變頻恒壓供水裝置在溧陽城市防洪工程中的應(yīng)用研究

韓 猛

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200)

1 工程概況

溧陽市城市防洪工程新區(qū)樞紐工程位于溧陽市溧戴河入老戴埠河河口處，由泵站和節(jié)制閘組成。泵站共裝設(shè)5臺(tái)單向運(yùn)行平面S形軸伸泵，單泵設(shè)計(jì)流量5m3/s，總設(shè)計(jì)流量為25m3/s，配10kV異步電動(dòng)機(jī)，單機(jī)功率為250kW,總裝機(jī)容量1250kW；節(jié)制閘為單孔，凈寬10m。主要工程任務(wù)是防洪和排澇，兼顧改善城區(qū)內(nèi)河水環(huán)境。

新區(qū)樞紐泵站的供水系統(tǒng)主要由消防供水、生活供水、技術(shù)供水三方面組成，其中以技術(shù)供水最為重要，新區(qū)樞紐技術(shù)供水系統(tǒng)為一套變頻恒壓供水裝置，配套軸瓦冷卻機(jī)組，為水泵電機(jī)油缸和上下齒輪箱水管提供循環(huán)冷卻水，以達(dá)到降低電機(jī)和齒輪箱油缸內(nèi)油溫的目的，保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行。

2 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要功能是滿足機(jī)組運(yùn)行期間電機(jī)和齒輪箱所需的冷卻水，保證其循環(huán)工作維持一定的水量和水壓。

經(jīng)計(jì)算，新區(qū)樞紐5臺(tái)機(jī)組同時(shí)工作時(shí)所需冷卻水流量為48m3/h。

泵站管理人員可根據(jù)不同工況預(yù)設(shè)不同用水量，再通過示流信號(hào)器監(jiān)測管道水量，接收信號(hào)來調(diào)控流量調(diào)節(jié)閥的開度，使流量滿足預(yù)設(shè)值；同時(shí)循環(huán)系統(tǒng)出水管網(wǎng)采用壓力傳感器向控制柜反饋信號(hào)，自動(dòng)變頻控制水泵電機(jī)的頻率，實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)，保證出水管網(wǎng)壓力滿足要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 新區(qū)樞紐泵站變頻恒壓供水系統(tǒng)原理

3 變頻恒壓供水裝置結(jié)構(gòu)

新區(qū)樞紐泵站變頻恒壓供水系統(tǒng)由2臺(tái)立式多級(jí)離心泵、穩(wěn)流罐、智能變頻控制柜和相應(yīng)的傳感機(jī)構(gòu)、監(jiān)測設(shè)備組成，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 新區(qū)樞紐泵站變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 穩(wěn)流罐

穩(wěn)流罐是封閉罐體，直接與市政供水管網(wǎng)連接，主要是用來存儲(chǔ)水，防止二次污染。穩(wěn)流罐內(nèi)置真空抑制器和低水位傳感器、外裝電磁閥，在低水位傳感器檢測到罐內(nèi)水位降低時(shí)，外接電磁補(bǔ)水閥受PLC指令打開，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。

真空抑制器是消除管網(wǎng)中負(fù)壓的核心部件，它可以依據(jù)穩(wěn)流罐內(nèi)液面高度的增減，控制罐內(nèi)空氣的進(jìn)出，當(dāng)罐內(nèi)液面處于一定位置，罐內(nèi)氣壓與自來水管網(wǎng)壓力相等，真空抑制器關(guān)閉；當(dāng)罐內(nèi)水位降低，且沒有水補(bǔ)償時(shí)，空氣由真空抑制器進(jìn)入罐內(nèi)，消除管網(wǎng)內(nèi)的負(fù)壓，保證整個(gè)供水系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.2 立式多級(jí)離心泵

新區(qū)泵站技術(shù)供水系統(tǒng)裝設(shè)有2臺(tái)立式多級(jí)離心泵，互為備用，2臺(tái)泵均由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)和水泵一體化設(shè)計(jì)。每臺(tái)泵的出口處均裝有止回閥，當(dāng)水泵投入運(yùn)行時(shí)，與其對(duì)應(yīng)的止回閥打開，其他止回閥則為關(guān)閉狀態(tài)，防止水回流到備用泵內(nèi)，水泵電機(jī)設(shè)有熱保護(hù)，采用變頻自動(dòng)啟動(dòng)水泵，啟動(dòng)電流小，且無電流沖擊。

