南水北调长沟泵站三种水位计的应用及改进措施

2022-02-19邵明猛董传强

水利建设与管理 2022年1期

邵明猛张健董传强

(南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南 250013)

1 前言

水位计是水利工程中自动化监测水位的重要设备，长沟泵站作为南水北调东线一期工程的第十一梯级抽水泵站，主要任务是将水从南四湖提至东平湖，实现南水北调东线工程的梯级调水目标。在水量调度中，水位观测起到了至关重要的作用。长沟泵站在水位计的使用上，积累了丰富的经验，这些经验对于抽水泵站运行管理中如何选择合适的水位计保证观测水位的准确性，以及减少维护成本，具有十分重要的意义。

2 工程概况

2.1 水位计前期设计

长沟泵站工程主要包括主副厂房、引水闸、出水闸和梁济运河节制闸等，建设期间，施工单位按照设计图纸要求分别在主厂房上下游、引水闸上下游、出水闸上下游和节制闸上下游各埋设一支MPM4700型压阻式水位计，共8支，配套φ50钢管安装在各处，通过水位计电缆连接到计算机监控系统，安装方式及安装后的效果见图1、图2。

图1 压阻式水位计埋设大样图

图2 压阻式水位计实际安装效果图

2.2 原压阻水位计应用效果

长沟泵站从2013年通水运行开始，压阻水位计便开始发挥作用，在实际应用中发现，压阻水位计使用寿命受环境影响很大，2013年和2014年的精度较高，但之后的时间，虽然泵站运行人员一直对传感器进行定期清理维护，仍然受环境和上下游水位变幅影响较大，水位计损坏较多，工作不稳定。特别是引水闸下游水位计，进行更换后，其高精确度也只能维持半年多的时间，维护成本较高，给泵站的运行管理工作带来了不便。

3 长沟泵站水位计更新改造

3.1 更新改造方案选择

2018年9月，长沟泵站管理处计划对原有压阻水位计进行升级改造，通过综合分析各种水位计特性与工程特点，得出可以用于长沟泵站工程的水位计有浮子式水位、压力式水位计(压阻式、气泡式)、超声波水位计、雷达水位计、电子水尺。其中压力式水位计使用寿命受环境影响很大，超声波水位计精度稍差且存在温漂、电子水尺安装困难等问题。综合比选后认为浮子水位计和雷达水位计更符合长沟泵站工程实际，精度更高，其中浮子水位计采用机械式，使用寿命更长，虽然安装较为困难，但不易遭到人为破坏，适合安装在闸门上下游。最终确定在长沟泵站主厂房上下游安装雷达水位计，在节制闸上下游、引水闸上下游和出水闸上下游安装浮子式水位计。信号传送方式和原有方式相同。数据接入原有PLC模拟量输入模块或者通过串口服务器接入PLC，并接入原有自动化监控系统。

3.2 浮子式水位计安装

浮子水位计的安装方式及安装后的效果见图3～图4。安装过程稍有不便，需耗费较多人力，在安装保温管时，要充分考虑现场的工况，确定安装位置，保温管要深入水面以下，竖直固定要可靠、稳定，在水流的作用下不会出现抖动。

图3 浮子水位计安装示意图

图4 浮子水位计实际安装效果

浮子式水位计必须安装在水位测井内，水位测井由混凝土、保温管等材料建成，测井直径要足够大，这样放入的平衡锤和浮子离井壁有一定距离，测井外形不会对水流产生较大影响，井内水位要和渠道水位基本一致，测井的高度和底部高程要能适应所测的最高最低水位。测井上有安装水位计的工作平台，供水位计安装使用，并用检测仪器接测编码器输出的编码水位信号，使它和实际水位一致。编码器的输出电缆应和所配插头准确连接。电缆的铺设要严格注意防雷和防干扰。

3.3 雷达式水位计安装

雷达水位计的安装方式及安装后的效果见图5～图6，在安装支架时，要充分考虑现场实际情况，以及雷达式水位计的量程等因素，确定好安装位置。立杆与支架连接采用活动抱箍方式，方便安装及后期维护。立杆、支架安装要可靠，伸出至水面的横梁要水平，固定位置要考虑雷达水位计的重量，且支架的刚度要强，在风力作用下支架能够保证稳定而不抖动。雷达水位计要紧固可靠地固定在支架上，螺母下方要加装弹簧垫片旋紧。

图5 雷达水位计安装示意图

图6 雷达水位计实际安装效果

雷达水位计在安装完成后需对其进行参数的设定。一般情况下要注意下面几个参数：量程、低位调整值、参考零点、空高和料高的选择，低位调整值是安装雷达的法兰盘到液体底部的距离。这个值是不能超过量程的，测量法兰到液体底面的距离即低位调整值并输入雷达。选择要显示的数值是料高还是空高即可，通过雷达水位计的编程显示器进行调试和设定。

