閉式循環(huán)冷卻潛污泵和變頻調(diào)速控制在排澇泵站的聯(lián)合運(yùn)用

石海燕

浙江豐球克瑞泵業(yè)有限公司

某城市污水處理公司，需要解決汛期大量的雨污排澇，根據(jù)用戶提供的技術(shù)要求，比如潛污泵需要達(dá)到規(guī)定的流量和揚(yáng)程的工況點(diǎn)范圍，選用設(shè)計(jì)流量為2 300 m3/h，揚(yáng)程20 m，功率185 kW的水泵，方能使泵的運(yùn)行工況點(diǎn)（裝置特性曲線和揚(yáng)程的交點(diǎn)）保持在高效區(qū)間運(yùn)行。但由于泵房特殊的空間位置，需要水泵能露出水面運(yùn)行，即能在半干濕的環(huán)境下干式運(yùn)行。而且用戶為了節(jié)省投資，同一臺水泵需要能在不同的地方靈活調(diào)度使用，因此，需要結(jié)合多個(gè)維度，給用戶選用一臺合適的水泵，確定一套使用方案，以滿足用戶需求。

這種情況下，筆者從機(jī)械和電氣兩方面著手，設(shè)計(jì)了一個(gè)合理的泵站使用改造方案。機(jī)械方面，首選使用干式潛污泵——閉式循環(huán)冷卻型潛污泵，并根據(jù)用戶要求做成移動(dòng)式。電氣方面，水泵的配套控制系統(tǒng)采用PID 控制、充分利用變頻技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及智慧云平臺，遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制水泵的運(yùn)行。

1 干式潛水泵的升級換代及閉式循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)原理

閉式循環(huán)冷卻型潛污泵，是設(shè)計(jì)開發(fā)的干式潛污泵最新的泵型。通常一般的WQ 型潛水排污泵，采用濕式安裝，因?yàn)樗霉ぷ鲿r(shí)，電動(dòng)機(jī)會發(fā)熱，因此需要將電動(dòng)機(jī)外殼和散熱筋直接與污水接觸起到冷卻的作用，即電動(dòng)機(jī)的冷卻方式需要采用直接水冷式。采用直接水冷的潛污泵，進(jìn)水池內(nèi)水位的高度必須能淹沒電動(dòng)機(jī)鐵芯高度，這在一定程度上勢必需要增加土建開挖深度。

如果將潛污泵采用干式安裝（即不在水中運(yùn)行）時(shí)，就需要采用一定的冷卻方式，比如風(fēng)冷或隔套冷卻。一般情況下，18.5 kW 及以上的泵采用冷卻通道隔套冷卻。隔套中的冷卻介質(zhì)一般采用水泵本身所輸送的污水,但污水中的污物很容易將冷卻通道堵塞，并隨著時(shí)間的推移，在電動(dòng)機(jī)外殼容易結(jié)成一定程度的污垢，這樣會直接影響電動(dòng)機(jī)散熱，使電動(dòng)機(jī)冷卻不充分，電動(dòng)機(jī)容易超溫或者燒毀。

基于上述原因，干式安裝的潛污泵宜采用外部循環(huán)水冷卻（外接自來水管路）的冷卻系統(tǒng)。但由于這種冷卻方式雖然解決了上述堵塞問題，但實(shí)際上沒能從根本上真正取得很好的冷卻效果。另外由于冷卻回路增添了外部管路，因此也會增加設(shè)備投資及安裝成本。

因此，為了既能解決堵塞問題，又能提高冷卻性能，實(shí)現(xiàn)更理想的循環(huán)冷卻散熱效果。通過進(jìn)一步技術(shù)改造，設(shè)計(jì)開發(fā)了閉式內(nèi)循環(huán)冷卻型潛污泵，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 水泵結(jié)構(gòu)

首先，此種類型的泵同樣是采用隔套式，但冷卻系統(tǒng)主要采用閉式循環(huán)冷卻的方法，不同于普通污水或自來水冷卻，隔套內(nèi)電動(dòng)機(jī)四周正常充有一定量的專用冷卻液，冷卻介質(zhì)采用特定配比的乙二醇混合液，冷卻液與污水介質(zhì)完全隔離。

其次，在水泵機(jī)械密封室內(nèi)增加一流體副葉輪，與水泵主葉輪同軸。主葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，副葉輪也同步旋轉(zhuǎn)，密封室內(nèi)的冷卻液在葉輪旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生壓差的作用下，首先進(jìn)入泵內(nèi)部冷卻通道，再進(jìn)入電動(dòng)機(jī)隔套腔內(nèi)專門的冷卻水管道，并不斷向電動(dòng)機(jī)四周噴灑，使電動(dòng)機(jī)均勻散熱。

