廣州市自來(lái)水公司 梁聯(lián)堅(jiān) 劉曉東 申石泉
廣州市環(huán)市西路5號(hào)自來(lái)水公司總工室； 510160

　　摘要：本文主要介紹了我司供水調(diào)配方面，具有重要意義的豐樂(lè)路加壓站工程設(shè)計(jì)情況。從工藝機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通信及安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了較詳盡的論述。體現(xiàn)了工藝先進(jìn)、技術(shù)創(chuàng)新、管理完善的設(shè)計(jì)理念。
　　關(guān)鍵詞：工藝設(shè)計(jì) 變頻調(diào)速 自動(dòng)監(jiān)控 通信與安全

1、引言

　　為適應(yīng)廣州市城市建設(shè)的發(fā)展，緩和廣州東部地區(qū)的供水狀況，我司于1996年底建成投產(chǎn)供水能力為50萬(wàn)m³/d西洲水廠。但由于宏觀經(jīng)濟(jì)調(diào)整等原因，東部地區(qū)發(fā)展較預(yù)期變緩，需水量增長(zhǎng)減少。東部?jī)纱笏畯S：新塘水廠、西洲水廠合計(jì)設(shè)計(jì)供水能力為120萬(wàn)m³/d，最大日供水量?jī)H為90萬(wàn)m³/d，尚有30萬(wàn)m³/d富余供水能力。
　　新塘和西洲水廠均以東江為水源，原水水質(zhì)較好（II類標(biāo)準(zhǔn)），出廠水指標(biāo)亦相對(duì)較優(yōu)。相反，由于珠江水源受到嚴(yán)重污染，我司以珠江為水源的西村水廠（100萬(wàn)m³/d）、石門(mén)水廠（80萬(wàn)m³/d）的源水水質(zhì)受到影響，同時(shí)也使兩水廠的制水成本急劇上升。
　　 為了保障市民的身體健康，為市民提供優(yōu)質(zhì)自來(lái)水，我司決定將新塘水廠、西洲水廠富余的30萬(wàn)m³/d優(yōu)質(zhì)自來(lái)水調(diào)入廣州，這項(xiàng)工程簡(jiǎn)稱"東水西調(diào)"。經(jīng)過(guò)充分的方案論證與比較，確定在乙烯廠豐樂(lè)路口建設(shè)加壓泵站。

