王龍彪

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

長距離管道有壓輸水工程包括水泵揚水工程和重力流輸水工程，對于輸水距離較長且地形起伏較大的管道供水工程，水泵機組的突然失電或管道控制閥門的急啟急閉會產(chǎn)生管道系統(tǒng)的水力過渡過程。這一過程中的產(chǎn)生水錘現(xiàn)象極易引起輸水系統(tǒng)的安全問題，甚至引發(fā)管道爆管、破裂、變形等嚴(yán)重事故[1]。采用過渡過程仿真計算的方式確定水錘防護(hù)設(shè)計方案，是現(xiàn)階段工程中普遍所應(yīng)用的，但工程運行后仍有出現(xiàn)防護(hù)措施不到位而引起的爆管事故或者過度保守的防護(hù)措施導(dǎo)致工程投資過大等問題的產(chǎn)生。

在供水工程運行管理信息化系統(tǒng)的設(shè)計中，對水力過渡過程的監(jiān)測考慮較少，在系統(tǒng)實際運行中無法對水力過渡過程發(fā)生時壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，同時對水錘防護(hù)設(shè)備的動作情況無法獲知，進(jìn)而影響對防護(hù)設(shè)備、設(shè)施運行及水錘防護(hù)效果進(jìn)行有效的評估和判斷。當(dāng)前我國長距離供水工程項目逐漸增多，對管道水錘防護(hù)的研究和應(yīng)用也越來越引起各方的關(guān)注，在工程設(shè)計和運行中將水力過渡過程監(jiān)測、水錘防護(hù)監(jiān)測納入工程總體運行管理信息化系統(tǒng)，為工程安全運行和水錘防護(hù)的深入研究提供相關(guān)數(shù)據(jù)資料十分必要。

1 水錘防護(hù)在線安全監(jiān)測系統(tǒng)總體方案框架

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為保障供水工程安全可靠、科學(xué)水量調(diào)度、現(xiàn)代化綜合管理、智能自動監(jiān)控、高清晰視頻監(jiān)控、高效辦公自動化等綜合需求。目前幾乎所有的新建大中型供水工程均建設(shè)了運行管理信息化系統(tǒng)。系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集技術(shù)、監(jiān)視控制技術(shù)、通信技術(shù)及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)、GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)等，以水量調(diào)度、決策指揮、工程運行管理、綜合會商、辦公自動化等業(yè)務(wù)應(yīng)用為中心[2]。構(gòu)建涵蓋工程水資源信息采集、傳輸、處理、存儲、管理、服務(wù)、應(yīng)用、決策支持和遠(yuǎn)程監(jiān)控等信息流程為一體，能夠及時、準(zhǔn)確地對水情、水量、水質(zhì)、圖像、視頻、工情等信息進(jìn)行自動化匯集存儲、共享分發(fā)、預(yù)測預(yù)警和決策支持，實現(xiàn)對水資源的實時監(jiān)測、實時調(diào)度和實時管理，逐步達(dá)到“采集自動化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、集成標(biāo)準(zhǔn)化、管控一體化、決策智能化”的目標(biāo)。

運行管理信息化系統(tǒng)的總體設(shè)計架構(gòu)可分為以下3級[3]：第一級為中心監(jiān)控平臺，它是基于工程規(guī)模建立的全工程信息化管理平臺，用以實現(xiàn)總體工程調(diào)度、安全分析評估、事故應(yīng)急處理、工程管理、辦公自動化等功能；第二級為各管理站所，根據(jù)工程布局，建立分部工程管理站所，各管理站所將實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)中繼、數(shù)據(jù)傳輸和二級報警等功能；第三級為現(xiàn)地監(jiān)測點，其作用一是對監(jiān)測（控）點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和上傳，二是接收上一級的指令實現(xiàn)監(jiān)測（控）點設(shè)備的自動控制，三是在緊急狀態(tài)或權(quán)限狀態(tài)下實現(xiàn)監(jiān)測（控）點設(shè)備的現(xiàn)地控制。圖1為運行管理信息化系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)。

圖1 運行管理信息化系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)

圖2 運行管理信息化系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)

