摘要

針對中深層水熱型地?zé)峋樗囼?yàn)、地?zé)豳Y源開發(fā)利用過程中，傳統(tǒng)人工管控高溫潛水泵啟停粗放、地?zé)崃黧w溫度動態(tài)變化無法聯(lián)動調(diào)控泵體運(yùn)行、高溫介質(zhì)易造成潛水泵密封損壞、干轉(zhuǎn)燒毀等一系列工程難題。本文構(gòu)建一套耐高溫水熱潛水泵+高溫水位?溫度一體化井下監(jiān)測系統(tǒng)+PLC可編程控制器聯(lián)合自控解決方案。以地?zé)峋畬?shí)時(shí)水位埋深、出水溫度雙參數(shù)作為PLC啟?？刂七壿嫍l件，系統(tǒng)分析90?125℃高溫水環(huán)境下，高溫監(jiān)測探頭、水熱專用潛水泵設(shè)備選型要點(diǎn)；完成PLC硬件配置、Modbus?RTU通訊程序、水溫?水位雙閾值聯(lián)動控制邏輯編寫；實(shí)現(xiàn)水位過低自動停泵防干燒、出水超溫預(yù)警降載、溫度回落自動恢復(fù)抽水、遠(yuǎn)程監(jiān)控等全自動運(yùn)行功能。經(jīng)地?zé)峋F(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，該聯(lián)動控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，大幅降低高溫潛水泵故障概率，減少人工值守成本，可為水熱型地?zé)豳Y源開發(fā)自動化抽水運(yùn)維提供成熟可靠的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：水熱型地?zé)峋?；高溫潛水泵；水?/span>?水位一體化監(jiān)測；PLC自動控制；泵閥聯(lián)動；地?zé)岢樗囼?yàn)

引言

隨著我國“雙碳"戰(zhàn)略推進(jìn)，中深層水熱型地?zé)嶙鳛榍鍧嵉吞伎稍偕茉矗诘毓┡?、溫泉康養(yǎng)、地?zé)岚l(fā)電等領(lǐng)域開發(fā)規(guī)模逐年擴(kuò)大。地?zé)峋樗鳂I(yè)是地?zé)豳Y源勘查、開采的核心工序。傳統(tǒng)地?zé)峋樗Ｊ蕉嘁揽楷F(xiàn)場人員定時(shí)值守，人工操控潛水泵啟停，僅依靠單一水位數(shù)據(jù)控制水泵運(yùn)行，忽略地?zé)崃黧w溫度動態(tài)變化對潛水泵運(yùn)行工況的影響。水熱型地?zé)峋a(chǎn)出流體溫度普遍可達(dá)70?125℃，屬于高溫高礦化度介質(zhì)，潛水泵長期在高溫環(huán)境下運(yùn)行，密封件、電機(jī)絕緣層極易出現(xiàn)老化失效。在抽水降深過程中，井內(nèi)水位快速下降，一旦出現(xiàn)動水位低于潛水泵入水位置，水泵將會發(fā)生干轉(zhuǎn)，短時(shí)間內(nèi)即可造成電機(jī)燒毀、泵體脫落至井底，井下設(shè)備打撈成本高昂，工期損失嚴(yán)重。與此同時(shí)，地?zé)醿映鏊疁囟犬惓２▌油A(yù)示含水層補(bǔ)給條件變化、井管滲漏、跨層串水等隱患，人工管控模式下無法實(shí)時(shí)捕捉溫度異常信號，難以及時(shí)做出調(diào)控響應(yīng)。

近年來自動化監(jiān)測與PLC控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于水務(wù)、地?zé)?、地下水監(jiān)測領(lǐng)域，將井下高溫水位溫度監(jiān)測設(shè)備與潛水泵啟?？刂七M(jìn)行聯(lián)動，成為地?zé)峋疅o人值守抽水運(yùn)維的重要發(fā)展方向。但目前多數(shù)自控系統(tǒng)僅采用單水位閾值控制水泵啟停，并未將地?zé)崃黧w溫度納入聯(lián)動控制條件，高溫工況下系統(tǒng)誤啟停、設(shè)備受損的問題仍然頻發(fā)。基于此，本文設(shè)計(jì)一套以PLC為控制核心，融合高溫水位?溫度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高溫潛水泵雙參數(shù)聯(lián)動自控系統(tǒng)，開展硬件選型、控制邏輯設(shè)計(jì)與現(xiàn)場應(yīng)用研究，為水熱型地?zé)峋詣踊踩樗峁┬碌募夹g(shù)路徑。

1 系統(tǒng)總體方案架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

整套聯(lián)動控制系統(tǒng)分為四層：井下感知層、信號傳輸層、本地PLC控制層、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理層。井下感知層由高溫水位?溫度一體化監(jiān)測探頭、水熱型耐高溫潛水泵構(gòu)成；信號傳輸層采用耐高溫井下信號線，將水位、溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)通過RS485?Modbus總線傳輸至PLC控制柜；本地控制層以PLC為主控制器，配套開關(guān)電源、繼電器、變頻模塊、人機(jī)交互觸摸屏、故障聲光報(bào)警器；遠(yuǎn)程管理層可將PLC運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至智慧地?zé)岜O(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看、遠(yuǎn)程啟停水泵。

