［摘 要］ 蒙古Oyu Tolgoi供水工程是由众多的井群、多级泵站和储水池等设施所组成的一个十分复杂的供水系统，输水线路长，供水流量大，工艺设施繁多，运行工况多变，其运行控制的复杂程度和难度为国内外供水工程所少见。本文介绍该项目运行控制的原理、方法和水量平衡流程等研究成果。
［关键词］ 供水系统 泵站 集水池 分水池 运行控制 水量平衡
1 概况
Oyu Tolgoi项目位于蒙古人民共和国境内南戈壁沙漠区域，主要开采金、铜矿产资源。该处地处荒漠，冬季严寒，全年干旱少雨，地表水严重匮乏，兴建供水工程的目的是开采地下水，通过供水管线、加压泵站及储水池等主要设施给矿区提供必要的生产和生活用水。
供水系统主要包括33眼深井群、5座集水池泵站（集水池1～ 5#）、1座分水池泵站（分水池1#）、1座400 000 m3原水储水池（下称LAGOON水池）、供水管线等主要设施。是一个较为庞大复杂的供水系统。
33眼深井为供水系统提供可靠水源，每眼深井设置深井泵；集水池泵站设有集水池和加压水泵，可根据供水需要向供水干管加压供水；分水池泵站设有分水池和高压水泵，用以汇集各集水池泵站输入水量，经水量调节后向LAGOON水池加压供水，最大供水流量为900 L/s；LAGOON水池主要用于储存矿区大约一周的紧急蓄水容量及水量平衡调节容量，将水量通过重力输水管道输送到采矿现场。
供水管线由供水干线及各支线管路组成。供水干线长约71km，管径采用变截面设计，供水支线总长约530m。
供水系统详细组成及流程详见附图。
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2 运行控制基本条件和要求
2.1 基本条件
（1）供水系统采用计算机监控系统（DCS），设置控制中心，并在各井泵房、加压泵房、LAGOON水池等处设置相对独立的计算机监控现地设备，采用分布式控制系统。各站点DCS通过微波通信网络连接，控制中心采集所有站点水位、流量、泵状态等信息，为满足自动控制要求，各站点水位、流量等信息也可进行相互传递。
（2）在各深井泵房内、各深井汇入集水池入口处均设有电磁流量计，各集水池泵房内、分水池入口处、分水池泵房内、LAGOON水池进、出口处均设有超声波流量计，用以采集瞬时流量值和累计水量信息；在LAGOON水池、各集水池、分水池和深井处设置液位计，可实时采集各站点水位信息。所有流量、水位信息转化为电信号后传送给DCS系统，作为调整供水量的基本依据。
（3）所有深井泵站、集水池泵站、分水池泵站的水泵机组均配有低压或中压变频器，水量的调节主要是通过变频运行及增减水泵数量来实现。变频器的采用不但使水泵启动、运行平稳、节省电能，重要的是可根据运行需要灵活调节输出流量，这给供水系统调度运行提供了便利条件。
（4）所有水泵的启动和停止均可现地手动操作、 控制中心远方手动控制，也可据水池水位、流量等的连锁控制自动操作。在初始调试、运行、空管充水阶段应以手动操作为主。
（5）各级泵站均设置备用水泵。当工作泵故障，备用泵应能自动投入，包括分水池泵、集水池泵、深井泵。在供水系统正常运行过程中，如工作泵长期运行无故障，但从安全运行和水泵使用寿命等角度综合考虑，可手动进行工作泵和备用泵的切换。
（6）矿区的用水通过LAGOON水池出口处2根输水管路自流到矿区现场。
2.2 供水平衡要求
根据供水需求，正常情况下，供水系统应通过水量调度保证矿区所需的生产和生活用水量；在管道系统故障或供水设备故障情况下， LAGOON水池应储存矿区一周的用水量，保证在故障检修期内，仍可向矿区提供一周的紧急需水。
矿区生产和生活用水需求是一个变量，特别是生产用水，随生产进度、季节的影响较大，每周的用水量不尽相同，但相邻两周的用水量应比较接近，为最大限度地利用LAGOON水池的可调节容积，LAGOON水池紧急储水量可取矿区前一周的用水总量。
工程所在区冬季寒冷，最低气温-34.2℃，在每年10月至次年3月LAGOON水池水面向下约1m将会有结冰出现，水池容积设定应考虑冬季运行要求。
3 运行控制方案
3.1 运行控制特点
本供水工程是由众多的井群、多级泵站和储水池等设施所组成的一个十分复杂的供水系统，输水线路长，供水流量大，工艺设施繁多，运行工况多变，其运行控制的复杂程度和难度为国内外供水工程所少见。水量控制的目的就是将众多的供水设施有机地结合起来，根据运行调度要求，合理启动水源井泵，调整加压泵站运行工况，合理储备原水储水池水量，保证矿区用水的安全性和可靠性。
3.2 运行控制原理
