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调节阀在南水北调河南受水区配套工程的应用

调节阀在南水北调河南受水区配套工程的应用

摘 要:南水北调中线配套工程输水系统具有线路长、流量大、分支多、运行调节复杂的工程特点。根据输水系统水力过渡过程仿真计算分析,为满足各用水点压力、流量的要求,在供水管线末端设置调节阀。结合PLC控制设备,根据流量信号实现PID闭环调节的基本要求,同时根据配套供水调度需求及末端水厂处理能力、需水量,通过软件编程,响应总运行调度,实现流量分配、调度、调节与保护功能。

关键字:调节阀 供水分配 流量调节 南水北调中线配套工程

1 工程概况

南水北调中线工程主要由总干渠主体工程、总干渠分水口门至城市自来水厂入口之间的供水配套工程、城市水厂及管网工程三部分组成。

河南省南水北调受水区供水配套工程主要向南阳、平顶山、漯河、周口、许昌、郑州、焦作、新乡、鹤壁、濮阳、安阳等11个省辖市和所辖的7个县级市、25个县城以及禹州神垕镇、邓州移民安置区、南阳龙神工业园区等48个供水目标提供生活和工业用水。供水配套工程上接总干渠、下连城市水厂,担负着承上启下的输水任务。工程供水后,可基本满足河南省受水区用水需求,极大改善受水区城市水资源的紧缺状况,归还城市挤占的农业和生态用水,为城市经济社会可持续发展提供供水安全保障。

2 运行调度中遇到的问题

南水北调中线配套工程输水系统线路长、流量大、分支多,输水系统流量与压力调节的难度大。各分水口门从总干渠分水口门处取水,通过有压管道输送至相应用水单位,多为有压重力流。为了统筹规划各用水点及合理布置管道,输水系统布置形式多样,如一个分水口门对应一个用水点的“一对一”布置形式和一个分水口门对应多个用水点的“一对多”布置形式等。其中新乡的32#分水口门及鹤壁的35#分水口门输水系统的“一对多”布置形式最为复杂。

输水系统布置形式的多样性以及各用水单位对流量、压力的要求差异较大,加上实际运行调度工况较多,如果没有有效的调节设备和控制方案,那么在分水过程中就会引起管道水流压力和分水量的紊乱,既无法按照总调度要求实现分水、控水目的,还存在水锤引发输水管线爆管的重大安全隐患。

3 调节阀的作用

为了保证不间断地安全、稳定供水,不论输水系统为哪种布置形式,各用水点对管道末端的水头和供水流量都有一定的要求,即管道末端水头要满足用水单位要求的水位,管道流量应具备一定的调节范围,便于城市供水峰谷协调。同时,各口门输水系统不仅要响应各用水单位的运行调度,更要严格响应南水北调中线总运行调度。为了满足这些要求,配套工程中采用了既能精确分水又能灵活调度的调流调压分水设备,即调节阀。调节阀作为一种特殊的设备,一般安装在有压重力流管道末端,具有调流、调压的功能。

针对南水北调中线配套工程的特点,调节阀的主要作用为:①按照用水单位要求调节管道末端压力;②在一定范围内达到有效调节流量,保证“一对多”布置形式下各分支管道按照既定目标进行流量分配;③严格按照南水北调中线总调度要求及各用水单位的运行调度要求,对整个输水系统控水、分水设备进行启闭及运行调节。

4 调节阀的特点

目前,在国内水利工程及长距离供水工程中,采用大管径活塞式液动调节阀的先例不多。南水北调中线配套工程液动调节阀主要具有以下几个特点。

4.1 阀门口径大

因南水北调中线配套工程流量较大,且线路较长,故输水管道口径一般较大。以鹤壁的35#分水口门输水系统为例,输水主管道直径均在2.5m以上。为了保证调节阀的调节精度,濮阳规划水厂及濮阳南蓄水池处调节阀直径均为1.6m,为目前国内使用的调节阀最大口径。

4.2 调节时间长

根据输水系统水力过渡过程仿真计算分析,为避免输水管道因超标水锤压力造成破坏,调节阀的启闭时间均较长。如35#分水口门输水系统在各分支同时停水关阀工况下,濮阳规划水厂分支处调节阀需按900s直线关闭,在各分支相继供水开阀工况下,该处调节阀需按600s直线开启。该调节阀的启闭时间超出了电动装置的有效调节控制时间范围,只有采用液控调节控制装置扩大阀门启闭时间范围,才能满足水力过渡过程的要求。

4.3 多分支调节控制

针对输水系统“一对多”的布置形式,在调节阀调节压力和流量的同时,各分支调节阀还要协同作用,按照各分支既定目标流量进行分流控制,才能有效实现运行调节。

4.4 失电自动关闭


当厂用电失去时,阀门的动力电源失去,如果阀门此时不能自动关闭,那么管线中的水会自流至水厂用户;若此时水厂蓄水池已到高限水位,而阀门不能关闭,则会出现水池溢流,造成安全问题。液控调节控制装置与电动装置相比,可以保证在失电工况下按照既定关闭规律控制阀门,有效保证输水系统的安全运行。

