全渠道閘門控制系統(tǒng)在甘肅省引洮供水二期工程中的優(yōu)化應(yīng)用

曾有孝，郭 軍

(1.甘肅省水利廳水利工程建設(shè)造價(jià)與規(guī)費(fèi)管理中心，甘肅 蘭州 730030;2.甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730030)

1 工程概況

甘肅省引洮供水二期工程是水利部確定在2015年開工建設(shè)的27項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，工程的建設(shè)任務(wù)是以城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉，促進(jìn)當(dāng)?shù)厝罕娒撠氈赂缓蜕鷳B(tài)環(huán)境改善。供水范圍涉及甘肅中部4市8個縣區(qū)，年調(diào)水量3.13億m3，設(shè)計(jì)水平年供水總?cè)丝?67.76萬人，發(fā)展灌溉面積29.2萬畝，屬Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大(2)型。

工程主要建設(shè)內(nèi)容包括：引洮二期總干渠1條，干渠6條(四干渠-九干渠)，分干渠2條(八干渠一分干、八干二分干)、城鄉(xiāng)集中供水點(diǎn)供水管(渠)線18條?？偢汕€路長度95.09km，干渠和分干渠線路長度299.97km，供水管線長度176.47km，其中總干渠是在引洮供水一期工程總干渠末端進(jìn)行延伸建設(shè)。

總干渠、干渠的主要建筑物包括隧洞、暗渠及渡槽，均采用無壓重力流輸水，供水管道均采用有壓重力流輸水。無壓重力流輸水渠道主要通過設(shè)在渠道上的各節(jié)制分(泄)水閘進(jìn)行控制及分(泄)水，原設(shè)計(jì)方案中總干渠采用傳統(tǒng)平板鋼閘門進(jìn)行控流及分流，干渠和分干渠采用雙面鑲銅鑄鐵閘門進(jìn)行控流及分流。對于長距離供水工程而言，控制與計(jì)量的精準(zhǔn)程度及信息化程度的高低是閘門及其控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化的關(guān)鍵所在。

2 原閘門及其控制系統(tǒng)方案存在的問題及優(yōu)化的必要性

2.1 原設(shè)計(jì)方案

引洮供水二期工程各級渠道節(jié)制閘、分水閘、退水閘的閘門系統(tǒng)主要由閘門和啟閉設(shè)備組成，總干渠輸水流量及閘室孔口尺寸較大，沿線閘門選用平板鋼閘門，固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉操作；干渠輸水流量較小，沿線閘門均采用雙面鑲銅鑄鐵閘門，手電兩用螺桿式啟閉機(jī)啟閉。各類閘門共計(jì)186孔。

閘門綜合自動控制系統(tǒng)主要由可編程控制器(PLC)、觸摸屏、水位/閘(閥)位顯示儀表和傳感器及與信息調(diào)度分中心、中心遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)連接的網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備組成。同時(shí)配置閘門開度儀、荷重傳感器等，將閘門開度、荷重等信號送至可編程控制器(PLC)，PLC將輸水流量與閘門開度計(jì)算需要的參數(shù)發(fā)送給現(xiàn)地工控機(jī)，由工控機(jī)自動根據(jù)調(diào)度下發(fā)的流量控制閘門開度。引洮供水二期工程閘(閥)門控制系統(tǒng)，原理是利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，通過配置智能型PLC設(shè)備，實(shí)現(xiàn)從中控室和管理站對終端閘(閥)門的遠(yuǎn)程控制。

2.2 存在的問題

引洮供水二期工程所采用的傳統(tǒng)的閘門及其控制系統(tǒng)方案與已建成的引洮供水一期工程完全一致，從引洮供水一期工程實(shí)際運(yùn)行情況看，主要存在以下問題：

(1)傳統(tǒng)閘門受結(jié)構(gòu)及機(jī)械制造水平限制，閘門開度控制及過閘水量計(jì)量的精度較低，尤其是小開度、小流量下的控制和計(jì)量誤差較大。

