三友化纖給水配套工程電氣及自控設計要點

楊曉潔

（唐山市水利規(guī)劃設計研究院，河北 唐山 063000）

1 工程概況及背景

三友化纖20萬t擴建項目給水配套工程水源取自曹妃甸供水管線，經(jīng)十一農(nóng)場泵站加壓后供給大化纖項目，輸水管道大部分利用南堡供水工程現(xiàn)有管道，小部分為新建管道。該工程設計包括輸水管線（新建）和加壓泵站2個部分，考慮三友化纖20萬t擴建項目用水需要，兼顧其他企業(yè)用水需求及開發(fā)區(qū)總體發(fā)展規(guī)劃要求，考慮輸水損失及凈水預留水量，該工程供水規(guī)模確定為2 500萬m3/a，即日供水6.85萬m3/d，加壓泵站也按此規(guī)模進行水泵選型及配套電氣設計。

加壓泵站部分位于十一農(nóng)場，土建部分于2007年完工，原設計規(guī)模為3 000萬m3/a，包括泵房、高低壓配電室、辦公室及值班室，其中泵房為干室型泵房，室內(nèi)安裝水泵機組，現(xiàn)有5個預留孔。泵站鳥瞰圖如圖1所示，圖中左下角建筑為變配電室，配電室上方為泵房，右手邊長條建筑為辦公室及值班室。該設計為水力機械、電氣、自動化控制及其他配套設計。根據(jù)輸水損失、出口預留水頭及地形高差，結(jié)合供水規(guī)模及泵房現(xiàn)場情況，選用適宜流量及揚程的水泵和配套電機，進行相應的電氣設計，并進行泵房儀表自控系統(tǒng)設計、泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計，以及辦公室、值班室和其他配套設施設計。工程概算總投資為2 599.63萬元，機電設備及安裝工程585.55萬元。

圖1 泵站鳥瞰圖

2 電氣一次系統(tǒng)設計

2.1 電源引接

該工程主要是為了解決三友化纖擴建項目的用水需求，實現(xiàn)三友集團的擴能增產(chǎn)，泵站是否運行正常將直接關(guān)系到三友化纖廠能否正常運行、生產(chǎn)，也關(guān)系到巨大的經(jīng)濟效益，因此泵站電氣用電負荷等級定義為一級。該工程采用雙電源進線，兩路電源互為備用，供電電壓等級均為10 kV，兩路10 kV電源，一個電源發(fā)生不能正常供電的情況時，另一個電源能不中斷供電。兩路進線布置方式相同，先通過架空的方式引入三友化纖泵站內(nèi)變電站終端桿，然后經(jīng)過短段電纜，采用直埋的方式，引入高壓配電室內(nèi)10 kV進線柜[1]。

2.2 用電負荷

用電設備主要包括4臺離心式機組，配套電機的功率均為132 kW，用三備一；電動蝶閥11個，配套電機功率為0.18 kW～1.5 kW；泵房設置電動天車1套，配套電機功率為3.9 kW；泵房設置設置潛水排污泵1套，配套電機功率為0.75 kW;泵房設置了真空泵系統(tǒng)1套，配套電機功率為4 kW;辦公樓用電系統(tǒng)1套，功率為20 kW。所有用電設備電壓均為380 V/220 V，總裝機容量約為500 kW。

2.3 電氣主接線

10 kV配電系統(tǒng)采用電纜進線，單母線分段接線形式，兩路電源互為備用。380 V供電系統(tǒng)采用單母線分段的接線形式，變電站設2臺電力變壓器，當其中1臺變壓器因故障無法運行，或者在泵站正常的工況下，需要運行的水泵臺數(shù)較少，1臺變壓器可以承擔全部負荷，可以將低壓母聯(lián)開關(guān)閉合，由1臺變壓器承擔兩段低壓母線上的主要用電負荷進行供電。由于泵站內(nèi)閥門要求在斷市電的情況下依然能正常關(guān)閉，因此設置EPS應急電源作為閥門的備用電源。

由于該工程水泵供電電壓均為380 V，因此將無功補償裝置設置在變電站變壓器0.4 kV電壓等級側(cè)，采用低壓集中補償?shù)姆绞?，自動投切，將功率因?shù)補償至0.9以上。無功補償柜與低壓進線與配電柜同列布置[2]。

水泵均采用變頻方式啟動，一方面可以減小啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，另一方面可以對供水水量進行調(diào)節(jié)。

