中繼泵自主配置技術(shù)在泥水盾構(gòu)施工中的應(yīng)用

趙 旭，黃平華，葉 忠，孫宏偉

(中鐵隧道集團(tuán)武漢地鐵二號線越江隧道項(xiàng)目部，武漢 430062)

0 引言

中繼泵是泥水盾構(gòu)極為重要的附屬設(shè)備之一，由于需要在盾構(gòu)主控室內(nèi)進(jìn)行集中控制，對安全性和系統(tǒng)性要求較高;因此，大多數(shù)工程還是選擇使用進(jìn)口的成套設(shè)備，在泥水盾構(gòu)施工中，一直面臨成本高和技術(shù)上受制于外企的尷尬境地。高海旺［1］、孫春燕等［2］對熱網(wǎng)中繼泵的設(shè)置與經(jīng)濟(jì)性做了研究;應(yīng)勇［3］對中繼泵在泥水平衡頂管中的應(yīng)用做了研究;而關(guān)于泥水盾構(gòu)中繼泵技術(shù)的研究還很少。本文結(jié)合武漢地鐵2號線越江隧道工程實(shí)例，介紹了中繼泵系統(tǒng)的自主配置。通過自由配置不僅可節(jié)省工程施工成本，又可掌握核心技術(shù)，不受制于外企，還能促進(jìn)和帶動機(jī)電、材料、傳感器等相關(guān)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有深遠(yuǎn)的意義。

1 中繼泵的自主配置

1.1 泥水循環(huán)系統(tǒng)介紹

在泥水盾構(gòu)施工中，泥水循環(huán)系統(tǒng)［4］(如圖1所示)通過送泥泵將膨潤土泥漿壓入泥水艙以支撐開挖面，掘進(jìn)時(shí)刀盤切削下來的渣土在泥水艙中與膨潤土泥漿混合，然后通過排泥泵，將混合泥漿帶出地面，送到泥水分離設(shè)備進(jìn)行渣土與泥漿的分離，分離后的泥漿經(jīng)過處理后重新泵送至泥水艙。

圖1 泥水循環(huán)系統(tǒng)Fig.1 Slurry circulation system

1.2 中繼泵的原理

泥水循環(huán)系統(tǒng)需依靠泥漿泵來實(shí)現(xiàn)泥漿的不斷循環(huán)。由于受泥漿泵的揚(yáng)程、流量等的限制，單靠1臺送泥泵和1臺排泥泵遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到整條隧道的施工要求，這就需要在盾構(gòu)掘進(jìn)到一定距離時(shí)，在隧道中間增加中繼泵站，以確保整個(gè)泥水循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

中繼泵主要由1臺泥漿泵及其配套的驅(qū)動控制系統(tǒng)組成。中繼泵作為泥水循環(huán)系統(tǒng)的一部分，由主司機(jī)在盾構(gòu)主控室內(nèi)遠(yuǎn)程操作，通過幾臺泵的接力配合，在每臺泵的性能允許范圍內(nèi)，確保泵送泥漿的流量和壓力。

1.3 中繼泵的選型計(jì)算

為了選擇合適的交流電機(jī)驅(qū)動中繼泵，必須計(jì)算出泥漿泵的軸功率P。泵裝置是泵及其附件、吸入管路、排出管路等的總稱。泵的配套功率N是整個(gè)泵裝置的功率，實(shí)際工程中需要準(zhǔn)確地配套功率［5］，而配套功率N不能直接計(jì)算出來，它與泵的軸功率P的關(guān)系為

式中:η1為泵傳動裝置效率;K為功率裕量系數(shù)。裝置揚(yáng)程Hz是泵裝置的重要參數(shù)，計(jì)算公式為

式中:h為幾何高度差，m;P1－P2為壓力差，Pa;Hv為整個(gè)裝置管路系統(tǒng)的阻力損失，m;ρ為泥漿密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2。

Hv的計(jì)算公式為

式中:∑Hv1為延程阻力損失和，m;∑Hv2為局部阻力損失和，m;d為管路直徑，m;v2為泥漿流速，m/s;λ為摩擦阻力系數(shù);k為局部阻力系數(shù);l為管長，m;g為重力加速度，m/s2。

泥漿流量Q是另一個(gè)影響功率的參數(shù)，計(jì)算公式為

式中:S為固體物料體積質(zhì)量，kg/L;Sm為泥漿體積質(zhì)量，kg/L;Qa為固體的體積流量，m3/h;Cw為泥漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

泥漿泵軸功率P的計(jì)算公式為

式中η為泥漿泵效率［6］。

1.4 中繼泵自主配置關(guān)鍵技術(shù)

除了中繼泵的選型計(jì)算外，中繼泵系統(tǒng)自主配置的關(guān)鍵技術(shù)就是電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及通訊。

