莊中霞，蘇晨茜

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510635；2.湖南大學(xué)，長(zhǎng)沙 410082)

0 引 言

由于地域多雨與異常天氣，高強(qiáng)度降水帶來(lái)的珠三角地區(qū)內(nèi)澇正嚴(yán)重影響人民生產(chǎn)生活。而排澇泵站利用率較低，管養(yǎng)能力不夠，群控率低等問(wèn)題亟待解決。作為現(xiàn)代城市排澇不可或缺的大中型泵站，正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，如何搞好排澇泵站運(yùn)行管養(yǎng)、自動(dòng)化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效，是當(dāng)前擺在我們面前的重要研究課題。

目前珠三角地區(qū)排澇泵站自動(dòng)化水平現(xiàn)狀參差不齊, 建設(shè)缺乏指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)，存在的主要問(wèn)題有：?jiǎn)握咀詣?dòng)化建設(shè)水平不高，利用率較低，管養(yǎng)水平不夠；泵站群規(guī)模較大，但群控率低，區(qū)域泵站群排澇效率差，成本高；城鎮(zhèn)排水體制不合理，雨污管道混接情況嚴(yán)重，水質(zhì)形勢(shì)嚴(yán)峻，對(duì)排澇泵站運(yùn)行與自動(dòng)化建設(shè)產(chǎn)生較大影響；受珠江及城區(qū)內(nèi)河涌洪潮水位頂托影響，泵站運(yùn)行參數(shù)需要研究調(diào)整；排澇泵站的自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究方法不統(tǒng)一等。因此研究整體排澇泵站自動(dòng)化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。

1 珠三角地區(qū)排澇泵站自動(dòng)化建設(shè)現(xiàn)狀與問(wèn)題

1.1 珠三角地區(qū)排澇泵站自動(dòng)化建設(shè)現(xiàn)狀

珠三角屬于南亞熱帶典型的季風(fēng)海洋氣候，具有雨量豐沛、暴雨頻繁、臺(tái)風(fēng)肆虐的特征。加之該地區(qū)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化步伐加快后，珠三角的“區(qū)域雨島效應(yīng)”的日趨頻繁，使地區(qū)極端天氣在增加，暴雨、特大暴雨事件增多，一旦排水不及就極其容易發(fā)生內(nèi)澇。

珠三角地區(qū)的排澇泵站運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)(300～500 h/a)，對(duì)節(jié)能增效重視度不夠是事實(shí)，主要原因是排澇站的關(guān)鍵目的是要在短時(shí)間內(nèi)把降雨產(chǎn)生的澇水排出去，而近年多變的氣候使設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)不穩(wěn)定，節(jié)能增效還有潛力可挖。已改造的泵站除按大型泵站打捆立項(xiàng)的，其他的在自動(dòng)控制方面例如計(jì)算機(jī)監(jiān)控、保護(hù)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等方面也沒(méi)有見(jiàn)到大的改善，保護(hù)的配置仍然十分簡(jiǎn)單。雖然有部分排澇泵站采用了一些監(jiān)控設(shè)備，但很少是為排澇泵站設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，應(yīng)用效果可想而知，在不少地方實(shí)際就成了擺設(shè)。

特別是合理確定排澇泵站的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)方面，如標(biāo)準(zhǔn)過(guò)高，自動(dòng)化建設(shè)規(guī)模偏大，造成一定的投資浪費(fèi)和閑置；如標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低，自動(dòng)化建設(shè)規(guī)模不足，需要二次建設(shè)，也造成投資浪費(fèi)。因此，合理確定建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行深入研究。各設(shè)計(jì)單位各出奇招，實(shí)際上，近年大家也采用了其他方式來(lái)設(shè)計(jì)，并未得到主管部門重視和統(tǒng)一。隨著珠三角地區(qū)新城區(qū)和工業(yè)園區(qū)建設(shè)的加快，導(dǎo)致原有的泵站排澇能力不足，遇到暴雨即內(nèi)澇成災(zāi)，亟需通過(guò)改建和新建泵站，增加排澇流量，特別是加強(qiáng)區(qū)域排澇泵站自動(dòng)化群控建設(shè)，提高該地區(qū)防澇減災(zāi)能力。現(xiàn)在新建大型泵站自動(dòng)化建設(shè)比較先進(jìn)可以互補(bǔ)，為以后設(shè)計(jì)計(jì)算和節(jié)能增效提供了有力依據(jù)。

