全渠道閘門控制系統在甘肅省引洮供水二期工程中的優化應用

曾有孝，郭 軍

(1.甘肅省水利廳水利工程建設造價與規費管理中心，甘肅 蘭州 730030;2.甘肅省水利水電勘測設計研究院，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年開工建設的27項節水供水重大水利工程之一，工程的建設任務是以城鄉生活、工業供水為主，兼顧農業灌溉，促進當地群眾脫貧致富和生態環境改善。供水范圍涉及甘肅中部4市8個縣區，年調水量3.13億m3，設計水平年供水總人口267.76萬人，發展灌溉面積29.2萬畝，屬Ⅱ等工程，工程規模為大(2)型。

工程主要建設內容包括：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)、城鄉集中供水點供水管(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行延伸建設。

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在渠道上的各節制分(泄)水閘進行控制及分(泄)水，原設計方案中總干渠采用傳統平板鋼閘門進行控流及分流，干渠和分干渠采用雙面鑲銅鑄鐵閘門進行控流及分流。對于長距離供水工程而言，控制與計量的精準程度及信息化程度的高低是閘門及其控制系統方案設計及優化的關鍵所在。

2 原閘門及其控制系統方案存在的問題及優化的必要性

2.1 原設計方案

引洮供水二期工程各級渠道節制閘、分水閘、退水閘的閘門系統主要由閘門和啟閉設備組成，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，固定卷揚式啟閉機啟閉操作；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啟閉。各類閘門共計186孔。

閘門綜合自動控制系統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度分中心、中心遠程監控應用系統連接的網絡通信等設備組成。同時配置閘門開度儀、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算需要的參數發送給現地工控機，由工控機自動根據調度下發的流量控制閘門開度。引洮供水二期工程閘(閥)門控制系統，原理是利用計算機監控技術，通過配置智能型PLC設備，實現從中控室和管理站對終端閘(閥)門的遠程控制。

2.2 存在的問題

引洮供水二期工程所采用的傳統的閘門及其控制系統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際運行情況看，主要存在以下問題：

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

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

(3)傳統閘門自動控制方式主要通過在閘門處配置PLC設備，利用計算機監控技術，實現閘(閥)門點對點的控制以及調度中心、管理站的遠程控制，其閘門控制和流量監測由不同的設備及控制系統完成，對供水戶的流量分配主要采用調度中心人為干預控制、下達指令，智能化水平較低。

2.3 優化設計的必要性分析

引洮供水二期工程的前期設計主要完成于“十二五”期間，其建設過程貫穿整個“十三五”時期，預計工程將于“十四五”開局之年2021年建成運行，工程設計建設周期的時間跨度超過了十年。鑒于當時國內對水利控制系統的認識不夠，市場上缺乏可供借鑒的全自動化、高可控性的產品，其產品基本處于半自動化水平，閘門之間的協同度低，控制測流精度差。從前述存在的主要問題看，現有的閘門及其控制系統方案已不能很好的滿足引洮供水工程精確調水、安全輸水的需求，需采用更加先進的閘門及其控制系統對原有方案進行優化升級。

針對工程存在的不足，引洮供水工程信息化系統采用智能化及測控一體化的輸水配置替代傳統的涉及自動化供水管理的水工閘門，完全符合水利部《加快推進新時代水利現代化的指導意見》中所提新時期水利發展應立足當前、著眼長遠，突出抓重點、補短板、強弱項、夯基礎的思路及要求，也是加快推進新時代水利現代化重要舉措，可保證引洮工程水資源調配的實時監控、過程跟蹤、智能調度、準確投遞，達到水資源的高效利用，提升運行管理水平，為合理配置水資源提供有力支持，顯著提高用水、管水經濟社會綜合效益。

3 閘門及其控制系統方案優化設計

3.1 方案優化的總體思路及內容

針對工程存在的問題，結合新時代水利現代化指導意見相關內容及引洮供水工程自身具有的點多、面廣、線長、分水口眾多、輸水過程的控制難度極大的特點和現代化管理的需求，在對國內外智能化及計控一體化的輸配水控制新技術進行調研和學習的基礎上，確定引洮供水二期工程閘門及其控制系統方案優化設計思路為：采用智能化及計控一體化的輸水配置替代傳統的涉及自動化供水管理的水工閘門，閘門設備選型應適應全渠線智能測控系統要求，以保證引洮工程水資源調配的實時監控、過程跟蹤、智能調度、準確投遞，實現節水及水資源的高效利用，全面提升引洮工程各項管理工作的效率、功效和運行管理的智能化水平。

