長距離壓力輸水工程水錘態(tài)勢應急監(jiān)測系統(tǒng)設計

胡 偉

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

我國幅員遼闊，海岸線漫長，水資源較為豐富，但是受到各種地域、地形的限制，水資源時空分布并不均勻，呈現(xiàn)南多北少，東多西少的趨勢，因此水資源供需矛盾日益加劇。為解決上述問題，我國建設了很多大型的長距離輸水工程，如南水北調(diào)、引江濟漢、引漢濟渭等[1]。這些工程的建設和投入使用，很大程度上解決了局部地區(qū)缺水問題，使得水資源合理分配。然而，長距離的輸水工程一般管線都很長，且受到地形的影響，管道起伏也比較大，水流流速會發(fā)生相應的劇烈變化，從而導致水壓在管道內(nèi)不斷的發(fā)生交替變化，尤其在拐彎處，水流會大力撞擊水管，發(fā)生水錘現(xiàn)象，引起爆管問題，不僅影響了水資源的正常輸送，也造成了嚴重的經(jīng)濟損失[2]。

面對上述問題，長距離壓力輸水工程中水錘問題的監(jiān)測至關(guān)重要，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，并及時進行預警和處理，可避免造成更大的損失。關(guān)于水錘問題的研究有很多，如朱滿林等人以寶雞市馮家山水庫重力輸水工程為例，研究了從馮家山水庫取水到水處理廠這一段的水錘問題，并提出空氣閥組概念，為水錘問題的解決提供了參考。趙衛(wèi)國等人以“引大入港”管道輸水工程為對象，結(jié)合GPRS技術(shù)構(gòu)建一種管道輸水實時監(jiān)測系統(tǒng)，對這一段輸水管道水錘問題進行了實時監(jiān)測，有效避免了管線爆管問題。徐海林結(jié)合遠程終端 RTU系統(tǒng)對長距離輸水管線上各個關(guān)鍵點的壓力進行監(jiān)測，并以崇明島原水輸水系統(tǒng)一期工程為例，進行監(jiān)測測試，證明了遠程終端 RTU系統(tǒng)的監(jiān)測效果。

在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合信號處理技術(shù)設計一種長距離壓力輸水工程水錘態(tài)勢應急監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在長距離輸水管線各處布置傳感設備，經(jīng)過信號處理后，判斷是否發(fā)生水錘爆管問題，一旦出現(xiàn)水錘爆管問題，即可控制水錘的蝶閥門關(guān)閉，并確定出現(xiàn)水錘問題的位置，然后通知維修人員進行維修，盡快恢復正常輸水。通過本系統(tǒng)設計，為長距離壓力輸水工程水錘問題的解決提供參考和建議，以避免造成過大的損失和水資源浪費。

1 水錘態(tài)勢應急監(jiān)測系統(tǒng)

水錘現(xiàn)象是由水流在管道內(nèi)急速變化，從而不斷沖擊水管線引起的事故問題，其描述方程如下：

(1)

(2)

式中，H—相應某基準面的某斷面在時刻t的水頭,m；x—位置坐標,m；A—管道過流面積,m2；f—管道摩阻系數(shù)；Q—某斷面在時刻t的流量,m3/s，其正負取決于流量Q的方向；|Q|—流量的絕對值,m3/s；D—管道直徑,m；a—水錘波的傳播速度,m/s。

水錘現(xiàn)象極易引起水管爆裂，造成水資源浪費，導致經(jīng)濟損失，因此長距離壓力輸水工程水錘態(tài)勢應急監(jiān)測至關(guān)重要。

1.1 系統(tǒng)設計框架

框架設計是系統(tǒng)設計的第一步，為后續(xù)硬件和軟件的搭建提供基礎(chǔ)輪廓。本系統(tǒng)的邏輯框架分為3層，從上到下依次為應用層、支撐層與數(shù)據(jù)層，如圖1所示[3]。

圖1 系統(tǒng)邏輯框架

應用層：系統(tǒng)的最上層，主要負責各種業(yè)務邏輯的運算，包括數(shù)據(jù)采集邏輯、數(shù)據(jù)處理邏輯、控制輸出邏輯、預警提醒邏輯、顯示邏輯等[4]。

支撐層：系統(tǒng)的中間層，在該層中包含了各種功能組件，為上述應用層提供基層服務支撐，實現(xiàn)服務端與 PC端之間的交互。

數(shù)據(jù)層：系統(tǒng)的最底層，主要負責采集關(guān)于水錘態(tài)勢的數(shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)主要硬件

