水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設(shè)計探討

李莉，劉秀琴

(海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101)

水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設(shè)計探討

李莉，劉秀琴

(海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101)

水封洞庫工程是國家原油戰(zhàn)略儲備的重要手段，通過對地下工程監(jiān)測對象的簡要介紹，闡明了安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設(shè)置目的；并根據(jù)已建成的國內(nèi)地下工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的實際情況，總結(jié)了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案及設(shè)計原則；詳細(xì)介紹了系統(tǒng)各組成部分硬件的基本配置要求，概述了系統(tǒng)軟件的功能性需求。與此同時，對系統(tǒng)的供電、防雷以及現(xiàn)場設(shè)備的接地也提出了相應(yīng)的要求。

水封洞庫 地下工程 洞室 水幕巷道 施工巷道 安全監(jiān)測

水封洞庫項目的建設(shè)包括地上工程和地下工程建設(shè)。其中，地上工程的輸油工藝與傳統(tǒng)的輸油工藝差別不大，對儲油洞罐、輸油設(shè)施、輸油管線、閥組、公用工程等的過程監(jiān)控通常采用SCADA系統(tǒng)[1]，并設(shè)計安全儀表系統(tǒng)(SIS)[2]用于執(zhí)行油庫的安全儀表功能。地上部分的過程監(jiān)控和安全聯(lián)鎖等自控專業(yè)內(nèi)容屬于常規(guī)設(shè)計；水封洞庫地下工程的安全監(jiān)測儀表和自動化系統(tǒng)設(shè)計是一項亟待總結(jié)的新內(nèi)容。文中根據(jù)中國已建成和正在建設(shè)的水封洞庫的實際情況，僅對安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行總結(jié)。

1 水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)概述

水封洞庫地下工程主要由洞罐、水幕巷道、施工巷道、連接巷道以及豎井等設(shè)施組成。其中，洞罐、水幕巷道、施工巷道以及連接巷道由于深埋地下，無法被洞庫運營人員直觀地掌握生命周期內(nèi)的具體情況。因此，對于涉及洞庫圍巖安全穩(wěn)定性、地下水壓力、水位狀況的監(jiān)測內(nèi)容，必須納入水封洞庫的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中，作為監(jiān)測、分析及使用的數(shù)據(jù)長期保存。

2 水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)置

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采取分布式結(jié)構(gòu)形式，共分為三層。最上層為上位機(jī)部分，包括監(jiān)測站、服務(wù)器及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備；中間層為工控機(jī)部分，包括工控機(jī)及通信設(shè)備；最下層為觀測站，包括數(shù)據(jù)采集單元及通信設(shè)備。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 安裝位置

水封洞庫項目的各洞罐按長方體平行擺放，并置于相同的深度，大型水封洞庫項目油品儲量大，占地面積廣；洞罐的埋設(shè)深度根據(jù)儲存油品的性質(zhì)、壓力，巖體風(fēng)化程度和地下水位的高低等因素確定[3]。上述原因?qū)е聫默F(xiàn)場監(jiān)測儀表至工控機(jī)的信號傳輸距離過長，因而建議在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)水封洞庫的總平面布置，在地面非防爆區(qū)沿施工巷道的外圍設(shè)置合適的觀測站；各觀測站設(shè)數(shù)據(jù)采集單元，負(fù)責(zé)采集相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的安全監(jiān)測儀表的遠(yuǎn)傳信號。

圖1 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)的上位機(jī)及工控機(jī)部分一般設(shè)置在水封洞庫項目的中心控制室，通過冗余光纜實現(xiàn)與現(xiàn)場觀測站的數(shù)據(jù)通信。

2.3 觀測站的設(shè)置

觀測站內(nèi)設(shè)自動化監(jiān)測箱、數(shù)據(jù)采集單元及光端機(jī)等設(shè)備。根據(jù)水封洞庫地面的地形情況，為觀測站設(shè)置數(shù)據(jù)采集小屋，若附近地形不滿足數(shù)據(jù)采集小屋的安裝要求，則設(shè)置露天安裝式觀測站，自動化監(jiān)測箱采用壁掛式安裝方式。觀測站不得設(shè)置在具有強(qiáng)電磁干擾的設(shè)備附近，并應(yīng)有良好的接地。露天觀測站必須加裝適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，安裝方式如圖2所示。