1.2 珠三角地區(qū)排澇泵站自動(dòng)化建設(shè)存在問(wèn)題

以中小型規(guī)模泵站為主的排澇泵站，在本地區(qū)還有部分采用老舊型號(hào)產(chǎn)品，自動(dòng)化水平參差不齊。另外，檢測(cè)手段簡(jiǎn)單，較少采用當(dāng)前比較成熟的傳感器檢測(cè)技術(shù)和GPRS等，比較缺乏泵站設(shè)備檢測(cè)環(huán)節(jié)。泵站無(wú)法有效地整合自身資源，改進(jìn)檢測(cè)手段和積累維修經(jīng)驗(yàn)。中小型泵站運(yùn)行、管理制度缺乏，可以提供給大型排澇泵站借鑒的經(jīng)驗(yàn)尤為欠缺。

珠三角大中型排澇泵站平均裝置效率僅30%～50%，小型泵站更是低效運(yùn)行，能源單耗高達(dá)6～7 kWh/(ktm)，而排澇泵站能耗更加驚人，距部頒標(biāo)準(zhǔn)泵站每臺(tái)機(jī)組要求能源單耗≤5 kWh/(ktm)有一定差距，每年僅電力能耗的浪費(fèi)就很大。

排澇泵站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該具有數(shù)據(jù)采集與處理、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、故障報(bào)警、信息通訊等功能，但實(shí)際上同時(shí)具備這些功能的排澇泵站很少。加上珠三角地區(qū)排澇泵站自動(dòng)化專業(yè)管理人員缺乏，技術(shù)水平參差不齊，地域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)導(dǎo)致青工穩(wěn)定性不高，更加缺乏高素質(zhì)的專業(yè)技工和技師。

總之，珠三角地區(qū)目前排澇泵站運(yùn)行維護(hù)及自動(dòng)化建設(shè)現(xiàn)狀和主要問(wèn)題是：排澇泵站運(yùn)行維護(hù)及自動(dòng)化水平現(xiàn)狀參差不齊, 建設(shè)缺乏指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)；單站運(yùn)行維護(hù)及自動(dòng)化建設(shè)水平不高，利用率不高；管養(yǎng)水平不高，管理人員能力低，流動(dòng)性大；排澇泵站群規(guī)模較大，但群控率低；排澇泵站為季節(jié)性運(yùn)行，泵站自動(dòng)化改造困難，改造成本高。

2 珠三角地區(qū)排澇泵站自動(dòng)化改造的解決思路與方向

2.1 完善珠三角排澇泵站自動(dòng)化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

泵站電氣自動(dòng)化系統(tǒng)形式多樣、情況復(fù)雜、涉及方面很多，《泵站自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)(討論稿)》自2009年底發(fā)布后一直處于討論中，存在執(zhí)行力度不夠、經(jīng)濟(jì)投入差異大、規(guī)范不一等問(wèn)題，特別是微機(jī)保護(hù)和電氣及其運(yùn)行維護(hù)管理部分需要完善，至今沒(méi)有統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。目前對(duì)排澇泵站自動(dòng)化的現(xiàn)狀與改造研究不夠，需要進(jìn)行深入的調(diào)研和探索。在調(diào)研現(xiàn)狀、分析問(wèn)題的基礎(chǔ)上提出一套適用于排澇泵站的自動(dòng)化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)或指南。

