污水泵控制原理的優(yōu)化設(shè)計(jì)

周雪梅 劉永奇 周學(xué)祥

(1.中國(guó)石油蘭州石化分公司，蘭州 730060；2.西部管道甘肅輸油氣分公司，蘭州 730000；3.甘肅銀光化學(xué)工業(yè)公司，甘肅 白銀 730900)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境問(wèn)題的高度重視，各企業(yè)在建設(shè)項(xiàng)目時(shí)都會(huì)加強(qiáng)對(duì)排污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，特別在煉化行業(yè)，排污系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行更是安全生產(chǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)。排污系統(tǒng)中最常見(jiàn)到的設(shè)備就是各種功率的污水泵電機(jī)，為了保證排污系統(tǒng)正常運(yùn)行，首先要確保污水泵電動(dòng)機(jī)可以安全啟/停。

1 現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題及分析①

中國(guó)石油慶陽(yáng)石化集雨水池項(xiàng)目主要承接的工作是將該工程中產(chǎn)生的污水抽送到排污系統(tǒng)中，然后利用自由落差使其流向各污水回收工藝環(huán)節(jié)。其中37、75kW污水泵電動(dòng)機(jī)在項(xiàng)目初設(shè)試投入運(yùn)行后，出現(xiàn)了電機(jī)電流突變、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較高、葉輪松動(dòng)及主軸磨損等故障，形成水錘效應(yīng)，嚴(yán)重影響整個(gè)裝置的順利開車，同時(shí)增加了后續(xù)檢/維修的工作量和維護(hù)費(fèi)用，減少了泵組的使用壽命。

圖1為污水泵的控制原理，該泵采用直接全壓?jiǎn)?dòng)。分析圖1可知，污水泵通過(guò)低壓柜抽屜回路斷路器QF控制，QF合閘后，按下啟動(dòng)按鈕2SB，接觸器KM線圈吸合得電，同時(shí)擴(kuò)展接觸器觸點(diǎn)的中間繼電器KA1得電動(dòng)作，監(jiān)控LCU屏顯示水泵運(yùn)行；按下停止按鈕1SB，KM斷開，監(jiān)控LCU屏顯示水泵停止運(yùn)行。污水泵直接全壓?jiǎn)?dòng)、停止，引起電機(jī)電流突變，被抽起的水在慣性和垂直力的作用下打到電機(jī)葉輪上，形成水錘效應(yīng)。

圖1 污水泵直接全壓?jiǎn)?dòng)控制原理

為了保證整個(gè)項(xiàng)目如期開車，通過(guò)電氣部門相關(guān)專業(yè)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)一步匯總、分析，最終確定污水泵直接全壓?jiǎn)?停是出現(xiàn)電機(jī)電流突變、主軸磨損及水錘效應(yīng)等故障的主要原因。為整改解決方案、節(jié)約改造成本，筆者反復(fù)查找相關(guān)污水泵負(fù)荷方面的控制原理圖，找出星/三角啟動(dòng)、軟啟動(dòng)和變頻啟動(dòng)3種啟動(dòng)方式[1]。

星/三角啟動(dòng)可降低污水泵電機(jī)啟動(dòng)電流，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小；缺點(diǎn)是直接停止，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，所用元件較多，電機(jī)側(cè)接線復(fù)雜。變頻啟動(dòng)方式的啟動(dòng)電流可控制在0.5～1.0倍的電機(jī)額定電流間，可以設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)軟停車；缺點(diǎn)是無(wú)需調(diào)速場(chǎng)合，成本較高，體積不夠緊湊(與軟啟動(dòng)相比)。軟啟動(dòng)方式可以調(diào)整啟動(dòng)電流，修正啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)軟停車，減小水泵在啟/停時(shí)水流慣性引起的機(jī)械張力，并調(diào)節(jié)合適的啟動(dòng)時(shí)間。

通過(guò)以上對(duì)比可知，軟啟動(dòng)器和變頻器兩種產(chǎn)品都能較好地優(yōu)化污水泵的控制原理，解決污水泵在啟/停時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。但圖1所示為用抽屜回路來(lái)控制污水泵的，相比較軟啟動(dòng)器來(lái)說(shuō)，變頻器體積不夠緊湊，從機(jī)械改造角度無(wú)法實(shí)現(xiàn)，即使改造完成也不能保證低壓柜的電氣安全性能，且購(gòu)置成本較高。最后確認(rèn)選用軟啟動(dòng)器對(duì)圖1的控制原理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。筆者選用PST系列軟啟動(dòng)器對(duì)污水泵控制原理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)運(yùn)行效果。

2 使用軟啟動(dòng)器解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題

2.1 軟啟動(dòng)器的工作原理

軟啟動(dòng)器是一種集電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新型電機(jī)控制裝置[2]。它采用3對(duì)反并聯(lián)晶閘管，串接于三相電源與電機(jī)的定子回路上[3]。利用晶閘管移相控制原理，通過(guò)微處理器來(lái)改變晶閘管的開通程度，使電機(jī)輸入電壓按預(yù)設(shè)的函數(shù)關(guān)系逐漸上升。

啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)端電壓隨晶閘管的導(dǎo)通角從零逐漸增大，直至達(dá)到滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求而結(jié)束啟動(dòng)過(guò)程，當(dāng)啟動(dòng)完成后，軟啟動(dòng)器輸出額定電壓，旁路接觸器接通，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)；停機(jī)時(shí)，先切斷旁路接觸器，之后軟啟動(dòng)器內(nèi)晶閘管的導(dǎo)通角由大逐漸減小，使三相供電電壓逐漸減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸減小到零，完成停機(jī)過(guò)程。

旁路接觸器保證了晶閘管僅在啟動(dòng)、停車時(shí)工作，避免長(zhǎng)期運(yùn)行使晶閘管發(fā)熱，同時(shí)可以避免在電機(jī)運(yùn)行時(shí)軟啟動(dòng)器產(chǎn)生的諧波，另外，一旦軟啟動(dòng)器發(fā)生故障，可由旁路接觸器作為應(yīng)急備用。

2.2 PST系列軟啟動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)

軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)電流可控制在2～5倍電機(jī)額定電流之間(直接啟動(dòng)時(shí)為5～7倍)，使污水泵電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，如圖2所示。

圖2 不同啟動(dòng)方式啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的升壓曲線

水泵的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)升壓時(shí)間逐漸增大，隨軟啟動(dòng)器的停止降壓時(shí)間逐漸減小，且加速平穩(wěn)。時(shí)間在1～30s或者1～120s之間可調(diào)，減小啟動(dòng)沖擊力，如圖3 所示。

圖3 不同啟動(dòng)方式啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)

軟啟動(dòng)器的旁路接觸器可選擇使用外接或內(nèi)置，主要目的是減少軟啟動(dòng)器運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱量，減少軟啟動(dòng)器的功耗，也可作為應(yīng)急備用，同時(shí)也能增加軟啟動(dòng)器每小時(shí)的啟動(dòng)次數(shù)。

2.3 利用軟啟動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)污水泵控制原理

通過(guò)對(duì)軟啟動(dòng)器工作原理和關(guān)鍵技術(shù)的掌握，對(duì)污水泵控制原理進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用軟啟動(dòng)器來(lái)控制污水泵電動(dòng)機(jī)的啟/停，圖4就是使用軟啟動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)后的污水泵控制原理圖，首先按下2SB啟動(dòng)按鈕，PST軟啟動(dòng)器得電，污水泵在軟啟動(dòng)器拖動(dòng)下按所選定的軟啟動(dòng)方式逐漸提升輸出電壓、電流，達(dá)到工頻電壓時(shí)，完成軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)器內(nèi)部的K5常開點(diǎn)接通， KA1得電動(dòng)作，監(jiān)控LCU屏顯示污水泵運(yùn)行，同時(shí)接通了旁路的接觸器KM，污水泵電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)按下1SB停止按鈕，軟啟動(dòng)器失電，發(fā)出軟停車信號(hào)，先啟動(dòng)軟啟動(dòng)器與旁路接觸器KM并聯(lián)運(yùn)行，然后切除旁路接觸器KM，最后軟啟動(dòng)器按所選定的軟停車方式逐漸降低輸出電壓直到停止，污水泵的轉(zhuǎn)速隨著軟啟動(dòng)器的降壓時(shí)間逐漸減小，最后停止工作。

圖4 污水泵使用軟啟動(dòng)器控制原理

2.4 效果檢驗(yàn)

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，污水泵不存在直接全壓?jiǎn)⑼＃踉O(shè)時(shí)的水錘效應(yīng)消失了，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)近4個(gè)月的使用，表明在污水泵負(fù)荷中使用軟啟動(dòng)器提高了該裝置的可靠性，滿足了生產(chǎn)需求。其效果主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

a. 污水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流明顯降低，減少了整個(gè)配電室的配電容量與增容投資；

b. 污水泵負(fù)荷實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)，對(duì)污水泵及排污管線無(wú)沖擊，提高了整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性和排污可靠性；

c. 污水泵負(fù)荷采用軟停車方式減少了對(duì)污水泵機(jī)械構(gòu)件的沖擊，防止水錘效應(yīng)的產(chǎn)生，延長(zhǎng)了污水泵及其相關(guān)設(shè)備的使用壽命；

d. 污水泵電機(jī)多種啟動(dòng)模式和保護(hù)功能融為一體，避免了事故的產(chǎn)生；

e. 軟啟動(dòng)器具有安裝簡(jiǎn)單、操作方便、保護(hù)功能齊全以及運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，為用戶安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等提供了保障，減少了以后的檢維修工作量和停機(jī)檢維修時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用軟啟動(dòng)器對(duì)污水泵電機(jī)的控制方式進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了泵組啟/停時(shí)的性能，這種控制方式不僅適合于污水泵，而且還適合于風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)及輸送設(shè)備等各類負(fù)荷。軟啟動(dòng)器的使用使污水泵的啟停運(yùn)行情況良好，開車后裝置穩(wěn)定、安全，減少了泵組電機(jī)檢維修工作量，延長(zhǎng)了使用壽命。在今后的工作中遇到此類負(fù)荷在低壓柜控制設(shè)計(jì)初將直接選用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，為業(yè)主和制造廠都帶來(lái)便利。