長壓力管道輸水工程水錘防護在線安全監測系統的探討

王龍彪

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

長距離管道有壓輸水工程包括水泵揚水工程和重力流輸水工程，對于輸水距離較長且地形起伏較大的管道供水工程，水泵機組的突然失電或管道控制閥門的急啟急閉會產生管道系統的水力過渡過程。這一過程中的產生水錘現象極易引起輸水系統的安全問題，甚至引發管道爆管、破裂、變形等嚴重事故[1]。采用過渡過程仿真計算的方式確定水錘防護設計方案，是現階段工程中普遍所應用的，但工程運行后仍有出現防護措施不到位而引起的爆管事故或者過度保守的防護措施導致工程投資過大等問題的產生。

在供水工程運行管理信息化系統的設計中，對水力過渡過程的監測考慮較少，在系統實際運行中無法對水力過渡過程發生時壓力、流量等參數進行監測，同時對水錘防護設備的動作情況無法獲知，進而影響對防護設備、設施運行及水錘防護效果進行有效的評估和判斷。當前我國長距離供水工程項目逐漸增多，對管道水錘防護的研究和應用也越來越引起各方的關注，在工程設計和運行中將水力過渡過程監測、水錘防護監測納入工程總體運行管理信息化系統，為工程安全運行和水錘防護的深入研究提供相關數據資料十分必要。

1 水錘防護在線安全監測系統總體方案框架

隨著我國經濟的發展，為保障供水工程安全可靠、科學水量調度、現代化綜合管理、智能自動監控、高清晰視頻監控、高效辦公自動化等綜合需求。目前幾乎所有的新建大中型供水工程均建設了運行管理信息化系統。系統利用數據采集技術、監視控制技術、通信技術及計算機網絡技術、自動控制技術、GIS地理信息系統技術等，以水量調度、決策指揮、工程運行管理、綜合會商、辦公自動化等業務應用為中心[2]。構建涵蓋工程水資源信息采集、傳輸、處理、存儲、管理、服務、應用、決策支持和遠程監控等信息流程為一體，能夠及時、準確地對水情、水量、水質、圖像、視頻、工情等信息進行自動化匯集存儲、共享分發、預測預警和決策支持，實現對水資源的實時監測、實時調度和實時管理，逐步達到“采集自動化、傳輸網絡化、集成標準化、管控一體化、決策智能化”的目標。

運行管理信息化系統的總體設計架構可分為以下3級[3]：第一級為中心監控平臺，它是基于工程規模建立的全工程信息化管理平臺，用以實現總體工程調度、安全分析評估、事故應急處理、工程管理、辦公自動化等功能；第二級為各管理站所，根據工程布局，建立分部工程管理站所，各管理站所將實現數據收集、數據中繼、數據傳輸和二級報警等功能；第三級為現地監測點，其作用一是對監測（控）點進行數據采集和上傳，二是接收上一級的指令實現監測（控）點設備的自動控制，三是在緊急狀態或權限狀態下實現監測（控）點設備的現地控制。圖1為運行管理信息化系統總體設計架構。

圖1 運行管理信息化系統總體設計架構

圖2 運行管理信息化系統主要組成結構

水錘防護在線安全監測系統是基于現有工程運行管理信息化系統擴展的一個子系統，其目的是利用已有的系統網絡對系統運行狀況進行監測，包括管線各重要部位的壓力、流量變化、水錘防護設施的動作狀態監控等，收集記錄相關信息數據，分析管道系統安全性能，判斷水錘防護效果，為供水安全提供數據支撐并依托數據確定解決方案。實際應用中可以在現地監測點增設用于水錘監測的相關監測設備，實現對工程系統防水錘設施及裝置的信號測量、數據采集、數據上傳，實現對管線在正常運行和水錘狀態下的設備、裝置的動作狀態的監測。同時在應用系統中增加水錘防護在線安全監測系統，利用新開發的應用軟件，實現水錘防護效果的評價和運行狀態的安全評估，為工程安全運行和我國水力過渡過程的科研提供基礎支撐[4]。

