周 成，金黎明

（貴州省水利投資（集團）有限責任公司,貴州 貴陽 550081）

1 概況

黃家灣水利樞紐貓營提水工程屬于工業(yè)供水項目,貓營提水工程所屬的板貓浮塢泵站設計需要將水從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園區(qū)1137 m 高程的高位水池。工況泵站工作凈揚程約為135 m,輸水管線平均坡度39°,管道總長度約212 m,提水高程為1035 m～1170 m,提升泵站設計及機電設備安裝中,設計采用浮塢式取水方式,浮塢泵站設備包含浮塢、耐磨式多級水泵、智能一體化電動閥門、緩閉式止回閥、輸水管路、電氣控制自動化系統(tǒng)及配套監(jiān)測監(jiān)控儀器儀表、船舾設備、消防設施、救生系統(tǒng)、警示系統(tǒng)等單元,配置水泵電機功率為3×900 kW 的水泵。

泵站位于黃家灣水庫庫尾羅家灣下游位置,屬狹長地帶,泵站設計為浮塢式設備布置安裝,基于實際條件泵站需實現(xiàn)無人值守設計,本文著重就泵站的管路設備參數(shù)選型、儀器儀表參數(shù)設計計算、啟停泵的工藝流程設計等分析研究,結合項目的實際實施情況分析,為類似設備布置方式無人值守自動化泵站項目提供參考。

2 系統(tǒng)設備布置情況

2.1 管路設備布置

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

2.2 自動化系統(tǒng)設備

本文所列的自動化系統(tǒng)不包括水泵的啟動柜,主要包括自動化系統(tǒng)可編程控制柜、閥門的電動執(zhí)行器、庫面水位傳感器、負壓傳感器、正壓傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、高位水池水位傳感器、電磁流量計等設備。 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)程序設計要求實現(xiàn)自動運行,并進行故障報警,自動切換運行等,可實現(xiàn)遠程控制、無人值守、就地自動、就地檢修（調(diào)試）四種工作方式；故障情況時系統(tǒng)將自動停止運行,并輸出報警；實時監(jiān)測流量、水位、出水壓力、電機溫度、電動閥門的的狀態(tài)、設備狀態(tài)；提供歷史數(shù)據(jù)及曲線查詢；泵站監(jiān)測系統(tǒng)配置有以太網(wǎng)及RS485 通信接口,便于實現(xiàn)與大系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

3 主要技術參數(shù)設計計算

3.1 管路系統(tǒng)壓力設計

式中：P 為管路系統(tǒng)運行壓力值,MPa；H 為實際泵站設計揚程,m；L 為輸水管線總長度；N 為管路壓力損失均值,一般?。?.05～0.08）MPa/100 m。

根據(jù)上式計算可得管路運行壓力P=1.52 MPa。

水泵揚程的選擇一般取運行計算壓力值的1.15～1.25 倍,此處取1.2 倍,水泵揚程確定如下：

水泵選擇183 揚程,啟泵后打開出水閥前,出口壓力最大約為1.83 MPa。

3.2 負壓系統(tǒng)設計計算

泵站采用離心式多級耐磨泵,啟泵前采用真空泵進行管路抽真空,真空泵最大氣量計算公式：

式中：Q 為真空泵最大氣量,m3/min；L1為泵前水平段管長,m；L2為泵前垂直段距水面管長,m；T 為抽真空工作時間,一般設計為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)場安裝情況及設計流量要求,本項目泵前水平段管道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。

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

根據(jù)以上設計計算選擇功率為5.5 kW,設計最大氣量為3.83 m3/min 的水環(huán)真空泵,用于系統(tǒng)氣泵抽真空,抽真空運行時間T=38 s。垂直管道距離水面距離為3.5 m,啟泵負壓值理論應為-0.03 MPa～-0.035 MPa,真空泵工作時間約為38 s。

3.3 電動閥門開關時間計算

本項目單臺水泵設置泵前DN600 電動閥門一臺,水泵出水閥為DN400 一臺,管路選擇閥DN400 兩臺,電動閥門選擇智能一體化閥門驅動裝置與系統(tǒng)進行RS485 通訊,實現(xiàn)監(jiān)測控制,電動閘閥的打開關閉時間計算如下：

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

DN400 電動閘閥開關時間t=125 s；DN600 電動閘閥開關時間t=150 s。

3.4 自動化系統(tǒng)關鍵設備參數(shù)配置表

表1 CW-25E 無人機性能參數(shù)

4 運行情況分析

系統(tǒng)可根據(jù)程序設定條件自動開啟、停止水泵的運行,對運行中的各種狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)控,同時通過接口將數(shù)據(jù)上傳至地面服務器,系統(tǒng)可智能判斷工作狀態(tài),故障臨停,解除故障自動投入預定程序運行。

