給水泵站清水庫自動進水系統(tǒng)的構(gòu)建和應用

張成棟

（上海城投水務（集團）有限公司制水分公司，上海 200436）

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，自來水給水泵站在城市管網(wǎng)中的數(shù)量正在不斷上升，主要承擔著供水管網(wǎng)中自來水的調(diào)蓄、增壓和水質(zhì)維持任務[1]。近年來，依托上級水務集團和制水公司的項目資金和政策支持，市北泵站管理所正逐步對轄區(qū)泵站進行設施設備的更新和自動化改造。該文就以松花江泵站為實例，從泵站清水庫進水的管路設計、設備選型、信號采集和邏輯控制等多個方面，分享在給水遠程控制泵站清水庫自動進水系統(tǒng)構(gòu)建和應用中的一些經(jīng)驗，并說明了該系統(tǒng)今后的優(yōu)化方向。

1 松花江泵站概況

松花江泵站是轄區(qū)內(nèi)一座較為典型的水庫增壓泵站，現(xiàn)場設清水庫2 座（20 000m3/座，庫容達40 000 m3），泵房內(nèi)配置6 臺低壓380 V 機組（4 增2 庫）。經(jīng)常運行方式是一增一庫，夏季高峰期為2 增1 庫，作為泵站無人化規(guī)劃里完成自動化改造的第一批次站點，投入運行至今，泵站各個生產(chǎn)層級系統(tǒng)已逐漸趨于一個穩(wěn)定運行的狀態(tài)。

2 清水庫自動進水系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)描述

清水庫自動進水系統(tǒng)：按照設定時間段，可以自由選擇控流或控壓模式進行進水操作，自動調(diào)節(jié)水庫進水調(diào)流閥進行補水，直至達到設定的水庫液位。整個系統(tǒng)具備進水條件增刪、調(diào)流閥選定、庫容調(diào)節(jié)、液位偏差修正以及進水狀態(tài)異常告警等調(diào)校水庫進水精度的功能[2]。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)建

2.2.1 進水管路設計

松花江路泵站現(xiàn)有20 000 m3清水池2 座。設計上，考慮每組清水池（水庫）進水閥門組配置4 只閥門，分別是進水方向的外檔電動檢修閥（應急操作閥）、內(nèi)檔手動檢修閥（保險閥）、進水調(diào)流閥（主控閥門）以及旁通管手動閥（檢修旁路），并配套伸縮接頭。其中，外檔電動檢修閥、電動調(diào)流閥均接高至地面70 cm 處，便于泵站運行人員的手動操作。

另外，管路配套儀表為：總進站管路、總出站管路上配置壓力變送器、電磁流量儀各1 套，每座水庫分設超聲波液位儀各1 套。

所有儀表數(shù)據(jù)信號和閥門參控信號均須采集并接入松花江泵站生產(chǎn)PLC 控制系統(tǒng)中。

2.2.2 設備和儀表選型

外檔電動檢修閥：作為參控的應急操作閥，采用keystone 的DN700 戶外型電動軟密封蝶閥，配Auma 電動執(zhí)行機構(gòu)，管中心標高3.350 m，閥桿接高至地面70 cm 處。

進水調(diào)流閥：作為主控的進水調(diào)流閥，采用VAG 的DN700 電動活塞式調(diào)流調(diào)壓針閥，具備安全減壓、精確持續(xù)調(diào)節(jié)流量、防氣蝕的特性，配Auma 電動執(zhí)行機構(gòu)SAR07.6。

內(nèi)檔手動檢修閥：作為調(diào)流閥檢修、水庫清洗時的手動保險閥，采用keystone 的DN700 手動軟密封蝶閥。

旁通管手動閥：作為檢修旁路用的手動閥，平時多處于不參控的常關(guān)狀態(tài)，采用keystone 的DN300 手動軟密封蝶閥。

進站總管、出站總管流量儀：作為系統(tǒng)程序中調(diào)節(jié)閥門開度的過程參數(shù)之一，通過公式計算可得到清水庫實時進水量，采用KROHNE 的OPTIFLUX2000 型分體式電磁流量計。