水錘防護(hù)在線安全監(jiān)測系統(tǒng)是基于現(xiàn)有工程運行管理信息化系統(tǒng)擴展的一個子系統(tǒng)，其目的是利用已有的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)運行狀況進(jìn)行監(jiān)測，包括管線各重要部位的壓力、流量變化、水錘防護(hù)設(shè)施的動作狀態(tài)監(jiān)控等，收集記錄相關(guān)信息數(shù)據(jù)，分析管道系統(tǒng)安全性能，判斷水錘防護(hù)效果，為供水安全提供數(shù)據(jù)支撐并依托數(shù)據(jù)確定解決方案。實際應(yīng)用中可以在現(xiàn)地監(jiān)測點增設(shè)用于水錘監(jiān)測的相關(guān)監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對工程系統(tǒng)防水錘設(shè)施及裝置的信號測量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)對管線在正常運行和水錘狀態(tài)下的設(shè)備、裝置的動作狀態(tài)的監(jiān)測。同時在應(yīng)用系統(tǒng)中增加水錘防護(hù)在線安全監(jiān)測系統(tǒng)，利用新開發(fā)的應(yīng)用軟件，實現(xiàn)水錘防護(hù)效果的評價和運行狀態(tài)的安全評估，為工程安全運行和我國水力過渡過程的科研提供基礎(chǔ)支撐[4]。

2 系統(tǒng)主要功能定位

水錘防護(hù)在線安全監(jiān)測系統(tǒng)利用機械自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及計算機技術(shù)，實現(xiàn)管道系統(tǒng)的運行參數(shù)在線監(jiān)測、管道閥門設(shè)備的動作監(jiān)測、運行安全預(yù)警以及數(shù)據(jù)分析反饋解決方案等[5]。該系統(tǒng)具體功能如下：

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

現(xiàn)地傳感器自動采集被控對象的各類實時數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳至上一級管理單元，同時能夠接收來自上一控制級的指令數(shù)據(jù)。

2.2 控制與調(diào)節(jié)

通過現(xiàn)地控制設(shè)備或接收上一控制指令啟動PLC自動控制流程，實現(xiàn)閥門等機械設(shè)備的自動控制與調(diào)節(jié)。

2.3 運行監(jiān)測

實現(xiàn)現(xiàn)地設(shè)備直顯運行參數(shù)及狀態(tài)監(jiān)測，或通過上傳數(shù)據(jù)在監(jiān)控端實時監(jiān)測。

2.4 在線數(shù)據(jù)分析及安全預(yù)警

根據(jù)傳輸至系統(tǒng)終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過中心監(jiān)測平臺的業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊中安全分析應(yīng)用程序，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷工程運行安全狀態(tài)。設(shè)置參數(shù)超限閾值，對超限參數(shù)進(jìn)行實時警告并提出水錘事故處理方案，進(jìn)行現(xiàn)地閥門等設(shè)備控制、調(diào)節(jié)等運行動作。

2.5 數(shù)據(jù)存儲與查詢

通過傳感器采集的數(shù)據(jù)可運用采集器進(jìn)行采集，并通過計算機系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，同時提供查詢接口，以便調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，為管道安全運行及后續(xù)項目的設(shè)計積累經(jīng)驗。

3 主要監(jiān)測點的設(shè)置構(gòu)想

3.1 管道流量監(jiān)測監(jiān)測

常規(guī)管道供水工程的流量監(jiān)測一般僅設(shè)置在管道進(jìn)口、出口及管道分水處，其主要作用多是為了水量的計量。水錘防護(hù)在線安全監(jiān)測系統(tǒng)則是在原有流量監(jiān)測點的基礎(chǔ)上每五公里左右增加一處流量監(jiān)測點，目的是監(jiān)測運行過程中的管道流量變化，當(dāng)水力過渡過程發(fā)生時監(jiān)測管路沿線的流量變化情況。結(jié)合水錘防護(hù)設(shè)備的動作情況，分析措施的防護(hù)效果，并通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化如泵后控制閥關(guān)閥時間等裝置動作規(guī)律。