3.3 電器控制柜

控制柜設(shè)有本地及遠(yuǎn)程選擇按鈕，設(shè)有啟動(dòng)、停止和緊急停機(jī)功能，同時(shí)配有相應(yīng)的指示燈，提供連接到遠(yuǎn)程控制箱無源觸點(diǎn)，電器控制柜控制冷卻水循環(huán)裝置中冷卻水溫度、壓力和流量的信號(hào)傳遞。

3.4 變頻器

2臺(tái)離心泵配備變頻器，變頻器通過對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制，通過管路壓力傳感器測出的系統(tǒng)壓力與設(shè)定值比較，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和流量，為循環(huán)冷卻裝置提供穩(wěn)定壓力的冷卻水[2]，變頻器控制工藝流程采用PLC編程控制，控制精度高且可靠。

同時(shí)變頻器內(nèi)部設(shè)有濾波電容器提供無功補(bǔ)償，有效地減少無功損耗，增加就地?zé)o功補(bǔ)償量，提升功率因素，降低電能浪費(fèi)。

4 變頻控制柜功能設(shè)計(jì)

設(shè)置變頻控制柜的主要目的是根據(jù)冷卻機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，自動(dòng)控制冷卻水的流量及壓力，在保證降低電機(jī)和齒輪箱溫度的同時(shí)，達(dá)到了節(jié)能降耗的效果。

4.1 智能恒壓控制

控制柜采集循環(huán)泵組出水口壓力傳感器的數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)預(yù)設(shè)壓力對(duì)比，通過智能運(yùn)算來自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器，控制水泵轉(zhuǎn)速，以達(dá)到恒定壓力的目標(biāo)。

新區(qū)樞紐技術(shù)供水系統(tǒng)同時(shí)為5套機(jī)組提供冷卻水，為了更精細(xì)化地控制末端壓力均衡，且最大化地發(fā)揮水泵效能，降低能源浪費(fèi)，控制柜通過檢測冷卻機(jī)組前端的電磁閥開關(guān)信號(hào)，辨識(shí)冷卻機(jī)組的投入臺(tái)數(shù)，并根據(jù)冷卻機(jī)組的實(shí)際投入臺(tái)數(shù)，自動(dòng)變更目標(biāo)壓力，靈活控制冷卻循環(huán)系統(tǒng)的管道水壓。同時(shí)為了保障管路安全，該控制柜設(shè)計(jì)了超高壓力保護(hù)，當(dāng)壓力超過上限設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警停機(jī)。

4.2 智能穩(wěn)流控制

新區(qū)樞紐泵站采用軸瓦冷水機(jī)組對(duì)循環(huán)水進(jìn)行降溫，當(dāng)冷卻機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)發(fā)生變化時(shí)，所需要的冷水流量也隨之變化。控制柜將回水端流量傳感器監(jiān)測到的實(shí)際值，與控制柜的設(shè)定流量進(jìn)行比較，如果回水量大于設(shè)定流量，則自動(dòng)關(guān)小回水端的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，直至達(dá)到流量設(shè)定范圍；如果回水流量小于設(shè)定流量，則自動(dòng)開大回水端的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，直至達(dá)到流量設(shè)定范圍。現(xiàn)場管理人員也可根據(jù)冷卻機(jī)組實(shí)際投入的臺(tái)數(shù)，設(shè)定不同的流量要求，靈活調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能、智能化控制。

4.3 主備泵控制

為了保障離心泵運(yùn)行安全，控制柜能夠自動(dòng)加減泵，保證供水穩(wěn)定；當(dāng)供水泵在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，便可自動(dòng)切換到另一臺(tái)，并且發(fā)出聲光報(bào)警，提示維修信號(hào)。除此之外，為了延長水泵的使用壽命，該控制柜可自由設(shè)定主備泵的交替運(yùn)行時(shí)間，從而使主備泵實(shí)現(xiàn)均衡運(yùn)行，防止單泵運(yùn)行臺(tái)時(shí)過長導(dǎo)致另一臺(tái)水泵銹死；同時(shí)具有小流量休眠和休眠喚醒功能，避免電機(jī)長時(shí)間在低頻運(yùn)行發(fā)熱狀況，節(jié)約能耗，實(shí)現(xiàn)無人值守。

