太原理工大學(xué)供水工程實(shí)驗(yàn)室工程規(guī)劃研究*

陳 超，沈金娟，黃 偉，張澤宇，董 亮

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 供水工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的背景及目的

供水工程作為利用機(jī)電設(shè)備及其配套建筑物，給水流增加能量，以實(shí)現(xiàn)提水、排水或補(bǔ)給水源的水利工程，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用[1]。供水工程安全、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，已經(jīng)成為供水工程研究的重要課題。供水工程實(shí)驗(yàn)室的修建以滿足四大教學(xué)與實(shí)驗(yàn)（水錘實(shí)驗(yàn)、汽蝕實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行實(shí)驗(yàn)、測(cè)試實(shí)驗(yàn)）為主要目的，對(duì)壓力、流量、水位、真空度測(cè)量精度要求高，在對(duì)水泵及其輔助設(shè)備和管路附件的選型上有著更高的要求。

2 供水工程實(shí)驗(yàn)室及配套設(shè)施選型的原則

按照該供水工程實(shí)驗(yàn)建設(shè)的要求，所選擇的產(chǎn)品在技術(shù)上具有連續(xù)性和可升級(jí)性，便于將來(lái)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，以滿足實(shí)驗(yàn)研究的日益發(fā)展。控制系統(tǒng)要預(yù)留一部分I/O接口和系統(tǒng)主要設(shè)備的容量，確保整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一性、完整性和可擴(kuò)展性。所選用的儀表均能適應(yīng)環(huán)境要求，并且結(jié)合試驗(yàn)教學(xué)的精度要求提供準(zhǔn)確可靠的讀數(shù)。

3 供水實(shí)驗(yàn)室的基本資料及技術(shù)要求

供水工程實(shí)驗(yàn)室底板高程791.284 m；進(jìn)水池深1.5 m，底板高程789.784 m，進(jìn)水池水面高程790.564 m；頂層水箱高程810.784 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)儲(chǔ)水箱尺寸為：1 800（長(zhǎng)）×1 200（寬）×1 500（高），儲(chǔ)水箱放置在地面，基礎(chǔ)采用槽鋼焊接。考慮到水箱進(jìn)/回水造成的液位波動(dòng)較大，水箱進(jìn)/回水管安裝在水箱下部，并采取水流緩沖措施，以減小液面的波動(dòng)。

因泵房水蒸氣含量過(guò)高，為避免和減慢PLC等控制設(shè)備的腐蝕，泵房?jī)?nèi)需加修一件控制室，采用鋁合金隔斷制作，面積5 m2。系統(tǒng)上位機(jī)、變頻控制柜、PLC柜均放在控制室內(nèi)。管路走線平面見(jiàn)圖1。

為滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模浞掷矛F(xiàn)有場(chǎng)地，在大量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)進(jìn)水管按兩路考慮，一路接地下蓄水池，另一路接儲(chǔ)水箱。供水主管采用DN100鍍鋅鋼管，裝設(shè)壓力、真空、流量計(jì)、電動(dòng)蝶閥及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等測(cè)量及顯示儀表。回水管分為兩路，一路可直接回儲(chǔ)水箱，另一路利用原有管路經(jīng)樓頂水箱返回到蓄水池。

圖1 管路走線平面圖

4 供水系統(tǒng)設(shè)備和管路部件的選型

4.1 水泵的選型

所選的水泵要滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)流量和揚(yáng)程的要求，并盡量使所選水泵在其高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行。根據(jù)已有資料得：H凈為20.22 m，選用100-160A型水泵，水泵的工作參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 泵的工作參數(shù)表

4.1.1 水泵安裝高程的確定[1]，[2]

水泵基準(zhǔn)面高程成為水泵安裝高程，用犖安表示。犖安必須滿足水泵在設(shè)計(jì)規(guī)定的任何條件下工作都不產(chǎn)生汽蝕。即：

式中：犖進(jìn)：進(jìn)水池的水位高程；

P大氣：進(jìn)水池水面的大氣壓力，Pa；

P汽：所抽水溫度的氣化壓力，Pa；

γ：水的重度，N/m3；

（NPSH）sr：水泵允許汽蝕余量，m。

表2

帶入公式（2）可得：H允吸=9.5-4.5-h吸損=5-h吸損。

根據(jù)泵房實(shí)際情況，將水泵安裝于泵房底板之上，配以槽鋼固定，即滿足要求。

4.1.2 供水工程需要揚(yáng)程及水泵工作點(diǎn)的計(jì)算[1]，[2]

式中：L，D，A：管路長(zhǎng)度、直徑、截面面積；

f，Σξ：管路摩阻系數(shù)和各種局部阻力系數(shù)之和。

管路摩阻系數(shù)f可由經(jīng)驗(yàn)公式

求得 ：

根據(jù)公式（5）可得：100 mm鋼管摩阻系數(shù)f1=0.042；根據(jù)公式（4）可得：K1=8 047。D=150 mm段，管長(zhǎng)L2=64.5 m；根據(jù)公式（5）可得150 mm鋼管摩阻系數(shù) f2=0.037；根據(jù)公式（4）可得 K2=2 962。由此可得：

根據(jù)所選水泵的工作參數(shù)表以及式（6）計(jì)算水泵的工作點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

圖2 水泵工作點(diǎn)的計(jì)算

由圖2可知，水泵的工作點(diǎn)處于水泵運(yùn)行的高效區(qū)，即說(shuō)明選取的水泵滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 輔助設(shè)備和管路部件的選型[3]

