大型泵站机组自动控制流程设计与应用

一、引言

某大型泵站有3 台机组，采用卧式单级双吸离心泵， 两用一备，单台工作设计流量10m³/s，单台机组装机容量4MW，泵站总装机容量12MW，设计扬程55.81m，泵站出口为22km PCCP 输水管线，并在PCCP 输水管线上设置排气阀井、排空阀井等，在沿线2#、8#、16#、18#、22#、25#空气阀井处安装压力传感器，通过GPRS 数据采集传输终端以无线方式将监测数据传至至监控室，监控室工作站实时对输水压力的动态监测，保证输水管线安全。

本文对某大型泵站机组控制流程进行设计，分别从机组设备运行的准备条件、机组开机流程、机组停机流程（正常停机、故障停机、事故停机）等多种工况进行分析研究，对影响泵站运行安全影响因素进行分析，当故障或事故触发时，确保泵站经济损失降低到最小，保障泵站人员人身安全。

二、机组控制流程简介

1.手动控制流程

在手动控制模式下，当泵站进水前池水位、出水PCCP 管道冲水情况满足要求后，检查泵站机组联动设备正常情况下，由泵站操作人员进行设备手动操作，自动化控制系统只进行数据采集、监测。

泵站机组处于手动控制时，泵站管理人员根据上级调度控制指令要求，安排操作人员去机组设备处和设备控制柜旁进行操控和监视，按照设备操作顺序要求执行操作，并通过对讲机进行互通和设备状态信息反馈，带来的后果就是设备状态的滞后性，需要操作人员判断设备是否正常启动或停止，对联动设备时间控制要求较高，手动控制非常不利。

2.自动控制流程

自动化控制模式下，需要提前在手动模式下完成对泵站内机组设备和机组辅机设备调试，保证泵站内控制设备工作正常，调试完成后切换各设备控制柜的转换开关、工作站监控系统软件控制流程至自动化方式。

在自动控制模式下，泵站接收到上级调度控制指令时，监控室操作人员检查各机组设备和辅机设备状态和机组是否满足条件，操作人员通过工作站（上位机）启动自动化控制流程，现地控制器（下位机）接收到工作站下发的控制指令，按照设定的开、停机流程顺序执行，并自动判断设备的状态反馈，直至流程结束。

泵站机组处于自动运行工况时，检测到外部设备故障、信号丢失等突发情况，已影响泵站运行安全，现地控制器根据设定的自动停机流程，区分故障类型和危险等级，自动进入故障停机流程或事故停机流程。

三、自动开机流程设计

1.开机流程准备

泵站机组开机流程，需提前检查机组流程相关控制设备，满足开机条件。具体关联的主要设备有：机组控制柜远方、机组高压断路器出线柜、机组软启动器柜、稀油站油冷却设备、技术供水系统和设备、水泵进出口蝶阀、缓闭蝶阀，以及温度、压力、水位传感器等一系列设备，在开机之前需要检查确保设备状态良好，机组温度、压力、水位等监测数据准确，且符合实际设备工况。

2.开机流程设计

在开机流程设计过程中，在对机组关联设备进行检查，并对各设备的性能特点、控制工艺进行分析，泵站属于高扬程，运行工艺要求比较复杂，工艺上需要先启动机组电机运行，出口压力满足要求后再打开出口缓闭蝶阀。参照实际泵站控制工艺要求，最终经多次试验并论证测试，开机流程如图1。

图1 开机流程图

机组开启控制流程如下：

（1）检查机组自动流程开机条件是否满足，泵站前池水位符合开机最低水位，机组各设备参数、信号采集正常、准确，机组开机流程启动条件满足，监控系统上输出机组开启条件满足。

（2）经操作人员确认后，现地控制器按照设定的启动流程执行程序。首先打开技术供水泵、稀油站系统，提前打开机组辅机设备，保证机组水系统、油系统工作正常，机组运行时进行水循环、油循环降温，避免机组温度超高损害设备。

（3）打开水泵进水口蝶阀，做好机组合闸前准备工作。

（4）机组辅机设备包括技术供水系统、油系统稳定运行后，打开水泵进出口蝶阀，此时现地控制器根据开机流程自动合闸机组高压断路器，软启动器接收到合闸信号后，软启动器自动合闸投入运行，此时机组的电机、水泵已投入运行。

