水電站供水管線中工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）應(yīng)用
水電站供水管線中工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）應(yīng)用。某有壓重力流供水工程按照間隔性大流量模式運(yùn)行，通過(guò)末端調(diào)蓄水池保障供水。管線在暫停輸水期間會(huì)處于恒壓狀態(tài)確保安全，而管線上的自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器會(huì)執(zhí)行定時(shí)反沖洗程序破壞恒壓狀態(tài)，產(chǎn)生安全隱患。對(duì)該設(shè)備工作原理及管線運(yùn)行工況進(jìn)行分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際提出了相應(yīng)的狀態(tài)反饋以及啟�？刂撇呗裕谷�所有電控閥門(mén)處于DCS監(jiān)測(cè)與控制范圍內(nèi)，解決了過(guò)濾器本體中的電控閥門(mén)不受遠(yuǎn)端控制而自行動(dòng)作以及閥門(mén)故障信息不能及時(shí)被操作人員獲取所帶來(lái)的安全隱患，提高了管線運(yùn)行過(guò)程中的安全穩(wěn)定性。
1工程概況
某供水工程采用大管徑有壓重力流的方式進(jìn)行輸水，全線長(zhǎng)度超過(guò)100km，起終點(diǎn)之間落差超過(guò)200m，共計(jì)分為三個(gè)階段進(jìn)行消能減壓。水流的消能減壓功能主要由三處中間減壓閥與三個(gè)階段末端調(diào)流調(diào)壓閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)流調(diào)壓閥，主管線引至閥門(mén)控制腔的導(dǎo)壓管相對(duì)細(xì)小，在運(yùn)行過(guò)程中容易被水中雜質(zhì)堵塞，而在閥前設(shè)置過(guò)濾器來(lái)減小水中雜質(zhì)對(duì)閥門(mén)本體及壓力控制的影響，延長(zhǎng)閥門(mén)維護(hù)周期及壽命。
為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)輸水管道沿線的無(wú)人值守自動(dòng)化運(yùn)行，配套建設(shè)了集散型控制系統(tǒng)，采用離網(wǎng)式光伏配電系統(tǒng)為現(xiàn)場(chǎng)控制站供電。但具備自清洗功能的過(guò)濾器沒(méi)有接入該控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），因此對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)方案。
2機(jī)身結(jié)構(gòu)與功能
2.1工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）
工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）采用管道式安裝，用以濾去水中3500μm~300μm粒徑的各種硬質(zhì)顆粒，并能夠在運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)執(zhí)行反沖洗程序清洗濾網(wǎng)，無(wú)需人工清洗。過(guò)濾器的機(jī)身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
2.2電控箱
該設(shè)備的電控箱隨機(jī)身整體安裝，內(nèi)部是一個(gè)采用AC220V/10A繼電器直接輸出電源的電機(jī)正反轉(zhuǎn)聯(lián)鎖控制電路，共有三種控制方式，接入一路電源即可通過(guò)聯(lián)鎖控制電路帶動(dòng)反洗閥與排污閥電動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)反沖洗排污。
（1）時(shí)間控制：設(shè)置延時(shí)繼電器時(shí)長(zhǎng)，到時(shí)觸發(fā)聯(lián)鎖電路。
（2）壓差控制：設(shè)置壓差開(kāi)關(guān)定值，由過(guò)濾網(wǎng)前后因?yàn)V網(wǎng)堵塞而增加的壓差觸發(fā)聯(lián)鎖電路。
（3）手動(dòng)控制：按下手動(dòng)按鈕，觸發(fā)聯(lián)鎖電路。
（4）緊急停車(chē)：按下旋鈕開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)聯(lián)鎖電路電源，閥門(mén)均回轉(zhuǎn)至正常過(guò)濾的位置。