中繼泵的電氣控制原理如圖2所示。

中繼泵站作為一個(gè)從站融入盾構(gòu)的泥水循環(huán)系統(tǒng)，與主站保持良好的通訊。從站主要完成泵的參數(shù)采集和處理、過程參數(shù)的設(shè)定和監(jiān)視、設(shè)備的聯(lián)鎖控制、報(bào)警檢測等控制，與主站進(jìn)行通訊，并完成主站發(fā)出的指令。從站具有遠(yuǎn)程、本地切換功能，當(dāng)切換為遠(yuǎn)程時(shí)，從站受主站控制，當(dāng)切換為本地控制時(shí)，本地具有啟、停、調(diào)速控制功能。泵所需要的軸封水的壓力和冷卻風(fēng)機(jī)的啟停控制也納入主、從站控制，并與泵具有邏輯聯(lián)鎖控制關(guān)系，當(dāng)軸封水壓力不夠或風(fēng)機(jī)故障時(shí)，泥漿泵會自動跳停。中繼泵的控制系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)所要求的全部功能，并能與主站程序進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和通訊。

圖2 中繼泵控制原理圖Fig.2 Control principle of relay pump

從站和主站之間通過1條Profibus-DP總線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

武漢市軌道交通二號線越江隧道工程江南起點(diǎn)為積玉橋站，江北終點(diǎn)為江漢路站。全長約3 100 m。本工程盾構(gòu)區(qū)間采用2臺全新的泥水盾構(gòu)施工，隧道總長6 183.204 單線 m:其中，右線長 3 084.972 m，左線長3 098.232 m［7］。盾構(gòu)從積玉橋站始發(fā)，始發(fā)井隧道中心埋深13 m;泥水分離設(shè)備距離始發(fā)井200 m左右。工程剖面如圖3所示。

本工程要完成整條隧道的施工，每條線需要安裝3 臺排泥泵(即 P2.1泵、P2.2泵、P2.3泵)和 2 臺進(jìn)泥泵(即 P1.1泵、P1.2泵)。該盾構(gòu)原配了 P1.1泵和 P2.1泵，需要自行配置6臺中繼泵。

右線盾構(gòu)在掘進(jìn)至500多m時(shí)，加上豎井高度及地面管路，排泥管路總長已達(dá)800多m，P2.1排泥泵的出口壓力明顯增大，經(jīng)研究決定，在此位置安裝P2.3排泥中繼泵站。

圖3 工程縱剖面圖(單位:m)Fig.3 Longitudinal profile of tunnel(m)

2.2 主要部件選型

2.2.1 泥漿泵及驅(qū)動電機(jī)選型

本工程在此段的具體工況參數(shù)見表1。

將表1數(shù)據(jù)代入式(1)—(5)中，得到Hz=67 m，Q=650 m3/h，軸功率P=331 kW，中繼泵采用直聯(lián)傳動，配套功率N=1.1 P=364 kW;因此，需要選用的交流電機(jī)額定功率為400 kW，選用的電機(jī)為西門子400 kW交流變頻電機(jī)，渣漿泵型號為WARMAN10/8FFGH，流量900 m3/h，揚(yáng)程 75.5 m，渣漿密度 1.3 kg/L，允許通過顆粒最大直徑180 mm，可以滿足工況要求。

表1 具體工況參數(shù)表Table 1 Specific parameters

2.2.2 電氣柜尺寸的確定

中繼泵的電氣控制部分包括高壓柜、低壓柜、變壓器、變頻柜及本地控制柜。中繼泵安裝在隧道一側(cè)，不能影響電瓶機(jī)車的水平運(yùn)輸;因此，安裝空間比較有限，需要仔細(xì)計(jì)算每個(gè)電氣柜的最大允許尺寸。

根據(jù)工程的實(shí)際情況，按最大允許空間先做出中繼泵站支架，如圖4所示。

越江隧道管片內(nèi)徑5.5 m，管片運(yùn)輸車寬1.28 m，中繼泵站支架必須盡量避免影響電瓶車的水平運(yùn)輸;因此，每個(gè)電氣柜深不能超過900 mm，而且要考慮到柜門打開時(shí)的情況，高不能超過2 200mm，寬度原則上不受限制。

2.2.3 其他主要部件選型

1)變頻器采用施耐德ATV61系列雙通道通風(fēng)柜式變頻器，防護(hù)等級為IP54，以適應(yīng)惡劣的現(xiàn)場環(huán)境;控制系統(tǒng)采用完善的故障監(jiān)視和聯(lián)鎖保護(hù)，以確保設(shè)備安全可靠。