系統(tǒng)工作原理：高溫水位溫度探頭實(shí)時(shí)采集地?zé)峋畠?nèi)動水位埋深、井下流體溫度數(shù)據(jù)，通過485通訊上傳至PLC，PLC內(nèi)部程序?qū)崟r(shí)對比實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的水位、溫度安全閾值，自動輸出開關(guān)量信號，控制交流接觸器通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高溫潛水泵自動啟停、變頻調(diào)節(jié)。當(dāng)水位下降至低保護(hù)水位時(shí)，PLC立即下達(dá)停泵指令，防止?jié)撍妹撍赊D(zhuǎn)；當(dāng)出水溫度超過設(shè)定最高安全溫度，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號，延時(shí)后自動停機(jī)保護(hù)水泵；待水位回升、溫度回歸安全區(qū)間后，系統(tǒng)自動重啟潛水泵，實(shí)現(xiàn)全自動閉環(huán)運(yùn)行。

1.2 控制邏輯總體思路

本系統(tǒng)采用水位優(yōu)先、溫度輔助聯(lián)鎖的雙因子控制策略。水位作為第一保護(hù)條件，具有最高優(yōu)先級，無論溫度數(shù)值如何，一旦水位低于停機(jī)閾值，立刻停泵。溫度作為第二聯(lián)鎖保護(hù)條件，對水泵運(yùn)行工況進(jìn)行安全校驗(yàn)，溫度異常升高時(shí)觸發(fā)預(yù)警?降功率?停機(jī)三級保護(hù)。

主要控制閾值參數(shù)可在地?zé)犴?xiàng)目現(xiàn)場根據(jù)井況靈活設(shè)置：

（1）啟泵水位：動水位回升至安全水位以上，允許水泵啟動抽水；

（2）停泵保護(hù)水位：動水位下降至警戒埋深，立即停泵，防干燒；

（3）超溫預(yù)警值：地?zé)崃黧w溫度達(dá)到預(yù)警溫度，系統(tǒng)聲光報(bào)警；

（4）超溫停機(jī)值：流體溫度超過設(shè)備耐受上限，自動停機(jī)，保護(hù)潛水泵電機(jī)。

2 核心硬件設(shè)備選型

2.1 水熱型高溫潛水泵選型要點(diǎn)

水熱型地?zé)峋疂撍脜^(qū)別于普通常溫地下水潛水泵，必須適配70?125℃高溫地?zé)崴?、高礦化度腐蝕水環(huán)境。泵體電機(jī)、電纜、機(jī)械密封均選用耐高溫專用材質(zhì)，電機(jī)絕緣等級不低于H級；泵殼、過流部件選用316L不銹鋼，抵御地?zé)崃黧w中氯離子腐蝕；配套潛水泵專用耐高溫電纜，長期耐溫≥125℃。同時(shí)結(jié)合地?zé)峋畯?、最大降深、設(shè)計(jì)抽水流量，確定水泵揚(yáng)程與功率參數(shù)，避免水泵長期超負(fù)荷運(yùn)行。

2.2 高溫水位?溫度一體化監(jiān)測系統(tǒng)選型

井下監(jiān)測探頭選用耐高溫?cái)?shù)字總線式傳感器，溫度測量量程?50~125℃，測溫精度±0.1℃；水位測量量程0?1000m，水位測量精度±1cm；探頭外殼采用17?4PH高強(qiáng)度耐壓不銹鋼，承壓能力匹配地?zé)峋畲箪o水壓力；井下信號線選用耐高溫加強(qiáng)型鎧裝線纜，線纜內(nèi)置高碳鋼絲抗拉芯，防止線纜被水泵提拉斷裂；通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)Modbus?RTU，可直接與PLC的RS485接口通訊，無需額外轉(zhuǎn)換模塊，降低信號故障概率。探頭下放位置布置于潛水泵進(jìn)水口附近，實(shí)時(shí)監(jiān)測水泵周邊水體溫度與水位變化，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)和水泵實(shí)際工況精準(zhǔn)匹配。

2.3 PLC控制柜硬件配置

PLC主控模塊選用工業(yè)級可編程控制器，自帶RS485通訊接口，支持Modbus協(xié)議；控制柜內(nèi)配置24V直流開關(guān)電源、空氣開關(guān)、信號防雷模塊、水泵啟停繼電器、變頻調(diào)速器、聲光報(bào)警裝置；可選配本地觸控顯示屏，用于現(xiàn)場查看實(shí)時(shí)水位溫度、修改控制閾值；控制柜防護(hù)等級IP55，適應(yīng)野外露天機(jī)房潮濕、多塵環(huán)境。整套自控系統(tǒng)預(yù)留數(shù)據(jù)上傳接口，可對接地?zé)嶂腔圻\(yùn)維平臺、數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)后期遠(yuǎn)程升級拓展。