4.5 多功能自控系统

目前国内最好的电动调节阀电动装置是采用进口的一体化电装产品,本体带电控箱,采用SOC系统(片上系统),是一个有专用目标的集成电路,根据已经嵌入的软件内容实现流量的调节功能。但南水北调中线配套工程的调节阀不仅要完成流量调节,还要实现流量目标定值的远方设置功能、爆管保护关断功能、末端水厂液位控制功能及其他在运行中需要考虑的控制连锁和启闭逻辑。

液动调节阀的电控系统采用PLC可编程控制器。液压泵站及调节阀配置1套PLC控制柜,既可根据流量信号完成PID闭环调节,又能根据配套供水的调度需求及末端水厂的处理能力和需水量,通过软件编程,满足流量分配、调度、调节和保护要求。

液动调节阀控制方式有“现地手动”“现地自动”“远方手动”“远方自动”几种模式,充分考虑各种运行工况和工艺需求:“现地手动”用于调试、检修工况;“远方手动”用于监控中心发现相邻管线发生爆管时的应急处理,根据操作流程远程关断阀门,缩小事故影响范围;“现地自动”和“远方自动”均可实现闭环调节,当调度自动化系统未调试完成或自动化系统出现故障时,可采用“现地自动”完成所有功能。采用主流的西门子S7系列PLC,控制柜带液晶触摸屏,方便现地监控及目标值的设置。

5 调节阀运行控制方案

根据南水北调中线配套供水工程的特点和流量控制调节需求,调节阀的控制方式分为远方控制和现地控制两种。

5.1 远方控制

当PLC控制柜面板选择开关处于“远程”状态时,可实现远程手动和远程自动控制。

(1)远方自动。从上位机(现地LCU柜)发出4~20mA的电流信号给PLC的模拟量输入点,这个输入点作为需求流量的设置点,PLC根据这个流量的设置点和实时流量信号(由现地流量变送器输出)的误差值,用闭环回路闭环调节阀门打开或者关闭,直到误差为“零”。

(2)远方手动。从上位机(现地LCU柜)发出信号给PLC的开关量输入点,信号分成“开”信号和“关”信号。当PLC接收到“开”信号时,PLC终止闭环回路调节,阀门从目前的状态(例如35%开度)打开直至阀门全开;“关”信号动作反之。

(3)当接收到水厂的高液位信号时,阀门自动关闭;当接收到水厂的低液位信号时,阀门自动打开,PLC继续执行流量设置值和流量信号的闭环调节功能,调节阀门开度。

5.2 现地控制

当PLC控制柜面板选择开关处于“本地”状态时,可实现现地手动和现地自动控制。

(1)现地自动。在PLC控制柜触摸屏上手动设置流量值(SoftPoint),这个输入点作为需求流量的设置点,PLC根据这个流量的设置点和流量信号的误差值,用闭环回路调节阀门打开或者关闭,直到误差为“零”。

(2)现地手动。在PLC控制柜上通过启、停按钮手动开启或者关闭阀门。

(3)当接收到水厂的高液位信号时,阀门自动关闭;当接收到水厂的低液位信号时,阀门自动打开。PLC继续执行流量设置值和流量信号的闭环调节功能,调节阀门开度。

5.3 PLC控制柜与现地LCU及设备之间的信息流

(1)由调节阀控制柜反馈到现地LCU的信号:模拟量信号有阀门开度位置反馈信号(4~20mA);数字量信号有阀门全开反馈信号、阀门全关反馈信号、阀门故障信号、液压故障信号、PLC控制柜选择开关的状态信号(见图1)。


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图1 调节阀自动控制信息流

(2)由现地LCU下发至调节阀控制柜的信号:模拟量信号有流量设定值(4~20mA)、管道流量(4~20mA);数字量信号有开阀命令、关阀命令、停阀命令。

(3)调节阀控制柜触摸屏监控的信号有供水管道流量、供水管道流量设定值、阀门开度位置反馈、阀门全开反馈信号、阀门全关反馈信号、阀门液压系统故障信号、阀门液压系统油压信号等。

6 结语

南水北调中线工程流量分配是个十分复杂的系统工程,涉及对象多,目前配套工程部分输水系统已按照既定目标成功通水运行,如濮阳南蓄水池支线两台DN1600的调节阀试运行成功。目前管线末端现状水厂需水量较小,现阶段调节阀基本上是固定小开度的运行方式,下一阶段阀门的启闭及调节将根据初期运行情况与供水末端的水厂深度配合,依据干线给各口门的分配流量,同时结合各水厂处理能力和管网的需水量,做好水量调度分配。



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