云南中凱中繼泵自主配置技術 在泥水盾構施工中的應用

引言 ：

    中繼泵是泥水盾構極為重要的附屬設備之一，由于需要在盾構主控室內進行集中控制，對安全性和系統性要求較高；因此，大多數工程還是選擇使用進口的成套設備，在泥水盾構施工中，一直面臨成本高和技術上受制于外企的尷尬境地。我公司高海旺、孫春燕等對中繼泵的設置與經濟性做了研究；本文結合武漢地鐵2號線越江隧道工程實例，介紹了中繼泵系統的自主配置。通過自由配置不僅可節省工程施工成本，又可掌握核心技術，不受制于外企，還能促進和帶動機電、材料、傳感器等相關的產業發展，具有深遠的意義。 

1 中繼泵的自主配置 

1．1 泥水循環系統介紹 

在泥水盾構施工中，泥水循環系統(如圖1所示)通過送泥泵將膨潤土泥漿壓入泥水艙以支撐開挖面，掘進時刀盤切削下來的渣土在泥水艙中與膨潤土泥漿混合，然后通過排泥泵，將混合泥漿帶出地面，送到泥水分離設備進行渣土與泥漿的分離，分離后的泥漿經過處理后重新泵送至泥水艙。 

圖1 泥水循環系統

1．2 中繼泵的原理 

    泥水循環系統需依靠泥漿泵來實現泥漿的不斷循環。由于受泥漿泵的揚程、流量等的限制，單靠1臺送泥泵和1臺排泥泵遠遠達不到整條隧道的施工要求，這就需要在盾構掘進到一定距離時，在隧道中間增加中繼泵站，以確保整個泥水循環系統的正常運行。 

    中繼泵主要由1臺泥漿泵及其配套的驅動控制系統組成。中繼泵作為泥水循環系統的一部分，由主司機在盾構主控室內遠程操作，通過幾臺泵的接力配合，在每臺泵的性能允許范圍內，確保泵送泥漿的流量和壓力。 

1．3 中繼泵的選型計算 

    為了選擇合適的交流電機驅動中繼泵，必須計算出泥漿泵的軸功率P。泵裝置是泵及其附件、吸入管路、排出管路等的總稱。泵的配套功率N是整個泵裝置的功率，實際工程中需要準確地配套功率[5] ，而配套功N不能直接計算出來，它與泵的軸功率P的關系為 

                                                     (1) 

式中：η1 為泵傳動裝置效率；K為功率裕量系數。裝置揚程HZ是泵裝置的重要參數，計算公式為 

                                             (2)

式中：h為幾何高度差，m; P 1一P2 為壓力差，Pa；Hν為整個裝置管路系統的阻力損失，m；ρ為泥漿密度， kg／m3；g為重力加速度，m／s2 。 Hν的計算公式為 

                                  (3) 

式中：ΣHv1為延程阻力損失和，m；ΣHv2為局部阻力損失和，m；d為管路直徑，m；ν2為泥漿流速，m／s；λ為摩擦阻力系數；k為局部阻力系數；ι為管長，m；g為重力加速度，m／s2。泥漿流量Q是另一個影響功率的參數，計算公式為 

                                                    (4) 

式中：S為固體物料體積質量，kg／L；Sm為泥漿體積質量，kg／L；Qa為固體的體積流量，m3／h；Cw為泥漿的質量分數。泥漿泵軸功率P的計算公式為 

                                                  (5) 

式中λ為泥漿泵效率。 

1．4 中繼泵自主配置關鍵技術 

除了中繼泵的選型計算外，中繼泵系統自主配置 的關鍵技術就是電氣控制系統設計及通訊。中繼泵的電氣控制原理如圖2所示。中繼泵站作為一個從站融入盾構的泥水循環系 統，與主站保持良好的通訊。從站主要完成泵的參數采集和處理、過程參數的設定和監視、設備的聯鎖控制、報警檢測等控制，與主站進行通訊，并完成主站發出的指令。從站具有遠程、本地切換功能，當切換為遠 程時，從站受主站控制，當切換為本地控制時，本地具有啟、停、調速控制功能。泵所需要的軸封水的壓力和 冷卻風機的啟?？刂埔布{入主、從站控制，并與泵具有邏輯聯鎖控制關系，當軸封水壓力不夠或風機故障時，泥漿泵會自動跳停。中繼泵的控制系統要能實現所要求的全部功能，并能與主站程序進行穩定的數據傳輸和通訊。

圖2 中繼泵控制原理圖

從站和主站之間通過1條Profibus—DP總線連接，進行數據傳輸。 

2 工程實例 

2．1 工程概況 

    武漢市軌道交通二號線越江隧道工程江南起點為積玉橋站，江北終點為江漢路站。全長約3100 m。本工程盾構區間采用2臺全新的泥水盾構施工，隧道總長6183.204單線m：其中，右線長3084.972 m，左線長3098.232 m。盾構從積玉橋站始發，始發井隧道中心埋深13 m；泥水分離設備距離始發井200 m左右。工程剖面如圖3所示。 

