太平湾发电厂真空激光改造

齐冀龙，刘枫 ，任建钦

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130061；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林长春 130061）

1 真空激光准直系统

对于大坝安全监测，位移监测是最直接最直观的监测项目，是大坝监测必须监测的项目。目前大坝位移监测有垂线法、视准线法、引张线法、真空激光准直法等。激光准直监测分为大气激光准直和真空激光准直[1]：大气激光准直虽然构造简单、价格便宜，但是容易受到天气的干扰，大气的扰动和温度梯度导致的光线偏折使其很难获得满意的测量效果，尤其是测量距离较长时[2]；而真空激光准直系统克服了上述的问题，真空激光准直法测量精度高、维护简便、自动化水平高、受外界环境干扰小，是安全监测系统非常有效的监测方式之一。

1.1 激光

激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。具有方向性好，单色性好，高亮度，相干性好的优点。其方向性好，如将激光射向几千米外，光束直径仅扩展几厘米，而普通探照灯扩展达几十米；其方向性好，使激光在定位、导向、测距方面获得广泛应用；其单色性好，如氦氖激光器发射的632.8 nm激光的谱线宽度只有10～9 nm，利用其单色性可作为计量工作的标准光源。利用激光高亮度的特点，可用于切割、焊接等工业领域，亦可以作为手术刀做外科手术。一般真空激光准直系统采用氦氖激光器发射的632.8 nm的激光作为光源[3]。

1.2 真空激光准直系统

真空激光准直系统由激光发射端、真空泵、测点箱、真空管道、接收端以及测控系统几个主要部分构成。激光发射端采用氦氖激光器，氦氖激光器在毛细管内充以稀薄的He和Ne气体，He与Ne的比例约为7∶1，He-Ne激光器能发出波长为632.8 nm（最常用的红光）、1.15 nm（近红外线）、3.39 nm（红外线）的3条谱线。采用632.8 nm作为工作光源，在发射端使激光光束通过小孔会形成衍射光斑，衍射光斑在真空管道内传播，通过真空泵持续地将真空管道内的气体排出，当管道内的压强低到40 Pa以下时，此时气体稀薄，折射扰动已不会对位移监测产生明显影响。测点箱固定在对应的需要监测位移的坝段，并通过软连接，与真空管道连接，由于测点箱固定在相应坝段上，如此通过测量该测点箱的位移便可获取该坝段的位移。测点箱内部包括波带板、电机、支架及通讯测控模块等。波带板又叫菲涅尔波带片，与透镜类似，可以汇聚射到波带板的光到接收端，通过对波带板进行设计，可将发射端的光斑汇聚到系统的接收端，形成像点，通过接收端测量像点的位移就可以推算出该波带板所在测点箱位置处的垂直于激光轴线的水平位移和垂直位移，即坝体左右岸方向和上下方向的位移。系统接收端采用接收幕，用工业相机对像点的位置进行采集，采用图像处理算法捕捉到像点的准确位置，进而通过软件计算出测点的位移。软件系统通过控制测点电机控制波带板的动作及控制真空泵抽真空的过程，使整个测控系统自动完成抽真空，管道各测点的切换以及像点的图像采集及测点位移的计算，相应采集数据的入库全部操作。

2 发电厂真空激光系统改造过程

太平湾水电站总装机容量190 MW，多年平均发电量7.2亿kW·h。坝址以上流域面积53.576 km2，多年平均流量为 800 m3/s，总库容 2.75 亿 m3，为一日调节水库。

电站水利枢纽主要由混凝土重力坝、坝后式厂房和变电站组成。电站为河床式电站，厂房布置在右岸河床（中国侧）内，溢流坝布置在河床及左岸滩地上，左右两岸岸坡为普通挡水坝段。大坝总长1 185.5 m，最大坝高36.5 m。大坝共62个坝段，0～3号和33～61号为挡水坝段；4～32号为溢流坝段；62号为厂房坝段。

太平湾大坝坝顶变形监测采用真空激光准直自动化系统,同时监测坝顶水平位移和垂直位移。系统于1998年8月1日投入试运行。真空激光系统主要包括发射端，真空管道，抽真空系统，接收端，激光测点等。

由于太平湾电厂原真空激光测坝系统管道内设备较为陈旧，采用的控制系统以及采集系统都较为老旧，抽真空设备抽真空时间较长等原因，无法及时准确获取坝体的变形，保证大坝的安全运行，进而对其真空激光系统的62个测点的控制系统、抽真空系统、电源系统、接收端、发射端及采集软件系统等进行了全面升级。以下对所更换的各部分进行了简要介绍。系统结构图，见图1。