2.4 計量

該工程計量方式為高供高計，動力照明統(tǒng)一計量，10 kV側(cè)設專用計量柜以實現(xiàn)全廠電能計量。

2.5 主要的電氣設備選擇

在選擇電氣設備及元器件時，一方面按工程的實際需要考慮，另一方面選擇國內(nèi)外知名品牌，相關(guān)產(chǎn)品在行業(yè)中占據(jù)了領(lǐng)先地位，既得到了權(quán)威部門的認證，又有良好的口碑，可靠性在實踐中已經(jīng)得到了檢驗及證實，質(zhì)量與服務均得到了保證；最后在滿足以上條件的同時，根據(jù)工程預算，考慮設備與元器件的經(jīng)濟合理性，優(yōu)化方案。

高壓開關(guān)柜選用KYN中置式金屬鎧裝開關(guān)柜。開關(guān)采用VS1-12型真空斷路器，配彈簧儲能操作機構(gòu)。變壓器選用SCB11-500/10，10/0.4kV干式電力變壓器。低壓配電屏選用GCS型抽屜式、GGD型固定式低壓開關(guān)柜。低壓變頻器采用ACS510-01-290A-4型。

2.6 設備布置與布線

該工程為改造工程，在進行該設計前，配電室已于2007年建設完成。泵站所在位置為低洼地區(qū)，考慮到在汛期可能會發(fā)生雨水灌入配電室的情況，將配電柜及變壓器基礎抬高0.8 m，在配電室地面上方壘建電纜溝，不采用地下開挖的方式。為了防止小動物進入變壓器室，在變壓器門口設置防鼠板。

由于泵房與配電室間已有的井室管路等限制，由配電室進入泵房電纜，如水泵電機電纜、泵房照明進線電纜、真空泵供電電纜等，無法通過地下埋管或采用電纜溝等方式敷設，設計方案最后選用室外電纜橋架的方式布線。

泵房內(nèi)布線主要采用橋架與地下埋管的方式布線。橋架分3層布置在泵房首層平臺下部，將高壓電纜、低壓電纜、控制電纜分層布置。

2.7 建筑照明及防雷接地系統(tǒng)

2.7.1 照明系統(tǒng)

照明供電方式采用放射式的供電方式。辦公及生活場所以熒光燈照明為主；泵房照明光源選用高壓鈉燈。變電站等重要場所及主要出入口場所設置設置疏散照明和疏散指示，持續(xù)供電時間應大于90 min，燈具應設玻璃或不燃燒材料制作的保護罩，確保停電后人員安全疏散。

2.7.2 防雷接地

電氣系統(tǒng)的工作接地、設備的保護接地與建筑物防雷接地共用一個接地裝置，該工程設總等電位聯(lián)結(jié)。為了防止建筑物遭受直擊雷，按三類建筑物防雷要求，各建筑物屋面上均裝設避雷帶作為接閃器。配電室增設人工接地極。

3 自動化儀表及控制系統(tǒng)設計

自控儀表設計根據(jù)泵站運行工況、管理的具體需求、工程預算，結(jié)合自控儀表的行業(yè)要求進行設計。

3.1 設計內(nèi)容

根據(jù)水工工藝及泵站運行要求，自動化儀表及控制系統(tǒng)設計內(nèi)容如下：1）按照泵站運行的工況，設置液位、流量、壓力和水質(zhì)分析等檢測儀表，并將儀表測得數(shù)據(jù)進行傳輸、顯示及報警。2）電氣設備運行的參數(shù)數(shù)據(jù)的傳送、顯示及報警。3）根據(jù)泵站實際運行及管理需要，設置水泵等設備的自動控制及自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。4）泵站內(nèi)閉路監(jiān)控系統(tǒng)的設計。

3.2 系統(tǒng)組成

考慮到本泵站規(guī)模和設備情況，尤其是泵站在實際應用后的重要性，系統(tǒng)設置了2套由監(jiān)控管理計算機、可編程序控制器（PLC）、現(xiàn)場儀表組成的設備，2套設備互為備用。

3.2.1 自動化儀表設計

按照泵站運行需要，在泵站的各個工藝流程中設置了檢測儀表，如水泵進出口壓力表、流量檢測表、前池液位檢測表等，全部儀表均采用帶現(xiàn)場顯示的智能型儀表。

3.2.2 可編程序控制器（PLC）

PLC的作用是根據(jù)運行管理的需要，對配電室電氣設備和泵站室內(nèi)外現(xiàn)場儀表的進行數(shù)據(jù)采集，如設備的運行參數(shù)、儀表測得數(shù)據(jù)和工況運行狀態(tài)等，然后將采集的數(shù)據(jù)時實傳送給監(jiān)控管理計算機。除此之外，可通過對PLC的編程實現(xiàn)對泵站的控制。

