污水提升泵站機械及電氣設備提升改造實踐

懷其銀

（青島市排水運營服務中心，山東青島 266000）

0 引言

污水提升泵站的作用是將排污系統匯集的污水加壓提升后排放至下一級泵站或系統末端的污水處理廠。青島市老城區(qū)的6 座污水提升泵站建成年代較早，最早的可以追溯到1903年，這些泵站服務49 個社區(qū)，服務人口超過30 萬，匯水面積約13 km2，匯集污水管線301.11 km，6 座泵站的總裝機容量1204 kW，日提升能力20.1 萬噸。

這6 座污水提升泵站建成至今雖然經歷過多次翻建、改建，但也已普遍運行20 年以上，部分設備因水力條件的改變不能適應當前環(huán)境。污水提升泵站所提升的介質為生活污水及生產污水，成分較復雜，釋放的硫化氫、氨氣等有毒有害氣體對機械及電氣設備產生了較強的腐蝕，同時，6 座污水提升泵站地處沿海，最近的距離海邊僅30 m，含鹽量較高的潮濕空氣對機械及電氣設備的腐蝕也較重，這些因素導致泵站的機械及電氣故障率較高。為保證城市排水運行安全，對這6 座泵站進行了以穩(wěn)定運行為目的的提升改造。

1 備用供電系統提升改造

這6 座泵站建成于多年以前，普遍采用的是單回路10 kV的供電方式，自備發(fā)電機作為備用電源。

改造前，自備發(fā)電機采用手動投切的方式。需主動或因外線停電而啟用發(fā)電機時，值班人員首先需停止負載，按下外線供電側框架斷路器的“分閘”按鈕，將外線供電側的框架斷路器斷開，并使用搖柄搖至“分離”位，到發(fā)電機房，將發(fā)電機啟動，待其預熱、供電電壓正常后，將發(fā)電輸出的塑殼斷路器合閘，再到配電室將發(fā)電機側的框架斷路器使用搖柄搖至“連接”位，按動發(fā)電機側框架斷路器上的“合閘”按鈕，合閘成功后再依次進行后續(xù)線路的送電及啟動負載工作。外線供電恢復后，工作人員需按相反的流程切換為外線供電。

手動操作的缺點較多，一是用時較長，工作人員反復往返發(fā)電機房和配電室，整個操作流程一般需要用時15 min 以上，對泵站安全運行形成威脅；二是對值班人員的技術水平要求較高，值班人員需熟練掌握操作流程，防止發(fā)生誤操作產生安全事故。

針對這些問題，安裝了雙電源自動切換控制模塊（ATS Controller），型號為Hat700，該模塊與發(fā)電機控制器（Genset Controller）配合適用，可以實現市電供電與發(fā)電機供電的自動切換。

ATS Controller 采集市電供電的220 V 電壓信號，當電壓為零時，判斷市電供電出現異常，控制器內部中間繼電器失電，通過輔助觸點將啟動信號發(fā)送給Genset Controller，同時，ATS Controller 發(fā)送信號給市電側的框架斷路器，使該側框架斷路器分閘。Genset Controller 得到啟動信號后，進入“開機延時”，啟動發(fā)電機預熱，預熱結束后，若發(fā)電機正常啟動，則進入“安全運行時間”，在此時間內若沒有油壓低、水溫高等報警，則表示發(fā)電機已經正常啟動，Genset Controller 判斷發(fā)電機電壓、頻率達到帶載要求后，將信號發(fā)送給ATS Controller，ATS Controller 判斷發(fā)電機已正常啟動且市電側框架斷路器已分閘后，發(fā)送合閘信號到發(fā)電機側的框架斷路器使其合閘，完成市電供電轉發(fā)電機供電的自動轉換[1]。

當市電來來電時，ATS Controller 采集到市電電壓恢復的信號，發(fā)送分閘信號到發(fā)電機側的框架斷路器，使其分閘，分閘完成后，發(fā)送發(fā)電機停機信號到Genset Controller，發(fā)電機延時停機。ATS Controller 發(fā)送合閘信號到市電側的框架斷路器，使其合閘，完成發(fā)電機到市電的轉換。

市電側的框架斷路器與發(fā)電機側的框架斷路器除通過ATS Controller 實現邏輯互鎖外，還通過鋼絲纜繩實現機械互鎖，達到防止發(fā)電機向供電系統反送電目的。

2 格柵除污機提升改造

格柵除污機是污水提升泵站的關鍵設備之一，其功能和作用主要是對污水中各種較大體積的雜物、懸浮物的攔截和打撈，為后序的設備運行提供保護，降低大型異物對吸砂泵、排污泵、超聲波液位傳感器等設備的影響，以保證后續(xù)污水提升過程的正常進行。

