珠三角地區排澇泵站自動化改造研究

莊中霞，蘇晨茜

(1.廣東水利電力職業技術學院，廣州 510635；2.湖南大學，長沙 410082)

0 引 言

由于地域多雨與異常天氣，高強度降水帶來的珠三角地區內澇正嚴重影響人民生產生活。而排澇泵站利用率較低，管養能力不夠，群控率低等問題亟待解決。作為現代城市排澇不可或缺的大中型泵站，正發揮著越來越重要的作用，如何搞好排澇泵站運行管養、自動化建設標準與改造升級，實現節能增效，是當前擺在我們面前的重要研究課題。

目前珠三角地區排澇泵站自動化水平現狀參差不齊, 建設缺乏指導性標準，存在的主要問題有：單站自動化建設水平不高，利用率較低，管養水平不夠；泵站群規模較大，但群控率低，區域泵站群排澇效率差，成本高；城鎮排水體制不合理，雨污管道混接情況嚴重，水質形勢嚴峻，對排澇泵站運行與自動化建設產生較大影響；受珠江及城區內河涌洪潮水位頂托影響，泵站運行參數需要研究調整；排澇泵站的自動化設計研究方法不統一等。因此研究整體排澇泵站自動化建設標準迫在眉睫。

1 珠三角地區排澇泵站自動化建設現狀與問題

1.1 珠三角地區排澇泵站自動化建設現狀

珠三角屬于南亞熱帶典型的季風海洋氣候，具有雨量豐沛、暴雨頻繁、臺風肆虐的特征。加之該地區工業化、城鎮化步伐加快后，珠三角的“區域雨島效應”的日趨頻繁，使地區極端天氣在增加，暴雨、特大暴雨事件增多，一旦排水不及就極其容易發生內澇。

珠三角地區的排澇泵站運行時間不長(300～500 h/a)，對節能增效重視度不夠是事實，主要原因是排澇站的關鍵目的是要在短時間內把降雨產生的澇水排出去，而近年多變的氣候使設計計算依據不穩定，節能增效還有潛力可挖。已改造的泵站除按大型泵站打捆立項的，其他的在自動控制方面例如計算機監控、保護系統、通訊系統等方面也沒有見到大的改善，保護的配置仍然十分簡單。雖然有部分排澇泵站采用了一些監控設備，但很少是為排澇泵站設計開發的，應用效果可想而知，在不少地方實際就成了擺設。

特別是合理確定排澇泵站的自動化標準方面，如標準過高，自動化建設規模偏大，造成一定的投資浪費和閑置；如標準過低，自動化建設規模不足，需要二次建設，也造成投資浪費。因此，合理確定建設標準需要進行深入研究。各設計單位各出奇招，實際上，近年大家也采用了其他方式來設計，并未得到主管部門重視和統一。隨著珠三角地區新城區和工業園區建設的加快，導致原有的泵站排澇能力不足，遇到暴雨即內澇成災，亟需通過改建和新建泵站，增加排澇流量，特別是加強區域排澇泵站自動化群控建設，提高該地區防澇減災能力。現在新建大型泵站自動化建設比較先進可以互補，為以后設計計算和節能增效提供了有力依據。

1.2 珠三角地區排澇泵站自動化建設存在問題

以中小型規模泵站為主的排澇泵站，在本地區還有部分采用老舊型號產品，自動化水平參差不齊。另外，檢測手段簡單，較少采用當前比較成熟的傳感器檢測技術和GPRS等，比較缺乏泵站設備檢測環節。泵站無法有效地整合自身資源，改進檢測手段和積累維修經驗。中小型泵站運行、管理制度缺乏，可以提供給大型排澇泵站借鑒的經驗尤為欠缺。

珠三角大中型排澇泵站平均裝置效率僅30%～50%，小型泵站更是低效運行，能源單耗高達6～7 kWh/(ktm)，而排澇泵站能耗更加驚人，距部頒標準泵站每臺機組要求能源單耗≤5 kWh/(ktm)有一定差距，每年僅電力能耗的浪費就很大。

排澇泵站自動化系統應該具有數據采集與處理、設備運行監控、故障報警、信息通訊等功能，但實際上同時具備這些功能的排澇泵站很少。加上珠三角地區排澇泵站自動化專業管理人員缺乏，技術水平參差不齊，地域經濟發達導致青工穩定性不高，更加缺乏高素質的專業技工和技師。

總之，珠三角地區目前排澇泵站運行維護及自動化建設現狀和主要問題是：排澇泵站運行維護及自動化水平現狀參差不齊, 建設缺乏指導性標準；單站運行維護及自動化建設水平不高，利用率不高；管養水平不高，管理人員能力低，流動性大；排澇泵站群規模較大，但群控率低；排澇泵站為季節性運行，泵站自動化改造困難，改造成本高。

