劉勇
(成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610023)
本文以筆者參加成都市高新區(qū)、天府新區(qū)一批排水泵站(提標(biāo)改造、新建)為例,結(jié)合多年泵站電氣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及類(lèi)似項(xiàng)目評(píng)審經(jīng)驗(yàn),綜合運(yùn)維單位反饋意見(jiàn)等,探索排水泵站電氣設(shè)計(jì)中關(guān)于供電電源、負(fù)荷計(jì)算、設(shè)備選型、控制方式等方面的解決思路。
成都市主城區(qū)排水泵站主要分為3類(lèi):下穿隧道配套泵站、下沉式道路配套泵站、城市低洼區(qū)域防澇排水泵站。本次下穿隧道(下沉式道路)配套泵站提標(biāo)改造工程,分為單純電氣系統(tǒng)改造、電氣系統(tǒng)改造加監(jiān)控系統(tǒng)完善兩種類(lèi)型;區(qū)域防澇排水泵站為新建。
由于城市排水泵站中排水泵采用低壓電機(jī)占絕大多數(shù),本文相關(guān)內(nèi)容均指采用低壓電機(jī)泵站,不含6/10kV中壓電機(jī)泵站。
本次主城區(qū)提標(biāo)改造的多座排水泵站電源狀況基本分為以下4類(lèi),如表1所示。除因排水泵功率增加,電源擴(kuò)容外,為增強(qiáng)供電的可靠性同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性、實(shí)施難度,對(duì)二、四類(lèi)電源予以改造。
表1 排水泵站的電源型式
城市排水泵站負(fù)荷等級(jí)按《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021)、《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 120—2018)執(zhí)行,兩本標(biāo)準(zhǔn)要求基本一致,即普通的排水泵站按二級(jí)負(fù)荷考慮,特別重要的排水泵站按一級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)[1-2]。
對(duì)類(lèi)型二,本次改造增加柴油發(fā)電機(jī)接口,類(lèi)型四主要為少數(shù)建設(shè)較早的泵站,由于多種原因暫無(wú)法解決雙電源及固定柴油發(fā)電機(jī),只得在汛期配置移動(dòng)柴油發(fā)電車(chē)的方式,但造成運(yùn)維不便,本次改造擬增加一路市電或設(shè)置固定柴油發(fā)電機(jī),改造為類(lèi)型二或類(lèi)型三。
筆者建議新建排水泵站電氣設(shè)計(jì)中有土建條件設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)房時(shí),宜優(yōu)先采用市電加柴油發(fā)電機(jī)的供電方案,不具備條件時(shí)采用兩路市電的供電方案,但此時(shí)應(yīng)預(yù)留柴油發(fā)電機(jī)快速接口,理由如下:①排水不暢、區(qū)域積水造成的社會(huì)影響大,城市管理部門(mén)對(duì)防洪排澇比較重視,汛期各排水泵站基本有人值守,具備管理柴油發(fā)電機(jī)的人員條件。②排水泵站的年運(yùn)行時(shí)間短,集中在汛期短時(shí)運(yùn)行,采用柴油發(fā)電機(jī)做為備用電源經(jīng)濟(jì)上可行。③正常運(yùn)維的柴油發(fā)電機(jī)安全、可靠、可控,技術(shù)上可行。
1.2.1 下穿隧道(下沉式道路)排水泵站
根據(jù)成都市主城區(qū)下穿隧道(下沉式道路)排水泵站信息調(diào)查顯示,泵站裝機(jī)功率大致在66~800kW之間,所配變壓器容量約125~1000kVA,總體裝機(jī)功率不大。受進(jìn)水管網(wǎng)、結(jié)構(gòu)滲漏水、集水池容積等影響,排水泵在非雨季的啟用頻率約一天兩次至十天一次,一次約幾分鐘,此類(lèi)泵站變壓器為泵站所有設(shè)備供電,非檢修時(shí)變壓器均帶電運(yùn)行。
1.2.2 低洼區(qū)域防洪排水泵站
