实施“东水西调”丰乐路加压站工艺及自动化系统设计

广州市自来水公司 梁联坚 刘晓东 申石泉
广州市环市西路5号自来水公司总工室； 510160

　　摘要：本文主要介绍了我司供水调配方面，具有重要意义的丰乐路加压站工程设计情况。从工艺机械设计、电气系统设计、自动控制系统设计、通信及安全保障系统设计等方面进行了较详尽的论述。体现了工艺先进、技术创新、管理完善的设计理念。
　　关键词：工艺设计 变频调速 自动监控 通信与安全

1、引言

　　为适应广州市城市建设的发展，缓和广州东部地区的供水状况，我司于1996年底建成投产供水能力为50万m³/d西洲水厂。但由于宏观经济调整等原因，东部地区发展较预期变缓，需水量增长减少。东部两大水厂：新塘水厂、西洲水厂合计设计供水能力为120万m³/d，最大日供水量仅为90万m³/d，尚有30万m³/d富余供水能力。
　　新塘和西洲水厂均以东江为水源，原水水质较好（II类标准），出厂水指标亦相对较优。相反，由于珠江水源受到严重污染，我司以珠江为水源的西村水厂（100万m³/d）、石门水厂（80万m³/d）的源水水质受到影响，同时也使两水厂的制水成本急剧上升。
　　 为了保障市民的身体健康，为市民提供优质自来水，我司决定将新塘水厂、西洲水厂富余的30万m³/d优质自来水调入广州，这项工程简称"东水西调"。经过充分的方案论证与比较，确定在乙烯厂丰乐路口建设加压泵站。

2.工程总体设计及机电工艺设计：

2.1 设计概况及设计目标：
　　丰乐路加压站采用直抽方式对一条DN1800和一条DN1600管道来水进行加压。加压站的工艺设计采用最大日平均时的计算流量和加压压力。最终加压流量为24000m³/h，57.6万m³/d，管道来水压力要求不低于0.28MPa，加压扬程为25m左右，出站压力为0.54MPa。加压站的运行方式是根据新塘水厂和西洲水厂的供水情况，合理投入泵组加压，保证来水和出水压力。从节能降耗的目的出发，加压站最终设置四台恒速泵组和两台变频调速泵组，并配以先进的自动控制设备保证满足设计工艺要求。为满足城市供水技术进步和发展规划要求，丰乐路加压站采用先进可靠的工艺、技术和设备，使加压站运行控制和生产管理，达到目前国内同行业先进水平。
2.2 泵站工艺设计：
　　泵站运行中各种可能的工况为：
　　最大日平均时：加压流量 23820m³/h
　　　　　　　　　加压扬程 24.98m
　　最大日最大时：加压流量 26150m³/h
　　　　　　　　　加压扬程 27.53m
　　平均日平均时：加压流量 22630m³/h
　　　　　　　　　加压扬程 23.70m
　　设计按最大日平均时的计算流量和加压压力选择水泵。水泵扬程的确定考虑了站内管道损失2.5m，及由于加压泵直抽导致来水压力下降5m～8m左右。在泵型选择上，对国内外产品性能与价格进行了对比，最终选用上海KSB水泵厂RDL800-970B双吸中开卧式离心泵6台。其中2台为调速泵组，配800kW电机；4台为恒速泵组，配710kW电机。该泵在设计工况点上最高效率是90%，而且效率曲线的高效区比同类水泵宽，保证了加压泵站在工况变化大的范围内能实现高效运行。该泵在效率h>85%时，流量的变化范围是4250～7500m³/h,扬程变化为37.5～24m。
　　对于57万m³/d的管道直抽式加压泵站，水泵前后的来去水压力、流量变化复杂而频繁。我司在选泵时，非常重视泵组性能在各工况点的适应能力和配套能力。RDL800-970B水泵通过用调速和恒速泵组搭配的手段，能满足加压站在最大日平均时、平均日平均时、最大日最大时及可能的极端工况点等运行需要。
　　为了摸索加压泵站运行规律，合理选择设备，我们将泵组分期安装投运，首期装1台调速泵组和2台恒速泵组。经试运行，3台泵组全开水量已达到2.4万m³/h，且发现供水高低峰流量变化对工况影响很大。调速装置用在调节扬程变化、恒压供水可以起较好节能作用。但扬程基本不变，用于调节流量，效率将会降低，因而应配合小水泵调流。故在二期考虑将原设计1台恒速大泵改用3000m³/h较小水泵代替，改善调节能力。
2.3 泵站电气系统设计：
2.3.1 供配电系统设计：
　　泵站两路10kV电源采用同时供电互为备用的运行方式，正常情况两路分列运行，一路故障时，另一路可满足全站用电要求。710kW恒速泵组采用10kV直配风冷电机 ，800kW调速泵组采用10/0.69kV变压器-变频器组和690V风冷电机。系统总安装容量为5090kVA，恒速泵组电机设电容器作无功就地补偿，全站总用电负荷约3500kW。10kV配电设备选用真空断路器。
　　继电保护的选择直接关系系统安全可靠运行，传统电磁式设备不能满足安全可靠性及自动化集成的要求，为此选用了MODICON Sepam 2000微机型综合保护器。该保护器集保护、电量测量、通讯与控制与一体，为中压配电系统提供了可靠而完善的保护功能，且具有Modbus现场总线接口，便于整个系统的自动化集成。
2.3.2 泵组变频调速：
　　随着电力电子、微机技术及控制技术迅猛发展，变频调速技术已日益完善。丰乐路加压站根据工艺设计，设置2台800kW 690V变频调速泵组，变频器选用ABB公司ACS600型变频装置。该变频器采用DTC直接转矩控制技术，其基本点是把转矩直接作为被控量，直接控制定子磁链，结合先进的电机模型自动辩识技术和每秒钟4万次给定比较，可以实现快速转矩响应和较高的控制精度。
　　泵组采用变频技术，一是通过实时、快速闭环调节，满足设计工况；二是达到节能降耗，降低生产成本之目的。在泵组变频调速时，流量Q、扬程H、轴功率P之间关系为：流量与转速成正比，扬程与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。由图1泵的流量Q-扬程H关系曲线可以看出，如果通过调节出水阀门满足工况，管路阻力曲线由R变到R1，流量从QN减少到Q1。通过控制转速，由于阀门全开，管路阻力曲线不变，速度nN降到n1,特性曲线也会从nN移到n1 ，达到相同流量Q1,出水压力由P1降至P1＇，减少的功率为：

