污水泵控制原理的優(yōu)化設計

周雪梅 劉永奇 周學祥

(1.中國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.甘肅銀光化學工業(yè)公司，甘肅 白銀 730900)

隨著國家對環(huán)境問題的高度重視，各企業(yè)在建設項目時都會加強對排污系統(tǒng)的設計，特別在煉化行業(yè)，排污系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行更是安全生產(chǎn)的一個重要指標。排污系統(tǒng)中最常見到的設備就是各種功率的污水泵電機，為了保證排污系統(tǒng)正常運行，首先要確保污水泵電動機可以安全啟/停。

1 現(xiàn)場出現(xiàn)的問題及分析①

中國石油慶陽石化集雨水池項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污水泵電動機在項目初設試投入運行后，出現(xiàn)了電機電流突變、啟動轉(zhuǎn)矩較高、葉輪松動及主軸磨損等故障，形成水錘效應，嚴重影響整個裝置的順利開車，同時增加了后續(xù)檢/維修的工作量和維護費用，減少了泵組的使用壽命。

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

圖1 污水泵直接全壓啟動控制原理

為了保證整個項目如期開車，通過電氣部門相關專業(yè)人員對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題進一步匯總、分析，最終確定污水泵直接全壓啟/停是出現(xiàn)電機電流突變、主軸磨損及水錘效應等故障的主要原因。為整改解決方案、節(jié)約改造成本，筆者反復查找相關污水泵負荷方面的控制原理圖，找出星/三角啟動、軟啟動和變頻啟動3種啟動方式[1]。

星/三角啟動可降低污水泵電機啟動電流，啟動轉(zhuǎn)矩較?。蝗秉c是直接停止，啟動時間較長，所用元件較多，電機側(cè)接線復雜。變頻啟動方式的啟動電流可控制在0.5～1.0倍的電機額定電流間，可以設置啟動時間，實現(xiàn)軟停車；缺點是無需調(diào)速場合，成本較高，體積不夠緊湊(與軟啟動相比)。軟啟動方式可以調(diào)整啟動電流，修正啟動時的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)軟停車，減小水泵在啟/停時水流慣性引起的機械張力，并調(diào)節(jié)合適的啟動時間。

通過以上對比可知，軟啟動器和變頻器兩種產(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/停時出現(xiàn)的問題。但圖1所示為用抽屜回路來控制污水泵的，相比較軟啟動器來說，變頻器體積不夠緊湊，從機械改造角度無法實現(xiàn)，即使改造完成也不能保證低壓柜的電氣安全性能，且購置成本較高。最后確認選用軟啟動器對圖1的控制原理進行優(yōu)化設計。筆者選用PST系列軟啟動器對污水泵控制原理進行優(yōu)化設計，并經(jīng)過實踐來檢驗運行效果。

2 使用軟啟動器解決現(xiàn)場問題

2.1 軟啟動器的工作原理

軟啟動器是一種集電機軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新型電機控制裝置[2]。它采用3對反并聯(lián)晶閘管，串接于三相電源與電機的定子回路上[3]。利用晶閘管移相控制原理，通過微處理器來改變晶閘管的開通程度，使電機輸入電壓按預設的函數(shù)關系逐漸上升。

啟動時，電機端電壓隨晶閘管的導通角從零逐漸增大，直至達到滿足啟動轉(zhuǎn)矩的要求而結束啟動過程，當啟動完成后，軟啟動器輸出額定電壓，旁路接觸器接通，電機進入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)；停機時，先切斷旁路接觸器，之后軟啟動器內(nèi)晶閘管的導通角由大逐漸減小，使三相供電電壓逐漸減小，電機轉(zhuǎn)速逐漸減小到零，完成停機過程。

旁路接觸器保證了晶閘管僅在啟動、停車時工作，避免長期運行使晶閘管發(fā)熱，同時可以避免在電機運行時軟啟動器產(chǎn)生的諧波，另外，一旦軟啟動器發(fā)生故障，可由旁路接觸器作為應急備用。

2.2 PST系列軟啟動器的關鍵技術

軟啟動器的啟動電流可控制在2～5倍電機額定電流之間(直接啟動時為5～7倍)，使污水泵電機平穩(wěn)啟動，如圖2所示。

圖2 不同啟動方式啟動電動機的升壓曲線

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

圖3 不同啟動方式啟動電動機

軟啟動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器運行時的發(fā)熱量，減少軟啟動器的功耗，也可作為應急備用，同時也能增加軟啟動器每小時的啟動次數(shù)。

2.3 利用軟啟動器優(yōu)化設計污水泵控制原理

通過對軟啟動器工作原理和關鍵技術的掌握，對污水泵控制原理進行技術優(yōu)化設計，運用軟啟動器來控制污水泵電動機的啟/停，圖4就是使用軟啟動器優(yōu)化設計后的污水泵控制原理圖，首先按下2SB啟動按鈕，PST軟啟動器得電，污水泵在軟啟動器拖動下按所選定的軟啟動方式逐漸提升輸出電壓、電流，達到工頻電壓時，完成軟啟動，軟啟動器內(nèi)部的K5常開點接通， KA1得電動作，監(jiān)控LCU屏顯示污水泵運行，同時接通了旁路的接觸器KM，污水泵電機進入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)；當按下1SB停止按鈕，軟啟動器失電，發(fā)出軟停車信號，先啟動軟啟動器與旁路接觸器KM并聯(lián)運行，然后切除旁路接觸器KM，最后軟啟動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)速隨著軟啟動器的降壓時間逐漸減小，最后停止工作。

圖4 污水泵使用軟啟動器控制原理

2.4 效果檢驗

通過優(yōu)化設計，污水泵不存在直接全壓啟停，初設時的水錘效應消失了，現(xiàn)場通過近4個月的使用，表明在污水泵負荷中使用軟啟動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：

a. 污水泵電動機啟動電流明顯降低，減少了整個配電室的配電容量與增容投資；

b. 污水泵負荷實現(xiàn)平穩(wěn)啟動，對污水泵及排污管線無沖擊，提高了整個供電系統(tǒng)的可靠性和排污可靠性；

c. 污水泵負荷采用軟停車方式減少了對污水泵機械構件的沖擊，防止水錘效應的產(chǎn)生，延長了污水泵及其相關設備的使用壽命；

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

e. 軟啟動器具有安裝簡單、操作方便、保護功能齊全以及運行可靠等優(yōu)點，為用戶安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行等提供了保障，減少了以后的檢維修工作量和停機檢維修時間。

3 結束語

通過利用軟啟動器對污水泵電機的控制方式進行了技術優(yōu)化設計，改善了泵組啟/停時的性能，這種控制方式不僅適合于污水泵，而且還適合于風機、壓縮機及輸送設備等各類負荷。軟啟動器的使用使污水泵的啟停運行情況良好，開車后裝置穩(wěn)定、安全，減少了泵組電機檢維修工作量，延長了使用壽命。在今后的工作中遇到此類負荷在低壓柜控制設計初將直接選用軟啟動器啟動，為業(yè)主和制造廠都帶來便利。