水電站供水管線中工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）應用
水電站供水管線中工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）應用。某有壓重力流供水工程按照間隔性大流量模式運行，通過末端調(diào)蓄水池保障供水。管線在暫停輸水期間會處于恒壓狀態(tài)確保安全，而管線上的自動反沖洗過濾器會執(zhí)行定時反沖洗程序破壞恒壓狀態(tài)，產(chǎn)生安全隱患。對該設備工作原理及管線運行工況進行分析并結(jié)合現(xiàn)場實際提出了相應的狀態(tài)反饋以及啟�？刂撇呗�，使全線所有電控閥門處于DCS監(jiān)測與控制范圍內(nèi)，解決了過濾器本體中的電控閥門不受遠端控制而自行動作以及閥門故障信息不能及時被操作人員獲取所帶來的安全隱患，提高了管線運行過程中的安全穩(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行輸水，全線長度超過100km，起終點之間落差超過200m，共計分為三個階段進行消能減壓。水流的消能減壓功能主要由三處中間減壓閥與三個階段末端調(diào)流調(diào)壓閥來實現(xiàn)。調(diào)流調(diào)壓閥，主管線引至閥門控制腔的導壓管相對細小，在運行過程中容易被水中雜質(zhì)堵塞，而在閥前設置過濾器來減小水中雜質(zhì)對閥門本體及壓力控制的影響，延長閥門維護周期及壽命。
為了實現(xiàn)整個輸水管道沿線的無人值守自動化運行，配套建設了集散型控制系統(tǒng)，采用離網(wǎng)式光伏配電系統(tǒng)為現(xiàn)場控制站供電。但具備自清洗功能的過濾器沒有接入該控制系統(tǒng)（見圖1），因此對現(xiàn)狀進行分析，并提出改進方案。
2機身結(jié)構(gòu)與功能
2.1工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）
工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）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，并能夠在運行過程中自動執(zhí)行反沖洗程序清洗濾網(wǎng)，無需人工清洗。過濾器的機身結(jié)構(gòu)見圖2。
2.2電控箱
該設備的電控箱隨機身整體安裝，內(nèi)部是一個采用AC220V/10A繼電器直接輸出電源的電機正反轉(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聯(lián)鎖控制電路帶動反洗閥與排污閥電動執(zhí)行器動作，實現(xiàn)反沖洗排污。
（1）時間控制：設置延時繼電器時長，到時觸發(fā)聯(lián)鎖電路。
（2）壓差控制：設置壓差開關(guān)定值，由過濾網(wǎng)前后因濾網(wǎng)堵塞而增加的壓差觸發(fā)聯(lián)鎖電路。
（3）手動控制：按下手動按鈕，觸發(fā)聯(lián)鎖電路。
（4）緊急停車：按下旋鈕開關(guān)，斷開聯(lián)鎖電路電源，閥門均回轉(zhuǎn)至正常過濾的位置。
A-反洗閥執(zhí)行器；B-壓差開關(guān)；C-進水口；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)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）管線狀態(tài)及分析
3.1管線狀態(tài)
（1）備用狀態(tài)。在設計的運行方案中，兩條管線一用一備，采用間隔性大流量的方式輸水，通過末端水池蓄水實現(xiàn)管線暫停輸水期間的水源供應，即兩條管線均會處于一定時間段的備用狀態(tài)。此時，管內(nèi)充滿了處于靜止狀態(tài)的水，管道內(nèi)壁所受壓力來自于水的自重。
（2）輸水狀態(tài)。在末端蓄水池水位較低時，啟動管線三階段末端的調(diào)流調(diào)壓閥進入輸水狀態(tài)，管內(nèi)水流量逐步升高至700m3/h。當末端蓄水池水位較高時，調(diào)流調(diào)壓閥逐步調(diào)小流量，同時平抑管內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動，直至關(guān)停。
3.2工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）反沖洗程序的觸發(fā)
在備用狀態(tài)下，過濾器的濾網(wǎng)上沒有新的雜質(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，壓差控制回路不會觸發(fā)。但是定時控制元件在通電后即開始計時，到時則觸發(fā)定時控制回路。
在輸水狀態(tài)下，過濾器的濾網(wǎng)前端截留的雜質(zhì)持續(xù)增多導致水流量逐漸減小，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元件計時結(jié)束仍未觸發(fā)，則觸發(fā)定時控制回路。
原設計工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）電控箱的電源直接引自低壓配電系統(tǒng)斷路器，那么在管線運行過程中電控箱將持續(xù)處于通電狀態(tài)，定時控制反沖洗可能會被無限次觸發(fā)。
3.3觸發(fā)后的影響
