南水北調(diào)長溝泵站三種水位計的應(yīng)用及改進(jìn)措施

邵明猛 張 健 董傳強

(南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250013)

1 前 言

水位計是水利工程中自動化監(jiān)測水位的重要設(shè)備，長溝泵站作為南水北調(diào)東線一期工程的第十一梯級抽水泵站，主要任務(wù)是將水從南四湖提至東平湖，實現(xiàn)南水北調(diào)東線工程的梯級調(diào)水目標(biāo)。在水量調(diào)度中，水位觀測起到了至關(guān)重要的作用。長溝泵站在水位計的使用上，積累了豐富的經(jīng)驗，這些經(jīng)驗對于抽水泵站運行管理中如何選擇合適的水位計保證觀測水位的準(zhǔn)確性，以及減少維護(hù)成本，具有十分重要的意義。

2 工程概況

2.1 水位計前期設(shè)計

長溝泵站工程主要包括主副廠房、引水閘、出水閘和梁濟(jì)運河節(jié)制閘等，建設(shè)期間，施工單位按照設(shè)計圖紙要求分別在主廠房上下游、引水閘上下游、出水閘上下游和節(jié)制閘上下游各埋設(shè)一支MPM4700型壓阻式水位計，共8支，配套φ50鋼管安裝在各處，通過水位計電纜連接到計算機監(jiān)控系統(tǒng)，安裝方式及安裝后的效果見圖1、圖2。

圖1 壓阻式水位計埋設(shè)大樣圖

圖2 壓阻式水位計實際安裝效果圖

2.2 原壓阻水位計應(yīng)用效果

長溝泵站從2013年通水運行開始，壓阻水位計便開始發(fā)揮作用，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，壓阻水位計使用壽命受環(huán)境影響很大，2013年和2014年的精度較高，但之后的時間，雖然泵站運行人員一直對傳感器進(jìn)行定期清理維護(hù)，仍然受環(huán)境和上下游水位變幅影響較大，水位計損壞較多，工作不穩(wěn)定。特別是引水閘下游水位計，進(jìn)行更換后，其高精確度也只能維持半年多的時間，維護(hù)成本較高，給泵站的運行管理工作帶來了不便。

3 長溝泵站水位計更新改造

3.1 更新改造方案選擇

2018年9月，長溝泵站管理處計劃對原有壓阻水位計進(jìn)行升級改造，通過綜合分析各種水位計特性與工程特點，得出可以用于長溝泵站工程的水位計有浮子式水位、壓力式水位計(壓阻式、氣泡式)、超聲波水位計、雷達(dá)水位計、電子水尺。其中壓力式水位計使用壽命受環(huán)境影響很大，超聲波水位計精度稍差且存在溫漂、電子水尺安裝困難等問題。綜合比選后認(rèn)為浮子水位計和雷達(dá)水位計更符合長溝泵站工程實際，精度更高，其中浮子水位計采用機械式，使用壽命更長，雖然安裝較為困難，但不易遭到人為破壞，適合安裝在閘門上下游。最終確定在長溝泵站主廠房上下游安裝雷達(dá)水位計，在節(jié)制閘上下游、引水閘上下游和出水閘上下游安裝浮子式水位計。信號傳送方式和原有方式相同。數(shù)據(jù)接入原有PLC模擬量輸入模塊或者通過串口服務(wù)器接入PLC，并接入原有自動化監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 浮子式水位計安裝

浮子水位計的安裝方式及安裝后的效果見圖3～圖4。安裝過程稍有不便，需耗費較多人力，在安裝保溫管時，要充分考慮現(xiàn)場的工況，確定安裝位置，保溫管要深入水面以下，豎直固定要可靠、穩(wěn)定，在水流的作用下不會出現(xiàn)抖動。

圖3 浮子水位計安裝示意圖

圖4 浮子水位計實際安裝效果

浮子式水位計必須安裝在水位測井內(nèi)，水位測井由混凝土、保溫管等材料建成，測井直徑要足夠大，這樣放入的平衡錘和浮子離井壁有一定距離，測井外形不會對水流產(chǎn)生較大影響，井內(nèi)水位要和渠道水位基本一致，測井的高度和底部高程要能適應(yīng)所測的最高最低水位。測井上有安裝水位計的工作平臺，供水位計安裝使用，并用檢測儀器接測編碼器輸出的編碼水位信號，使它和實際水位一致。編碼器的輸出電纜應(yīng)和所配插頭準(zhǔn)確連接。電纜的鋪設(shè)要嚴(yán)格注意防雷和防干擾。

