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    調節閥在南水北調河南受水區配套工程的應用
    來源:哲成閥門 作者:哲成閥門貿易部 發布時間:2016-8-30 閱讀:
                                                     調節閥在南水北調河南受水區配套工程的應用
                                                                       金 輝1,齊央央1,羅文旸

    1. 黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003; 2. 武漢大學 動力與機械學院,湖北 武漢 430072)

    摘 要:
      南水北調中線配套工程輸水系統具有線路長、流量大、分支多、運行調節復雜的工程特點。 根據輸水系統水力過渡過程仿真計算分析,為滿足各用水點壓力、流量的要求,在供水管線末端設置調節閥。結合 PLC 控制設備,根據流量信號實現PID閉環調節的基本要求,同時根據配套供水調度需求及末端水廠處理能力、需水量,通過軟件編程,響應總運行調度,實現流量分配、調度、調節與保護功能。目前南水北調中線配套工程部分輸水系統已按照既定目標成功通水運行。
    關 鍵 詞: 調節閥; 供水分配; 流量調節; 南水北調中線配套工程

    1 工程概況     
      南水北調中線工程主要由總干渠主體工程、總干渠分水口門至城市自來水廠入口之間的供水配套工程、城市水廠及管網工程三部分組成。 河南省南水北調受水區供水配套工程主要向南陽、平頂山、漯河、周口、許昌、鄭州、焦作、 新鄉、鶴壁、濮陽、安陽等11 個省轄市和所轄的7 個縣級市、25 個縣城以及禹州神垕鎮 、鄧州移民安置區、南陽龍神工業園區等 48 個供水目標提供生活和工業用水。供水配套工程上接總干渠、下連城市水廠,擔負著承上啟下的輸水任務。工程供水后,可基本滿足河南省受水區用水需求,極大改善受水區城市水資源的緊缺狀況,歸還城市擠占的農業和生態用水,為城市經濟社會可持續發展提供供水安全保障。 2 運行調度中遇到的問題 南水北調中線配套工程輸水系統線路長、流量大、分支多,輸水系統流量與壓力調節的難度大。各分水口門從總干渠分水口門處取水,通過有壓管道輸送至相應用水單位,多為有壓重力流。為了統籌規劃各用水點及合理布置管道,輸水系統布置形式多樣,如一個分水口門對應一個用水點的“一對一”布置形式和一個分水口門對應多個用水點的“一對多”布置形式等。其中新鄉的32#分水口門及鶴壁的35#分水口門輸水系統的“一對多”布置形式最為復雜[1]。 輸水系統布置形式的多樣性以及各用水單位對流量、壓力的要求差異較大,加上實際運行調度工況較多,如果沒有有效的調節設備和控制方案,那么在分水過程中就會引起管道水流壓力和分水量的紊亂,既無法按照總調度要求實現分水、控水目的,還存在水錘引發輸水管線爆管的重大安全隱患。

    3 調節閥的作用
        為了保證不間斷地安全、穩定供水,不論輸水系統為哪種布置形式,各用水點對管道末端的水頭和供水流量都有一定的要求,即管道末端水頭要滿足用水單位要求的水位,管道流量應具備一定的調節范圍,便于城市供水峰谷協調[2]。同時,各口門輸水系統不僅要響應各用水單位的運行調度,更要嚴格響應南水北調中線總運行調度。為了滿足這些要求,配套工程中采用了既能精確分水又能靈活調度的調流調壓分水設備,即調節閥。調節閥作為一種特殊的設備,一般安裝在有壓重力流管道末端,具有調流、調壓的功能。

      針對南水北調中線配套工程的特點,調節閥的主要作用為:

     、侔凑沼盟畣挝灰笳{節管道末端壓力;②在一定范圍內達到有效調節流量,保證“一對多”布置形式下各分支管道按照既定目標進行流量分配;③嚴格按照南水北調中線總調度要求及各用水單位的運行調度要求,對整個輸水系統控水、分水設備進行啟閉及運行調節。

    4調節閥的特點      
      目前,在國內水利工程及長距離供水工程中,采用大管徑活塞式液動調節閥的先例不多。南水北調中線配套工程液動調節閥主要具有以下幾個特點。

    4.1 閥門口徑大

      因南水北調中線配套工程流量較大,且線路較長,故輸水管道口徑一般較大。以鶴壁的35# 分水口門輸水系統為例,輸水主管道直徑均在2.5 m 以上。為了保證調節閥的調節精度,濮陽規劃水廠及濮陽南蓄水池處調節閥直徑均為1.6 m,為目前國內使用的調節閥最大口徑。

    4.2 調節時間長      
      根據輸水系統水力過渡過程仿真計算分析,為避免輸水管道因超標水錘壓力造成破壞,調節閥的啟閉時間均較長。如35#分水口門輸水系統在各分支同時停水關閥工況下,濮陽規劃水廠分支處調節閥需按900 s 直線關閉,在各分支相繼供水開閥工況下,該處調節閥需按600 s 直線開啟。該調節閥的啟閉時間超出了電動裝置的有效調節控制時間范圍,只有采用液控調節控制裝置擴大閥門啟閉時間范圍,才能滿足水力過渡過程的要求。

    4.3 多分支調節控制  
      針對輸水系統“一對多”的布置形式,在調節閥調節壓力和流量的同時,各分支調節閥還要協同作用,按照各分支既定目標流量進行分流控制,才能有效實現運行調節。
    4.4 失電自動關閉