2.1 测点及真空管道

1）拆除原测点箱内电机支架、测点控制板、管道内电缆；

2）安装新的电机支架、步进电机、电机轴夹、配重块、测点模块，总计62套；

3）重新敷设管道内电缆2根，1根规格为RVV2×1.5 mm2，1根规格为RVV4×0.5 mm2，每根长约1 300 m。

2.2 接收端

1）更换现有的AV摄像机为工业数字摄像机2台；

图1 真空激光系统结构图

2）更换接收幕2套，用带有精密网格校准摄像机非线性修改功能的激光接收幕替换现有的普通幕；

3）更换接收端保护箱2台；

4）更换激光数据采集工控机1台，内带有RS485通信口扩展卡1块，可扩展出2个RS485口；

5）增加19”机柜1台，尺寸为：60 cm× 80 cm×180 cm（宽×深×高）；

6）增加摄像机用USB2.0延长线2条；

7）原有的2台AV摄像机作为发射端激光管调整用接收幕监视摄像机，改造其接口线；

8）改造接收端电缆出线口接线2个；

9）安装大坝安全监测数据采集软件1套。

2.3 发射端

1）为激光管提供2台激光电源备件，450 mm的1台，250 mm的1台；

2）增加发射端便携监视器1台，规格为5寸AV监视器；

3）另改造发射端电缆出线口接线2个。

2.4 抽真空部分

1）拆除原有的真空泵及抽真空管路3套，平整真空控制室地面；

2）安装新的旋片泵－罗茨泵机组2套、差压电磁阀门2套、及抽真空管路2套、排气管路2套；

3）更换真空控制配电箱1台，新真空配电箱内带有电子真空度检测功能；

4）更换麦氏真空计1台。

2.5 其他部分

1）拆除激光系统、垂线仪、双标仪电源配电箱，拆除原总电源箱；

2）安装新的电源配电箱，将原分散的配电箱集中成一个总的电源配电箱；

3）激光观测室检修井1 200 mm高护栏制作及安装10延米；

4）坝段、61号坝段观测室门拆除及安装防盗门；

5）端点改正，利用现有的采集硬件采集端点数据，激光系统从“观测统一平台”数据库中读取数据，作端点改正计算；

6）观测数据提交到现有的“观测统一平台”。

3 改造技术要点

3.1 真空泵的选取

为了满足管道内的真空度及抽气时间等技术指标的要求，采用一组罗茨、旋片真空泵机组。机组的前级泵采用莱宝公司生产的油封式单级旋片泵作为预抽泵，型号为SV300。主泵选择莱宝公司生产的罗茨泵，型号为WAU1001，从而缩短了抽真空的时间及提高真空度。经过实验，从大气压到满足测量需求的真空度所需时间在0.5 h以内。

安装新的真空泵及相应的电源线，并且对不同的部位加相应的油，加电调试使其正常运转。

抽真空系统安装好后，必须进行检漏试验。检漏分为分段充气初检与最终的抽真空试验检验两个步骤。

分段充气初检：用堵头将该检验的管道封闭起来，向试验段的管道内充气，使管道内保持超过大气压0.1 MPa的正压，然后用肥皂水在所有焊缝上依次刷涂，并仔细观察是否有气泡产生。同时派专业技术人员观察高精度的管道气压表是否有变化。如果压力表始终保持在充气完毕时的读数，各焊缝均没有气泡产生，基本可以判定该段管道不漏气。

最后用抽真空方式对整个管道（含波纹管、测点箱）进行检漏，升气率的检查以麦氏真空表或者其它电测真空计的测量为准。开始抽真空前，再进行一次内壁清洁处理，以防止污物、灰尘对真空泵的磨损、泵油的污染，使泵的有效抽速降低。

3.2 波带板翻转装置安装及调整

在取下旧的测点控制器及电机支架前,先进行一次自动观测，以备和安装好新的测点盒及电机支架后的数据进行对比，以评估安装的质量和数据的可靠性。

安装新的电机支架及电机，安装新的测点模块并设置好地址编码，将测点控制盒内的各种电缆接头正确接好。

系统安装完成后，先通过测试按钮对测点控制器进行现场操作，调整接近开关的位置，确保波带板落下后保持自由悬垂状态；调整重锤的位置，确保在断电情况下波带板能自动抬起；再通过RS485通讯方式对各测点控制器进行波带板抬起、落下操作，确保各设备在远程控制方式下运行正常。

所有的测点控制机构全部安装完成后，将测点箱盖盖上，进行抽真空。

当真空抽到测量真空度后，用调试软件或人工测点控制器控制各测点的波带板落下，并记下各个波带板在接收幕上所成的像的位置。

3.3 软件调试

真空激光系统的硬件设备安装完成后，通过RS485通讯方式分别对各激光MCU设备进行组网调试，测试各设备的通讯是否可靠等各项技术指标，同时标定各测点的亮度阈值、增益等指标。

当激光MCU和其所属的各设备调试成功后，将激光MCU和中控室内的服务器组成一个局域网再次进行调试，按照软件说明书中的相关规定测试软件，直到满足所有功能为止。

对软件连续运行72 h，保证软件正常运行。

4 结论

太平湾电厂真空激光准直系统改造升级后，通过对管道内电缆的更换和管道内的清理，使光路更为顺畅，没有阻挡；通过更换较为先进的真空泵，提高了系统抽真空的速率，进而提高了系统的测量效率；通过更换更为先进的采集系统，提高了系统测量的精度和准确度，为大坝表面位移的快速准确获取奠定了基础，进而保证了电站的安全运行。

［1］何金平，王龙.大坝位移真空激光准直监测系统分析［J］.仪器仪表学报，2006，27卷（6Z）.

［2］张琳，易亚星，刘志勤.真空激光准直系统在大坝变形监测中的应用［J］.水利与建筑工程学报，2007，5（4）.