變頻恒壓供水裝置在溧陽城市防洪工程中的應用研究

韓 猛

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

1 工程概況

溧陽市城市防洪工程新區樞紐工程位于溧陽市溧戴河入老戴埠河河口處，由泵站和節制閘組成。泵站共裝設5臺單向運行平面S形軸伸泵，單泵設計流量5m3/s，總設計流量為25m3/s，配10kV異步電動機，單機功率為250kW,總裝機容量1250kW；節制閘為單孔，凈寬10m。主要工程任務是防洪和排澇，兼顧改善城區內河水環境。

新區樞紐泵站的供水系統主要由消防供水、生活供水、技術供水三方面組成，其中以技術供水最為重要，新區樞紐技術供水系統為一套變頻恒壓供水裝置，配套軸瓦冷卻機組，為水泵電機油缸和上下齒輪箱水管提供循環冷卻水，以達到降低電機和齒輪箱油缸內油溫的目的，保證機組正常穩定運行。

2 變頻恒壓供水系統原理

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

經計算，新區樞紐5臺機組同時工作時所需冷卻水流量為48m3/h。

泵站管理人員可根據不同工況預設不同用水量，再通過示流信號器監測管道水量，接收信號來調控流量調節閥的開度，使流量滿足預設值；同時循環系統出水管網采用壓力傳感器向控制柜反饋信號，自動變頻控制水泵電機的頻率，實現水泵運行工況的調節，保證出水管網壓力滿足要求。變頻恒壓供水系統原理見圖1。

圖1 新區樞紐泵站變頻恒壓供水系統原理

3 變頻恒壓供水裝置結構

新區樞紐泵站變頻恒壓供水系統由2臺立式多級離心泵、穩流罐、智能變頻控制柜和相應的傳感機構、監測設備組成，具體結構見圖2。

圖2 新區樞紐泵站變頻恒壓供水系統結構

3.1 穩流罐

穩流罐是封閉罐體，直接與市政供水管網連接，主要是用來存儲水，防止二次污染。穩流罐內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水位降低時，外接電磁補水閥受PLC指令打開，對系統進行補水。

真空抑制器是消除管網中負壓的核心部件，它可以依據穩流罐內液面高度的增減，控制罐內空氣的進出，當罐內液面處于一定位置，罐內氣壓與自來水管網壓力相等，真空抑制器關閉；當罐內水位降低，且沒有水補償時，空氣由真空抑制器進入罐內，消除管網內的負壓，保證整個供水系統正常運行。

3.2 立式多級離心泵

新區泵站技術供水系統裝設有2臺立式多級離心泵，互為備用，2臺泵均由鼠籠式異步電動機驅動，電機和水泵一體化設計。每臺泵的出口處均裝有止回閥，當水泵投入運行時，與其對應的止回閥打開，其他止回閥則為關閉狀態，防止水回流到備用泵內，水泵電機設有熱保護，采用變頻自動啟動水泵，啟動電流小，且無電流沖擊。

3.3 電器控制柜

控制柜設有本地及遠程選擇按鈕，設有啟動、停止和緊急停機功能，同時配有相應的指示燈，提供連接到遠程控制箱無源觸點，電器控制柜控制冷卻水循環裝置中冷卻水溫度、壓力和流量的信號傳遞。

3.4 變頻器

2臺離心泵配備變頻器，變頻器通過對異步電動機轉速的調節，來調節水泵轉速，實現對流量的控制，通過管路壓力傳感器測出的系統壓力與設定值比較，調節水泵轉速和流量，為循環冷卻裝置提供穩定壓力的冷卻水[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。

同時變頻器內部設有濾波電容器提供無功補償，有效地減少無功損耗，增加就地無功補償量，提升功率因素，降低電能浪費。

4 變頻控制柜功能設計

設置變頻控制柜的主要目的是根據冷卻機組運行臺數，自動控制冷卻水的流量及壓力，在保證降低電機和齒輪箱溫度的同時，達到了節能降耗的效果。

4.1 智能恒壓控制

控制柜采集循環泵組出水口壓力傳感器的數據，與系統預設壓力對比，通過智能運算來自動調節變頻器，控制水泵轉速，以達到恒定壓力的目標。

新區樞紐技術供水系統同時為5套機組提供冷卻水，為了更精細化地控制末端壓力均衡，且最大化地發揮水泵效能，降低能源浪費，控制柜通過檢測冷卻機組前端的電磁閥開關信號，辨識冷卻機組的投入臺數，并根據冷卻機組的實際投入臺數，自動變更目標壓力，靈活控制冷卻循環系統的管道水壓。同時為了保障管路安全，該控制柜設計了超高壓力保護，當壓力超過上限設定值時，自動報警停機。