2.2 加強(qiáng)單站自動(dòng)化的改造與提升

單站運(yùn)行維護(hù)及自動(dòng)化建設(shè)與改造，要體現(xiàn)珠三角特殊地域特色，本著技術(shù)水平適度先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠的原則進(jìn)行。不切合實(shí)際的盲目改造既浪費(fèi)了資源，還達(dá)不到效果，結(jié)果是大部分棄之不用，所以不能追求排澇泵站自動(dòng)化建設(shè)的“高大上”，而應(yīng)該結(jié)合珠三角暴雨季節(jié)性頻繁、多臺(tái)風(fēng)天氣和城鎮(zhèn)化普及等的特殊地域特色，提出行之有效的單站自動(dòng)化的改造與提升路徑。

常用的綜合單位線法和推理公式法，適用于天然流域的降雨產(chǎn)流計(jì)算，但并不是很適用于城市化區(qū)域的降雨產(chǎn)流計(jì)算，但它卻是水利部門發(fā)布的官方文件[1]。實(shí)際上，近年大家也采用了其他方式來(lái)計(jì)算，并未得到主管部門重視和統(tǒng)一，實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算需要根據(jù)特殊情況考慮各種因素修訂。目前單站自動(dòng)化的改造與提升策略在珠三角排澇泵站的設(shè)計(jì)、施工、管營(yíng)等方面得以突出體現(xiàn)。

2.3 增強(qiáng)排澇泵站自動(dòng)化運(yùn)行的智能性、實(shí)用性

排澇泵站習(xí)慣上比較注重電氣設(shè)備的控制與保護(hù)，但對(duì)泵站主機(jī)組及設(shè)備一般只用了監(jiān)視，主要對(duì)閘門開(kāi)度、進(jìn)出口水位進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其余的監(jiān)測(cè)偏少。因此，宜將所有設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)地納入自動(dòng)監(jiān)測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)中，加強(qiáng)對(duì)泵站主機(jī)組及輔助設(shè)備的監(jiān)測(cè)：如主機(jī)組在線監(jiān)測(cè)、水泵進(jìn)出口壓力監(jiān)測(cè)、閘門開(kāi)度與位置監(jiān)測(cè)、技術(shù)供水的水量水壓監(jiān)測(cè)、進(jìn)出水水情監(jiān)測(cè)、清污機(jī)及啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等[2]。將這些設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)地納入自動(dòng)監(jiān)測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)中，才能增強(qiáng)泵站自動(dòng)化運(yùn)行的智能性、實(shí)用性和共享性。在此基礎(chǔ)上，提出指導(dǎo)性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，明確泵站自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及一般標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)新舊泵站自動(dòng)化的改造和建設(shè)。圖1為珠三角某排澇工程綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 珠三角某排澇工程綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the integrated business management system of a drainage project in the Pearl River Delta

2.4 加強(qiáng)排澇泵站(含水閘)的群控聯(lián)合調(diào)度

排澇泵站(含水閘)的群控聯(lián)合調(diào)度，可以發(fā)揮水閘作用，按照內(nèi)河涌水位變化聯(lián)合調(diào)度，優(yōu)先開(kāi)啟裝置效率高的泵站排水，以節(jié)約能源，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)和外江潮位預(yù)報(bào)，做好預(yù)排搶排等措施，以有效應(yīng)對(duì)極端暴雨天氣。圖2為珠三角某排澇閘泵站網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)數(shù)據(jù)流程，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)引排水方案調(diào)度指令從上到下的可靠傳輸；實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、視頻等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分發(fā)和共享；通過(guò)運(yùn)營(yíng)商VPN(虛擬專用網(wǎng))技術(shù)，調(diào)試中心與各閘泵站工作在同一虛擬網(wǎng)絡(luò)的目的，增強(qiáng)了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽啃?，提高了通道利用率?/p>

圖2 珠三角某排澇閘泵站網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The overall structure diagram of the network of the pump station in the Pearl River Delta

