淺談排污泵排水自動化

在水電站基坑開挖及其它深挖工程施工時，由于基坑滲水，必須利用排污泵將大量積水抽上地面排到下游河床中去，將積水控制在低水位線(底閥處)以上。若再多抽水，水泵體內就會因充滿大量氣體而空轉不上水，從而會危害水泵的安全運行，造成能源的損耗。在施工實踐中，為了能確?？刂频退唬仨氁?/p>

①調節(jié)水泵閥門來控制流量，以避免水抽干后泵體內進氣;

②關閉水泵閥門，水位低于低限制水位線時就人為停機。

基于以上兩種情況，本著利用現(xiàn)有的設備，只添加一些附件和電路，使輕載水泵能全載運行，從而達到既可自動控制減輕勞動強度的目的，又能節(jié)約能源消耗并減少工程投資。

1 排污泵自動化控制元器件

1.1 磁鋼浮子式水位信號器

浮子是一個內裝永磁鐵的可浮動的塑料球。水位的升降使浮子相應地產生變化，磁鐵的磁力使導管內的干簧接點動作，發(fā)出相應的水面信號，水位信號器原理見圖1。

1.2 示流信號器

示流信號器的原理見圖2。

當管中流量大于信號器規(guī)定的動作流量值時，靶及靶桿受力并帶動微動開關，使其常閉接點斷開，常開接點閉合，發(fā)出正常信號;當管中水流量減小時，靶桿上的作用力矩也減小。當流量小到低于信號器動作整定值時，微動開關常閉接點閉合、常開接點斷開發(fā)出報警信號。

1.3 水位自動檢測與顯示電路

1.3.1 水位檢測電路圖

若水位的相應變化能通過信號燈顯示出來，則為水泵的開停機提供了良好的監(jiān)測作用。圖3即為水位自動控制與顯示電路圖。

1.3.2 水位自動檢測與顯示電路原理

當水位的變化使水位信號器中的浮子移動到下限水位位置時，浮球中的磁鐵靠近下限水位干簧管0G，干簧管中的鐵鎳合金片受磁力影響，常開接點閉合。見圖1和圖3。

路，OZJ繼電器線圈通電，繼電器吸合，OZJ常開觸點閉合，常閉觸點斷開，電流經A點→1ZJ常閉

當水位到達低水位時，浮子的磁鐵靠近低水位干簧管1G，1G常開接點閉合。電流經A點→1C

信號燈亮表示水位處于低水位。依此類推，2G閉合時，1XD信號燈滅，2XD中水位信號燈亮，表示水位處于中水位。3G閉合時，2XD信號燈滅，3XD高水位信號燈亮，提醒運行人員注意設備安全。

2 水位自動控制

2.1 排污泵自動、手動排水示意圖(見圖4)。

(1)潛水泵自動控制電路，見圖5。

潛水泵自動排水簡單可靠，可實現(xiàn)無人值班看守運行，適用于滲水、積水量不大的低洼地區(qū)。

(2)潛水泵自動、手動排水工作原理控制電路見圖5。

合上HK開關，拉開ZK開關即為手動排水，原理簡單，不再贅述。

2.2 有底閥灌水的離心泵自動控制

(1)有底閥的離心泵自動灌水示意圖見圖6。

做一水箱專為離心泵灌水，使水泵泵體內時刻充滿水。水泵的吸水管徑在300 mm以下的小型水泵，可在吸水管上設置底閥，開泵前向吸水管中灌水啟動，設備和方法都較簡單。由于吸水管水頭損失較大，且底閥易被雜質、泥沙等堵塞而關不嚴，影響灌水啟動，需經常清理，故只適用于小型水泵。每臺離心泵出水管上一般都安置逆止閥，當揚程在20 m以下時，可以不設逆止閥。

(2)水箱澆灌水自動控制電路設計見圖7。

為確保水箱內有足夠量的水為離心泵灌水，水箱的體積以至少能灌滿一臺離心泵為準，可采用防腐處理過的開口油箱即可。

工作原理：電流經C相→TA按鈕→ZK開關→C1→C常閉→ZJ1線圈→A相，中間繼電器ZJ1通電吸合后常開接點閉合，接通接觸器C線圈，電流經C相→TA按鈕→ZJ1常開(已閉合)→ZJ0常閉→C線圈→RJ常閉→A相。同時，接觸器常開觸點閉合自保，鎖定自保回路;接觸器常閉觸點斷開，切斷ZJ線圈回路，ZJ1繼電器斷電，常開、常閉接點回原位。由此不難看出，接觸器C常閉的作用是避免ZJ1常開接點啟動接觸器C時間過長而設置的，以免在此時按停止按鈕時松開后又再次啟動。

