引江济淮工程亳州输水管道自动化系统设计方案

沈 云，何晶晶，晋成龙

(中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601)

长距离输水管道的工程监测一直是输水工程的重要内容，对工程安全运行起着至关重要的作用。近年来，随着社会经济的高速发展，城市用水的需求量逐渐增多，对供水工程的安全运行提出了更高的要求。管道工程又是供水工程最容易出故障的环节，准确及时地发现管道故障位置，甚至提前判断可能出现故障的位置，及时进行维修可以最大限度的减小事故影响范围，保证居民用水安全。本文以引江济淮亳州城市供水工程为例，结合输水管线特点，提出了管道自动化系统设计方案。

1 工程概况

亳州城市供水工程作为引江济淮(安徽段)江水北送段的重要工程，建成后成为亳州市唯一的地上水源，有效改善了亳州水资源极度匮乏，长期开采深层地下水作为城市工业和生活用水水源的状况，亳州将逐步封存地下水[1-2]。亳州城市供水工程主要由加压站、供水管道及调蓄水库3个部分组成，设计供水流量为5.0m3/s[3]。

亳州加压站位于西淝河龙凤新河河口处，加压站抽水后沿龙凤新河向北将水送至亳州调蓄水库。输水管道全线长约32km，为DN2000的PCCP管，单管输水。

亳州城市供水管道工程输水距离较长，沿线阀井数量众多，但单体阀井内需要监测或控制的设备数量较少，数据的采集和上传是本工程自动化系统设计的重点和难点，也是工程管理单位在后期运行维护时关注的重点。

2 自动化系统设计

亳州地处淮北平原，本工程为典型的平原地区长距离输水工程。根据相关规范要求和本工程特点，输水管道沿线设置排水阀井、检修阀井、流量计井、调压塔井、空气阀井、出口阀门井等设施，为实现对管道及阀井内设备的运行状态监测，本工程设计了输水管道自动化系统，主要内容有：输水管道监测系统、视频监视系统、管道预警系统。

2.1 输水管道监测系统

2.1.1监测对象

管道工程监测系统监控对象主要有：排气阀井、检修井、双向调压塔、流量计井，管道的泄露、爆管等。管道沿线监测点情况见表1。

表1 管道沿线监测点统计

2.1.2系统结构

在32km输水管道沿线范围内共设置54处监控点，为保证系统的可靠性，主干网采用环形以太网。

本工程4处检修阀井和1处出口阀井沿输水管道均匀分布，故将检修阀井和出口阀井位置设置为汇聚点，用工业交换机将检修阀井前后监测点数据汇聚到该阀井，极大减少了全线网络传输通道，优化了监控系统的网络结构。管道监测系统拓扑图如图1所示。

2.1.3系统功能

(1)实现对现地各类监测传感器的实测数据自动采集和处理，对超出限值的数据发出越限报警信号并作记录。

(2)实现对检修井、出口阀门井电动阀门等设备的运行状态监测。

(3)实现对整个管道的泄露监测、定位及报警。

(4)实现对现地数据采集单元(DAU)同时巡测或单台巡测的控制。

(5)可显示监测系统的结构、监测点位置、过程曲线和报警状态等窗口。

(6)可在线打印实测数据和历史数据，并评估工程的运行状态。

(7)系统具有自诊断和自恢复功能。

2.2 输水管道视频监视系统

2.2.1监视对象

管道工程视频监视系统对输水管道沿线各流量计井、检修阀井、空气阀井、调压塔、出口阀门井等重要设施设备全天候的视频监控，一旦发生爆管或人为破坏等情况，迅速向加压站监控中心发出报警信息。同时本系统能与其它子系统进行报警联动，满足对安全管理的要求。

2.2.2系统结构

输水管道沿线视频监视系统分为前端感知(摄像头)、传输网络和中心控制系统。

输水管道沿线视频监视系统的监测信息通过交换机上传到亳州加压站视频监控系统，视频数据查看、管理、分析、存储统一由亳州加压站视频中心监控系统完成。

输水管道视频监视系统网络拓扑结构与管道监侧系统基本相同，主干网为环形以太网结构，并在4处检修阀井和1处出口阀井位置设置汇聚点，利用工业交换机将汇聚点前后的视频前端信息汇聚。管道视频监视系统拓扑图如图2所示。

