水利水电技术第48卷2017年第2期 虹吸式出水流道真空破坏阀的联动控制分析 邱枫,邱象玉,谢迪 (北京市水利规划设计研究院,北京 100048) 摘要:为防止泵站系统管路局部位置真空破坏,以虹吸式出水流道真空破坏阀的联动控制为研究对 象,分析现地手动控制、现地PLC自动控制、现地硬接线自动控制、远程控制等控制方式的可靠性, 研究真空破坏阀的联动工作机制。以南水北调来水调入密云水库调蓄工程为例,研究结果表明:通过 增加软启柜硬接线、配置电磁阀按钮箱,在正常运行及事故停机时能够有效实现对水泵机组的保护; 在停泵运行时,真空破坏阀打开关闭时间确定为10 S。水泵机组启动及事故停机时真空破坏阀的联动 控制方案对同类虹吸式工程的设计运行及控制具有参考价值。 关键词:南水北调工程;真空破坏阀;虹吸式出水流道;联动控制 doi:10.13928/j.cnki.wrahe.2017.02.014 中图分类号: Ir、 38 文献标识码:B 文章编号:1000.0860(2017)02.O079—05 Analysis on linkage control of vacuum breaker valves for siphon outlet conduit QIU Feng,QIU Xiangyu,XIE Di (Beijing Institute of Water,Beijing 100048,China) Abstract:For preventing the local vacuum damages in the pumping station pipeline system,the control modes,such as the lo— cal manual control,local PLC automatic conto1,local hard—rwired automatic control,remote control,etc.,are analyzed herein by taking the linkage control of the vacuum breaker valves for siphon outlet conduit as the study object,and then the linkage working mechanism of tIle vacuum breaker valves is studied.In accordance with the actual case of Miyun Reservoir Regulation and Storage Project for Incoming Water from South-to—Noah Water Diversion Project,the study result shows that the protection of pumping—unit during the normal operation and emergency shutdown can be effectively realized through adding hard wire to the soft starter and arranging push-button box for the solenoid valve,while the time for open and close of the vacuum breaker valve is de— termined to be lOs when operation of pump stopping.The scheme for the linkage control of the vacuum breaker v ̄ves during the normal operation and emergency shutdown of pumping—unit has a certain reference signiifcance for the design,operation and con— torl of the similar siphon project concerned. Keywords:South-to-North Water Diversion Project;vacuum breaker valve;siphon outlet conduit;linkage contolr 0引言 低的情况。与直管式出水流道相比,虹吸式出水流道 具有显著优点 J:(1)在较低扬程条件下,出水流道 损失明显小于直管式;(2)断流方式简单、可靠、投 资少。因此虹吸式出水流道在大型立式泵站得到了广 泛的应用。 泵站立式机组装置可以配套使用的出水流道主要 有虹吸式出水和直管式出水流道型式。