日常運行中發(fā)現，青島老城區(qū)的6 座污水提升泵站的格柵除污機普遍存在故障率高、維修次數多、維修困難、維修經費高、維修時經常需要開展有限空間作業(yè)等問題。針對這些問題，根據不同的泵站特點，采取以下提升改造措施。

2.1 粉碎性格柵

對于污水提升量較少的1 號、2 號、3 號泵站采用粉碎性格柵。粉碎型格柵除污機由電機、減速機及轉軸、切割刀片等組成，配備實現自動控制的電氣控制系統。粉碎性格柵采用雙軸兩組合平行切割系統，每組合配置數10 對鋸齒形嚙合結構的鋒利組合刀片，實現螺旋型切割，將污水中堅硬的混凝土塊、石塊、木頭甚至鋼筋切割成10 mm 左右的碎塊，粉碎性格柵除污機的刀頭經過特殊設計，也可以切割柔軟的棉紗、纖維等。粉碎性格柵的電機經過特殊設計，防水密封性能優(yōu)，可以承受較大的過載而不會出現故障，配套的電氣控制系統除能為電機提供可靠的保護外，還能在刀頭被纖維纏繞或卡住時控制電機反轉以退出障礙物，實現運行的自動化。經過試驗，粉碎性格柵在日排水量不大于1.5 萬立方米的污水提升泵站中應用良好。粉碎性格柵的優(yōu)點是故障率低、幾乎不需維修、不需清運柵渣，避免了柵渣清運時撒漏對環(huán)境造成的不良影響，減輕工作量，避免柵渣存放產生的惡臭對城市環(huán)境的破壞。需要注意的是，粉碎性格柵的刀頭使用壽命在3 年左右，需定期更換刀頭，否則隨著刀頭切割力的降低，格柵被卡滯的概率增加[2]。

2.2 鋼絲繩式格柵

對污水提升量中等、進水流速不高的4 號、5 號泵站改用鋼絲繩式格柵除污機。鋼絲繩式格柵除污機由抓斗、機架、牽引鋼索、電機及減速機、傳感器及電氣控制系統組成。通過3 根鋼索牽引抓斗實現撈渣抓斗的下降、閉斗打撈、上升、開斗出渣等動作，3 根鋼索纏繞在卷筒上，一臺電機驅動卷筒正轉或反轉，達到牽引抓斗沿導軌上下滑動的目的，另一臺電機通過驅動機構控制中間鋼索的緊繩、松繩實現抓斗的閉斗抓渣與開斗卸渣。機架上設置有接近開關，檢測抓斗的上下限位與抓斗的開閉。電氣控制系統使用PLC，采集接近開關的信號并控制電機動作。鋼絲繩式格柵除污機具有維修簡單、不需進行有限空間作業(yè)的優(yōu)點，但鋼絲繩的使用壽命普遍不長，易斷裂，同時由于抓斗靠自重下降，抓斗側面的迎水面較大，在泵站進水流速較快的情況下會加大抓斗與導槽的摩擦力，出現抓斗漂浮的情況，除渣效率降低，因此適用于水量中等、進水流速中等的污水提升泵站[3]。

2.3 壁爬式格柵

對污水量提升量大、流速較快的6 號泵站采用壁爬式格柵除污機進行改造。壁爬式格柵除污機使用帶剎車的電機與減速機隨齒耙運動到格柵除污機底部將柵渣撈起的方式除渣，具有除渣效率高的特點，適合于流速較快、臟物量較大的排水泵站，6 號泵站日提升水量在9 萬噸左右，受限于建成年代較早及周邊地形限制，進水流速較快，所屬污水系統為直排式，柵渣量大，故選用了壁爬式格柵除污機。運行中發(fā)現，因帶剎車的電機及減速機需接觸污水，故障率較高，出現故障時如果電機停在渠道底部，維修人員需下井作業(yè)拆卸電機，危險性較高。對此進行了改造，改造內容包括：①提高格柵除污機電機及減速機的防水等級。格柵應選擇合適的防水等級足夠高的電機及減速機，受限于既有的安裝條件，實踐中采用了對電機及減速機進行改造的辦法：去除電機尾部的散熱風扇，加工一鋁制端蓋，將電機尾部剎車線圈與電機殼體密封，輔以環(huán)氧樹脂、密封膠等密封材料，使其達到防水的目的；②重新優(yōu)化格柵除污機柵條的形式，采用下密、上疏的布置形式，即下部的柵條較密集，可以有效攔截污水中的雜質，上部的柵條較稀疏，當水位升高時，可以有效提高過水量，避免出現雜物將格柵整體堵塞的情況；③改變格柵除污機電機的工作制，由連續(xù)工作制調整為每10 min 工作一次的短時工作制，避免格柵除污機電機因沒有散熱風扇可能出現的過熱。通過改造，保證了格柵除污機的正常運行，改造后格柵除污機的維修頻次下降到半年一次、有限空間作業(yè)的頻率也下降到不到一年一次。

