污水泵控制原理的优化设计

周雪梅 刘永奇 周学祥

(1.中国石油兰州石化分公司，兰州 730060；2.西部管道甘肃输油气分公司，兰州 730000；3.甘肃银光化学工业公司，甘肃 白银 730900)

随着国家对环境问题的高度重视，各企业在建设项目时都会加强对排污系统的设计，特别在炼化行业，排污系统能否稳定运行更是安全生产的一个重要指标。排污系统中最常见到的设备就是各种功率的污水泵电机，为了保证排污系统正常运行，首先要确保污水泵电动机可以安全启/停。

1 现场出现的问题及分析①

中国石油庆阳石化集雨水池项目主要承接的工作是将该工程中产生的污水抽送到排污系统中，然后利用自由落差使其流向各污水回收工艺环节。其中37、75kW污水泵电动机在项目初设试投入运行后，出现了电机电流突变、启动转矩较高、叶轮松动及主轴磨损等故障，形成水锤效应，严重影响整个装置的顺利开车，同时增加了后续检/维修的工作量和维护费用，减少了泵组的使用寿命。

图1为污水泵的控制原理，该泵采用直接全压启动。分析图1可知，污水泵通过低压柜抽屉回路断路器QF控制，QF合闸后，按下启动按钮2SB，接触器KM线圈吸合得电，同时扩展接触器触点的中间继电器KA1得电动作，监控LCU屏显示水泵运行；按下停止按钮1SB，KM断开，监控LCU屏显示水泵停止运行。污水泵直接全压启动、停止，引起电机电流突变，被抽起的水在惯性和垂直力的作用下打到电机叶轮上，形成水锤效应。

图1 污水泵直接全压启动控制原理

为了保证整个项目如期开车，通过电气部门相关专业人员对现场出现的问题进一步汇总、分析，最终确定污水泵直接全压启/停是出现电机电流突变、主轴磨损及水锤效应等故障的主要原因。为整改解决方案、节约改造成本，笔者反复查找相关污水泵负荷方面的控制原理图，找出星/三角启动、软启动和变频启动3种启动方式[1]。

星/三角启动可降低污水泵电机启动电流，启动转矩较小；缺点是直接停止，启动时间较长，所用元件较多，电机侧接线复杂。变频启动方式的启动电流可控制在0.5～1.0倍的电机额定电流间，可以设置启动时间，实现软停车；缺点是无需调速场合，成本较高，体积不够紧凑(与软启动相比)。软启动方式可以调整启动电流，修正启动时的转矩，实现软停车，减小水泵在启/停时水流惯性引起的机械张力，并调节合适的启动时间。

通过以上对比可知，软启动器和变频器两种产品都能较好地优化污水泵的控制原理，解决污水泵在启/停时出现的问题。但图1所示为用抽屉回路来控制污水泵的，相比较软启动器来说，变频器体积不够紧凑，从机械改造角度无法实现，即使改造完成也不能保证低压柜的电气安全性能，且购置成本较高。最后确认选用软启动器对图1的控制原理进行优化设计。笔者选用PST系列软启动器对污水泵控制原理进行优化设计，并经过实践来检验运行效果。

2 使用软启动器解决现场问题

2.1 软启动器的工作原理

软启动器是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电机控制装置[2]。它采用3对反并联晶闸管，串接于三相电源与电机的定子回路上[3]。利用晶闸管移相控制原理，通过微处理器来改变晶闸管的开通程度，使电机输入电压按预设的函数关系逐渐上升。

启动时，电机端电压随晶闸管的导通角从零逐渐增大，直至达到满足启动转矩的要求而结束启动过程，当启动完成后，软启动器输出额定电压，旁路接触器接通，电机进入稳态运行状态；停机时，先切断旁路接触器，之后软启动器内晶闸管的导通角由大逐渐减小，使三相供电电压逐渐减小，电机转速逐渐减小到零，完成停机过程。

旁路接触器保证了晶闸管仅在启动、停车时工作，避免长期运行使晶闸管发热，同时可以避免在电机运行时软启动器产生的谐波，另外，一旦软启动器发生故障，可由旁路接触器作为应急备用。

2.2 PST系列软启动器的关键技术

软启动器的启动电流可控制在2～5倍电机额定电流之间(直接启动时为5～7倍)，使污水泵电机平稳启动，如图2所示。

图2 不同启动方式启动电动机的升压曲线

水泵的转速会随着软启动器的启动升压时间逐渐增大，随软启动器的停止降压时间逐渐减小，且加速平稳。时间在1～30s或者1～120s之间可调，减小启动冲击力，如图3 所示。

图3 不同启动方式启动电动机

软启动器的旁路接触器可选择使用外接或内置，主要目的是减少软启动器运行时的发热量，减少软启动器的功耗，也可作为应急备用，同时也能增加软启动器每小时的启动次数。

2.3 利用软启动器优化设计污水泵控制原理

通过对软启动器工作原理和关键技术的掌握，对污水泵控制原理进行技术优化设计，运用软启动器来控制污水泵电动机的启/停，图4就是使用软启动器优化设计后的污水泵控制原理图，首先按下2SB启动按钮，PST软启动器得电，污水泵在软启动器拖动下按所选定的软启动方式逐渐提升输出电压、电流，达到工频电压时，完成软启动，软启动器内部的K5常开点接通， KA1得电动作，监控LCU屏显示污水泵运行，同时接通了旁路的接触器KM，污水泵电机进入稳态运行状态；当按下1SB停止按钮，软启动器失电，发出软停车信号，先启动软启动器与旁路接触器KM并联运行，然后切除旁路接触器KM，最后软启动器按所选定的软停车方式逐渐降低输出电压直到停止，污水泵的转速随着软启动器的降压时间逐渐减小，最后停止工作。

图4 污水泵使用软启动器控制原理

2.4 效果检验

通过优化设计，污水泵不存在直接全压启停，初设时的水锤效应消失了，现场通过近4个月的使用，表明在污水泵负荷中使用软启动器提高了该装置的可靠性，满足了生产需求。其效果主要体现在以下几点：

a. 污水泵电动机启动电流明显降低，减少了整个配电室的配电容量与增容投资；

b. 污水泵负荷实现平稳启动，对污水泵及排污管线无冲击，提高了整个供电系统的可靠性和排污可靠性；

c. 污水泵负荷采用软停车方式减少了对污水泵机械构件的冲击，防止水锤效应的产生，延长了污水泵及其相关设备的使用寿命；

d. 污水泵电机多种启动模式和保护功能融为一体，避免了事故的产生；

e. 软启动器具有安装简单、操作方便、保护功能齐全以及运行可靠等优点，为用户安全生产、经济运行等提供了保障，减少了以后的检维修工作量和停机检维修时间。

3 结束语

通过利用软启动器对污水泵电机的控制方式进行了技术优化设计，改善了泵组启/停时的性能，这种控制方式不仅适合于污水泵，而且还适合于风机、压缩机及输送设备等各类负荷。软启动器的使用使污水泵的启停运行情况良好，开车后装置稳定、安全，减少了泵组电机检维修工作量，延长了使用寿命。在今后的工作中遇到此类负荷在低压柜控制设计初将直接选用软启动器启动，为业主和制造厂都带来便利。