　　△P=KQ₁(H2-H1)/102η=KQ₁△H/102η

　　丰乐路加压站是多台泵组并联运行，其中部分采用调速泵组。图2是定速、调速水泵并联运行的Q-H关系曲线。当管网需水量减少，流量由QN减少至Q1，在开相同泵组情况下，工况点A2上移至A3点，即静扬程由HST1上升至HST2，造成出水压力升高，浪费能量。
　　通过降低调速泵组的转速，使工况点由A3下降至A4，降低出水压力，节余多余压力水头，在相同流量工况下减少功率：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　DP= K Q1(H1-H2 )/102h= K Q1D H/102h
　　由于工艺设计时，该泵在25-32米范围内，保证泵组运行在高效区：86%<h<88%，变频器运行频率设计为40～52Hz，由P1= PN（n1/nN）3转速与轴功率关系式可知，转速调节可以大幅度降低轴功率，获得良好节能效果。另外通过PLC和变频器密切配合，实施动态闭环控制，调节周期和调节效果是以往的手段所无法比拟的。现场试运行表明，上述设计预想均得以实现。

3.泵站自动化监控系统设计：

　　加压站自动监控系统设计原则是力求技术进步、功能实用、运行可靠、操作简单、管理方便。为此设计安装了先进的检测仪表和控制设备，力求建立现代化的监控管理一体化系统，实现无人值守。
3.1 站内PLC监控系统：
　　站内监控系统采用各泵组单元分散独立安装与控制、通过工业网络连接、集中管理的分布式结构。
　　 站内6台泵组选用AB MICROLOGIX 1500小型PLC组成独立控制单元，现场传感器、执行机构、设备状态等信息输入PLC后，由PLC按既定控制流程完成控制任务。其中变频机组PLC需要实时检测来水、出水压力，根据运行工况要求通过程序计算给出频率控制给定，由变频器进行直接转矩控制，从而实现闭环调节。调速机组控制条件：(1).首先保证来水压力不低于0.28MPa，以确保加压站前用户用水不受影响。(2).出水压力保持在0.54MPa，以保证合理加压及管网安全运行。机组控制模式分为：现场分步控制、就地一步化操作和上位机集中控制一步化操作。
　　 各泵组控制单元PLC MICROLIGIX 1500，通过开放式高速现场设备总线DeviceNet（500kbit/S）与管理PLC SLC 5/05的扫描器模块1747-SDN相连，各单元的运行情况、运行数据、故障状态等信息通过DeviceNet总线上传给SLC 5/05，同时接受上位主机对泵组单元的控制命令。变频器ACS 600通过现场总线适配器模块NDNA-01与管理机SLC5/05扫描器模块1747-SDN相连，通过现场设备总线DeviceNet进行数据交换。

　　站内进线、母联和电机馈电中压柜的监测、控制和保护，利用MODICON Sepam 2000综合保护器来完成，Sepam 2000通过其支持的Modbus接口模块，通过Modbus现场总线与SLC 5/05 3150-MCM模块相连，SLC 5/05负责对11个Modbus子站进行管理和控制。另外，站内低压系统参数、户外阀门状态、计量数据、水质参数等内容，亦通过SLC 5/05引入全站的监控系统，以实现全面监控之目的。　
3.2 上位人机系统设计：
　　全站监控操作的管理和监控画面的开发，由Wizcon组态软件包完成。AB SLC 5/05 与通讯部分MOTOROLA MOSCAD CPU（RTU）相连，实时交换数据。上位工业PC机与RTU通过Modbus协议相连，丰乐路站Wizcon除具有监测和控制本站数据的功能外，同时把从RTU获得的数据，通过X.25分组数据网传递给新塘水厂、西洲水厂和中心调度室。
　　丰乐路站人机系统主要包括以下内容：(1).泵站运行总图：显示机组运行状态，进/出水压力，流量，阀门状态，故障显示。(2).10KV主接线图：显示合闸信号，进线电量；控制进线及机组开关开合。(3).单机运行状态：显示机组状态，压力，电流，温度，一次运行时间，累计运行时间，变频机组参数；控制开/停操作，故障复位，变频器频率给定。(4).报警画面：所有事故报警的时间、内容、报警确认、打印。(5).压力、流量等参数实时及历史曲线图(6).各种参数图表、图例等。(7).生产报表打印(8).网络系统结构图。其中上位控制操作需以高级别身份登录。