虹吸式出水流 道是利用虹吸原理出水的一种布置型式,由上升段、 驼峰段、下降段组成,能够很好地适应出水池水位较 虹吸式出水流道在泵系统出水管道较长时,管道 收稿日期:2016—11-12 作者简介:邱枫(1973一),男,高级工程师,主要从事泵站自动控制研究。邮箱:qn973@sins.COffl WaterResources attdHydropowerEngineering Vo1.48No.2 邱枫,等∥虹吸式出水流道真空破坏阀的联动控制分析 中积聚有大量空气,空气的存在会使泵启动时间增 长,且造成起动不平稳 ]。在机组停机时,需向虹 吸流道内补气,防止泵站出水口处的水翻过驼峰而形 成反向虹吸。因此,须在每个出水流道的驼峰顶部位 置分别安装真空破坏阀,通过气系统(空气压缩机、 贮气罐、电磁阀等)实现对真空破坏阀的开启、关闭 操作,从而避免上述问题的发生。 1 真空破坏阀的控制原理及功能 1.1真空破坏阀的原理 泵站水泵出水管路为虹吸式,在启动过程中, 需要排出流道内空气,以利于形成虹吸;在停机过 程中,为防止倒虹吸使机组长时间倒转损坏机组, 需要破坏管道内真空。因此,在虹吸流道顶部需要 安装真空破坏阀,其布置位置及结构如图1和图2 所示。 图1 立式泵站真空破坏阀布置示意 其工作原理为:水泵启动过程中,出水流道内 空气在水压作用下受压,顶开活塞,空气从窗口排 出,直至水泵出水翻过虹吸流道顶部后,流道内空 气减少、压力降低,活塞在弹簧力作用下自动关 闭;水泵停机同时,空气压缩机工作,向活塞下腔 送气,顶起活塞,外界空气进入流道,破坏管道内 真空,形成断流;活塞由自动控制系统控制,在真 空破坏阀顶部安装“接近传感器”,保证活塞杆顶部 维持在设定位置,控制极限行程,该传感器信号输 送到泵站中控系统,由中控系统控制空压机及气路 上电磁阀的状态。 1.2真空破坏阀功能 真空破坏阀的开启、关闭由空气压缩系统控制, 通过电磁阀的打开、关闭实现真空破坏阀的运行,其 功能主要包括以下两点: 80 抽 图2立式泵站真空破坏阀结构示意(尺寸单位:mm) (1)帮助降低水泵启动扬程 J。在机组刚启动 时,打开真空破坏阀,可降低虹吸管内空气受压缩程 度。在水流翻过驼峰后,虹吸管内形成负压时,再关 闭真空破坏阀,可降低最大启动扬程,加大水泵出水 量。 (2)停机时断流。当机组停机时,真空破坏阀手 动或自动打开,破坏虹吸,防止出水口处的水翻过驼 峰而形成倒流。 2真空破坏阀控制方式研究 作为立式泵站重要的运行控制设备,真空破坏阀 有4种控制方式:现地手动控制、现地PLC自动控 制、现地硬接线自动控制、远程控制。通过控制电磁 阀(或1 手动阀),实现真空破坏阀的开启、关闭。 结合立式泵站气系统控制系统图,对上述各种控制方 式进行详细分析(见图3)。 供气系统主要设备包括空压机、贮气罐、电磁 阀、逆止阀、截止阀、安全阀及控制指示仪表等。空 压机系统根据压力气罐压力变化自动启、停运行,始 终保证气罐压力维持在0.6 MPa左右。空压机由压力 控制器自动控制 J,当压力降到0.6 MPa时,主空 压机启动;当压力降到0.5 MPa(主空压机故障或多 台泵组同时停机)时,备用空压机启动,发出信号, 压力上升到0.6 MPa时切除。 水利水电技术第48卷201 7年第2期 邱枫,等∥虹吸式出水流道真空破坏阀的联动控制分析 l妻 昌} 昌l 昌 o t I 舌l 吞 t ’ l、J 态软件操作界面对电磁阀操作实 图形符号说明 现真空破坏阀的开启、关闭。 ;他设备 2 机组3 机组4 机组 两位三通电磁阀 序号 符号 名称 序号 符号 名称 上述三种控制方式中,现地 PLC自动控制、远程控制可实现 9三 DN2 0 1 手动阀 nN,n 7 L 1 o 空气 7压缩机 吞 2 — 一 止回阀 8 — 3 —D 截止阀 9 截止阀 仪表 事故停机时自动开启、关闭真空 同阀 破坏阀,对水泵机组进行保护; 但在泵站手动运行调试期间 电磁 空气阀 ①5 4 安全阀 1O 白 真空 破坏阀 软管 接头 (PLC未参与)、PLC故障时均 无法保障泵组安全。 5 ① 压力表 11 ① 压力 真空表 6 ① 电接点 1压力表 2 /T、厂T、 对此,设计人员在主厂房增 加电磁阀按钮箱,改进控制电 路,通过水泵软起柜硬接线输出 点接至电磁阀按钮箱,实现事故 停机时硬接线自动控制真空破坏 阀的开启、关闭,保障泵组运行 安全。 (4)现地硬接线自动控制。 现地硬接线自动控制主要指正常 图3立式泵站气系统控制系统 (事故)停机时,通过软启柜硬 接线联动开启、关闭真空破坏 真空破坏阀的开启压力为0.4~0.6 MPa,气系 统通过电磁阀(或l 手动阀)与真空破坏阀活塞下腔 相通。