A-反洗閥執(zhí)行器；B-壓差開(kāi)關(guān)；C-進(jìn)水口；D-支架；E-電氣控制箱；F-出水口；G-排污口；H-排污閥執(zhí)行器。
3工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）管線狀態(tài)及分析
3.1管線狀態(tài)
（1）備用狀態(tài)。在設(shè)計(jì)的運(yùn)行方案中，兩條管線一用一備，采用間隔性大流量的方式輸水，通過(guò)末端水池蓄水實(shí)現(xiàn)管線暫停輸水期間的水源供應(yīng)，即兩條管線均會(huì)處于一定時(shí)間段的備用狀態(tài)。此時(shí)，管內(nèi)充滿了處于靜止?fàn)顟B(tài)的水，管道內(nèi)壁所受壓力來(lái)自于水的自重。
（2）輸水狀態(tài)。在末端蓄水池水位較低時(shí)，啟動(dòng)管線三階段末端的調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)入輸水狀態(tài)，管內(nèi)水流量逐步升高至700m3/h。當(dāng)末端蓄水池水位較高時(shí)，調(diào)流調(diào)壓閥逐步調(diào)小流量，同時(shí)平抑管內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，直至關(guān)停。
3.2工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）反沖洗程序的觸發(fā)
在備用狀態(tài)下，過(guò)濾器的濾網(wǎng)上沒(méi)有新的雜質(zhì)附著，管內(nèi)保持穩(wěn)定的靜水壓力，濾網(wǎng)前后壓差可以忽略不計(jì)，壓差控制回路不會(huì)觸發(fā)。但是定時(shí)控制元件在通電后即開(kāi)始計(jì)時(shí)，到時(shí)則觸發(fā)定時(shí)控制回路。
在輸水狀態(tài)下，過(guò)濾器的濾網(wǎng)前端截留的雜質(zhì)持續(xù)增多導(dǎo)致水流量逐漸減小，則濾網(wǎng)前后壓差持續(xù)增大，終觸發(fā)壓差控制回路。若壓差控制回路在定時(shí)元件計(jì)時(shí)結(jié)束仍未觸發(fā)，則觸發(fā)定時(shí)控制回路。
原設(shè)計(jì)工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）電控箱的電源直接引自低壓配電系統(tǒng)斷路器，那么在管線運(yùn)行過(guò)程中電控箱將持續(xù)處于通電狀態(tài)，定時(shí)控制反沖洗可能會(huì)被無(wú)限次觸發(fā)。
3.3觸發(fā)后的影響
在負(fù)載調(diào)試的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)反沖洗過(guò)濾器在管線的兩種運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)管道產(chǎn)生了不同的影響，例如：備用狀態(tài)下，二階段末端減壓閥前的靜水壓為0.8MPa，若過(guò)濾器開(kāi)始執(zhí)行反沖洗程序，排污閥打開(kāi)后泄水，管道內(nèi)即產(chǎn)生壓力波動(dòng)，在60s的排污過(guò)程中，峰值壓力能夠達(dá)到1.2MPa，此時(shí)的峰值壓力是在管內(nèi)水自重的基礎(chǔ)上增加的水流沖量。當(dāng)排污閥關(guān)閉后，管道在短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的水錘，瞬時(shí)壓力超過(guò)1.6MPa（就地壓力表大讀數(shù)為1.6MPa），而在峰值壓力過(guò)后，主管道的旁路調(diào)壓安全閥開(kāi)始隨動(dòng)泄壓，逐步使壓力趨于穩(wěn)定。
而在輸水狀態(tài)下，管內(nèi)的輸水流量遠(yuǎn)大于過(guò)濾器反沖洗時(shí)的排污流量。當(dāng)過(guò)濾器開(kāi)始反沖洗程序后，排污流量變化所導(dǎo)致的水錘效應(yīng)僅會(huì)產(chǎn)生較小的壓力波動(dòng)。同時(shí)，調(diào)流調(diào)壓閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，能夠及時(shí)減小并逐漸平抑水流變化所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，并且主管線的流量越大，工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）所帶來(lái)的影響就越小，因此管線內(nèi)的水流壓力處于一種可控狀態(tài)，不會(huì)對(duì)安全運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。在備用狀態(tài)下，反沖洗過(guò)程結(jié)束后的一波水錘對(duì)管線是危險(xiǎn)的，且安全閥并不能夠在大值出現(xiàn)前開(kāi)始泄壓。