再次，密封室采用獨(dú)特的螺旋式熱交換器，隔套內(nèi)的冷卻液吸收電動(dòng)機(jī)外壁工作時(shí)產(chǎn)生的熱量后，通過專用冷卻水管道回到熱交換器螺旋式通道，并通過熱交換器螺旋散熱筋、環(huán)形散熱溝[1]，如圖2 所示，盡可能增大散熱面積，使內(nèi)部冷卻液與外部輸送的污水介質(zhì)能進(jìn)行更充分的強(qiáng)制對流換熱冷卻。換熱之后的冷卻液再次進(jìn)入循環(huán)冷卻葉輪進(jìn)口，進(jìn)入機(jī)械密封室，繼而進(jìn)行下一輪循環(huán)[2]。內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)是經(jīng)過了各種散熱計(jì)算（包括CFD 計(jì)算）、借用各種現(xiàn)代化的軟件Pro/E、Ansys ICEM 分別進(jìn)行了水體造型和網(wǎng)格劃分以及速度矢量分析和靜溫分析并得到了實(shí)踐驗(yàn)證。

圖2 熱交換器結(jié)構(gòu)

圖3 熱交換器與循環(huán)冷卻葉輪的水體造型

圖4 熱交換器與循環(huán)冷卻葉輪水體的網(wǎng)格劃分

圖5 XZ 截面處熱交換器的靜溫分布

圖6 XZ 截面處熱交換器的溫度分布

這種自帶冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，完全避免了隔套式WQ 潛污泵冷卻通道堵塞、冷卻效果不佳的問題，散熱效果非常理想。所以泵用于濕式安裝時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以露出水面運(yùn)行，同時(shí)閉式循環(huán)潛污泵也適用于干式安裝的場合，相比立式污水泵，結(jié)構(gòu)更緊湊、振動(dòng)小、噪音低、不怕淹沒且安裝維護(hù)檢修方便，使泵的適用范圍更廣。因此WQN型閉式循環(huán)冷卻泵是WQ型無堵塞潛水排污泵更理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

2 水泵內(nèi)部保護(hù)功能的設(shè)置

為保證泵運(yùn)行更安全、更可靠，分別在水泵油室內(nèi)、接線腔內(nèi)設(shè)置多道油水探頭；電動(dòng)機(jī)腔內(nèi)設(shè)置浮子開關(guān)；設(shè)置定子繞組過熱、軸承超溫、振動(dòng)和濕度檢測等多種保護(hù)元件。再配以使用本單位水泵專用智能型保護(hù)器，將所有的傳感器信號進(jìn)行集中采集、處理，實(shí)現(xiàn)漏水、漏油、超溫以及振動(dòng)等多種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，并起到報(bào)警及保護(hù)作用。

3 變頻閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的配套使用

泵站改造方案中與之配套的潛水泵電氣控制系統(tǒng)，主回路器件選用進(jìn)口品牌ABB 變頻器ACS530 系列。由于控制柜在室外使用，汛期和夏季高溫季節(jié)柜內(nèi)外溫度均很高，所以給電氣柜配備了機(jī)柜空調(diào)，以確保變頻器不受外界環(huán)境溫度影響，均能正常帶負(fù)荷運(yùn)行。整套電氣系統(tǒng)，集先進(jìn)的電子電氣技術(shù)、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、多種保護(hù)功能、報(bào)警系統(tǒng)為一體。另外控制系統(tǒng)配備了手控、自控兩種控制方式，能夠通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換。手動(dòng)控制是通過柜面的按鈕啟停控制，用于水泵試運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試。自動(dòng)控制采用模擬量信號液位傳感器。

自動(dòng)控制一般采用液位浮球或傳感器控制。泵站改造之前，本案例中，用戶一開始使用的是普通隔套式冷卻潛污泵，污水作為冷卻介質(zhì)。水位低時(shí)處于半干式或干式運(yùn)行。同時(shí)用戶為了節(jié)約成本，采用的是浮球開關(guān)進(jìn)行液位控制。

改造之前使用過程中，由于老的進(jìn)水池容積比較小，即使是汛期雨量大，液位變化也很快，尤其是在進(jìn)水量相對不足時(shí)而電動(dòng)機(jī)功率又很大，水泵全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，相當(dāng)于大馬拉小車的情況，水很快被抽少，采用浮球信號做開泵和停泵控制，造成了水泵頻繁啟停。為了減少頻繁啟停對水泵造成的不利影響，現(xiàn)場維護(hù)人員直接取消了浮球自動(dòng)控制，而改用了手動(dòng)控制。但是在實(shí)際使用中，水泵持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間以后，水泵便出現(xiàn)了超溫報(bào)警信號，觸發(fā)控制系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)。水泵停機(jī)以后，值班人員又不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，等到水位重新上升導(dǎo)致了雨污溢出，來不及排放處理，導(dǎo)致了周邊環(huán)境污染。因此水泵的正常使用受到了嚴(yán)重影響。