当人工手动开启手动球阀或打开电磁阀时,气 压推动活塞打开真空破坏阀,当人工手动关闭手动球 阀,保证泵组运行安全(见图4)。 图4中,1SA转换开关实现“现地手动/远程PLC 控制”的切换,1SB1S、1SB1C分别为开启、关闭电 磁阀按钮,1K1位PLC DO输出。水泵机组启动时, 通过人工操作启动按钮、停止按钮或PLC自动闭合、 阀或关闭电磁阀时,压力降低,活塞在弹簧力作用下 自动关闭,即真空破坏阀关闭。 (1)现地手动。在机组刚启动时,操作人员手动 断开控制回路实现电磁阀的开启、关闭,进而实现对 真空破坏阀的开启、关闭。 打开1 手动阀辅助水泵启动,再延时关闭1 手动阀; 当水泵停机时,操作人员应迅速打开1 手动阀,将 空气放进虹吸管内破坏虹吸,待水泵泵组停机后关闭 1 手动阀。 泵组运行时,1KA2闭合,延时继电器1KT1吸 合,1KA3得电闭合。当泵组正常停机或事故停机 时,对应软起柜控制回路的KA1输出(513、514之 间)“停机闭合信号”启动电磁阀1打开真空破坏阀; (513、515之间)“停机断开信号”断开1KT1延时继 电器导致1KA3延时断开,关闭电磁阀最终导致关闭 (2)现地PLC自动控制。真空破坏阀与水泵实 现PLC硬件联锁 。在水泵开启时,真空破坏阀同 步通电吸合关闭,若无真空破坏阀关闭信号,则机 组启动失败并报警,机组运行期间,若失去真空破 坏阀关闭信号,则机组断电并报警;停泵时,真空 破坏阀同步失电开启,若无真空破坏阀开启信号, 则PLC报警,须人工开启真空破坏阀紧急开阀按 钮。 真空破坏阀。真空破坏阀的开启、关闭时间由延时继 电器配置。 3设计实例应用 南水北调来水调入密云水库调蓄工程是北京市南 水北调配套工程的重要组成部分。工程由团城湖取 水,通过现状京密引水渠,经怀柔水库输水至密云水 库。工程共新建9座提升泵站,其中1_7级泵站为 立式混(轴)流泵站,其出水为虹吸式出水流道,并 在各泵站相应驼峰处配置有真空破坏阀。破坏阀采用 停泵后,若真空破坏阀长期开启,管路中的气 体可能会从真空破坏阀处泄漏到大气中去,潮气腐 蚀真空破坏阀,故要求在停泵3 min后关闭真空破 坏阀。 (3)远程控制。远程控制是通过操作员工作站组 水利水电技术第48卷201 7年第2期 气动式,在泵站真空破坏阀旁配置电磁阀按钮箱,通 81 邱枫,等∥虹吸式出水流道真空破坏阀的联动控制分析 ILl 一5l3 QF0 .1SA 远控 l3 现地 1L4 停机闭合 旧软启 l柜KA1 514 l、 停机断开 自软启柜KA1 1KTl 停机延时断开 远控信号 —— L— / 远控,送PLC KTI断电延 攀 X1 l≥ X2 tz;z l1KA4 N 控制箱 1 机组 1 机组 1 机组 控制电源指示空压机电磁阀空压机电磁阀空压机电磁阀 手动启停 远控启停 打开指示 停机信号 电磁阀1 延时信号 图4现地硬接线自动控制方式电磁阀控制原理图 过控制按钮实现对真空破坏阀的运行控制。当水泵停 机时,控制信号由水泵高压软启柜硬接线给出,软启 柜输出DO信号联动打开电磁阀,并通过延时继电器 关闭电磁阀,保护泵组安全。 本工程在2015年7月1日一8月31日期间进行 了前六级泵站联合调度试运行,在泵站启、停及泵组 调试后期,增加电磁阀按钮箱,在泵组切换至停 机状态,调整软起柜、PLC柜接线后,可实现水泵机 开、延时关闭电磁阀,实现真空破坏阀的自动控制。 3.2水泵停机真空破坏阀开启时间确定 组正常(或故障)停机时,通过软启停机信号自动打 本工程1__6级泵站真空破坏阀开启时间最初按 切换过程中,针对真空破坏阀4种控制方式(现地手 动控制、现地PLC自动控制、现地硬接线自动控制、 远程控制)进行了可靠性验证。 3.1 真空破坏阀控制验证 5 s设置,在调试期间出现几个泵站停机时振动较大 的情况。在后续的试运行中按7 s和10 S进行了测 真空破坏阀的停机开启时间为10 S。 表1 水泵停机真空破坏阀不同开启时间测试振动 数据结果(以6级泵站为例) 序号 1 2 3 试,结果10 s时所有泵站均可稳定停机。最终确定 调试初期,操作人员听到停泵指令后,迅速手动 旋转打开球阀,储气罐内0.6 MPa气体通过管路打开 真空破坏阀,5 s后再迅速关闭球阀。 调试中期,PLC已基本调试完毕,通过硬接线电 磁阀接至PLC柜,当PLC监测到水泵机组停止运行 开启时间/s 5 7 10 振动值/mm・s 5.2 4.3 2.6 报备警 注 接近报警值 <4.7报警值 时,自动输出DO信号打开、延时关闭电磁阀,实现 真空破坏阀的自动控制。在中控室操作工作站监控界 面上,操作人员通过点击打开关闭按钮可实现真空破 坏阀的远程控制。 