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，經十一農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，兼顧其他企業用水需求及開發區總體發展規劃要求，考慮輸水損失及凈水預留水量，該工程供水規模確定為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場，土建部分于2007年完工，原設計規模為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，室內安裝水泵機組，現有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。根據輸水損失、出口預留水頭及地形高差，結合供水規模及泵房現場情況，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設計、泵站視頻監控系統設計，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，實現三友集團的擴能增產，泵站是否運行正常將直接關系到三友化纖廠能否正常運行、生產，也關系到巨大的經濟效益，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變電站終端桿，然后經過短段電纜，采用直埋的方式，引入高壓配電室內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1套，配套電機功率為4 kW;辦公樓用電系統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較少，1臺變壓器可以承擔全部負荷，可以將低壓母聯開關閉合，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。由于泵站內閥門要求在斷市電的情況下依然能正常關閉，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，采用低壓集中補償的方式，自動投切，將功率因數補償至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的沖擊，另一方面可以對供水水量進行調節。

2.4 計量

該工程計量方式為高供高計，動力照明統一計量，10 kV側設專用計量柜以實現全廠電能計量。

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，另一方面選擇國內外知名品牌，相關產品在行業中占據了領先地位，既得到了權威部門的認證，又有良好的口碑，可靠性在實踐中已經得到了檢驗及證實，質量與服務均得到了保證；最后在滿足以上條件的同時，根據工程預算，考慮設備與元器件的經濟合理性，優化方案。

高壓開關柜選用KYN中置式金屬鎧裝開關柜。開關采用VS1-12型真空斷路器，配彈簧儲能操作機構。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，考慮到在汛期可能會發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

2.7.1 照明系統

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結。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設計

自控儀表設計根據泵站運行工況、管理的具體需求、工程預算，結合自控儀表的行業要求進行設計。

3.1 設計內容

根據水工工藝及泵站運行要求，自動化儀表及控制系統設計內容如下：1）按照泵站運行的工況，設置液位、流量、壓力和水質分析等檢測儀表，并將儀表測得數據進行傳輸、顯示及報警。2）電氣設備運行的參數數據的傳送、顯示及報警。3）根據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節系統。4）泵站內閉路監控系統的設計。

3.2 系統組成

考慮到本泵站規模和設備情況，尤其是泵站在實際應用后的重要性，系統設置了2套由監控管理計算機、可編程序控制器（PLC）、現場儀表組成的設備，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的作用是根據運行管理的需要，對配電室電氣設備和泵站室內外現場儀表的進行數據采集，如設備的運行參數、儀表測得數據和工況運行狀態等，然后將采集的數據時實傳送給監控管理計算機。除此之外，可通過對PLC的編程實現對泵站的控制。

PLC設置在低壓配電室，主要實現功能：高壓開關柜狀態，低壓開關柜（2路進線及聯絡）狀態水泵（變頻控制2臺，軟起控制2臺）、真空泵裝置、調節閥門等設備開停的控制；水泵電機及軸承溫度監測；前池水位、前池浮球開關、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越限報警。

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

3.2.3 監控管理計算機

監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，人與泵站內機械設備溝通的重要橋梁。計算機將通過PLC采集到的數據分析、處理、儲存、建模，就泵站運行過程中出現的故障進行報警、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整泵站運行時的相關參數。

3.2.4 網絡拓撲結構

采用當前最先進可靠的工業以太網技術，中控室（值班室）與PLC組成光纖冗余環網，保證網絡的可靠性。

3.3 閉路監控系統

在泵站廠區內的關鍵部位，如配電室、泵房和廠區門口等，設置1套閉路電視監控系統。閉路電視監控系統的設置，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，提高工作效率，一方面可以對要發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。

泵站視頻監控：中控室設置1臺網絡硬盤錄像機、1臺監控客戶端、與現地站連接的光纖收發器、主干交換機等。設置泵站13套紅外網絡高速球形攝像機，7套紅外網絡槍型攝像機。主要視頻監控設備：參照海康威視、大華、天地偉業等品牌產品選型設計。

泵站網絡結構：現地網絡攝像機就近匯入現地工業級光纖交換機，通過光纖接入中控室工業級光纖收發器，光纖收發器連接主干工業級交換機。在主干工業級交換機上接入硬盤錄像機及客戶端，可以對監測視頻進行實時儲存，對顯示畫面進行切換，并可以實現對攝像頭進行靈活轉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，有效實現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柜聯系，檢測儀表將現場各種實時信號直接通過信號電纜送入PLC，PLC根據該信號再由PLC發出控制設備的命令，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、光纖環網向各PLC發出命令來完成控制。對各區域各設備均設有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量直接影響自動化功能的實現，也關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，程序調用方便，快捷，參數可設定，可修改。4）參數越限有聲光報警。

3.6 泵站軟件功能

對泵站實現自動控制，軟件系統起到至關重要的作用，對軟件功能的要求如下：1）在工控室監控管理計算機上顯示全部設備及儀表的運行狀態信號及數據，當設備出現故障時，值班室和PLC站均可收到報警信息。2）在監控室監控管理計算機上顯示全部設備及儀表的運行狀態信號。3）全部工藝要求遙控的設備都可以在中控室監控管理計算機上通過鼠標啟動。4）全部重要工藝設備參數及運行歷史數據，都可以在數據服務器中存儲、檢索。數據服務器軟件可以為廠級生產管理提供ODBC、OLE、OPC等工業標準數據接口，并且為供水公司遠程監測提供實時數據轉發接口。5）上述服務器系統軟件、歷史數據庫軟件、報表軟件（生產報表）、組態軟件、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，并為未來發展及其他用水企業預留部分水量，保證各企業的供水安全，為南堡開發區的發展奠定堅實的基礎。

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：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t=8 760 h，原水泵效率=78.5%，使用節能關鍵技術后水泵效率=84.0%，原電機效率=82.6%，使用節能關鍵技術后水泵效率=94.5%，由此計算出原水泵年電消耗值W1=3.71×106（kW·h），使用節能技術后水泵年電消耗值W1=3.03×106（kW·h），電價按2.0元/kW·h計算，每年可節約電費136萬元。

4.2 供水效益

南堡開發區是嚴重缺水的地區，區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，其實際經濟價值采用其替代的地下水的經濟價值減去項目用水水價計算。地下水實際經濟價值考慮到現狀超采地下水造成的一系列生態問題及治理超采所需要的投入，減少地下水開采的經濟效益為5元/m3，現狀項目用水水價為4.85元/m3，則年經濟效益為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，可以實現系統的儀表自動控制與監測，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，年節省值守人工費為19.2萬元。

5 結語

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組成、閉路監控系統、泵站控制方式以及泵站操作臺設計。泵站建成運行后，經濟效益得到了顯著提高。