3.4工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）故障后的影響
在運(yùn)行過(guò)程中，過(guò)濾器的電控反洗閥及排污閥都可能因管道或水中的雜質(zhì)卡住閥門(mén)或閥門(mén)本體故障，而出現(xiàn)閥門(mén)無(wú)法全開(kāi)、關(guān)嚴(yán)等情況。但過(guò)濾器的電控箱未提供相應(yīng)的控制電路或電控閥門(mén)的狀態(tài)反饋接口，當(dāng)閥門(mén)出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，運(yùn)維人員無(wú)法及時(shí)了解閥門(mén)狀態(tài)。那么在備用狀態(tài)下，若排污口未關(guān)嚴(yán)導(dǎo)致管內(nèi)的水持續(xù)小流量高壓外泄，則會(huì)造成管線前端空管，而大管徑的重力流空管注水是一個(gè)較為危險(xiǎn)的過(guò)程，應(yīng)當(dāng)規(guī)避。在輸水狀態(tài)下，可能會(huì)使過(guò)濾器內(nèi)部堵塞導(dǎo)致管線流量下降，或者排污口持續(xù)泄水造成水源浪費(fèi)，因此需要采取措施消除隱患。
4工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）改造實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋
為使設(shè)備狀態(tài)能夠遠(yuǎn)程觀測(cè)，確保管線中所有電控閥門(mén)都處于DCS監(jiān)控之下，對(duì)工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）的控制電路進(jìn)行分析后認(rèn)為：直接讀取電動(dòng)執(zhí)行器本身的狀態(tài)相對(duì)可靠，同時(shí)能夠判斷出過(guò)濾器的電控部分是否故障。
4.1電動(dòng)執(zhí)行器內(nèi)部控制電路
電動(dòng)執(zhí)行器的一個(gè)動(dòng)作周期約30s，內(nèi)部由2組微動(dòng)開(kāi)關(guān)構(gòu)成控制電路，在全開(kāi)、全關(guān)的位置及時(shí)切斷電源使電機(jī)停止，同時(shí)實(shí)現(xiàn)位置反饋（見(jiàn)圖3）。
4.2閥門(mén)狀態(tài)反饋
每臺(tái)工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）有2個(gè)閥門(mén)，在5芯控制電纜中，采用3芯信號(hào)、1芯公共回流線的方式，可采集排污閥執(zhí)行器中的開(kāi)、關(guān)到位信號(hào)與反洗閥執(zhí)行器中的關(guān)到位信號(hào)，線路接法見(jiàn)表1。將所獲取的信號(hào)接入DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制站開(kāi)關(guān)量輸入模塊中，即實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)濾器狀態(tài)信息的觀測(cè)。
表1電動(dòng)執(zhí)行器接線表功能執(zhí)行器接線位置點(diǎn)位類(lèi)型末端接線位置零線（N）1N開(kāi)閥電源2AC220V+過(guò)濾器電控箱關(guān)閥電源3AC220V+信號(hào)公共端（+）4DC24V+開(kāi)到位5DIDCS現(xiàn)場(chǎng)控制柜關(guān)到位6DI閥門(mén)狀態(tài)信號(hào)邏輯如下：
（1）排污閥處于中間狀態(tài)（沒(méi)有開(kāi)到位也沒(méi)有關(guān)到位）超過(guò)40s：嚴(yán)重故障，管線漏水，需要立即排查。
（2）排污閥開(kāi)到位、反洗閥沒(méi)有關(guān)到位：一般故障，反洗不徹底，需要排查。
（3）排污閥關(guān)到位、反洗閥關(guān)到位：一般故障，過(guò)濾器以非過(guò)濾狀態(tài)運(yùn)行。
