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        多泥沙介質(zhì)一體化測(cè)控槽閘應(yīng)用研究

        2023-01-05 09:09:48尤小兵
        中國(guó)設(shè)備工程 2022年15期
        關(guān)鍵詞:測(cè)控閘門(mén)甘肅

        尤小兵

        (甘肅省疏勒河流域水資源利用中心,甘肅 玉門(mén) 735211)

        1 甘肅地區(qū)缺水現(xiàn)象嚴(yán)重

        我國(guó)人均水資源占有量?jī)H為世界人均占有量的1/4,是世界上水資源短缺的國(guó)家之一。而甘肅地處西北內(nèi)陸干旱地區(qū),水資源更為匱乏。最重要的原因就是自然條件限制。在地理位置上,甘肅位于蒙新、黃土、青藏3大高原的交匯點(diǎn),黃河、內(nèi)陸河與長(zhǎng)江皆流經(jīng)甘肅地區(qū),西北方向與世界屋脊緊密相連,但東南方向與海洋相距甚遠(yuǎn),其地理位置的復(fù)雜與特殊性使其地形、地貌較為多樣化。而從氣候風(fēng)貌角度出發(fā),甘肅地區(qū)的氣候條件不甚理想,常年降雨量偏低,整體氣候較為干燥,相較于全國(guó)平均降水量,甘肅年平均降水量?jī)H為其40%,僅能達(dá)到277mm,這也使甘肅地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展較為受限,在各產(chǎn)業(yè)中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源需求量較高,當(dāng)?shù)氐娜彼闆r并不利于莊稼種植。從水資源含量角度出發(fā),甘肅地區(qū)的缺水水平已趨近于國(guó)際重度缺水界限,我國(guó)共32個(gè)省、直轄市與自治區(qū),甘肅的地表水資源量排名為29 位,當(dāng)?shù)貎H有1%全國(guó)地表水資源量,甘肅人均水資源占有量是全國(guó)人均占有量的1/3,是世界人均占有量的1/8,僅為1077m3。因此,水資源匱乏問(wèn)題是甘肅一直以來(lái)不斷鉆研與功課的重要課題之一,甘肅在國(guó)家重大科技計(jì)劃項(xiàng)目上一直保持積極爭(zhēng)取的態(tài)度,為了更好地開(kāi)發(fā)與利用全省水資源傾注了大量的人力與物力,在爭(zhēng)取相關(guān)項(xiàng)目時(shí)會(huì)自籌資金,在建設(shè)引黃灌區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)當(dāng)?shù)匾沧龀隽藰O大的投入,當(dāng)?shù)卣恢敝铝τ诮ㄔO(shè)節(jié)水型社會(huì),通過(guò)長(zhǎng)期的努力也取得了優(yōu)異的成績(jī)。

        疏勒河是我國(guó)內(nèi)陸河流域之一,該流域范圍內(nèi)應(yīng)降水量低而導(dǎo)致水資源匱乏,該流域中的昌馬灌區(qū)主要以傳統(tǒng)灌溉形式為主,在總用水量中有約93%用于農(nóng)業(yè),工業(yè)用水萬(wàn)元產(chǎn)值耗水定額與農(nóng)業(yè)灌溉定額相對(duì)較高,這導(dǎo)致水的效益及利用率并不理想。近些年來(lái),灌區(qū)內(nèi)不斷進(jìn)行城鎮(zhèn)化、工業(yè)化與生態(tài)化建設(shè),經(jīng)濟(jì)社會(huì)形態(tài)不斷轉(zhuǎn)變與發(fā)展,這導(dǎo)致其水資源供需矛盾不斷惡化,灌區(qū)必須通過(guò)現(xiàn)代化建設(shè)打造節(jié)水型社會(huì),更加科學(xué)合理地對(duì)水資源進(jìn)行配置,落實(shí)節(jié)約用水政策,實(shí)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)水資源的系統(tǒng)治理,從而使水資源的效益與利用率得到有效地提升,助力于灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展,因此,昌馬灌區(qū)開(kāi)始積極推進(jìn)現(xiàn)代化改造,通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水、提升水資源利用率。