3.3 雷達(dá)式水位計安裝

雷達(dá)水位計的安裝方式及安裝后的效果見圖5～圖6，在安裝支架時，要充分考慮現(xiàn)場實際情況，以及雷達(dá)式水位計的量程等因素，確定好安裝位置。立桿與支架連接采用活動抱箍方式，方便安裝及后期維護(hù)。立桿、支架安裝要可靠，伸出至水面的橫梁要水平，固定位置要考慮雷達(dá)水位計的重量，且支架的剛度要強，在風(fēng)力作用下支架能夠保證穩(wěn)定而不抖動。雷達(dá)水位計要緊固可靠地固定在支架上，螺母下方要加裝彈簧墊片旋緊。

圖5 雷達(dá)水位計安裝示意圖

圖6 雷達(dá)水位計實際安裝效果

雷達(dá)水位計在安裝完成后需對其進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。一般情況下要注意下面幾個參數(shù)：量程、低位調(diào)整值、參考零點、空高和料高的選擇，低位調(diào)整值是安裝雷達(dá)的法蘭盤到液體底部的距離。這個值是不能超過量程的，測量法蘭到液體底面的距離即低位調(diào)整值并輸入雷達(dá)。選擇要顯示的數(shù)值是料高還是空高即可，通過雷達(dá)水位計的編程顯示器進(jìn)行調(diào)試和設(shè)定。

3.4 數(shù)據(jù)接入自動化系統(tǒng)

長溝泵站數(shù)據(jù)采集為4～20mA信號，RS485通信方式，數(shù)據(jù)接入到串口服務(wù)器中，需要修改上位機組態(tài)，通過現(xiàn)場的水尺觀測，修正高程值和修正值，使采集到的水位值與實際相同。程序調(diào)試和修改必須要先進(jìn)行上位機程序的備份，備份后進(jìn)行修改，修改完成后再進(jìn)行備份。

4 應(yīng)用效果及再次改進(jìn)措施

4.1 應(yīng)用效果

長溝泵站水位計更新改造項目安裝調(diào)試完成后，對所采集到的數(shù)據(jù)和水尺讀數(shù)進(jìn)行了長時間的人工比對。發(fā)現(xiàn)雷達(dá)水位計應(yīng)用效果較好，采集數(shù)據(jù)和水尺讀數(shù)基本一致，誤差基本控制在1cm左右，符合規(guī)范要求。浮子水位計信號過于靈敏，受波浪影響較大，有時誤差超過了3cm，還需進(jìn)一步改進(jìn)。

4.2 原因分析及再次改進(jìn)措施

由于雷達(dá)水位計自帶濾波功能，受波浪影響很小，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。浮子水位計安裝于引水閘下游、出水閘上游、節(jié)制閘上下游，均位于梁濟(jì)運河主河道內(nèi)，受波浪影響較大，水位變幅大，浮子水位計的信號又過于靈敏，影響到了采集精度。

為了使浮子水位計的數(shù)據(jù)采集值更加準(zhǔn)確可靠，運行管理人員經(jīng)過深思熟慮，采取了以下兩項抑制波浪的改進(jìn)措施，一是在測井底部增加小孔改變進(jìn)水流向，二是在上位機系統(tǒng)寫入了濾波小程序。針對第二種措施，將實時采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均值計算，設(shè)定以10s內(nèi)采集到的20次數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)進(jìn)行計算，計算方法為先將前2次數(shù)據(jù)采集值的平均值A(chǔ)1和第3次的數(shù)據(jù)采集值進(jìn)行平均值計算，結(jié)果為A2，A2再和第4次的數(shù)據(jù)采集值進(jìn)行平均值計算，結(jié)果為A3，以此類推，最終將A18和第20次的數(shù)據(jù)采集值進(jìn)行平均值計算，結(jié)果為A19，A19則為最終的浮子水位計在上位機的顯示值。通過和水尺的多次人工比對，浮子水位再次改造的效果良好，采集數(shù)據(jù)和水尺讀數(shù)基本一致，誤差基本控制在1cm左右，符合規(guī)范要求。

