廣州市自來水公司 梁聯堅 劉曉東 申石泉
廣州市環市西路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配方面，具有重要意義的豐樂路加壓站工程設計情況。從工藝機械設計、電氣系統設計、自動控制系統設計、通信及安全保障系統設計等方面進行了較詳盡的論述。體現了工藝先進、技術創新、管理完善的設計理念。
　　關鍵詞：工藝設計 變頻調速 自動監控 通信與安全

1、引言

　　為適應廣州市城市建設的發展，緩和廣州東部地區的供水狀況，我司于1996年底建成投產供水能力為50萬m³/d西洲水廠。但由于宏觀經濟調整等原因，東部地區發展較預期變緩，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，原水水質較好（II類標準），出廠水指標亦相對較優。相反，由于珠江水源受到嚴重污染，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，為市民提供優質自來水，我司決定將新塘水廠、西洲水廠富余的30萬m³/d優質自來水調入廣州，這項工程簡稱"東水西調"。經過充分的方案論證與比較，確定在乙烯廠豐樂路口建設加壓泵站。

2.工程總體設計及機電工藝設計：

2.1 設計概況及設計目標：
　　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。從節能降耗的目的出發，加壓站最終設置四臺恒速泵組和兩臺變頻調速泵組，并配以先進的自動控制設備保證滿足設計工藝要求。為滿足城市供水技術進步和發展規劃要求，豐樂路加壓站采用先進可靠的工藝、技術和設備，使加壓站運行控制和生產管理，達到目前國內同行業先進水平。
2.2 泵站工藝設計：
　　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管道損失2.5m，及由于加壓泵直抽導致來水壓力下降5m～8m左右。在泵型選擇上，對國內外產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臺為調速泵組，配800kW電機；4臺為恒速泵組，配710kW電機。該泵在設計工況點上最高效率是90%，而且效率曲線的高效區比同類水泵寬，保證了加壓泵站在工況變化大的范圍內能實現高效運行。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能力和配套能力。RDL800-970B水泵通過用調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律，合理選擇設備，我們將泵組分期安裝投運，首期裝1臺調速泵組和2臺恒速泵組。經試運行，3臺泵組全開水量已達到2.4萬m³/h，且發現供水高低峰流量變化對工況影響很大。調速裝置用在調節揚程變化、恒壓供水可以起較好節能作用。但揚程基本不變，用于調節流量，效率將會降低，因而應配合小水泵調流。故在二期考慮將原設計1臺恒速大泵改用3000m³/h較小水泵代替，改善調節能力。
2.3 泵站電氣系統設計：
2.3.1 供配電系統設計：
　　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直配風冷電機 ，800kW調速泵組采用10/0.69kV變壓器-變頻器組和690V風冷電機。系統總安裝容量為5090kVA，恒速泵組電機設電容器作無功就地補償，全站總用電負荷約3500kW。10kV配電設備選用真空斷路器。
　　繼電保護的選擇直接關系系統安全可靠運行，傳統電磁式設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，為中壓配電系統提供了可靠而完善的保護功能，且具有Modbus現場總線接口，便于整個系統的自動化集成。
2.3.2 泵組變頻調速：
　　隨著電力電子、微機技術及控制技術迅猛發展，變頻調速技術已日益完善。豐樂路加壓站根據工藝設計，設置2臺800kW 690V變頻調速泵組，變頻器選用ABB公司ACS600型變頻裝置。該變頻器采用DTC直接轉矩控制技術，其基本點是把轉矩直接作為被控量，直接控制定子磁鏈，結合先進的電機模型自動辯識技術和每秒鐘4萬次給定比較，可以實現快速轉矩響應和較高的控制精度。
　　泵組采用變頻技術，一是通過實時、快速閉環調節，滿足設計工況；二是達到節能降耗，降低生產成本之目的。在泵組變頻調速時，流量Q、揚程H、軸功率P之間關系為：流量與轉速成正比，揚程與轉速平方成正比，軸功率與轉速立方成正比。由圖1泵的流量Q-揚程H關系曲線可以看出，如果通過調節出水閥門滿足工況，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運行，其中部分采用調速泵組。圖2是定速、調速水泵并聯運行的Q-H關系曲線。當管網需水量減少，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。
　　通過降低調速泵組的轉速，使工況點由A3下降至A4，降低出水壓力，節余多余壓力水頭，在相同流量工況下減少功率：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　DP= K Q1(H1-H2 )/102h= K Q1D H/102h
　　由于工藝設計時，該泵在25-32米范圍內，保證泵組運行在高效區：86%<h<88%，變頻器運行頻率設計為40～52Hz，由P1= PN（n1/nN）3轉速與軸功率關系式可知，轉速調節可以大幅度降低軸功率，獲得良好節能效果。另外通過PLC和變頻器密切配合，實施動態閉環控制，調節周期和調節效果是以往的手段所無法比擬的。現場試運行表明，上述設計預想均得以實現。