1.2.1傳感器

(1)壓力變送器

當某一水錘現(xiàn)象發(fā)生時，尤其是當水泵在啟動和停止時，水流產(chǎn)生的沖擊波極大，就像錘子一樣，不斷敲打管道，破壞力極強，當破壞力達到一定程度， 就會導致管道破裂，造成漏水問題[5]。一旦水錘造成水管漏水，就會在泄漏處立即產(chǎn)生負壓波，從而不斷向兩端傳播，引起管線內(nèi)壓力發(fā)生變化。利用這一點可以通過壓力變送器實時采集沿線壓力，以此來進行水錘問題發(fā)生處的確定，以便及時進行應急處理。本系統(tǒng)當中的壓力變送器為通用型壓力變送器，該設備主要優(yōu)勢特征如下：①采用膜片隔離技術(shù)；②集成芯片、寬電壓供電；③結(jié)構(gòu)小巧、安裝方便；④截頻設計、抗干擾能力強、防雷擊；⑤限流、限壓、反接保護(僅限電流輸出)；⑥精度高、穩(wěn)定性好、響應速度快、耐沖擊。

(2)流量變送器

水錘現(xiàn)象引起水管爆管后，除了壓力變化外，同樣也會引起水流量的變化。根據(jù)爆管經(jīng)驗， 爆漏量達1000m3/h以上時，有可能引發(fā)次生災害。為明確水管內(nèi)水流量變化，采用渦輪式流量計進行監(jiān)測。它精度高、可靠性好、量程可調(diào)范圍大、帶負載、抗干擾能力強[6]。該設備基本參數(shù)見表1。

表1 渦輪式流量計基本參數(shù)

1.2.2GPRS無線通信硬件

長距離壓力輸水工程水管線很長，因此布局在沿線上的各傳感器節(jié)點在采集到壓力、流量數(shù)據(jù)之后，需要將其傳輸?shù)絾纹瑱C當中[7]。為此，在本系統(tǒng)中使用GSM/GPRS無線通信模塊，其硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 GSM/GPRS無線通信模塊硬件組成框圖

1.2.3單片機

單片機是典型的嵌入式微控制器，在系統(tǒng)當中主要負責各種業(yè)務邏輯的運算，是系統(tǒng)監(jiān)測中心的核心硬件。本系統(tǒng)當中的單片機為51位AT89C51芯片，它是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器[8]。其主要特性如下：①與MCS-51 兼容；②4K字節(jié)可編程閃爍存儲器；③壽命：1000寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時間10年；④全靜態(tài)工作： 0Hz-24Hz；⑤三級程序存儲器鎖定；⑥128×8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，2個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源；⑦可編程串行通道；⑧低功耗的閑置和掉電模式；⑨片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。

1.2.4人機交互設備

與AT89C51單片機顯示接口相接的人機交互設備為一塊觸控屏。在該顯示器上布局了與水錘態(tài)勢監(jiān)測所有相關(guān)的功能控制模塊，如圖3所示。

圖3 人機交互界面功能模塊布局圖

當監(jiān)測結(jié)果達到預警值，會在顯示器報警模塊上進行報警，并控制各閘門的開、關(guān)、停和設置開度及比例閥開度，以便及時控制水錘現(xiàn)象的“惡化”，及時止損[9]。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件是系統(tǒng)邏輯運行的思路，為硬件提供控制程序。本系統(tǒng)軟件總體運行邏輯如圖4所示。