2)本地控制柜內(nèi)PLC模塊采用西門子ET200M，配置IM153－1接口模塊和數(shù)字/模擬I/O模塊各1個(gè);需要采集的信號有泵電機(jī)運(yùn)行電流、轉(zhuǎn)速、泵進(jìn)出口壓力信號、泵故障和緊急停止等;接受主站的信號有系統(tǒng)啟動、停止、調(diào)速、復(fù)位等;采用PLC控制變頻器來實(shí)現(xiàn)泥漿泵的無級調(diào)速。

3)本系統(tǒng)通訊任務(wù)復(fù)雜，環(huán)境干擾較大，對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸速度、抗干擾能力有一定要求;因此，本系統(tǒng)采用Profibus－DP總線與主站通信，利用西門子RS485中繼器解決傳輸距離對通訊的影響。

4)變頻器上面的主接觸器采用進(jìn)口產(chǎn)品，電氣柜內(nèi)主要電氣元件需采用質(zhì)量可靠的品牌。

2.3 中繼泵的組裝調(diào)試

2.3.1 中繼泵站的組裝

P2.3中繼泵安裝示意圖如圖4所示。

圖 4 P2.3中繼泵示意圖Fig.4 Sketch of relay pump P2.3

盾構(gòu)所用的高壓主線路是從中心配電室引出的10 kV高壓電，中繼泵站的用電將從主線路引出。中繼泵站的低壓出線共分4路:第1路供變頻柜泥漿泵驅(qū)動電機(jī);第2路供隧道照明，在隧道最低點(diǎn)可供隧道防洪水泵;第3路供本地控制柜;第4路留作臨時(shí)照明、焊接等備用電源。

地面上的P1.1泵通過1條Profibus－DP總線電纜與盾構(gòu)機(jī)主控室的主站進(jìn)行通訊，中繼泵站也將借助中繼器(repeater)這條總線電纜與主站通訊。本工程的盾構(gòu)數(shù)據(jù)通訊圖如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)數(shù)據(jù)通訊圖Fig.5 Shield data transfer

RS485 中繼器(repeater)［8］上下分為2 個(gè)網(wǎng)段，其中A1/B1和A1'/B1'是網(wǎng)段1的一個(gè)Profibus接口，A2/B2和A2'/B2'是網(wǎng)段2的一個(gè)Profibus接口。信號再生是在網(wǎng)段1和網(wǎng)段2之間實(shí)現(xiàn)的，同一網(wǎng)段內(nèi)信號不能再生;2個(gè)網(wǎng)段之間是物理隔離的。A1/B1和A1'/B1'其實(shí)是一個(gè)Profibus接口的進(jìn)口/出口的接線端子，就像Profibus接頭的進(jìn)口/出口一樣，因而也涉及到終端電阻的設(shè)置問題，這也往往是在使用過程中容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方。如果設(shè)置不正確，中繼器將無法正常工作。在連接方法中，中繼器的一個(gè)網(wǎng)段是作為中間設(shè)備組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓展。西門子RS485中繼器的面板及連接方法如圖6所示。

在該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木W(wǎng)段2中，中繼器就是該網(wǎng)段的一個(gè)終端設(shè)備;因此，在網(wǎng)段2中，應(yīng)該將Profibus網(wǎng)線接在 A1/B1上，同時(shí)網(wǎng)段2的終端電阻設(shè)置為“On”。網(wǎng)段1不是網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，而是網(wǎng)絡(luò)中間的一個(gè)設(shè)備，因此，網(wǎng)絡(luò)1的終端電阻應(yīng)當(dāng)設(shè)置為“Off”，網(wǎng)段1上的2個(gè)終端設(shè)備P2.3泵和盾構(gòu)應(yīng)分別設(shè)置終端電阻。網(wǎng)段1和網(wǎng)段2的隔離開關(guān)應(yīng)設(shè)置為“Off”。

2.3.2 中繼泵站的調(diào)試

調(diào)試分為2部分進(jìn)行:一是本地控制調(diào)試，二是通訊及遠(yuǎn)程控制調(diào)試。調(diào)試階段需要測試中繼泵的各項(xiàng)功能，確保各個(gè)部分都能正常工作。