供水系统采用流量平衡控制原理，即保证供水系统随时满足矿区需水要求，利用LAGOON水池的可调节容积，达到供需水量平衡。紧急情况下，可启用LAGOON水池储存的紧急需水量。
水量调节采用由用户向水源井逐级调整的方式。即由矿区用水确定LAGOON水池的储水量；由LAGOON水池的储水量调整分水池泵站供水量；由分水池供水量调整各集水池供水量；而各深井泵的出水量则根据对应的集水池水量进行调整。
如矿区停产，上一级水池水位会上升到溢流水位，此时可自动停运下一级泵站，直至所有水泵停运；也可不通过水位控制，直接在控制中心远方手动操作停运所有水泵。
3.3 运行控制方法
在整个控制流程中，分水池泵站起着承上启下、举足轻重的作用，因此，首先对该站的流量分配进行分析研究。根据矿区需水量预估值，使用仿真分析软件Arena建立仿真模型，采用多种运行控制方案分别对供水系统进行抽象和模拟，并输出计算过程和分析结果。根据计算结果分析，确定采用对分水池泵站供水流量进行分级控制的技术方案。即在正常运行工况下，将分水池泵站的供水流量划分为13个标准档级：从520（A级）、540（B级）、……、740（L级）、760（M级）（L/s），每档间隔20 L/s；在管道系统故障或供水设备故障情况下，分水池泵站最大供水流量为900 L/s。按照预定的流量档级对各深井泵站、集水池泵站进行流量分配。
分水池泵站供水流量的调整受LAGOON水池上、下限调节水位的自动控制。当LAGOON水池的水位变化到调节水位值时，以水池的出口流量计计算出的矿区前7天的平均流量值作为集水池泵站的输出流量名义值，并确定合适的实际输出流量标准档级。
分水池泵站内各台水泵的运行为简单的并联运行，水泵频率的改变与流量的改变成正比。当流量档级改变时，变频调节按照一定的百分数改变频率进行控制。
各集水池泵站供水流量的上、下调整由分水池水位自动控制。分水池泵站实际的输出流量值将作为各集水池泵站输出流量之和的名义值。当分水池的水位变化到调节水位值时，各集水池泵站的流量将按统一的百分比进行调节，此百分比可依据实测流量值进行计算。为保证可靠性，调节设定为两次。
5座集水池泵站为较复杂的并联关系，泵站内部的水泵又存在并联工况，所以各泵站的出口压力值互相影响，泵站内水泵频率的改变与流量的改变不再成正比。当各集水池泵站统一按照相同的百分比改变流量时，各泵站水泵电机频率的改变是不尽相同的。
各深井泵站供水流量的调整依据相对应的集水池的水位、各深井泵的出口流量实现PID算法的自动控制。
4 控制流程
4.1 LAGOON水池水量平衡
在LAGOON水池出口处配置了2个流量计，可采集矿区瞬时需水流量，再通过DCS计算矿区累计需水量。以保证供水满足需水要求。
通过进出LAGOON水池的流量计可测知水池现状存水量，如现状水量上升到上限水位值，即可自动下调分水池泵站的供水流量，如现状水量下降到下限水位值，即可自动上调分水池泵站的供水流量。
LAGOON水池设置7档水位线，水位从低至高分别为：下下限报警水位线、下限第二次调节水位线、下限第一次调节水位线、上限第一次调节水位线、上限第二次调节水位线、上上限报警水位线、溢流并自动连锁停止分水池泵站水位线。LAGOON水池的水位信号、进出水池的流量信号将传送到分水池泵站的DCS，作为水量调整依据。
当LAGOON水池水位上升到上限第一次调节水位线时，自动下调分水池泵站输出流量；当LAGOON水池水位下降到下限第一次调节水位线时，自动上调分水池泵站输出流量。如果第一次调节不到位或失败，水位会继续上升或下降，变化到第二次调节水位线时，再次自动调节分水池泵站输出流量。
通过4档调节水位线，自动调节分水池泵站输出流量，保证水池水位始终处于正常范围内，供水系统基本达到供需平衡要求。
当出现供水设备或检测仪表故障时，水量控制可能失控。当水位上升到上上限报警水位时，可自动发出警报，若水位继续上升，到达溢流水位时，可自动连锁控制停止分水池泵站内水泵。反之，当水位下降到下下限报警水位线时，也可自动发出警报。
4.2 分水池水量平衡
分水池1#泵站供水流量档级的调整受LAGOON水池的4档上、下限调节水位的自动控制。
当LAGOON水池的水位变化到调节水位值时，根据LAGOON水池的出口流量计可计算出矿区前7天的平均流量值Qout，以此作为分水池泵站的输出流量名义值。
当LAGOON水池的水位上升到上限第一次调节水位值时，分水池泵站新的输出流量设定值将自动确定为比名义值小，并且最接近名义值的一个预先存储的流量值。例如，名义值为629 L/s，输出流量设定值将为620 L/s。
