廣州市自來水公司 梁聯(lián)堅 劉曉東 申石泉
廣州市環(huán)市西路5號自來水公司總工室； 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路加壓站工程設(shè)計情況。從工藝機械設(shè)計、電氣系統(tǒng)設(shè)計、自動控制系統(tǒng)設(shè)計、通信及安全保障系統(tǒng)設(shè)計等方面進行了較詳盡的論述。體現(xiàn)了工藝先進、技術(shù)創(chuàng)新、管理完善的設(shè)計理念。
　　關(guān)鍵詞：工藝設(shè)計 變頻調(diào)速 自動監(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m³/d西洲水廠。但由于宏觀經(jīng)濟調(diào)整等原因，東部地區(qū)發(fā)展較預(yù)期變緩，需水量增長減少。東部兩大水廠：新塘水廠、西洲水廠合計設(shè)計供水能力為120萬m³/d，最大日供水量僅為90萬m³/d，尚有30萬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m³/d）、石門水廠（80萬m³/d）的源水水質(zhì)受到影響，同時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)自來水，我司決定將新塘水廠、西洲水廠富余的30萬m³/d優(yōu)質(zhì)自來水調(diào)入廣州，這項工程簡稱"東水西調(diào)"。經(jīng)過充分的方案論證與比較，確定在乙烯廠豐樂路口建設(shè)加壓泵站。

2.工程總體設(shè)計及機電工藝設(shè)計：

2.1 設(shè)計概況及設(shè)計目標(biāo)：
　　豐樂路加壓站采用直抽方式對一條DN1800和一條DN1600管道來水進行加壓。加壓站的工藝設(shè)計采用最大日平均時的計算流量和加壓壓力。最終加壓流量為24000m³/h，57.6萬m³/d，管道來水壓力要求不低于0.28MPa，加壓揚程為25m左右，出站壓力為0.54MPa。加壓站的運行方式是根據(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)置四臺恒速泵組和兩臺變頻調(diào)速泵組，并配以先進的自動控制設(shè)備保證滿足設(shè)計工藝要求。為滿足城市供水技術(shù)進步和發(fā)展規(guī)劃要求，豐樂路加壓站采用先進可靠的工藝、技術(shù)和設(shè)備，使加壓站運行控制和生產(chǎn)管理，達(dá)到目前國內(nèi)同行業(yè)先進水平。
2.2 泵站工藝設(shè)計：
　　泵站運行中各種可能的工況為：
　　最大日平均時：加壓流量 23820m³/h
　　　　　　　　　加壓揚程 24.98m
　　最大日最大時：加壓流量 26150m³/h
　　　　　　　　　加壓揚程 27.53m
　　平均日平均時：加壓流量 22630m³/h
　　　　　　　　　加壓揚程 23.70m
　　設(shè)計按最大日平均時的計算流量和加壓壓力選擇水泵。水泵揚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)致來水壓力下降5m～8m左右。在泵型選擇上，對國內(nèi)外產(chǎn)品性能與價格進行了對比，最終選用上海KSB水泵廠RDL800-970B雙吸中開臥式離心泵6臺。其中2臺為調(diào)速泵組，配800kW電機；4臺為恒速泵組，配710kW電機。該泵在設(shè)計工況點上最高效率是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)能實現(xiàn)高效運行。該泵在效率h>85%時，流量的變化范圍是4250～7500m³/h,揚程變化為37.5～24m。
　　對于57萬m³/d的管道直抽式加壓泵站，水泵前后的來去水壓力、流量變化復(fù)雜而頻繁。我司在選泵時，非常重視泵組性能在各工況點的適應(yīng)能力和配套能力。RDL800-970B水泵通過用調(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、平均日平均時、最大日最大時及可能的極端工況點等運行需要。
　　為了摸索加壓泵站運行規(guī)律，合理選擇設(shè)備，我們將泵組分期安裝投運，首期裝1臺調(diào)速泵組和2臺恒速泵組。經(jīng)試運行，3臺泵組全開水量已達(dá)到2.4萬m³/h，且發(fā)現(xiàn)供水高低峰流量變化對工況影響很大。調(diào)速裝置用在調(diào)節(jié)揚程變化、恒壓供水可以起較好節(jié)能作用。但揚程基本不變，用于調(diào)節(jié)流量，效率將會降低，因而應(yīng)配合小水泵調(diào)流。故在二期考慮將原設(shè)計1臺恒速大泵改用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：
2.3.1 供配電系統(tǒng)設(shè)計：
　　泵站兩路10kV電源采用同時供電互為備用的運行方式，正常情況兩路分列運行，一路故障時，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 ，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。系統(tǒng)總安裝容量為5090kVA，恒速泵組電機設(shè)電容器作無功就地補償，全站總用電負(fù)荷約3500kW。10kV配電設(shè)備選用真空斷路器。
　　繼電保護的選擇直接關(guān)系系統(tǒng)安全可靠運行，傳統(tǒng)電磁式設(shè)備不能滿足安全可靠性及自動化集成的要求，為此選用了MODICON Sepam 2000微機型綜合保護器。該保護器集保護、電量測量、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功能，且具有Modbus現(xiàn)場總線接口，便于整個系統(tǒng)的自動化集成。
2.3.2 泵組變頻調(diào)速：
　　隨著電力電子、微機技術(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。豐樂路加壓站根據(jù)工藝設(shè)計，設(shè)置2臺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)合先進的電機模型自動辯識技術(shù)和每秒鐘4萬次給定比較，可以實現(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)，一是通過實時、快速閉環(huán)調(diào)節(jié)，滿足設(shè)計工況；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，流量Q、揚程H、軸功率P之間關(guān)系為：流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(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-揚程H關(guān)系曲線可以看出，如果通過調(diào)節(jié)出水閥門滿足工況，管路阻力曲線由R變到R1，流量從QN減少到Q1。通過控制轉(zhuǎn)速，由于閥門全開，管路阻力曲線不變，速度nN降到n1,特性曲線也會從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