進站總管、出站總管壓力變送器：作為系統(tǒng)程序中保障平穩(wěn)進水的過程參數(shù)之一，起到進水管網(wǎng)穩(wěn)流保壓的作用，采用麥克的MPM4700 型差壓變送器。

1#、2#清水庫液位儀：作為系統(tǒng)程序中參控的閉環(huán)目標參數(shù)之一，是控制閥門啟閉和調(diào)節(jié)幅度的直接影響因子，采用的是E+H 的FMU30(0～8m)超聲波液位計。

2.2.3 信號采集和顯示

參控信號：電動檢修閥開足/關(guān)足DI；進水調(diào)流閥開足/關(guān)足DI、閥位反饋AI、控制AO、故障DI；進站、出站瞬時流量AI；1#、2#清水庫液位AI；總進、總出壓力AI。

過程信號：電動檢修閥遠程/就地DI、開足/關(guān)足DI、上電/失電DI；進水調(diào)流閥遠程/就地DI、上電/失電DI；進站、出站流量計故障DI；1#、2#清水庫液位計故障DI。

內(nèi)存信號：控制模式選擇、進水預設時間、判定時間、修正液位值、壓力允許下限、高液位急停值、閥位初設值、本次進水計時、理論剩余時間、實際剩余時間、目標進水流量。

圖1 清水庫進水管路設計圖

2.2.4 邏輯控制

2.2.4.1 自動進水條件

總進水壓力≥“壓力下限設定值”；進水調(diào)流閥處在遠程模式；被選擇閥門、液位計，總進、總出流量儀均無故障；以上同時滿足，視為滿足進水條件。

2.2.4.2 進水調(diào)流閥的選擇

閥門選擇模式分為“1#水庫調(diào)流閥”或者“2#水庫調(diào)流閥”作為進水閥門，兩者可以同時被選中。被選擇閥門執(zhí)行自動進水程序的開度命令。默認選擇“1#水庫調(diào)流閥”。如果2 只調(diào)流閥被同時選中時，開度控制為“雙閥同步”。

2.2.4.3 水庫的選擇

水庫選擇模式分為“1#水庫”、“2#水庫”和“兩庫運行”3 種模式。根據(jù)選擇水庫模式的對應數(shù)量，計算達到目標液位、水庫需補水的體積。雙庫進水時，考慮2 只液位計的誤差和水庫底板標高差值，增加目標液位的修正值設定的功能。

2.2.4.4 液位計選擇

液位計選擇模式分為“1#水庫液位計”或者“2#水庫液位計”作為液位測量值，且兩者不可同時被選中。默認選擇“1#水庫液位計”。單庫進水時，自動選擇對應的水庫液位計作為目標液位測量值。被選擇的液位計作為水庫進水量、進水完成等數(shù)據(jù)的最終依據(jù)。

2.2.4.5 進庫瞬時流量

增壓車開啟時，進水庫瞬時流量=進站瞬時流量—出站瞬時流量；增壓車未開啟時，進水庫瞬時流量=進站瞬時流量。

2.2.4.6 理論進水剩余時間

理論進水剩余時間是自上位機設定進水時間后，計算得出的?！翱貕耗Ｊ健?、“控流模式”均需單獨設置進水時間。自動進水開始，“進水時間”倒計時就是“理論進水剩余時間”。

2.2.4.7 實際剩余進水時間

根據(jù)被選擇液位計測量值，計算得出水庫實時缺水總量。實際剩余進水時間=水庫實時缺水總量÷當前進庫瞬時流量。

2.2.4.8 進水模式切換的控制邏輯

在水庫進水狀態(tài)下，人工自動模式切換時的閥位保持；自動進水→手動進水：程序全部復位，閥門開度維持；此刻，再手動進水→自動進水：程序可遵循新設目標參數(shù)，無縫切入自動進水程序，且閥門不再作“先歸0、再開啟至閥門開度初始值”的步驟。

