水封洞库安全监测自动化系统的设计探讨

李莉，刘秀琴

(海工英派尔工程有限公司，山东 青岛 266101)

水封洞库安全监测自动化系统的设计探讨

李莉，刘秀琴

(海工英派尔工程有限公司，山东 青岛 266101)

水封洞库工程是国家原油战略储备的重要手段，通过对地下工程监测对象的简要介绍，阐明了安全监测自动化系统的设置目的；并根据已建成的国内地下工程安全监测自动化系统的实际情况，总结了系统的总体设计方案及设计原则；详细介绍了系统各组成部分硬件的基本配置要求，概述了系统软件的功能性需求。与此同时，对系统的供电、防雷以及现场设备的接地也提出了相应的要求。

水封洞库 地下工程 洞室 水幕巷道 施工巷道 安全监测

水封洞库项目的建设包括地上工程和地下工程建设。其中，地上工程的输油工艺与传统的输油工艺差别不大，对储油洞罐、输油设施、输油管线、阀组、公用工程等的过程监控通常采用SCADA系统[1]，并设计安全仪表系统(SIS)[2]用于执行油库的安全仪表功能。地上部分的过程监控和安全联锁等自控专业内容属于常规设计；水封洞库地下工程的安全监测仪表和自动化系统设计是一项亟待总结的新内容。文中根据中国已建成和正在建设的水封洞库的实际情况，仅对安全监测自动化系统的设计进行总结。

1 水封洞库安全监测自动化系统概述

水封洞库地下工程主要由洞罐、水幕巷道、施工巷道、连接巷道以及竖井等设施组成。其中，洞罐、水幕巷道、施工巷道以及连接巷道由于深埋地下，无法被洞库运营人员直观地掌握生命周期内的具体情况。因此，对于涉及洞库围岩安全稳定性、地下水压力、水位状况的监测内容，必须纳入水封洞库的安全监测自动化系统中，作为监测、分析及使用的数据长期保存。

2 水封洞库安全监测自动化系统设置

2.1 系统结构

水封洞库安全监测自动化系统采取分布式结构形式，共分为三层。最上层为上位机部分，包括监测站、服务器及相关网络通信设备；中间层为工控机部分，包括工控机及通信设备；最下层为观测站，包括数据采集单元及通信设备。系统拓扑结构如图1所示。

2.2 安装位置

水封洞库项目的各洞罐按长方体平行摆放，并置于相同的深度，大型水封洞库项目油品储量大，占地面积广；洞罐的埋设深度根据储存油品的性质、压力，岩体风化程度和地下水位的高低等因素确定[3]。上述原因导致从现场监测仪表至工控机的信号传输距离过长，因而建议在设计时应根据水封洞库的总平面布置，在地面非防爆区沿施工巷道的外围设置合适的观测站；各观测站设数据采集单元，负责采集相应区域内的安全监测仪表的远传信号。

图1 安全监测自动化系统拓扑结构示意

系统的上位机及工控机部分一般设置在水封洞库项目的中心控制室，通过冗余光缆实现与现场观测站的数据通信。

2.3 观测站的设置

观测站内设自动化监测箱、数据采集单元及光端机等设备。根据水封洞库地面的地形情况，为观测站设置数据采集小屋，若附近地形不满足数据采集小屋的安装要求，则设置露天安装式观测站，自动化监测箱采用壁挂式安装方式。观测站不得设置在具有强电磁干扰的设备附近，并应有良好的接地。露天观测站必须加装适当的防护措施，安装方式如图2所示。

图2 露天观测站的安装方式示意

3 水封洞库安全监测自动化系统配置要求

3.1 上位机的配置

上位机中配备的监测站和服务器的选型建议与SCADA系统的操作站及服务器的选型保持一致，其配置指标不应低于SCADA系统相应设备的配置指标。

3.2 工控机的配置

工控机完成对数据采集单元的信号采集和数据处理工作[4]，工控机的数据处理包括： 数据可视化显示、数据判断、数据存储、数据库管理等[5]。在水封洞库安全监测自动化系统中，工控机负责接收数据采集单元的各类信号，并将处理后的数据上传至服务器供上位机使用。

