浮塢式泵站的無人值守控制系統(tǒng)分析研究

周 成，金黎明

（貴州省水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550081）

1 概況

黃家灣水利樞紐貓營(yíng)提水工程屬于工業(yè)供水項(xiàng)目,貓營(yíng)提水工程所屬的板貓浮塢泵站設(shè)計(jì)需要將水從1037.5 m 提至1170 m 高程后接入蓄水池,再通過供水工程球墨鑄鐵管雙管送到達(dá)園區(qū)1137 m 高程的高位水池。工況泵站工作凈揚(yáng)程約為135 m,輸水管線平均坡度39°,管道總長(zhǎng)度約212 m,提水高程為1035 m～1170 m,提升泵站設(shè)計(jì)及機(jī)電設(shè)備安裝中,設(shè)計(jì)采用浮塢式取水方式,浮塢泵站設(shè)備包含浮塢、耐磨式多級(jí)水泵、智能一體化電動(dòng)閥門、緩閉式止回閥、輸水管路、電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)及配套監(jiān)測(cè)監(jiān)控儀器儀表、船舾設(shè)備、消防設(shè)施、救生系統(tǒng)、警示系統(tǒng)等單元,配置水泵電機(jī)功率為3×900 kW 的水泵。

泵站位于黃家灣水庫(kù)庫(kù)尾羅家灣下游位置,屬狹長(zhǎng)地帶,泵站設(shè)計(jì)為浮塢式設(shè)備布置安裝,基于實(shí)際條件泵站需實(shí)現(xiàn)無人值守設(shè)計(jì),本文著重就泵站的管路設(shè)備參數(shù)選型、儀器儀表參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算、啟停泵的工藝流程設(shè)計(jì)等分析研究,結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際實(shí)施情況分析,為類似設(shè)備布置方式無人值守自動(dòng)化泵站項(xiàng)目提供參考。

2 系統(tǒng)設(shè)備布置情況

2.1 管路設(shè)備布置

管路設(shè)備主要包括泵前設(shè)置的進(jìn)水電動(dòng)閥和吸水管道,泵后依次設(shè)置水泵出水電動(dòng)閥、緩閉式止回閥、管路選擇閥門、柔性主管路段、主管路、高位水池拍門等設(shè)備,水泵正常啟動(dòng)后水經(jīng)水泵按照選擇管路提水至高位水池進(jìn)入自流管網(wǎng)完成輸配水。

2.2 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備

本文所列的自動(dòng)化系統(tǒng)不包括水泵的啟動(dòng)柜,主要包括自動(dòng)化系統(tǒng)可編程控制柜、閥門的電動(dòng)執(zhí)行器、庫(kù)面水位傳感器、負(fù)壓傳感器、正壓傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、高位水池水位傳感器、電磁流量計(jì)等設(shè)備。 系統(tǒng)可編程控制器采用西門子1500 系列控制單元,可編程控制柜采集水位、壓力、閥門工作狀態(tài)及水泵控制柜狀態(tài)根據(jù)程序設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行,并進(jìn)行故障報(bào)警,自動(dòng)切換運(yùn)行等,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、無人值守、就地自動(dòng)、就地檢修（調(diào)試）四種工作方式；故障情況時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)停止運(yùn)行,并輸出報(bào)警；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量、水位、出水壓力、電機(jī)溫度、電動(dòng)閥門的的狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)；提供歷史數(shù)據(jù)及曲線查詢；泵站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置有以太網(wǎng)及RS485 通信接口,便于實(shí)現(xiàn)與大系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

3 主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 管路系統(tǒng)壓力設(shè)計(jì)

式中：P 為管路系統(tǒng)運(yùn)行壓力值,MPa；H 為實(shí)際泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程,m；L 為輸水管線總長(zhǎng)度；N 為管路壓力損失均值,一般?。?.05～0.08）MPa/100 m。

根據(jù)上式計(jì)算可得管路運(yùn)行壓力P=1.52 MPa。

水泵揚(yáng)程的選擇一般取運(yùn)行計(jì)算壓力值的1.15～1.25 倍,此處取1.2 倍,水泵揚(yáng)程確定如下：

水泵選擇183 揚(yáng)程,啟泵后打開出水閥前,出口壓力最大約為1.83 MPa。

3.2 負(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

泵站采用離心式多級(jí)耐磨泵,啟泵前采用真空泵進(jìn)行管路抽真空,真空泵最大氣量計(jì)算公式：

式中：Q 為真空泵最大氣量,m3/min；L1為泵前水平段管長(zhǎng),m；L2為泵前垂直段距水面管長(zhǎng),m；T 為抽真空工作時(shí)間,一般設(shè)計(jì)為30 s～60 s；r 為泵前管道半徑,m；n 為真空泵工作平均效率,一般取0.6～0.8。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝情況及設(shè)計(jì)流量要求,本項(xiàng)目泵前水平段管道L1=2.5 m；泵前垂直管道距水面L2=3.5 m；管道選口徑DN600 即r=0.3 m；n 為真空泵工作平均效率,取0.7。