        在甘肅省范圍內(nèi)昌馬灌區(qū)位于干旱地區(qū),在“一帶一路”規(guī)劃中疏勒河流域位于絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶,甘肅地區(qū)作為“一帶一路”的黃金節(jié)點(diǎn)在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)安全屏障建設(shè)中都具有重要地位,為了更好地發(fā)揮區(qū)域協(xié)同發(fā)展的引導(dǎo)作用,為水利基礎(chǔ)建設(shè)提供有力的支撐,甘肅必須全面加強(qiáng)水利建設(shè),實(shí)現(xiàn)水利的協(xié)調(diào)性、綜合性與可持續(xù)性發(fā)展。

        2 一體化測(cè)控槽閘簡(jiǎn)介

        總體來(lái)說(shuō),一體化測(cè)控槽閘是一種集上下游水位監(jiān)測(cè)、閘門(mén)開(kāi)度監(jiān)測(cè)、閘門(mén)控制于一體的頂面溢流閘門(mén)。閘門(mén)具有穩(wěn)定上游水位和靈活遠(yuǎn)程啟閉功能,根據(jù)上下游水位傳感器的差值來(lái)計(jì)算流量,能有效避免水位波動(dòng)引起的誤差,采用太陽(yáng)能和蓄電池為動(dòng)力,控制中心通過(guò)智能軟件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

        主機(jī)系統(tǒng)的主要功能是自動(dòng)化與信息化管理,其安裝位置位于疏勒河流域水資源利用中心昌馬灌區(qū)管理處南干渠灌溉管理所自動(dòng)化控制室,需要完成對(duì)渠道內(nèi)各控制點(diǎn)水位與流量的全面監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)還需要負(fù)責(zé)對(duì)渠道,設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),進(jìn)行系統(tǒng)全面的監(jiān)測(cè)與記錄。該應(yīng)用系統(tǒng)共包含數(shù)據(jù)圖形處理軟件模塊、多級(jí)報(bào)警系統(tǒng)、用戶管理授權(quán)安全系統(tǒng)等多個(gè)板塊,主要利用互聯(lián)網(wǎng)接受操控與訪問(wèn)。在系統(tǒng)中,一體化測(cè)控槽閘可根據(jù)預(yù)設(shè)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)作,并與上下游閘門(mén)進(jìn)行聯(lián)系,主機(jī)系統(tǒng)會(huì)按照系統(tǒng)需求對(duì)其中的設(shè)備展開(kāi)全自動(dòng)控制,必要時(shí)可通過(guò)人工對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

        一體化測(cè)控閘門(mén)設(shè)備不僅需要完成流量控制閘門(mén)的工作,還需要完成流量測(cè)量?jī)x器的工作,該設(shè)備的測(cè)量精準(zhǔn)度較高,對(duì)流量的測(cè)量誤差低于±5%,對(duì)水位與閘位的測(cè)量誤差低于±0.5mm。該系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿?lái)源于太陽(yáng)能,對(duì)上下游水位的測(cè)量主要通過(guò)高精度超聲波水位感應(yīng)器完成,對(duì)流量的計(jì)算具有獨(dú)特的計(jì)算程式,如數(shù)碼式閘位值計(jì)算,對(duì)閘門(mén)信息的測(cè)控通過(guò)無(wú)線電遙測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控完成。

        該系統(tǒng)可以對(duì)上下游水位展開(kāi)精準(zhǔn)控制,并且能夠?qū)η拦ぷ髋c運(yùn)行狀況展開(kāi)智能化模擬,利用智能控制軟件可以將渠道內(nèi)的所有監(jiān)控點(diǎn)連接成為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),并在灌溉系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)不斷的自我調(diào)節(jié)使其保持最佳狀態(tài)。該系統(tǒng)已全渠道自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)灌溉模式中的人工控制策劃的明渠系統(tǒng),降低了灌溉用水的損失率,提高了控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度與靈活性。