（4）排污閥開(kāi)到位、反洗閥關(guān)到位：正常反洗狀態(tài)。
（5）排污閥關(guān)到位，反洗閥沒(méi)有關(guān)到位狀態(tài)信號(hào)：正常過(guò)濾狀態(tài)，通過(guò)日常巡檢觀察反洗閥有沒(méi)有開(kāi)到位。
（6）排污閥、反洗閥進(jìn)行一次動(dòng)作的間隔時(shí)間小于定時(shí)器預(yù)定動(dòng)作時(shí)間：執(zhí)行了壓差反沖洗程序。
5優(yōu)化控制工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）啟停
為確保管線在無(wú)人值守狀態(tài)下的安全性，可以有兩種優(yōu)化改造方案：過(guò)濾器電源取自光伏配電系統(tǒng)，在配電系統(tǒng)饋線柜中增加接觸器，由DCS系統(tǒng)直接對(duì)自清洗過(guò)濾器的電源實(shí)現(xiàn)控制。將電氣聯(lián)鎖控制改為可編程邏輯控制。
5.1電源前端增加接觸器
在工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）電源前端（饋線柜）增加單相接觸器是相對(duì)簡(jiǎn)便、安全、可控的一種方式，既不改變?cè)泄δ埽瑫r(shí)又可以新增過(guò)載保護(hù)。該方案有兩種控制方式。
5.1.1現(xiàn)場(chǎng)條件
工程現(xiàn)場(chǎng)具備增加電源接觸器后對(duì)工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）實(shí)現(xiàn)啟停控制的基礎(chǔ)條件，分析如下：
（1）工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）電控箱采用簡(jiǎn)單的AC220V電氣聯(lián)鎖電路，該電路得電即進(jìn)入初始狀態(tài)開(kāi)始進(jìn)行控制，且頻繁的通斷電對(duì)其設(shè)備壽命的影響較小。
（2）調(diào)流調(diào)壓閥是供水管線運(yùn)行狀態(tài)的主要控制設(shè)備，設(shè)備自帶的PLC控制箱與DCS控制系統(tǒng)之間采用RS485與開(kāi)關(guān)量并行的雙通道通信方式，其中閥門(mén)開(kāi)、關(guān)運(yùn)行狀態(tài)具有開(kāi)關(guān)量反饋接口。
（3）饋線柜與DCS控制柜內(nèi)均有相應(yīng)的安裝空間，且兩柜相鄰便于布線。
5.1.2調(diào)流調(diào)壓閥控制
基于上述條件，在每個(gè)工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）總電源前端增加單相接觸器，從調(diào)流調(diào)壓閥送抵DCS控制柜的運(yùn)行狀態(tài)反饋繼電器中取一路無(wú)源觸點(diǎn)來(lái)控制接觸器，即可在管線備用狀態(tài)下停止過(guò)濾器動(dòng)作（見(jiàn)圖4）。
此時(shí)，聯(lián)鎖控制邏輯如下：
（1）工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）處于正常過(guò)濾狀態(tài)時(shí)，調(diào)流調(diào)壓閥關(guān)停，接觸器斷開(kāi)，保持過(guò)濾狀態(tài)。
（2）工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）排污閥處于反沖洗開(kāi)閥過(guò)程時(shí)，調(diào)流調(diào)壓閥逐步關(guān)停，接觸器斷開(kāi)，排污閥半開(kāi)，流量計(jì)監(jiān)測(cè)到管線內(nèi)依舊有水流動(dòng)，同時(shí)由于閥門(mén)處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，流量的不同變化也會(huì)引起安全范圍內(nèi)的壓力波動(dòng)。當(dāng)壓力值達(dá)到調(diào)壓安全閥的啟動(dòng)條件時(shí)，安全閥啟動(dòng)，接觸器接通，排污閥得電后將關(guān)閉，而安全閥會(huì)持續(xù)的泄壓直至平穩(wěn)后關(guān)停。
（3）工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）處于反沖洗狀態(tài)時(shí)。調(diào)流調(diào)壓閥關(guān)停，接觸器斷開(kāi)，此時(shí)的排污閥處于開(kāi)閥狀態(tài)，且當(dāng)上述（4）過(guò)程中所引起的水錘達(dá)不到安全閥啟動(dòng)條件時(shí)，持續(xù)的流量應(yīng)當(dāng)觸發(fā)故障報(bào)警，重啟調(diào)流調(diào)壓閥，工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）也隨之重啟使排污閥得電關(guān)閉。