在圖4中將其分為3個子程序，即采集處理子程序、GPRS網(wǎng)絡通信子程序、態(tài)勢分析及預警子程序等，下面進行具體分析[10]。

圖4 系統(tǒng)軟件總體運行邏輯框圖

1.3.1采集處理子程序

采集處理子程序是系統(tǒng)的第一個業(yè)務邏輯程序，依靠壓力變送器和流量變送器來運行[11]。具體過程如下。

步驟1：接收單片機發(fā)送過來的采集質(zhì)量；

步驟2：傳感器(壓力變送器和流量變送器)初始化，并進入工作狀態(tài)；

步驟3：采樣壓力值和流量值；

步驟4：判斷采集是否結(jié)束。結(jié)束，關(guān)閉傳感器，并進入下一步驟，否則繼續(xù)進行采集。

步驟5：壓力值和流量值信號調(diào)理、放大、濾波；

步驟6：壓力值和流量值信號A/D轉(zhuǎn)換；

步驟7：壓力值和流量值信號發(fā)送[12]。

1.3.2GPRS無線網(wǎng)絡通信子程序

GSM/GPRS無線通信模塊運行程序如下。

步驟1：GPRS無線網(wǎng)絡注冊；

步驟2：獲取水錘態(tài)勢應急監(jiān)測中心的授權(quán)；

步驟3：校正時鐘，保持時間同步；

步驟4：上傳傳感器實時采集到壓力值和流量值信號；

步驟5： 處理、分析數(shù)據(jù)是否安全。安全，則通過GSM發(fā)送信息到應急監(jiān)測中心；否則，進行預警；

步驟6：判斷數(shù)據(jù)發(fā)送是否結(jié)束。結(jié)束，則在GPRS網(wǎng)絡中撤銷鏈路，完成了一次實時數(shù)據(jù)傳輸任務，并等待下一次任務；否則繼續(xù)傳輸[13]。

1.3.3態(tài)勢分析及預警子程序

態(tài)勢分析即根據(jù)壓力值和流量值判斷是否發(fā)生水錘事故，并判斷發(fā)生事故的地點，具體過程如下。

步驟1：將采集到的壓力值、流量值信號波形與正常壓力值和流量值信號波形進行對比；

步驟2：判斷是否發(fā)生異常。若發(fā)生異常，進行下一步；否則，繼續(xù)進行下一次數(shù)據(jù)對比分析。

步驟3： 計算水錘發(fā)生點的位置。計算公式如下：

(3)

式中，x0—水錘發(fā)生點距輸水管首的距離,m；L—管線長度,m；u—管內(nèi)流體的流速,m/s，通過水流量與時間計算得出；v—負壓波的傳輸速度,m/s；Δt—上下游傳感器接收到負壓波的時間差[14],s。

步驟4：進行應急預警，并關(guān)閉閥門。

2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設計完成后，為測試系統(tǒng)的應用性能，并發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，進行系統(tǒng)仿真測試。

2.1 長距離壓力輸水工程模型

一般情況下，以實際長距離壓力輸水工程為例，進行系統(tǒng)測試得到的結(jié)果更為準確的，但是這是不現(xiàn)實的，沒有經(jīng)過測試的系統(tǒng)，無法將其應用到實際工程中，因此在這里以某長距離壓力輸水工程為對象(如圖5所示)，建立長距離壓力輸水工程模型[15]。

圖5 某長距離壓力輸水工程

長距離壓力輸水工程中關(guān)鍵參數(shù)見表2。

表2 長距離壓力輸水工程中關(guān)鍵參數(shù)表

2.2 水錘態(tài)勢應急監(jiān)測模型

在建立的長距離壓力輸水工程模型上搭建監(jiān)測設備，構(gòu)建水錘態(tài)勢應急監(jiān)測模型，如圖6所示。

圖6 水錘態(tài)勢應急監(jiān)測模型

長距離壓力輸水工程模型沿線上共安置150個壓力變送器，以及首、末端各安裝1個流量變送器。

2.3 兩種情況下沿線節(jié)點壓力和流量變化特征

正常情況和水錘事故發(fā)生情況下長距離壓力輸水沿線各節(jié)點壓力和流量變化特征見表3。

表3 長距離壓力輸水沿線各節(jié)點壓力和流量變化特征

2.4 系統(tǒng)的水錘事故監(jiān)測性能分析

假定在距長距離壓力輸水沿線首端5、25、35km處發(fā)生1000m3/h爆漏事故，利用所設計的系統(tǒng)進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表4。

表4 系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果分析 單位：km

從表4中可以看出，應用本系統(tǒng)，準確判斷出了某長距離壓力輸水工程沿線發(fā)生水錘事故，并進行了預警，與此同時，給出的定位結(jié)果與水錘事故實際發(fā)生的位置非常接近，誤差均在±0.3km，證明了本系統(tǒng)的監(jiān)測性能。

3 結(jié)語

綜上所述，我國水資源分布不均，存在嚴重的局部地區(qū)水資源短缺問題。為此，建設了很多長距離的輸水工程。在長距離的輸水工程運營中，水錘現(xiàn)象是難以避免的，極易引起爆管問題。為此，設計一種長距離壓力輸水工程水錘態(tài)勢應急監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采集水管內(nèi)水壓和水流量來監(jiān)測水錘態(tài)勢，以便及時進行預警和處理，避免事故的發(fā)生。該系統(tǒng)經(jīng)過測試，證明了其監(jiān)測效果，可以被廣泛應用到長距離的輸水工程水錘問題的監(jiān)測中。