给水泵站清水库自动进水系统的构建和应用

张成栋

（上海城投水务（集团）有限公司制水分公司，上海 200436）

0 引言

随着城市规模的不断扩大，自来水给水泵站在城市管网中的数量正在不断上升，主要承担着供水管网中自来水的调蓄、增压和水质维持任务[1]。近年来，依托上级水务集团和制水公司的项目资金和政策支持，市北泵站管理所正逐步对辖区泵站进行设施设备的更新和自动化改造。该文就以松花江泵站为实例，从泵站清水库进水的管路设计、设备选型、信号采集和逻辑控制等多个方面，分享在给水远程控制泵站清水库自动进水系统构建和应用中的一些经验，并说明了该系统今后的优化方向。

1 松花江泵站概况

松花江泵站是辖区内一座较为典型的水库增压泵站，现场设清水库2 座（20 000m3/座，库容达40 000 m3），泵房内配置6 台低压380 V 机组（4 增2 库）。经常运行方式是一增一库，夏季高峰期为2 增1 库，作为泵站无人化规划里完成自动化改造的第一批次站点，投入运行至今，泵站各个生产层级系统已逐渐趋于一个稳定运行的状态。

2 清水库自动进水系统

2.1 系统描述

清水库自动进水系统：按照设定时间段，可以自由选择控流或控压模式进行进水操作，自动调节水库进水调流阀进行补水，直至达到设定的水库液位。整个系统具备进水条件增删、调流阀选定、库容调节、液位偏差修正以及进水状态异常告警等调校水库进水精度的功能[2]。

2.2 系统构建

2.2.1 进水管路设计

松花江路泵站现有20 000 m3清水池2 座。设计上，考虑每组清水池（水库）进水阀门组配置4 只阀门，分别是进水方向的外档电动检修阀（应急操作阀）、内档手动检修阀（保险阀）、进水调流阀（主控阀门）以及旁通管手动阀（检修旁路），并配套伸缩接头。其中，外档电动检修阀、电动调流阀均接高至地面70 cm 处，便于泵站运行人员的手动操作。

另外，管路配套仪表为：总进站管路、总出站管路上配置压力变送器、电磁流量仪各1 套，每座水库分设超声波液位仪各1 套。

所有仪表数据信号和阀门参控信号均须采集并接入松花江泵站生产PLC 控制系统中。

2.2.2 设备和仪表选型

外档电动检修阀：作为参控的应急操作阀，采用keystone 的DN700 户外型电动软密封蝶阀，配Auma 电动执行机构，管中心标高3.350 m，阀杆接高至地面70 cm 处。

进水调流阀：作为主控的进水调流阀，采用VAG 的DN700 电动活塞式调流调压针阀，具备安全减压、精确持续调节流量、防气蚀的特性，配Auma 电动执行机构SAR07.6。

内档手动检修阀：作为调流阀检修、水库清洗时的手动保险阀，采用keystone 的DN700 手动软密封蝶阀。

旁通管手动阀：作为检修旁路用的手动阀，平时多处于不参控的常关状态，采用keystone 的DN300 手动软密封蝶阀。

进站总管、出站总管流量仪：作为系统程序中调节阀门开度的过程参数之一，通过公式计算可得到清水库实时进水量，采用KROHNE 的OPTIFLUX2000 型分体式电磁流量计。

进站总管、出站总管压力变送器：作为系统程序中保障平稳进水的过程参数之一，起到进水管网稳流保压的作用，采用麦克的MPM4700 型差压变送器。

1#、2#清水库液位仪：作为系统程序中参控的闭环目标参数之一，是控制阀门启闭和调节幅度的直接影响因子，采用的是E+H 的FMU30(0～8m)超声波液位计。

2.2.3 信号采集和显示

参控信号：电动检修阀开足/关足DI；进水调流阀开足/关足DI、阀位反馈AI、控制AO、故障DI；进站、出站瞬时流量AI；1#、2#清水库液位AI；总进、总出压力AI。

过程信号：电动检修阀远程/就地DI、开足/关足DI、上电/失电DI；进水调流阀远程/就地DI、上电/失电DI；进站、出站流量计故障DI；1#、2#清水库液位计故障DI。