        2.1 現(xiàn)場(chǎng)信息和閘門(mén)信息監(jiān)控功能

        該系統(tǒng)能夠?qū)﹂l門(mén)運(yùn)行狀態(tài)、開(kāi)啟高度與上下游水位進(jìn)行自動(dòng)采集與傳輸,利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信網(wǎng)將相關(guān)信息傳遞給控制中心,控制中心在接收數(shù)據(jù)后會(huì)在計(jì)算機(jī)屏幕中自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)圖形,便于操作人員完成實(shí)時(shí)監(jiān)視。該系統(tǒng)還會(huì)將過(guò)閘門(mén)的運(yùn)行狀態(tài)、顯示數(shù)據(jù)與故障情況以表格、文字、圖形等多種形式展現(xiàn)在系統(tǒng)中。其中包括的內(nèi)容有:閘門(mén)開(kāi)度和預(yù)設(shè)值、閘門(mén)上下水位和預(yù)設(shè)值、閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)、太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)、電池狀態(tài)、閘門(mén)啟閉機(jī)狀態(tài)、當(dāng)前流量、累計(jì)流量各種故障。

        2.2 數(shù)據(jù)查詢功能

        該系統(tǒng)應(yīng)對(duì)歷史與實(shí)施數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的記錄與保存,能夠隨時(shí)調(diào)取與查詢相關(guān)數(shù)據(jù),并且應(yīng)該具備數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖處理軟件。在系統(tǒng)中應(yīng)該能夠通過(guò)操作員信息、閘門(mén)號(hào)、時(shí)間查閱歷史操作數(shù)據(jù);通過(guò)故障內(nèi)容、時(shí)間查閱故障數(shù)據(jù);通過(guò)閘門(mén)號(hào)、時(shí)間查閱該閘門(mén)一系列流量數(shù)據(jù);通過(guò)閘門(mén)號(hào)、時(shí)間查閱該閘門(mén)歷史開(kāi)度。

        2.3 渠水流失檢測(cè)功能

        以2個(gè)相鄰節(jié)制閘點(diǎn)為單位,加之串聯(lián)二者的渠道共同組成水池,水池的流入水量為上游閘門(mén)流量,流出水量為下游閘門(mén)流量與分水閘流量,利用水平衡模型對(duì)水池的流失水量進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定科學(xué)的渠道修補(bǔ)計(jì)劃。

        2.4 報(bào)警和緊急處理功能

        報(bào)警和緊急處理功能是渠道自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)必需的功能。在閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),一旦系統(tǒng)發(fā)生故障,系統(tǒng)會(huì)立即根據(jù)警報(bào)級(jí)別和通報(bào)程序通過(guò)一系列方式報(bào)警并能夠自動(dòng)或手動(dòng)終止當(dāng)前運(yùn)行。其主要報(bào)警內(nèi)容如下:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備名稱、數(shù)據(jù)點(diǎn)描述、數(shù)據(jù)點(diǎn)的值、數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄時(shí)間、報(bào)警狀態(tài)、報(bào)警發(fā)生時(shí)間、報(bào)警確認(rèn)狀態(tài)、報(bào)警確認(rèn)時(shí)間、報(bào)警總次數(shù)、報(bào)警優(yōu)先級(jí)別。

        2.5 一體化測(cè)控槽閘操作功能

        一體化測(cè)控槽閘在運(yùn)行過(guò)程中可進(jìn)行自動(dòng)控制操作、鎖定操作與手動(dòng)操作的不斷切換,即可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作也可進(jìn)行本地操作。操作人員可利用SCADA 聯(lián)通應(yīng)用軟件對(duì)槽閘完成遠(yuǎn)程操作,也可利用閘門(mén)控制臺(tái)對(duì)槽閘完成本地操作,二者皆需通過(guò)授權(quán)使用,操作過(guò)程中皆需開(kāi)啟記錄功能,為了使系統(tǒng)的安全性可以得到保障,應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)限分級(jí),根據(jù)不同權(quán)限設(shè)定相應(yīng)級(jí)別的密碼,通過(guò)輸入不同級(jí)別的密碼獲取使用權(quán)限。操作人員在輸入操作指令時(shí)需先輸入正確的用戶名與密碼才可以使輸入的參數(shù)與按鈕起效。一體化測(cè)控閘門(mén)的控制模式包括:

