基于全壽命周期考量的自動抽水泵設計

陳帥

內容摘要：? ? 熱力地溝等通行地溝，為防止地溝內進入地下水、雨水等，對地溝內設施帶來隱患，通常增設自動抽水泵。本文對抽水泵運行工況、環境溫度影響等進行分析，通過全壽命周期研究，構建抽水運行模型，對自動抽水設施運行大數據觀察，從設備選型、安裝、維護等全過程分析，設計一套能延長設備壽命且抗干擾強的自動抽水裝置。

關鍵詞：自動抽水泵;時間繼電器;全壽命周期

引言：

動力地溝因地溝埋深不同，局部會有地下水等滲入地溝情況發生。為解決此問題，通常增設自動抽水裝置。通過對既有熱力地溝抽水泵運行現狀分析，發現運行環境溫度等均對水泵等設備設施帶來影響，同時抽水泵啟停上下限液位設置的選取，也會對抽水效果帶來影響。通過對電路原理、排水量等分析，提出電路增加延時繼電器等方案，經過實際應用，取得較好效果。

一、自動抽水泵運行工況分析

深水井、回水箱等設施，需根據水位情況，確定水泵上水或停止供水時間等。大多數要用液位自動控制來完成。某廠區熱力地溝存有積水，設置在積水坑內抽水泵須自動抽水作業。熱力地溝內蒸汽管道安裝在低處，啟動控制電路中短時間內頻繁啟動，造成水泵電動機壽命降低，甚至損壞。抽水不及時還會使積水浸泡蒸汽管道，產生大量熱氣，地溝內環境溫度升高，對水泵安全運行也會帶來較大影響。

二、基于全壽命周期的自動抽水泵設計

從提升本質安全度進行正向設計，對抽水泵運行工況、環境溫度影響等分析，提出全壽命周期設計理論。通過對自動抽水泵運行、維保等研究，提出優化自動抽水裝置電路等設計方案。

水位探頭設計：自動抽水系統液位自動控制電路大多是通過水位探頭探測水的位置，通過水導電這一特點來將水位信息提供給控制電路，由控制電路輸出控制信號控制水泵電動機。水位探測探頭如安裝在特別潮濕、高熱的環境中，會對信號傳輸帶來影響。通過觀察，針對其潮濕、高熱，且常年存有積水等特點，可選用高溫不銹鋼浮球。金屬電纜浮球液位開關，接點零件為水銀開關，耐高溫。電纜浮球開關利用水銀開關進行信號傳輸，當水銀開關上揚一定角度，開關便會有ON或OFF信號輸出。性能穩定可靠，安裝方便，價格低廉，結構簡單，無需保養，作為水位探頭比較經濟適用。

探頭線纜安裝：為便于維修調試，采用可移動線纜固定裝置。根據實際安裝深度，如5米深的抽水井，采用5米左右的管、桿等材料，進行固定線纜，同時在其上標注刻度，便于調試探頭安裝高度及位置。此裝置可以隨時取出，減少安全隱患，同時便于維護調試。從探頭選擇到安裝，均考慮了成本、維修及操作的方便性、安全性，設計進行全壽命周期的考量。選取探頭位置，通過實驗，在刻度桿上來調整安裝適合的高度，依據刻度進行調整及固定線纜。

抽水泵選擇：首先對熱力地溝內抽水量進行估算，結合季節特點、地下水含量、雨季等因素，根據地溝內存水量（如約60立方米），通過連通管，將地溝內存水導入至臨近抽水井內。根據抽水井的實際尺寸，如2米×2米×5米，并進行多組實驗數據分析比對，依據地溝內存水自壓流入至臨近抽水井內流速、時間及熱力地溝內水位上漲時間，構建抽水模型。經計算，選擇一臺380V的自動抽水泵，水泵流量15立方米/小時。既可滿足抽水需求。

