邵明猛 張 健 董傳強(qiáng)

(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(jì)是水利工程中自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水位的重要設(shè)備，長(zhǎng)溝泵站作為南水北調(diào)東線一期工程的第十一梯級(jí)抽水泵站，主要任務(wù)是將水從南四湖提至東平湖，實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)東線工程的梯級(jí)調(diào)水目標(biāo)。在水量調(diào)度中，水位觀測(cè)起到了至關(guān)重要的作用。長(zhǎng)溝泵站在水位計(jì)的使用上，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)于抽水泵站運(yùn)行管理中如何選擇合適的水位計(jì)保證觀測(cè)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(jì)前期設(shè)計(jì)

長(zhǎng)溝泵站工程主要包括主副廠房、引水閘、出水閘和梁濟(jì)運(yùn)河節(jié)制閘等，建設(shè)期間，施工單位按照設(shè)計(jì)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(jì)，共8支，配套φ50鋼管安裝在各處，通過(guò)水位計(jì)電纜連接到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，安裝方式及安裝后的效果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 壓阻式水位計(jì)埋設(shè)大樣圖

圖2 壓阻式水位計(jì)實(shí)際安裝效果圖

2.2 原壓阻水位計(jì)應(yīng)用效果

長(zhǎng)溝泵站從2013年通水運(yùn)行開(kāi)始，壓阻水位計(jì)便開(kāi)始發(fā)揮作用，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，壓阻水位計(jì)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(shí)間，雖然泵站運(yùn)行人員一直對(duì)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(jì)損壞較多，工作不穩(wěn)定。特別是引水閘下游水位計(jì)，進(jìn)行更換后，其高精確度也只能維持半年多的時(shí)間，維護(hù)成本較高，給泵站的運(yùn)行管理工作帶來(lái)了不便。

3 長(zhǎng)溝泵站水位計(jì)更新改造

3.1 更新改造方案選擇

2018年9月，長(zhǎng)溝泵站管理處計(jì)劃對(duì)原有壓阻水位計(jì)進(jìn)行升級(jí)改造，通過(guò)綜合分析各種水位計(jì)特性與工程特點(diǎn)，得出可以用于長(zhǎng)溝泵站工程的水位計(jì)有浮子式水位、壓力式水位計(jì)(壓阻式、氣泡式)、超聲波水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)、電子水尺。其中壓力式水位計(jì)使用壽命受環(huán)境影響很大，超聲波水位計(jì)精度稍差且存在溫漂、電子水尺安裝困難等問(wèn)題。綜合比選后認(rèn)為浮子水位計(jì)和雷達(dá)水位計(jì)更符合長(zhǎng)溝泵站工程實(shí)際，精度更高，其中浮子水位計(jì)采用機(jī)械式，使用壽命更長(zhǎng)，雖然安裝較為困難，但不易遭到人為破壞，適合安裝在閘門(mén)上下游。最終確定在長(zhǎng)溝泵站主廠房上下游安裝雷達(dá)水位計(jì)，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(jì)。信號(hào)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(guò)串口服務(wù)器接入PLC，并接入原有自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 浮子式水位計(jì)安裝

浮子水位計(jì)的安裝方式及安裝后的效果見(jiàn)圖3～圖4。安裝過(guò)程稍有不便，需耗費(fèi)較多人力，在安裝保溫管時(shí)，要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)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(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。

圖3 浮子水位計(jì)安裝示意圖

圖4 浮子水位計(jì)實(shí)際安裝效果

浮子式水位計(jì)必須安裝在水位測(cè)井內(nèi)，水位測(cè)井由混凝土、保溫管等材料建成，測(cè)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(cè)井外形不會(huì)對(duì)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(cè)井的高度和底部高程要能適應(yīng)所測(cè)的最高最低水位。測(cè)井上有安裝水位計(jì)的工作平臺(tái)，供水位計(jì)安裝使用，并用檢測(cè)儀器接測(cè)編碼器輸出的編碼水位信號(hào)，使它和實(shí)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(jì)安裝

雷達(dá)水位計(jì)的安裝方式及安裝后的效果見(jiàn)圖5～圖6，在安裝支架時(shí)，要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，以及雷達(dá)式水位計(jì)的量程等因素，確定好安裝位置。立桿與支架連接采用活動(dòng)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(jì)的重量，且支架的剛度要強(qiáng)，在風(fēng)力作用下支架能夠保證穩(wěn)定而不抖動(dòng)。雷達(dá)水位計(jì)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(jì)安裝示意圖

圖6 雷達(dá)水位計(jì)實(shí)際安裝效果

雷達(dá)水位計(jì)在安裝完成后需對(duì)其進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。一般情況下要注意下面幾個(gè)參數(shù)：量程、低位調(diào)整值、參考零點(diǎn)、空高和料高的選擇，低位調(diào)整值是安裝雷達(dá)的法蘭盤(pán)到液體底部的距離。這個(gè)值是不能超過(guò)量程的，測(cè)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(guò)雷達(dá)水位計(jì)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(dòng)化系統(tǒng)

