长距离压力输水工程水锤态势应急监测系统设计

胡 伟

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

我国幅员辽阔，海岸线漫长，水资源较为丰富，但是受到各种地域、地形的限制，水资源时空分布并不均匀，呈现南多北少，东多西少的趋势，因此水资源供需矛盾日益加剧。为解决上述问题，我国建设了很多大型的长距离输水工程，如南水北调、引江济汉、引汉济渭等[1]。这些工程的建设和投入使用，很大程度上解决了局部地区缺水问题，使得水资源合理分配。然而，长距离的输水工程一般管线都很长，且受到地形的影响，管道起伏也比较大，水流流速会发生相应的剧烈变化，从而导致水压在管道内不断的发生交替变化，尤其在拐弯处，水流会大力撞击水管，发生水锤现象，引起爆管问题，不仅影响了水资源的正常输送，也造成了严重的经济损失[2]。

面对上述问题，长距离压力输水工程中水锤问题的监测至关重要，能够及时发现问题，并及时进行预警和处理，可避免造成更大的损失。关于水锤问题的研究有很多，如朱满林等人以宝鸡市冯家山水库重力输水工程为例，研究了从冯家山水库取水到水处理厂这一段的水锤问题，并提出空气阀组概念，为水锤问题的解决提供了参考。赵卫国等人以“引大入港”管道输水工程为对象，结合GPRS技术构建一种管道输水实时监测系统，对这一段输水管道水锤问题进行了实时监测，有效避免了管线爆管问题。徐海林结合远程终端 RTU系统对长距离输水管线上各个关键点的压力进行监测，并以崇明岛原水输水系统一期工程为例，进行监测测试，证明了远程终端 RTU系统的监测效果。

在前人研究的基础上，结合信号处理技术设计一种长距离压力输水工程水锤态势应急监测系统。该系统通过在长距离输水管线各处布置传感设备，经过信号处理后，判断是否发生水锤爆管问题，一旦出现水锤爆管问题，即可控制水锤的蝶阀门关闭，并确定出现水锤问题的位置，然后通知维修人员进行维修，尽快恢复正常输水。通过本系统设计，为长距离压力输水工程水锤问题的解决提供参考和建议，以避免造成过大的损失和水资源浪费。

1 水锤态势应急监测系统

水锤现象是由水流在管道内急速变化，从而不断冲击水管线引起的事故问题，其描述方程如下：

(1)

(2)

式中，H—相应某基准面的某断面在时刻t的水头,m；x—位置坐标,m；A—管道过流面积,m2；f—管道摩阻系数；Q—某断面在时刻t的流量,m3/s，其正负取决于流量Q的方向；|Q|—流量的绝对值,m3/s；D—管道直径,m；a—水锤波的传播速度,m/s。

水锤现象极易引起水管爆裂，造成水资源浪费，导致经济损失，因此长距离压力输水工程水锤态势应急监测至关重要。

1.1 系统设计框架

框架设计是系统设计的第一步，为后续硬件和软件的搭建提供基础轮廓。本系统的逻辑框架分为3层，从上到下依次为应用层、支撑层与数据层，如图1所示[3]。

图1 系统逻辑框架

应用层：系统的最上层，主要负责各种业务逻辑的运算，包括数据采集逻辑、数据处理逻辑、控制输出逻辑、预警提醒逻辑、显示逻辑等[4]。

支撑层：系统的中间层，在该层中包含了各种功能组件，为上述应用层提供基层服务支撑，实现服务端与 PC端之间的交互。

数据层：系统的最底层，主要负责采集关于水锤态势的数据，是整个系统运行的基础数据。

1.2 系统主要硬件

1.2.1传感器

(1)压力变送器

当某一水锤现象发生时，尤其是当水泵在启动和停止时，水流产生的冲击波极大，就像锤子一样，不断敲打管道，破坏力极强，当破坏力达到一定程度， 就会导致管道破裂，造成漏水问题[5]。一旦水锤造成水管漏水，就会在泄漏处立即产生负压波，从而不断向两端传播，引起管线内压力发生变化。利用这一点可以通过压力变送器实时采集沿线压力，以此来进行水锤问题发生处的确定，以便及时进行应急处理。本系统当中的压力变送器为通用型压力变送器，该设备主要优势特征如下：①采用膜片隔离技术；②集成芯片、宽电压供电；③结构小巧、安装方便；④截频设计、抗干扰能力强、防雷击；⑤限流、限压、反接保护(仅限电流输出)；⑥精度高、稳定性好、响应速度快、耐冲击。

(2)流量变送器

水锤现象引起水管爆管后，除了压力变化外，同样也会引起水流量的变化。根据爆管经验， 爆漏量达1000m3/h以上时，有可能引发次生灾害。为明确水管内水流量变化，采用涡轮式流量计进行监测。它精度高、可靠性好、量程可调范围大、带负载、抗干扰能力强[6]。该设备基本参数见表1。

表1 涡轮式流量计基本参数

1.2.2GPRS无线通信硬件

长距离压力输水工程水管线很长，因此布局在沿线上的各传感器节点在采集到压力、流量数据之后，需要将其传输到单片机当中[7]。为此，在本系统中使用GSM/GPRS无线通信模块，其硬件组成框图如图2所示。