内存信号：控制模式选择、进水预设时间、判定时间、修正液位值、压力允许下限、高液位急停值、阀位初设值、本次进水计时、理论剩余时间、实际剩余时间、目标进水流量。

图1 清水库进水管路设计图

2.2.4 逻辑控制

2.2.4.1 自动进水条件

总进水压力≥“压力下限设定值”；进水调流阀处在远程模式；被选择阀门、液位计，总进、总出流量仪均无故障；以上同时满足，视为满足进水条件。

2.2.4.2 进水调流阀的选择

阀门选择模式分为“1#水库调流阀”或者“2#水库调流阀”作为进水阀门，两者可以同时被选中。被选择阀门执行自动进水程序的开度命令。默认选择“1#水库调流阀”。如果2 只调流阀被同时选中时，开度控制为“双阀同步”。

2.2.4.3 水库的选择

水库选择模式分为“1#水库”、“2#水库”和“两库运行”3 种模式。根据选择水库模式的对应数量，计算达到目标液位、水库需补水的体积。双库进水时，考虑2 只液位计的误差和水库底板标高差值，增加目标液位的修正值设定的功能。

2.2.4.4 液位计选择

液位计选择模式分为“1#水库液位计”或者“2#水库液位计”作为液位测量值，且两者不可同时被选中。默认选择“1#水库液位计”。单库进水时，自动选择对应的水库液位计作为目标液位测量值。被选择的液位计作为水库进水量、进水完成等数据的最终依据。

2.2.4.5 进库瞬时流量

增压车开启时，进水库瞬时流量=进站瞬时流量—出站瞬时流量；增压车未开启时，进水库瞬时流量=进站瞬时流量。

2.2.4.6 理论进水剩余时间

理论进水剩余时间是自上位机设定进水时间后，计算得出的。“控压模式”、“控流模式”均需单独设置进水时间。自动进水开始，“进水时间”倒计时就是“理论进水剩余时间”。

2.2.4.7 实际剩余进水时间

根据被选择液位计测量值，计算得出水库实时缺水总量。实际剩余进水时间=水库实时缺水总量÷当前进库瞬时流量。

2.2.4.8 进水模式切换的控制逻辑

在水库进水状态下，人工自动模式切换时的阀位保持；自动进水→手动进水：程序全部复位，阀门开度维持；此刻，再手动进水→自动进水：程序可遵循新设目标参数，无缝切入自动进水程序，且阀门不再作“先归0、再开启至阀门开度初始值”的步骤。

2.2.4.9 水库压力自动进水模式（控压模式）

上位机选择“压力模式”，将执行以进站压力参控的自动进水程序。

设置“进水时间”、“目标压力”、“目标压力上限偏差值”、“目标压力下限偏差值”“进水停止液位”“阀门开度初始值”参数。

根据所设置“目标压力”、“目标压力上限偏差值”、“目标压力下限偏差值”3 个参数，确认水库进水时 需要保证进水总管压力在 “目标压力”+“目标压力上限偏差值”和“目标压力”-“目标压力下限偏差值”的压力范围内。

“进水时间”倒计时结束后，水库将继续按压力模式进水直至达到目标液位值，除非中途进行人工干预。“进水停止液位”与被选液位计测量值进行比较，当水库液位≧“进水停止液位”，水库停止压力模式自动进水。

“阀门开度初始值”在水库开始进水时，被选中调流阀执行此开度命令，阀门自动调压时不受此参数控制。

进水压力＞压力范围时，缓慢加大调流阀开度，以此控制进站压力≈“目标压力”。

进水压力＜压力范围时，缓慢减小调流阀开度，以此控制进站压力≈“目标压力”。如果调流阀减小至较小的开度（可设定），进水压力仍然小于压力范围，水库停止压力模式自动进水。

自动进水过程中，控压的可接受区间不宜设置过窄，避免调流阀开度的调节频次过快触发阀门执行机构过载保护。自动进水停止时，完全关闭调流阀需要在一定的时间内缓慢完成，避免水锤冲击管道。缓慢关阀的时间，在下位机程序内计入“进水时间”，确保准时关阀。

2.2.4.10 水库流量自动进水模式（控流模式）

上位机选择“流量模式”，将执行以进库流量参控的自动进水程序。

设置“进水时间”、“判断时间”、“压力下限”、“进水停止液位”、“阀门开度初始值”参数。通过设置“判断时间”来计算“目标进水瞬时流量”，控制调流阀开度，使实际流量匹配目标流量，实现水库自动进水。

