太原理工大学供水工程实验室工程规划研究*

2012-08-24沈金娟张泽宇

科学之友 2012年1期

陈超，沈金娟，黄伟，张泽宇，董亮

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024）

1 供水工程实验室开发的背景及目的

供水工程作为利用机电设备及其配套建筑物，给水流增加能量，以实现提水、排水或补给水源的水利工程，在工农业生产中发挥着巨大的作用[1]。供水工程安全、高效、稳定的运行，已经成为供水工程研究的重要课题。供水工程实验室的修建以满足四大教学与实验（水锤实验、汽蚀实验、运行实验、测试实验）为主要目的，对压力、流量、水位、真空度测量精度要求高，在对水泵及其辅助设备和管路附件的选型上有着更高的要求。

2 供水工程实验室及配套设施选型的原则

按照该供水工程实验建设的要求，所选择的产品在技术上具有连续性和可升级性，便于将来产品的更新换代，以满足实验研究的日益发展。控制系统要预留一部分I/O接口和系统主要设备的容量，确保整个系统的统一性、完整性和可扩展性。所选用的仪表均能适应环境要求，并且结合试验教学的精度要求提供准确可靠的读数。

3 供水实验室的基本资料及技术要求

供水工程实验室底板高程791.284 m；进水池深1.5 m，底板高程789.784 m，进水池水面高程790.564 m；顶层水箱高程810.784 m。根据现场实际尺寸，设计储水箱尺寸为：1 800（长）×1 200（宽）×1 500（高），储水箱放置在地面，基础采用槽钢焊接。考虑到水箱进/回水造成的液位波动较大，水箱进/回水管安装在水箱下部，并采取水流缓冲措施，以减小液面的波动。

因泵房水蒸气含量过高，为避免和减慢PLC等控制设备的腐蚀，泵房内需加修一件控制室，采用铝合金隔断制作，面积5 m2。系统上位机、变频控制柜、PLC柜均放在控制室内。管路走线平面见图1。

为满足教学实验目的，充分利用现有场地，在大量优化设计方案的基础上，系统进水管按两路考虑，一路接地下蓄水池，另一路接储水箱。供水主管采用DN100镀锌钢管，装设压力、真空、流量计、电动蝶阀及电动调节阀等测量及显示仪表。回水管分为两路，一路可直接回储水箱，另一路利用原有管路经楼顶水箱返回到蓄水池。

图1 管路走线平面图

4 供水系统设备和管路部件的选型

4.1 水泵的选型

所选的水泵要满足教学实验流量和扬程的要求，并尽量使所选水泵在其高效区内运行。根据已有资料得：H净为20.22 m，选用100-160A型水泵，水泵的工作参数见表1。

表1 泵的工作参数表

4.1.1 水泵安装高程的确定[1]，[2]

水泵基准面高程成为水泵安装高程，用荦安表示。荦安必须满足水泵在设计规定的任何条件下工作都不产生汽蚀。即：

式中：荦进：进水池的水位高程；

P大气：进水池水面的大气压力，Pa；

P汽：所抽水温度的气化压力，Pa；

γ：水的重度，N/m3；

（NPSH）sr：水泵允许汽蚀余量，m。

表2

带入公式（2）可得：H允吸=9.5-4.5-h吸损=5-h吸损。

根据泵房实际情况，将水泵安装于泵房底板之上，配以槽钢固定，即满足要求。

4.1.2 供水工程需要扬程及水泵工作点的计算[1]，[2]

式中：L，D，A：管路长度、直径、截面面积；

f，Σξ：管路摩阻系数和各种局部阻力系数之和。

管路摩阻系数f可由经验公式

求得：

根据公式（5）可得：100 mm钢管摩阻系数f1=0.042；根据公式（4）可得：K1=8 047。D=150 mm段，管长L2=64.5 m；根据公式（5）可得150 mm钢管摩阻系数 f2=0.037；根据公式（4）可得 K2=2 962。由此可得：

根据所选水泵的工作参数表以及式（6）计算水泵的工作点，见图2。

图2 水泵工作点的计算

由图2可知，水泵的工作点处于水泵运行的高效区，即说明选取的水泵满足设计要求。

4.2 辅助设备和管路部件的选型[3]

为防止水泵正常停机时水倒流冲动叶轮反转，管线上设置闸阀，选用河北隆尧远大阀门的Z45T-16型暗杆楔式闸阀；为防止水泵非正常停机引发水倒流对水泵的影响，在水泵出口加装止回阀，选用上海泸兴阀门出产的HH44X型微阻缓闭止回阀；为满足实验和教学要求，输水管线上加装电动/手动控制蝶阀以及电磁流量调节阀，选用宁波凡尔公司的ASQ-100型蝶阀和ASL208-040型流量调节阀；为防止因管道排气不畅而形成的气液相间运行，在管路上加装4台进排气阀，选用DN25的国产进排气阀。安装位置见图1。

为满足实验教学要求，输水管路上加装电磁流量计；在水泵进出口、电动/手动控制蝶阀、流量调节阀两端分别安装压力表，在水箱内安装液位计，选用德国E+H的CERABAR M型智能压力变送器和DB型静压液位计。

5 自动化控制系统

5.1 水泵变频控制柜（PLC）

选用西门子公司的MICROMASTER430型变频器，主要满足以下功能：①全自动恒压供水，恒流量供水，电机软启动，软停止；②变频、工频自动切换，水泵自动轮换，故障自动切换工作；③水箱水位自动控制，无水停泵，有水自动恢复运行；④管网恒压，恒流量值可调整；⑤集控、就地选择功能；⑥手动、自动操作转换功能；⑦具有上位机通讯接口。

5.2 上位机监控系统

选用研华科技的610L型工控机结合水泵变频控制柜、监控软件及UPS电源等组成上位机监控系统。主要满足以下功能：①实时数据采集，包括：电压、电流、有功/无功、正反瞬时流量、泵前后压力、泵运行状态、水位等。②定流量控制：根据流量需求，控制水泵保持恒定转速，保持流量不变。③定阀位控制：根据流量需求，控制阀门停留在预定的位置。④统计及计算：电量累加计算，流量累加计算，主要设备运行统计，泵组运行工况统计，定值管理，报表。⑤泵组安全运行监视：实时动态监视，事件顺序记录，故障报警记录，参数超限报警与记录，电气主设备操作记录。⑥泵组设备的实时控制与调节操作：泵组开、停机操作，泵组紧急停机操作，泵组辅助设备启、停控制，整定值、限值修改，运行方式转换操作，泵组工况转换方式等。⑦人机界面：系统运行状态仿真图、曲线图、实时数据表格、历史数据表格及定值参数表等。⑧趋势图功能：用线状图显示历史趋势和实时趋势。⑨历史数据存档功能。⑩事件处理功能：可对运行事件和重要的系统操作通过关键词进行检索。輥輯訛报表生成：参数的运行分析结果会以报表的形式形成。輥輰訛打印系统。輥輱訛安全登录及密码保护：对系统的操作级别分为工程师级、操作员级，各级别的操作都设置密码，并有操作记录。