2.2.4.9 水庫壓力自動進水模式（控壓模式）

上位機選擇“壓力模式”，將執(zhí)行以進站壓力參控的自動進水程序。

設置“進水時間”、“目標壓力”、“目標壓力上限偏差值”、“目標壓力下限偏差值”“進水停止液位”“閥門開度初始值”參數(shù)。

根據(jù)所設置“目標壓力”、“目標壓力上限偏差值”、“目標壓力下限偏差值”3 個參數(shù)，確認水庫進水時 需要保證進水總管壓力在 “目標壓力”+“目標壓力上限偏差值”和“目標壓力”-“目標壓力下限偏差值”的壓力范圍內(nèi)。

“進水時間”倒計時結(jié)束后，水庫將繼續(xù)按壓力模式進水直至達到目標液位值，除非中途進行人工干預?！斑M水停止液位”與被選液位計測量值進行比較，當水庫液位≧“進水停止液位”，水庫停止壓力模式自動進水。

“閥門開度初始值”在水庫開始進水時，被選中調(diào)流閥執(zhí)行此開度命令，閥門自動調(diào)壓時不受此參數(shù)控制。

進水壓力＞壓力范圍時，緩慢加大調(diào)流閥開度，以此控制進站壓力≈“目標壓力”。

進水壓力＜壓力范圍時，緩慢減小調(diào)流閥開度，以此控制進站壓力≈“目標壓力”。如果調(diào)流閥減小至較小的開度（可設定），進水壓力仍然小于壓力范圍，水庫停止壓力模式自動進水。

自動進水過程中，控壓的可接受區(qū)間不宜設置過窄，避免調(diào)流閥開度的調(diào)節(jié)頻次過快觸發(fā)閥門執(zhí)行機構(gòu)過載保護。自動進水停止時，完全關(guān)閉調(diào)流閥需要在一定的時間內(nèi)緩慢完成，避免水錘沖擊管道。緩慢關(guān)閥的時間，在下位機程序內(nèi)計入“進水時間”，確保準時關(guān)閥。

2.2.4.10 水庫流量自動進水模式（控流模式）

上位機選擇“流量模式”，將執(zhí)行以進庫流量參控的自動進水程序。

設置“進水時間”、“判斷時間”、“壓力下限”、“進水停止液位”、“閥門開度初始值”參數(shù)。通過設置“判斷時間”來計算“目標進水瞬時流量”，控制調(diào)流閥開度，使實際流量匹配目標流量，實現(xiàn)水庫自動進水。

“目標進水瞬時流量”作為參控數(shù)據(jù)來控制調(diào)流閥開度；“判斷時間”作為判斷進水理論剩余時間內(nèi)是否需要調(diào)整調(diào)流閥開度以達到進水目標高度的依據(jù)；將“進水時間”結(jié)合水庫補水總量，折算出目標進水平均瞬時流量，然后控制調(diào)流閥開度，使得進水達到該流量值；再在下個“判斷時間”進行迭代復核和調(diào)整。

為了保證進水平穩(wěn)，考慮將整個進水時間控制為3 段。中間時段的進水量分配比重加大，而初始和末尾時段不作頻繁調(diào)整的動作。

當進站壓力＜“壓力下限”時，水庫將繼續(xù)按當前進站壓力進水直至達到目標液位值，除非中途進行人工干預。

“進水停止液位”與被選液位計測量值進行比較，當水庫液位≧“進水停止液位” 水庫停止流量模式自動進水。

“閥門開度初始值”在水庫開始進水時，被選中調(diào)流閥執(zhí)行此開度命令，閥門自動調(diào)流時不受此參數(shù)控制。

自動進水過程中，控流的“判斷時間”不宜設置過短，避免調(diào)流閥開度的調(diào)節(jié)頻次過快觸發(fā)閥門執(zhí)行機構(gòu)過載保護。完全關(guān)閉調(diào)流閥需要在一定的時間內(nèi)緩慢完成，避免水錘沖擊管道。緩慢關(guān)閥的時間，在下位機程序內(nèi)計入“進水時間”，確保準時關(guān)閥。

