三友化纤给水配套工程电气及自控设计要点

杨晓洁

（唐山市水利规划设计研究院，河北 唐山 063000）

1 工程概况及背景

三友化纤20万t扩建项目给水配套工程水源取自曹妃甸供水管线，经十一农场泵站加压后供给大化纤项目，输水管道大部分利用南堡供水工程现有管道，小部分为新建管道。该工程设计包括输水管线（新建）和加压泵站2个部分，考虑三友化纤20万t扩建项目用水需要，兼顾其他企业用水需求及开发区总体发展规划要求，考虑输水损失及净水预留水量，该工程供水规模确定为2 500万m3/a，即日供水6.85万m3/d，加压泵站也按此规模进行水泵选型及配套电气设计。

加压泵站部分位于十一农场，土建部分于2007年完工，原设计规模为3 000万m3/a，包括泵房、高低压配电室、办公室及值班室，其中泵房为干室型泵房，室内安装水泵机组，现有5个预留孔。泵站鸟瞰图如图1所示，图中左下角建筑为变配电室，配电室上方为泵房，右手边长条建筑为办公室及值班室。该设计为水力机械、电气、自动化控制及其他配套设计。根据输水损失、出口预留水头及地形高差，结合供水规模及泵房现场情况，选用适宜流量及扬程的水泵和配套电机，进行相应的电气设计，并进行泵房仪表自控系统设计、泵站视频监控系统设计，以及办公室、值班室和其他配套设施设计。工程概算总投资为2 599.63万元，机电设备及安装工程585.55万元。

图1 泵站鸟瞰图

2 电气一次系统设计

2.1 电源引接

该工程主要是为了解决三友化纤扩建项目的用水需求，实现三友集团的扩能增产，泵站是否运行正常将直接关系到三友化纤厂能否正常运行、生产，也关系到巨大的经济效益，因此泵站电气用电负荷等级定义为一级。该工程采用双电源进线，两路电源互为备用，供电电压等级均为10 kV，两路10 kV电源，一个电源发生不能正常供电的情况时，另一个电源能不中断供电。两路进线布置方式相同，先通过架空的方式引入三友化纤泵站内变电站终端杆，然后经过短段电缆，采用直埋的方式，引入高压配电室内10 kV进线柜[1]。

2.2 用电负荷

用电设备主要包括4台离心式机组，配套电机的功率均为132 kW，用三备一；电动蝶阀11个，配套电机功率为0.18 kW～1.5 kW；泵房设置电动天车1套，配套电机功率为3.9 kW；泵房设置设置潜水排污泵1套，配套电机功率为0.75 kW;泵房设置了真空泵系统1套，配套电机功率为4 kW;办公楼用电系统1套，功率为20 kW。所有用电设备电压均为380 V/220 V，总装机容量约为500 kW。

2.3 电气主接线

10 kV配电系统采用电缆进线，单母线分段接线形式，两路电源互为备用。380 V供电系统采用单母线分段的接线形式，变电站设2台电力变压器，当其中1台变压器因故障无法运行，或者在泵站正常的工况下，需要运行的水泵台数较少，1台变压器可以承担全部负荷，可以将低压母联开关闭合，由1台变压器承担两段低压母线上的主要用电负荷进行供电。由于泵站内阀门要求在断市电的情况下依然能正常关闭，因此设置EPS应急电源作为阀门的备用电源。

由于该工程水泵供电电压均为380 V，因此将无功补偿装置设置在变电站变压器0.4 kV电压等级侧，采用低压集中补偿的方式，自动投切，将功率因数补偿至0.9以上。无功补偿柜与低压进线与配电柜同列布置[2]。

水泵均采用变频方式启动，一方面可以减小启动电流对电网的冲击，另一方面可以对供水水量进行调节。

2.4 计量

该工程计量方式为高供高计，动力照明统一计量，10 kV侧设专用计量柜以实现全厂电能计量。

2.5 主要的电气设备选择

在选择电气设备及元器件时，一方面按工程的实际需要考虑，另一方面选择国内外知名品牌，相关产品在行业中占据了领先地位，既得到了权威部门的认证，又有良好的口碑，可靠性在实践中已经得到了检验及证实，质量与服务均得到了保证；最后在满足以上条件的同时，根据工程预算，考虑设备与元器件的经济合理性，优化方案。

高压开关柜选用KYN中置式金属铠装开关柜。开关采用VS1-12型真空断路器，配弹簧储能操作机构。变压器选用SCB11-500/10，10/0.4kV干式电力变压器。低压配电屏选用GCS型抽屉式、GGD型固定式低压开关柜。低压变频器采用ACS510-01-290A-4型。

2.6 设备布置与布线

该工程为改造工程，在进行该设计前，配电室已于2007年建设完成。泵站所在位置为低洼地区，考虑到在汛期可能会发生雨水灌入配电室的情况，将配电柜及变压器基础抬高0.8 m，在配电室地面上方垒建电缆沟，不采用地下开挖的方式。为了防止小动物进入变压器室，在变压器门口设置防鼠板。