2 系統主要功能定位

水錘防護在線安全監測系統利用機械自動控制技術、傳感器技術、數據傳輸技術及計算機技術，實現管道系統的運行參數在線監測、管道閥門設備的動作監測、運行安全預警以及數據分析反饋解決方案等[5]。該系統具體功能如下：

2.1 數據采集與處理

現地傳感器自動采集被控對象的各類實時數據，并將數據通過通信網絡系統傳至上一級管理單元，同時能夠接收來自上一控制級的指令數據。

2.2 控制與調節

通過現地控制設備或接收上一控制指令啟動PLC自動控制流程，實現閥門等機械設備的自動控制與調節。

2.3 運行監測

實現現地設備直顯運行參數及狀態監測，或通過上傳數據在監控端實時監測。

2.4 在線數據分析及安全預警

根據傳輸至系統終端的監測數據，通過中心監測平臺的業務應用模塊中安全分析應用程序，對數據進行分析處理，判斷工程運行安全狀態。設置參數超限閾值，對超限參數進行實時警告并提出水錘事故處理方案，進行現地閥門等設備控制、調節等運行動作。

2.5 數據存儲與查詢

通過傳感器采集的數據可運用采集器進行采集，并通過計算機系統進行數據存儲，同時提供查詢接口，以便調取歷史數據，為管道安全運行及后續項目的設計積累經驗。

3 主要監測點的設置構想

3.1 管道流量監測監測

常規管道供水工程的流量監測一般僅設置在管道進口、出口及管道分水處，其主要作用多是為了水量的計量。水錘防護在線安全監測系統則是在原有流量監測點的基礎上每五公里左右增加一處流量監測點，目的是監測運行過程中的管道流量變化，當水力過渡過程發生時監測管路沿線的流量變化情況。結合水錘防護設備的動作情況，分析措施的防護效果，并通過數據分析優化如泵后控制閥關閥時間等裝置動作規律。

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3.2 管道壓力監測

一般有壓流管道供水工程的壓力監測點較多，在水泵進、出口，管道分水口，管道控制閥門前后等處均有設置，部分工程項目在管道進排氣閥處也設置了壓力監測點，但壓力數據并未全部實現在線自動采集和傳輸。水錘防護在線安全監測系統在布設以上常規壓力監測點的基礎上，根據管線長度及起伏特點額外增加部分管道壓力監測點，尤其是通過仿真計算得出極易產生高低壓水錘的位置。從而實現所有壓力監測點的自動測量、采集和上傳，目的是在監測運行過程中壓力變化的同時，監測理論上宜發生水錘點的實際運行情況，同時也是對該點如空氣閥等防水錘設備是否動作的間接監測。

3.3 管道控制閥門的開度及啟閉時間監測

管道的控制閥門根據功能一般分為：流量調節閥、減壓閥、隔斷檢修閥等，主要用于供水工程中流量、壓力的有效控制或者啟閉管道的輸水狀態。為避免引起較嚴重的開關閥水錘，閥門的啟閉規律均通過水力過渡過程仿真計算進行確定[6]。

在目前的大中型管道供水工程中控制閥門的開度均設置了自動監測和自動控制裝置，分現地及中控兩級。水錘防護在線安全監測系統是將已實現的管道控制閥門開度監測數據進行整合，與此同時增加控制閥門啟閉時間監測功能，為分析研究管道的安全運行狀態和極端狀態（水錘發生）下各種控制閥門開關規律設置的合理性提供數據分析條件[7]。通過工程運行的具體數據綜合分析動態調節閥門控制規律。

3.4 進排氣閥的進排氣量及開關狀態監測

進排氣閥是管道供水工程中必不可少的常用設備，其作用主要是在管道運行初期排氣，正常運行時保證管道內無氣體淤積，當管道發生水錘管道大面積產生負壓時及時補氣防護以及在管道內產生彌合水錘時用于緩沖防護（具有微排功能的進排氣閥）。