2 珠三角地區排澇泵站自動化改造的解決思路與方向

2.1 完善珠三角排澇泵站自動化建設標準

泵站電氣自動化系統形式多樣、情況復雜、涉及方面很多，《泵站自動化系統建設指導意見(討論稿)》自2009年底發布后一直處于討論中，存在執行力度不夠、經濟投入差異大、規范不一等問題，特別是微機保護和電氣及其運行維護管理部分需要完善，至今沒有統一的建設標準。目前對排澇泵站自動化的現狀與改造研究不夠，需要進行深入的調研和探索。在調研現狀、分析問題的基礎上提出一套適用于排澇泵站的自動化建設標準或指南。

2.2 加強單站自動化的改造與提升

單站運行維護及自動化建設與改造，要體現珠三角特殊地域特色，本著技術水平適度先進、經濟實用、安全可靠的原則進行。不切合實際的盲目改造既浪費了資源，還達不到效果，結果是大部分棄之不用，所以不能追求排澇泵站自動化建設的“高大上”，而應該結合珠三角暴雨季節性頻繁、多臺風天氣和城鎮化普及等的特殊地域特色，提出行之有效的單站自動化的改造與提升路徑。

常用的綜合單位線法和推理公式法，適用于天然流域的降雨產流計算，但并不是很適用于城市化區域的降雨產流計算，但它卻是水利部門發布的官方文件[1]。實際上，近年大家也采用了其他方式來計算，并未得到主管部門重視和統一，實際設計計算需要根據特殊情況考慮各種因素修訂。目前單站自動化的改造與提升策略在珠三角排澇泵站的設計、施工、管營等方面得以突出體現。

2.3 增強排澇泵站自動化運行的智能性、實用性

排澇泵站習慣上比較注重電氣設備的控制與保護，但對泵站主機組及設備一般只用了監視，主要對閘門開度、進出口水位進行了監測，其余的監測偏少。因此，宜將所有設備監測數據系統地納入自動監測與保護系統中，加強對泵站主機組及輔助設備的監測：如主機組在線監測、水泵進出口壓力監測、閘門開度與位置監測、技術供水的水量水壓監測、進出水水情監測、清污機及啟閉機運行狀態監測等[2]。將這些設備監測數據系統地納入自動監測與保護系統中，才能增強泵站自動化運行的智能性、實用性和共享性。在此基礎上，提出指導性的技術標準，明確泵站自動化的監測項目及一般標準，以指導新舊泵站自動化的改造和建設。圖1為珠三角某排澇工程綜合業務管理系統結構圖。

圖1 珠三角某排澇工程綜合業務管理系統結構圖Fig.1 Structure diagram of the integrated business management system of a drainage project in the Pearl River Delta

2.4 加強排澇泵站(含水閘)的群控聯合調度

排澇泵站(含水閘)的群控聯合調度，可以發揮水閘作用，按照內河涌水位變化聯合調度，優先開啟裝置效率高的泵站排水，以節約能源，結合天氣預報和外江潮位預報，做好預排搶排等措施，以有效應對極端暴雨天氣。圖2為珠三角某排澇閘泵站網絡總體結構圖。根據數據流程，能夠實現對引排水方案調度指令從上到下的可靠傳輸；實現在線監測、視頻等業務數據的采集、傳輸、分發和共享；通過運營商VPN(虛擬專用網)技術，調試中心與各閘泵站工作在同一虛擬網絡的目的，增強了業務數據傳輸的安全可靠性，提高了通道利用率。

圖2 珠三角某排澇閘泵站網絡總體結構圖Fig.2 The overall structure diagram of the network of the pump station in the Pearl River Delta

2.5 新建排澇泵站應借鑒原有的其自動化經驗，降低運行成本

在過去排澇泵站在本地區主要是以中小型規模泵站為主，設備設施大都采用老舊型號產品，控制環節基本上都是通過人工分、合斷路器形式。另外，監控手段簡陋，缺乏泵站設備檢測環節，一般都是在排澇泵站出現跳閘停機或機器不能運轉等故障才維修處理，嚴重影響緊急排澇任務。而且搶修后缺乏總結，無法汲取經驗，對檢測手段和維修方法進行有效的改進。現代化新型排澇泵站可以借鑒的系統運行經驗、管理制度缺乏。新建大型排澇泵站或升級改造原有泵站，應借鑒原有的運行維護及其自動化經驗教訓，降低泵站運行成本。最近幾年新建泵站借鑒了原有的設計計算方法，采用了新的途徑，取得了一定的效果[3]。

排澇泵站的運行成本過高，由于排澇的季節性和公益性決定了泵站不可能有很好的收益，其主要管護資金來源于地方財政的行政撥款，如遇暴雨成災，地方政府重視，資金相對充裕；反之則會捉襟見肘，但泵站的正常維護又必須每年進行，錢還是要花。所以，降低泵站的運行成本是設計初期就應該考慮的問題，選用低耗的設備，采用科學節能的管理方法，實施狀態監測和無人值班等都是降低泵站運行成本的辦法。