水封洞库安全监测自动化系统的工控机要求有较高运算速度和较大存储容量，工控机应具有报警功能，系统自检、自诊断功能，还应具有运行日志、故障日志记录等功能。

3.3 数据采集单元的配置

利用工控机配合数据采集单元，完成对现场安全监测仪表的信号采集任务，数据采集原理如图3所示。

图3 数据采集原理示意

通过数据采集单元自检、参数设置、单点测量、巡回测量以及定时测量，实现工控机与数据采集单元、数据采集单元与现场安全监测仪表之间的信号传输。

数据采集单元应具有： 测量功能、控制功能、存储功能、定时功能、通信功能、自检自校功能、雷电保护功能、供电功能、抗电磁干扰功能[7]。

数据采集单元的采样对象为电阻式、电容式、电感式、压阻式、振弦式、光电式等具有不同测量原理的现场安全监测仪表；其标准配置宜为8～32个通道[8]。

3.4 冗余化配置

为保证系统安全、稳定地运行，上位机及工控机均采用冗余配置；监测站、服务器、工控机、通信网络均采用热备冗余方式。

3.5 系统供电要求

上位机、工控机的供电与SCADA和SIS等统一采用UPS供电[9]，电源规格： 交流220 V(1±5%)，50 Hz±0.5 Hz，后备供电时间不小于30 min。设置专用配电箱为观测站供电，观测站本身应配备相互冗余的直流电源。

3.6 系统防雷要求

由于水封洞库通常建设在山区，雷暴活动频繁，因而系统必须进行防雷设计，上位机及工控机的防雷设计应符合文献[10]的要求；观测站内的数据采集单元必须采用防雷电路，电源也需配备防雷装置。

4 水封洞库安全监测自动化系统选型

4.1 总体要求

安全监测自动化系统应采用技术成熟、有实际运营经验的系统；应便于扩展，能够满足水封洞库工程安全监测与管理的需要。

4.2 系统选型

由于国内外厂商提供的系统集成产品各有优缺点，设计时可根据已建成的水封洞库地下工程安全监测设计的具体情况，推荐采用性价比合适的产品，在集成后组成安全监测自动化系统，并由系统集成商开发或提供适用于具体工程的监测硬件和分析软件。

5 水封洞库安全监测自动化系统软件功能

系统软件的主要功能包括： 洞库围岩和支护结构变形监测、地下工程微震监测、地下水压力监测、地下水水质分析监测等，主要完成在线采集、集中监控、洞库围岩和支护结构变形可视化监测、洞库微震信号处理分析、微震事件三维显示、地下水压力可视化监测、地下水水质可视化监测、数据库管理、图形与报表制作、系统与资料管理、报警打印等内容。

5.1 洞库围岩和支护结构变形监测功能

系统自带可实现地下水封洞库结构变形监测的分析模型，可定量分析、预警地下工程的结构变形情况，并提供可视化显示、报警及打印等功能。

通过采集设置于洞罐、水幕巷道、施工巷道等部位的多点位移计和锚杆应力计的信号，经过洞库结构变形监测模型的分析，可实现对地下工程的围岩和支护结构变形监测。其中，围岩变形监测包括对围岩表面收敛、围岩内部及表面变形、地质构造体位移等项目的监测；支护结构监测包括对支护锚杆应力及锚索应力、支护钢格栅应力、衬砌混凝土钢筋应力、混凝土应力应变、衬砌混凝土与围岩结合面的变形监测。

5.2 地下工程微震监测功能

地下工程微震监测功能覆盖从水封洞库施工到运营全过程的监测工作，通过采集微震仪的信号，可对水封洞库开挖过程中可能发生的岩体失稳，如大范围的冒顶、塌方等进行监测预警，为施工优化提供指导；并根据开挖后的围岩变形监测，做出是否存在岩体不稳定性的判断，以便决策是否暂停施工及确定作业人员重返开挖工作面的时间；可对区域内因水封洞库施工和运营引起的断层等地质构造活动进行评估；洞库投用后提供一种先进的安防措施，实时监测周边划定区域的爆破、机械施工等危险事件；洞库运营期间，可以定量评估由于油量变化而产生的附加应力对洞室稳定性的相关影响，可以对地下洞室中可能发生的塌方和冒顶及时做出评估、预警和分析等，为安全预警提供相关科学依据。