(3)有底閥的離心泵水位自動控制與顯示電路設計見圖8。

(4)有底閥的離心泵自動控制電路原理見圖9。

和0XD信號燈斷電，繼電器斷電，銜接回歸原位，下限水位信號燈滅。1ZJ常閉接點的斷開，使得2號電機回路中2C線圈回路切斷，2號電機不能運行。

1ZJ常開觸點的閉合發(fā)生下列動作：

(a)電流經A點→1ZJ常開(已閉合)→0ZJ常閉→2ZJ常閉→1SJ常閉→1ZJ線圈→0點，低水位

控制線路自鎖;

(b)1號電機控制回路電流經C點→1TA按鈕→1ZJ常開(閉合)→0ZJ常閉→1C線圈→1RJ常閉→A點。

1ZJ常開接點啟動1號電機，1C接觸器吸合后，自保觸點閉合，自鎖回路，(注：1ZJ常開接點1 s后會斷開，因此，1ZJ常開觸點只閉合1 s)。

1SJ時間繼電器通電延時1 s后，1SJ常開接點閉合，自鎖回路;1SJ常閉觸點斷開切斷1ZJ線圈回路。

依此類推，中水位干簧管常開接點2G閉合時，和上述情況相似，分別會使2XD信號燈亮顯示中水位和啟動2號離心泵電機運行。

綜上所述，水位到達下限水位時停1號電機;水位到達低水位時啟動1號泵電機，停2號泵電機;水位到達中水位時啟動2號泵電機。

另外，從電路圖中還可看出，當1號泵上水量小或流量中斷時，示流信號器1SLX常閉接點閉合。電流經A點→1C常開(已閉合)→1SLX常閉→1DL→0點，電鈴1DL報警、鳴叫。2號泵流量小或不上水時，電鈴2DL報警鳴叫。

(5)帶底閥的離心泵自動控制失靈時，可改為手動操作。這時只需拉下HK開關，按常規(guī)方法進行手工操作。

2.3 無底閥的離心泵排水自動化

2.3.1 真空吊水分析

吸水管不設底閥，水頭損失小，常用真空泵啟動。真空泵引水啟動迅速，效率較高，適用于各種規(guī)模的水泵。尤其是大型水泵和吸水管較長的水管。水泵引水時間一般為3～5 min。

據有關資料統(tǒng)計，有不少大型的給水泵站、排水泵站用的是水環(huán)式真空泵真空引水方式。這種方式中采用了真空罐、水封罐、汽水分離器、自動排氣閥、電接點真空壓力表等設備。通過對它們的剖析不難看出，真空度越高，引水管中的水位被提得越高。盡管如此，由于離心泵泵體、進水管中難免漏氣，實際上并不是很理想。筆者認為，去掉真空罐、水封罐、自動排氣閥后的真空泵仍能保持原有的排氣流量，保持其氣、水混合物在離心泵體內的比值。

為了檢測氣、水的各自流量，制作了一個氣、水檢測器。該檢測器節(jié)省投資、安裝方便，適用于工地排水。結構簡圖見圖10。

圖10中氣管、水管有一定高度差。氣管到積水水面的高度應大于真空泵的吸程，以保證氣、水的正常分離。當從離心泵里的氣、水混合物經過氣、水檢測器時，根據氣、水分離原理，氣體的比重輕，大部分從氣管道中經過;水的比重比較大，絕大部分從水管中通過。氣道中的示流器檢測氣體流量;水管道中的示流器檢測水的流量。其氣體流量加水量就是氣、水混合體的總流量。

氣體流量臨界值是指在離心泵內充滿水、氣的情況下，離心泵內葉片旋轉能抽上水時，氣體在氣水混合物中所占的小百分比。不同型號的水泵有其不同的氣體流量臨界值，需要在實踐中測定。

氣、水檢測器的原理就是氣體流量大于整定動作流量時，示流器1SLX的電接點閉合或斷開，

出信號，水流量大于整定動作流量時，2SLX的電接點閉合或斷開，發(fā)出信號見圖11。它們的組合接點回路的開、斷會發(fā)出開啟離心泵的信號。

2.3.2 真空泵吊水示意圖(見圖12)