在負載調(diào)試的過程中，發(fā)現(xiàn)反沖洗過濾器在管線的兩種運行狀態(tài)下對管道產(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，若過濾器開始執(zhí)行反沖洗程序，排污閥打開后泄水，管道內(nèi)即產(chǎn)生壓力波動，在60s的排污過程中，峰值壓力能夠達到1.2MPa，此時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。當排污閥關(guān)閉后，管道在短時間內(nèi)會發(fā)生較為嚴重的水錘，瞬時壓力超過1.6MPa（就地壓力表大讀數(shù)為1.6MPa），而在峰值壓力過后，主管道的旁路調(diào)壓安全閥開始隨動泄壓，逐步使壓力趨于穩(wěn)定。
而在輸水狀態(tài)下，管內(nèi)的輸水流量遠大于過濾器反沖洗時的排污流量。當過濾器開始反沖洗程序后，排污流量變化所導致的水錘效應僅會產(chǎn)生較小的壓力波動。同時，調(diào)流調(diào)壓閥處于開啟狀態(tài)，能夠及時減小并逐漸平抑水流變化所產(chǎn)生的壓力波動，并且主管線的流量越大，工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）所帶來的影響就越小，因此管線內(nèi)的水流壓力處于一種可控狀態(tài)，不會對安全運行產(chǎn)生較大影響。在備用狀態(tài)下，反沖洗過程結(jié)束后的一波水錘對管線是危險的，且安全閥并不能夠在大值出現(xiàn)前開始泄壓。
3.4工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）故障后的影響
在運行過程中，過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)卡住閥門或閥門本體故障，而出現(xiàn)閥門無法全開、關(guān)嚴等情況。但過濾器的電控箱未提供相應的控制電路或電控閥門的狀態(tài)反饋接口，當閥門出現(xiàn)故障不能正常工作時，運維人員無法及時了解閥門狀態(tài)。那么在備用狀態(tài)下，若排污口未關(guān)嚴導致管內(nèi)的水持續(xù)小流量高壓外泄，則會造成管線前端空管，而大管徑的重力流空管注水是一個較為危險的過程，應當規(guī)避。在輸水狀態(tài)下，可能會使過濾器內(nèi)部堵塞導致管線流量下降，或者排污口持續(xù)泄水造成水源浪費，因此需要采取措施消除隱患。
4工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）改造實現(xiàn)狀態(tài)反饋
為使設備狀態(tài)能夠遠程觀測，確保管線中所有電控閥門都處于DCS監(jiān)控之下，對工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）的控制電路進行分析后認為：直接讀取電動執(zhí)行器本身的狀態(tài)相對可靠，同時能夠判斷出過濾器的電控部分是否故障。
4.1電動執(zhí)行器內(nèi)部控制電路
電動執(zhí)行器的一個動作周期約30s，內(nèi)部由2組微動開關(guān)構(gòu)成控制電路，在全開、全關(guān)的位置及時切斷電源使電機停止，同時實現(xiàn)位置反饋（見圖3）。
4.2閥門狀態(tài)反饋
每臺工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）有2個閥門，在5芯控制電纜中，采用3芯信號、1芯公共回流線的方式，可采集排污閥執(zhí)行器中的開、關(guān)到位信號與反洗閥執(zhí)行器中的關(guān)到位信號，線路接法見表1。將所獲取的信號接入DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站開關(guān)量輸入模塊中，即實現(xiàn)整個過濾器狀態(tài)信息的觀測。
表1電動執(zhí)行器接線表功能執(zhí)行器接線位置點位類型末端接線位置零線（N）1N開閥電源2AC220V+過濾器電控箱關(guān)閥電源3AC220V+信號公共端（+）4DC24V+開到位5DIDCS現(xiàn)場控制柜關(guān)到位6DI閥門狀態(tài)信號邏輯如下：
（1）排污閥處于中間狀態(tài)（沒有開到位也沒有關(guān)到位）超過40s：嚴重故障，管線漏水，需要立即排查。
（2）排污閥開到位、反洗閥沒有關(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，過濾器以非過濾狀態(tài)運行。
（4）排污閥開到位、反洗閥關(guān)到位：正常反洗狀態(tài)。
（5）排污閥關(guān)到位，反洗閥沒有關(guān)到位狀態(tài)信號：正常過濾狀態(tài)，通過日常巡檢觀察反洗閥有沒有開到位。
（6）排污閥、反洗閥進行一次動作的間隔時間小于定時器預定動作時間：執(zhí)行了壓差反沖洗程序。
5優(yōu)化控制工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）啟停
為確保管線在無人值守狀態(tài)下的安全性，可以有兩種優(yōu)化改造方案：過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)直接對自清洗過濾器的電源實現(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)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）電源前端（饋線柜）增加單相接觸器是相對簡便、安全、可控的一種方式，既不改變原有功能，同時又可以新增過載保護。該方案有兩種控制方式。
5.1.1現(xiàn)場條件
工程現(xiàn)場具備增加電源接觸器后對工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）實現(xiàn)啟�？刂频幕A(chǔ)條件，分析如下：
