中凯中继泵自主配置技术 在泥水盾构施工中的应用
引言 ：
中继泵是泥水盾构极为重要的附属设备之一，由于需要在盾构主控室内进行集中控制，对安全性和系统性要求较高；因此，大多数工程还是选择使用进口的成套设备，在泥水盾构施工中，一直面临成本高和技术上受制于外企的尴尬境地。我公司高海旺、孙春燕等对中继泵的设置与经济性做了研究；本文结合武汉地铁2号线越江隧道工程实例，介绍了中继泵系统的自主配置。通过自由配置不仅可节省工程施工成本，又可掌握核心技术，不受制于外企，还能促进和带动机电、材料、传感器等相关的产业发展，具有深远的意义。
1 中继泵的自主配置
1．1 泥水循环系统介绍
在泥水盾构施工中，泥水循环系统(如图1所示)通过送泥泵将膨润土泥浆压入泥水舱以支撑开挖面，掘进时刀盘切削下来的渣土在泥水舱中与膨润土泥浆混合，然后通过排泥泵，将混合泥浆带出地面，送到泥水分离设备进行渣土与泥浆的分离，分离后的泥浆经过处理后重新泵送至泥水舱。
图1 泥水循环系统
1．2 中继泵的原理
泥水循环系统需依靠泥浆泵来实现泥浆的不断循环。由于受泥浆泵的扬程、流量等的限制，单靠1台送泥泵和1台排泥泵远远达不到整条隧道的施工要求，这就需要在盾构掘进到一定距离时，在隧道中间增加中继泵站，以确保整个泥水循环系统的正常运行。
中继泵主要由1台泥浆泵及其配套的驱动控制系统组成。中继泵作为泥水循环系统的一部分，由主司机在盾构主控室内远程操作，通过几台泵的接力配合，在每台泵的性能允许范围内，确保泵送泥浆的流量和压力。
1．3 中继泵的选型计算
为了选择合适的交流电机驱动中继泵，必须计算出泥浆泵的轴功率P。泵装置是泵及其附件、吸入管路、排出管路等的总称。泵的配套功率N是整个泵装置的功率，实际工程中需要准确地配套功率[5] ，而配套功N不能直接计算出来，它与泵的轴功率P的关系为
(1)
式中：η1 为泵传动装置效率；K为功率裕量系数。装置扬程HZ是泵装置的重要参数，计算公式为
(2)
式中：h为几何高度差，m; P 1一P2 为压力差，Pa；Hν为整个装置管路系统的阻力损失，m；ρ为泥浆密度， kg／m3；g为重力加速度，m／s2 。 Hν的计算公式为
(3)
式中：ΣHv1为延程阻力损失和，m；ΣHv2为局部阻力损失和，m；d为管路直径，m；ν2为泥浆流速，m／s；λ为摩擦阻力系数；k为局部阻力系数；ι为管长，m；g为重力加速度，m／s2。泥浆流量Q是另一个影响功率的参数，计算公式为
(4)
式中：S为固体物料体积质量，kg／L；Sm为泥浆体积质量，kg／L；Qa为固体的体积流量，m3／h；Cw为泥浆的质量分数。泥浆泵轴功率P的计算公式为
(5)
式中λ为泥浆泵效率。
1．4 中继泵自主配置关键技术
除了中继泵的选型计算外，中继泵系统自主配置 的关键技术就是电气控制系统设计及通讯。中继泵的电气控制原理如图2所示。中继泵站作为一个从站融入盾构的泥水循环系 统，与主站保持良好的通讯。从站主要完成泵的参数采集和处理、过程参数的设定和监视、设备的联锁控制、报警检测等控制，与主站进行通讯，并完成主站发出的指令。从站具有远程、本地切换功能，当切换为远 程时，从站受主站控制，当切换为本地控制时，本地具有启、停、调速控制功能。泵所需要的轴封水的压力和 冷却风机的启停控制也纳入主、从站控制，并与泵具有逻辑联锁控制关系，当轴封水压力不够或风机故障时，泥浆泵会自动跳停。中继泵的控制系统要能实现所要求的全部功能，并能与主站程序进行稳定的数据传输和通讯。
图2 中继泵控制原理图
从站和主站之间通过1条Profibus—DP总线连接，进行数据传输。
2 工程实例
2．1 工程概况
武汉市轨道交通二号线越江隧道工程江南起点为积玉桥站，江北终点为江汉路站。全长约3100 m。本工程盾构区间采用2台全新的泥水盾构施工，隧道总长6183.204单线m：其中，右线长3084.972 m，左线长3098.232 m。盾构从积玉桥站始发，始发井隧道中心埋深13 m；泥水分离设备距离始发井200 m左右。工程剖面如图3所示。