所以，接到用戶的現(xiàn)場反饋，第一時(shí)間先給用戶排查緊急故障、解決水泵超溫報(bào)警問題。

首先，為了排除水泵報(bào)警器的誤報(bào)警，請現(xiàn)場值班人員核實(shí)了報(bào)警跳閘以后的溫度信號線阻值，實(shí)測證明，阻值有變化，但屬于在逐漸恢復(fù)接近冷態(tài)時(shí)的阻值。一段時(shí)間后，水泵也可以重新起動(dòng)。另外水泵的配套綜合保護(hù)器試驗(yàn)檢查也沒有問題，說明，電動(dòng)機(jī)繞組的溫度開關(guān)只是在水泵運(yùn)行超溫后，正常動(dòng)作起保護(hù)作用了。

另外根據(jù)現(xiàn)場的土建尺寸及故障現(xiàn)場情況的反饋，通過對泵站初步計(jì)算分析，得出現(xiàn)場進(jìn)水池容積太小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足泵站的設(shè)計(jì)規(guī)范，導(dǎo)致了大功率水泵一直運(yùn)行后，容易出現(xiàn)斷流或者水位下降比較快，進(jìn)水量相對不足時(shí)，污水液面降低，水泵很容易處于半干式運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)換熱冷卻不理想，加上浮球的頻繁起動(dòng)，所以直接導(dǎo)致了電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，觸發(fā)故障報(bào)警。

基于上述情況，考慮到汛期雨污排水不能斷續(xù)、水泵不能停機(jī)要連續(xù)運(yùn)行的緊急情況下，決定先讓用戶臨時(shí)采用一臺輔助小泵，接上一根排水管，對這臺大泵隔套外壁進(jìn)行不斷噴淋冷水，給隔套進(jìn)行強(qiáng)制熱交換，帶走電動(dòng)機(jī)的熱量，降低水泵定子的溫度。實(shí)踐證明這時(shí)水泵能夠連續(xù)運(yùn)行較長時(shí)間，而不再出現(xiàn)超溫報(bào)警而跳閘。證明了老式的隔套冷卻潛污泵冷卻效果不理想，尤其不適合這些非標(biāo)的不合理的泵站環(huán)境。

通過這種辦法，基本上給用戶找到并臨時(shí)解決了水泵運(yùn)行發(fā)熱故障問題。但是從科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，應(yīng)該給用戶采取更為科學(xué)合理的辦法，解決實(shí)際使用中的存在問題。于是水泵選型方面，首先推薦使用新型的WQN型內(nèi)循環(huán)冷卻潛水泵，具有優(yōu)良的循環(huán)自冷卻功能，以減少電動(dòng)機(jī)的超溫故障問題。電氣方面，考慮到值班人員如果通過人為手動(dòng)控制、人為開關(guān)機(jī)，需要人為密切跟蹤現(xiàn)場的運(yùn)行使用情況，勢必會增加值班人員維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度。最好能采用一種方法，能夠根據(jù)實(shí)際雨水量的變化，流量的大小，工況水位的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的頻率、運(yùn)行速度，輸出變化的功率，從而降低水泵的啟停頻率，減少發(fā)熱。基于此，筆者從電氣的角度出發(fā)，建議用戶采用接下來的配套電氣改進(jìn)方案，即采用液位變送器，通過采集傳感器液位信號進(jìn)行自動(dòng)控制，取代浮球開關(guān)，將液位模擬量信號傳輸給變頻器模擬量反饋通道。再調(diào)用變頻器內(nèi)部自帶的PID 控制，這樣就不需要另外增加其他的成本，不需要另配PLC 邏輯控制，就可以在變頻現(xiàn)有的基礎(chǔ)上充分挖掘變頻器內(nèi)部的強(qiáng)大功能。給變頻器內(nèi)部設(shè)定一個(gè)液位給定值，采用負(fù)反饋，通過變頻器內(nèi)部的微分、積分、比例運(yùn)算，使實(shí)際信號跟隨給定信號。當(dāng)雨水量和液位反饋信號減小時(shí)，即實(shí)際液位低于給定值，變頻器自動(dòng)降低輸出頻率，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降；并設(shè)置了休眠和蘇醒功能，當(dāng)變頻器輸出頻率持續(xù)一段時(shí)間低于下限頻率時(shí)，水泵暫停工作。當(dāng)液位增加時(shí)，并超過了喚醒偏差值，并經(jīng)過喚醒延時(shí)，變頻器輸出頻率逐漸增加，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提高。采用變頻器的這一自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，將使值班維護(hù)更簡單方便。