2.工程總體設(shè)計(jì)及機(jī)電工藝設(shè)計(jì)：

2.1 設(shè)計(jì)概況及設(shè)計(jì)目標(biāo)：
　　豐樂(lè)路加壓站采用直抽方式對(duì)一條DN1800和一條DN1600管道來(lái)水進(jìn)行加壓。加壓站的工藝設(shè)計(jì)采用最大日平均時(shí)的計(jì)算流量和加壓壓力。最終加壓流量為24000m³/h，57.6萬(wàn)m³/d，管道來(lái)水壓力要求不低于0.28MPa，加壓揚(yáng)程為25m左右，出站壓力為0.54MPa。加壓站的運(yùn)行方式是根據(jù)新塘水廠和西洲水廠的供水情況，合理投入泵組加壓，保證來(lái)水和出水壓力。從節(jié)能降耗的目的出發(fā)，加壓站最終設(shè)置四臺(tái)恒速泵組和兩臺(tái)變頻調(diào)速泵組，并配以先進(jìn)的自動(dòng)控制設(shè)備保證滿足設(shè)計(jì)工藝要求。為滿足城市供水技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展規(guī)劃要求，豐樂(lè)路加壓站采用先進(jìn)可靠的工藝、技術(shù)和設(shè)備，使加壓站運(yùn)行控制和生產(chǎn)管理，達(dá)到目前國(guó)內(nèi)同行業(yè)先進(jìn)水平。
2.2 泵站工藝設(shè)計(jì)：
　　泵站運(yùn)行中各種可能的工況為：
　　最大日平均時(shí)：加壓流量 23820m³/h
　　　　　　　　　加壓揚(yáng)程 24.98m
　　最大日最大時(shí)：加壓流量 26150m³/h
　　　　　　　　　加壓揚(yáng)程 27.53m
　　平均日平均時(shí)：加壓流量 22630m³/h
　　　　　　　　　加壓揚(yáng)程 23.70m
　　設(shè)計(jì)按最大日平均時(shí)的計(jì)算流量和加壓壓力選擇水泵。水泵揚(yáng)程的確定考慮了站內(nèi)管道損失2.5m，及由于加壓泵直抽導(dǎo)致來(lái)水壓力下降5m～8m左右。在泵型選擇上，對(duì)國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品性能與價(jià)格進(jìn)行了對(duì)比，最終選用上海KSB水泵廠RDL800-970B雙吸中開(kāi)臥式離心泵6臺(tái)。其中2臺(tái)為調(diào)速泵組，配800kW電機(jī)；4臺(tái)為恒速泵組，配710kW電機(jī)。該泵在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)上最高效率是90%，而且效率曲線的高效區(qū)比同類水泵寬，保證了加壓泵站在工況變化大的范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。該泵在效率h>85%時(shí)，流量的變化范圍是4250～7500m³/h,揚(yáng)程變化為37.5～24m。
　　對(duì)于57萬(wàn)m³/d的管道直抽式加壓泵站，水泵前后的來(lái)去水壓力、流量變化復(fù)雜而頻繁。我司在選泵時(shí)，非常重視泵組性能在各工況點(diǎn)的適應(yīng)能力和配套能力。RDL800-970B水泵通過(guò)用調(diào)速和恒速泵組搭配的手段，能滿足加壓站在最大日平均時(shí)、平均日平均時(shí)、最大日最大時(shí)及可能的極端工況點(diǎn)等運(yùn)行需要。
　　為了摸索加壓泵站運(yùn)行規(guī)律，合理選擇設(shè)備，我們將泵組分期安裝投運(yùn)，首期裝1臺(tái)調(diào)速泵組和2臺(tái)恒速泵組。經(jīng)試運(yùn)行，3臺(tái)泵組全開(kāi)水量已達(dá)到2.4萬(wàn)m³/h，且發(fā)現(xiàn)供水高低峰流量變化對(duì)工況影響很大。調(diào)速裝置用在調(diào)節(jié)揚(yáng)程變化、恒壓供水可以起較好節(jié)能作用。但揚(yáng)程基本不變，用于調(diào)節(jié)流量，效率將會(huì)降低，因而應(yīng)配合小水泵調(diào)流。故在二期考慮將原設(shè)計(jì)1臺(tái)恒速大泵改用3000m³/h較小水泵代替，改善調(diào)節(jié)能力。
2.3 泵站電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
2.3.1 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
　　泵站兩路10kV電源采用同時(shí)供電互為備用的運(yùn)行方式，正常情況兩路分列運(yùn)行，一路故障時(shí)，另一路可滿足全站用電要求。710kW恒速泵組采用10kV直配風(fēng)冷電機(jī) ，800kW調(diào)速泵組采用10/0.69kV變壓器-變頻器組和690V風(fēng)冷電機(jī)。系統(tǒng)總安裝容量為5090kVA，恒速泵組電機(jī)設(shè)電容器作無(wú)功就地補(bǔ)償，全站總用電負(fù)荷約3500kW。10kV配電設(shè)備選用真空斷路器。
　　繼電保護(hù)的選擇直接關(guān)系系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，傳統(tǒng)電磁式設(shè)備不能滿足安全可靠性及自動(dòng)化集成的要求，為此選用了MODICON Sepam 2000微機(jī)型綜合保護(hù)器。該保護(hù)器集保護(hù)、電量測(cè)量、通訊與控制與一體，為中壓配電系統(tǒng)提供了可靠而完善的保護(hù)功能，且具有Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線接口，便于整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化集成。
2.3.2 泵組變頻調(diào)速：
　　隨著電力電子、微機(jī)技術(shù)及控制技術(shù)迅猛發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已日益完善。豐樂(lè)路加壓站根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，設(shè)置2臺(tái)800kW 690V變頻調(diào)速泵組，變頻器選用ABB公司ACS600型變頻裝置。該變頻器采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，其基本點(diǎn)是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，直接控制定子磁鏈，結(jié)合先進(jìn)的電機(jī)模型自動(dòng)辯識(shí)技術(shù)和每秒鐘4萬(wàn)次給定比較，可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和較高的控制精度。
　　泵組采用變頻技術(shù)，一是通過(guò)實(shí)時(shí)、快速閉環(huán)調(diào)節(jié)，滿足設(shè)計(jì)工況；二是達(dá)到節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本之目的。在泵組變頻調(diào)速時(shí)，流量Q、揚(yáng)程H、軸功率P之間關(guān)系為：流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。由圖1泵的流量Q-揚(yáng)程H關(guān)系曲線可以看出，如果通過(guò)調(diào)節(jié)出水閥門(mén)滿足工況，管路阻力曲線由R變到R1，流量從QN減少到Q1。通過(guò)控制轉(zhuǎn)速，由于閥門(mén)全開(kāi)，管路阻力曲線不變，速度nN降到n1,特性曲線也會(huì)從nN移到n1 ，達(dá)到相同流量Q1,出水壓力由P1降至P1＇，減少的功率為：