    本工程要完成整條隧道的施工，每條線需要安裝3臺排泥泵(即P 2.1泵、P 2.2泵、P2.3 泵）和2臺進泥泵(即P1.1泵、P1.2泵)。該盾構原配了P1.1泵和P2.1泵，需要自行配置6臺中繼泵。右線盾構在掘進至500多m時，加上豎井高度及地面管路，排泥管路總長已達800多米，P2.1 排泥泵的出口壓力明顯增大，經研究決定，在此位置安裝P2.3排泥中繼泵站。

圖3工程縱剖面圖(單位：m)

2．2主要部件選型

2．2．1  泥漿泵及驅動電機選型

 本工程在此段的具體工況參數見表l。

    將表l數據代入式(1)一(5)中，得HZ=67 m，Q=650 m3／h，軸功率P=33l kw．中繼泵采用直聯傳動，配套功率N=1.1P=364 kw；因此，需要選用的交流電機額定功率為400 kw，選用的電機為西門子400kW交流變頻電機，渣漿泵型號l0／8FF—GH，流量900 m3／h，揚程75．5 m，渣漿密度1.3 kg／L，允許通過顆粒Z大直徑180 mm，可以滿足工況要求。

表l  具體工況參數表

泵效率泥漿體積質量固體體積質量泥漿質量分數管徑流速高差摩擦因數管路長度

501.252.7350.33.24230.021800

2．2．2電氣柜尺寸的確定

    中繼泵的電氣控制部分包括高壓柜、低壓柜、變壓器、變頻柜及本地控制柜。中繼泵安裝在隧道一側，不能影響電瓶機車的水平運輸；因此，安裝空間比較有限，需要仔細計算每個電氣柜的Z大允許尺寸。

    根據工程的實際情況，按Z大允許空間先做出中繼泵站支架，如圖4所示。

    越江隧道管片內徑5.5 m，管片運輸車寬1.28 m，中繼泵站支架必須盡量避免影響電瓶車的水平運輸；因此，每個電氣柜深不能超過900 mm，而且要考慮到柜門打開時的情況，高不能超過2200mm，寬度原則上不受限制。

2．2．3其他主要部件選型

    1)變頻器采用施耐德ATV6l系列雙通道通風柜式變頻器，防護等級為IP54，以適應惡劣的現場環境；控制系統采用完善的故障監視和聯鎖保護，以確保設備安全可靠。

    2)本地控制柜內PLC模塊采用西門子ET200M，配置IMl53一l接口模塊和數字／模擬I/O模塊各1個；需要采集的信號有泵電機運行電流、轉速、泵進出口壓力信號、泵故障和緊急停止等；接受主站的信號有系統啟動、停止、調速、復位等；采用PLC控制變頻器來實現泥漿泵的無級調速。

    3)本系統通訊任務復雜，環境干擾較大，對網絡系統的傳輸速度、抗干擾能力有一定要求；因此，本系統采用Profibus—DP總線與主站通信，利用西門子RS485中繼器解決傳輸距離對通訊的影響。

    4)變頻器上面的主接觸器采用進口產品，電氣柜內主要電氣元件需采用質量可靠的品牌。

2．3  中繼泵的組裝調試

2．3．1  中繼泵站的組裝

P2.3中繼泵安裝示意圖如圖4所示。

圖4   P2.3中繼泵示意圖

盾構所用的高壓主線路是從中心配電室引出的10 kV高壓電繼泵站的用電將從主線路引出。中繼泵站的低壓出線共分4路：第l路供變頻柜泥漿泵驅動電機；第2路供隧道照明，在隧道Z低點可供隧道防洪水泵；第3路供本地控制柜；第4路留作臨時照明、焊接等備用電源。

地面上的P1.1泵通過1條Profibus—DP總線電纜 與盾構機主控室的主站進行通訊，中繼泵站也將借助中繼器(repeater)這條總線電纜與主站通訊。本工程的盾構數據通訊圖如圖5所示。 

圖5 盾構數據通訊圖

RS485中繼器(repeater)上下分為2個網段，其 中A1／B1和A1／Bl 是網段1的一個Profibus接口， A2／B2和A2 ／B2 是網段2的一個Profibus接口。信號再生是在網段1和網段2之間實現的，同一網段內信號不能再生；2個網段之間是物理隔離的。A1／B1和Al ／B1 其實是一個Profibus接口的進15／出口的接線端子，就像Profibus接頭的進口／出口一樣，因而也涉及到終端電阻的設置問題，這也往往是在使用過程中容易出現錯誤的地方。如果設置不正確，中繼器將無法正常工作。在連接方法中，中繼器的一個網段是作為中間設備組成一個網絡拓展。西門子RS485中繼器的面板及連接方法如圖6所示。