此電路和上一節(jié)中所講的差不多，只不過多加了兩個電磁閥線圈。在開啟離心泵前先開啟真空泵抽出離心泵中的空氣，當空氣和水的混合體被抽上來時，由于真空泵的吸程較氣管的高度低，所以氣體和水在氣水檢測器中分離。氣體經過氣體管道，水經過水管道后被真空泵抽入氣體分離器。氣體分離器中的水是專為真空泵密封和冷卻用的。

圖12中的電磁閥只在真空泵運轉時打開，而在離心泵運轉時關閉。

真空泵開啟后，電磁閥1DCF通電打開閥門，真空泵吊水，氣、水經過氣、水檢測器時發(fā)出開1號離心泵信號，1號離心泵啟動運行。

同理，當積水水位到達中水位時，2ZJ常開接點的閉合開啟真空泵，電磁閥2DCF打開，氣、水經過氣、水檢測器時發(fā)出開啟2號離心泵的信號，2號離心泵啟動運行，見圖13。

當自動控制失靈時，可拉下HK開關，合上1SK，開啟真空泵吊水，后開啟1號離心泵。同理，合上2SK，開啟真空泵吊水，再開啟2號離心泵就達到了手動控制的目的。

2.3.3 真空泵吊水自動控制及1號離心泵、2號離心泵自動控制線路設計(見圖14)

當積水水位到達低水位時，1ZJ常開接點的閉開啟真空泵，如在3～5 min內1號泵不開啟時電鈴報警。真空泵開啟后，電磁閥1DCF通電打開閥門，真空吊水、氣、水經過氣、水檢測器時發(fā)出開1號離心泵信號，1號離心泵啟動進行。

同理，當積水水位到達中水位時，2ZJ常開接點的閉合開啟真空泵，電磁閥2DCF打開，氣、水經過氣、水檢測器時發(fā)出開啟2號離心泵的信號，2號離心泵啟動運行，見圖13。

當自動控制失靈時，可拉下HK開關，合上1SK，開啟真空泵吊水，后開啟1號離心泵。同理，合上2SK，開啟真空泵吊水，再開啟2號離心泵就達到了手動控制的目的。

工地排水是每一個工地*的重要工序，消耗能源大、投入人力多，對排水控制電路要求簡單、可靠。以上介紹的自動控制原理，能節(jié)省勞力投入，在控制電路出故障時能很方便地改為人工操作，以保證排水工作不間斷，因此，節(jié)電效果明顯。

以一枯為例，某一泵點設置了一臺8(20.3 cm)泵，流量為400 m\+3/h，揚程40 m，電機功率為55kW，通常情況下，控制閥門的出水量24 h運轉?；訚B水量為150 m\+3/h。由于閥門關小了，水泵負載減輕，實測電機運行電流60 A左右，折合功率，按此推算，每臺8(20.3 cm)泵每月可節(jié)約13 500 kW·h電。年節(jié)約達162 000 kW·h。節(jié)電效果明顯，經濟效益可觀。

淺談離心泵的調節(jié)方式與能耗分析

通過離心泵與管路系統(tǒng)的特性曲線圖分析了離心泵流量調節(jié)的幾種主要方式：出口閥門調節(jié)、泵變速調節(jié)和泵的串、并聯(lián)調節(jié)。用特性曲線圖分析了出口閥門調節(jié)和泵變速調節(jié)兩種方式的能耗損失，并進行了對比，指出離心泵用變速調節(jié)流量比用出口閥門調節(jié)流量可以更好的節(jié)約能耗，且節(jié)能效率與流量變化大小有關。在實際應用時應該注意變速調節(jié)的范圍，才能更好的應用離心泵變速調節(jié)。

離心泵是廣泛應用于化工工業(yè)系統(tǒng)的一種通用流體機械。它具有性能適應范圍廣(包括流量、壓頭及對輸送介質性質的適應性)、體積小、結構簡單、操作容易、操作費用低等諸多優(yōu)點。通常，所選離心泵的流量、壓頭可能會和管路中要求的不一致，或由于生產任務、工藝要求發(fā)生變化，此時都要求對泵進行流量調節(jié)，實質是改變離心泵的工作點。離心泵的工作點是由泵的特性曲線和管路系統(tǒng)特性曲線共同決定的，因此，改變任何一個的特性曲線都可以達到流量調節(jié)的目的。目前，離心泵的流量調節(jié)方式主要有調節(jié)閥控制、變速控制以及泵的并、串聯(lián)調節(jié)等。由于各種調節(jié)方式的原理不同，除有自己的優(yōu)缺點外，造成的能量損耗也不一樣，為了尋求、能耗小、節(jié)能的流量調節(jié)方式，必須全面地了解離心泵的流量調節(jié)方式與能耗之間的關系。