　　△P=KQ₁(H2-H1)/102η=KQ₁△H/102η

　　豐樂(lè)路加壓站是多臺(tái)泵組并聯(lián)運(yùn)行，其中部分采用調(diào)速泵組。圖2是定速、調(diào)速水泵并聯(lián)運(yùn)行的Q-H關(guān)系曲線。當(dāng)管網(wǎng)需水量減少，流量由QN減少至Q1，在開(kāi)相同泵組情況下，工況點(diǎn)A2上移至A3點(diǎn)，即靜揚(yáng)程由HST1上升至HST2，造成出水壓力升高，浪費(fèi)能量。
　　通過(guò)降低調(diào)速泵組的轉(zhuǎn)速，使工況點(diǎn)由A3下降至A4，降低出水壓力，節(jié)余多余壓力水頭，在相同流量工況下減少功率：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　DP= K Q1(H1-H2 )/102h= K Q1D H/102h
　　由于工藝設(shè)計(jì)時(shí)，該泵在25-32米范圍內(nèi)，保證泵組運(yùn)行在高效區(qū)：86%<h<88%，變頻器運(yùn)行頻率設(shè)計(jì)為40～52Hz，由P1= PN（n1/nN）3轉(zhuǎn)速與軸功率關(guān)系式可知，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以大幅度降低軸功率，獲得良好節(jié)能效果。另外通過(guò)PLC和變頻器密切配合，實(shí)施動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)周期和調(diào)節(jié)效果是以往的手段所無(wú)法比擬的?，F(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行表明，上述設(shè)計(jì)預(yù)想均得以實(shí)現(xiàn)。