若真空泵工作時(shí)間要求為30 s；則真空泵最大進(jìn)氣量Q1=4.8 m3/min；若真空泵工作時(shí)間要求為60 s；則真空泵最大進(jìn)氣量Q2=2.4 m3/min。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)計(jì)算選擇功率為5.5 kW,設(shè)計(jì)最大氣量為3.83 m3/min 的水環(huán)真空泵,用于系統(tǒng)氣泵抽真空,抽真空運(yùn)行時(shí)間T=38 s。垂直管道距離水面距離為3.5 m,啟泵負(fù)壓值理論應(yīng)為-0.03 MPa～-0.035 MPa,真空泵工作時(shí)間約為38 s。

3.3 電動(dòng)閥門開關(guān)時(shí)間計(jì)算

本項(xiàng)目單臺(tái)水泵設(shè)置泵前DN600 電動(dòng)閥門一臺(tái),水泵出水閥為DN400 一臺(tái),管路選擇閥DN400 兩臺(tái),電動(dòng)閥門選擇智能一體化閥門驅(qū)動(dòng)裝置與系統(tǒng)進(jìn)行RS485 通訊,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制,電動(dòng)閘閥的打開關(guān)閉時(shí)間計(jì)算如下：

式中：t 為閥門打開時(shí)間,s；L 為閘閥開關(guān)行程,mm；C 為螺桿頭數(shù),單頭取1,雙頭取2；R 為電動(dòng)執(zhí)行器的額定輸出轉(zhuǎn)速,r/min。

DN400 電動(dòng)閘閥開關(guān)時(shí)間t=125 s；DN600 電動(dòng)閘閥開關(guān)時(shí)間t=150 s。

3.4 自動(dòng)化系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)配置表

表1 CW-25E 無人機(jī)性能參數(shù)

4 運(yùn)行情況分析

系統(tǒng)可根據(jù)程序設(shè)定條件自動(dòng)開啟、停止水泵的運(yùn)行,對(duì)運(yùn)行中的各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,同時(shí)通過接口將數(shù)據(jù)上傳至地面服務(wù)器,系統(tǒng)可智能判斷工作狀態(tài),故障臨停,解除故障自動(dòng)投入預(yù)定程序運(yùn)行。

4.1 啟泵過程分析研究

系統(tǒng)接受“啟泵”信號(hào)后,智能巡檢各設(shè)備工作狀態(tài),開啟泵前進(jìn)水閥門,系統(tǒng)接收到泵前進(jìn)水閥開到位信號(hào)及泵后出水閥關(guān)到位信號(hào)后“打開真空泵”進(jìn)行抽真空泵腔吸水。在設(shè)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)水泵負(fù)壓值達(dá)到設(shè)定要求后系統(tǒng)給水泵啟動(dòng)柜發(fā)出“啟動(dòng)水泵”信號(hào),水泵啟動(dòng),在壓力傳感器識(shí)別水泵完成啟動(dòng)后的設(shè)定壓力值后“打開泵后閥門”實(shí)現(xiàn)提水至高位水池,系統(tǒng)在接收到泵后閥門開到位信號(hào)及流量傳感器輸出的預(yù)定流量范圍值后“完成水泵啟動(dòng)”,在運(yùn)行過程中各傳感器及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并傳送至上位監(jiān)控系統(tǒng)識(shí)別并存儲(chǔ)。

根據(jù)本項(xiàng)目在調(diào)試、試運(yùn)行過程實(shí)際工作情況看,“啟泵”過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：電動(dòng)閥門的到位必須與閥門實(shí)際情況一致,關(guān)閉閥門需實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉,以免系統(tǒng)工作中抽真空故障導(dǎo)致無法啟動(dòng)；抽真空負(fù)壓值啟動(dòng)條件,在設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)上,需根據(jù)實(shí)際天使情況進(jìn)行調(diào)整；出水池液位監(jiān)測(cè)需根據(jù)實(shí)際投入運(yùn)行后水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的1.2～1.3 倍設(shè)置高位水池水位保護(hù)報(bào)警停機(jī)值設(shè)置,以免高位水池水位故障引起頻繁故障報(bào)警。若電動(dòng)閘閥打開后一定時(shí)間內(nèi)水泵壓力未達(dá)到設(shè)定值（一般是因?yàn)樗没蛏纤苈仿鈱?dǎo)致）系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)停止水泵運(yùn)行并關(guān)閉電動(dòng)閘閥同時(shí)報(bào)警。