1 泵流量調節(jié)的主要方式

1.1 改變管路特性曲線

改變離心泵流量簡單的方法就是利用泵出口閥門的開度來控制，其實質是改變管路特性曲線的位置來改變泵的工作點。

1.2 改變離心泵特性曲線

根據比例定律和切割定律，改變泵的轉速、改變泵結構(如切削葉輪外徑法等)兩種方法都能改變離心泵的特性曲線，從而達到調節(jié)流量(同時改變壓頭)的目的。但是對于已經工作的泵，改變泵結構的方法不太方便，并且由于改變了泵的結構，降低了泵的通用性，盡管它在某些時候調節(jié)流量經濟方便[1]，在生產中也很少采用。這里僅分析改變離心泵的轉速調節(jié)流量的方法。從圖1中分析，當改變泵轉速調節(jié)流量從Q1下降到Q2時，泵的轉速(或電機轉速)從n1下降到n2，轉速為n2下泵的特性曲線Q-H與管路特性曲線He=H0+G1Qe2(管路特曲線不變化)交于點A3(Q2，H3)，點A3為通過調速調節(jié)流量后新的工作點。此調節(jié)方法調節(jié)效果明顯、快捷、安全可靠，可以延長泵使用壽命，節(jié)約電能，另外降低轉速運行還能有效的降低離心泵的汽蝕余量NPSHr，使泵遠離汽蝕區(qū)，減小離心泵發(fā)生汽蝕的可能性[2]。缺點是改變泵的轉速需要有通過變頻技術來改變原動機(通常是電動機)的轉速，原理復雜，投資較大，且流量調節(jié)范圍小。

1.3 泵的串、并連調節(jié)方式

當單臺離心泵不能滿足輸送任務時，可以采用離心泵的并聯(lián)或串聯(lián)操作。用兩臺相同型號的離心泵并聯(lián)，雖然壓頭變化不大，但加大了總的輸送流量，并聯(lián)泵的總效率與單臺泵的效率相同;離心泵串聯(lián)時總的壓頭增大，流量變化不大，串聯(lián)泵的總效率與單臺泵效率相同。

2 不同調節(jié)方式下泵的能耗分析

在對不同調節(jié)方式下的能耗分析時，文章僅針對目前廣泛采用的閥門調節(jié)和泵變轉速調節(jié)兩種調節(jié)方式加以分析。由于離心泵的并、串聯(lián)操作目的在于提高壓頭或流量，在化工領域運用不多，其能耗可以結合圖2進行分析，方法基本相同。

2.1 閥門調節(jié)流量時的功耗

離心泵運行時，電動機輸入泵軸的功率N為：

N=vQH/η

式中N——軸功率，w;

Q——泵的有效壓頭，m;

H——泵的實際流量，m3/s;

v——流體比重，N/m3;

η——泵的效率。

當用閥門調節(jié)流量從Q1到Q2，在工作點A2消耗的軸功率為：

NA2=vQ2H2/η

vQ2H3——實際有用功率，W;

vQ2(H2-H3)——閥門上損耗得功率，W;

vQ2H2(1/η-1)——離心泵損失的功率，W。

2.2 變速調節(jié)流量時的功耗

在進行變速分析時因要用到離心泵的比例定律，根據其應用條件，以下分析均指離心泵的變速范圍在±20%內，且離心泵本身效率的變化不大[3]。用電動機變速調節(jié)流量到流量Q2時，在工作點A3泵消耗的軸功率為：

NA3=vQ2H3/η

同樣經變換可得：

NA3=vQ2H3+vQ2H3(1/η-1) (2)

式中 vQ2H3——實際有用功率，W;

vQ2H3(1/η-1)——離心泵損失的功率，W。

3 結論

對于目前離心泵通用的出口閥門調節(jié)和泵變轉速調節(jié)兩種主要流量調節(jié)方式，泵變轉速調節(jié)節(jié)約的能耗比出口閥門調節(jié)大得多，這點可以從兩者的功耗分析和功耗對比分析看出。通過離心泵的流量與揚程的關系圖，可以更為直觀的反映出兩種調節(jié)方式下的能耗關系。通過泵變速調節(jié)來減小流量還有利于降低離心泵發(fā)生汽蝕的可能性。當流量減小越大時，變速調節(jié)的節(jié)能效率也越大，即閥門調節(jié)損耗功率越大，但是，泵變速過大時又會造成泵效率降低，超出泵比例定律范圍，因此，在實際應用時應該從多方面考慮，在二者之間綜合出的流量調節(jié)方法。

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