大型泵站機組自動控制流程設(shè)計與應(yīng)用

一、引言

某大型泵站有3 臺機組，采用臥式單級雙吸離心泵， 兩用一備，單臺工作設(shè)計流量10m3/s，單臺機組裝機容量4MW，泵站總裝機容量12MW，設(shè)計揚程55.81m，泵站出口為22km PCCP 輸水管線，并在PCCP 輸水管線上設(shè)置排氣閥井、排空閥井等，在沿線2#、8#、16#、18#、22#、25#空氣閥井處安裝壓力傳感器，通過GPRS 數(shù)據(jù)采集傳輸終端以無線方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至至監(jiān)控室，監(jiān)控室工作站實時對輸水壓力的動態(tài)監(jiān)測，保證輸水管線安全。

本文對某大型泵站機組控制流程進行設(shè)計，分別從機組設(shè)備運行的準(zhǔn)備條件、機組開機流程、機組停機流程（正常停機、故障停機、事故停機）等多種工況進行分析研究，對影響泵站運行安全影響因素進行分析，當(dāng)故障或事故觸發(fā)時，確保泵站經(jīng)濟損失降低到最小，保障泵站人員人身安全。

二、機組控制流程簡介

1.手動控制流程

在手動控制模式下，當(dāng)泵站進水前池水位、出水PCCP 管道沖水情況滿足要求后，檢查泵站機組聯(lián)動設(shè)備正常情況下，由泵站操作人員進行設(shè)備手動操作，自動化控制系統(tǒng)只進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測。

泵站機組處于手動控制時，泵站管理人員根據(jù)上級調(diào)度控制指令要求，安排操作人員去機組設(shè)備處和設(shè)備控制柜旁進行操控和監(jiān)視，按照設(shè)備操作順序要求執(zhí)行操作，并通過對講機進行互通和設(shè)備狀態(tài)信息反饋，帶來的后果就是設(shè)備狀態(tài)的滯后性，需要操作人員判斷設(shè)備是否正常啟動或停止，對聯(lián)動設(shè)備時間控制要求較高，手動控制非常不利。

2.自動控制流程

自動化控制模式下，需要提前在手動模式下完成對泵站內(nèi)機組設(shè)備和機組輔機設(shè)備調(diào)試，保證泵站內(nèi)控制設(shè)備工作正常，調(diào)試完成后切換各設(shè)備控制柜的轉(zhuǎn)換開關(guān)、工作站監(jiān)控系統(tǒng)軟件控制流程至自動化方式。

在自動控制模式下，泵站接收到上級調(diào)度控制指令時，監(jiān)控室操作人員檢查各機組設(shè)備和輔機設(shè)備狀態(tài)和機組是否滿足條件，操作人員通過工作站（上位機）啟動自動化控制流程，現(xiàn)地控制器（下位機）接收到工作站下發(fā)的控制指令，按照設(shè)定的開、停機流程順序執(zhí)行，并自動判斷設(shè)備的狀態(tài)反饋，直至流程結(jié)束。

泵站機組處于自動運行工況時，檢測到外部設(shè)備故障、信號丟失等突發(fā)情況，已影響泵站運行安全，現(xiàn)地控制器根據(jù)設(shè)定的自動停機流程，區(qū)分故障類型和危險等級，自動進入故障停機流程或事故停機流程。

三、自動開機流程設(shè)計

1.開機流程準(zhǔn)備

泵站機組開機流程，需提前檢查機組流程相關(guān)控制設(shè)備，滿足開機條件。具體關(guān)聯(lián)的主要設(shè)備有：機組控制柜遠方、機組高壓斷路器出線柜、機組軟啟動器柜、稀油站油冷卻設(shè)備、技術(shù)供水系統(tǒng)和設(shè)備、水泵進出口蝶閥、緩閉蝶閥，以及溫度、壓力、水位傳感器等一系列設(shè)備，在開機之前需要檢查確保設(shè)備狀態(tài)良好，機組溫度、壓力、水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且符合實際設(shè)備工況。