為防止水泵正常停機(jī)時(shí)水倒流沖動(dòng)葉輪反轉(zhuǎn)，管線上設(shè)置閘閥，選用河北隆堯遠(yuǎn)大閥門的Z45T-16型暗桿楔式閘閥；為防止水泵非正常停機(jī)引發(fā)水倒流對(duì)水泵的影響，在水泵出口加裝止回閥，選用上海瀘興閥門出產(chǎn)的HH44X型微阻緩閉止回閥；為滿足實(shí)驗(yàn)和教學(xué)要求，輸水管線上加裝電動(dòng)/手動(dòng)控制蝶閥以及電磁流量調(diào)節(jié)閥，選用寧波凡爾公司的ASQ-100型蝶閥和ASL208-040型流量調(diào)節(jié)閥；為防止因管道排氣不暢而形成的氣液相間運(yùn)行，在管路上加裝4臺(tái)進(jìn)排氣閥，選用DN25的國(guó)產(chǎn)進(jìn)排氣閥。安裝位置見(jiàn)圖1。

為滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，輸水管路上加裝電磁流量計(jì)；在水泵進(jìn)出口、電動(dòng)/手動(dòng)控制蝶閥、流量調(diào)節(jié)閥兩端分別安裝壓力表，在水箱內(nèi)安裝液位計(jì)，選用德國(guó)E+H的CERABAR M型智能壓力變送器和DB型靜壓液位計(jì)。

5 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

5.1 水泵變頻控制柜（PLC）

選用西門子公司的MICROMASTER430型變頻器，主要滿足以下功能：①全自動(dòng)恒壓供水，恒流量供水，電機(jī)軟啟動(dòng)，軟停止；②變頻、工頻自動(dòng)切換，水泵自動(dòng)輪換，故障自動(dòng)切換工作；③水箱水位自動(dòng)控制，無(wú)水停泵，有水自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行；④管網(wǎng)恒壓，恒流量值可調(diào)整；⑤集控、就地選擇功能；⑥手動(dòng)、自動(dòng)操作轉(zhuǎn)換功能；⑦具有上位機(jī)通訊接口。

5.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

選用研華科技的610L型工控機(jī)結(jié)合水泵變頻控制柜、監(jiān)控軟件及UPS電源等組成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。主要滿足以下功能：①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，包括：電壓、電流、有功/無(wú)功、正反瞬時(shí)流量、泵前后壓力、泵運(yùn)行狀態(tài)、水位等。②定流量控制：根據(jù)流量需求，控制水泵保持恒定轉(zhuǎn)速，保持流量不變。③定閥位控制：根據(jù)流量需求，控制閥門停留在預(yù)定的位置。④統(tǒng)計(jì)及計(jì)算：電量累加計(jì)算，流量累加計(jì)算，主要設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，泵組運(yùn)行工況統(tǒng)計(jì)，定值管理，報(bào)表。⑤泵組安全運(yùn)行監(jiān)視：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)視，事件順序記錄，故障報(bào)警記錄，參數(shù)超限報(bào)警與記錄，電氣主設(shè)備操作記錄。⑥泵組設(shè)備的實(shí)時(shí)控制與調(diào)節(jié)操作：泵組開(kāi)、停機(jī)操作，泵組緊急停機(jī)操作，泵組輔助設(shè)備啟、停控制，整定值、限值修改，運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換操作，泵組工況轉(zhuǎn)換方式等。⑦人機(jī)界面：系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)仿真圖、曲線圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表格、歷史數(shù)據(jù)表格及定值參數(shù)表等。⑧趨勢(shì)圖功能：用線狀圖顯示歷史趨勢(shì)和實(shí)時(shí)趨勢(shì)。⑨歷史數(shù)據(jù)存檔功能。⑩事件處理功能：可對(duì)運(yùn)行事件和重要的系統(tǒng)操作通過(guò)關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索。輥輯訛報(bào)表生成：參數(shù)的運(yùn)行分析結(jié)果會(huì)以報(bào)表的形式形成。輥輰訛打印系統(tǒng)。輥輱訛安全登錄及密碼保護(hù)：對(duì)系統(tǒng)的操作級(jí)別分為工程師級(jí)、操作員級(jí)，各級(jí)別的操作都設(shè)置密碼，并有操作記錄。

6 結(jié)論

（1）供水工程實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃研究，除了滿足國(guó)家相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)程、規(guī)范外，結(jié)合供水工程實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)要求選擇合適的產(chǎn)品。所選擇的產(chǎn)品和技術(shù)能夠確保供水工程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

（2）所選擇的產(chǎn)品具有強(qiáng)大的控制功能，可以實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)自動(dòng)化的要求，這一點(diǎn)具有創(chuàng)新性。

（3）所選擇的管路產(chǎn)品便于安裝、使用和維護(hù)，不但安裝、拆卸和更換方便，而且維護(hù)簡(jiǎn)單，工作量小。

（4）選擇的控制產(chǎn)品要具有豐富的內(nèi)置集成功能、強(qiáng)勁的通訊能力，能夠滿足各種工況、實(shí)驗(yàn)要求和控制功能；采用易學(xué)、易掌握的編程軟件和組態(tài)軟件，可以很方便地對(duì)控制程序進(jìn)行修改、改進(jìn)和調(diào)試。

可以設(shè)想，該供水工程實(shí)驗(yàn)室的修建，將為供水工程安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行的研究，以及供水過(guò)程中出現(xiàn)的如水錘等問(wèn)題的研究提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

[1]欒鴻儒.水泵與水泵站[M].北京:水利水電出版社，1993.

[2]劉家春，李少華，周艷坤.泵站管理技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2003.

[3]泵站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB/T50265—97）[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1998.

[4]朱滿林，奕鴻儒，吳建華.水庫(kù)取水泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].西安機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1993，9（3），P216～222，P247.