当LAGOON水池的水位下降到下限第一次调节水位值时，分水池泵站新的输出流量设定值将自动确定为比名义值大，并且最接近名义值的一个预先存储的流量值。例如，名义值为629 L/s，输出流量设定值将为640 L/s。
如果第一次调节不到位或失败，LAGOON水池的水位会继续上升或下降，变化到第二次调节水位线时，再次按相同的方法自动调节分水池泵站输出流量。
泵站流量的改变可采用统一的百分数通过变频器对水泵速度的改变来实现。变频稳定后，维持在当前频率运行，直至下一次的改变。
分水池设有10档水位线，自动对各集水池泵站和分水池泵站进行流量调节。水位从低至高分别为：下下下限自动连锁停止分水池泵水位线、下下限报警水位线、下限第二次调节集水池泵站水位线、下限第一次调节集水池泵站水位线、下限目标水位线、上限目标水位线、上限第一次调节集水池泵站水位线、上限第二次调节集水池泵站水位线、上上限报警水位线、溢流并自动连锁停止全部集水池泵站水位线。
4.3 集水池泵站水量平衡
1～5#CT水池的水位信号、进入1～5#CT水池流量信号传送到各自对应集水池泵站的DCS，各集水池泵站的DCS均接收1#BT水池的水位信号、进出1#BT水池的流量信号。
在本供水系统中，各集水池泵站以一定的距离间隔分别向主管线供水，最后汇至分水池，5座泵站存在较复杂的并联关系，泵站内部的水泵又存在并联运行工况，所以各集水池泵站的出口压力值互相影响，当各集水池泵站统一按照相同的百分数改变流量时，各泵站频率改变为不同的百分数，通过变频器速度给定的改变实现电机频率的改变。
正常运行时，分水池的水位维持在设定的上、下限目标水位线之间的某一值，当分水池泵站供水流量上调（下调）后，分水池的水位会延时下降（上升）。
分水池有6档水位线用于对各集水池泵站进行流量调节。
当分水池的水位变化到调节水位线时，分水池泵站实际的输出流量值将作为各集水池泵站输出流量之和的名义值，自动对各集水池泵站的流量按统一的百分比进行两次调节。
第一次调节：当分水池的水位变化到上限（下限）第一次调节集水池泵站水位线时，计算出分水池的进出流量差与进入分水池的流量百分比，此流量百分比再乘以1.2的系数（乘积为A1），各集水池泵站的输出流量自动按A1下调（上调）。
如初始调节不到位或失败，水位会继续上升（下降）到上限（下限）第二次调节集水池泵站水位线，此时再按实时A1对各集水池泵站的输出流量进行自动调节。
第二次调节：第一次调节流量后，系统运行一定时间（短时约为40min，长时约为270min），分水池的水位会回复到上限（下限）目标水位线，此时再计算出分水池的进出流量差与进入分水池的流量百分比A2，各集水池泵站的输出流量自动按A2进行调节。
此后，各集水池泵站的输出流量将稳定在名义值，其分水池的水位也将稳定在上、下限目标水位线之间。
各集水池可设置5档水位线，自动连锁控制对应的集水池泵站。水位从低至高分别为：下下限自动连锁停止对应的集水池泵水位线、下限报警水位线、目标水位线、上限报警水位线、溢流并自动连锁停止对应的全部GH泵站水位线。
4.4 深井泵出水量控制
在本供水系统中，各深井泵站各自独立向对应的CT水池供水，相互之间没有直接联系。
各深井泵站供水流量的上、下调整直接受相对应的CT水池的水位及本泵站内流量计的自动控制。
集水池的水位送入DCS，DCS根据集水池的水位高低，调节各相关井泵出口流量的增减。各井泵变频器采用PID调节算法，通过输出频率的变化来自动调节井泵出口流量，从而实现集水池水位目标的控制。即当集水池的水位偏离目标水位线时，其对应的深井泵站会按照PID控制系统进行全自动调节。
当深井水位降至低限停泵水位时，应自动停泵报警。
4.5 LAGOON水池的紧急蓄水工况
在紧急情况下，由于管道系统故障使LAGOON水池没有供水流量，为保证矿区生产和生活的应急用水，启用LAGOON水池储存的紧急储水量。
在管道系统故障修复后，分水池泵站的供水流量应达到最高流量，最不利的运行时间可能长达1个月。
在LAGOON水池紧急充水的1个月内，各集水池泵站出口流量均按预定的最大流量分配运行。
当LAGOON水池充满水后，各泵站回复所需流量正常运行。
5 结束语
（1）Oyu Tolgoi供水工程是一个复杂的系统工程，运行控制应以自动化控制为主，手动为辅。
（2）运行控制应以供水的安全性和可靠性为目的。 在正常运行和故障情况下均应保证矿区用水安全。
（3）供水系统采用流量平衡控制原理，水量调节采用由用户向水源井逐级调整的方式。
（4）在整个控制流程中，分水池泵站起着承上启下、举足轻重的作用，分水池水量平衡是运行控制研究的重点。
（5）系统运用工程中，应不断总结水量平衡规律，完善各种设定值，使运行控制更符合工程实际情况。