在實(shí)際使用中，當(dāng)排水量很小，液位很低的時(shí)候，如果變頻器一直處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)，既浪費(fèi)了能源，也會使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)許多附加損耗，電動(dòng)機(jī)效率會大大降低，對水泵電動(dòng)機(jī)造成一定程度的不利影響，因此這種情況下再設(shè)置讓變頻器睡眠，既有利于節(jié)能環(huán)保，又能保護(hù)設(shè)備，具有現(xiàn)實(shí)意義。

在這基礎(chǔ)上，再給系統(tǒng)配備一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)無線終端模塊，通過4G 信號，將水泵的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、水位狀態(tài)、溫度、振動(dòng)以及運(yùn)行時(shí)間等各種數(shù)據(jù)和終端建立數(shù)據(jù)連接。值班人員就可以通過云平臺、手機(jī)APP 隨時(shí)隨地監(jiān)測水泵的運(yùn)行，如圖7、圖8 所示。必要時(shí)也可以通過終端來控制水泵。

圖7 云監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

圖8 智能云平臺

上述改造方案主要是依據(jù)變頻閉環(huán)調(diào)速、PID 控制所具有的節(jié)能等優(yōu)良特性，同時(shí)結(jié)合了智慧云控制。以下是現(xiàn)場控制柜實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的系統(tǒng)簡圖，如圖9 所示，并對交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速和節(jié)能原理進(jìn)行了簡單分析。

圖9 變頻調(diào)速閉環(huán)控制簡圖

3.1 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理分析

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速如下式：

n0—電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速

n—電動(dòng)機(jī)異步轉(zhuǎn)速

P—電動(dòng)機(jī)定子極對數(shù)

f—交流電源頻率

s—交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率

由式（2）可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源頻率f、電動(dòng)機(jī)極對數(shù)P、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s有關(guān)[3]。

由于電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)P是通過改變繞組接線方式來改變，只能在幾個(gè)特定的離散的數(shù)值之間調(diào)整，因此調(diào)速精度低，只能有級調(diào)速，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的調(diào)速。

而轉(zhuǎn)差率調(diào)速，是通過改變電動(dòng)機(jī)的某些參數(shù)或外部條件，通常是通過改變定子電壓或轉(zhuǎn)子串電阻等以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率越大時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及效率越低[4]。損耗越大，發(fā)熱越嚴(yán)重，由此可能會引起電動(dòng)機(jī)的溫升和機(jī)械特性的變化，因此應(yīng)用有限。

而變頻調(diào)速則是通過改變電動(dòng)機(jī)的供電電源的頻率而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[5]。由式（2）可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源頻率成正比。變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 變頻調(diào)速節(jié)能原理分析

水泵類設(shè)備運(yùn)行時(shí)遵從以下規(guī)律。

3.2.1 流量與轉(zhuǎn)速成正比例

式中：Q—流量

N—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

K—比例系數(shù)

3.2.2 流體的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比

式中：H—揚(yáng)程

n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

C—比例系數(shù)

3.2.3 泵類的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正

式中：P—軸功率

n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

D—比例系數(shù)

可見，變頻調(diào)速應(yīng)用于水泵類負(fù)載，當(dāng)流量較小的時(shí)候，可以通過降低水泵轉(zhuǎn)速，泵的軸功率將按照三次方規(guī)律大幅度降低，這將使輸入功率大幅度降低，從而有效地降低能耗，降低運(yùn)行管理成本。這套方案最終成功地實(shí)施于用戶現(xiàn)場，并得到了很高的用戶滿意度。

綜上，現(xiàn)場只要在變頻器內(nèi)部配置好給定值和PID 等一系列參數(shù)，配合傳感器，就可實(shí)現(xiàn)變頻器的閉環(huán)調(diào)節(jié)功能、實(shí)現(xiàn)無人值守智能化運(yùn)行、節(jié)能運(yùn)行。

4 結(jié)束語

新型WQ N 內(nèi)循環(huán)冷卻潛污泵開發(fā)和改進(jìn)已近10 年，規(guī)格已成系列化，保護(hù)功能比較完善。水泵結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù)、變頻PID 控制、遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)長期安全可靠運(yùn)行、無人值守全自動(dòng)運(yùn)行，并最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)資，在國內(nèi)外市政污水處理工程、工礦企業(yè)和建筑等行業(yè)中污水污泥的排放、水利防洪排澇及農(nóng)田灌溉等場合，受到了極大歡迎。