4.1 啟泵過程分析研究

系統(tǒng)接受“啟泵”信號后,智能巡檢各設備工作狀態(tài),開啟泵前進水閥門,系統(tǒng)接收到泵前進水閥開到位信號及泵后出水閥關到位信號后“打開真空泵”進行抽真空泵腔吸水。在設計時間范圍內(nèi)水泵負壓值達到設定要求后系統(tǒng)給水泵啟動柜發(fā)出“啟動水泵”信號,水泵啟動,在壓力傳感器識別水泵完成啟動后的設定壓力值后“打開泵后閥門”實現(xiàn)提水至高位水池,系統(tǒng)在接收到泵后閥門開到位信號及流量傳感器輸出的預定流量范圍值后“完成水泵啟動”,在運行過程中各傳感器及設備運行參數(shù)進行實時監(jiān)測并傳送至上位監(jiān)控系統(tǒng)識別并存儲。

根據(jù)本項目在調(diào)試、試運行過程實際工作情況看,“啟泵”過程的關鍵環(huán)節(jié)包括：電動閥門的到位必須與閥門實際情況一致,關閉閥門需實現(xiàn)完全關閉,以免系統(tǒng)工作中抽真空故障導致無法啟動；抽真空負壓值啟動條件,在設計計算基礎上,需根據(jù)實際天使情況進行調(diào)整；出水池液位監(jiān)測需根據(jù)實際投入運行后水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的1.2～1.3 倍設置高位水池水位保護報警停機值設置,以免高位水池水位故障引起頻繁故障報警。若電動閘閥打開后一定時間內(nèi)水泵壓力未達到設定值（一般是因為水泵或上水管路漏氣導致）系統(tǒng)將會自動停止水泵運行并關閉電動閘閥同時報警。

4.2 停泵過程分析研究

當系統(tǒng)接受“停止”信號后,可編程控制柜首先給“泵后出水閥”發(fā)出“關閥指令”,在接收到“關到位”信號后,系統(tǒng)發(fā)出“水泵停止信號”,水泵停止運行、最后關閉進水電動閥門,完成“停泵”。

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

4.3 監(jiān)測與保護功能

水泵自動控制系統(tǒng)的監(jiān)測與保護信號主要包括高位水池水位、管路流量、真空壓力、水泵壓力、電機電流電壓、泵軸溫度、電機外殼溫度、泵振動等。

1）浮塢水位檢測：選用GUY10（A）型水位監(jiān)測儀表,動態(tài)實時檢測進水水位,水位傳感器將采集水位信號,送至控制系統(tǒng)可編程控制單元,并由控制單元送至現(xiàn)地地面計算機系統(tǒng),從而實現(xiàn)對水位的實時監(jiān)測。選用水位控制器,當水位控制器檢測到了水位高限、水位低限后進行報警輸出,由于本項目為浮塢式泵站正常工作情況下,水位應相對固定,水位超限應故障停泵,報警輸出,提示工作人員現(xiàn)場檢修。

2）高位水池水位監(jiān)測：選用GUY10（A）型水位檢測儀表,動態(tài)實時檢測進水水位,此水位檢測值,作為輸水故障警示信號,參與水泵控制,水位超限后進行水泵控制柜控制輸出,結合流量值,判定故障停機報警。

3）水泵流量監(jiān)測：選用DN400 PN25 電磁流量變送器,動態(tài)實時檢測排水管路流量,將排水管路流量信號送至控制機并由控制機送至地面計算機,可實現(xiàn)低流量報警,每趟管路配備一臺流量監(jiān)測傳感器。

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

5）接入電機三相定子和前后軸溫度,動態(tài)實時監(jiān)測,當溫度高于設定值時自動停泵。

5 結論

1）設置于狹長地帶的浮塢泵站與傳統(tǒng)泵站設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行自動化系統(tǒng)設計,在后續(xù)的維護管理和安全管理中具備較大便利性。

2）采用離心泵負壓啟泵、真空泵抽真空的方式,在浮塢式泵站實現(xiàn)抽真空啟動的方式相較射流泵系統(tǒng)抽真空方式設備布置簡單,控制流程簡化,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)測啟、停泵管路壓力值結合抽真空時間和開閥時間相結合的控制保護及故障分析判斷,效果好,可明顯降低自控系統(tǒng)故障率。

4）在該項目設計選型中,通過對系統(tǒng)的設計計算、控制工藝的設計、運行情況的分析研究,提供了一套完整的無人值守浮塢泵站系統(tǒng)方案,可為類似項目提供參考。