5.3 地下水压力监测功能

系统自带可实现水封洞库工程地下水压力监测的分析模型，包括洞罐渗压监测模型、地下水水位监测模型。该功能可定量分析和预警地下工程的渗流异常、水封压力变化的情况，并提供可视化显示、报警及打印等功能。

通过采集洞室及洞罐间渗压计的信号，结合洞罐渗压监测模型的分析，可以监测由于围岩变形或各洞罐储油品种不同等原因引起的洞室与洞室、洞罐与洞罐间岩体水压的变化，进而分析可能发生的渗流异常，以采取必要的预防措施。

通过采集水幕巷道及洞库周边的渗压计信号，利用地下水水位监测模型，实时监测地下水水位，用于判断储油水封压力，进而及时进行水幕补水，以保证洞库水封的可靠性和安全性。

5.4 地下水水质分析监测功能

在水封洞库周边一定范围内设置水质监测孔，运营人员定期对地下水进行采样、检测及分析，将检测结果输入安全监测自动化系统，实现结果保存、打印等工作。

6 结束语

地下工程是水封洞库的核心组成部分，选择技术先进、安全可靠的安全监测自动化系统是保证洞库安全建设和运营的关键。因此，安全监测自动化系统的方案设计是水封洞库工程设计的重要环节，设计者应给予足够的重视。

[1] 蔡峰，张岑，李代甜.SCADA系统在石油管线中的应用[J].石油化工自动化，2007，43(02)： 58-59.

[2] 李胜利，卢金芳.石油化工装置安全仪表系统的设计[J].石油化工自动化，2007，43(02)： 18-22.

[3] 刘秀琴，李莉.地下水封石洞油库洞罐仪表的选型设计[J].石油化工自动化，2013，49(03)： 6-9.

[4] 万红.研华工控机在储罐液位控制系统中的应用[J].电子仪器仪表用户，2000(06)： 26-27.

[5] 罗记龙.研华工控机在恶劣环境下不间断工作的应用实例[J].电子仪器仪表用户，1997(01)： 22-25.

[6] 程洪波.大坝安全监测自动化系统应用探讨[J].安全监测，2010(05)： 60-62.

[7] 叶桂萍.陈村大坝安全监测自动化系统的应用[J].工程安全监测技术，2006(01)： 66-69.

[8] 彭虹，卢有清，刘果，等.DL/T 5211—2005大坝安全监测自动化技术规范[S].北京： 中国电力出版社，2005.

[9] 周懋忠，吕明伦，刘一笑.SH/T 3082—2003石油化工仪表供电设计规范[S].北京： 中国石化出版社，2004.

[10] 刘一笑，马恒平，方留安，等.SH/T 3164—2012石油化工仪表系统防雷设计规范[S].北京： 中国石化出版社，2012.

Discussion on Design of Safety Supervised Automation System for Water Sealed Rock Caverns

Li Li, Liu Xiuqin

(Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd., Qingdao, 266101, China)

Water sealed rock cavern engineering is the important means for national crude oil storage. Through brief summarization for underground engineering’s supervised object, the setting aim of safety supervised automation system is illuminated. According to reality of safety supervised automation system in built underground engineering, the general system design scheme and principle are summarized. The configuration requirement of system’s composed hardware is introduced in detail. The functional requirement of system’s software is summed up. Besides, the requirement for system’s power supply, lightning surge protection and the field instrument’s grounding are also proposed.

underground rock caverns; underground engineering; cavern; water curtain tunnel; access tunnel; safety supervise

李莉(1982—)，女，2007年毕业于青岛大学计算机应用技术专业，获硕士学位，现就职于海工英派尔工程有限公司自控室，从事石油化工自控设计工作。

TP277

B

1007-7324(2017)03-0008-03

稿件收到日期： 2017-01-10，修改稿收到日期： 2017-02-28。