　　豐樂路加壓站是多臺泵組并聯(lián)運行，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，在開相同泵組情況下，工況點A2上移至A3點，即靜揚程由HST1上升至HST2，造成出水壓力升高，浪費能量。
　　通過降低調(diào)速泵組的轉(zhuǎn)速，使工況點由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)計時，該泵在25-32米范圍內(nèi)，保證泵組運行在高效區(qū)：86%<h<88%，變頻器運行頻率設(shè)計為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PLC和變頻器密切配合，實施動態(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法比擬的。現(xiàn)場試運行表明，上述設(shè)計預(yù)想均得以實現(xiàn)。

3.泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計：

　　加壓站自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計原則是力求技術(shù)進步、功能實用、運行可靠、操作簡單、管理方便。為此設(shè)計安裝了先進的檢測儀表和控制設(shè)備，力求建立現(xiàn)代化的監(jiān)控管理一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)無人值守。
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立安裝與控制、通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接、集中管理的分布式結(jié)構(gòu)。
　　 站內(nèi)6臺泵組選用AB MICROLOGIX 1500小型PLC組成獨立控制單元，現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行機構(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)。其中變頻機組PLC需要實時檢測來水、出水壓力，根據(jù)運行工況要求通過程序計算給出頻率控制給定，由變頻器進行直接轉(zhuǎn)矩控制，從而實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。調(diào)速機組控制條件：(1).首先保證來水壓力不低于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)安全運行。機組控制模式分為：現(xiàn)場分步控制、就地一步化操作和上位機集中控制一步化操作。
　　 各泵組控制單元PLC MICROLIGIX 1500，通過開放式高速現(xiàn)場設(shè)備總線DeviceNet（500kbit/S）與管理PLC SLC 5/05的掃描器模塊1747-SDN相連，各單元的運行情況、運行數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)等信息通過DeviceNet總線上傳給SLC 5/05，同時接受上位主機對泵組單元的控制命令。變頻器ACS 600通過現(xiàn)場總線適配器模塊NDNA-01與管理機SLC5/05掃描器模塊1747-SDN相連，通過現(xiàn)場設(shè)備總線DeviceNet進行數(shù)據(jù)交換。

　　站內(nèi)進線、母聯(lián)和電機饋電中壓柜的監(jiān)測、控制和保護，利用MODICON Sepam 2000綜合保護器來完成，Sepam 2000通過其支持的Modbus接口模塊，通過Modbus現(xiàn)場總線與SLC 5/05 3150-MCM模塊相連，SLC 5/05負(fù)責(zé)對11個Modbus子站進行管理和控制。另外，站內(nèi)低壓系統(tǒng)參數(shù)、戶外閥門狀態(tài)、計量數(shù)據(jù)、水質(zhì)參數(shù)等內(nèi)容，亦通過SLC 5/05引入全站的監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)全面監(jiān)控之目的。　
3.2 上位人機系統(tǒng)設(shè)計：
　　全站監(jiān)控操作的管理和監(jiān)控畫面的開發(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，實時交換數(shù)據(jù)。上位工業(yè)PC機與RTU通過Modbus協(xié)議相連，豐樂路站W(wǎng)izcon除具有監(jiān)測和控制本站數(shù)據(jù)的功能外，同時把從RTU獲得的數(shù)據(jù)，通過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。
　　豐樂路站人機系統(tǒng)主要包括以下內(nèi)容：(1).泵站運行總圖：顯示機組運行狀態(tài)，進/出水壓力，流量，閥門狀態(tài)，故障顯示。(2).10KV主接線圖：顯示合閘信號，進線電量；控制進線及機組開關(guān)開合。(3).單機運行狀態(tài)：顯示機組狀態(tài)，壓力，電流，溫度，一次運行時間，累計運行時間，變頻機組參數(shù)；控制開/停操作，故障復(fù)位，變頻器頻率給定。(4).報警畫面：所有事故報警的時間、內(nèi)容、報警確認(rèn)、打印。(5).壓力、流量等參數(shù)實時及歷史曲線圖(6).各種參數(shù)圖表、圖例等。(7).生產(chǎn)報表打印(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別身份登錄。