2.2.4.11 進水完成提示

在自動進水程序的結(jié)束以時間、目標液位同時為基準，閥門控制程序停止，完全關(guān)閉閥門并彈提示框。

如果目標液位到、時間未到，則綠字顯示“松花江泵站水庫進水已完成，已達到目標液位4.5 m； 如果目標液位未到、時間已到，則紅字告警“松花江泵站水庫進水已完成，未達到目標液位4.5 m，目前液位為4.3 m”（突顯進水未完成狀況）。

2.3 主要應用場景分析

壓力自動進水模式（控壓模式）是根據(jù)清水庫補水需量、時長和即時流量反饋進行整個進水作業(yè)的，主要特點是在過程中，進站壓力的控制由上位機預設的上下閾值條件進行約束，而對于整個進水過程的流量和時間分配沒有太高的要求，只要確保時間充裕，該種進水模式能在保證管網(wǎng)壓力不因進水作業(yè)造成大幅波動的前提下，還能適時、適度的自動分配單位時間的進水量，直至整個進水作業(yè)得以順利完成。此種模式適應性強、精準度略有不足，更適用于處于區(qū)域壓力嚴格控制的、日間運行高負荷的（經(jīng)常性有日間水庫蓄水需求的）、中心城區(qū)的水庫增壓泵站。

而流量自動進水模式（控流模式）則是更加精進，傾向于把更多的控制優(yōu)先級設置在進庫流量的精細控制上，采取每隔一段時間復核進水進度來調(diào)節(jié)進水速率的方式，不斷的修正因站外管網(wǎng)的負荷變化所帶來的進水量控制誤差，確保極短時間內(nèi)的及時糾偏，從而達到清水庫進水控制的精準要求。但若是站外管網(wǎng)壓力工況發(fā)生劇烈的變化（如爆管等），將會有一定概率導致進水調(diào)流閥門無序動作的情況發(fā)生?？箾_擊性不足的短板，使得此種模式更適用于站點周邊供水需量平穩(wěn)、進水時長相對固定（夜間進水為宜）、峰谷趨勢明顯的水庫增壓泵站。

2.4 應用效果

實例：按調(diào)度指令要求，自2020 年4 月10 日23：30開始，采用控流模式進水，至次日4 月11 日6:00 結(jié)束，目標水庫水位為4.8 m。

從歷史曲線和實際狀態(tài)分析，在啟動控流模式的自動進水程序后，效果如下。1）進水調(diào)流閥在6.5 h 進水時間內(nèi)，閥門開度總共調(diào)節(jié)了4 次分別是啟、閉各1 次和因外管網(wǎng)壓力變化的中途調(diào)節(jié)2 次。2）進水瞬時流量控制較為穩(wěn)定，變化基本與閥門調(diào)節(jié)關(guān)聯(lián)同步，無異常。3）進水過程中，總進水壓力隨外管網(wǎng)壓力正常自由變化，無突變情況。4）啟閉閥門的過程比較平穩(wěn)，閉閥時間納入進水預設時間，無超時現(xiàn)象。

總體上說，自動進水系統(tǒng)運作得較為穩(wěn)定、可靠，且調(diào)節(jié)過程較為精準、無須人工介入，基本具備了清水庫自動進水的智能化功能，達到了預期的設計效果。

3 結(jié)語

城市給水泵站要起到區(qū)域水量調(diào)蓄的功能，主要是指遵循供水調(diào)度指令來配合水廠，對清水庫庫容進行控制，起到對供水管網(wǎng)“削峰補谷”的作用[3]?；诒谜旧偃嘶?、無人化的發(fā)展趨勢，清水庫自動進水系統(tǒng)將不斷在各個泵站普及，為了保障清水庫進水的安全性、穩(wěn)定性，進一步減少控制中心當班人員的工作強度，接下來，我們將摸索進水調(diào)流閥工作特性與進水流量變化率之間的規(guī)律，以期在清水庫自動進水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)策略和控制精度上作進一步優(yōu)化，從而真正達到清水庫進水系統(tǒng)的全自動、精細化管理的最終目標。