(2)因閘門系統(tǒng)無法準(zhǔn)確控流及測流，需在閘室上下游的渠道段布置超聲波或雷達(dá)流量計(jì)測流，再將其測流成果反饋給閘門控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閘門開度，增加了調(diào)度運(yùn)行的中間環(huán)節(jié)，降低了管理工作的效率和功效；同時(shí)超聲波或雷達(dá)流量計(jì)又存在小流量、低水位及高流速渠段計(jì)量誤差大或無法測量的問題。

(3)傳統(tǒng)閘門自動控制方式主要通過在閘門處配置PLC設(shè)備，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)閘(閥)門點(diǎn)對點(diǎn)的控制以及調(diào)度中心、管理站的遠(yuǎn)程控制，其閘門控制和流量監(jiān)測由不同的設(shè)備及控制系統(tǒng)完成，對供水戶的流量分配主要采用調(diào)度中心人為干預(yù)控制、下達(dá)指令，智能化水平較低。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性分析

引洮供水二期工程的前期設(shè)計(jì)主要完成于“十二五”期間，其建設(shè)過程貫穿整個“十三五”時(shí)期，預(yù)計(jì)工程將于“十四五”開局之年2021年建成運(yùn)行，工程設(shè)計(jì)建設(shè)周期的時(shí)間跨度超過了十年。鑒于當(dāng)時(shí)國內(nèi)對水利控制系統(tǒng)的認(rèn)識不夠，市場上缺乏可供借鑒的全自動化、高可控性的產(chǎn)品，其產(chǎn)品基本處于半自動化水平，閘門之間的協(xié)同度低，控制測流精度差。從前述存在的主要問題看，現(xiàn)有的閘門及其控制系統(tǒng)方案已不能很好的滿足引洮供水工程精確調(diào)水、安全輸水的需求，需采用更加先進(jìn)的閘門及其控制系統(tǒng)對原有方案進(jìn)行優(yōu)化升級。

針對工程存在的不足，引洮供水工程信息化系統(tǒng)采用智能化及測控一體化的輸水配置替代傳統(tǒng)的涉及自動化供水管理的水工閘門，完全符合水利部《加快推進(jìn)新時(shí)代水利現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見》中所提新時(shí)期水利發(fā)展應(yīng)立足當(dāng)前、著眼長遠(yuǎn)，突出抓重點(diǎn)、補(bǔ)短板、強(qiáng)弱項(xiàng)、夯基礎(chǔ)的思路及要求，也是加快推進(jìn)新時(shí)代水利現(xiàn)代化重要舉措，可保證引洮工程水資源調(diào)配的實(shí)時(shí)監(jiān)控、過程跟蹤、智能調(diào)度、準(zhǔn)確投遞，達(dá)到水資源的高效利用，提升運(yùn)行管理水平，為合理配置水資源提供有力支持，顯著提高用水、管水經(jīng)濟(jì)社會綜合效益。

3 閘門及其控制系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 方案優(yōu)化的總體思路及內(nèi)容

針對工程存在的問題，結(jié)合新時(shí)代水利現(xiàn)代化指導(dǎo)意見相關(guān)內(nèi)容及引洮供水工程自身具有的點(diǎn)多、面廣、線長、分水口眾多、輸水過程的控制難度極大的特點(diǎn)和現(xiàn)代化管理的需求，在對國內(nèi)外智能化及計(jì)控一體化的輸配水控制新技術(shù)進(jìn)行調(diào)研和學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，確定引洮供水二期工程閘門及其控制系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)思路為：采用智能化及計(jì)控一體化的輸水配置替代傳統(tǒng)的涉及自動化供水管理的水工閘門，閘門設(shè)備選型應(yīng)適應(yīng)全渠線智能測控系統(tǒng)要求，以保證引洮工程水資源調(diào)配的實(shí)時(shí)監(jiān)控、過程跟蹤、智能調(diào)度、準(zhǔn)確投遞，實(shí)現(xiàn)節(jié)水及水資源的高效利用，全面提升引洮工程各項(xiàng)管理工作的效率、功效和運(yùn)行管理的智能化水平。