4.豐樂路加壓站調(diào)度通信及安全系統(tǒng)：

　　豐樂路加壓站是廣州市目前最大的一個加壓泵站，加壓水量達(dá)到57.6萬立方米／日，其流量大，影響范圍廣，如果同時出現(xiàn)突然停電及止回閥機械等故障，將會對管網(wǎng)的安全運行造成嚴(yán)重的威脅，必須有一個完善的調(diào)度通信系統(tǒng)和管網(wǎng)過壓安全保護措施。對這個問題我們以機械解決為主，以通信系統(tǒng)為輔的原則進行解決：
4.1.機械安全系統(tǒng)設(shè)計：
　　如果在豐樂路加壓站出現(xiàn)突然停電，導(dǎo)致來水壓力突然升高時，單靠通信的處理在反應(yīng)速度上是不夠的，目前主要是用幾個方法：一個是在豐樂路加壓站進出水管之間裝液壓止回閥，當(dāng)泵組突然全停時，來水壓力與出水壓力有0.05～0.1MPa壓差時止回閥自動打開，保持加壓前的過水量；另一個是在西洲、新塘水廠出水管和在豐樂路加壓站來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，自動泄壓排水；第三是在新塘水廠、西洲水廠送水泵組裝上超壓自動報警裝置，當(dāng)出水管壓力高于設(shè)定值時報警，及時自動減機降壓，以保障管網(wǎng)安全。
4.2.通信系統(tǒng)設(shè)計：
　　通信系統(tǒng)采用有線的數(shù)據(jù)專線和無線通訊互為備用，方案如下：第一、采用市公用電話為主，800MHz電臺為輔的話路通信，保證供水調(diào)度暢通可靠。第二、監(jiān)測數(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)專線和無線通訊互為備用，無線通訊選用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，該線路除了作為實時數(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)。
　　在豐樂路加壓站安裝一臺帶工控PC機的MOSCAD RTU，裝AB公司PLC的驅(qū)動程序，對加壓站的PLC內(nèi)存影象，在底層直接取得PLC的檢測參數(shù)。在調(diào)度室設(shè)一臺MOSCAD MCP／M的中心控制站，在新塘水廠和西洲水廠各設(shè)一臺MOSCAD RTU，各帶一臺工控PC機，作為通信監(jiān)控組態(tài)軟件運行和顯示用。
　　摩托羅拉數(shù)據(jù)鏈鎖通信協(xié)議（MDLC）是一種功能強大的通信協(xié)議，它為SCADA帶來很大的好處，可以支持有線與無線通信連接的混合網(wǎng)絡(luò)，這極大地增強了系統(tǒng)的可靠性。
　　此系統(tǒng)可以作為一個單獨的系統(tǒng)來運行，也可以在調(diào)度室端，通過用新系統(tǒng)測回的數(shù)據(jù)，用建立數(shù)據(jù)庫等方法形成歷史數(shù)據(jù)，提供查詢和打印報表功能，將豐樂路加壓站的數(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對多控制中心的連接，它的“爭搶”報告方式能打斷正常的通信，將特殊情況發(fā)送出去。當(dāng)豐樂路加壓站發(fā)生事故時，馬上發(fā)出報警，通知新塘水廠、西洲水廠和調(diào)度室，它的“存儲－轉(zhuǎn)發(fā)”功能可以降低系統(tǒng)對地形的要求程度。
　　現(xiàn)在，建立了完善的通信系統(tǒng)，當(dāng)豐樂路加壓站發(fā)生事故時，新塘水廠、西洲水廠馬上根據(jù)豐樂路加壓站搶發(fā)過來的數(shù)據(jù)，由與RTU連接的PLC進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果輸入機組控制系統(tǒng)，作用于事故報警和逐步停機，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，發(fā)出報警響聲，顯示報警區(qū)代碼。畫面分割器自動將該區(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)計要求，對加強治安保衛(wèi)工作起較大作用。

6. 結(jié)論：

　　今年3月中旬開始，豐樂路加壓站進行聯(lián)機試運行，運行結(jié)果顯示：豐樂路加壓站機組投入運行后，我司東部調(diào)入市區(qū)水量大幅增加，較好地實現(xiàn)了設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。綜合經(jīng)濟成本降低，如果豐樂路加壓用電計入新塘、西洲兩廠消耗成本，反比源水水質(zhì)差的西村、石門水廠綜合成本降低，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

參考書目：

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