3.泵站自動化監控系統設計：

　　加壓站自動監控系統設計原則是力求技術進步、功能實用、運行可靠、操作簡單、管理方便。為此設計安裝了先進的檢測儀表和控制設備，力求建立現代化的監控管理一體化系統，實現無人值守。
3.1 站內PLC監控系統：
　　站內監控系統采用各泵組單元分散獨立安裝與控制、通過工業網絡連接、集中管理的分布式結構。
　　 站內6臺泵組選用AB MICROLOGIX 1500小型PLC組成獨立控制單元，現場傳感器、執行機構、設備狀態等信息輸入PLC后，由PLC按既定控制流程完成控制任務。其中變頻機組PLC需要實時檢測來水、出水壓力，根據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矩控制，從而實現閉環調節。調速機組控制條件：(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安全運行。機組控制模式分為：現場分步控制、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，通過開放式高速現場設備總線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、運行數據、故障狀態等信息通過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，通過現場設備總線DeviceNet進行數據交換。

　　站內進線、母聯和電機饋電中壓柜的監測、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現場總線與SLC 5/05 3150-MCM模塊相連，SLC 5/05負責對11個Modbus子站進行管理和控制。另外，站內低壓系統參數、戶外閥門狀態、計量數據、水質參數等內容，亦通過SLC 5/05引入全站的監控系統，以實現全面監控之目的。　
3.2 上位人機系統設計：
　　全站監控操作的管理和監控畫面的開發，由Wizcon組態軟件包完成。AB SLC 5/05 與通訊部分MOTOROLA MOSCAD CPU（RTU）相連，實時交換數據。上位工業PC機與RTU通過Modbus協議相連，豐樂路站Wizcon除具有監測和控制本站數據的功能外，同時把從RTU獲得的數據，通過X.25分組數據網傳遞給新塘水廠、西洲水廠和中心調度室。
　　豐樂路站人機系統主要包括以下內容：(1).泵站運行總圖：顯示機組運行狀態，進/出水壓力，流量，閥門狀態，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開合。(3).單機運行狀態：顯示機組狀態，壓力，電流，溫度，一次運行時間，累計運行時間，變頻機組參數；控制開/停操作，故障復位，變頻器頻率給定。(4).報警畫面：所有事故報警的時間、內容、報警確認、打印。(5).壓力、流量等參數實時及歷史曲線圖(6).各種參數圖表、圖例等。(7).生產報表打印(8).網絡系統結構圖。其中上位控制操作需以高級別身份登錄。

4.豐樂路加壓站調度通信及安全系統：

　　豐樂路加壓站是廣州市目前最大的一個加壓泵站，加壓水量達到57.6萬立方米／日，其流量大，影響范圍廣，如果同時出現突然停電及止回閥機械等故障，將會對管網的安全運行造成嚴重的威脅，必須有一個完善的調度通信系統和管網過壓安全保護措施。對這個問題我們以機械解決為主，以通信系統為輔的原則進行解決：
4.1.機械安全系統設計：
　　如果在豐樂路加壓站出現突然停電，導致來水壓力突然升高時，單靠通信的處理在反應速度上是不夠的，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，當管網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，當出水管壓力高于設定值時報警，及時自動減機降壓，以保障管網安全。
4.2.通信系統設計：
　　通信系統采用有線的數據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，保證供水調度暢通可靠。第二、監測數據在通信鏈路上采用租用電信局的數據專線和無線通信相結合，采用MOTOROLA的MOSCAD系統作SCADA系統。系統結構如下：
　　采用有線的數據專線和無線通訊互為備用，無線通訊選用230MHz 數傳頻道。數據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據采集的通信線路外，還可作為水廠接入公司數據網絡系統。
　　在豐樂路加壓站安裝一臺帶工控PC機的MOSCAD RTU，裝AB公司PLC的驅動程序，對加壓站的PLC內存影象，在底層直接取得PLC的檢測參數。在調度室設一臺MOSCAD MCP／M的中心控制站，在新塘水廠和西洲水廠各設一臺MOSCAD RTU，各帶一臺工控PC機，作為通信監控組態軟件運行和顯示用。
　　摩托羅拉數據鏈鎖通信協議（MDLC）是一種功能強大的通信協議，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絡，這極大地增強了系統的可靠性。
　　此系統可以作為一個單獨的系統來運行，也可以在調度室端，通過用新系統測回的數據，用建立數據庫等方法形成歷史數據，提供查詢和打印報表功能，將豐樂路加壓站的數據納入現有的SCADA系統。選用MOSCAD系統可完成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，將特殊情況發送出去。當豐樂路加壓站發生事故時，馬上發出報警，通知新塘水廠、西洲水廠和調度室，它的“存儲－轉發”功能可以降低系統對地形的要求程度。
　　現在，建立了完善的通信系統，當豐樂路加壓站發生事故時，新塘水廠、西洲水廠馬上根據豐樂路加壓站搶發過來的數據，由與RTU連接的PLC進行數據處理，結果輸入機組控制系統，作用于事故報警和逐步停機，保證管網系統穩定。

5. 工業閉路電視監視系統：

　　系統負責監視整個站區的戶外情況，起保安、防盜的輔助作用。該防盜系統在有人非法越墻時，發出報警響聲，顯示報警區代碼。畫面分割器自動將該區攝像槍切換至監視器上，方便值班人員監視處理。使用中系統性能穩定可靠，達到設計要求，對加強治安保衛工作起較大作用。

6. 結論：

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

參考書目：

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