根據(jù)國內(nèi)與引洮供水二期渠道系統(tǒng)相類似的寧夏甘城子灌區(qū)、內(nèi)蒙古尼爾基灌區(qū)、甘肅疏勒河灌區(qū)以及山西的回龍、汾河和敦化灌區(qū)等項(xiàng)目安裝及運(yùn)行測控一體化閘門及全渠道控制系統(tǒng)的成功范例及經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化方案重點(diǎn)研究采用以自動化測控一體閘門為主的全渠道控制系統(tǒng)替代原設(shè)計(jì)采用的常規(guī)閘門及其控制系統(tǒng)的可行性，主要設(shè)計(jì)調(diào)整內(nèi)容包括兩大部分的內(nèi)容：一是閘門控制系統(tǒng)的調(diào)整，由傳統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)調(diào)整為全渠道控制(TCC)系統(tǒng)；二是閘門設(shè)備的調(diào)整，由傳統(tǒng)的鋼閘門和鑄鐵閘門調(diào)整為一體化測控閘門。

3.2 閘門及其控制系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及一體化閘門選型

全渠道控制系統(tǒng)，顧名思義就是對整個渠道進(jìn)行聯(lián)合控制和調(diào)度。當(dāng)全渠道控制系統(tǒng)中的任何一扇測控一體化閘門發(fā)生調(diào)節(jié)，灌溉及供水系統(tǒng)中與其相關(guān)的其它測控一體化閘門則自動調(diào)節(jié)，直到達(dá)到每扇閘門的設(shè)定值。

全渠道控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對全渠道流量精確計(jì)量、自動化管理和控制，并根據(jù)用戶需求自下而上的下游控制系統(tǒng)。在工程運(yùn)行期間，每一座節(jié)制閘前都可視為一個“蓄水池”。當(dāng)該節(jié)制閘處分水閘分水時(shí)，該處節(jié)制閘前水位下降，與此同時(shí)，上游相鄰節(jié)制閘門會收到該處節(jié)制閘水位下降的信號，自動調(diào)節(jié)閘門開度補(bǔ)充水量，直到水位達(dá)到設(shè)定值為止，依次類推，使渠道上的每扇閘門都可以自動調(diào)節(jié)。通過計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及控制調(diào)度軟件，對整個供水工程渠系網(wǎng)絡(luò)的智能化調(diào)配水量進(jìn)行全局控制。

該系統(tǒng)主要由高精度測控一體化智能閘門、通信網(wǎng)絡(luò)和閘門控制系統(tǒng)三部分組成。測控一體化智能閘門作為全渠道控制系統(tǒng)核心部件，其主要形式有兩種，一種是頂面溢流式的測控一體化槽閘，如圖1所示，另一種是底流式的測控一體化板閘，如圖2所示。根據(jù)引洮供水二期工程的供電條件，閘門以交流電源為常用電源，太陽能為備用電源，閘門通過光纜與控制中心連接，用水戶通過電腦軟件或手機(jī)APP與控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)聯(lián)系。

圖1 一體化測控槽閘

圖2 一體化測控板閘

測控一體化智能閘門主要包括安裝框總成、門框總成、動力總成、升降門總成、罩殼類零件和其他零件等。閘門運(yùn)行過程為步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動力矩通過減速機(jī)傳遞到傳動軸，傳動軸帶動鋼絲繩卷輪轉(zhuǎn)動，鋼絲繩牽拉門板開啟或關(guān)閉。閘門主體結(jié)構(gòu)采用航空鋁材質(zhì)，水位測量選用超聲波水位測量儀，依靠數(shù)字式編碼器計(jì)算閘門開度，閘門可通過光纖與上位機(jī)進(jìn)行通信。

對于引洮供水二期工程而言，渠道上的分水閘及其節(jié)制閘和退水閘節(jié)制閘門都需要調(diào)節(jié)主渠道閘前水深，精確計(jì)量過閘流量，所以分水閘和所有節(jié)制閘選擇采用一體化測控槽閘。退水閘門主要作用是在閘門下游渠道出現(xiàn)事故時(shí)由退水節(jié)制閘截?cái)嗨?，并同時(shí)打開退水閘門將上游來水泄走，退水閘門工作狀態(tài)為全開或全關(guān)，無精確計(jì)量的要求，同時(shí)要求啟閉速度快、泄流能力大，因此退水閘全部選擇采用一體化測控板閘。