4.2 停泵過程分析研究

當(dāng)系統(tǒng)接受“停止”信號(hào)后,可編程控制柜首先給“泵后出水閥”發(fā)出“關(guān)閥指令”,在接收到“關(guān)到位”信號(hào)后,系統(tǒng)發(fā)出“水泵停止信號(hào)”,水泵停止運(yùn)行、最后關(guān)閉進(jìn)水電動(dòng)閥門,完成“停泵”。

停泵過程的關(guān)鍵流程是防止“水錘效應(yīng)”對(duì)泵及系統(tǒng)造成破壞,在停泵指令執(zhí)行過程中,先關(guān)閉出水閥,再停止水泵運(yùn)行,可有效防止“水錘效應(yīng)”的破壞,在系統(tǒng)臨時(shí)斷電狀況下則由泵后設(shè)置地緩閉式止回閥進(jìn)行有效降低水錘效應(yīng)。

4.3 監(jiān)測(cè)與保護(hù)功能

水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與保護(hù)信號(hào)主要包括高位水池水位、管路流量、真空壓力、水泵壓力、電機(jī)電流電壓、泵軸溫度、電機(jī)外殼溫度、泵振動(dòng)等。

1）浮塢水位檢測(cè)：選用GUY10（A）型水位監(jiān)測(cè)儀表,動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)水水位,水位傳感器將采集水位信號(hào),送至控制系統(tǒng)可編程控制單元,并由控制單元送至現(xiàn)地地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。選用水位控制器,當(dāng)水位控制器檢測(cè)到了水位高限、水位低限后進(jìn)行報(bào)警輸出,由于本項(xiàng)目為浮塢式泵站正常工作情況下,水位應(yīng)相對(duì)固定,水位超限應(yīng)故障停泵,報(bào)警輸出,提示工作人員現(xiàn)場(chǎng)檢修。

2）高位水池水位監(jiān)測(cè)：選用GUY10（A）型水位檢測(cè)儀表,動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)水水位,此水位檢測(cè)值,作為輸水故障警示信號(hào),參與水泵控制,水位超限后進(jìn)行水泵控制柜控制輸出,結(jié)合流量值,判定故障停機(jī)報(bào)警。

3）水泵流量監(jiān)測(cè)：選用DN400 PN25 電磁流量變送器,動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)排水管路流量,將排水管路流量信號(hào)送至控制機(jī)并由控制機(jī)送至地面計(jì)算機(jī),可實(shí)現(xiàn)低流量報(bào)警,每趟管路配備一臺(tái)流量監(jiān)測(cè)傳感器。

4）負(fù)壓監(jiān)測(cè)：選用真空負(fù)壓傳感器（±0.1 MPa）和真空壓力表,當(dāng)吸水管路真空度達(dá)到起泵條件時(shí),壓力表將輸出信號(hào)給可編程控制箱,控制箱以此發(fā)出開泵信號(hào)。

5）接入電機(jī)三相定子和前后軸溫度,動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停泵。

5 結(jié)論

1）設(shè)置于狹長(zhǎng)地帶的浮塢泵站與傳統(tǒng)泵站設(shè)備布置條件有較大不同,由于環(huán)境所限,宜采用可靠的無人值守方式進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),在后續(xù)的維護(hù)管理和安全管理中具備較大便利性。

2）采用離心泵負(fù)壓?jiǎn)⒈?、真空泵抽真空的方?在浮塢式泵站實(shí)現(xiàn)抽真空啟動(dòng)的方式相較射流泵系統(tǒng)抽真空方式設(shè)備布置簡(jiǎn)單,控制流程簡(jiǎn)化,是此類空間緊張環(huán)境的泵站最佳抽真空方式。

3）通過監(jiān)測(cè)啟、停泵管路壓力值結(jié)合抽真空時(shí)間和開閥時(shí)間相結(jié)合的控制保護(hù)及故障分析判斷,效果好,可明顯降低自控系統(tǒng)故障率。

4）在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)選型中,通過對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算、控制工藝的設(shè)計(jì)、運(yùn)行情況的分析研究,提供了一套完整的無人值守浮塢泵站系統(tǒng)方案,可為類似項(xiàng)目提供參考。