進排氣閥的布設方式除常規在管道凸起點設置外，一般通過仿真計算選擇在發生水錘負壓的集中段布設[4]。目前對進排氣閥的監測工程中均未實施，其布設位置的合理性，運行過程中閥門的狀態，進排氣量與設置點管道壓力和進排氣孔大小的關系與仿真計算的結果是否近似，以及對管道防護的效果是否達到預期等問題均停留在理論計算的結果上，無法實際工程驗證。利用現有先進的傳感器技術探索空氣閥的實際運行狀態，通過數據反映實際防護效果。

3.5 調壓塔（井）的水位監測

單相、雙相調壓塔（井）也是輸水管道常見有效的防護裝置，具有在管道發生負壓時快速補水的功能。但對于其補水效果、補水量、補水時間等具體參數沒有進行監測，導致該裝置的設置位置、補水狀態無法得到實際工程的準確運行參數[8]。水錘防護在線安全監測系統將通過該裝置水位變化情況監測，結合壓力、流量的變化情況，系統分析該裝置的設置和運行狀態，驗證其布設位置的合理性和設計參數的可靠性。

3.6 其他防護設施的關鍵參數監測

管道水錘防護除了上述的設備設施外，常用的還有蓄能罐、超壓泄壓閥等。水錘防護在線安全監測系統指根據實際需要選擇防護措施對關鍵參數進行在線監測，如蓄能罐壓力、充補氣狀態和時間，超壓泄壓閥的啟閉時間、整定開啟壓力等。通過這些設施及設備的關鍵數據變化情況，結合整個管線壓力、流量的變化情況，分析其設置合理性，驗證選擇設備參數的準確性。

4 系統的重點和難點分析

水錘防護在線安全監測系統是基于工程運行管理信息化系統的一個子系統，目前國內大中型供水工程基本都建立了工程運行管理信息化系統，其數據傳輸及通信網絡、后臺一體化平臺均在設計范圍內或已形成，但本系統自身仍有一些建設的重點和難點需要重點研究及補充。

（1）進排氣閥的進排氣量及開關狀態監測及數據采集。目前管線的壓力、流量，液面水位、閥門開度等信號的數據采集在水利工程中應用較多，技術成熟，但用于測量通氣量的儀器以及監測空氣閥工作狀態的儀器設備在水利工程中基本沒有應用，此類儀器儀表的性能、特點、精度和經濟性等對本系統的建成非常重要，應重點研發空氣閥狀態和氣量的測量手段和辦法。

（2）部分工程的數據傳輸方式因地質環境等因素的影響無法鋪設有線網絡及通信設備，數據只能依靠無線網絡實現傳輸和通訊，無線網絡傳輸的延時性、可靠性對系統平臺的分析結論可能會造成影響。由于部分現地監測設備需要外部電源進行供電，如配置蓄電池或光伏電池等電源時可能影響系統的總體可靠性并影響數據分析結果，也造成了工程投資的增加；

（3）對于后臺軟件的開發應用，由于存在大量不同類型數據間的處理和邏輯關系的關聯，區別于原有的單一信號或簡單邏輯關系的計算原則，需要后臺軟件系統的開發具備水錘理論和其他水力學知識的綜合支撐，因此后臺應用軟件的開發專業性更強，難度更大。

5 結語

大型長距離管道輸水工程運行管理信息化系統中，對于水錘防護措施一般未進行監測，造成了對防護措施的實際運行狀態無法進行科學地分析和評價。將水錘防護在線安全監測系統納入供水系統運行管理信息化系統中，可以通過收集記錄有關的信息數據，分析管道系統安全性能，驗證設計防護措施的合理性，為供水安全提供大數據支撐。同時通過工程的實際檢驗，真實反映管道的運行狀態和水錘防護措施的效果，也通過實際數據驗證仿真計算的結果。