]，泥沙濃度自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)較好的避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺點(diǎn)和不足，其中，光學(xué)測(cè)量法具有設(shè)站簡單、實(shí)時(shí)性好、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，可較好的滿足于發(fā)電水體泥沙濃度監(jiān)測(cè)需求。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)基于水體渾濁度與泥沙濃度的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)水域泥沙濃度的測(cè)量[9,10]。當(dāng)一束光線在水中遇到泥沙等懸浮微粒物時(shí)，光線會(huì)發(fā)生散射，其中，90°方向的散射光強(qiáng)符合米氏(MIE)定律[11]:

Is=KMANI0

(1)

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

當(dāng)懸浮微粒表面積和入射光強(qiáng)一定時(shí)，90°方向的散射光強(qiáng)與水樣渾濁度呈正比，即可根據(jù)90°方向散射光強(qiáng)的測(cè)量實(shí)現(xiàn)水體渾濁度的測(cè)量，進(jìn)而經(jīng)水體渾濁度與泥沙濃度率定后，即可通過濁度傳感器實(shí)現(xiàn)水樣泥沙濃度的測(cè)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

泥沙濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)由傳感器層、數(shù)據(jù)采集層及高級(jí)應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)組成，可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)泥沙濃度測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示與現(xiàn)地控制、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用等功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 泥沙濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of on-line monitoring system for sediment concentration

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器可實(shí)現(xiàn)水域泥沙濃度的測(cè)量，是泥沙濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用符合ISO7027標(biāo)準(zhǔn)的散射式濁度傳感器進(jìn)行濁度的測(cè)量，傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 濁度傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of Turbidity sensor

傳感器主要由光學(xué)部件、結(jié)構(gòu)部件及清洗部件組成，光學(xué)部件是傳感器測(cè)量的核心，本系統(tǒng)濁度傳感器設(shè)計(jì)充分考慮泥沙測(cè)量特點(diǎn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，采用880nm的近紅外光作為測(cè)量波長，可有效減弱日光等雜散光的影響。經(jīng)準(zhǔn)直的近紅外光入射水體后被泥沙等懸浮顆粒散射，并經(jīng)90°方向設(shè)置的光電接收器接收后實(shí)現(xiàn)水體濁度測(cè)量。傳感器清洗部件可定時(shí)清洗傳感器測(cè)量光學(xué)部件，確保儀器長期測(cè)量的穩(wěn)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(shù)據(jù)處理中采用中值濾波算法設(shè)計(jì)，可有效抑制氣泡等偶然因素對(duì)測(cè)量的影響，提高傳感器測(cè)量可靠性。

2.2 數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集裝置可實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)采集與處理、現(xiàn)地控制及與上位機(jī)通訊等功能。本系統(tǒng)采集裝置采用機(jī)盒式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝置的電源電路、保護(hù)電路、測(cè)量電路板安裝在機(jī)盒底部，作防塵防潮設(shè)計(jì)，充分滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。采集裝置通過處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理，并通過處理器擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(shù)據(jù)采集裝置原理框圖Fig.3 Schematic diagram of data-acquisition device

考慮到系統(tǒng)的多點(diǎn)布設(shè)需求和可拓展性需求，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集裝置與濁度傳感器采用RS485接口通信，并可同時(shí)連接多達(dá)16支濁度傳感器。此外，由于泥沙濃度與渾濁度相關(guān)性受水域泥沙特性影響[12]，為提高測(cè)量可靠性，數(shù)據(jù)采集裝置需通過泥沙濃度與濁度率定后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定，設(shè)定完成后，采集裝置即可同時(shí)存儲(chǔ)和輸出濁度測(cè)值和泥沙濃度測(cè)值。

2.3 高級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)

系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用軟件可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析等功能，并為用戶提供本系統(tǒng)運(yùn)行情況及測(cè)量情況的直觀展示。本系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用軟件通過分層的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和全組態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問、對(duì)外通信、圖形及報(bào)表建立、超限報(bào)警等功能，系統(tǒng)信息流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)信息流程圖Fig.4 Flow chart of information system

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集裝置將處理后的信號(hào)通過數(shù)據(jù)通信傳輸代理軟件傳入中心站數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)分析軟件通過數(shù)據(jù)服務(wù)代理從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并通過圖表等方式對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展示，方便水電站管理人員及時(shí)掌握水域泥沙變化情況。