4.2 智能穩流控制

新區樞紐泵站采用軸瓦冷水機組對循環水進行降溫，當冷卻機組的運行臺數發生變化時，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測到的實際值，與控制柜的設定流量進行比較，如果回水量大于設定流量，則自動關小回水端的電動調節閥門，直至達到流量設定范圍；如果回水流量小于設定流量，則自動開大回水端的電動調節閥門，直至達到流量設定范圍。現場管理人員也可根據冷卻機組實際投入的臺數，設定不同的流量要求，靈活調節，以達到節能、智能化控制。

4.3 主備泵控制

為了保障離心泵運行安全，控制柜能夠自動加減泵，保證供水穩定；當供水泵在運行中出現故障時，便可自動切換到另一臺，并且發出聲光報警，提示維修信號。除此之外，為了延長水泵的使用壽命，該控制柜可自由設定主備泵的交替運行時間，從而使主備泵實現均衡運行，防止單泵運行臺時過長導致另一臺水泵銹死；同時具有小流量休眠和休眠喚醒功能，避免電機長時間在低頻運行發熱狀況，節約能耗，實現無人值守。

4.4 設備保護

當新區樞紐機組長時間不運行時，為防止水泵凍住，系統進行低頻巡檢，即通過穩流罐內裝配的低水位傳感器發現罐內的水位過低時，發出報警，并自動打開電磁閥對系統進行補水。

4.5 智能控制

管理人員通過控制柜HMI人機界面直觀地監視冷卻循環系統的運行狀態、運行數據、運行曲線、故障記錄以及歷史數據記錄；也可利用RS485遠程通信接口，實現在中控室遠程監控，監視設備的實時運行工況，包括出水端、回水端的壓力和流量等，還能修改預設參數，遠程控制設備的啟停。

5 變頻恒壓供水裝置的優點

5.1 安全可靠性高

新區樞紐供水系統水源直接引用市政自來水，并且設備全封閉運行，徹底消除水源污染，安全衛生；循環冷卻水由流量與壓力同時控制，流量與壓力可同時滿足使用要求，安全可靠；具有完美的過載、短路、過壓、欠壓、缺相、過流、短路、水源缺水等自動保護功能；在異常情況下能進行信號報警、自檢、故障判斷等，保護功能齊全[2]，整套設備安全可靠性高。

5.2 高效節能

新區樞紐技術供水系統配2臺變頻離心泵。當新區樞紐泵站運行中調整開機臺數時，管網的用水量發生變化，管網水壓也隨之變化，為了維持管網水壓穩定，變頻器自動調節電動機轉速來實現出水量的調節，當出水量與運行中機組需水量保持一致時，壓力趨于恒定。這種調節方式與過去常用的關小閥門來限制流量相比，采用變頻器調速，離心泵在允許的范圍內降低轉速，減少功率消耗，能夠實現管路能量最大化利用，避免了功率浪費，降低了運行費用，比傳統供水設備更加高效節能。

5.3 管護方便，使用壽命長

該裝置集約化程度高，僅由循環供水控制柜、穩流罐和水泵機組三部分組成，將原來現場許多設備和管道集成并優化，安裝簡單，且維護方便。

離心泵可實現軟啟動，有效避免了“水錘”現象發生，保護管道和閥門，同時無沖擊電流，保護了電機，避免了對電網沖擊；2臺離心泵在實際運用中可以交替使用，從而有效延長了電機和水泵的使用年限。

5.3 智能化、集成化程度高

整套系統由全自動智能化控制器控制，依據運行工況自行智能調節，精準及時，節約人力，可實現無人值守，并且安裝智能觸控屏，有良好的人機交互功能，直觀方便。

6 總 結

本文對溧陽市新區樞紐泵站采用變頻恒壓供水裝置的應用進行了研究，對其原理進行了分析，對優勢進行了總結，認為新區樞紐泵站采用此裝置實現了技術供水系統智能化控制，并且高效節能、穩定可靠，有效保障泵站安全運行，有良好的安全效益和經濟效益，符合水利工程智能化發展的必然趨勢，對其他類似泵站工程有一定的參考意義。