3.泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

　　加壓站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是力求技術(shù)進(jìn)步、功能實(shí)用、運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單、管理方便。為此設(shè)計(jì)安裝了先進(jìn)的檢測(cè)儀表和控制設(shè)備，力求建立現(xiàn)代化的監(jiān)控管理一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。
3.1 站內(nèi)PLC監(jiān)控系統(tǒng)：
　　站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)采用各泵組單元分散獨(dú)立安裝與控制、通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接、集中管理的分布式結(jié)構(gòu)。
　　 站內(nèi)6臺(tái)泵組選用AB MICROLOGIX 1500小型PLC組成獨(dú)立控制單元，現(xiàn)場(chǎng)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、設(shè)備狀態(tài)等信息輸入PLC后，由PLC按既定控制流程完成控制任務(wù)。其中變頻機(jī)組PLC需要實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)水、出水壓力，根據(jù)運(yùn)行工況要求通過(guò)程序計(jì)算給出頻率控制給定，由變頻器進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。調(diào)速機(jī)組控制條件：(1).首先保證來(lái)水壓力不低于0.28MPa，以確保加壓站前用戶用水不受影響。(2).出水壓力保持在0.54MPa，以保證合理加壓及管網(wǎng)安全運(yùn)行。機(jī)組控制模式分為：現(xiàn)場(chǎng)分步控制、就地一步化操作和上位機(jī)集中控制一步化操作。
　　 各泵組控制單元PLC MICROLIGIX 1500，通過(guò)開(kāi)放式高速現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備總線DeviceNet（500kbit/S）與管理PLC SLC 5/05的掃描器模塊1747-SDN相連，各單元的運(yùn)行情況、運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)等信息通過(guò)DeviceNet總線上傳給SLC 5/05，同時(shí)接受上位主機(jī)對(duì)泵組單元的控制命令。變頻器ACS 600通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線適配器模塊NDNA-01與管理機(jī)SLC5/05掃描器模塊1747-SDN相連，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備總線DeviceNet進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　站內(nèi)進(jìn)線、母聯(lián)和電機(jī)饋電中壓柜的監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)，利用MODICON Sepam 2000綜合保護(hù)器來(lái)完成，Sepam 2000通過(guò)其支持的Modbus接口模塊，通過(guò)Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線與SLC 5/05 3150-MCM模塊相連，SLC 5/05負(fù)責(zé)對(duì)11個(gè)Modbus子站進(jìn)行管理和控制。另外，站內(nèi)低壓系統(tǒng)參數(shù)、戶外閥門(mén)狀態(tài)、計(jì)量數(shù)據(jù)、水質(zhì)參數(shù)等內(nèi)容，亦通過(guò)SLC 5/05引入全站的監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控之目的?！?br> 3.2 上位人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
　　全站監(jiān)控操作的管理和監(jiān)控畫(huà)面的開(kāi)發(fā)，由Wizcon組態(tài)軟件包完成。AB SLC 5/05 與通訊部分MOTOROLA MOSCAD CPU（RTU）相連，實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。上位工業(yè)PC機(jī)與RTU通過(guò)Modbus協(xié)議相連，豐樂(lè)路站W(wǎng)izcon除具有監(jiān)測(cè)和控制本站數(shù)據(jù)的功能外，同時(shí)把從RTU獲得的數(shù)據(jù)，通過(guò)X.25分組數(shù)據(jù)網(wǎng)傳遞給新塘水廠、西洲水廠和中心調(diào)度室。
　　豐樂(lè)路站人機(jī)系統(tǒng)主要包括以下內(nèi)容：(1).泵站運(yùn)行總圖：顯示機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)/出水壓力，流量，閥門(mén)狀態(tài)，故障顯示。(2).10KV主接線圖：顯示合閘信號(hào)，進(jìn)線電量；控制進(jìn)線及機(jī)組開(kāi)關(guān)開(kāi)合。(3).單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)：顯示機(jī)組狀態(tài)，壓力，電流，溫度，一次運(yùn)行時(shí)間，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，變頻機(jī)組參數(shù)；控制開(kāi)/停操作，故障復(fù)位，變頻器頻率給定。(4).報(bào)警畫(huà)面：所有事故報(bào)警的時(shí)間、內(nèi)容、報(bào)警確認(rèn)、打印。(5).壓力、流量等參數(shù)實(shí)時(shí)及歷史曲線圖(6).各種參數(shù)圖表、圖例等。(7).生產(chǎn)報(bào)表打印(8).網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中上位控制操作需以高級(jí)別身份登錄。