長(zhǎng)溝泵站數(shù)據(jù)采集為4～20mA信號(hào)，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(jī)組態(tài)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的水尺觀測(cè)，修正高程值和修正值，使采集到的水位值與實(shí)際相同。程序調(diào)試和修改必須要先進(jìn)行上位機(jī)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(zhǎng)溝泵站水位計(jì)更新改造項(xiàng)目安裝調(diào)試完成后，對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)和水尺讀數(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的人工比對(duì)。發(fā)現(xiàn)雷達(dá)水位計(jì)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(jì)信號(hào)過(guò)于靈敏，受波浪影響較大，有時(shí)誤差超過(guò)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(jì)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(jì)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(yùn)河主河道內(nèi)，受波浪影響較大，水位變幅大，浮子水位計(jì)的信號(hào)又過(guò)于靈敏，影響到了采集精度。

為了使浮子水位計(jì)的數(shù)據(jù)采集值更加準(zhǔn)確可靠，運(yùn)行管理人員經(jīng)過(guò)深思熟慮，采取了以下兩項(xiàng)抑制波浪的改進(jìn)措施，一是在測(cè)井底部增加小孔改變進(jìn)水流向，二是在上位機(jī)系統(tǒng)寫(xiě)入了濾波小程序。針對(duì)第二種措施，將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均值計(jì)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(jì)算，計(jì)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(jì)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(jì)算，結(jié)果為A3，以此類(lèi)推，最終將A18和第20次的數(shù)據(jù)采集值進(jìn)行平均值計(jì)算，結(jié)果為A19，A19則為最終的浮子水位計(jì)在上位機(jī)的顯示值。通過(guò)和水尺的多次人工比對(duì)，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(jì)的MCU-32型自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能優(yōu)化

5.1 長(zhǎng)溝泵站MCU-32型自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)

長(zhǎng)溝泵站內(nèi)觀測(cè)設(shè)施主要包括測(cè)壓管、滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì)，均已接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由1臺(tái)監(jiān)控主機(jī)、4臺(tái)MCU和現(xiàn)場(chǎng)傳感器組成。監(jiān)控主機(jī)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(kù)，按各類(lèi)傳感器考證數(shù)據(jù)和計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，獲得工程監(jiān)測(cè)所需的模數(shù)、溫度、滲流壓力、水位、應(yīng)變等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)資料整編軟件對(duì)長(zhǎng)系列監(jiān)測(cè)資料按規(guī)范要求進(jìn)行整編和分析。設(shè)計(jì)階段未考慮將節(jié)制閘上下游水位接入到MCU-32型自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，只是接入到了機(jī)組及閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)，在自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成的圖線中，只有節(jié)制閘測(cè)壓管水位，無(wú)法和上下游水位進(jìn)行比較，未能完全實(shí)現(xiàn)MCU-32型自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)壓管水位過(guò)程線見(jiàn)圖7。

圖7 優(yōu)化前節(jié)制閘測(cè)壓管水位過(guò)程線

5.2 MCU-32型自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)MCU-32型自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能優(yōu)化，考慮將節(jié)制閘浮子水位計(jì)的4～20mA模擬量信號(hào)接入到節(jié)制閘現(xiàn)場(chǎng)MCU，再通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行參數(shù)配置。進(jìn)行改造時(shí)將同一個(gè)傳感器接入到兩套系統(tǒng)中去，電流信號(hào)會(huì)產(chǎn)生分流，隔離器的應(yīng)用在這時(shí)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(hào)后經(jīng)過(guò)變換，輸出隔離的電流或電壓信號(hào)，實(shí)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(bǔ)償、零點(diǎn)自動(dòng)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(guò)優(yōu)化后的MCU-32型自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)了節(jié)制閘所有安全監(jiān)測(cè)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(jì)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(huì)發(fā)出預(yù)警，及時(shí)而且能始終保持?jǐn)?shù)據(jù)的客觀性。如有異常現(xiàn)象則會(huì)發(fā)出預(yù)警，及時(shí)通知值班人員。優(yōu)化后的節(jié)制閘測(cè)壓管水位過(guò)程線見(jiàn)圖8。

圖8 優(yōu)化后節(jié)制閘測(cè)壓管水位過(guò)程線

6 最終應(yīng)用效果

事實(shí)證明長(zhǎng)溝泵站管理處對(duì)原有壓阻水位計(jì)的改造非常成功，無(wú)論是雷達(dá)水位計(jì)還是浮子水位計(jì)，水位顯示準(zhǔn)確可靠，使用壽命長(zhǎng)，后期維護(hù)成本很低。改造后的水位計(jì)，通過(guò)對(duì)新產(chǎn)品的運(yùn)用，還可以應(yīng)用到MCU-32型自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)溝泵站在原水輸送液位計(jì)量中收獲了以下運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)：不建議采用壓阻式水位計(jì)，建議優(yōu)先選用雷達(dá)式水位計(jì)，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(jì)。三種水位計(jì)應(yīng)用效果比較見(jiàn)表1。

表1 三種水位計(jì)技術(shù)性能綜合比較

7 結(jié) 語(yǔ)

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