        (1)流量控制。以流量恒定不變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn),根據(jù)渠道供水要求進(jìn)行閘門(mén)開(kāi)度的自動(dòng)控制。

        (2)上游或下游水位控制。以水為恒定不變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn),根據(jù)渠道供水要求進(jìn)行閘門(mén)開(kāi)度的自動(dòng)控制。

        (3)閘位控制。以閘門(mén)保持預(yù)定位置為標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行閘門(mén)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

        (4)緊急控制。在遭遇緊急意外時(shí)自動(dòng)采取急停處理。

        3 疏勒河流域簡(jiǎn)介

        疏勒河流域的地理位置為甘肅省河西市,處于河西走廊西側(cè),河域總面積為4.13 萬(wàn)平方公里,是一個(gè)百萬(wàn)畝以上的大型自流灌區(qū)。該流域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)47 ~63mm 的年平均降水量,多年來(lái)保持2897 ~3040mm 的年蒸發(fā)量,氣候類型為典型的內(nèi)陸干旱性氣候,全年平均溫度為6.9~8.8℃。疏勒河流域一直是甘肅省水利建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域,其流域內(nèi)所建設(shè)的水利工程規(guī)模較大,伴隨著疏勒河綜合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的建設(shè)與完工,該流域的骨干工程體系已初見(jiàn)雛形,該體系實(shí)現(xiàn)蓄、調(diào)、排的整合調(diào)動(dòng)。2012 年以來(lái),灌區(qū)在續(xù)建配套及節(jié)水改造實(shí)施過(guò)程中,分批引進(jìn)一體化測(cè)控槽閘共75 孔,安裝在南干渠系各支斗農(nóng)口,覆蓋灌溉面積7.38 萬(wàn)畝、骨干工程52.92 公里,真正實(shí)現(xiàn)了從干渠渠首到田間地頭的全覆蓋。

        4 泥沙介質(zhì)對(duì)水位傳感器的影響

        傳感器正常工作是一體化測(cè)控槽閘正??煽窟\(yùn)行的基礎(chǔ)和重要保障,加強(qiáng)對(duì)傳感器的清洗維護(hù)工作是確保自動(dòng)化一體化測(cè)控槽閘長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的前提。自2012 年一體化測(cè)控槽閘引進(jìn)安裝運(yùn)行至今,流量不顯示、流量不準(zhǔn)確等由傳感器出現(xiàn)問(wèn)題引起的一系列故障一直困擾和影響著設(shè)備的安全運(yùn)行,因此,一直把傳感器故障問(wèn)題作為閘門(mén)日常維護(hù)的重中之重。

        根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),泥沙大、水質(zhì)差,是造成傳感器故障的主要因素。閘門(mén)傳感器的清洗維護(hù)也成為日常運(yùn)行管護(hù)的主要工作,而對(duì)于傳感器的清洗維護(hù)也是停留在斷電抽拔人工維護(hù)階段,并未探索研究自動(dòng)清洗或快速高效清洗功能,而且其他灌區(qū)閘門(mén)保護(hù)外殼更加厚重不方便,傳感器的清洗維護(hù)任務(wù)變得異常繁重。