對(duì)僅汛期使用防洪排水泵站,負(fù)荷季節(jié)特征明顯,類(lèi)似于建筑工程中冷水機(jī)組等季節(jié)性負(fù)荷。當(dāng)?shù)蛪貉b機(jī)容量較大時(shí),變壓器自身的損耗已接近或超過(guò)泵站日常用電負(fù)荷時(shí),宜單獨(dú)設(shè)排水泵用變壓器,另設(shè)小容量站用變?nèi)粘J褂茫潘糜米儔浩髌綍r(shí)停用,汛期啟用,以降低變壓器損耗造成的泵站運(yùn)行成本。如筆者參與設(shè)計(jì)的某防洪排水泵站,設(shè)200kW灌流泵八臺(tái),配2000kVA變壓器兩臺(tái),一用一備,平時(shí)停用,汛期啟用;泵站另設(shè)兩天63kVA柜內(nèi)站用變供泵站日常使用。
水泵電機(jī)常見(jiàn)的啟動(dòng)方式有全壓?jiǎn)?dòng)或降壓?jiǎn)?dòng)。雖然全壓?jiǎn)?dòng)最為簡(jiǎn)單可靠,但綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等指標(biāo)并不是排水泵站的最優(yōu)選擇。
排水泵站負(fù)荷單一,使用頻率低,采用全壓直接啟動(dòng)對(duì)變壓器、柴油發(fā)電機(jī)容量要求較高,導(dǎo)致泵站初期投資大,變壓器長(zhǎng)期負(fù)載率低,損耗偏大,泵站運(yùn)行成本偏高。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展,降壓電子軟啟動(dòng)器以其適應(yīng)面廣、保護(hù)功能完善,得到大量應(yīng)用,筆者認(rèn)為其對(duì)負(fù)荷單一的排水泵站較為適合。通過(guò)成都市下穿隧道(下沉式道路)配套泵站信息調(diào)查顯示,排水泵基本采用降壓電子軟啟動(dòng),運(yùn)維單位經(jīng)過(guò)多年的使用,也側(cè)面證實(shí)其可靠性,僅在少數(shù)早期建設(shè)泵站,為節(jié)省投資,采用一控二、一控三軟啟動(dòng)器,但后期為增強(qiáng)其可靠性,均調(diào)整為一控一。
當(dāng)排水泵站與其他建(構(gòu))筑合建,如規(guī)模較大的地下道路時(shí),排水泵在整個(gè)負(fù)荷容量中占比不高時(shí),有條件直接啟動(dòng)應(yīng)優(yōu)先采用直接啟動(dòng),更為簡(jiǎn)單可靠。
采用軟啟動(dòng)器時(shí)建議裝設(shè)外置旁路接觸器,當(dāng)軟啟故障時(shí),如有必要可切除故障的軟啟動(dòng)器,電機(jī)直接啟動(dòng),旁路接觸器可按AC-3工作制選用。軟啟動(dòng)器應(yīng)帶過(guò)熱、過(guò)載、缺相等保護(hù)功能,該功能在旁路時(shí)應(yīng)仍能維持。
當(dāng)排水泵總?cè)萘拷咏儔浩魅萘繒r(shí),應(yīng)核算變壓器高壓側(cè)斷路器整定值與低壓側(cè)斷路器整定值的匹配性,避免越級(jí)跳閘。通常變壓器低壓側(cè)出口斷路器整定值由設(shè)計(jì)單位或用戶(hù)確定,常按有利于設(shè)備運(yùn)行整定,而高壓側(cè)通常由供電部門(mén)確定,常按有利于故障切除,一般變壓器最大的負(fù)荷電流。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)整定值不當(dāng)時(shí),會(huì)造成變壓器高負(fù)載或滿(mǎn)載時(shí)越級(jí)跳閘。
給水排水工程中常用的液位計(jì)有電容式液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)。
電容式液位計(jì)不受真空、壓力、溫度等環(huán)境條件的影響,可測(cè)量強(qiáng)腐蝕性、高溫高壓介質(zhì)、密閉容器的液位[3],常用于石化、冶金、造紙等行業(yè)液位測(cè)量。
靜壓式液位計(jì)分為桿式、纜式,桿式適合液面擾動(dòng)大及腐蝕性液體液位測(cè)量,纜式適合深井[3]。城市排水泵站由于用電原因,集水池尺寸均較為緊湊,水泵運(yùn)行對(duì)水面影響大;汛期水池中常用漂浮物,泡沫等,將纜式靜壓液位計(jì)裝于防波管中,測(cè)量誤差小,運(yùn)行可靠,是城市排水泵站較理想的液位測(cè)量裝置。
超聲波液位計(jì)由于汛期集水池中有固體漂浮物或泡沫,會(huì)造成超聲波液位計(jì)的可靠性降低,同時(shí)價(jià)格相對(duì)于偏高,在排水泵站中應(yīng)用不多。
雷達(dá)液位計(jì)由于價(jià)格高在排水泵站中應(yīng)用少。
早期建設(shè)的排水泵站部分采用浮球(筒)液位計(jì),由于集水池中偶有塑料袋、棉麻或人工纖維等雜物卡堵在浮筒和導(dǎo)管之間,造成浮筒浮動(dòng)困難導(dǎo)致液位計(jì)失效,此類(lèi)液位計(jì)在排水泵站中已基本淘汰。