经过调试,停泵安全隐患有效解决,得到业主和 (下转第129页) 水利水电技术第48卷201 7年第2期 宁逢伟,等//PVA纤维掺量对水工混凝土抗裂性能的影响 的早期抗裂性能不如0.2%时的情况,表明纤维掺量 过高后会减弱纤维的阻裂作用。如前所述,纤维掺量 提高会增加混凝土内部的失水通道数量,早期抗裂试 验主要反映的是混凝土的塑性收缩。纤维掺量的提高 虽然会增强混凝土的纤维阻裂作用,但失水通道的增 加势必加大塑性收缩开裂的风险。可见,PVA纤维 应用[J].华北水利水电学院学报,2012,33(6):112—115. [2] 杨富亮.溪洛渡水电站掺PVA纤维混凝土的试验研究及应用 [J].云南水力发电,2011,27(5):11-17. [3] 窦立刚,施建梅.金沙江向家坝改性PVA纤维混凝土的技术 参数研究[J].黄河水利职业技术学院学报,2012,24(1): l8—21. [4] 林晖.掺PVA纤维混凝土的力学及变形性能研究[D].南京: 南京航空航天大学,2006. 混凝土的早期抗裂性能是纤维阻裂与失水收缩耦合作 用的结果。 [5] 张丽辉,郭丽萍,孙伟,等.高延性水泥基复合材料的流变特 性和纤维分散性[J].东南大学学报(自然科学版),2014(5): 1037.1O4o. 4结论 [6] 杨东宁,韩冰.PVA纤维混凝土弯折性能试验研究浅析[J]. 混凝土,2004(4):59—62. (1)与基准混凝土相比,0.1%、0.2%和0.3% 三种PVA纤维混凝土的抗压强度、轴向抗拉强度和 [7] 郑志均,邢锋,孙晓燕,等.PVA纤维对混凝土性能及早期塑 性收缩开裂的影响[J].浙江建筑,2010(10):76・78. [8] 陈立壮.PYA纤维混凝土力学性能及抗裂性能研究[J].中国 科技纵横,2010(23):7-8. 抗拉弹性模量略有降低;极限拉伸值变化不明显。 (2)早期抗裂试验表明,0.1%、0.2%和0.3% 掺量时混凝土单位面积上的总开裂面积比基准组分别 降低了38%、60%和45%。 [9] 林水东,程贤 ,林志忠.PP和PVA纤维对水泥砂浆抗裂和 强度性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2005(1):43—45. (3)0—0.3%PVA纤维掺量范围内,0.1%掺量时 [1O] 蒋正武,周磊,李文婷.石灰岩骨料混凝土强度与弹性模量相 1j 干缩率最低,0.2%和0.3%掺量时比基准组略有增加。 (4)综合考虑混凝土的力学、变形和早期抗裂性 能,建议PVA纤维体积掺量为0.1%。 参考文献: [1] 李光伟,鲁少林,钟贻辉.PVA纤维在水工高拱坝混凝土中的 关性研究[J].建筑材料学报,2014,17(4):649—653. 计涛,纪国晋,王少江,等.PVA纤维对水工抗冲磨混凝土性 能的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2010,40( ): 192—196. [ ] 张佚伦,詹树林,钱小倩,等.聚丙烯纤维混凝土早期收缩性 能试验研究[J].新型建筑材料,2006(1):25・27. (责任编辑陈小敏) (上接第82页) 运行管理单位的认可。 参考文献: 陆林广,刘荣华,梁金栋,等.虹吸式出水流道与直管式出水 流道的比较[J].南水北调与水利科技,2009,7(1):91—94. 吕秀龙,姜成启.SEZ型立式混流泵在引水泵站中的应用[J]. 4结论 虹吸式出水流道设置真空破坏阀后,其动作的可 靠性、时间精准性是保障立式水泵机组安全运行的关 键,通过以上控制方式分析可以得出: (1)通过增加软启柜硬接线、配置电磁阀按钮 箱,在正常运行及事故停机时能够有效实现对水泵机 组的保护,可靠性高,消除了在工程试运行期间 (PLC未参与控制时)的事故安全隐患。 (2)在停泵运行时,通过人工监测水泵稳定性、 自动监测水泵出口压力、振动等参数,真空破坏阀打 排灌机械,2003,21(2):15—17. 张小莹,李琳,王梦婷,等.虹吸管气液两相流压降特性试验 [J].水利水电技术,2015,46(11):115-120. 张海胜,倪波,严光华.PLC在虹吸式泵站真空破坏阀自动控 制中的应用[J].南水北调与水利科技,2006,4(4):69—72. 沙新建,李晓雁,顾玉兰,等.江都站真空破坏阀断流的研究 [J].排灌机械,2005,23(4):21・24. 李东风.雁田抽水站真空系统及机组起动方式的技术改进[J]. 人民珠江,2001,22(6):18—19. 赵国志,赵国玺.新型虹吸(真空)破坏阀在大型污水外排泵 开关闭时间确定为10 s。经试运行,对各级泵站进行 泵组切换,停泵稳定,达到了良好的效果。 站的应用[J].给水排水,20o3,29(6):72-75. (责任编辑王海锋) 水利水电技术第48卷2017年第2期 129