（1）工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）電控箱采用簡單的AC220V電氣聯(lián)鎖電路，該電路得電即進入初始狀態(tài)開始進行控制，且頻繁的通斷電對其設備壽命的影響較小。
（2）調(diào)流調(diào)壓閥是供水管線運行狀態(tài)的主要控制設備，設備自帶的PLC控制箱與DCS控制系統(tǒng)之間采用RS485與開關(guān)量并行的雙通道通信方式，其中閥門開、關(guān)運行狀態(tài)具有開關(guān)量反饋接口。
（3）饋線柜與DCS控制柜內(nèi)均有相應的安裝空間，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，在每個工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）總電源前端增加單相接觸器，從調(diào)流調(diào)壓閥送抵DCS控制柜的運行狀態(tài)反饋繼電器中取一路無源觸點來控制接觸器，即可在管線備用狀態(tài)下停止過濾器動作（見圖4）。
此時，聯(lián)鎖控制邏輯如下：
（1）工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）處于正常過濾狀態(tài)時，調(diào)流調(diào)壓閥關(guān)停，接觸器斷開，保持過濾狀態(tài)。
（2）工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）排污閥處于反沖洗開閥過程時，調(diào)流調(diào)壓閥逐步關(guān)停，接觸器斷開，排污閥半開，流量計監(jiān)測到管線內(nèi)依舊有水流動，同時由于閥門處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，流量的不同變化也會引起安全范圍內(nèi)的壓力波動。當壓力值達到調(diào)壓安全閥的啟動條件時，安全閥啟動，接觸器接通，排污閥得電后將關(guān)閉，而安全閥會持續(xù)的泄壓直至平穩(wěn)后關(guān)停。
（3）工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）處于反沖洗狀態(tài)時。調(diào)流調(diào)壓閥關(guān)停，接觸器斷開，此時的排污閥處于開閥狀態(tài)，且當上述（4）過程中所引起的水錘達不到安全閥啟動條件時，持續(xù)的流量應當觸發(fā)故障報警，重啟調(diào)流調(diào)壓閥，工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）也隨之重啟使排污閥得電關(guān)閉。
5.1.3DCS控制
DCS控制柜中，單獨采用邏輯聯(lián)鎖也能夠?qū)崿F(xiàn)對反沖洗過濾器的全自動控制（見圖5）。聯(lián)鎖控制邏輯順序如下：
（1）調(diào)流調(diào)壓閥打開，管線進入輸水狀態(tài)，過濾器啟動。
（2）調(diào)流調(diào)壓閥關(guān)閉，管線回到備用狀態(tài)，并檢查過濾器狀態(tài)（已實現(xiàn)狀態(tài)反饋時）或檢查流量計狀態(tài)。
工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）處于反沖洗狀態(tài)或排污閥開閥過程，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：啟動并打開調(diào)壓安全閥，預防將要來到的水錘；等待120s，反沖洗過程結(jié)束，斷開過濾器電源，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)。過濾器處于正常過濾狀態(tài)，或流量計逐步減小至5m3/h以下持續(xù)10s，直接斷開工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）電源。
5.2改為可編程邏輯控制
可編程邏輯控制器（PLC）作為當代主流的控制設備，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，缺點是價格相對昂貴、對操作人員的要求較高。
采用此方案時，現(xiàn)場拆除工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）電控箱中的時間繼電器及聯(lián)鎖電路，保留一個14腳繼電器，既可采集工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）中兩個閥門的狀態(tài)進行控制，同時也具備了多種故障情況的分析與報警功能。而在施工方面，現(xiàn)場采用一根計算機電纜，由工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）電控箱接入到DCS現(xiàn)場控制柜的RS485集線端子中，即可與DCS控制系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)邏輯聯(lián)鎖控制。
通過對可靠性及經(jīng)濟性的比較，現(xiàn)場利用DCS現(xiàn)場控制站中預留的兩路DI通道直接對相應閥門的電動執(zhí)行器狀態(tài)信息進行采集，以及并編譯聯(lián)鎖邏輯采用預留的DO通道對設備的電源進行的控制，實現(xiàn)了管線中所有電控閥門的遠程監(jiān)控全覆蓋，避免了在備用工況下閥門啟閉所產(chǎn)生的水錘對管道的損害，并且對工業(yè)全自動濾水器（自動反沖洗過濾器）的電控閥門的異常狀態(tài)向中控室發(fā)出報警信息，減輕了運行人員在惡劣環(huán)境下長距離巡檢工作強度，為以后的工程實踐提供參考。