延時保護電路設計：控制電路中增加時間繼電器，根據現場水位情況，調整延時時間，通電延時后，減少水泵電動機頻繁啟動，同時根據實際排水情況，有效設定啟停時間。時間繼電器是在電路中起著按時間控制作用的繼電器，當它的感測部分接受輸入信號（通電或斷電）以后，它的執行機構需要經過一定的時間延時才會動作，并輸出信號以操縱控制回路。根據實際存水情況，為將熱力地溝內積水液面降到地溝底部，要計算好抽水井內的浮球安裝位置。根據連通器原理，同時要考慮抽水井內進水流速。抽水井內浮球安裝位置過底，會造成水泵頻繁啟停。抽水井內浮球安裝位置過高，會造成熱力地溝內的積水過多，沒有達到及時抽水的效果，并且遇到積水浸泡地溝底部的蒸汽管道時，因產生大量熱氣，會對自動抽水系統帶來影響，也會縮小水泵使用壽命。為此，計算好相對合理的安裝高度與位置，非常重要。如在此2米×2米×5米的抽水井內，依據熱力地溝與抽水井底部的高度差，作為浮球探頭的安裝位置參考。將浮球水平點安在距離抽水井底部1米處，并且固定在刻度桿尺上，抽水效果會比較理想。

延時保護電路設計有如下兩種方案：

方案一，在啟動回路上增加延時繼電器。通過水銀開關上揚角度，可以計算啟停水泵的工作時間。根據此模型的設計構想，一次啟停大約抽水1立方米，水泵工作時間約4分鐘左右。此時，要依據抽水井內進水流速，抽水泵的排水時間，設計啟動延時電路。當水銀開關上揚一定角度，開關有ON信號輸出時，增加時間繼電器，延長時間計算約20分鐘。增加此延時時間繼電器后，可實現水位上限傳輸信號，經20分鐘后反饋，啟動水泵抽水，水銀開關下揚一定角度，開關有OFF信號輸出時，達到停止下限信號，抽水泵自動停止工作。此種方法，可減少水泵頻繁啟停，可延長自動抽水系統壽命。但也存在一定弊端，當水銀開關上揚一定角度，開關有ON信號輸出時，因延時沒有立即啟動，由于浮力作用浮球繼續向上漂浮，當浮力線纜與水面垂直時，會對浮球產生較大拉力。也會對浮球壽命帶來一定影響。

方案二，在控制電路上增加停止延時繼電器。依據抽水井內進水流速，抽水泵排水時間，設計停止延時電路。可在水銀開關下揚一定角度，開關有OFF信號輸出時，增加時間繼電器，延長時間經計算，此處約15分鐘左右。工作原理為，在水銀開關上揚一定角度，開關有ON信號輸出時，水泵正常啟動。啟動水泵抽水，抽水4分左右，達到停止下限信號，抽水泵沒有立即停止工作，而是通過延時時間繼電器，延長一定時間（約15分鐘），抽水泵才自動停止工作。此種方法，可減少水泵頻繁啟停，延長自動抽水系統壽命。通過在停止回路增加此延時時間繼電器后，可實現水位上限達到后，啟動水泵抽水，抽水4分左右，達到停止下限信號，因時間繼電器延時，此時水泵繼續抽水，大約延長15分鐘后，抽水泵自動停止工作。整個過程，水泵工作大約20分鐘左右。此方案利用上限信號進行啟動抽水泵，既對熱力地溝起到及時抽水，又減少了水泵電機頻繁啟停，提升了抽水泵等設備壽命周期。因浮球線纜是自然下垂，只是重力作用，沒有因浮力造成對浮球的損傷，也延長了浮球探頭使用壽命。

三、自動抽水泵運行效果

通過基于全壽命周期的自動抽水泵設計，通過實驗，科學調整探頭位置，科學設定延時繼電器時間，實現了及時排水，水泵啟停間隔時間也更加合理。系統壽命周期也得到延長。因潮濕、高熱環境干擾等也有效得到解決。也不會因為抽水不及時使地溝內存水過多。

結束語：

自動抽水泵全壽命周期設計需要不斷優化，同時要不定期對自動抽水系統進行檢查保養，科學調整探頭位置，設定延時繼電器延時時間，實現延長水泵電動機壽命，科學排水，減少因地表存水等對熱力管道浸泡帶來的腐蝕影響，減少安全隱患。

參考文獻：

[1] 王振國等.電工工藝學（第四版）[M].機械工業出版社，2009.

[2] 高峻峣.工業電氣控制從入門到精通[M].機械工業出版社，2010.

[3] 狄富清 狄曉淵.配電實用技術[M].機械工業出版社，2010.

[4] 馬金.建筑給水排水工程[M].清華大學出版社，2004.