图1 输水管道监测系统拓扑图

图2 输水管道视频监视系统拓扑图

2.2.3系统功能

(1)摄像机能适应现场照明条件，有效、清晰地获取图像。显示设备能清晰、稳定显示摄像机所采集的图像。

(2)具有远程浏览功能，用标准规约的以太网接口接入加压站视频监视系统，以C/S和B/S模式提供远程视频监视服务。授权用户可远程浏览管道视频监视系统的全部或者部分视频图像，也可对摄像机进行控制和操作。

(3)视频显示方式满足安全管理要求，能实时监视各监测点的情况。图像可设定为自动切换方式，即根据预定时间在预定显示设备上显示预定监控点的图像。

(4)监视图像上显示有监视画面编号、位置、时间、日期等信息。

(5)系统软件具有图像切换、分割显示功能；云台控制、预置位，镜头变倍变焦、光圈调节、图像参数调整等功能；视频录像、检索和回放功能；提供快放、慢放、单帧播放功能，可实现图像抓拍，放大等要求；具有开放的数据接口，能实现信息发布、报警联动功能；具有多个操作员密码，多个操作等级，满足不同操作人员的需求。

2.3 输水管道预警系统

2.3.1系统概述

对于长距离输水工程，当管道中发生泄露或其它破坏时，通常会影响城镇居民的生活和生产用水，社会影响较大。分布式光纤传感技术可有效提高对大型PCCP的管道泄漏、外界环境破坏等情况监测水平，预防管道事故发生，其系统定位精度小于3m，最长监测长度超过50km[3-4]。本工程设计1套分布式光纤管道预警系统，用来实时监测管道安全运行状态。

分布式光纤管道预警系统利用特种光纤构成输水管道的微振动传感器，铺设在输水管道外侧附近，可全线监测输水管道的漏损、爆管、PCCP管断丝、异常破坏产生的振动信号。当沿线管道因自身内部发生爆管或外力因素发生破坏时，管道周围产生的振动会被光纤传感器接收，并上传至计算机进行分析处理，能及时精确定位管道泄漏或遭到破坏位置，并发出报警信号。通过系统定位的故障点，工程运维人员能及时找到该管道进行维修或侵扰制止，能保证供水工程安全运行，有效控制管网漏损及外界侵害，防止事故继续扩大。

2.3.2系统结构

输水管道预警系统采用分布式体系结构，从层次结构划分，整个系统可以分为：监测传感层、数据采集层、网络传输层、监测应用及管理层等4个层次。预警系统结构图如图3所示。

(1)监测传感层

输水管道全线安装埋设分布式光纤传感器，通过光纤传感器感知管道的泄漏或周围振动情况。

(2)数据采集层

智能数据采集终端接收光纤传输的信号光源，通过数据采集单元对所连接的各类传感器进行信号采样、信号处理、数据转换、计算处理、数据存储等任务。

(3)网络传输层

网络传输层主要负责各数据采集装置与采集计算机间的信息传输与交互，实现监测数据的上传及测控指令的下达。智能采集终端与上位机之间采用光纤网络传输。

(4)应用及管理层

应用及管理层主要包括监控主机、数据服务器及监测信息管理软件等，负责对采集到的数据进行管理。主要包括数据采集、计算分析、监控预警、安全评估等。为运行管理部门提供决策支持。

2.3.3系统功能

泄漏与破坏同步监测：利用分布式光时域散射技术，探测管道故障点的振动和声纹信息，判断管道泄漏点或爆管位置。

自动实时检测：24小时实时在线监测输水管道周围的振动变化，当管道沿线某个点或多个点出现振动异常时，系统可立即定位报警，判断该处可能存在泄漏、开挖或施工破坏。

网络联动：当输水管道发生异常振动警报时，可根据需要联动声光报警、短信报警等功能，预警系统可将报警信息推送到运维人员手机上，同时还可以通过监测系统远程查看现场报警状态。

数据分析：系统可以有效监测管道中水锤效应和其他危害管道运行事件，为管理单位的运维提供决策支持。

图3 分布式光纤管道预警系统图

3 结语

本文根据亳州城市供水工程输水线路长，输水可靠性要求高等特点，结合现代传感器技术、视频监视技术、通信技术等，提出长距离管道输水工程自动化系统设计的方案，阐述了各子系统的结构和功能实现。通过监测管道沿线设备、视频监视、管道预警等方法，实现输水管道全线实时监测。

该自动化系统能大大减少管理单位巡检工作难度和强度，有效预防管道事故发生频率，提前预警；在管道发生故障后，能快速、精准定位故障点，为管道的安全和可靠运行提供有力的技术支撑和保障，对提高管道的自动化运行管理水平具有重要意义，同时为平原地区类似的长距离管道输水工程的自动化设计提供参考。