图2 GSM/GPRS无线通信模块硬件组成框图

1.2.3单片机

单片机是典型的嵌入式微控制器，在系统当中主要负责各种业务逻辑的运算，是系统监测中心的核心硬件。本系统当中的单片机为51位AT89C51芯片，它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器[8]。其主要特性如下：①与MCS-51 兼容；②4K字节可编程闪烁存储器；③寿命：1000写/擦循环，数据保留时间10年；④全静态工作： 0Hz-24Hz；⑤三级程序存储器锁定；⑥128×8位内部RAM，32可编程I/O线，2个16位定时器/计数器，5个中断源；⑦可编程串行通道；⑧低功耗的闲置和掉电模式；⑨片内振荡器和时钟电路。

1.2.4人机交互设备

与AT89C51单片机显示接口相接的人机交互设备为一块触控屏。在该显示器上布局了与水锤态势监测所有相关的功能控制模块，如图3所示。

图3 人机交互界面功能模块布局图

当监测结果达到预警值，会在显示器报警模块上进行报警，并控制各闸门的开、关、停和设置开度及比例阀开度，以便及时控制水锤现象的“恶化”，及时止损[9]。

1.3 系统软件设计

系统软件是系统逻辑运行的思路，为硬件提供控制程序。本系统软件总体运行逻辑如图4所示。

在图4中将其分为3个子程序，即采集处理子程序、GPRS网络通信子程序、态势分析及预警子程序等，下面进行具体分析[10]。

图4 系统软件总体运行逻辑框图

1.3.1采集处理子程序

采集处理子程序是系统的第一个业务逻辑程序，依靠压力变送器和流量变送器来运行[11]。具体过程如下。

步骤1：接收单片机发送过来的采集质量；

步骤2：传感器(压力变送器和流量变送器)初始化，并进入工作状态；

步骤3：采样压力值和流量值；

步骤4：判断采集是否结束。结束，关闭传感器，并进入下一步骤，否则继续进行采集。

步骤5：压力值和流量值信号调理、放大、滤波；

步骤6：压力值和流量值信号A/D转换；

步骤7：压力值和流量值信号发送[12]。

1.3.2GPRS无线网络通信子程序

GSM/GPRS无线通信模块运行程序如下。

步骤1：GPRS无线网络注册；

步骤2：获取水锤态势应急监测中心的授权；

步骤3：校正时钟，保持时间同步；

步骤4：上传传感器实时采集到压力值和流量值信号；

步骤5： 处理、分析数据是否安全。安全，则通过GSM发送信息到应急监测中心；否则，进行预警；

步骤6：判断数据发送是否结束。结束，则在GPRS网络中撤销链路，完成了一次实时数据传输任务，并等待下一次任务；否则继续传输[13]。

1.3.3态势分析及预警子程序

态势分析即根据压力值和流量值判断是否发生水锤事故，并判断发生事故的地点，具体过程如下。

步骤1：将采集到的压力值、流量值信号波形与正常压力值和流量值信号波形进行对比；

步骤2：判断是否发生异常。若发生异常，进行下一步；否则，继续进行下一次数据对比分析。

步骤3： 计算水锤发生点的位置。计算公式如下：

(3)

式中，x0—水锤发生点距输水管首的距离,m；L—管线长度,m；u—管内流体的流速,m/s，通过水流量与时间计算得出；v—负压波的传输速度,m/s；Δt—上下游传感器接收到负压波的时间差[14],s。

步骤4：进行应急预警，并关闭阀门。

2 系统测试

系统设计完成后，为测试系统的应用性能，并发现其中存在的问题，进行系统仿真测试。

2.1 长距离压力输水工程模型

一般情况下，以实际长距离压力输水工程为例，进行系统测试得到的结果更为准确的，但是这是不现实的，没有经过测试的系统，无法将其应用到实际工程中，因此在这里以某长距离压力输水工程为对象(如图5所示)，建立长距离压力输水工程模型[15]。

图5 某长距离压力输水工程

长距离压力输水工程中关键参数见表2。

表2 长距离压力输水工程中关键参数表

2.2 水锤态势应急监测模型

在建立的长距离压力输水工程模型上搭建监测设备，构建水锤态势应急监测模型，如图6所示。

图6 水锤态势应急监测模型

长距离压力输水工程模型沿线上共安置150个压力变送器，以及首、末端各安装1个流量变送器。

2.3 两种情况下沿线节点压力和流量变化特征

正常情况和水锤事故发生情况下长距离压力输水沿线各节点压力和流量变化特征见表3。

表3 长距离压力输水沿线各节点压力和流量变化特征

2.4 系统的水锤事故监测性能分析

假定在距长距离压力输水沿线首端5、25、35km处发生1000m3/h爆漏事故，利用所设计的系统进行监测，监测结果见表4。

表4 系统监测结果分析 单位：km

从表4中可以看出，应用本系统，准确判断出了某长距离压力输水工程沿线发生水锤事故，并进行了预警，与此同时，给出的定位结果与水锤事故实际发生的位置非常接近，误差均在±0.3km，证明了本系统的监测性能。

3 结语

综上所述，我国水资源分布不均，存在严重的局部地区水资源短缺问题。为此，建设了很多长距离的输水工程。在长距离的输水工程运营中，水锤现象是难以避免的，极易引起爆管问题。为此，设计一种长距离压力输水工程水锤态势应急监测系统。该系统通过采集水管内水压和水流量来监测水锤态势，以便及时进行预警和处理，避免事故的发生。该系统经过测试，证明了其监测效果，可以被广泛应用到长距离的输水工程水锤问题的监测中。