2.5 新建排澇泵站應(yīng)借鑒原有的其自動(dòng)化經(jīng)驗(yàn)，降低運(yùn)行成本

在過(guò)去排澇泵站在本地區(qū)主要是以中小型規(guī)模泵站為主，設(shè)備設(shè)施大都采用老舊型號(hào)產(chǎn)品，控制環(huán)節(jié)基本上都是通過(guò)人工分、合斷路器形式。另外，監(jiān)控手段簡(jiǎn)陋，缺乏泵站設(shè)備檢測(cè)環(huán)節(jié)，一般都是在排澇泵站出現(xiàn)跳閘停機(jī)或機(jī)器不能運(yùn)轉(zhuǎn)等故障才維修處理，嚴(yán)重影響緊急排澇任務(wù)。而且搶修后缺乏總結(jié)，無(wú)法汲取經(jīng)驗(yàn)，對(duì)檢測(cè)手段和維修方法進(jìn)行有效的改進(jìn)?，F(xiàn)代化新型排澇泵站可以借鑒的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、管理制度缺乏。新建大型排澇泵站或升級(jí)改造原有泵站，應(yīng)借鑒原有的運(yùn)行維護(hù)及其自動(dòng)化經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，降低泵站運(yùn)行成本。最近幾年新建泵站借鑒了原有的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，采用了新的途徑，取得了一定的效果[3]。

排澇泵站的運(yùn)行成本過(guò)高，由于排澇的季節(jié)性和公益性決定了泵站不可能有很好的收益，其主要管護(hù)資金來(lái)源于地方財(cái)政的行政撥款，如遇暴雨成災(zāi)，地方政府重視，資金相對(duì)充裕；反之則會(huì)捉襟見(jiàn)肘，但泵站的正常維護(hù)又必須每年進(jìn)行，錢還是要花。所以，降低泵站的運(yùn)行成本是設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該考慮的問(wèn)題，選用低耗的設(shè)備，采用科學(xué)節(jié)能的管理方法，實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)和無(wú)人值班等都是降低泵站運(yùn)行成本的辦法。

2.6 加強(qiáng)區(qū)域排澇泵站自動(dòng)化管理信息化建設(shè)，建立應(yīng)急預(yù)排機(jī)制

不管是已經(jīng)完成改造還是尚未改造的，都未能很好地解決運(yùn)行安全問(wèn)題，部分泵站的自動(dòng)化水平實(shí)際十分低下，新改造的泵站還必須有人值班，泵站的操作和事故的判斷基本還是靠人工完成?？h以上管理的國(guó)有泵站，一般都在泵站旁建有職工宿舍，汛期安排幾個(gè)人值班，平時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行管護(hù)；不屬縣以上水利局管理的泵站，泵站總?cè)萘肯鄬?duì)比較小，泵站管理者住在附近的村鎮(zhèn)，汛期需要排水時(shí)，值班人員就睡在泵房里，條件不容樂(lè)觀，需要加強(qiáng)自動(dòng)化設(shè)施更新改造。

實(shí)施信息化建設(shè)和聯(lián)合調(diào)度是現(xiàn)代排澇泵站改造的亮點(diǎn)，如圖3為綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在汛期臺(tái)風(fēng)影響珠三角前，為做好防御工作，各水利部門積極發(fā)揮各泵站的作用，調(diào)動(dòng)各方面信息和水情，及時(shí)實(shí)行預(yù)排預(yù)抽空，進(jìn)一步降低內(nèi)河涌的水位，將內(nèi)河水位控制在設(shè)定值以下，騰出庫(kù)容。同時(shí)，水利部門嚴(yán)格執(zhí)行值班制度，泵站24小時(shí)待命，嚴(yán)密觀察水情，不得松懈；并組織人力檢查、清理各泵站、內(nèi)河段的雜物，保證內(nèi)河涌流水通暢。

圖3 綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Comprehensive business application system structure diagram