海南省東方市非常適宜反季節(jié)瓜果蔬菜的生長。東方市政府利用當(dāng)?shù)氐锰飒毢竦牡乩須夂颦h(huán)境優(yōu)勢，2018年冬季全市計劃種植反季瓜菜26萬畝，現(xiàn)已種植將近11萬畝，部分瓜菜目前已進(jìn)入采收期。

3.2 管道壓力監(jiān)測

一般有壓流管道供水工程的壓力監(jiān)測點較多，在水泵進(jìn)、出口，管道分水口，管道控制閥門前后等處均有設(shè)置，部分工程項目在管道進(jìn)排氣閥處也設(shè)置了壓力監(jiān)測點，但壓力數(shù)據(jù)并未全部實現(xiàn)在線自動采集和傳輸。水錘防護(hù)在線安全監(jiān)測系統(tǒng)在布設(shè)以上常規(guī)壓力監(jiān)測點的基礎(chǔ)上，根據(jù)管線長度及起伏特點額外增加部分管道壓力監(jiān)測點，尤其是通過仿真計算得出極易產(chǎn)生高低壓水錘的位置。從而實現(xiàn)所有壓力監(jiān)測點的自動測量、采集和上傳，目的是在監(jiān)測運行過程中壓力變化的同時，監(jiān)測理論上宜發(fā)生水錘點的實際運行情況，同時也是對該點如空氣閥等防水錘設(shè)備是否動作的間接監(jiān)測。

3.3 管道控制閥門的開度及啟閉時間監(jiān)測

管道的控制閥門根據(jù)功能一般分為：流量調(diào)節(jié)閥、減壓閥、隔斷檢修閥等，主要用于供水工程中流量、壓力的有效控制或者啟閉管道的輸水狀態(tài)。為避免引起較嚴(yán)重的開關(guān)閥水錘，閥門的啟閉規(guī)律均通過水力過渡過程仿真計算進(jìn)行確定[6]。

在目前的大中型管道供水工程中控制閥門的開度均設(shè)置了自動監(jiān)測和自動控制裝置，分現(xiàn)地及中控兩級。水錘防護(hù)在線安全監(jiān)測系統(tǒng)是將已實現(xiàn)的管道控制閥門開度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，與此同時增加控制閥門啟閉時間監(jiān)測功能，為分析研究管道的安全運行狀態(tài)和極端狀態(tài)（水錘發(fā)生）下各種控制閥門開關(guān)規(guī)律設(shè)置的合理性提供數(shù)據(jù)分析條件[7]。通過工程運行的具體數(shù)據(jù)綜合分析動態(tài)調(diào)節(jié)閥門控制規(guī)律。

3.4 進(jìn)排氣閥的進(jìn)排氣量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測

進(jìn)排氣閥是管道供水工程中必不可少的常用設(shè)備，其作用主要是在管道運行初期排氣，正常運行時保證管道內(nèi)無氣體淤積，當(dāng)管道發(fā)生水錘管道大面積產(chǎn)生負(fù)壓時及時補氣防護(hù)以及在管道內(nèi)產(chǎn)生彌合水錘時用于緩沖防護(hù)（具有微排功能的進(jìn)排氣閥）。

進(jìn)排氣閥的布設(shè)方式除常規(guī)在管道凸起點設(shè)置外，一般通過仿真計算選擇在發(fā)生水錘負(fù)壓的集中段布設(shè)[4]。目前對進(jìn)排氣閥的監(jiān)測工程中均未實施，其布設(shè)位置的合理性，運行過程中閥門的狀態(tài)，進(jìn)排氣量與設(shè)置點管道壓力和進(jìn)排氣孔大小的關(guān)系與仿真計算的結(jié)果是否近似，以及對管道防護(hù)的效果是否達(dá)到預(yù)期等問題均停留在理論計算的結(jié)果上，無法實際工程驗證。利用現(xiàn)有先進(jìn)的傳感器技術(shù)探索空氣閥的實際運行狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)反映實際防護(hù)效果。