由于泵房与配电室间已有的井室管路等限制，由配电室进入泵房电缆，如水泵电机电缆、泵房照明进线电缆、真空泵供电电缆等，无法通过地下埋管或采用电缆沟等方式敷设，设计方案最后选用室外电缆桥架的方式布线。

泵房内布线主要采用桥架与地下埋管的方式布线。桥架分3层布置在泵房首层平台下部，将高压电缆、低压电缆、控制电缆分层布置。

2.7 建筑照明及防雷接地系统

2.7.1 照明系统

照明供电方式采用放射式的供电方式。办公及生活场所以荧光灯照明为主；泵房照明光源选用高压钠灯。变电站等重要场所及主要出入口场所设置设置疏散照明和疏散指示，持续供电时间应大于90 min，灯具应设玻璃或不燃烧材料制作的保护罩，确保停电后人员安全疏散。

2.7.2 防雷接地

电气系统的工作接地、设备的保护接地与建筑物防雷接地共用一个接地装置，该工程设总等电位联结。为了防止建筑物遭受直击雷，按三类建筑物防雷要求，各建筑物屋面上均装设避雷带作为接闪器。配电室增设人工接地极。

3 自动化仪表及控制系统设计

自控仪表设计根据泵站运行工况、管理的具体需求、工程预算，结合自控仪表的行业要求进行设计。

3.1 设计内容

根据水工工艺及泵站运行要求，自动化仪表及控制系统设计内容如下：1）按照泵站运行的工况，设置液位、流量、压力和水质分析等检测仪表，并将仪表测得数据进行传输、显示及报警。2）电气设备运行的参数数据的传送、显示及报警。3）根据泵站实际运行及管理需要，设置水泵等设备的自动控制及自动调节系统。4）泵站内闭路监控系统的设计。

3.2 系统组成

考虑到本泵站规模和设备情况，尤其是泵站在实际应用后的重要性，系统设置了2套由监控管理计算机、可编程序控制器（PLC）、现场仪表组成的设备，2套设备互为备用。

3.2.1 自动化仪表设计

按照泵站运行需要，在泵站的各个工艺流程中设置了检测仪表，如水泵进出口压力表、流量检测表、前池液位检测表等，全部仪表均采用带现场显示的智能型仪表。

3.2.2 可编程序控制器（PLC）

PLC的作用是根据运行管理的需要，对配电室电气设备和泵站室内外现场仪表的进行数据采集，如设备的运行参数、仪表测得数据和工况运行状态等，然后将采集的数据时实传送给监控管理计算机。除此之外，可通过对PLC的编程实现对泵站的控制。

PLC设置在低压配电室，主要实现功能：高压开关柜状态，低压开关柜（2路进线及联络）状态水泵（变频控制2台，软起控制2台）、真空泵装置、调节阀门等设备开停的控制；水泵电机及轴承温度监测；前池水位、前池浮球开关、水泵进出口压力、供水总管的压力，流量检测；排污泵等设备开停的控制；设备故障及检测参数越限报警。

设置1台通信管理机分别与高压开关柜安装综合保护装置、数字电力仪表、直流屏、2台变压器温控器、低压进线柜及联络柜设置的数字电力仪表通信；电量、断路器状态、变压器温度等数据信号通过控制光纤网络上传至2台操作员站显示。

3.2.3 监控管理计算机

监控管理计算机由主机、显示器、键盘和打印机组成。它是水泵在运行过程中，人与泵站内机械设备沟通的重要桥梁。计算机将通过PLC采集到的数据分析、处理、储存、建模，就泵站运行过程中出现的故障进行报警、记录。不仅可以使工作人员对泵站运行情况有直观的了解，还能通过操作计算机调整泵站运行时的相关参数。

3.2.4 网络拓扑结构

采用当前最先进可靠的工业以太网技术，中控室（值班室）与PLC组成光纤冗余环网，保证网络的可靠性。

3.3 闭路监控系统

在泵站厂区内的关键部位，如配电室、泵房和厂区门口等，设置1套闭路电视监控系统。闭路电视监控系统的设置，一方面可以方便对泵站的集中管理，实时了解泵站运行状态，提高工作效率，一方面可以对要发生的隐患及时进行处理，为泵站安全运行提供保证，另一方面可提高自动化运行程度，精简工作人员，降低运行成本。

泵站视频监控：中控室设置1台网络硬盘录像机、1台监控客户端、与现地站连接的光纤收发器、主干交换机等。设置泵站13套红外网络高速球形摄像机，7套红外网络枪型摄像机。主要视频监控设备：参照海康威视、大华、天地伟业等品牌产品选型设计。

