长距离输水管线的数据监测与过程控制

摘要：长距离输水管线的数据监测和过程控制是一项确保输水管线安全、经济供水的技术方式。就某供水工程输水管线过程控制方案为例，通过介绍怎样实现对长距离水管线过程中进行数据检测和过程控制。控制结果表明，长距离输水管线在技术上通过运用GPRS作传输方式进行数据检测是十分可行的，每间距4-5 km设置一个测压点完全能够满足管线的检测要求。

关键词：长距离输水管线；数据检测；过程控制

中图分类号：C37 文献标识码：A 文章编号：

一、引言

长距离供水工程中对输水管线的相关参数检测和过程控制是确保输水管线安全、经济供水和实现优化控制的技术方式。

在长距离输水管线的监控中完全能够发现管线的泄漏点，快速对泄露点采取措施，阻止泄露事故趋于严重；在用水量变化时一定要按时调整输水管线的压力，以防导致管道内的压力过低或者过高。

本文以某长距离供水工程为例，对工程设计中的相关的主要技术问题进行简单的阐述。

二、工程概况

某长距离供水工程，输水管线在设计中使用两条DN 2200管道，把上游水库的水运输到新建净水厂，合计总长约176km。输水管线上游到净水厂两端的水位差是160m，供水全程无压力泵，实现自动重力输送。管道均采用PCCP管，只是在容易泄露的部位采用钢管。供水总规模是90 x104 m3/d，分为两期建设，一期工程的供水流量为45 x 104 m3/d。此输水管线控制流程如图1所见。

长距离输水管线上布置了三处的管线管理所，在其内部都设置了调压阀，用来调节管道流量和压力，其中两个管理所附近特别设立了溢流井，用来调节平衡输水管线中的压力。

在自控系统的设计上必须明确下面几个技术问题。

1、长距离输水管线压力检测点的具体数量。

2、采用的信号传输方式和设备的配置情况。

3、用来计算压力检测点的电源接入。

4、长距离输水管线的数据监测中的过程控制方案。

三、系统控制方案

（一）压力监测点方案

1、压力监测点的组成

依据在长距离输水管线中过程控制的不同运用，压力监测点用以监测和调整压力监测点压力，以期做到实时监测、及时调整、全过程可控，亦可简称压力控制点。压力监测点一般由压力变送器、电源、RTU、DTU、避雷器、保护箱等组成。

2、压力监测点的作用

压力控制点布置在输水管线沿线高程起伏变化的相对高点之上，其重要的作用是控制输水管线，在实施运行过程中该点的仪表压力不能低于0.03Mpa，以防管道局部出现的真空现象，它的安装位置必须要计算设计确定后放置，且不宜随便更改设置点。压力检测点根据管线长度平均分布于输水管线上，用来监测输水管线沿线的压力，如果设计地点不具备安装的条件，必须经过重新计算后再现场确定新的位置点。

3、压力监测点分布的数量

依据运行管理过程的需要，在水库和水厂之间，间距在4- 5 km，沿长距离输水管线布置了6个压力控制点和26个压力监测点来进行监测。这些监测点的检测仪表都可以布置在输水管线的排气阀井内，不必重新设仪表井。

4、压力监测点上数据的检测方式

压力控制点和压力监测点的电源一般都使用直流供电的方法。数据的检测一般使用巡检和遇到情况及时上报的方式，就是在检测点的压力比前两次检测值中的任何一个高0.01Mpa就必须立刻上报。

（二）、压力监测点电源

压力监测点的电源使用蓄电池供电。把当地气候情况放在首要要求，还需要考虑到蓄电池充电充满后的最大供电时间等问题，并把当地寒冷期的管理和时间的实际情况及时总结，蓄电池的充电周期一般确定为180 d。电池容量的确定与系统使用的RTU、压力变送器、DTU的耗电量和系统的运作方式相互关联。

如条件允许，对检测监控系统用电负荷来讲，设计小型风电与光电结合供电、蓄电池储电的电源方案，绿色环保，经济适用，维护简便。

（三）、输水管线压力监测点通信方案

1、通信方案的比较

输水管线压力监测点的通信是联络输水管线的数据监测与过程控制能否实现的关键性因素。

对长距离输水管线压力监测点的通信方案，做了深入调查和技术经济对比，简述如下：

1）、230MHz无线通信技术方案

A、独立性强:不会因为其他网络的干扰收到影响，能够用在公共通信网不健全的地区。

B、运行方式:数据采集的方式非常灵活，能够变换数据采集方式，也能够实时采集数据。

C、缺点是传输距离有限，一次性投资过高，较易受天气和地形地貌的影响。

2）、GPRS通信方案

A、实时性非常高，可以始终在线。

B、覆盖面非常的广泛。

C、多测量点可以定时发送，最短发送时间间隔可以降低到5s、最大时间没有限制。

D、功耗低且一次性投资少。

E、缺点是系统在信号覆盖上存在死角，使用之前一定要对监测点信号覆盖测定。(该工程可以经由当地电信部门的现场实地测定，超过90%的监测点都能够满足数据传输的要求)。