3.5 調(diào)壓塔（井）的水位監(jiān)測

單相、雙相調(diào)壓塔（井）也是輸水管道常見有效的防護(hù)裝置，具有在管道發(fā)生負(fù)壓時快速補水的功能。但對于其補水效果、補水量、補水時間等具體參數(shù)沒有進(jìn)行監(jiān)測，導(dǎo)致該裝置的設(shè)置位置、補水狀態(tài)無法得到實際工程的準(zhǔn)確運行參數(shù)[8]。水錘防護(hù)在線安全監(jiān)測系統(tǒng)將通過該裝置水位變化情況監(jiān)測，結(jié)合壓力、流量的變化情況，系統(tǒng)分析該裝置的設(shè)置和運行狀態(tài)，驗證其布設(shè)位置的合理性和設(shè)計參數(shù)的可靠性。

3.6 其他防護(hù)設(shè)施的關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測

管道水錘防護(hù)除了上述的設(shè)備設(shè)施外，常用的還有蓄能罐、超壓泄壓閥等。水錘防護(hù)在線安全監(jiān)測系統(tǒng)指根據(jù)實際需要選擇防護(hù)措施對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，如蓄能罐壓力、充補氣狀態(tài)和時間，超壓泄壓閥的啟閉時間、整定開啟壓力等。通過這些設(shè)施及設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)變化情況，結(jié)合整個管線壓力、流量的變化情況，分析其設(shè)置合理性，驗證選擇設(shè)備參數(shù)的準(zhǔn)確性。

4 系統(tǒng)的重點和難點分析

水錘防護(hù)在線安全監(jiān)測系統(tǒng)是基于工程運行管理信息化系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，目前國內(nèi)大中型供水工程基本都建立了工程運行管理信息化系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸及通信網(wǎng)絡(luò)、后臺一體化平臺均在設(shè)計范圍內(nèi)或已形成，但本系統(tǒng)自身仍有一些建設(shè)的重點和難點需要重點研究及補充。

（1）進(jìn)排氣閥的進(jìn)排氣量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集。目前管線的壓力、流量，液面水位、閥門開度等信號的數(shù)據(jù)采集在水利工程中應(yīng)用較多，技術(shù)成熟，但用于測量通氣量的儀器以及監(jiān)測空氣閥工作狀態(tài)的儀器設(shè)備在水利工程中基本沒有應(yīng)用，此類儀器儀表的性能、特點、精度和經(jīng)濟(jì)性等對本系統(tǒng)的建成非常重要，應(yīng)重點研發(fā)空氣閥狀態(tài)和氣量的測量手段和辦法。

（2）部分工程的數(shù)據(jù)傳輸方式因地質(zhì)環(huán)境等因素的影響無法鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備，數(shù)據(jù)只能依靠無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)傳輸和通訊，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r性、可靠性對系統(tǒng)平臺的分析結(jié)論可能會造成影響。由于部分現(xiàn)地監(jiān)測設(shè)備需要外部電源進(jìn)行供電，如配置蓄電池或光伏電池等電源時可能影響系統(tǒng)的總體可靠性并影響數(shù)據(jù)分析結(jié)果，也造成了工程投資的增加；

（3）對于后臺軟件的開發(fā)應(yīng)用，由于存在大量不同類型數(shù)據(jù)間的處理和邏輯關(guān)系的關(guān)聯(lián)，區(qū)別于原有的單一信號或簡單邏輯關(guān)系的計算原則，需要后臺軟件系統(tǒng)的開發(fā)具備水錘理論和其他水力學(xué)知識的綜合支撐，因此后臺應(yīng)用軟件的開發(fā)專業(yè)性更強，難度更大。

5 結(jié)語

大型長距離管道輸水工程運行管理信息化系統(tǒng)中，對于水錘防護(hù)措施一般未進(jìn)行監(jiān)測，造成了對防護(hù)措施的實際運行狀態(tài)無法進(jìn)行科學(xué)地分析和評價。將水錘防護(hù)在線安全監(jiān)測系統(tǒng)納入供水系統(tǒng)運行管理信息化系統(tǒng)中，可以通過收集記錄有關(guān)的信息數(shù)據(jù)，分析管道系統(tǒng)安全性能，驗證設(shè)計防護(hù)措施的合理性，為供水安全提供大數(shù)據(jù)支撐。同時通過工程的實際檢驗，真實反映管道的運行狀態(tài)和水錘防護(hù)措施的效果，也通過實際數(shù)據(jù)驗證仿真計算的結(jié)果。