綜上比較,靜壓式液位計(jì)是城市排水泵站中比較適合的液位計(jì)。
筆者參與改造的排水泵站中,泵站雖已實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)運(yùn)行,但部分泵站現(xiàn)場(chǎng)無(wú)水位顯示裝置,給調(diào)試、運(yùn)維帶來(lái)諸多不變。建議當(dāng)泵站旁有可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)觸摸屏?xí)r,可將液位信號(hào)在觸摸屏顯示,否則應(yīng)選用帶顯示功能的分體式液位計(jì),將液位顯示裝置設(shè)置于便于觀察巡檢的位置。
早期建設(shè)的排水泵站有的采用液位控制器、電機(jī)保護(hù)器對(duì)排水泵進(jìn)行自動(dòng)控制,但由于其通用性、拓展性不強(qiáng)、通信協(xié)議不一,在排水泵站的提升改造中已基本被PLC控制器替代,PLC優(yōu)勢(shì)如下。
(1)產(chǎn)品模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用性強(qiáng),工作穩(wěn)定可靠、拓展、替換方便[4],可降低運(yùn)維單位成批量管理的泵站運(yùn)維成本。
(2)接口豐富,可監(jiān)測(cè)水位、電機(jī)狀態(tài)、重要供電回路開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流電壓參數(shù)、大型水泵電機(jī)軸溫繞組溫度、大型泵組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)、泵房的環(huán)境監(jiān)測(cè)等。
(3)便于組網(wǎng)、集中管理,以及強(qiáng)大的組態(tài)軟件定制開(kāi)發(fā)。采用有線/無(wú)線方式集中組網(wǎng),上傳設(shè)備狀態(tài),分析設(shè)備故障原因,通過(guò)人工智能(artificial intelligence,AI)算法實(shí)現(xiàn)有損部件的使用壽命預(yù)測(cè),合理安排備品備件,實(shí)現(xiàn)前瞻性維護(hù)。對(duì)設(shè)備狀態(tài)變化的趨勢(shì)性分析,提出設(shè)備運(yùn)行的優(yōu)化策略等,對(duì)城市泵站群的高效管理極為有利。
如本次改造的天府新區(qū)泵站,在隧道、下沉式道路低點(diǎn)設(shè)置電子水尺,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道積水狀況,其信號(hào)接入PLC,驅(qū)動(dòng)入口處可變情報(bào)板,實(shí)現(xiàn)積水監(jiān)測(cè)與報(bào)警,聯(lián)動(dòng)路口交通信號(hào)燈。
故建議排水泵站采用PLC控制,根據(jù)泵站的重要程度、監(jiān)控設(shè)備數(shù)量、組網(wǎng)需求等因素綜合確定PLC的性能參數(shù)選型指標(biāo)。
筆者參與泵站改造設(shè)計(jì)及泵站評(píng)審項(xiàng)目中,部分項(xiàng)目水泵電機(jī)的保護(hù)欠完善,以下3種保護(hù)常被忽視。
4.3.1 潛水電機(jī)漏液報(bào)警
潛水泵長(zhǎng)期浸泡水中,需在接線室、定子室設(shè)置濕度傳感器,一旦水分超標(biāo),需及時(shí)停機(jī)、輸出故障信號(hào)。通常需排水專(zhuān)業(yè)在設(shè)計(jì)文件(或招標(biāo)文件)中予以明確“由潛水泵廠家配套潛泵電機(jī)保護(hù)裝置”,電氣專(zhuān)業(yè)核實(shí)潛泵電機(jī)保護(hù)裝置的輸出信號(hào)種類(lèi),及相關(guān)控制邏輯,將保護(hù)信號(hào)接入潛水泵控制相關(guān)回路,作用于報(bào)警及停機(jī)。
4.3.2 中大型電機(jī)繞組、軸溫監(jiān)測(cè)