“目标进水瞬时流量”作为参控数据来控制调流阀开度；“判断时间”作为判断进水理论剩余时间内是否需要调整调流阀开度以达到进水目标高度的依据；将“进水时间”结合水库补水总量，折算出目标进水平均瞬时流量，然后控制调流阀开度，使得进水达到该流量值；再在下个“判断时间”进行迭代复核和调整。

为了保证进水平稳，考虑将整个进水时间控制为3 段。中间时段的进水量分配比重加大，而初始和末尾时段不作频繁调整的动作。

当进站压力＜“压力下限”时，水库将继续按当前进站压力进水直至达到目标液位值，除非中途进行人工干预。

“进水停止液位”与被选液位计测量值进行比较，当水库液位≧“进水停止液位” 水库停止流量模式自动进水。

“阀门开度初始值”在水库开始进水时，被选中调流阀执行此开度命令，阀门自动调流时不受此参数控制。

自动进水过程中，控流的“判断时间”不宜设置过短，避免调流阀开度的调节频次过快触发阀门执行机构过载保护。完全关闭调流阀需要在一定的时间内缓慢完成，避免水锤冲击管道。缓慢关阀的时间，在下位机程序内计入“进水时间”，确保准时关阀。

2.2.4.11 进水完成提示

在自动进水程序的结束以时间、目标液位同时为基准，阀门控制程序停止，完全关闭阀门并弹提示框。

如果目标液位到、时间未到，则绿字显示“松花江泵站水库进水已完成，已达到目标液位4.5 m； 如果目标液位未到、时间已到，则红字告警“松花江泵站水库进水已完成，未达到目标液位4.5 m，目前液位为4.3 m”（突显进水未完成状况）。

2.3 主要应用场景分析

压力自动进水模式（控压模式）是根据清水库补水需量、时长和即时流量反馈进行整个进水作业的，主要特点是在过程中，进站压力的控制由上位机预设的上下阈值条件进行约束，而对于整个进水过程的流量和时间分配没有太高的要求，只要确保时间充裕，该种进水模式能在保证管网压力不因进水作业造成大幅波动的前提下，还能适时、适度的自动分配单位时间的进水量，直至整个进水作业得以顺利完成。此种模式适应性强、精准度略有不足，更适用于处于区域压力严格控制的、日间运行高负荷的（经常性有日间水库蓄水需求的）、中心城区的水库增压泵站。

而流量自动进水模式（控流模式）则是更加精进，倾向于把更多的控制优先级设置在进库流量的精细控制上，采取每隔一段时间复核进水进度来调节进水速率的方式，不断的修正因站外管网的负荷变化所带来的进水量控制误差，确保极短时间内的及时纠偏，从而达到清水库进水控制的精准要求。但若是站外管网压力工况发生剧烈的变化（如爆管等），将会有一定概率导致进水调流阀门无序动作的情况发生。抗冲击性不足的短板，使得此种模式更适用于站点周边供水需量平稳、进水时长相对固定（夜间进水为宜）、峰谷趋势明显的水库增压泵站。

2.4 应用效果

实例：按调度指令要求，自2020 年4 月10 日23：30开始，采用控流模式进水，至次日4 月11 日6:00 结束，目标水库水位为4.8 m。

从历史曲线和实际状态分析，在启动控流模式的自动进水程序后，效果如下。1）进水调流阀在6.5 h 进水时间内，阀门开度总共调节了4 次分别是启、闭各1 次和因外管网压力变化的中途调节2 次。2）进水瞬时流量控制较为稳定，变化基本与阀门调节关联同步，无异常。3）进水过程中，总进水压力随外管网压力正常自由变化，无突变情况。4）启闭阀门的过程比较平稳，闭阀时间纳入进水预设时间，无超时现象。

总体上说，自动进水系统运作得较为稳定、可靠，且调节过程较为精准、无须人工介入，基本具备了清水库自动进水的智能化功能，达到了预期的设计效果。

3 结语

城市给水泵站要起到区域水量调蓄的功能，主要是指遵循供水调度指令来配合水厂，对清水库库容进行控制，起到对供水管网“削峰补谷”的作用[3]。基于泵站少人化、无人化的发展趋势，清水库自动进水系统将不断在各个泵站普及，为了保障清水库进水的安全性、稳定性，进一步减少控制中心当班人员的工作强度，接下来，我们将摸索进水调流阀工作特性与进水流量变化率之间的规律，以期在清水库自动进水系统的调节策略和控制精度上作进一步优化，从而真正达到清水库进水系统的全自动、精细化管理的最终目标。