圖2 露天觀測站的安裝方式示意

3 水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)配置要求

3.1 上位機(jī)的配置

上位機(jī)中配備的監(jiān)測站和服務(wù)器的選型建議與SCADA系統(tǒng)的操作站及服務(wù)器的選型保持一致，其配置指標(biāo)不應(yīng)低于SCADA系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)備的配置指標(biāo)。

3.2 工控機(jī)的配置

工控機(jī)完成對數(shù)據(jù)采集單元的信號采集和數(shù)據(jù)處理工作[4]，工控機(jī)的數(shù)據(jù)處理包括： 數(shù)據(jù)可視化顯示、數(shù)據(jù)判斷、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)庫管理等[5]。在水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中，工控機(jī)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集單元的各類信號，并將處理后的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器供上位機(jī)使用。

水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的工控機(jī)要求有較高運算速度和較大存儲容量，工控機(jī)應(yīng)具有報警功能，系統(tǒng)自檢、自診斷功能，還應(yīng)具有運行日志、故障日志記錄等功能。

3.3 數(shù)據(jù)采集單元的配置

利用工控機(jī)配合數(shù)據(jù)采集單元，完成對現(xiàn)場安全監(jiān)測儀表的信號采集任務(wù)，數(shù)據(jù)采集原理如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集原理示意

通過數(shù)據(jù)采集單元自檢、參數(shù)設(shè)置、單點測量、巡回測量以及定時測量，實現(xiàn)工控機(jī)與數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)采集單元與現(xiàn)場安全監(jiān)測儀表之間的信號傳輸。

數(shù)據(jù)采集單元應(yīng)具有： 測量功能、控制功能、存儲功能、定時功能、通信功能、自檢自校功能、雷電保護(hù)功能、供電功能、抗電磁干擾功能[7]。

數(shù)據(jù)采集單元的采樣對象為電阻式、電容式、電感式、壓阻式、振弦式、光電式等具有不同測量原理的現(xiàn)場安全監(jiān)測儀表；其標(biāo)準(zhǔn)配置宜為8～32個通道[8]。

3.4 冗余化配置

為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行，上位機(jī)及工控機(jī)均采用冗余配置；監(jiān)測站、服務(wù)器、工控機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)均采用熱備冗余方式。

3.5 系統(tǒng)供電要求

上位機(jī)、工控機(jī)的供電與SCADA和SIS等統(tǒng)一采用UPS供電[9]，電源規(guī)格： 交流220 V(1±5%)，50 Hz±0.5 Hz，后備供電時間不小于30 min。設(shè)置專用配電箱為觀測站供電，觀測站本身應(yīng)配備相互冗余的直流電源。

3.6 系統(tǒng)防雷要求

由于水封洞庫通常建設(shè)在山區(qū)，雷暴活動頻繁，因而系統(tǒng)必須進(jìn)行防雷設(shè)計，上位機(jī)及工控機(jī)的防雷設(shè)計應(yīng)符合文獻(xiàn)[10]的要求；觀測站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集單元必須采用防雷電路，電源也需配備防雷裝置。

4 水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)選型

4.1 總體要求

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)應(yīng)采用技術(shù)成熟、有實際運營經(jīng)驗的系統(tǒng)；應(yīng)便于擴(kuò)展，能夠滿足水封洞庫工程安全監(jiān)測與管理的需要。

4.2 系統(tǒng)選型

由于國內(nèi)外廠商提供的系統(tǒng)集成產(chǎn)品各有優(yōu)缺點，設(shè)計時可根據(jù)已建成的水封洞庫地下工程安全監(jiān)測設(shè)計的具體情況，推薦采用性價比合適的產(chǎn)品，在集成后組成安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，并由系統(tǒng)集成商開發(fā)或提供適用于具體工程的監(jiān)測硬件和分析軟件。

5 水封洞庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)軟件的主要功能包括： 洞庫圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測、地下工程微震監(jiān)測、地下水壓力監(jiān)測、地下水水質(zhì)分析監(jiān)測等，主要完成在線采集、集中監(jiān)控、洞庫圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形可視化監(jiān)測、洞庫微震信號處理分析、微震事件三維顯示、地下水壓力可視化監(jiān)測、地下水水質(zhì)可視化監(jiān)測、數(shù)據(jù)庫管理、圖形與報表制作、系統(tǒng)與資料管理、報警打印等內(nèi)容。

5.1 洞庫圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測功能

系統(tǒng)自帶可實現(xiàn)地下水封洞庫結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的分析模型，可定量分析、預(yù)警地下工程的結(jié)構(gòu)變形情況，并提供可視化顯示、報警及打印等功能。