（5）此泵站扬程较高，工艺要求需要闭阀启动（先开泵，再开阀），水泵出口压力满足设计规定要求后，打开缓闭蝶阀直至全开，至此机组自动开机流程结束。

（6）开机流程完成后，实时监测泵站内水位、流量、压力等数据，以及机组运行参数如温度、振动、电力数据等是否正常，操作人员还需实时监测PCCP 管道上的压力数据。

四、自动停机流程设计

泵站停机流程主要分为三种工况：正常停机、故障停机、事故停机。其中正常停机最安全，对设备损害最小，故障停机其次，事故停机对设备损害最大。经多次仿真模拟进行停机试验发现，此泵站由于扬程较高，需要先关阀再停机组，但此时管道会憋压，管道压力会急剧上升，当管道内压力超过管道设计最大承受压力时会爆管，为了保证泵站长期稳定、安全运行，考虑在机组停机前，先开启调流阀即从调流阀管道内泄水，避免机组停止时管道内压力无处泄放。初期正常停机流程未考虑提前打开调流阀，导致系统运行具有一定风险性，经多次论证后正常停机流程如图2。

图2 正常停机流程图

1.正常停机流程设计

（1）机组在正常运行时，且各个设备运行正常，接收到调度停机指令时并执行，此时进入正常停机流程。

（2）现地控制器接收到停机指令后，首先打开调流阀至11%，经多次试验测试论证，调流阀不能一次性打开至11%，避免调流阀管道压力增加太快，损害调流阀管道。调流阀打开分三阶段进行：第一阶段，调流阀从全关打开至5%后，并停止30s；第二阶段，调流阀从5%打开至8%，并停止30s；第三阶段，调流阀从8%打开至11%。

（3）调流阀打开至11%后，关闭水泵出口缓闭蝶阀直至全关，此时水泵已无出水口，但水泵和电机一直在运行。

（4）出口缓闭蝶阀全关后，此时停止高压软启动器和分机组出口断路器，泵站出口PCCP 管道内水通过调流阀管道泄放，避免爆管和水锤，机组电机设备和水泵停止稳定后，正常关闭水泵进出口蝶阀。

（5）调流阀管道泄压稳定后，按规定流程关闭调流阀：第一阶段调流阀从11%关闭至8%，并停止30s；第二阶段调流阀从8%关闭至5%，并停止30s；第三阶段调流阀从5%关闭至0%。

（6）关闭稀油站、技术供水泵，自动关闭机组辅机设备，到此停机流程设计结束。

（7）停机流程完成后，需检查机组设备状态是否需要保养、维修，传感器等设备是否有损坏等。

2.故障停机流程设计

现地控制器实时动态监测机组各个设备的运行状态，当发现电机传感器温度超高，或者辅机系统如技术供水泵故障时，机组若继续运行可能会损毁机组相关设备，为了将保证系统的安全性，现地控制器自动执行故障停机并报警显示，故障停机流程设计和正常停机流程相同，不需要操作人员干预自动执行。

3.事故停机流程设计

当泵站外部供电10kV 线路发生波动导致机组断路器跳闸失电，或高压断路器柜发生故障，都会导致机组立刻停止，此时若不及时采取措施，水泵和机组由于水外力作用可能反转运行，也容易形成水锤。因为当机组突然停止运行，水的流速突然发生变化，由于压力水流的惯性产生水流冲击波，此时出口PCCP 输水有压管道就像被锤子敲打一样，此种现象称为水锤。PCCP 管道内水失去水压力，水从高处自动倒流，流量的急剧变化将在管道内引起压强过高或过低的冲击，以及出现“空化”现象。水锤效应有极大的破坏性：压强过高，将引起管子的破裂，更有甚者水泵反转转速超过飞逸转速，导致整个水泵机组设备飞逸。

考虑机组发生事故后果的严重性，现地控制器实时动态监测机组运行状态，监测高压供配电线路和设备，当发现机组出口断路器失电、跳闸等事故时，自动执行机组事故停机流程。此时现地控制同时执行停止高压软启动器、关闭出口缓闭蝶阀、打开调流阀至11%，将机组事故停机造成的损失降到最低，事故停机流程与正常停机流程相同。

四、总结

人工操作模式下机组设备出现故障停机、事故停机工况，由于时间的滞后性，操作人员难以及时对紧急事件进行处理，最终都会带来不可估量损失。该泵站对机组设备采用自动控制流程，泵站机组全部采用自动开机和自动停机。当出现机组相关设备故障、外部电力跳闸等工况时，现地控制器监测到故障、事故信号，自动执行故障停机流程、事故停机流程，避免造成重大经济损失和人员伤亡。自动化控制操作减少了人力资源投入，也提高了系统的安全性。此泵站多次出现外部电力线路跳闸事故，现地控制器可立刻收到事故信号，并及时执行故障或事故关机流程，给泵站安全运行增加了保障措施■