4.豐樂(lè)路加壓站調(diào)度通信及安全系統(tǒng)：

　　豐樂(lè)路加壓站是廣州市目前最大的一個(gè)加壓泵站，加壓水量達(dá)到57.6萬(wàn)立方米／日，其流量大，影響范圍廣，如果同時(shí)出現(xiàn)突然停電及止回閥機(jī)械等故障，將會(huì)對(duì)管網(wǎng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅，必須有一個(gè)完善的調(diào)度通信系統(tǒng)和管網(wǎng)過(guò)壓安全保護(hù)措施。對(duì)這個(gè)問(wèn)題我們以機(jī)械解決為主，以通信系統(tǒng)為輔的原則進(jìn)行解決：
4.1.機(jī)械安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
　　如果在豐樂(lè)路加壓站出現(xiàn)突然停電，導(dǎo)致來(lái)水壓力突然升高時(shí)，單靠通信的處理在反應(yīng)速度上是不夠的，目前主要是用幾個(gè)方法：一個(gè)是在豐樂(lè)路加壓站進(jìn)出水管之間裝液壓止回閥，當(dāng)泵組突然全停時(shí)，來(lái)水壓力與出水壓力有0.05～0.1MPa壓差時(shí)止回閥自動(dòng)打開(kāi)，保持加壓前的過(guò)水量；另一個(gè)是在西洲、新塘水廠出水管和在豐樂(lè)路加壓站來(lái)水管裝有安全泄壓閥，當(dāng)管網(wǎng)壓力高于允許的最高限制壓力時(shí)，自動(dòng)泄壓排水；第三是在新塘水廠、西洲水廠送水泵組裝上超壓自動(dòng)報(bào)警裝置，當(dāng)出水管壓力高于設(shè)定值時(shí)報(bào)警，及時(shí)自動(dòng)減機(jī)降壓，以保障管網(wǎng)安全。
4.2.通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
　　通信系統(tǒng)采用有線的數(shù)據(jù)專線和無(wú)線通訊互為備用，方案如下：第一、采用市公用電話為主，800MHz電臺(tái)為輔的話路通信，保證供水調(diào)度暢通可靠。第二、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在通信鏈路上采用租用電信局的數(shù)據(jù)專線和無(wú)線通信相結(jié)合，采用MOTOROLA的MOSCAD系統(tǒng)作SCADA系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：
　　采用有線的數(shù)據(jù)專線和無(wú)線通訊互為備用，無(wú)線通訊選用230MHz 數(shù)傳頻道。數(shù)據(jù)專線采用租用電信局分組交換線路，該線路除了作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的通信線路外，還可作為水廠接入公司數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
　　在豐樂(lè)路加壓站安裝一臺(tái)帶工控PC機(jī)的MOSCAD RTU，裝AB公司PLC的驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)加壓站的PLC內(nèi)存影象，在底層直接取得PLC的檢測(cè)參數(shù)。在調(diào)度室設(shè)一臺(tái)MOSCAD MCP／M的中心控制站，在新塘水廠和西洲水廠各設(shè)一臺(tái)MOSCAD RTU，各帶一臺(tái)工控PC機(jī)，作為通信監(jiān)控組態(tài)軟件運(yùn)行和顯示用。
　　摩托羅拉數(shù)據(jù)鏈鎖通信協(xié)議（MDLC）是一種功能強(qiáng)大的通信協(xié)議，它為SCADA帶來(lái)很大的好處，可以支持有線與無(wú)線通信連接的混合網(wǎng)絡(luò)，這極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
　　此系統(tǒng)可以作為一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行，也可以在調(diào)度室端，通過(guò)用新系統(tǒng)測(cè)回的數(shù)據(jù)，用建立數(shù)據(jù)庫(kù)等方法形成歷史數(shù)據(jù)，提供查詢和打印報(bào)表功能，將豐樂(lè)路加壓站的數(shù)據(jù)納入現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)。選用MOSCAD系統(tǒng)可完成RTU與RTU通信，以及RTU對(duì)多控制中心的連接，它的“爭(zhēng)搶”報(bào)告方式能打斷正常的通信，將特殊情況發(fā)送出去。當(dāng)豐樂(lè)路加壓站發(fā)生事故時(shí)，馬上發(fā)出報(bào)警，通知新塘水廠、西洲水廠和調(diào)度室，它的“存儲(chǔ)－轉(zhuǎn)發(fā)”功能可以降低系統(tǒng)對(duì)地形的要求程度。
　　現(xiàn)在，建立了完善的通信系統(tǒng)，當(dāng)豐樂(lè)路加壓站發(fā)生事故時(shí)，新塘水廠、西洲水廠馬上根據(jù)豐樂(lè)路加壓站搶發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，由與RTU連接的PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果輸入機(jī)組控制系統(tǒng)，作用于事故報(bào)警和逐步停機(jī)，保證管網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定。

5. 工業(yè)閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)：

　　系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)視整個(gè)站區(qū)的戶外情況，起保安、防盜的輔助作用。該防盜系統(tǒng)在有人非法越墻時(shí)，發(fā)出報(bào)警響聲，顯示報(bào)警區(qū)代碼。畫(huà)面分割器自動(dòng)將該區(qū)攝像槍切換至監(jiān)視器上，方便值班人員監(jiān)視處理。使用中系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)加強(qiáng)治安保衛(wèi)工作起較大作用。

6. 結(jié)論：

　　今年3月中旬開(kāi)始，豐樂(lè)路加壓站進(jìn)行聯(lián)機(jī)試運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果顯示：豐樂(lè)路加壓站機(jī)組投入運(yùn)行后，我司東部調(diào)入市區(qū)水量大幅增加，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。綜合經(jīng)濟(jì)成本降低，如果豐樂(lè)路加壓用電計(jì)入新塘、西洲兩廠消耗成本，反比源水水質(zhì)差的西村、石門(mén)水廠綜合成本降低，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

參考書(shū)目：

[1].滿永奎等，《通用變頻器及其應(yīng)用》，機(jī)械工業(yè)出版社，1996.10
[2].姜乃昌等，《水泵及水泵站》，中國(guó)建筑出版社，1986.7