PLC設置在低壓配電室，主要實現(xiàn)功能：高壓開關(guān)柜狀態(tài)，低壓開關(guān)柜（2路進線及聯(lián)絡）狀態(tài)水泵（變頻控制2臺，軟起控制2臺）、真空泵裝置、調(diào)節(jié)閥門等設備開停的控制；水泵電機及軸承溫度監(jiān)測；前池水位、前池浮球開關(guān)、水泵進出口壓力、供水總管的壓力，流量檢測；排污泵等設備開停的控制；設備故障及檢測參數(shù)越限報警。

設置1臺通信管理機分別與高壓開關(guān)柜安裝綜合保護裝置、數(shù)字電力儀表、直流屏、2臺變壓器溫控器、低壓進線柜及聯(lián)絡柜設置的數(shù)字電力儀表通信；電量、斷路器狀態(tài)、變壓器溫度等數(shù)據(jù)信號通過控制光纖網(wǎng)絡上傳至2臺操作員站顯示。

3.2.3 監(jiān)控管理計算機

監(jiān)控管理計算機由主機、顯示器、鍵盤和打印機組成。它是水泵在運行過程中，人與泵站內(nèi)機械設備溝通的重要橋梁。計算機將通過PLC采集到的數(shù)據(jù)分析、處理、儲存、建模，就泵站運行過程中出現(xiàn)的故障進行報警、記錄。不僅可以使工作人員對泵站運行情況有直觀的了解，還能通過操作計算機調(diào)整泵站運行時的相關(guān)參數(shù)。

3.2.4 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

采用當前最先進可靠的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，中控室（值班室）與PLC組成光纖冗余環(huán)網(wǎng)，保證網(wǎng)絡的可靠性。

3.3 閉路監(jiān)控系統(tǒng)

在泵站廠區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵部位，如配電室、泵房和廠區(qū)門口等，設置1套閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)。閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)的設置，一方面可以方便對泵站的集中管理，實時了解泵站運行狀態(tài)，提高工作效率，一方面可以對要發(fā)生的隱患及時進行處理，為泵站安全運行提供保證，另一方面可提高自動化運行程度，精簡工作人員，降低運行成本。

泵站視頻監(jiān)控：中控室設置1臺網(wǎng)絡硬盤錄像機、1臺監(jiān)控客戶端、與現(xiàn)地站連接的光纖收發(fā)器、主干交換機等。設置泵站13套紅外網(wǎng)絡高速球形攝像機，7套紅外網(wǎng)絡槍型攝像機。主要視頻監(jiān)控設備：參照?？低?、大華、天地偉業(yè)等品牌產(chǎn)品選型設計。

泵站網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)：現(xiàn)地網(wǎng)絡攝像機就近匯入現(xiàn)地工業(yè)級光纖交換機，通過光纖接入中控室工業(yè)級光纖收發(fā)器，光纖收發(fā)器連接主干工業(yè)級交換機。在主干工業(yè)級交換機上接入硬盤錄像機及客戶端，可以對監(jiān)測視頻進行實時儲存，對顯示畫面進行切換，并可以實現(xiàn)對攝像頭進行靈活轉(zhuǎn)運及變焦控制等功能。視頻的壓縮格式采用H.264/H.265編碼壓縮技術(shù)，有效實現(xiàn)視頻及控制實時傳輸。預留與供水公司視頻通信接口。

3.4 泵站控制方式

自控系統(tǒng)的控制方式主要分為就地手動控制、PLC自動控制及遠程手動控制。

3.4.1 就地手動控制

就地手動控制是通過各設備就地電氣操作箱/電氣控制柜進行的控制操作。

3.4.2 PLC自動控制

該PLC檢測的儀表和被控設備通過I/O信號線與PLC柜聯(lián)系，檢測儀表將現(xiàn)場各種實時信號直接通過信號電纜送入PLC，PLC根據(jù)該信號再由PLC發(fā)出控制設備的命令，各設備的控制完全由PLC來控制。

3.4.3 遠程手動控制

由中控室的操作員站通過以太網(wǎng)、光纖環(huán)網(wǎng)向各PLC發(fā)出命令來完成控制。對各區(qū)域各設備均設有PLC自動控制和遠程手動控制2種方式[3]。