3）、比较结果

A、 GPRS网络维护成本低、覆盖范围广，但是超短波的无线通信技术传输距离不够。

B、运用无线数据传输方案，不但要向当地广电去申请对应频率，还有超短波通信的维护费用以及工程量大，建设要求都非常的严格。

C、GPRS通信是微功低耗型的，甚为适合长距离输水管线在无市电、野外条件下保持工作。

4）光纤通信方案

A、永远在线。采集终端只要开机就可附着在网络上，能够和市调度中心建立一个通信链路，即时接收和发送数据，具备非常高的实时性。数据传输加密安全、速度快。

B、收费。因为是使用自备光纤网络，无收费问题。

C、现场采集终端的组成。由采集模块、压力变送器、电池、光端机和外壳组成。排除天线外，所有的元件都封装在非常坚固的钢制壳体之中，可防冲击、防水、防腐蚀，安装在井室内非常合适。

D、优点。一次性投资非常低，数据传输安全、可靠、高速。

E、缺点。因为当下还不具备专用的低功耗的光端机和RTU模块，从目前具备的材料来看，光端机的功耗是5W，RTU模块的功耗是7W,这种大功耗对于没有交流电的野外是非常不现实的问题。

从上面的对比不难看出，使用GPRS进行数据监测，是性价比相对于其他更高的，切合实际能够运行的通信模式。

由于GPRS网络的维护基本是由中国移动来完成，与光纤相比，建设费用和维护费用都非常低，还几乎近似不需要维护。输水企业不会支付其他任何额外的费用，完全可以在中国移动技术平台上为输水工程带来相应的效率。

和其他的无线数据传输的手段对比，GPRS网络覆盖范围非常大、维护成本很低。超短波无线通信受传输方式和通信体制的严重制约，传输距离非常有限；在开阔地通常20W的电台可以通信距离约20km左右，且在城市大量的建筑群中，通信距离是非常短的。

采用超短波通讯电台，不但要通过当地申请频点，还要支付大量费用用以维护超短波的通信，建设要求也非常严格，不但要估计四周的地形，而且需要避雷措施，稍有不慎就会引起电台和连接设备的毁坏。

所以，经过上述对比，采用GPRS通讯方案是性价比最高且最适合本工程的通信方案。

（四）输水管线过程控制方案

1、控制流程

输水管线的数据经过GPRS系统传输到市调度中心以后，然后把相关的数据经过传输网络传输到净水厂的输水管线控制系统中。再通过净水厂的输水管线控制软件根据水库水位的变化、流量的变化和输水管线压力，以控制整个输水管线的运行。

2、输水管线的控制原理

输水管线主要依据两个参数来进行调节，一是输水管线的流量，二是水库的水位。

为使稳定输水管线的流态、减少管道工作压力的波动，在设计时在输水管线上(一号、二号、三号管理所内)分别布置三处用于调流的调压阀。调压阀的主要作用是，用于输水量小于设计流量时产生的盈余水头和削弱水库水位大于设计取水水位的水头，便于控制下游管线中的工作压力，控制输水管线中的最大水压，并使其不超过额定的压力，还不会对输水管线的地形高点产生负压。

1）、对水库水位控制

在流量不变的情况下，若是在充沛水期，水库的水位会高过死水位，于是，就必须减少一号管理所在的调压阀的开度，使调节后的压力在设计压力范围之内。就是说在控制水位时，要确保水库水位在一定范围之间变化时，一号管理所处调节阀的出口压力一直在设计压力的范围内。

2）、根据输水管线流量控制

当进水流量变小时，调压阀压力值会小于设定值时，增大一号位阀门开度，相反就减小开度，用来满足供水的要求。还有当溢流井的液位超过上限水位时，就必须减小调压阀的开度，随时可控调节，防治溢流事故的发生。并通过调节使二、三号管理所处调节阀后的压力值处于设计压力的范围之间。

在调压阀的调节过程中，要确保各个压力控制点的压力值高于0.03Mpa来避开因为压力调节而导致管道内出现负压的现象。

四、结论

（一）、对长距离输水管线利用GPRS作为传输方式进行数据检测在实际工程中是能够实现数据化传输的。

（二）、压力监测点的电源使用蓄电池供电。有多种选择方案可以满足设计要求。

（三）、经过理论和实际运行的证明，根据本工程的特点，每间隔4 -5km就设置测压点能够符合管线的检测要求。

参考文献

[1]. 徐永年，纪陶.长距离输水管线过程控制中的数据监测[J].科技论坛，2010（02）

[2].陈玉恒.国外大规模长距离跨流域调水概况(OL).http//oldpages. /20030318 /ca235814.hm.

[3].余晓红，李桂来.长距离输水隧洞工程安全监测和控制系统[J].西部探矿工程.2005,17(1):223-224.