閉式循環冷卻潛污泵和變頻調速控制在排澇泵站的聯合運用

石海燕

浙江豐球克瑞泵業有限公司

某城市污水處理公司，需要解決汛期大量的雨污排澇，根據用戶提供的技術要求，比如潛污泵需要達到規定的流量和揚程的工況點范圍，選用設計流量為2 300 m3/h，揚程20 m，功率185 kW的水泵，方能使泵的運行工況點（裝置特性曲線和揚程的交點）保持在高效區間運行。但由于泵房特殊的空間位置，需要水泵能露出水面運行，即能在半干濕的環境下干式運行。而且用戶為了節省投資，同一臺水泵需要能在不同的地方靈活調度使用，因此，需要結合多個維度，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，筆者從機械和電氣兩方面著手，設計了一個合理的泵站使用改造方案。機械方面，首選使用干式潛污泵——閉式循環冷卻型潛污泵，并根據用戶要求做成移動式。電氣方面，水泵的配套控制系統采用PID 控制、充分利用變頻技術、物聯網技術以及智慧云平臺，遠程監視和控制水泵的運行。

1 干式潛水泵的升級換代及閉式循環冷卻結構原理

閉式循環冷卻型潛污泵，是設計開發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，因為水泵工作時，電動機會發熱，因此需要將電動機外殼和散熱筋直接與污水接觸起到冷卻的作用，即電動機的冷卻方式需要采用直接水冷式。采用直接水冷的潛污泵，進水池內水位的高度必須能淹沒電動機鐵芯高度，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（即不在水中運行）時，就需要采用一定的冷卻方式，比如風冷或隔套冷卻。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，并隨著時間的推移，在電動機外殼容易結成一定程度的污垢，這樣會直接影響電動機散熱，使電動機冷卻不充分，電動機容易超溫或者燒毀。

基于上述原因，干式安裝的潛污泵宜采用外部循環水冷卻（外接自來水管路）的冷卻系統。但由于這種冷卻方式雖然解決了上述堵塞問題，但實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，實現更理想的循環冷卻散熱效果。通過進一步技術改造，設計開發了閉式內循環冷卻型潛污泵，結構如圖1 所示。

圖1 水泵結構

首先，此種類型的泵同樣是采用隔套式，但冷卻系統主要采用閉式循環冷卻的方法，不同于普通污水或自來水冷卻，隔套內電動機四周正常充有一定量的專用冷卻液，冷卻介質采用特定配比的乙二醇混合液，冷卻液與污水介質完全隔離。

其次，在水泵機械密封室內增加一流體副葉輪，與水泵主葉輪同軸。主葉輪旋轉時，副葉輪也同步旋轉，密封室內的冷卻液在葉輪旋轉而產生壓差的作用下，首先進入泵內部冷卻通道，再進入電動機隔套腔內專門的冷卻水管道，并不斷向電動機四周噴灑，使電動機均勻散熱。

再次，密封室采用獨特的螺旋式熱交換器，隔套內的冷卻液吸收電動機外壁工作時產生的熱量后，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、環形散熱溝[1]，如圖2 所示，盡可能增大散熱面積，使內部冷卻液與外部輸送的污水介質能進行更充分的強制對流換熱冷卻。換熱之后的冷卻液再次進入循環冷卻葉輪進口，進入機械密封室，繼而進行下一輪循環[2]。內循環冷卻系統是經過了各種散熱計算（包括CFD 計算）、借用各種現代化的軟件Pro/E、Ansys ICEM 分別進行了水體造型和網格劃分以及速度矢量分析和靜溫分析并得到了實踐驗證。

圖2 熱交換器結構

圖3 熱交換器與循環冷卻葉輪的水體造型

圖4 熱交換器與循環冷卻葉輪水體的網格劃分

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

這種自帶冷卻系統的結構，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，電動機可以露出水面運行，同時閉式循環潛污泵也適用于干式安裝的場合，相比立式污水泵，結構更緊湊、振動小、噪音低、不怕淹沒且安裝維護檢修方便，使泵的適用范圍更廣。因此WQN型閉式循環冷卻泵是WQ型無堵塞潛水排污泵更理想的更新換代產品。