泵站网络结构：现地网络摄像机就近汇入现地工业级光纤交换机，通过光纤接入中控室工业级光纤收发器，光纤收发器连接主干工业级交换机。在主干工业级交换机上接入硬盘录像机及客户端，可以对监测视频进行实时储存，对显示画面进行切换，并可以实现对摄像头进行灵活转运及变焦控制等功能。视频的压缩格式采用H.264/H.265编码压缩技术，有效实现视频及控制实时传输。预留与供水公司视频通信接口。

3.4 泵站控制方式

自控系统的控制方式主要分为就地手动控制、PLC自动控制及远程手动控制。

3.4.1 就地手动控制

就地手动控制是通过各设备就地电气操作箱/电气控制柜进行的控制操作。

3.4.2 PLC自动控制

该PLC检测的仪表和被控设备通过I/O信号线与PLC柜联系，检测仪表将现场各种实时信号直接通过信号电缆送入PLC，PLC根据该信号再由PLC发出控制设备的命令，各设备的控制完全由PLC来控制。

3.4.3 远程手动控制

由中控室的操作员站通过以太网、光纤环网向各PLC发出命令来完成控制。对各区域各设备均设有PLC自动控制和远程手动控制2种方式[3]。

3.5 泵站编程要求

应用软件的功能及编程质量直接影响自动化功能的实现，也关系到使用的方便与否，因此对应用软件编程提出了4个要求：1）应用程序的功能应该符合工艺要求。2）过程控制程序必须采取可靠的措施，不能因程序错误造成设备故障。3）人机界面友好，汉字显示，程序调用方便，快捷，参数可设定，可修改。4）参数越限有声光报警。

3.6 泵站软件功能

对泵站实现自动控制，软件系统起到至关重要的作用，对软件功能的要求如下：1）在工控室监控管理计算机上显示全部设备及仪表的运行状态信号及数据，当设备出现故障时，值班室和PLC站均可收到报警信息。2）在监控室监控管理计算机上显示全部设备及仪表的运行状态信号。3）全部工艺要求遥控的设备都可以在中控室监控管理计算机上通过鼠标启动。4）全部重要工艺设备参数及运行历史数据，都可以在数据服务器中存储、检索。数据服务器软件可以为厂级生产管理提供ODBC、OLE、OPC等工业标准数据接口，并且为供水公司远程监测提供实时数据转发接口。5）上述服务器系统软件、历史数据库软件、报表软件（生产报表）、组态软件、通信软件、编程软件（用于PLC编程）参照西门子系列软件选型设计。

3.7 泵站操作台设计

操作台形状为直线型，2台计算机主机，1台视频客户端，3台显示器、键盘打印机位于操作台面上。操作台上带有线孔。将电源电缆、通信电缆、接地总线分别设置在抗静电地板下，再引至设备。

4 项目应用后经济效益

该工程主要为三友化纤20万吨扩建项目提供配套水源，并为未来发展及其他用水企业预留部分水量，保证各企业的供水安全，为南堡开发区的发展奠定坚实的基础。

4.1 降低电耗效益

运行水泵电耗值按公式（1）计算

计算参数：流量Q=0.8 m3/s，设计净扬程H=35.0 m，液体容重γ=1 000 kg/m3，水泵年运行小时数t=8 760 h，原水泵效率=78.5%，使用节能关键技术后水泵效率=84.0%，原电机效率=82.6%，使用节能关键技术后水泵效率=94.5%，由此计算出原水泵年电消耗值W1=3.71×106（kW·h），使用节能技术后水泵年电消耗值W1=3.03×106（kW·h），电价按2.0元/kW·h计算，每年可节约电费136万元。

4.2 供水效益

南堡开发区是严重缺水的地区，区域深层地下水严重超采，带来了地面沉降、海水入侵等一系列生态问题，三友化纤20万t扩建项目水源只能靠外部的引水工程为其供水，项目建设新增供水量2 500万m3，其实际经济价值采用其替代的地下水的经济价值减去项目用水水价计算。地下水实际经济价值考虑到现状超采地下水造成的一系列生态问题及治理超采所需要的投入，减少地下水开采的经济效益为5元/m3，现状项目用水水价为4.85元/m3，则年经济效益为375万元。

4.3 运行人工费

三友化纤20万t扩建项目给水配套工程泵站采用自动化控制系统，可以实现系统的仪表自动控制与监测，减少了运行值守人员，降低了运行人工费占运行管理成本比例，年节省值守人工费为19.2万元。

5 结语

电气在泵站的成功运行中起到了重要的作用，保证了泵站的正常运行，随着时代的发展，自动化控制在泵站中的应用越来越广泛，自动化的应用使泵站运行与管理更高效。三友化纤给水配套工程是现代泵站的1个实例，该文主要对其电气及自控设计进行了阐述。在电气方面，该文主要从用电负荷、电气主接线、电气设备选择和设备布置布线等方面进行介绍；在自动化控制方面主要介绍了系统组成、闭路监控系统、泵站控制方式以及泵站操作台设计。泵站建成运行后，经济效益得到了显著提高。