在該網絡拓撲的網段2中，中繼器就是該網段的一個終端設備；因此，在網段2中，應該將Profibus網線接在A1／B1上，同時網段2的終端電阻設置為“On”。網段1不是網絡終端設備，而是網絡中間的一個設備，因此，網絡l的終端電阻應當設置為“Off”，網段l上的2個終端設備P2.3泵和盾構應分別設置終端電阻。網段1和網段2的隔離開關應設置為“Off”。 

2．3．2 中繼泵站的調試 

    調試分為2部分進行：一是本地控制調試，二是通訊及遠程控制調試。調試階段需要測試中繼泵的各項功能，確保各個部分都能正常工作。 

    1)送電完成后，首先觀察各個元器件及面板上的指示燈是否顯示正常。如有異常，要檢查異常原因并立即處理。 

    2)測試驅動電機的風機和軸封水泵的轉向是否正確，測試轉向時，一定要點動操作，能看出轉向即可。確定無誤后，將驅動電機和泥漿泵之間的聯軸器拆開，測試驅動電機的轉向；此時，還可以同時測試本地或遠程選擇開關是否能正常工作，以及泥漿泵的連鎖啟動功能。當選擇開關位于遠程位置時，本地操作應該是無效的，只有打到本地位置，才能進行本地操作。泥漿泵的啟動，一定是建立在風機和軸封水泵正常開啟，并且軸封水的壓力和流量達到要求的基礎上的，若有一項條件不滿足，泥漿泵將無法啟動；在泵運行時，若有一項出現故障(如軸封水流量不足、軸封水壓力不夠)，泵將會自動停止。本地調速旋鈕應當能正常調速。 

  (a)西門子RS485中繼器                            (b)連接方法 

圖6 西門子RS485中繼器及連接方法

    3)根據需要實現的功能，設置變頻器參數。 

    4)泥漿泵的通訊連接及中繼器的設置需按照上述方案，盡量確保接線牢固，保證通訊質量。在主控室工業電腦的泥水環流界面激活中繼泵的控制模塊，在主程序中查詢中繼泵的Profibus地址(查詢為72)，然后在本地控制柜ET200的IM153—1接口模塊上將地址設為72。此時如果一切正常，在圖7所示的界面應當能看到泥漿泵進口和出口的壓力顯示，然后嘗試在主控室內遠程啟動。運行時圖7界面應當有泵的轉速和電流顯示。

    5)用旁通模式運行泥水循環系統2 h左右，進行負載調試，期間可以啟停數次，以檢測P2.3泵的性能及連續工作能力。在負載測試期間，泵站派專人看護，隨時關注泵的運行情況；此時也可以觀察泥漿泵盤根的狀況，并進行適當調節。 

    6)調試結束后，完善泵站的電氣防護工作，保護措施做到位，掛好安全警示牌。 

3  結論與討論

    1)中繼泵的用電要從盾構的主電纜上分支，需要1個高壓分支箱來實現這個功能。本工程在高壓柜內設計了高壓分支系統，主線路在高壓柜內分為2路(一路供中繼泵站使用，另一路繼續延伸至盾構)，這樣既節省了空間，又節約了成本。 

圖7 泥水循環系統界面

2)中繼泵作為從站，通過一條Profibus—DP總線與盾構機主站連接，進行通訊。每個中繼泵都有一個Profibus地址，只有從站的地址與主站程序中的地址設置一致，才能與主站通訊，接受主站的控制。

出于安全考慮，主站程序中設置了聯鎖啟動限制，在圖7所示的泥水循環系統中，如果P2.3前邊的中繼泵不啟動，那么P2.3泵將無法啟動。本工程在安裝P2.3泵時，結合主程序要求，先把P2.3泵的地址設置為P2.2泵，當作P2.2泵來使用，隨著管路延伸，P2.2泵安裝以后，再把地址改回來，這樣就可以滿足主程序的要求。 

  3)中繼泵的安裝會影響正常的掘進施工時間。合理的安排工序，可以大大節省時間。在中繼泵的安裝位置出來以后，就可以在不影響掘進的情況下進行底座支架的焊接安裝，一切準備就緒，再停機安裝泥漿泵和電氣柜。 

目前，自主配置的6臺中繼泵使用正常，泵站工作良好，為項目施工節省了近千萬元?？紤]到設備性能及施工安全等問題，此次自主配置中繼泵的泥漿泵、變頻器等核心零件仍然采用了進口產品。隨著我國科技的進步，中繼泵的完全國產化進程也必將快速發展，進一步增強我國裝備制造業的綜合實力，提高我國重大裝備在國際市場的競爭力。