4.4 設(shè)備保護(hù)

當(dāng)新區(qū)樞紐機(jī)組長時(shí)間不運(yùn)行時(shí)，為防止水泵凍住，系統(tǒng)進(jìn)行低頻巡檢，即通過穩(wěn)流罐內(nèi)裝配的低水位傳感器發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)的水位過低時(shí)，發(fā)出報(bào)警，并自動(dòng)打開電磁閥對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。

4.5 智能控制

管理人員通過控制柜HMI人機(jī)界面直觀地監(jiān)視冷卻循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行曲線、故障記錄以及歷史數(shù)據(jù)記錄；也可利用RS485遠(yuǎn)程通信接口，實(shí)現(xiàn)在中控室遠(yuǎn)程監(jiān)控，監(jiān)視設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，包括出水端、回水端的壓力和流量等，還能修改預(yù)設(shè)參數(shù)，遠(yuǎn)程控制設(shè)備的啟停。

5 變頻恒壓供水裝置的優(yōu)點(diǎn)

5.1 安全可靠性高

新區(qū)樞紐供水系統(tǒng)水源直接引用市政自來水，并且設(shè)備全封閉運(yùn)行，徹底消除水源污染，安全衛(wèi)生；循環(huán)冷卻水由流量與壓力同時(shí)控制，流量與壓力可同時(shí)滿足使用要求，安全可靠；具有完美的過載、短路、過壓、欠壓、缺相、過流、短路、水源缺水等自動(dòng)保護(hù)功能；在異常情況下能進(jìn)行信號(hào)報(bào)警、自檢、故障判斷等，保護(hù)功能齊全[2]，整套設(shè)備安全可靠性高。

5.2 高效節(jié)能

新區(qū)樞紐技術(shù)供水系統(tǒng)配2臺(tái)變頻離心泵。當(dāng)新區(qū)樞紐泵站運(yùn)行中調(diào)整開機(jī)臺(tái)數(shù)時(shí)，管網(wǎng)的用水量發(fā)生變化，管網(wǎng)水壓也隨之變化，為了維持管網(wǎng)水壓穩(wěn)定，變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)出水量的調(diào)節(jié)，當(dāng)出水量與運(yùn)行中機(jī)組需水量保持一致時(shí)，壓力趨于恒定。這種調(diào)節(jié)方式與過去常用的關(guān)小閥門來限制流量相比，采用變頻器調(diào)速，離心泵在允許的范圍內(nèi)降低轉(zhuǎn)速，減少功率消耗，能夠?qū)崿F(xiàn)管路能量最大化利用，避免了功率浪費(fèi)，降低了運(yùn)行費(fèi)用，比傳統(tǒng)供水設(shè)備更加高效節(jié)能。

5.3 管護(hù)方便，使用壽命長

該裝置集約化程度高，僅由循環(huán)供水控制柜、穩(wěn)流罐和水泵機(jī)組三部分組成，將原來現(xiàn)場許多設(shè)備和管道集成并優(yōu)化，安裝簡單，且維護(hù)方便。

離心泵可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，有效避免了“水錘”現(xiàn)象發(fā)生，保護(hù)管道和閥門，同時(shí)無沖擊電流，保護(hù)了電機(jī)，避免了對(duì)電網(wǎng)沖擊；2臺(tái)離心泵在實(shí)際運(yùn)用中可以交替使用，從而有效延長了電機(jī)和水泵的使用年限。

5.3 智能化、集成化程度高

整套系統(tǒng)由全自動(dòng)智能化控制器控制，依據(jù)運(yùn)行工況自行智能調(diào)節(jié)，精準(zhǔn)及時(shí)，節(jié)約人力，可實(shí)現(xiàn)無人值守，并且安裝智能觸控屏，有良好的人機(jī)交互功能，直觀方便。

6 總 結(jié)

本文對(duì)溧陽市新區(qū)樞紐泵站采用變頻恒壓供水裝置的應(yīng)用進(jìn)行了研究，對(duì)其原理進(jìn)行了分析，對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為新區(qū)樞紐泵站采用此裝置實(shí)現(xiàn)了技術(shù)供水系統(tǒng)智能化控制，并且高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠，有效保障泵站安全運(yùn)行，有良好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益，符合水利工程智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)其他類似泵站工程有一定的參考意義。