        在測(cè)控的過(guò)程中出現(xiàn)測(cè)量不精準(zhǔn)問(wèn)題的主要原因之一是水位傳感器故障,它是測(cè)控配件中較為重要的組成部分,當(dāng)其產(chǎn)生故障后容易導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏大或偏小。而在訊期階段,流入渠道的水量增大,其中的泥沙含量也會(huì)增大,傳感器出現(xiàn)故障的可能性更高,常常會(huì)出現(xiàn)水位測(cè)量不準(zhǔn)確或測(cè)量水位結(jié)果不變化等問(wèn)題。因此,傳感器清洗問(wèn)題就成了管理運(yùn)行的主要問(wèn)題,需要頻繁的對(duì)傳感器進(jìn)行清洗,嚴(yán)重增加了管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。其次,傳感器會(huì)出現(xiàn)無(wú)癥狀失靈,造成閘門(mén)全開(kāi),嚴(yán)重影響到渠道安全運(yùn)行。疏勒河水源為河水,泥沙較多,閘前閘后泥沙淤積影響閘門(mén)運(yùn)行,甚至導(dǎo)致閘門(mén)無(wú)法運(yùn)行。

        5 針對(duì)泥沙影響,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗的努力方向

        在國(guó)內(nèi)外鮮有關(guān)于一體化測(cè)控槽閘傳感器清洗維護(hù)技術(shù)研究報(bào)道的背景下,需要對(duì)一體化傳感器故障問(wèn)題進(jìn)行深入系統(tǒng)研究,針對(duì)傳感器故障問(wèn)題,全面分析其原因,開(kāi)展對(duì)傳感器清洗維護(hù)技術(shù)研究。通過(guò)初期的對(duì)現(xiàn)有保護(hù)外殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)改造,進(jìn)一步探索外置的高壓水沖洗設(shè)備和高效的自動(dòng)反沖洗裝置,最終解決傳感器不顯示、不準(zhǔn)確的故障問(wèn)題。具體主要研究?jī)?nèi)容有:

        (1)通過(guò)研究傳感器所在的卡槽,研究傳感器測(cè)量水位的原理,分析造成傳感器不顯示流量和計(jì)量不準(zhǔn)確的原因,根據(jù)問(wèn)題的本質(zhì),初步提出傳感器清洗的不同方案和設(shè)計(jì)規(guī)劃。

        (2)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有保護(hù)外殼進(jìn)行評(píng)估分析,不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),提出更加合理的改進(jìn)方案,最終改造出方便快捷的保護(hù)外殼。

        (3)針對(duì)傳感器清洗維護(hù)存在的問(wèn)題,探索研究一種可行的、快速的、高效的高壓外帶水沖洗裝置,通過(guò)不斷的壓力水的沖洗,實(shí)現(xiàn)對(duì)卡槽和傳感器的清洗維護(hù)。

        (4)結(jié)合前期的改造措施和方案,聯(lián)合潞碧墾公司技術(shù)人員,針對(duì)老化的傳感器卡槽開(kāi)展更新工作,實(shí)現(xiàn)全范圍的升級(jí)與改造,在閘門(mén)裝置處增添自動(dòng)清洗設(shè)備,用其自帶的電源設(shè)備供應(yīng)動(dòng)力,使閘門(mén)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)反沖洗。

        6 結(jié)語(yǔ)

        綜合測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)與使用是為了有效地提高當(dāng)?shù)氐墓喔裙芾砟芰?,促進(jìn)當(dāng)?shù)厮F(xiàn)代化發(fā)展,直接或間接帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)進(jìn)步,應(yīng)用綜合測(cè)控設(shè)備的地區(qū)應(yīng)結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備與系統(tǒng)的設(shè)計(jì),積極打造現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū),提高設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性,選擇適宜的設(shè)備類型與型號(hào),在提高設(shè)備安裝與運(yùn)行安全性的同時(shí)降低維護(hù)管理難度,從整體角度出發(fā)對(duì)綜合測(cè)控設(shè)備樓進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì),在建設(shè)生態(tài)灌區(qū)時(shí)應(yīng)秉承“灌溉條件充分、灌溉工程完整、運(yùn)行良好、集中管理、集中銜接”的原則,通過(guò)現(xiàn)代化的計(jì)量技術(shù)和控制手段,提高了灌區(qū)的計(jì)量和控制水平。

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