5 基于浮子水位計的MCU-32型自動監(jiān)測系統(tǒng)功能優(yōu)化

5.1 長溝泵站MCU-32型自動監(jiān)測系統(tǒng)前期設(shè)計

長溝泵站內(nèi)觀測設(shè)施主要包括測壓管、滲壓計、應(yīng)變計，均已接入自動化監(jiān)測系統(tǒng)，自動化監(jiān)測系統(tǒng)由1臺監(jiān)控主機、4臺MCU和現(xiàn)場傳感器組成。監(jiān)控主機控制MCU采集傳感器數(shù)據(jù)，并接收MCU采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，按各類傳感器考證數(shù)據(jù)和計算公式進(jìn)行計算，獲得工程監(jiān)測所需的模數(shù)、溫度、滲流壓力、水位、應(yīng)變等監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過資料整編軟件對長系列監(jiān)測資料按規(guī)范要求進(jìn)行整編和分析。設(shè)計階段未考慮將節(jié)制閘上下游水位接入到MCU-32型自動監(jiān)測系統(tǒng)中，只是接入到了機組及閘門監(jiān)控系統(tǒng)，在自動監(jiān)測系統(tǒng)生成的圖線中，只有節(jié)制閘測壓管水位，無法和上下游水位進(jìn)行比較，未能完全實現(xiàn)MCU-32型自動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析及圖線繪制功能。優(yōu)化前的節(jié)制閘測壓管水位過程線見圖7。

圖7 優(yōu)化前節(jié)制閘測壓管水位過程線

5.2 MCU-32型自動監(jiān)測系統(tǒng)功能優(yōu)化

為了實現(xiàn)MCU-32型自動監(jiān)測系統(tǒng)功能優(yōu)化，考慮將節(jié)制閘浮子水位計的4～20mA模擬量信號接入到節(jié)制閘現(xiàn)場MCU，再通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控主機進(jìn)行參數(shù)配置。進(jìn)行改造時將同一個傳感器接入到兩套系統(tǒng)中去，電流信號會產(chǎn)生分流，隔離器的應(yīng)用在這時起到了關(guān)鍵作用。該隔離器是一款新產(chǎn)品，為單通道智能型隔離器，輸入電流或電壓信號后經(jīng)過變換，輸出隔離的電流或電壓信號，實現(xiàn)了輸入、輸出、電源之間的三端隔離，采用數(shù)字化結(jié)構(gòu)，并采取環(huán)境溫度自補償、零點自動校準(zhǔn)等先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水利、電力等行業(yè)的重大工程。經(jīng)過優(yōu)化后的MCU-32型自動監(jiān)測系統(tǒng)，接入了節(jié)制閘上下游水位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示可靠穩(wěn)定，真正實現(xiàn)了節(jié)制閘所有安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和圖線繪制功能，所生成的圖線更加直觀，一目了然，不僅節(jié)省了人力計算和繪制圖線的步驟，持?jǐn)?shù)據(jù)的客觀性。如有異?，F(xiàn)象則會發(fā)出預(yù)警，及時而且能始終保持?jǐn)?shù)據(jù)的客觀性。如有異?，F(xiàn)象則會發(fā)出預(yù)警，及時通知值班人員。優(yōu)化后的節(jié)制閘測壓管水位過程線見圖8。

圖8 優(yōu)化后節(jié)制閘測壓管水位過程線

6 最終應(yīng)用效果

事實證明長溝泵站管理處對原有壓阻水位計的改造非常成功，無論是雷達(dá)水位計還是浮子水位計，水位顯示準(zhǔn)確可靠，使用壽命長，后期維護(hù)成本很低。改造后的水位計，通過對新產(chǎn)品的運用，還可以應(yīng)用到MCU-32型自動監(jiān)測系統(tǒng)中，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。作為北方地區(qū)南水北調(diào)工程的中間接力泵站，長溝泵站在原水輸送液位計量中收獲了以下運行經(jīng)驗：不建議采用壓阻式水位計，建議優(yōu)先選用雷達(dá)式水位計，如外界環(huán)境較為復(fù)雜，管理不便，建議優(yōu)先選用浮子式水位計。三種水位計應(yīng)用效果比較見表1。

表1 三種水位計技術(shù)性能綜合比較

7 結(jié) 語

在水利工程運行管理中，為了保證建筑物安全穩(wěn)定運行，通常將水位控制在設(shè)計范圍以內(nèi)，水位監(jiān)測的準(zhǔn)確性和及時性則顯得尤為重要。本文通過對三種常見水位計(壓阻式、浮子式和雷達(dá)式)在長溝泵站的實際應(yīng)用效果及改進(jìn)措施進(jìn)行闡述和比對，為類似工程在水位計的選型、更新改造和應(yīng)用方面提供了重要參考和借鑒。