1)送電完成后，首先觀察各個(gè)元器件及面板上的指示燈是否顯示正常。如有異常，要檢查異常原因并立即處理。

2)測試驅(qū)動電機(jī)的風(fēng)機(jī)和軸封水泵的轉(zhuǎn)向是否正確，測試轉(zhuǎn)向時(shí)，一定要點(diǎn)動操作，能看出轉(zhuǎn)向即可。確定無誤后，將驅(qū)動電機(jī)和泥漿泵之間的聯(lián)軸器拆開，測試驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)向;此時(shí)，還可以同時(shí)測試本地或遠(yuǎn)程選擇開關(guān)是否能正常工作，以及泥漿泵的連鎖啟動功能。當(dāng)選擇開關(guān)位于遠(yuǎn)程位置時(shí)，本地操作應(yīng)該是無效的，只有打到本地位置，才能進(jìn)行本地操作。泥漿泵的啟動，一定是建立在風(fēng)機(jī)和軸封水泵正常開啟，并且軸封水的壓力和流量達(dá)到要求的基礎(chǔ)上的，若有一項(xiàng)條件不滿足，泥漿泵將無法啟動;在泵運(yùn)行時(shí)，若有一項(xiàng)出現(xiàn)故障(如軸封水流量不足、軸封水壓力不夠)，泵將會自動停止。本地調(diào)速旋鈕應(yīng)當(dāng)能正常調(diào)速。

圖6 西門子RS485中繼器及連接方法Fig.6 SIEMENS RS485 repeater

3)根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)置變頻器參數(shù)［9］。

4)泥漿泵的通訊連接及中繼器的設(shè)置需按照上述方案，盡量確保接線牢固，保證通訊質(zhì)量。在主控室工業(yè)電腦的泥水環(huán)流界面激活中繼泵的控制模塊，在主程序中查詢中繼泵的Profibus地址(查詢?yōu)?2)，然后在本地控制柜ET200的IM153－1接口模塊上將地址設(shè)為72。此時(shí)如果一切正常，在圖7所示的界面應(yīng)當(dāng)能看到泥漿泵進(jìn)口和出口的壓力顯示，然后嘗試在主控室內(nèi)遠(yuǎn)程啟動。運(yùn)行時(shí)圖7界面應(yīng)當(dāng)有泵的轉(zhuǎn)速和電流顯示。

5)用旁通模式運(yùn)行泥水循環(huán)系統(tǒng)2 h左右，進(jìn)行負(fù)載調(diào)試，期間可以啟停數(shù)次，以檢測P2.3泵的性能及連續(xù)工作能力。在負(fù)載測試期間，泵站派專人看護(hù)，隨時(shí)關(guān)注泵的運(yùn)行情況;此時(shí)也可以觀察泥漿泵盤根的狀況，并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

6)調(diào)試結(jié)束后，完善泵站的電氣防護(hù)工作，保護(hù)措施做到位，掛好安全警示牌。

3 結(jié)論與討論

1)中繼泵的用電要從盾構(gòu)的主電纜上分支，需要1個(gè)高壓分支箱來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。本工程在高壓柜內(nèi)設(shè)計(jì)了高壓分支系統(tǒng)，主線路在高壓柜內(nèi)分為2路(一路供中繼泵站使用，另一路繼續(xù)延伸至盾構(gòu))，這樣既節(jié)省了空間，又節(jié)約了成本。

圖7 泥水循環(huán)系統(tǒng)界面Fig.7 Interface of slurry circulation system

2)中繼泵作為從站，通過一條Profibus－DP總線與盾構(gòu)機(jī)主站連接，進(jìn)行通訊。每個(gè)中繼泵都有一個(gè)Profibus地址，只有從站的地址與主站程序中的地址設(shè)置一致，才能與主站通訊，接受主站的控制。

出于安全考慮，主站程序中設(shè)置了聯(lián)鎖啟動限制，在圖7所示的泥水循環(huán)系統(tǒng)中，如果P2.3前邊的中繼泵不啟動，那么P2.3泵將無法啟動。本工程在安裝 P2.3泵時(shí)，結(jié)合主程序要求，先把 P2.3泵的地址設(shè)置為 P2.2泵，當(dāng)作 P2.2泵來使用，隨著管路延伸，P2.2泵安裝以后，再把地址改回來，這樣就可以滿足主程序的要求。

3)中繼泵的安裝會影響正常的掘進(jìn)施工時(shí)間。合理的安排工序，可以大大節(jié)省時(shí)間。在中繼泵的安裝位置出來以后，就可以在不影響掘進(jìn)的情況下進(jìn)行底座支架的焊接安裝，一切準(zhǔn)備就緒，再停機(jī)安裝泥漿泵和電氣柜。

目前，自主配置的6臺中繼泵使用正常，泵站工作良好，為項(xiàng)目施工節(jié)省了近千萬元。考慮到設(shè)備性能及施工安全等問題，此次自主配置中繼泵的泥漿泵、變頻器等核心零件仍然采用了進(jìn)口產(chǎn)品。隨著我國科技的進(jìn)步，中繼泵的完全國產(chǎn)化進(jìn)程也必將快速發(fā)展，進(jìn)一步增強(qiáng)我國裝備制造業(yè)的綜合實(shí)力，提高我國重大裝備在國際市場的競爭力。

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