本工程要完成整条隧道的施工，每条线需要安装3台排泥泵(即P 2.1泵、P 2.2泵、P2.3 泵）和2台进泥泵(即P1.1泵、P1.2泵)。该盾构原配了P1.1泵和P2.1泵，需要自行配置6台中继泵。右线盾构在掘进至500多m时，加上竖井高度及地面管路，排泥管路总长已达800多米，P2.1 排泥泵的出口压力明显增大，经研究决定，在此位置安装P2.3排泥中继泵站。
图3工程纵剖面图(单位：m)
2．2主要部件选型
2．2．1 泥浆泵及驱动电机选型
本工程在此段的具体工况参数见表l。
将表l数据代入式(1)一(5)中，得HZ=67 m，Q=650 m3／h，轴功率P=33l kw．中继泵采用直联传动，配套功率N=1.1P=364 kw；因此，需要选用的交流电机额定功率为400 kw，选用的电机为西门子400kW交流变频电机，渣浆泵型号l0／8FF—GH，流量900 m3／h，扬程75．5 m，渣浆密度1.3 kg／L，允许通过颗粒最大直径180 mm，可以满足工况要求。
表l 具体工况参数表
泵效率泥浆体积质量固体体积质量泥浆质量分数管径流速高差摩擦因数管路长度
501.252.7350.33.24230.021800
2．2．2电气柜尺寸的确定
中继泵的电气控制部分包括高压柜、低压柜、变压器、变频柜及本地控制柜。中继泵安装在隧道一侧，不能影响电瓶机车的水平运输；因此，安装空间比较有限，需要仔细计算每个电气柜的最大允许尺寸。
根据工程的实际情况，按最大允许空间先做出中继泵站支架，如图4所示。
越江隧道管片内径5.5 m，管片运输车宽1.28 m，中继泵站支架必须尽量避免影响电瓶车的水平运输；因此，每个电气柜深不能超过900 mm，而且要考虑到柜门打开时的情况，高不能超过2200mm，宽度原则上不受限制。
2．2．3其他主要部件选型
1)变频器采用施耐德ATV6l系列双通道通风柜式变频器，防护等级为IP54，以适应恶劣的现场环境；控制系统采用完善的故障监视和联锁保护，以确保设备安全可靠。
2)本地控制柜内PLC模块采用西门子ET200M，配置IMl53一l接口模块和数字／模拟I/O模块各1个；需要采集的信号有泵电机运行电流、转速、泵进出口压力信号、泵故障和紧急停止等；接受主站的信号有系统启动、停止、调速、复位等；采用PLC控制变频器来实现泥浆泵的无级调速。
3)本系统通讯任务复杂，环境干扰较大，对网络系统的传输速度、抗干扰能力有一定要求；因此，本系统采用Profibus—DP总线与主站通信，利用西门子RS485中继器解决传输距离对通讯的影响。
4)变频器上面的主接触器采用进口产品，电气柜内主要电气元件需采用质量可靠的品牌。
2．3 中继泵的组装调试
2．3．1 中继泵站的组装
P2.3中继泵安装示意图如图4所示。
图4 P2.3中继泵示意图
盾构所用的高压主线路是从中心配电室引出的10 kV高压电继泵站的用电将从主线路引出。中继泵站的低压出线共分4路：第l路供变频柜泥浆泵驱动电机；第2路供隧道照明，在隧道最低点可供隧道防洪水泵；第3路供本地控制柜；第4路留作临时照明、焊接等备用电源。
地面上的P1.1泵通过1条Profibus—DP总线电缆 与盾构机主控室的主站进行通讯，中继泵站也将借助中继器(repeater)这条总线电缆与主站通讯。本工程的盾构数据通讯图如图5所示。
图5 盾构数据通讯图
RS485中继器(repeater)上下分为2个网段，其 中A1／B1和A1／Bl 是网段1的一个Profibus接口， A2／B2和A2 ／B2 是网段2的一个Profibus接口。信号再生是在网段1和网段2之间实现的，同一网段内信号不能再生；2个网段之间是物理隔离的。A1／B1和Al ／B1 其实是一个Profibus接口的进15／出口的接线端子，就像Profibus接头的进口／出口一样，因而也涉及到终端电阻的设置问题，这也往往是在使用过程中容易出现错误的地方。如果设置不正确，中继器将无法正常工作。在连接方法中，中继器的一个网段是作为中间设备组成一个网络拓展。西门子RS485中继器的面板及连接方法如图6所示。
