浮坞式泵站的无人值守控制系统分析研究.pdf

第11期2023年11月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)11-0 139-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.11November,2023浮坞式泵站的无人值守控制系统分析研究周成，金黎明（贵州省水利投资（集团）有限责任公司，贵州贵阳550 0 8 1）【摘要】贵州省山区水库中狭长地带泵站布置、机电设备安装及控制流程的设计较复杂，采用浮坞进行泵站布置，能满足建设需要。通过设计计算管道系统压力参数、启泵过程抽真空参数、泵后智能电动阀门开启时间参数等，结合分析系统真空泵工作条件、水泵工作条件及管路选择电动阀门控制过程，再结合实际工况条件水泵的自动启动、停泵、应急停泵等过程的技术要点，完成合黄家湾水利枢纽板猫泵站无人值守自动控制系统设计。通过系统的调试、试运行，结果表明，基于浮坞泵站的自身特点和项目地处狭长地带等实际条件，实现泵站可靠的智能无人值守是泵站安全可靠运行的必要条件，该项目的成功设计实施，可为狭长地带泵站布置及无人值守控制工艺设计提供参考。【关键词浮坞泵站；无人值守；抽真空；水锤中图分类号】TV547.4【文献标识码B网完成输配水。1概况2.2自动化系统设备黄家湾水利枢纽猫营提水工程属于工业供水项目，猫营本文所列的自动化系统不包括水泵的启动柜，主要包括提水工程所属的板猫浮坞泵站设计需要将水从10 37.5m提自动化系统可编程控制柜、阀门的电动执行器、库面水位传至117 0 m高程后接人蓄水池，再通过供水工程球墨铸铁管双感器、负压传感器、正压传感器、温度传感器、振动传感器、管送到达园区1137 m高程的高位水池。工况泵站工作净扬高位水池水位传感器、电磁流量计等设备。系统可编程控制程约为135m，输水管线平均坡度39，管道总长度约2 12 m，器采用西门子150 0 系列控制单元，可编程控制柜采集水位、提水高程为10 35m1170m,提升泵站设计及机电设备安装中，压力、阀门工作状态及水泵控制柜状态根据程序设计要求实设计采用浮坞式取水方式，浮坞泵站设备包含浮坞、耐磨式现自动运行，并进行故障报警，自动切换运行等，可实现远程多级水泵、智能一体化电动阀门、缓闭式止回阀、输水管路、控制、无人值守、就地自动、就地检修（调试）四种工作方式；电气控制自动化系统及配套监测监控仪器仪表、船设备、故障情况时系统将自动停止运行，并输出报警；实时监测流消防设施、救生系统、警示系统等单元，配置水泵电机功率量、水位、出水压力、电机温度、电动阀门的的状态、设备为39 0 0 kW的水泵。状态；提供历史数据及曲线查询；泵站监测系统配置有以太泵站位于黄家湾水库库尾罗家湾下游位置，属狭长地带，网及RS485通信接口，便于实现与大系统联网。泵站设计为浮坞式设备布置安装，基于实际条件泵站需实现3主要技术参数设计计算无人值守设计，本文着重就泵站的管路设备参数选型、仪器仪表参数设计计算、启停泵的工艺流程设计等分析研究，结合项目的实际实施情况分析，为类似设备布置方式无人值守自动化泵站项目提供参考。2系统设备布置情况2.1管路设备布置管路设备主要包括泵前设置的进水电动阀和吸水管道，泵后依次设置水泵出水电动阀、缓闭式止回阀、管路选择阀门、柔性主管路段、主管路、高位水池拍门等设备，水泵正常启动后水经水泵按照选择管路提水至高位水池进入自流管3.1管管路系统压力设计P=H/0.01+LN式中：P为管路系统运行压力值,MPa；H 为实际泵站设计扬程，m；L为输水管线总长度；N为管路压力损失均值，一般取(0.0 5 0.0 8)MPa/100m。根据上式计算可得管路运行压力P=1.52MPac水泵扬程的选择一般取运行计算压力值的1.15 1.2 5倍，此处取1.2 倍，水泵扬程确定如下：Hsp=1.2P:100 182 m水泵选择18 3扬程，启泵后打开出水阀前，出口压力最(1)(2)收稿日期2 0 2 3-0 3-0 7【作者简介周成（19 8 2-），男，宁夏中卫人，高级工程师，主要从事水利水电工程技术质量管理工作。139第11期2023 年11 月大约为1.8 3 MPa。3.2负压系统设计计算泵站采用离心式多级耐磨泵，启泵前采用真空泵进行管路抽真空，真空泵最大气量计算公式：60(L,+L,)元 r2Q=nT式中：Q为真空泵最大气量,m/min；L为泵前水平段管长,m;L,为泵前垂直段距水面管长,m；T 为抽真空工作时间，一般设计为30 s60s；r 为泵前管道半径，m；n 为真空泵工作平均效率，一般取0.6 0.8。