3 應(yīng)用分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

依據(jù)泥沙濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)在映秀灣水電站進(jìn)行了安裝應(yīng)用。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和電站測(cè)量需求，工程人員在大壩兩側(cè)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(jù)水電站運(yùn)行資料，電站運(yùn)行水位為高程944.5 m，對(duì)此，本傳感器測(cè)量點(diǎn)設(shè)計(jì)水位為高程943 m，可確保傳感器可靠測(cè)量?？紤]到汛期期間，流域水流急湍，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了傳感器安裝限位管以減緩傳感器晃動(dòng)，同時(shí)傳感器通過鋼索連接安裝以方便傳感器維護(hù)。傳感器通過四芯屏蔽電纜與采集裝置連接，實(shí)現(xiàn)傳感器電源供給與數(shù)據(jù)采集。采集裝置與中心站通過網(wǎng)絡(luò)接口連接，并將數(shù)據(jù)采集裝置和系統(tǒng)中心站安裝在閘首值班室內(nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需求和系統(tǒng)安裝要求，系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(shù)據(jù)分析

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)率定

依據(jù)系統(tǒng)測(cè)量需求，提取現(xiàn)場(chǎng)水域泥沙作為泥沙樣品，在0～3 kg/m3的濃度范圍內(nèi)依次配制不同泥沙濃度的水樣進(jìn)行傳感器率定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 濁度與泥沙濃度率定關(guān)系Fig.6 Rating relation between turbidityand sediment concentration

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析處理，泥沙濃度與濁度測(cè)值間的率定關(guān)系為：

Y=0.002 8XNTU-0.011 2

(2)

式中：XNTU為傳感器濁度測(cè)值；Y為泥沙濃度。

將上述線性相關(guān)參數(shù)輸入數(shù)據(jù)采集裝置，即作為泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)算輸出泥沙濃度值的參數(shù)。

3.2.2 穩(wěn)定性分析

傳感器經(jīng)率定后，泥沙濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行。為檢驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，選取近20天的濁度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)濁度測(cè)值變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測(cè)值變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of the measurement value

數(shù)據(jù)分析表明，該泥沙濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，該段時(shí)間內(nèi)，傳感器測(cè)值變化情況與現(xiàn)場(chǎng)水沙環(huán)境相符。

3.2.3 可靠性分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的可靠性，采用實(shí)驗(yàn)室方法對(duì)測(cè)值進(jìn)行了比測(cè)。實(shí)驗(yàn)人員在2號(hào)傳感器側(cè)提取水樣，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室過濾烘干后測(cè)量水域的泥沙含量，并在取樣的同時(shí)記錄本系統(tǒng)的濁度測(cè)值及泥沙濃度測(cè)值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 比測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of thecomparative experiments

比測(cè)實(shí)驗(yàn)中，由于樣品取樣點(diǎn)與傳感器實(shí)際測(cè)量點(diǎn)的泥沙濃度難免存在誤差，且樣品取樣時(shí)間與傳感器實(shí)際測(cè)量時(shí)間也容易存時(shí)間差的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果與系統(tǒng)泥沙濃度測(cè)值容易存在誤差。但是分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，泥沙濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)室方法測(cè)試結(jié)果誤差基本在允許范圍內(nèi)，表明本系統(tǒng)可靠性良好。

4 結(jié) 語

結(jié)合映秀灣水電站泥沙特點(diǎn)和濁度法測(cè)量泥沙濃度的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套泥沙濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以散射式原理的濁度傳感器為測(cè)量基礎(chǔ)，并依據(jù)泥沙監(jiān)測(cè)需求設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集裝置和高級(jí)應(yīng)用軟件，形成了傳感器層、數(shù)據(jù)采集層和高級(jí)應(yīng)用軟件層三層獨(dú)立設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)水域泥沙濃度多點(diǎn)測(cè)量布設(shè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)輔助分析等功能。系統(tǒng)在映秀灣水電站的應(yīng)用表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性良好，可靠性高，測(cè)值變化趨勢(shì)可較好的反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)水沙環(huán)境的變化 情況，可為水電站的科學(xué)調(diào)度提供參考，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

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