5.1.3DCS控制
DCS控制柜中，單獨(dú)采用邏輯聯(lián)鎖也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反沖洗過(guò)濾器的全自動(dòng)控制（見(jiàn)圖5）。聯(lián)鎖控制邏輯順序如下：
（1）調(diào)流調(diào)壓閥打開(kāi)，管線進(jìn)入輸水狀態(tài)，過(guò)濾器啟動(dòng)。
（2）調(diào)流調(diào)壓閥關(guān)閉，管線回到備用狀態(tài)，并檢查過(guò)濾器狀態(tài)（已實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋時(shí)）或檢查流量計(jì)狀態(tài)。
工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）處于反沖洗狀態(tài)或排污閥開(kāi)閥過(guò)程，或管道流量增大至5m3/h以上（流量大于管道允許泄露量）持續(xù)3s：?jiǎn)?dòng)并打開(kāi)調(diào)壓安全閥，預(yù)防將要來(lái)到的水錘；等待120s，反沖洗過(guò)程結(jié)束，斷開(kāi)過(guò)濾器電源，等待管線壓力平穩(wěn)后調(diào)壓安全閥關(guān)閉，使管線保持安全狀態(tài)。過(guò)濾器處于正常過(guò)濾狀態(tài)，或流量計(jì)逐步減小至5m3/h以下持續(xù)10s，直接斷開(kāi)工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）電源。
5.2改為可編程邏輯控制
可編程邏輯控制器（PLC）作為當(dāng)代主流的控制設(shè)備，相較于電氣聯(lián)鎖控制電路具有體積小巧、性能穩(wěn)定、擴(kuò)展性好、可變更修改、控制精度高、邏輯功能較多、能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)昂貴、對(duì)操作人員的要求較高。
采用此方案時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)拆除工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）電控箱中的時(shí)間繼電器及聯(lián)鎖電路，保留一個(gè)14腳繼電器，既可采集工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）中兩個(gè)閥門(mén)的狀態(tài)進(jìn)行控制，同時(shí)也具備了多種故障情況的分析與報(bào)警功能。而在施工方面，現(xiàn)場(chǎng)采用一根計(jì)算機(jī)電纜，由工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）電控箱接入到DCS現(xiàn)場(chǎng)控制柜的RS485集線端子中，即可與DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)邏輯聯(lián)鎖控制。
通過(guò)對(duì)可靠性及經(jīng)濟(jì)性的比較，現(xiàn)場(chǎng)利用DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站中預(yù)留的兩路DI通道直接對(duì)相應(yīng)閥門(mén)的電動(dòng)執(zhí)行器狀態(tài)信息進(jìn)行采集，以及并編譯聯(lián)鎖邏輯采用預(yù)留的DO通道對(duì)設(shè)備的電源進(jìn)行的控制，實(shí)現(xiàn)了管線中所有電控閥門(mén)的遠(yuǎn)程監(jiān)控全覆蓋，避免了在備用工況下閥門(mén)啟閉所產(chǎn)生的水錘對(duì)管道的損害，并且對(duì)工業(yè)全自動(dòng)濾水器（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）的電控閥門(mén)的異常狀態(tài)向中控室發(fā)出報(bào)警信息，減輕了運(yùn)行人員在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)距離巡檢工作強(qiáng)度，為以后的工程實(shí)踐提供參考。