當(dāng)水泵電機(jī)功率較大時(shí),為了顯示水泵軸承的實(shí)時(shí)溫度狀況,需在電動(dòng)機(jī)定子鐵心繞組A、B、C三相分別嵌設(shè)一只溫度傳感器,作為超溫時(shí)停機(jī)的檢測(cè)元件。一般采用PT100熱電阻傳感器,但其信號(hào)不能直接接入PLC標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸入(analog input,AI)模塊,可采用以下3種方式接入:①選用可接PT100的PLC專(zhuān)用模塊。②增加變送器,信號(hào)轉(zhuǎn)換后再接入PLC標(biāo)準(zhǔn)AI模塊。③選用選用專(zhuān)門(mén)的溫度巡檢儀接入熱電阻信號(hào),再由溫度巡檢儀接入PLC。測(cè)溫元器件的需求由工藝專(zhuān)業(yè)在排水泵設(shè)計(jì)、招標(biāo)文件中明確,電氣、自控專(zhuān)業(yè)配合,完成中大型電機(jī)繞組、軸溫測(cè)溫監(jiān)控。
4.3.3 低液位停機(jī)保護(hù)
正常情況排水泵站根據(jù)水位自動(dòng)運(yùn)行,但在液位計(jì)故障或信號(hào)失效時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致水泵低水位空轉(zhuǎn),為避免這種情況,建議設(shè)置液位開(kāi)關(guān),水位過(guò)低時(shí),液位信號(hào)直接作用于停機(jī)。
一搬下穿隧道(下沉式道路)配套泵站水泵電機(jī)總功率不大,基于用地、景觀等考慮,采用箱變供電較為普遍,變壓器容量一般超過(guò)800kVA時(shí)[5],更大容量的變壓器應(yīng)考慮設(shè)置變配電房。
筆者建議當(dāng)采用箱變供電時(shí),水泵控制的一次元器件(斷路器,接觸器,軟啟動(dòng)器等)可設(shè)置于就地控制柜中。泵站設(shè)置變配電房時(shí),室內(nèi)環(huán)境較好且便于運(yùn)維,建議水泵控制的一次元器件設(shè)置于低壓柜中,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的就地控制箱。但無(wú)論一次元器件設(shè)置于何處,水泵旁應(yīng)設(shè)置就地控制裝置。
泵站改造項(xiàng)目中,部分水泵控制柜常由廠家配套,當(dāng)缺乏設(shè)計(jì)文件或招標(biāo)文件約束時(shí),控制柜元器件組成,柜內(nèi)主回路、控制與保護(hù)功能不太規(guī)范。
筆者建議,設(shè)計(jì)單位應(yīng)按規(guī)范對(duì)廠家配套的控制柜提出約束性要求,如外觀類(lèi):柜體材質(zhì)尺寸,防護(hù)等級(jí),按鈕、指示燈、手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)安裝位置,測(cè)量表計(jì)等;柜內(nèi)元器件組成類(lèi):隔離電器、短路保護(hù)、進(jìn)線浪涌保護(hù)、電機(jī)控制器、通訊接口等,以確保功能完整,使用安全。
目前多數(shù)的排水泵站由PLC控制,基本可以實(shí)現(xiàn)泵站內(nèi)設(shè)備的監(jiān)控。但總體來(lái)說(shuō),功能較單一,距離智慧化運(yùn)維尚有差距。建議在設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)泵站的重要程度,投資等綜合評(píng)估,對(duì)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、快速組態(tài)、應(yīng)用場(chǎng)景、數(shù)據(jù)庫(kù)等做出有一定控制性要求,并結(jié)合地區(qū)運(yùn)維管理需求,盡可能標(biāo)準(zhǔn)化,通用化,如平時(shí)、汛期多臺(tái)水泵的運(yùn)行分析,輪換控制策略,通過(guò)設(shè)備故障分析實(shí)現(xiàn)前瞻性維護(hù),實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)可視化等,讓排水泵站成為智慧排水乃至智慧水務(wù)的有機(jī)組成部分。
建議排水泵站備用電源有條件時(shí)選擇柴油發(fā)電機(jī),水泵啟動(dòng)采用一控一外置旁路電子軟啟動(dòng)器,變壓器負(fù)載率較高時(shí)需統(tǒng)籌高低壓側(cè)保護(hù)的協(xié)調(diào)性,液位計(jì)選用帶液位顯示的纜式靜壓液位計(jì),控制器選用PLC,水泵電機(jī)應(yīng)按規(guī)范設(shè)置相應(yīng)的電機(jī)保護(hù)裝置,應(yīng)設(shè)置水泵就地控制裝置,對(duì)廠家配套設(shè)備或需集成商二次開(kāi)發(fā)的軟件應(yīng)有較完善的約束性要求。