3.2.2 系統(tǒng)適宜性和效果分析

全渠道控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動化按需配水，提高了渠系水利用系數(shù)，縮短了用戶和供水時(shí)間，節(jié)省大量勞動力。通過對渠系閘門的有效監(jiān)控和全渠系水量的優(yōu)化配置，在全渠道控制調(diào)度軟件的支持下，幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)渠系“按需供水”，為用水戶提供安全、公平、可靠、靈活的供水服務(wù)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)以及所采用的一體化閘門的結(jié)構(gòu)完全適合于以明流輸水為主的引洮供水二期工程，其應(yīng)用效果分析如下：

(1)可實(shí)現(xiàn)全工程供水及灌溉的信息化管理和自動化控制。

(2)可實(shí)現(xiàn)高精度流量計(jì)量與控制(±2.5%)，確保受水區(qū)供用水總量控制，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)高精度水費(fèi)計(jì)量，確保供用水方的利益。

(3)一體化槽閘采用頂面溢流式的過流方式，完全消除了低水位、小流量時(shí)傳統(tǒng)閘門和計(jì)量設(shè)備的控制計(jì)量缺陷。

(3)各閘門之間的連動調(diào)節(jié)可有效減少渠道棄水，提高輸水效率，增加工程供水效益。

(4)渠道水位波動減小，供水穩(wěn)定且流量大，可為上、下游提供同等快速的供水服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高效安全供水。

(5)一體化閘門的精確控制計(jì)量技術(shù)，能夠準(zhǔn)確查明水量損失點(diǎn)或渠段，及時(shí)并有針對性地對渠道進(jìn)行維護(hù)，有效減少水量及效益損失。

綜上，全渠道控制系統(tǒng)和一體化測控閘門是先進(jìn)設(shè)備與信息技術(shù)的強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)水及水資源的高效利用，全面提升運(yùn)行管理水平，確定推薦其對原閘門及其控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級。

4 結(jié)論與建議

通過實(shí)施引洮供水二期全渠道閘門控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全渠道流量精確計(jì)量和自動化管理，保證引洮供水工程水資源調(diào)配的實(shí)時(shí)監(jiān)控、過程跟蹤、智能調(diào)度和準(zhǔn)確投遞，同時(shí)可進(jìn)一步節(jié)省勞動力，提高水資源利用效率，為合理配置水資源提供有力支持。項(xiàng)目實(shí)施符合新時(shí)代水利現(xiàn)代化發(fā)展的思路及要求，是加快推進(jìn)引洮供水工程水利現(xiàn)代化建設(shè)的重要舉措。

(1)全渠道控制系統(tǒng)是由國外引進(jìn)的新技術(shù)及新設(shè)備，雖然近些年國內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)和廠家也在大力研發(fā)相類似的全渠道閘門控制系統(tǒng)，但在控制調(diào)度軟件系統(tǒng)方面尚不完善，實(shí)施中需進(jìn)一步針對國內(nèi)應(yīng)用環(huán)境，自主進(jìn)行針對性、適用性開發(fā)。

(2)全渠道控制系統(tǒng)中閘門的控制采用“蓄水池”原理。該控制形式在平原地區(qū)坡度較緩、水流流速較慢的工程應(yīng)用并無太大問題，但在坡度較陡、流速較快的山區(qū)丘陵區(qū)工程中使用，會對閘孔寬度等閘室空間布置提出新的要求。

(3)全渠道控制系統(tǒng)作為引洮供水二期工程運(yùn)行管理信息化系統(tǒng)的子系統(tǒng)，最終需接入工程調(diào)度中心集控自動化系統(tǒng)平臺，以實(shí)現(xiàn)引洮供水工程的整體遠(yuǎn)程集中控制，現(xiàn)地一體化閘門測控單元的核心控制器應(yīng)滿足閘門所有監(jiān)控功能，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化模件集成，和引洮供水運(yùn)行管理信息系統(tǒng)無縫對接，完美兼容。