3 適合珠三角地區(qū)排澇泵站自動(dòng)化改造的技術(shù)路徑

3.1 實(shí)用化與共享性

操作簡(jiǎn)單、使用方便、性能可靠、資源共享是排澇泵站自動(dòng)化建設(shè)與改造的基本趨勢(shì)，也是理性投資的需要。泵站運(yùn)行維護(hù)及自動(dòng)化建設(shè)與改造，應(yīng)遵循技術(shù)水平適度先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性價(jià)比高、安全可靠、管養(yǎng)方便、節(jié)約資源的原則進(jìn)行，在實(shí)用化的基礎(chǔ)上發(fā)展適合于排澇泵站的自動(dòng)化改造與提升，實(shí)現(xiàn)信息共享，圖4為某排澇泵站通信傳輸組網(wǎng)示意圖。

圖4 某排澇泵站通信傳輸組網(wǎng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of communication transmission network of a drainage pump station

3.2 管控一體化和水利信息化

由于網(wǎng)絡(luò)、通訊、GPRS技術(shù)的發(fā)展，實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的采集、控制命令的下達(dá)速率和可靠性越來(lái)越高，軟件技術(shù)的發(fā)展使泵站的信息化管理變得便捷，自動(dòng)化系統(tǒng)涵蓋排澇泵站的信息化管理成為一個(gè)趨勢(shì)[4]。圖5為某排澇泵站數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖。

圖5 某排澇泵站數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Function structure of the database maintenance management system of a drainage pump station

3.3 視頻技術(shù)的應(yīng)用

由于視頻圖像清晰、傳輸速度快、無(wú)間隔的同步顯示，這讓排澇泵站不同層次的管理人員容易接受和使用，目前是珠三角排澇泵站應(yīng)用最廣的技術(shù)，這也推動(dòng)了視頻技術(shù)在泵站自動(dòng)化系統(tǒng)中的廣泛共享。針對(duì)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用了強(qiáng)大的大屏幕拼接控制器來(lái)顯示不同的視頻信號(hào)和RGB信號(hào)，見(jiàn)圖6大屏幕顯示系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖6 大屏幕顯示系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.6 Shows the topology diagram of the system

3.4 系統(tǒng)自診斷功能的完善

為了實(shí)現(xiàn)泵站優(yōu)化調(diào)度和高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降低機(jī)組事故率，提高其安全可靠性，對(duì)泵站機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè)診斷是必然要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代傳感和測(cè)試技術(shù)、GPRS等技術(shù)的快速發(fā)展及其在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，日益完善了排澇泵站的系統(tǒng)自動(dòng)診斷功能，對(duì)大中型泵站機(jī)組實(shí)施實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是適應(yīng)排澇泵站自動(dòng)化監(jiān)控和現(xiàn)代化科學(xué)管理發(fā)展的必然結(jié)果。

3.5 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的使用

在排澇泵站調(diào)度系統(tǒng)中需要流量計(jì)、水位計(jì)、智能電表等監(jiān)測(cè)儀表。原來(lái)的某種自動(dòng)化設(shè)備只能現(xiàn)場(chǎng)查看水泵進(jìn)出口壓力監(jiān)測(cè)、閘門開(kāi)度與位置監(jiān)測(cè)等功能，現(xiàn)在增加GPRS模塊，將采集的數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)到手機(jī)，特別當(dāng)發(fā)生故障(事故，即某種數(shù)據(jù)過(guò)高或過(guò)低)，利用GSM模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，把控制柜的按鈕操作與指示燈改成人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)本地智能化監(jiān)控。

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[1] 徐梁輝，王道善，江沛華.城鎮(zhèn)區(qū)域排澇與市政排水水文計(jì)算分析[J].黑龍江科技信息， 2012，(20)：246-246.

[2] 曾微波，王履華，吳長(zhǎng)彬，高權(quán)忠.基于虛擬現(xiàn)實(shí)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水閘智能調(diào)度系統(tǒng)研究[J].水利水電技術(shù)，2013，(11)：128-131.

[3] 嚴(yán)婉玲，鄧東升.番村泵站平原圍區(qū)小集雨面積城市排灌泵站規(guī)劃流量的分析計(jì)算[J].廣東水利水電， 2014，(4)：8-10.