壓力式水位計在長距離暗渠輸水工程中的應用

薛宏磊，陳 岱

（北京林克森自動化系統(tǒng)工程有限公司，北京100055）

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程天津干線起點位于河北省徐水縣西黑山村，終點位于天津市外環(huán)河出口閘，總體走向由西向東，全長155.418km。設計流量為50m3/s， 加大流量為60 m3/s。工程前1.5 km 為山前丘陵區(qū)，以東為廣闊的河北平原，地形落差達64m，前20km落差達47m，占總落差的75%，平均坡降1/425。天津干線采用全箱涵無壓接有壓全自流輸水方案，輸水過程中年際間、年內(nèi)各旬間都是不均勻的，中小流量的輸水時段較長，水量較大。具體來說，流量為30～40m3/s 的供水時段占總時長的31.81%，輸水水量占總水量的37.02%；流量為40～50 m3/s的供水時段占18.58%；輸水水量占總水量的26.26%；流量為50～60 m3/s的供水時段占總旬數(shù)的16.01%，輸水水量占總水量的28.57%。

2 自動化監(jiān)控系統(tǒng)的組成

在南水北調(diào)中線工程天津干線中，采用了一整套自動化調(diào)度與運行管理系統(tǒng)，包括：閘站監(jiān)控系統(tǒng)硬件設備及SuperControl SCADA系統(tǒng)平臺軟件、閘站監(jiān)控系統(tǒng)應用軟件、工控機系統(tǒng)軟件、觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)軟件、PLC監(jiān)控系統(tǒng)軟件。自動化監(jiān)控系統(tǒng)采集的有流量數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)、閥位數(shù)據(jù)。

3 壓力式水位計簡介

壓力式水位計的工作原理：測量水下某點壓力，用通氣管消除大氣壓力后，就能測得水壓。應用固態(tài)壓阻器件作傳感器，可直接將水壓力轉變成電壓模擬量或頻率量輸出，通過雙絞線傳輸信號。根據(jù)程序設置、水位計量程把電信號轉換為水位數(shù)據(jù)。這種方式可以實時監(jiān)測閘前、閘后的水位，并且可以在工控機閘控軟件上調(diào)取以前的歷史數(shù)據(jù)對比水位變化。水位實時數(shù)據(jù)為調(diào)度運行提供了可靠、準確、安全的保障。

壓力式水位計因具有安裝方便、利于更換、無需測井等特性，在水位測量中使用頻繁，本項目選用的是由瑞士產(chǎn)數(shù)字信號水位計，供電范圍9～29 VDC，輸出電流為4～20 mA，量程為0～25 m。主要構成有：壓力傳感芯片、電纜及導氣管、鋼管等。

壓力式水位計安裝方式如圖1所示。

圖2 壓力式水位計安裝示意圖

壓力式水位計使用中注意事項：

（1）壓力傳感器在運輸、安裝、運行中切不可碰接、跌落， 否則會損壞內(nèi)置集成芯片。

（2）通氣電纜在任何情況下都不可重壓，與傳感器連接部位不可承受拉力，任何情況下通氣管內(nèi)部都不允許進水。

（3）通氣電纜與四芯電纜聯(lián)接處有通氣孔，要防水但不能用膠布封死。

（4）儀器應每月1次進行校核，或在氣溫有較大變化（約10℃變化）時進行檢查，誤差應在10個尾數(shù)之內(nèi)，否則應調(diào)準校核值。

（5）考慮到水體中有沙子、泥和雜物等，安裝水位計需距離底部50 cm，以防止底部泥沙堆積影響測量水位。

4 壓力式水位計故障因素及改進措施

在日常的維護工作中，造成水位數(shù)據(jù)波動或顯示無效數(shù)據(jù)的主要因素：

（1）AI模塊故障會造成數(shù)據(jù)的波動從而不能一直顯示正常水位數(shù)據(jù)。

（2）通信線纜出現(xiàn)短路、斷路導致電信號無法傳輸從而顯示無效數(shù)據(jù)。

（3）開關電源損壞導致水位計斷電顯示無效數(shù)據(jù)。

（4）水位計信號避雷器損壞導致信號無法傳輸從而顯示無線數(shù)據(jù)。

（5）水位計壓力芯片漂移導致輸出的電信號不穩(wěn)定從而無法顯示正常水位數(shù)據(jù)。

改進措施：由于閘后會出現(xiàn)水錘和浪涌，水位計底部保護殼長期與不銹鋼保護管撞擊會出現(xiàn)變形造成壓力芯片損壞。經(jīng)過長時間的現(xiàn)場觀察后，在水位計底部保護殼安裝一個橡膠防護帽，能極大的吸收水錘和浪涌的沖擊力。安裝一段時間后發(fā)現(xiàn)，減少了水位計損壞數(shù)量，增加了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

5 壓力式水位計的應用

天津干線起點與終點地面高程總體呈現(xiàn)西高東低的趨勢，沿線高差變化較大，上段地勢陡，中下段地勢平緩。在地勢陡的暗渠，尤其當水流量變大時，造成水面波動較大，用肉眼觀測水尺造成的誤差可能較大。在閘前閘后中安裝水位計來監(jiān)控水位，即使水平面波動較大時，也可以從十幾秒中測量的數(shù)據(jù)中取平均值算出水位。由于中下段地勢平緩，水位下降趨勢不明顯。工作人員也能通過調(diào)取同一時間幾個閘站的水位數(shù)據(jù)來判斷水位是否有下降趨勢。

當環(huán)境因素出現(xiàn)大霧、大風、暴雨天氣時，人眼不能清楚的通過水尺觀測水位，或者需要通過持續(xù)觀測水位，記錄水位的變化規(guī)律。此時，通過水位計觀測記錄水位提供了極大地便利，也省去了工作人員去現(xiàn)場觀測的麻煩，工作人員的安全也有了保障。

6 結語

水位數(shù)據(jù)測量是南水北調(diào)長距離暗渠輸水工程中的一項重要工作。在自動化監(jiān)測中，通過數(shù)據(jù)采集、信號處理、信號輸出等環(huán)節(jié)，水位數(shù)據(jù)通過顯示屏實時顯示出來，方便工作人員觀測、記錄。自動化監(jiān)測水位計的應用，對保證南水北調(diào)輸水工程的安全運行發(fā)揮了重要作用。