3 PLC控制程序與通訊設(shè)計(jì)

3.1 Modbus?RTU通訊程序編寫

PLC通過RS485總線輪詢讀取井下高溫水位?溫度傳感器的實(shí)時(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)置通訊超時(shí)保護(hù)程序。當(dāng)井下信號斷線、傳感器故障，PLC接收不到數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定延時(shí)，判定監(jiān)測鏈路異常，立即停止?jié)撍眠\(yùn)行并觸發(fā)故障報(bào)警，規(guī)避失去水位溫度監(jiān)測信號后水泵失控運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)對采集的水位、溫度原始數(shù)據(jù)增加數(shù)字濾波程序，消除地?zé)峋樗^程中水體擾動、信號干擾造成的數(shù)據(jù)跳變，防止瞬時(shí)數(shù)值波動引發(fā)水泵誤啟停。

3.2 雙參數(shù)聯(lián)動控制邏輯程序

PLC內(nèi)部編寫判斷程序，實(shí)現(xiàn)多級聯(lián)鎖保護(hù)：

1）水位保護(hù)邏輯：實(shí)時(shí)監(jiān)測動水位，水位＜停機(jī)埋深→輸出停泵信號，水泵斷電；水位回升＞啟泵埋深，延時(shí)3?5min穩(wěn)定后，自動啟動水泵；

2）溫度聯(lián)鎖邏輯：實(shí)測溫度≥預(yù)警溫度→聲光報(bào)警，保持當(dāng)前運(yùn)行；實(shí)測溫度≥超溫停機(jī)閾值→延時(shí)停機(jī)；溫度回落至安全區(qū)間后自動復(fù)位；

3）故障聯(lián)鎖邏輯：水泵過載、漏電、通訊中斷，立即停機(jī)報(bào)警并記錄故障代碼。

所有啟停動作、報(bào)警事件、水位溫度歷史數(shù)據(jù)全部在PLC內(nèi)進(jìn)行事件記錄，便于后期追溯抽水運(yùn)行全過程工況。

4 現(xiàn)場工程應(yīng)用與效果分析

將本套PLC聯(lián)動自控系統(tǒng)應(yīng)用于某中深層水熱地?zé)峋樗囼?yàn)項(xiàng)目，地?zé)峋疃?/span>680m，設(shè)計(jì)出水溫度92?98℃，選用耐高溫潛水泵開展連續(xù)抽水作業(yè)。系統(tǒng)設(shè)定停泵保護(hù)水位埋深320m，啟泵水位埋深260m，超溫預(yù)警溫度115℃，超溫停機(jī)溫度120℃。經(jīng)過連續(xù)21天無人值守抽水運(yùn)行測試，系統(tǒng)根據(jù)井內(nèi)水位自然升降，自動完成潛水泵啟停循環(huán)，未發(fā)生水泵干轉(zhuǎn)現(xiàn)象；期間出現(xiàn)一次短時(shí)出水溫度異常沖高至117℃，系統(tǒng)成功觸發(fā)聲光預(yù)警，溫度回落之后繼續(xù)正常抽水，未造成設(shè)備損傷。

對比傳統(tǒng)人工值守抽水模式，自動化聯(lián)動系統(tǒng)無需人員24小時(shí)駐井，人工運(yùn)維成本下降70%以上；水泵啟停響應(yīng)速度快，水位?溫度變化數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可查，抽水試驗(yàn)連續(xù)穩(wěn)定性顯著提升。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)部分優(yōu)化方向：在高礦化度地?zé)崃黧w中長期運(yùn)行，井下探頭結(jié)垢會緩慢影響測量精度，需要制定每3?6個(gè)月一次探頭清洗校準(zhǔn)的定期運(yùn)維計(jì)劃。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于PLC的水熱型地?zé)峋邷貪撍?/span>?水溫水位聯(lián)動自動控制系統(tǒng)，以水位為第一保護(hù)條件、溫度作為聯(lián)鎖因子，實(shí)現(xiàn)了高溫地?zé)峋樗鳂I(yè)全自動無人值守運(yùn)行。硬件設(shè)備選用耐高溫地?zé)釋Ｓ帽O(jiān)測傳感器與水熱潛水泵，PLC?Modbus通訊穩(wěn)定可靠，多級聯(lián)鎖保護(hù)程序有效規(guī)避潛水泵干轉(zhuǎn)燒毀、高溫介質(zhì)損傷設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)建設(shè)成本適中，擴(kuò)展性強(qiáng)，后期可對接智慧地?zé)崞脚_與數(shù)字孿生系統(tǒng)，適合在水熱型地?zé)峥辈槌樗囼?yàn)、地?zé)峁┡_采井中推廣應(yīng)用，為地?zé)豳Y源安全、自動化開發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。