根据现场安装情况及设计流量要求，本项目泵前水平段管道L,=2.5m；泵前垂直管道距水面Lz=3.5m；管道选口径DN600即r=0.3m；n 为真空泵工作平均效率，取0.7。若真空泵工作时间要求为30 s；则真空泵最大进气量Qi=4.8m/min；若真空泵工作时间要求为6 0 s；则真空泵最大进气量Q2=2.4m/min。根据以上设计计算选择功率为5.5kW，设计最大气量为3.83m/min的水环真空泵，用于系统气泵抽真空，抽真空运行时间T=38s。垂直管道距离水面距离为3.5m，启泵负压值理论应为-0.0 3MPa-0.035MPa,真空泵工作时间约为38 s。3.3电动阀门开关时间计算本项目单台水泵设置泵前DN600电动阀门一台，水泵出水阀为DN400一台，管路选择阀DN400两台，电动阀门选择智能一体化阀门驱动装置与系统进行RS485通讯，实现监测控制，电动闸阀的打开关闭时间计算如下：t=x60 s/minCXMXR式中：t为阀门打开时间,s；L为闸阀开关行程,mm；C为螺杆头数，单头取1，双头取2；R为电动执行器的额定输出转速,r/min。DN400电动闸阀开关时间t=125s；D N6 0 0 电动闸阀开关时间t=150 s。3.4自动化系统关键设备参数配置表表1CW-25E无人机性能参数序号主要设备名称进水电动阀门1DN600,PN2.5出水及管路电动阀智能一体化带2单台水泵配备3台门 DN400,PN2.5RS485通讯功率5.5kW,气量3水环真空泵4负压传感器5压力传感器6液位传感器7可编程控制屏西门子S71500系统8在线监测控制系统运行数据监测存储4运行情况分析系统可根据程序设定条件自动开启、停止水泵的运行，对运行中的各种状态参数进行实时监控，同时通过接口将数据上传至地面服务器，系统可智能判断工作状态，故障临停，:140陕西水利Shaanxi WaterResources解除故障自动投人预定程序运行。4.1启泵过程分析研究系统接受“启泵”信号后，智能巡检各设备工作状态，开启泵前进水阀门，系统接收到泵前进水阀开到位信号及泵后出水阀关到位信号后“打开真空泵”进行抽真空泵腔吸水。(3)在设计时间范围内水泵负压值达到设定要求后系统给水泵启动柜发出“启动水泵”信号，水泵启动，在压力传感器识别水泵完成启动后的设定压力值后“打开泵后阀门”实现提水至高位水池，系统在接收到泵后阀门开到位信号及流量传感器输出的预定流量范围值后“完成水泵启动”，在运行过程中各传感器及设备运行参数进行实时监测并传送至上位监控系统识别并存储。根据本项目在调试、试运行过程实际工作情况看，“启泵”过程的关键环节包括：电动阀门的到位必须与阀门实际情况一致，关闭阀门需实现完全关闭，以免系统工作中抽真空故障导致无法启动；抽真空负压值启动条件，在设计计算基础上，需根据实际天使情况进行调整；出水池液位监测需根据实际投人运行后水位监测数据的1.2 1.3倍设置高位水池水位保护报警停机值设置，以免高位水池水位故障引起频繁故障报警。若电动闸阀打开后一定时间内水泵压力未达到设定值（一般是因为水泵或上水管路漏气导致）系统将会自动停止水泵运行并关闭电动闸阀同时报警。4.2停泵过程分析研究当系统接受“停止”信号后，可编程控制柜首先给“泵后出水阀”发出“关阀指令”，在接收到“关到位”信号后，系统发出“水泵停止信号”，水泵停止运行、最后关闭进水L(4)技术参数说明智能一体化带单台水泵配备1台RS485通讯单台水泵配备1台3.83 m/min-0.1 MPa0.1 MPa02.5MPa010 mNo.11November,2023电动阀门，完成“停泵”。停泵过程的关键流程是防止“水锤效应”对泵及系统造成破坏，在停泵指令执行过程中，先关闭出水阀，再停止水泵运行，可有效防止“水锤效应”的破坏，在系统临时断电状况下则由泵后设置地缓闭式止回阀进行有效降低水锤效应。4.3监测与保护功能水泵自动控制系统的监测与保护信号主要包括高位水池水位、管路流量、真空压力、水泵压力、电机电流电压、泵轴温度、电机外壳温度、泵振动等。1）浮坞水位检测：选用GUY10（A）型水位监测仪表，动态实时检测进水水位，水位传感器将采集水位信号，送至控制系统可编程控制单元，并由控制单元送至现地地面计算机系统，从而实现对水位的实时监测。选用水位控制器，当水位控制器检测到了水位高限、水位低限后进行报警输出，由于本项目为浮坞式泵站正常工作情况下，水位应相对固定，启泵负压检测水位超限应故障停泵，报警输出，提示工作人员现场检修。管道压力检测2)高位水池水位监测：选用GUY10(A)型水位检测仪表，水位监测动态实时检测进水水位，此水位检测值，作为输水故障警示中心控制单元信号，参与水泵控制，水位超限后进行水泵控制柜控制输出，在线监测结合流量值，判定故障停机报警。