3.4 数据接入自动化系统

长沟泵站数据采集为4～20mA信号，RS485通信方式，数据接入到串口服务器中，需要修改上位机组态，通过现场的水尺观测，修正高程值和修正值，使采集到的水位值与实际相同。程序调试和修改必须要先进行上位机程序的备份，备份后进行修改，修改完成后再进行备份。

4 应用效果及再次改进措施

4.1 应用效果

长沟泵站水位计更新改造项目安装调试完成后，对所采集到的数据和水尺读数进行了长时间的人工比对。发现雷达水位计应用效果较好，采集数据和水尺读数基本一致，误差基本控制在1cm左右，符合规范要求。浮子水位计信号过于灵敏，受波浪影响较大，有时误差超过了3cm，还需进一步改进。

4.2 原因分析及再次改进措施

由于雷达水位计自带滤波功能，受波浪影响很小，采集数据准确可靠。浮子水位计安装于引水闸下游、出水闸上游、节制闸上下游，均位于梁济运河主河道内，受波浪影响较大，水位变幅大，浮子水位计的信号又过于灵敏，影响到了采集精度。

为了使浮子水位计的数据采集值更加准确可靠，运行管理人员经过深思熟虑，采取了以下两项抑制波浪的改进措施，一是在测井底部增加小孔改变进水流向，二是在上位机系统写入了滤波小程序。针对第二种措施，将实时采集到的数据进行取平均值计算，设定以10s内采集到的20次数据作为基准进行计算，计算方法为先将前2次数据采集值的平均值A1和第3次的数据采集值进行平均值计算，结果为A2，A2再和第4次的数据采集值进行平均值计算，结果为A3，以此类推，最终将A18和第20次的数据采集值进行平均值计算，结果为A19，A19则为最终的浮子水位计在上位机的显示值。通过和水尺的多次人工比对，浮子水位再次改造的效果良好，采集数据和水尺读数基本一致，误差基本控制在1cm左右，符合规范要求。

5 基于浮子水位计的MCU-32型自动监测系统功能优化

5.1 长沟泵站MCU-32型自动监测系统前期设计

长沟泵站内观测设施主要包括测压管、渗压计、应变计，均已接入自动化监测系统，自动化监测系统由1台监控主机、4台MCU和现场传感器组成。监控主机控制MCU采集传感器数据，并接收MCU采集的数据存入数据库，按各类传感器考证数据和计算公式进行计算，获得工程监测所需的模数、温度、渗流压力、水位、应变等监测数据，通过资料整编软件对长系列监测资料按规范要求进行整编和分析。设计阶段未考虑将节制闸上下游水位接入到MCU-32型自动监测系统中，只是接入到了机组及闸门监控系统，在自动监测系统生成的图线中，只有节制闸测压管水位，无法和上下游水位进行比较，未能完全实现MCU-32型自动监测系统的数据采集、分析及图线绘制功能。优化前的节制闸测压管水位过程线见图7。

图7 优化前节制闸测压管水位过程线

5.2 MCU-32型自动监测系统功能优化

为了实现MCU-32型自动监测系统功能优化，考虑将节制闸浮子水位计的4～20mA模拟量信号接入到节制闸现场MCU，再通过自动化监测系统监控主机进行参数配置。进行改造时将同一个传感器接入到两套系统中去，电流信号会产生分流，隔离器的应用在这时起到了关键作用。该隔离器是一款新产品，为单通道智能型隔离器，输入电流或电压信号后经过变换，输出隔离的电流或电压信号，实现了输入、输出、电源之间的三端隔离，采用数字化结构，并采取环境温度自补偿、零点自动校准等先进技术，广泛应用于水利、电力等行业的重大工程。经过优化后的MCU-32型自动监测系统，接入了节制闸上下游水位数据，数据显示可靠稳定，真正实现了节制闸所有安全监测数据的采集和图线绘制功能，所生成的图线更加直观，一目了然，不仅节省了人力计算和绘制图线的步骤，持数据的客观性。如有异常现象则会发出预警，及时而且能始终保持数据的客观性。如有异常现象则会发出预警，及时通知值班人员。优化后的节制闸测压管水位过程线见图8。

图8 优化后节制闸测压管水位过程线

6 最终应用效果

事实证明长沟泵站管理处对原有压阻水位计的改造非常成功，无论是雷达水位计还是浮子水位计，水位显示准确可靠，使用寿命长，后期维护成本很低。改造后的水位计，通过对新产品的运用，还可以应用到MCU-32型自动监测系统中，扩大了应用范围。作为北方地区南水北调工程的中间接力泵站，长沟泵站在原水输送液位计量中收获了以下运行经验：不建议采用压阻式水位计，建议优先选用雷达式水位计，如外界环境较为复杂，管理不便，建议优先选用浮子式水位计。三种水位计应用效果比较见表1。