变频恒压供水装置在溧阳城市防洪工程中的应用研究

韩 猛

(江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

1 工程概况

溧阳市城市防洪工程新区枢纽工程位于溧阳市溧戴河入老戴埠河河口处，由泵站和节制闸组成。泵站共装设5台单向运行平面S形轴伸泵，单泵设计流量5m3/s，总设计流量为25m3/s，配10kV异步电动机，单机功率为250kW,总装机容量1250kW；节制闸为单孔，净宽10m。主要工程任务是防洪和排涝，兼顾改善城区内河水环境。

新区枢纽泵站的供水系统主要由消防供水、生活供水、技术供水三方面组成，其中以技术供水最为重要，新区枢纽技术供水系统为一套变频恒压供水装置，配套轴瓦冷却机组，为水泵电机油缸和上下齿轮箱水管提供循环冷却水，以达到降低电机和齿轮箱油缸内油温的目的，保证机组正常稳定运行。

2 变频恒压供水系统原理

变频恒压供水系统主要功能是满足机组运行期间电机和齿轮箱所需的冷却水，保证其循环工作维持一定的水量和水压。

经计算，新区枢纽5台机组同时工作时所需冷却水流量为48m3/h。

泵站管理人员可根据不同工况预设不同用水量，再通过示流信号器监测管道水量，接收信号来调控流量调节阀的开度，使流量满足预设值；同时循环系统出水管网采用压力传感器向控制柜反馈信号，自动变频控制水泵电机的频率，实现水泵运行工况的调节，保证出水管网压力满足要求。变频恒压供水系统原理见图1。

图1 新区枢纽泵站变频恒压供水系统原理

3 变频恒压供水装置结构

新区枢纽泵站变频恒压供水系统由2台立式多级离心泵、稳流罐、智能变频控制柜和相应的传感机构、监测设备组成，具体结构见图2。

图2 新区枢纽泵站变频恒压供水系统结构

3.1 稳流罐

稳流罐是封闭罐体，直接与市政供水管网连接，主要是用来存储水，防止二次污染。稳流罐内置真空抑制器和低水位传感器、外装电磁阀，在低水位传感器检测到罐内水位降低时，外接电磁补水阀受PLC指令打开，对系统进行补水。

真空抑制器是消除管网中负压的核心部件，它可以依据稳流罐内液面高度的增减，控制罐内空气的进出，当罐内液面处于一定位置，罐内气压与自来水管网压力相等，真空抑制器关闭；当罐内水位降低，且没有水补偿时，空气由真空抑制器进入罐内，消除管网内的负压，保证整个供水系统正常运行。

3.2 立式多级离心泵

新区泵站技术供水系统装设有2台立式多级离心泵，互为备用，2台泵均由鼠笼式异步电动机驱动，电机和水泵一体化设计。每台泵的出口处均装有止回阀，当水泵投入运行时，与其对应的止回阀打开，其他止回阀则为关闭状态，防止水回流到备用泵内，水泵电机设有热保护，采用变频自动启动水泵，启动电流小，且无电流冲击。

3.3 电器控制柜

控制柜设有本地及远程选择按钮，设有启动、停止和紧急停机功能，同时配有相应的指示灯，提供连接到远程控制箱无源触点，电器控制柜控制冷却水循环装置中冷却水温度、压力和流量的信号传递。

3.4 变频器

2台离心泵配备变频器，变频器通过对异步电动机转速的调节，来调节水泵转速，实现对流量的控制，通过管路压力传感器测出的系统压力与设定值比较，调节水泵转速和流量，为循环冷却装置提供稳定压力的冷却水[2]，变频器控制工艺流程采用PLC编程控制，控制精度高且可靠。

同时变频器内部设有滤波电容器提供无功补偿，有效地减少无功损耗，增加就地无功补偿量，提升功率因素，降低电能浪费。

4 变频控制柜功能设计

设置变频控制柜的主要目的是根据冷却机组运行台数，自动控制冷却水的流量及压力，在保证降低电机和齿轮箱温度的同时，达到了节能降耗的效果。

4.1 智能恒压控制

控制柜采集循环泵组出水口压力传感器的数据，与系统预设压力对比，通过智能运算来自动调节变频器，控制水泵转速，以达到恒定压力的目标。

新区枢纽技术供水系统同时为5套机组提供冷却水，为了更精细化地控制末端压力均衡，且最大化地发挥水泵效能，降低能源浪费，控制柜通过检测冷却机组前端的电磁阀开关信号，辨识冷却机组的投入台数，并根据冷却机组的实际投入台数，自动变更目标压力，灵活控制冷却循环系统的管道水压。同时为了保障管路安全，该控制柜设计了超高压力保护，当压力超过上限设定值时，自动报警停机。