2.開機流程設(shè)計

在開機流程設(shè)計過程中，在對機組關(guān)聯(lián)設(shè)備進行檢查，并對各設(shè)備的性能特點、控制工藝進行分析，泵站屬于高揚程，運行工藝要求比較復(fù)雜，工藝上需要先啟動機組電機運行，出口壓力滿足要求后再打開出口緩閉蝶閥。參照實際泵站控制工藝要求，最終經(jīng)多次試驗并論證測試，開機流程如圖1。

圖1 開機流程圖

機組開啟控制流程如下：

（1）檢查機組自動流程開機條件是否滿足，泵站前池水位符合開機最低水位，機組各設(shè)備參數(shù)、信號采集正常、準(zhǔn)確，機組開機流程啟動條件滿足，監(jiān)控系統(tǒng)上輸出機組開啟條件滿足。

（2）經(jīng)操作人員確認(rèn)后，現(xiàn)地控制器按照設(shè)定的啟動流程執(zhí)行程序。首先打開技術(shù)供水泵、稀油站系統(tǒng)，提前打開機組輔機設(shè)備，保證機組水系統(tǒng)、油系統(tǒng)工作正常，機組運行時進行水循環(huán)、油循環(huán)降溫，避免機組溫度超高損害設(shè)備。

（3）打開水泵進水口蝶閥，做好機組合閘前準(zhǔn)備工作。

（4）機組輔機設(shè)備包括技術(shù)供水系統(tǒng)、油系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，打開水泵進出口蝶閥，此時現(xiàn)地控制器根據(jù)開機流程自動合閘機組高壓斷路器，軟啟動器接收到合閘信號后，軟啟動器自動合閘投入運行，此時機組的電機、水泵已投入運行。

（5）此泵站揚程較高，工藝要求需要閉閥啟動（先開泵，再開閥），水泵出口壓力滿足設(shè)計規(guī)定要求后，打開緩閉蝶閥直至全開，至此機組自動開機流程結(jié)束。

（6）開機流程完成后，實時監(jiān)測泵站內(nèi)水位、流量、壓力等數(shù)據(jù)，以及機組運行參數(shù)如溫度、振動、電力數(shù)據(jù)等是否正常，操作人員還需實時監(jiān)測PCCP 管道上的壓力數(shù)據(jù)。

四、自動停機流程設(shè)計

泵站停機流程主要分為三種工況：正常停機、故障停機、事故停機。其中正常停機最安全，對設(shè)備損害最小，故障停機其次，事故停機對設(shè)備損害最大。經(jīng)多次仿真模擬進行停機試驗發(fā)現(xiàn)，此泵站由于揚程較高，需要先關(guān)閥再停機組，但此時管道會憋壓，管道壓力會急劇上升，當(dāng)管道內(nèi)壓力超過管道設(shè)計最大承受壓力時會爆管，為了保證泵站長期穩(wěn)定、安全運行，考慮在機組停機前，先開啟調(diào)流閥即從調(diào)流閥管道內(nèi)泄水，避免機組停止時管道內(nèi)壓力無處泄放。初期正常停機流程未考慮提前打開調(diào)流閥，導(dǎo)致系統(tǒng)運行具有一定風(fēng)險性，經(jīng)多次論證后正常停機流程如圖2。

圖2 正常停機流程圖

1.正常停機流程設(shè)計

（1）機組在正常運行時，且各個設(shè)備運行正常，接收到調(diào)度停機指令時并執(zhí)行，此時進入正常停機流程。

（2）現(xiàn)地控制器接收到停機指令后，首先打開調(diào)流閥至11%，經(jīng)多次試驗測試論證，調(diào)流閥不能一次性打開至11%，避免調(diào)流閥管道壓力增加太快，損害調(diào)流閥管道。調(diào)流閥打開分三階段進行：第一階段，調(diào)流閥從全關(guān)打開至5%后，并停止30s；第二階段，調(diào)流閥從5%打開至8%，并停止30s；第三階段，調(diào)流閥從8%打開至11%。

