太原理工大學供水工程實驗室工程規劃研究*

陳 超，沈金娟，黃 偉，張澤宇，董 亮

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

1 供水工程實驗室開發的背景及目的

供水工程作為利用機電設備及其配套建筑物，給水流增加能量，以實現提水、排水或補給水源的水利工程，在工農業生產中發揮著巨大的作用[1]。供水工程安全、高效、穩定的運行，已經成為供水工程研究的重要課題。供水工程實驗室的修建以滿足四大教學與實驗（水錘實驗、汽蝕實驗、運行實驗、測試實驗）為主要目的，對壓力、流量、水位、真空度測量精度要求高，在對水泵及其輔助設備和管路附件的選型上有著更高的要求。

2 供水工程實驗室及配套設施選型的原則

按照該供水工程實驗建設的要求，所選擇的產品在技術上具有連續性和可升級性，便于將來產品的更新換代，以滿足實驗研究的日益發展。控制系統要預留一部分I/O接口和系統主要設備的容量，確保整個系統的統一性、完整性和可擴展性。所選用的儀表均能適應環境要求，并且結合試驗教學的精度要求提供準確可靠的讀數。

3 供水實驗室的基本資料及技術要求

供水工程實驗室底板高程791.284 m；進水池深1.5 m，底板高程789.784 m，進水池水面高程790.564 m；頂層水箱高程810.784 m。根據現場實際尺寸，設計儲水箱尺寸為：1 800（長）×1 200（寬）×1 500（高），儲水箱放置在地面，基礎采用槽鋼焊接?？紤]到水箱進/回水造成的液位波動較大，水箱進/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。

因泵房水蒸氣含量過高，為避免和減慢PLC等控制設備的腐蝕，泵房內需加修一件控制室，采用鋁合金隔斷制作，面積5 m2。系統上位機、變頻控制柜、PLC柜均放在控制室內。管路走線平面見圖1。

為滿足教學實驗目的，充分利用現有場地，在大量優化設計方案的基礎上，系統進水管按兩路考慮，一路接地下蓄水池，另一路接儲水箱。供水主管采用DN100鍍鋅鋼管，裝設壓力、真空、流量計、電動蝶閥及電動調節閥等測量及顯示儀表?；厮芊譃閮陕罚宦房芍苯踊貎λ?，另一路利用原有管路經樓頂水箱返回到蓄水池。

圖1 管路走線平面圖

4 供水系統設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實驗流量和揚程的要求，并盡量使所選水泵在其高效區內運行。根據已有資料得：H凈為20.22 m，選用100-160A型水泵，水泵的工作參數見表1。

表1 泵的工作參數表

4.1.1 水泵安裝高程的確定[1]，[2]

水泵基準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計規定的任何條件下工作都不產生汽蝕。即：

式中：犖進：進水池的水位高程；

P大氣：進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。

根據泵房實際情況，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 供水工程需要揚程及水泵工作點的計算[1]，[2]

式中：L，D，A：管路長度、直徑、截面面積；

f，Σξ：管路摩阻系數和各種局部阻力系數之和。

管路摩阻系數f可由經驗公式

求得 ：

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

根據所選水泵的工作參數表以及式（6）計算水泵的工作點，見圖2。

圖2 水泵工作點的計算

由圖2可知，水泵的工作點處于水泵運行的高效區，即說明選取的水泵滿足設計要求。

4.2 輔助設備和管路部件的選型[3]

為防止水泵正常停機時水倒流沖動葉輪反轉，管線上設置閘閥，選用河北隆堯遠大閥門的Z45T-16型暗桿楔式閘閥；為防止水泵非正常停機引發水倒流對水泵的影響，在水泵出口加裝止回閥，選用上海瀘興閥門出產的HH44X型微阻緩閉止回閥；為滿足實驗和教學要求，輸水管線上加裝電動/手動控制蝶閥以及電磁流量調節閥，選用寧波凡爾公司的ASQ-100型蝶閥和ASL208-040型流量調節閥；為防止因管道排氣不暢而形成的氣液相間運行，在管路上加裝4臺進排氣閥，選用DN25的國產進排氣閥。安裝位置見圖1。

為滿足實驗教學要求，輸水管路上加裝電磁流量計；在水泵進出口、電動/手動控制蝶閥、流量調節閥兩端分別安裝壓力表，在水箱內安裝液位計，選用德國E+H的CERABAR M型智能壓力變送器和DB型靜壓液位計。

5 自動化控制系統

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全自動恒壓供水，恒流量供水，電機軟啟動，軟停止；②變頻、工頻自動切換，水泵自動輪換，故障自動切換工作；③水箱水位自動控制，無水停泵，有水自動恢復運行；④管網恒壓，恒流量值可調整；⑤集控、就地選擇功能；⑥手動、自動操作轉換功能；⑦具有上位機通訊接口。

5.2 上位機監控系統

選用研華科技的610L型工控機結合水泵變頻控制柜、監控軟件及UPS電源等組成上位機監控系統。主要滿足以下功能：①實時數據采集，包括：電壓、電流、有功/無功、正反瞬時流量、泵前后壓力、泵運行狀態、水位等。②定流量控制：根據流量需求，控制水泵保持恒定轉速，保持流量不變。③定閥位控制：根據流量需求，控制閥門停留在預定的位置。④統計及計算：電量累加計算，流量累加計算，主要設備運行統計，泵組運行工況統計，定值管理，報表。⑤泵組安全運行監視：實時動態監視，事件順序記錄，故障報警記錄，參數超限報警與記錄，電氣主設備操作記錄。⑥泵組設備的實時控制與調節操作：泵組開、停機操作，泵組緊急停機操作，泵組輔助設備啟、?？刂?，整定值、限值修改，運行方式轉換操作，泵組工況轉換方式等。⑦人機界面：系統運行狀態仿真圖、曲線圖、實時數據表格、歷史數據表格及定值參數表等。⑧趨勢圖功能：用線狀圖顯示歷史趨勢和實時趨勢。⑨歷史數據存檔功能。⑩事件處理功能：可對運行事件和重要的系統操作通過關鍵詞進行檢索。輥輯訛報表生成：參數的運行分析結果會以報表的形式形成。輥輰訛打印系統。輥輱訛安全登錄及密碼保護：對系統的操作級別分為工程師級、操作員級，各級別的操作都設置密碼，并有操作記錄。

6 結論

（1）供水工程實驗室的規劃研究，除了滿足國家相關的設計規程、規范外，結合供水工程實驗室的教學要求選擇合適的產品。所選擇的產品和技術能夠確保供水工程實驗室系統安全、穩定、可靠的運行。

（2）所選擇的產品具有強大的控制功能，可以實現供水系統自動化的要求，這一點具有創新性。

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

（4）選擇的控制產品要具有豐富的內置集成功能、強勁的通訊能力，能夠滿足各種工況、實驗要求和控制功能；采用易學、易掌握的編程軟件和組態軟件，可以很方便地對控制程序進行修改、改進和調試。

可以設想，該供水工程實驗室的修建，將為供水工程安全、高效、穩定運行的研究，以及供水過程中出現的如水錘等問題的研究提供科學依據和數據基礎。

[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[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

[3]泵站設計規范（GB/T50265—97）[S].北京:中國計劃出版社，1998.

[4]朱滿林，奕鴻儒，吳建華.水庫取水泵站優化設計探討[J].西安機械學院學報，1993，9（3），P216～222，P247.