        當廠用電失去時,閥門的動力電源失去,如果閥門此時不能自動關閉,那么管線中的水會自流至水廠用戶; 若此時水廠蓄水池已到高限水位,而閥門不能關閉,則會出現水池溢流,造成安全問題。液控調節控制裝置與電動裝置相比,可以保證在失電工況下按照既定關閉規律控制閥門,有效保證輸水系統的安全運行。

    4.5 多功能自控系統

         目前國內最好的電動調節閥電動裝置是采用進口的一體化電裝產品,本體帶電控箱,采用 SOC系統( 片上系統) ,是一個有專用目標的集成電路,根據已經嵌入的軟件內容實現流量的調節功能。但南水北調中線配套工程的調節閥不僅要完成流量調節,還要實現流量目標定值的遠方設置功能、爆管保護關斷功能、末端水廠液位控制功能及其他在運行中需要考慮的控制連鎖和啟閉邏輯。 液動調節閥的電控系統采用PLC可編程控制器。液壓泵站及調節閥配置1 套 PLC控制柜,既可根據流量信號完成PID閉環調節,又能根據配套供水的調度需求及末端水廠的處理能力和需水量,通過軟件編程,滿足流量分配、調度、調節和保護要求。
      
       液動調節閥控制方式有“現地手動”“現地自動”“遠方手動”“遠方自動”幾種模式,分考慮各種運行工況和工藝需求: “現地手動”用于調試、檢修工況;“遠方手動”用于監控中心發現相鄰管線發生爆管時的應急處理,根據操作流程遠程關斷閥門,縮小事故影響范圍; “現地自動”和“遠方自動”均可實現閉環調節,當調度自動化系統未調試完成或自動化系統出現故障時,可采用“現地自動”完成所有功能[3]。采用主流的西門子S7系列PLC,控制柜帶液晶觸摸屏,方便現地監控及目標值的設置。
    5調節閥運行控制方案

       根據南水北調中線配套供水工程的特點和流量控制調節需求,調節閥的控制方式分為遠方控制和現地控制兩種。

    5. 1 遠方控制

       當PLC控制柜面板選擇開關處于“遠程”狀態時,可實現遠程手動和遠程自動控制。

    ( 1) 遠方自動。從上位機( 現地LCU柜) 發出 4 ~20 m A 的電流信號給PLC的模擬量輸入點,這個輸入點作為需求流量的設置點,PLC 根據這個流量的設置點和實時流量信號( 由現地流量變送器輸出) 的誤差值,用閉環回路閉環調節閥門打開或者關閉,直到誤差 為“零”。

    ( 2) 遠方手動。從上位機( 現地LCU柜) 發出信號給PLC的開關量輸入點,信號分成“開” 信號 和“關”信號。當PLC接收到“開”信號時,PLC終止閉環回路調節,閥門從目前的狀態( 例如35%開度) 打開直至閥門全開; “關”信號動作反之。

    ( 3) 當接收到水廠的高液位信號時,閥門自動關閉; 當接收到水廠的低液位信號時,閥門自動打開,PLC 繼續執行流量設置值和流量信號的閉環調節功能,調節閥門開度。

    5.2 現地控制

    當PLC控制柜面板選擇開關處于“本地”狀態時,可實現現地手動和現地自動控制。

    ( 1) 現地自動。在PLC控制柜觸摸屏上手動設置流量值( Soft Point) ,這個輸入點作為需求流量的設置點,PLC根據這個流量的設置點和流量信號的誤差值,用閉環回 路調節閥門 打開或者 關閉,直 到 誤 差 為“零”。

    ( 2) 現地手動。在PLC控制柜上通過啟、停按鈕手動開啟或者關閉閥門。

    (3) 當接收到水廠的高液位信號時,閥門自動關閉; 當接收到水廠的低液位信號時,閥門自動打開。PLC 繼續執行流量設置值和流量信號的閉環調節功能,調節閥門開度。  
    5.3 PLC控制柜與現地LCU及設備之間的信息流

    ( 1) 由調節閥控制柜反饋到現地LCU的信號: 模擬量信號有閥門開度位置反饋信號(4 ~ 20 m A) ; 數字量信號有閥門全開反饋信號、閥門全關反饋信號、閥門故障信號、液壓故障信號、PLC 控制柜選擇開關的狀態信號( 見圖1) 。
     
     
    圖1 調節閥自動控制信息流  

    ( 2) 由現地LCU下發至調節閥控制柜的信號: 模擬量信號有流量設定值( 4 ~ 20 m A) 、管道流量(4 ~ 20m A) ; 數字量信號有開閥命令、關閥命令、停閥命令。

    ( 3) 調節閥控制柜觸摸屏監控的信號有供水管道流量、供水管道流量設定值、閥門開度位置反饋、閥門全開反饋信號、閥門全關反饋信號、閥門液壓系統故障信號、閥門液壓系統油壓信號等。

    6 結 語

       南水北調中線工程流量分配是個十分復雜的系統 工程,涉及對象多,目前配套工程部分輸水系統已按照 既定目標成功通水運行,如濮陽南蓄水池支線兩臺 DN1600 的調節閥試運行成功。目前管線末端現狀水廠需水量較小,現階段調節閥基本上是固定小開度的運行方式,下一階段閥門的啟閉及調節將根據初期運行情況與供水末端的水廠深度配合,依據干線給各口門的分配流量,同時結合各水廠處理能力和管網的需水量,做好水量調度分配。
    本文Tag:電動調節閥、氣動調節閥、控制閥、壓力調節閥、溫控閥
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