3.5 泵站編程要求

應用軟件的功能及編程質(zhì)量直接影響自動化功能的實現(xiàn)，也關(guān)系到使用的方便與否，因此對應用軟件編程提出了4個要求：1）應用程序的功能應該符合工藝要求。2）過程控制程序必須采取可靠的措施，不能因程序錯誤造成設備故障。3）人機界面友好，漢字顯示，程序調(diào)用方便，快捷，參數(shù)可設定，可修改。4）參數(shù)越限有聲光報警。

3.6 泵站軟件功能

對泵站實現(xiàn)自動控制，軟件系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用，對軟件功能的要求如下：1）在工控室監(jiān)控管理計算機上顯示全部設備及儀表的運行狀態(tài)信號及數(shù)據(jù)，當設備出現(xiàn)故障時，值班室和PLC站均可收到報警信息。2）在監(jiān)控室監(jiān)控管理計算機上顯示全部設備及儀表的運行狀態(tài)信號。3）全部工藝要求遙控的設備都可以在中控室監(jiān)控管理計算機上通過鼠標啟動。4）全部重要工藝設備參數(shù)及運行歷史數(shù)據(jù)，都可以在數(shù)據(jù)服務器中存儲、檢索。數(shù)據(jù)服務器軟件可以為廠級生產(chǎn)管理提供ODBC、OLE、OPC等工業(yè)標準數(shù)據(jù)接口，并且為供水公司遠程監(jiān)測提供實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口。5）上述服務器系統(tǒng)軟件、歷史數(shù)據(jù)庫軟件、報表軟件（生產(chǎn)報表）、組態(tài)軟件、通信軟件、編程軟件（用于PLC編程）參照西門子系列軟件選型設計。

3.7 泵站操作臺設計

操作臺形狀為直線型，2臺計算機主機，1臺視頻客戶端，3臺顯示器、鍵盤打印機位于操作臺面上。操作臺上帶有線孔。將電源電纜、通信電纜、接地總線分別設置在抗靜電地板下，再引至設備。

4 項目應用后經(jīng)濟效益

該工程主要為三友化纖20萬噸擴建項目提供配套水源，并為未來發(fā)展及其他用水企業(yè)預留部分水量，保證各企業(yè)的供水安全，為南堡開發(fā)區(qū)的發(fā)展奠定堅實的基礎。

4.1 降低電耗效益

運行水泵電耗值按公式（1）計算

計算參數(shù)：流量Q=0.8 m3/s，設計凈揚程H=35.0 m，液體容重γ=1 000 kg/m3，水泵年運行小時數(shù)t=8 760 h，原水泵效率=78.5%，使用節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)后水泵效率=84.0%，原電機效率=82.6%，使用節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)后水泵效率=94.5%，由此計算出原水泵年電消耗值W1=3.71×106（kW·h），使用節(jié)能技術(shù)后水泵年電消耗值W1=3.03×106（kW·h），電價按2.0元/kW·h計算，每年可節(jié)約電費136萬元。

4.2 供水效益

南堡開發(fā)區(qū)是嚴重缺水的地區(qū)，區(qū)域深層地下水嚴重超采，帶來了地面沉降、海水入侵等一系列生態(tài)問題，三友化纖20萬t擴建項目水源只能靠外部的引水工程為其供水，項目建設新增供水量2 500萬m3，其實際經(jīng)濟價值采用其替代的地下水的經(jīng)濟價值減去項目用水水價計算。地下水實際經(jīng)濟價值考慮到現(xiàn)狀超采地下水造成的一系列生態(tài)問題及治理超采所需要的投入，減少地下水開采的經(jīng)濟效益為5元/m3，現(xiàn)狀項目用水水價為4.85元/m3，則年經(jīng)濟效益為375萬元。

4.3 運行人工費

三友化纖20萬t擴建項目給水配套工程泵站采用自動化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的儀表自動控制與監(jiān)測，減少了運行值守人員，降低了運行人工費占運行管理成本比例，年節(jié)省值守人工費為19.2萬元。

5 結(jié)語

電氣在泵站的成功運行中起到了重要的作用，保證了泵站的正常運行，隨著時代的發(fā)展，自動化控制在泵站中的應用越來越廣泛，自動化的應用使泵站運行與管理更高效。三友化纖給水配套工程是現(xiàn)代泵站的1個實例，該文主要對其電氣及自控設計進行了闡述。在電氣方面，該文主要從用電負荷、電氣主接線、電氣設備選擇和設備布置布線等方面進行介紹；在自動化控制方面主要介紹了系統(tǒng)組成、閉路監(jiān)控系統(tǒng)、泵站控制方式以及泵站操作臺設計。泵站建成運行后，經(jīng)濟效益得到了顯著提高。