4.2 智能稳流控制

新区枢纽泵站采用轴瓦冷水机组对循环水进行降温，当冷却机组的运行台数发生变化时，所需要的冷水流量也随之变化。控制柜将回水端流量传感器监测到的实际值，与控制柜的设定流量进行比较，如果回水量大于设定流量，则自动关小回水端的电动调节阀门，直至达到流量设定范围；如果回水流量小于设定流量，则自动开大回水端的电动调节阀门，直至达到流量设定范围。现场管理人员也可根据冷却机组实际投入的台数，设定不同的流量要求，灵活调节，以达到节能、智能化控制。

4.3 主备泵控制

为了保障离心泵运行安全，控制柜能够自动加减泵，保证供水稳定；当供水泵在运行中出现故障时，便可自动切换到另一台，并且发出声光报警，提示维修信号。除此之外，为了延长水泵的使用寿命，该控制柜可自由设定主备泵的交替运行时间，从而使主备泵实现均衡运行，防止单泵运行台时过长导致另一台水泵锈死；同时具有小流量休眠和休眠唤醒功能，避免电机长时间在低频运行发热状况，节约能耗，实现无人值守。

4.4 设备保护

当新区枢纽机组长时间不运行时，为防止水泵冻住，系统进行低频巡检，即通过稳流罐内装配的低水位传感器发现罐内的水位过低时，发出报警，并自动打开电磁阀对系统进行补水。

4.5 智能控制

管理人员通过控制柜HMI人机界面直观地监视冷却循环系统的运行状态、运行数据、运行曲线、故障记录以及历史数据记录；也可利用RS485远程通信接口，实现在中控室远程监控，监视设备的实时运行工况，包括出水端、回水端的压力和流量等，还能修改预设参数，远程控制设备的启停。

5 变频恒压供水装置的优点

5.1 安全可靠性高

新区枢纽供水系统水源直接引用市政自来水，并且设备全封闭运行，彻底消除水源污染，安全卫生；循环冷却水由流量与压力同时控制，流量与压力可同时满足使用要求，安全可靠；具有完美的过载、短路、过压、欠压、缺相、过流、短路、水源缺水等自动保护功能；在异常情况下能进行信号报警、自检、故障判断等，保护功能齐全[2]，整套设备安全可靠性高。

5.2 高效节能

新区枢纽技术供水系统配2台变频离心泵。当新区枢纽泵站运行中调整开机台数时，管网的用水量发生变化，管网水压也随之变化，为了维持管网水压稳定，变频器自动调节电动机转速来实现出水量的调节，当出水量与运行中机组需水量保持一致时，压力趋于恒定。这种调节方式与过去常用的关小阀门来限制流量相比，采用变频器调速，离心泵在允许的范围内降低转速，减少功率消耗，能够实现管路能量最大化利用，避免了功率浪费，降低了运行费用，比传统供水设备更加高效节能。

5.3 管护方便，使用寿命长

该装置集约化程度高，仅由循环供水控制柜、稳流罐和水泵机组三部分组成，将原来现场许多设备和管道集成并优化，安装简单，且维护方便。

离心泵可实现软启动，有效避免了“水锤”现象发生，保护管道和阀门，同时无冲击电流，保护了电机，避免了对电网冲击；2台离心泵在实际运用中可以交替使用，从而有效延长了电机和水泵的使用年限。

5.3 智能化、集成化程度高

整套系统由全自动智能化控制器控制，依据运行工况自行智能调节，精准及时，节约人力，可实现无人值守，并且安装智能触控屏，有良好的人机交互功能，直观方便。

6 总 结

本文对溧阳市新区枢纽泵站采用变频恒压供水装置的应用进行了研究，对其原理进行了分析，对优势进行了总结，认为新区枢纽泵站采用此装置实现了技术供水系统智能化控制，并且高效节能、稳定可靠，有效保障泵站安全运行，有良好的安全效益和经济效益，符合水利工程智能化发展的必然趋势，对其他类似泵站工程有一定的参考意义。