3）水泵流量监测：选用DN400PN25电磁流量变送器，动态实时检测排水管路流量，将排水管路流量信号送至控制机并由控制机送至地面计算机，可实现低流量报警，每趟管路配备一台流量监测传感器。4）负压监测：选用真空负压传感器（0.1MPa）和真空第11期2023年11月压力表，当吸水管路真空度达到起泵条件时，压力表将输出信号给可编程控制箱，控制箱以此发出开泵信号。5）接入电机三相定子和前后轴温度，动态实时监测，当温度高于设定值时自动停泵。5结论1)设置于狭长地带的浮坞泵站与传统泵站设备布置条件有较大不同，由于环境所限，宜采用可靠的无人值守方式进行自动化系统设计，在后续的维护管理和安全管理中具备较大便利性。陕西水利Shaanxi Water Resources2）采用离心泵负压启泵、真空泵抽真空的方式，在浮坞式泵站实现抽真空启动的方式相较射流泵系统抽真空方式设备布置简单，控制流程简化，是此类空间紧张环境的泵站最佳抽真空方式。3）通过监测启、停泵管路压力值结合抽真空时间和开阀时间相结合的控制保护及故障分析判断，效果好，可明显降低自控系统故障率。4)在该项目设计选型中，通过对系统的设计计算、控制工艺的设计、运行情况的分析研究，提供了一套完整的无人值守浮坞泵站系统方案，可为类似项目提供参考。No.11November,2023（上接第138 页）4.2空三加密精度检查各分区空三加密精度统计见表3。表3空三加密精度统计表像控点最大残差分区号4XY10.00520.00230.00540.00250.00360.00270.02080.00690.003100.001110.015120.040130.004140.003150.001160.094170.068180.104190.117200.060210.139220.121230.002240.111由表3可知，像控点平面位置残差均小于0.30 m，高程残差均小于0.2 3m；检查点平面位置较差均小于0.40 m，高程较差均小于0.30 m，说明空三加密成果精度良好。5数字线划图（DLG）数据采集及精度统计与分析将空中三角测量加密成果导人航天远景MapMatrix4.1软件中进行定向建模，检查相对定向及绝对定向精度，检查结果满足技术设计要求，然后进行数据采集与编辑。采用GNSS-RTK作业方法外业采集地形点，采用同精度检测方法对数字线划图（DLG）进行精度检查，图幅等高线高单位：m程精度检查结果见表4。检查点最大较差表4图幅等高线精度检查统计表4h4XY0.0010.1770.0000.1250.0020.1430.0010.341-0.0010.0220.0000.1780.0000.1210.0100.054-0.0030.0130.0010.0340.0010.0110.0650.0190.0000.0650.0010.0700.0000.0500.103-0.094-0.1920.1230.2050.211-0.2020.1110.0090.078-0.1370.038-0.1520.0560.0010.124-0.1040.114单位：m4h点次图上高程/m实测高程/m0.20810.0480.127-0.3200.1620.2750.0750.196-0.121-0.1960.0100.0540.0040.1410.1860.1190.0810.172-0.1880.1250.1290.0770.0230.127较差/m654.0654.0289644.5290735.6336726.1337844.4346543.3H 0.3m的点数占比0.3m 0.6 m 的点数占比图幅等高线高程中误差6结语本文利用CW-25E无人机搭载飞思相机（PhaseOneIXU-RS1000）航摄系统，采用无地面基站机载GNSS辅助航摄技术+“构架航线”像控点布设方法，极大地减少了像控点的布设数量和难度，高效保质保量地完成了陕西省东庄水库供水工程1:10 0 0 数字线划图（DLG）生产，该技术已在我省多个大中型水利工程大比例尺数字线划图（DLG）生产中得到了广泛应用。1袁修孝.CPS辅助空中三角测量院里与应用.北京：测绘出版社，2 0 0 1.2孙明.基于UV20无人机搭载5DmarkI 相机在大比例尺测图中的可行性研究及精度分析J.测绘与空间地理信息,2 0 16(10):212-213,216.3】尚海兴.固定翼无人机非量测相机免像控点空三精度J.测绘与空间地理信息,2 0 2 0,43（10）：41-44.:141限差/m0.00.3644.20.3736.00.4726.7-0.6843.70.7544.3-1.0参考文献0.3 0.684%13%3%0.26m