2.6 加強區域排澇泵站自動化管理信息化建設，建立應急預排機制

不管是已經完成改造還是尚未改造的，都未能很好地解決運行安全問題，部分泵站的自動化水平實際十分低下，新改造的泵站還必須有人值班，泵站的操作和事故的判斷基本還是靠人工完成。縣以上管理的國有泵站，一般都在泵站旁建有職工宿舍，汛期安排幾個人值班，平時對設備進行管護；不屬縣以上水利局管理的泵站，泵站總容量相對比較小，泵站管理者住在附近的村鎮，汛期需要排水時，值班人員就睡在泵房里，條件不容樂觀，需要加強自動化設施更新改造。

實施信息化建設和聯合調度是現代排澇泵站改造的亮點，如圖3為綜合業務應用系統結構圖。在汛期臺風影響珠三角前，為做好防御工作，各水利部門積極發揮各泵站的作用，調動各方面信息和水情，及時實行預排預抽空，進一步降低內河涌的水位，將內河水位控制在設定值以下，騰出庫容。同時，水利部門嚴格執行值班制度，泵站24小時待命，嚴密觀察水情，不得松懈；并組織人力檢查、清理各泵站、內河段的雜物，保證內河涌流水通暢。

圖3 綜合業務應用系統結構圖Fig.3 Comprehensive business application system structure diagram

3 適合珠三角地區排澇泵站自動化改造的技術路徑

3.1 實用化與共享性

操作簡單、使用方便、性能可靠、資源共享是排澇泵站自動化建設與改造的基本趨勢，也是理性投資的需要。泵站運行維護及自動化建設與改造，應遵循技術水平適度先進、經濟實用、性價比高、安全可靠、管養方便、節約資源的原則進行，在實用化的基礎上發展適合于排澇泵站的自動化改造與提升，實現信息共享，圖4為某排澇泵站通信傳輸組網示意圖。

圖4 某排澇泵站通信傳輸組網示意圖Fig.4 Schematic diagram of communication transmission network of a drainage pump station

3.2 管控一體化和水利信息化

由于網絡、通訊、GPRS技術的發展，實地數據的采集、控制命令的下達速率和可靠性越來越高，軟件技術的發展使泵站的信息化管理變得便捷，自動化系統涵蓋排澇泵站的信息化管理成為一個趨勢[4]。圖5為某排澇泵站數據庫維護管理系統功能結構圖。

圖5 某排澇泵站數據庫維護管理系統功能結構圖Fig.5 Function structure of the database maintenance management system of a drainage pump station

3.3 視頻技術的應用

由于視頻圖像清晰、傳輸速度快、無間隔的同步顯示，這讓排澇泵站不同層次的管理人員容易接受和使用，目前是珠三角排澇泵站應用最廣的技術，這也推動了視頻技術在泵站自動化系統中的廣泛共享。針對復雜的計算機網絡系統和視頻監控系統，采用了強大的大屏幕拼接控制器來顯示不同的視頻信號和RGB信號，見圖6大屏幕顯示系統拓撲結構圖。

圖6 大屏幕顯示系統拓撲結構圖Fig.6 Shows the topology diagram of the system

3.4 系統自診斷功能的完善

為了實現泵站優化調度和高效經濟運行，降低機組事故率，提高其安全可靠性，對泵站機組運行狀態實施監測診斷是必然要求。隨著計算機技術、現代傳感和測試技術、GPRS等技術的快速發展及其在實際中的廣泛應用，日益完善了排澇泵站的系統自動診斷功能，對大中型泵站機組實施實時狀態監測和故障診斷是適應排澇泵站自動化監控和現代化科學管理發展的必然結果。

3.5 遠程監測的使用

在排澇泵站調度系統中需要流量計、水位計、智能電表等監測儀表。原來的某種自動化設備只能現場查看水泵進出口壓力監測、閘門開度與位置監測等功能，現在增加GPRS模塊，將采集的數據以短信形式發到手機，特別當發生故障(事故，即某種數據過高或過低)，利用GSM模塊實現遠程監控，把控制柜的按鈕操作與指示燈改成人機界面，實現本地智能化監控。

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[1] 徐梁輝，王道善，江沛華.城鎮區域排澇與市政排水水文計算分析[J].黑龍江科技信息， 2012，(20)：246-246.

[2] 曾微波，王履華，吳長彬，高權忠.基于虛擬現實與物聯網技術的水閘智能調度系統研究[J].水利水電技術，2013，(11)：128-131.

[3] 嚴婉玲，鄧東升.番村泵站平原圍區小集雨面積城市排灌泵站規劃流量的分析計算[J].廣東水利水電， 2014，(4)：8-10.