通過采集設(shè)置于洞罐、水幕巷道、施工巷道等部位的多點位移計和錨桿應(yīng)力計的信號，經(jīng)過洞庫結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測模型的分析，可實現(xiàn)對地下工程的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測。其中，圍巖變形監(jiān)測包括對圍巖表面收斂、圍巖內(nèi)部及表面變形、地質(zhì)構(gòu)造體位移等項目的監(jiān)測；支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測包括對支護(hù)錨桿應(yīng)力及錨索應(yīng)力、支護(hù)鋼格柵應(yīng)力、襯砌混凝土鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、襯砌混凝土與圍巖結(jié)合面的變形監(jiān)測。

5.2 地下工程微震監(jiān)測功能

地下工程微震監(jiān)測功能覆蓋從水封洞庫施工到運營全過程的監(jiān)測工作，通過采集微震儀的信號，可對水封洞庫開挖過程中可能發(fā)生的巖體失穩(wěn)，如大范圍的冒頂、塌方等進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，為施工優(yōu)化提供指導(dǎo)；并根據(jù)開挖后的圍巖變形監(jiān)測，做出是否存在巖體不穩(wěn)定性的判斷，以便決策是否暫停施工及確定作業(yè)人員重返開挖工作面的時間；可對區(qū)域內(nèi)因水封洞庫施工和運營引起的斷層等地質(zhì)構(gòu)造活動進(jìn)行評估；洞庫投用后提供一種先進(jìn)的安防措施，實時監(jiān)測周邊劃定區(qū)域的爆破、機(jī)械施工等危險事件；洞庫運營期間，可以定量評估由于油量變化而產(chǎn)生的附加應(yīng)力對洞室穩(wěn)定性的相關(guān)影響，可以對地下洞室中可能發(fā)生的塌方和冒頂及時做出評估、預(yù)警和分析等，為安全預(yù)警提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

5.3 地下水壓力監(jiān)測功能

系統(tǒng)自帶可實現(xiàn)水封洞庫工程地下水壓力監(jiān)測的分析模型，包括洞罐滲壓監(jiān)測模型、地下水水位監(jiān)測模型。該功能可定量分析和預(yù)警地下工程的滲流異常、水封壓力變化的情況，并提供可視化顯示、報警及打印等功能。

通過采集洞室及洞罐間滲壓計的信號，結(jié)合洞罐滲壓監(jiān)測模型的分析，可以監(jiān)測由于圍巖變形或各洞罐儲油品種不同等原因引起的洞室與洞室、洞罐與洞罐間巖體水壓的變化，進(jìn)而分析可能發(fā)生的滲流異常，以采取必要的預(yù)防措施。

通過采集水幕巷道及洞庫周邊的滲壓計信號，利用地下水水位監(jiān)測模型，實時監(jiān)測地下水水位，用于判斷儲油水封壓力，進(jìn)而及時進(jìn)行水幕補(bǔ)水，以保證洞庫水封的可靠性和安全性。

5.4 地下水水質(zhì)分析監(jiān)測功能

在水封洞庫周邊一定范圍內(nèi)設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測孔，運營人員定期對地下水進(jìn)行采樣、檢測及分析，將檢測結(jié)果輸入安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)結(jié)果保存、打印等工作。

6 結(jié)束語

地下工程是水封洞庫的核心組成部分，選擇技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)是保證洞庫安全建設(shè)和運營的關(guān)鍵。因此，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的方案設(shè)計是水封洞庫工程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計者應(yīng)給予足夠的重視。

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Discussion on Design of Safety Supervised Automation System for Water Sealed Rock Caverns

Li Li, Liu Xiuqin

(Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd., Qingdao, 266101, China)

Water sealed rock cavern engineering is the important means for national crude oil storage. Through brief summarization for underground engineering’s supervised object, the setting aim of safety supervised automation system is illuminated. According to reality of safety supervised automation system in built underground engineering, the general system design scheme and principle are summarized. The configuration requirement of system’s composed hardware is introduced in detail. The functional requirement of system’s software is summed up. Besides, the requirement for system’s power supply, lightning surge protection and the field instrument’s grounding are also proposed.

underground rock caverns; underground engineering; cavern; water curtain tunnel; access tunnel; safety supervise

李莉(1982—)，女，2007年畢業(yè)于青島大學(xué)計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于海工英派爾工程有限公司自控室，從事石油化工自控設(shè)計工作。

TP277

B

1007-7324(2017)03-0008-03

稿件收到日期： 2017-01-10，修改稿收到日期： 2017-02-28。