2 水泵內部保護功能的設置

為保證泵運行更安全、更可靠，分別在水泵油室內、接線腔內設置多道油水探頭；電動機腔內設置浮子開關；設置定子繞組過熱、軸承超溫、振動和濕度檢測等多種保護元件。再配以使用本單位水泵專用智能型保護器，將所有的傳感器信號進行集中采集、處理，實現漏水、漏油、超溫以及振動等多種數據實時傳輸，并起到報警及保護作用。

3 變頻閉環調速控制系統的配套使用

泵站改造方案中與之配套的潛水泵電氣控制系統，主回路器件選用進口品牌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柜內外溫度均很高，所以給電氣柜配備了機柜空調，以確保變頻器不受外界環境溫度影響，均能正常帶負荷運行。整套電氣系統，集先進的電子電氣技術、電動機起動、多種保護功能、報警系統為一體。另外控制系統配備了手控、自控兩種控制方式，能夠通過轉換開關切換。手動控制是通過柜面的按鈕啟?？刂?，用于水泵試運轉調試。自動控制采用模擬量信號液位傳感器。

自動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。水位低時處于半干式或干式運行。同時用戶為了節約成本，采用的是浮球開關進行液位控制。

改造之前使用過程中，由于老的進水池容積比較小，即使是汛期雨量大，液位變化也很快，尤其是在進水量相對不足時而電動機功率又很大，水泵全負荷運行時，相當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，現場維護人員直接取消了浮球自動控制，而改用了手動控制。但是在實際使用中，水泵持續運行一段時間以后，水泵便出現了超溫報警信號，觸發控制系統自動停機。水泵停機以后，值班人員又不能第一時間發現，等到水位重新上升導致了雨污溢出，來不及排放處理，導致了周邊環境污染。因此水泵的正常使用受到了嚴重影響。

所以，接到用戶的現場反饋，第一時間先給用戶排查緊急故障、解決水泵超溫報警問題。

首先，為了排除水泵報警器的誤報警，請現場值班人員核實了報警跳閘以后的溫度信號線阻值，實測證明，阻值有變化，但屬于在逐漸恢復接近冷態時的阻值。一段時間后，水泵也可以重新起動。另外水泵的配套綜合保護器試驗檢查也沒有問題，說明，電動機繞組的溫度開關只是在水泵運行超溫后，正常動作起保護作用了。

另外根據現場的土建尺寸及故障現場情況的反饋，通過對泵站初步計算分析，得出現場進水池容積太小，遠遠不滿足泵站的設計規范，導致了大功率水泵一直運行后，容易出現斷流或者水位下降比較快，進水量相對不足時，污水液面降低，水泵很容易處于半干式運行。電動機換熱冷卻不理想，加上浮球的頻繁起動，所以直接導致了電動機發熱，觸發故障報警。

基于上述情況，考慮到汛期雨污排水不能斷續、水泵不能停機要連續運行的緊急情況下，決定先讓用戶臨時采用一臺輔助小泵，接上一根排水管，對這臺大泵隔套外壁進行不斷噴淋冷水，給隔套進行強制熱交換，帶走電動機的熱量，降低水泵定子的溫度。實踐證明這時水泵能夠連續運行較長時間，而不再出現超溫報警而跳閘。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的不合理的泵站環境。

通過這種辦法，基本上給用戶找到并臨時解決了水泵運行發熱故障問題。但是從科學嚴謹的角度出發，應該給用戶采取更為科學合理的辦法，解決實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型內循環冷卻潛水泵，具有優良的循環自冷卻功能，以減少電動機的超溫故障問題。電氣方面，考慮到值班人員如果通過人為手動控制、人為開關機，需要人為密切跟蹤現場的運行使用情況，勢必會增加值班人員維護的勞動強度。最好能采用一種方法，能夠根據實際雨水量的變化，流量的大小，工況水位的變化而自動調節變頻器的頻率、運行速度，輸出變化的功率，從而降低水泵的啟停頻率，減少發熱?；诖耍P者從電氣的角度出發，建議用戶采用接下來的配套電氣改進方案，即采用液位變送器，通過采集傳感器液位信號進行自動控制，取代浮球開關，將液位模擬量信號傳輸給變頻器模擬量反饋通道。再調用變頻器內部自帶的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，就可以在變頻現有的基礎上充分挖掘變頻器內部的強大功能。給變頻器內部設定一個液位給定值，采用負反饋，通過變頻器內部的微分、積分、比例運算，使實際信號跟隨給定信號。當雨水量和液位反饋信號減小時，即實際液位低于給定值，變頻器自動降低輸出頻率，使電動機轉速下降；并設置了休眠和蘇醒功能，當變頻器輸出頻率持續一段時間低于下限頻率時，水泵暫停工作。當液位增加時，并超過了喚醒偏差值，并經過喚醒延時，變頻器輸出頻率逐漸增加，使電動機轉速逐漸提高。采用變頻器的這一自動調節功能，將使值班維護更簡單方便。