4.丰乐路加压站调度通信及安全系统：

　　丰乐路加压站是广州市目前最大的一个加压泵站，加压水量达到57.6万立方米／日，其流量大，影响范围广，如果同时出现突然停电及止回阀机械等故障，将会对管网的安全运行造成严重的威胁，必须有一个完善的调度通信系统和管网过压安全保护措施。对这个问题我们以机械解决为主，以通信系统为辅的原则进行解决：
4.1.机械安全系统设计：
　　如果在丰乐路加压站出现突然停电，导致来水压力突然升高时，单靠通信的处理在反应速度上是不够的，目前主要是用几个方法：一个是在丰乐路加压站进出水管之间装液压止回阀，当泵组突然全停时，来水压力与出水压力有0.05～0.1MPa压差时止回阀自动打开，保持加压前的过水量；另一个是在西洲、新塘水厂出水管和在丰乐路加压站来水管装有安全泄压阀，当管网压力高于允许的最高限制压力时，自动泄压排水；第三是在新塘水厂、西洲水厂送水泵组装上超压自动报警装置，当出水管压力高于设定值时报警，及时自动减机降压，以保障管网安全。
4.2.通信系统设计：
　　通信系统采用有线的数据专线和无线通讯互为备用，方案如下：第一、采用市公用电话为主，800MHz电台为辅的话路通信，保证供水调度畅通可靠。第二、监测数据在通信链路上采用租用电信局的数据专线和无线通信相结合，采用MOTOROLA的MOSCAD系统作SCADA系统。系统结构如下：
　　采用有线的数据专线和无线通讯互为备用，无线通讯选用230MHz 数传频道。数据专线采用租用电信局分组交换线路，该线路除了作为实时数据采集的通信线路外，还可作为水厂接入公司数据网络系统。
　　在丰乐路加压站安装一台带工控PC机的MOSCAD RTU，装AB公司PLC的驱动程序，对加压站的PLC内存影象，在底层直接取得PLC的检测参数。在调度室设一台MOSCAD MCP／M的中心控制站，在新塘水厂和西洲水厂各设一台MOSCAD RTU，各带一台工控PC机，作为通信监控组态软件运行和显示用。
　　摩托罗拉数据链锁通信协议（MDLC）是一种功能强大的通信协议，它为SCADA带来很大的好处，可以支持有线与无线通信连接的混合网络，这极大地增强了系统的可靠性。
　　此系统可以作为一个单独的系统来运行，也可以在调度室端，通过用新系统测回的数据，用建立数据库等方法形成历史数据，提供查询和打印报表功能，将丰乐路加压站的数据纳入现有的SCADA系统。选用MOSCAD系统可完成RTU与RTU通信，以及RTU对多控制中心的连接，它的“争抢”报告方式能打断正常的通信，将特殊情况发送出去。当丰乐路加压站发生事故时，马上发出报警，通知新塘水厂、西洲水厂和调度室，它的“存储－转发”功能可以降低系统对地形的要求程度。
　　现在，建立了完善的通信系统，当丰乐路加压站发生事故时，新塘水厂、西洲水厂马上根据丰乐路加压站抢发过来的数据，由与RTU连接的PLC进行数据处理，结果输入机组控制系统，作用于事故报警和逐步停机，保证管网系统稳定。

5. 工业闭路电视监视系统：

　　系统负责监视整个站区的户外情况，起保安、防盗的辅助作用。该防盗系统在有人非法越墙时，发出报警响声，显示报警区代码。画面分割器自动将该区摄像枪切换至监视器上，方便值班人员监视处理。使用中系统性能稳定可靠，达到设计要求，对加强治安保卫工作起较大作用。

6. 结论：

　　今年3月中旬开始，丰乐路加压站进行联机试运行，运行结果显示：丰乐路加压站机组投入运行后，我司东部调入市区水量大幅增加，较好地实现了设计的预期目标。综合经济成本降低，如果丰乐路加压用电计入新塘、西洲两厂消耗成本，反比源水水质差的西村、石门水厂综合成本降低，经济效益和社会效益显著。

参考书目：

[1].满永奎等，《通用变频器及其应用》，机械工业出版社，1996.10
[2].姜乃昌等，《水泵及水泵站》，中国建筑出版社，1986.7