（3）調(diào)流閥打開至11%后，關(guān)閉水泵出口緩閉蝶閥直至全關(guān)，此時水泵已無出水口，但水泵和電機一直在運行。

（4）出口緩閉蝶閥全關(guān)后，此時停止高壓軟啟動器和分機組出口斷路器，泵站出口PCCP 管道內(nèi)水通過調(diào)流閥管道泄放，避免爆管和水錘，機組電機設(shè)備和水泵停止穩(wěn)定后，正常關(guān)閉水泵進出口蝶閥。

（5）調(diào)流閥管道泄壓穩(wěn)定后，按規(guī)定流程關(guān)閉調(diào)流閥：第一階段調(diào)流閥從11%關(guān)閉至8%，并停止30s；第二階段調(diào)流閥從8%關(guān)閉至5%，并停止30s；第三階段調(diào)流閥從5%關(guān)閉至0%。

（6）關(guān)閉稀油站、技術(shù)供水泵，自動關(guān)閉機組輔機設(shè)備，到此停機流程設(shè)計結(jié)束。

（7）停機流程完成后，需檢查機組設(shè)備狀態(tài)是否需要保養(yǎng)、維修，傳感器等設(shè)備是否有損壞等。

2.故障停機流程設(shè)計

現(xiàn)地控制器實時動態(tài)監(jiān)測機組各個設(shè)備的運行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電機傳感器溫度超高，或者輔機系統(tǒng)如技術(shù)供水泵故障時，機組若繼續(xù)運行可能會損毀機組相關(guān)設(shè)備，為了將保證系統(tǒng)的安全性，現(xiàn)地控制器自動執(zhí)行故障停機并報警顯示，故障停機流程設(shè)計和正常停機流程相同，不需要操作人員干預(yù)自動執(zhí)行。

3.事故停機流程設(shè)計

當(dāng)泵站外部供電10kV 線路發(fā)生波動導(dǎo)致機組斷路器跳閘失電，或高壓斷路器柜發(fā)生故障，都會導(dǎo)致機組立刻停止，此時若不及時采取措施，水泵和機組由于水外力作用可能反轉(zhuǎn)運行，也容易形成水錘。因為當(dāng)機組突然停止運行，水的流速突然發(fā)生變化，由于壓力水流的慣性產(chǎn)生水流沖擊波，此時出口PCCP 輸水有壓管道就像被錘子敲打一樣，此種現(xiàn)象稱為水錘。PCCP 管道內(nèi)水失去水壓力，水從高處自動倒流，流量的急劇變化將在管道內(nèi)引起壓強過高或過低的沖擊，以及出現(xiàn)“空化”現(xiàn)象。水錘效應(yīng)有極大的破壞性：壓強過高，將引起管子的破裂，更有甚者水泵反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超過飛逸轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致整個水泵機組設(shè)備飛逸。

考慮機組發(fā)生事故后果的嚴(yán)重性，現(xiàn)地控制器實時動態(tài)監(jiān)測機組運行狀態(tài)，監(jiān)測高壓供配電線路和設(shè)備，當(dāng)發(fā)現(xiàn)機組出口斷路器失電、跳閘等事故時，自動執(zhí)行機組事故停機流程。此時現(xiàn)地控制同時執(zhí)行停止高壓軟啟動器、關(guān)閉出口緩閉蝶閥、打開調(diào)流閥至11%，將機組事故停機造成的損失降到最低，事故停機流程與正常停機流程相同。

四、總結(jié)

人工操作模式下機組設(shè)備出現(xiàn)故障停機、事故停機工況，由于時間的滯后性，操作人員難以及時對緊急事件進行處理，最終都會帶來不可估量損失。該泵站對機組設(shè)備采用自動控制流程，泵站機組全部采用自動開機和自動停機。當(dāng)出現(xiàn)機組相關(guān)設(shè)備故障、外部電力跳閘等工況時，現(xiàn)地控制器監(jiān)測到故障、事故信號，自動執(zhí)行故障停機流程、事故停機流程，避免造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。自動化控制操作減少了人力資源投入，也提高了系統(tǒng)的安全性。此泵站多次出現(xiàn)外部電力線路跳閘事故，現(xiàn)地控制器可立刻收到事故信號，并及時執(zhí)行故障或事故關(guān)機流程，給泵站安全運行增加了保障措施■