在该网络拓扑的网段2中，中继器就是该网段的一个终端设备；因此，在网段2中，应该将Profibus网线接在A1／B1上，同时网段2的终端电阻设置为“On”。网段1不是网络终端设备，而是网络中间的一个设备，因此，网络l的终端电阻应当设置为“Off”，网段l上的2个终端设备P2.3泵和盾构应分别设置终端电阻。网段1和网段2的隔离开关应设置为“Off”。
2．3．2 中继泵站的调试
调试分为2部分进行：一是本地控制调试，二是通讯及远程控制调试。调试阶段需要测试中继泵的各项功能，确保各个部分都能正常工作。
1)送电完成后，首先观察各个元器件及面板上的指示灯是否显示正常。如有异常，要检查异常原因并立即处理。
2)测试驱动电机的风机和轴封水泵的转向是否正确，测试转向时，一定要点动操作，能看出转向即可。确定无误后，将驱动电机和泥浆泵之间的联轴器拆开，测试驱动电机的转向；此时，还可以同时测试本地或远程选择开关是否能正常工作，以及泥浆泵的连锁启动功能。当选择开关位于远程位置时，本地操作应该是无效的，只有打到本地位置，才能进行本地操作。泥浆泵的启动，一定是建立在风机和轴封水泵正常开启，并且轴封水的压力和流量达到要求的基础上的，若有一项条件不满足，泥浆泵将无法启动；在泵运行时，若有一项出现故障(如轴封水流量不足、轴封水压力不够)，泵将会自动停止。本地调速旋钮应当能正常调速。
(a)西门子RS485中继器 (b)连接方法
图6 西门子RS485中继器及连接方法
3)根据需要实现的功能，设置变频器参数。
4)泥浆泵的通讯连接及中继器的设置需按照上述方案，尽量确保接线牢固，保证通讯质量。在主控室工业电脑的泥水环流界面激活中继泵的控制模块，在主程序中查询中继泵的Profibus地址(查询为72)，然后在本地控制柜ET200的IM153—1接口模块上将地址设为72。此时如果一切正常，在图7所示的界面应当能看到泥浆泵进口和出口的压力显示，然后尝试在主控室内远程启动。运行时图7界面应当有泵的转速和电流显示。
5)用旁通模式运行泥水循环系统2 h左右，进行负载调试，期间可以启停数次，以检测P2.3泵的性能及连续工作能力。在负载测试期间，泵站派专人看护，随时关注泵的运行情况；此时也可以观察泥浆泵盘根的状况，并进行适当调节。
6)调试结束后，完善泵站的电气防护工作，保护措施做到位，挂好安全警示牌。
3 结论与讨论
1)中继泵的用电要从盾构的主电缆上分支，需要1个高压分支箱来实现这个功能。本工程在高压柜内设计了高压分支系统，主线路在高压柜内分为2路(一路供中继泵站使用，另一路继续延伸至盾构)，这样既节省了空间，又节约了成本。
图7 泥水循环系统界面
2)中继泵作为从站，通过一条Profibus—DP总线与盾构机主站连接，进行通讯。每个中继泵都有一个Profibus地址，只有从站的地址与主站程序中的地址设置一致，才能与主站通讯，接受主站的控制。
出于安全考虑，主站程序中设置了联锁启动限制，在图7所示的泥水循环系统中，如果P2.3前边的中继泵不启动，那么P2.3泵将无法启动。本工程在安装P2.3泵时，结合主程序要求，先把P2.3泵的地址设置为P2.2泵，当作P2.2泵来使用，随着管路延伸，P2.2泵安装以后，再把地址改回来，这样就可以满足主程序的要求。
3)中继泵的安装会影响正常的掘进施工时间。合理的安排工序，可以大大节省时间。在中继泵的安装位置出来以后，就可以在不影响掘进的情况下进行底座支架的焊接安装，一切准备就绪，再停机安装泥浆泵和电气柜。
目前，自主配置的6台中继泵使用正常，泵站工作良好，为项目施工节省了近千万元。考虑到设备性能及施工安全等问题，此次自主配置中继泵的泥浆泵、变频器等核心零件仍然采用了进口产品。随着我国科技的进步，中继泵的完全国产化进程也必将快速发展，进一步增强我国装备制造业的综合实力，提高我国重大装备在国际市场的竞争力。