在實際使用中，當排水量很小，液位很低的時候，如果變頻器一直處于低速運轉，既浪費了能源，也會使電動機出現許多附加損耗，電動機效率會大大降低，對水泵電動機造成一定程度的不利影響，因此這種情況下再設置讓變頻器睡眠，既有利于節能環保，又能保護設備，具有現實意義。

在這基礎上，再給系統配備一個物聯網無線終端模塊，通過4G 信號，將水泵的運行狀態、故障狀態、水位狀態、溫度、振動以及運行時間等各種數據和終端建立數據連接。值班人員就可以通過云平臺、手機APP 隨時隨地監測水泵的運行，如圖7、圖8 所示。必要時也可以通過終端來控制水泵。

圖7 云監控實時數據

圖8 智能云平臺

上述改造方案主要是依據變頻閉環調速、PID 控制所具有的節能等優良特性，同時結合了智慧云控制。以下是現場控制柜實現閉環控制的系統簡圖，如圖9 所示，并對交流電動機變頻調速和節能原理進行了簡單分析。

圖9 變頻調速閉環控制簡圖

3.1 交流電動機變頻調速原理分析

根據電磁感應原理，交流電動機的轉速如下式：

n0—電動機同步轉速

n—電動機異步轉速

P—電動機定子極對數

f—交流電源頻率

s—交流電動機的轉差率

由式（2）可知，異步電動機的轉速和電源頻率f、電動機極對數P、電動機的轉差率s有關[3]。

由于電動機的極對數P是通過改變繞組接線方式來改變，只能在幾個特定的離散的數值之間調整，因此調速精度低，只能有級調速，不能實現連續平滑的調速。

而轉差率調速，是通過改變電動機的某些參數或外部條件，通常是通過改變定子電壓或轉子串電阻等以改變電動機的轉矩和轉速，轉差率越大時，電動機的功率因數及效率越低[4]。損耗越大，發熱越嚴重，由此可能會引起電動機的溫升和機械特性的變化，因此應用有限。

而變頻調速則是通過改變電動機的供電電源的頻率而改變電動機的轉速[5]。由式（2）可知，電動機的轉速和電源頻率成正比。變頻調速具有調速范圍寬、調速性能高，動態響應快等優點，因此具有廣泛的應用前景。

3.2 變頻調速節能原理分析

水泵類設備運行時遵從以下規律。

3.2.1 流量與轉速成正比例

式中：Q—流量

N—電動機轉速

K—比例系數

3.2.2 流體的揚程與轉速的平方成正比

式中：H—揚程

n—電動機轉速

C—比例系數

3.2.3 泵類的軸功率與轉速的三次方成正

式中：P—軸功率

n—電動機轉速

D—比例系數

可見，變頻調速應用于水泵類負載，當流量較小的時候，可以通過降低水泵轉速，泵的軸功率將按照三次方規律大幅度降低，這將使輸入功率大幅度降低，從而有效地降低能耗，降低運行管理成本。這套方案最終成功地實施于用戶現場，并得到了很高的用戶滿意度。

綜上，現場只要在變頻器內部配置好給定值和PID 等一系列參數，配合傳感器，就可實現變頻器的閉環調節功能、實現無人值守智能化運行、節能運行。

4 結束語

新型WQ N 內循環冷卻潛污泵開發和改進已近10 年，規格已成系列化，保護功能比較完善。水泵結合自動化控制技術、變頻PID 控制、遠程物聯網控制技術，可以實現長期安全可靠運行、無人值守全自動運行，并最大限度地實現節能、節水、節地、節資，在國內外市政污水處理工程、工礦企業和建筑等行業中污水污泥的排放、水利防洪排澇及農田灌溉等場合，受到了極大歡迎。