根據國內與引洮供水二期渠道系統相類似的寧夏甘城子灌區、內蒙古尼爾基灌區、甘肅疏勒河灌區以及山西的回龍、汾河和敦化灌區等項目安裝及運行測控一體化閘門及全渠道控制系統的成功范例及經驗，優化方案重點研究采用以自動化測控一體閘門為主的全渠道控制系統替代原設計采用的常規閘門及其控制系統的可行性，主要設計調整內容包括兩大部分的內容：一是閘門控制系統的調整，由傳統的自動化控制系統調整為全渠道控制(TCC)系統；二是閘門設備的調整，由傳統的鋼閘門和鑄鐵閘門調整為一體化測控閘門。

3.2 閘門及其控制系統方案優化設計

3.2.1 系統結構及一體化閘門選型

全渠道控制系統，顧名思義就是對整個渠道進行聯合控制和調度。當全渠道控制系統中的任何一扇測控一體化閘門發生調節，灌溉及供水系統中與其相關的其它測控一體化閘門則自動調節，直到達到每扇閘門的設定值。

全渠道控制系統能夠實現對全渠道流量精確計量、自動化管理和控制，并根據用戶需求自下而上的下游控制系統。在工程運行期間，每一座節制閘前都可視為一個“蓄水池”。當該節制閘處分水閘分水時，該處節制閘前水位下降，與此同時，上游相鄰節制閘門會收到該處節制閘水位下降的信號，自動調節閘門開度補充水量，直到水位達到設定值為止，依次類推，使渠道上的每扇閘門都可以自動調節。通過計算機和通信網絡系統以及控制調度軟件，對整個供水工程渠系網絡的智能化調配水量進行全局控制。

該系統主要由高精度測控一體化智能閘門、通信網絡和閘門控制系統三部分組成。測控一體化智能閘門作為全渠道控制系統核心部件，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APP與控制中心進行實時動態聯系。

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。閘門運行過程為步進電動機的驅動力矩通過減速機傳遞到傳動軸，傳動軸帶動鋼絲繩卷輪轉動，鋼絲繩牽拉門板開啟或關閉。閘門主體結構采用航空鋁材質，水位測量選用超聲波水位測量儀，依靠數字式編碼器計算閘門開度，閘門可通過光纖與上位機進行通信。

對于引洮供水二期工程而言，渠道上的分水閘及其節制閘和退水閘節制閘門都需要調節主渠道閘前水深，精確計量過閘流量，所以分水閘和所有節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事故時由退水節制閘截斷水流，并同時打開退水閘門將上游來水泄走，退水閘門工作狀態為全開或全關，無精確計量的要求，同時要求啟閉速度快、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 系統適宜性和效果分析

全渠道控制系統可實現自動化按需配水，提高了渠系水利用系數，縮短了用戶和供水時間，節省大量勞動力。通過對渠系閘門的有效監控和全渠系水量的優化配置，在全渠道控制調度軟件的支持下，幾乎能夠實現渠系“按需供水”，為用水戶提供安全、公平、可靠、靈活的供水服務。這種系統的特點以及所采用的一體化閘門的結構完全適合于以明流輸水為主的引洮供水二期工程，其應用效果分析如下：

(1)可實現全工程供水及灌溉的信息化管理和自動化控制。

(2)可實現高精度流量計量與控制(±2.5%)，確保受水區供用水總量控制，同時也可實現高精度水費計量，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、小流量時傳統閘門和計量設備的控制計量缺陷。

(3)各閘門之間的連動調節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，供水穩定且流量大，可為上、下游提供同等快速的供水服務，實現高效安全供水。

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

綜上，全渠道控制系統和一體化測控閘門是先進設備與信息技術的強強結合，能夠實現節水及水資源的高效利用，全面提升運行管理水平，確定推薦其對原閘門及其控制系統進行優化升級。

4 結論與建議

通過實施引洮供水二期全渠道閘門控制系統，可實現全渠道流量精確計量和自動化管理，保證引洮供水工程水資源調配的實時監控、過程跟蹤、智能調度和準確投遞，同時可進一步節省勞動力，提高水資源利用效率，為合理配置水資源提供有力支持。項目實施符合新時代水利現代化發展的思路及要求，是加快推進引洮供水工程水利現代化建設的重要舉措。

(1)全渠道控制系統是由國外引進的新技術及新設備，雖然近些年國內多家科研機構和廠家也在大力研發相類似的全渠道閘門控制系統，但在控制調度軟件系統方面尚不完善，實施中需進一步針對國內應用環境，自主進行針對性、適用性開發。

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

(3)全渠道控制系統作為引洮供水二期工程運行管理信息化系統的子系統，最終需接入工程調度中心集控自動化系統平臺，以實現引洮供水工程的整體遠程集中控制，現地一體化閘門測控單元的核心控制器應滿足閘門所有監控功能，應采用標準化模件集成，和引洮供水運行管理信息系統無縫對接，完美兼容。