3 污水提升泵智能化診斷與報警

污水提升泵是泵站的核心設備，保證污水提升泵的高效運行是完成排水工作的關鍵。為應對復雜的提升介質，6 座泵站普遍選用的是進口或合資品牌水泵，這些水泵的特點是智能化程度高，配備完善的智能化診斷、報警功能，通過發(fā)揮這些功能，能夠更好地保障污水提升泵運行的低故障率，降低維修頻率，節(jié)省維修費用。

以使用的飛力牌污水提升泵為例，其診斷與報警功能通過MAS 模塊（檢測和狀態(tài)模塊，以下簡稱“MAS”）及MAS 網絡工具實現。目前使用的MAS 型號是MAS711，其主要任務是檢測和保護水泵并且記錄來自傳感器和測量模塊的測量結果。異常狀況發(fā)生時，MAS 可以將異常狀態(tài)信號發(fā)送給PLC，達到停止水泵并發(fā)出報警信號的目的。同時，報警的信息也會存儲在MAS 的數據庫中，可使操作者分析事故的原因并采取措施。MAS 里安裝有一個嵌入式網絡服務器，可以使用電腦和Web 瀏覽器操作MAS。

登錄MAS 網絡工具后，可以查看MAS711 存儲的各類數據。MAS711 一般監(jiān)控以下幾個傳感器的狀態(tài)：定子室溫度、主軸承溫度、定子室泄漏狀態(tài)，可以保存各個報警信息的具體內容，據此就可以判斷水泵出故障的地方，有針對性地進行維修。連接MAS 網絡工具后，可以很直觀的判斷水泵內各保護傳感器的實時狀態(tài)。MAS 網絡工具還可以顯示各個溫度的歷史曲線，通過曲線也可以判斷水泵的運行狀態(tài)。MAS 網絡工具界面如圖1 所示。

圖1 MAS 網絡工具界面

通過分析曲線可以看出，2017 年10 月23 日上午9:00 出現了一次定子室溫度急劇升高的情況，同時通過主軸承溫度曲線發(fā)現主軸承的溫度也出現了急劇升高，結合水泵電流正常這一情況，基本判斷故障原因為冷卻系統不通暢，疏通冷卻流道后恢復正常。

通過MAS 網絡工具的使用以及將MAS 報警信號接入PLC 控制系統，可以避免原來單純靠經驗判斷水泵狀態(tài)的情況，使水泵的運行狀態(tài)、故障信息變的一目了然，實現了各項參數的實時監(jiān)控、及時報警，避免水泵不必要的維修，為智能排水的實現奠定了良好基礎。

4 自動控制系統改造

污水提升泵站的自動控制系統主要由上位機、PLC、變頻器及軟啟動器、超聲波液位傳感器等組成。超聲波液位傳感器測量集水池內的水位，PLC 通過讀取超聲波液位計的4～20 mA 信號獲得水位數據，根據水位數據控制變頻器及軟啟動器的啟停

污水提升泵站自動控制系統最主要的運行目標是保證上游管道正常運行、不冒溢，在此基礎上，可以發(fā)揮泵站集水池、管網系統的納容能力，以實現泵站的低能耗運行。污水提升泵站應根據自身的實際情況，為滿足運行目標，采取合理、有針對性的運行策略。

以6 號泵站為例，其特點是匯水面積大、建成年代早、目前運行的進水量與設計初期有非常大的增加、管網老舊、排水系統的管網龐雜、陳舊、老化且部分排水管網緊靠海岸線，泵站一旦運行水位較高，非常容易造成溢流、污水排海，對海洋環(huán)境造成影響，在環(huán)保要求越來越高的環(huán)境下，必須進行設備改造。

基于這些特點，對該泵站的開泵梯次進行改進，調低停泵水位，采用低水位的運行策略，更好地滿足了上游管網的運行要求（表1）。

表1 6 號泵站水泵調整前后運行水位 m

5 總結

作為城市運行的大型基礎設施，污水提升泵站的運行應以穩(wěn)定、低故障率為第一目標，針對不同泵站的實際情況，通過分析影響城鎮(zhèn)污水提升泵站穩(wěn)定運行的重要制約因素，并采取有針對性的糾正措施，對重點設備、關鍵系統進行優(yōu)化提升，徹底打通制約泵站穩(wěn)定運行的各個環(huán)節(jié)，降低設備故障率，減少維修頻次，以達到提升泵站運行質量的目的。以青島市老城區(qū)6 號泵站為例，優(yōu)化改造后每年可節(jié)約設備維修經費15 萬元以上，泵站排污泵的月度完好率由60%提升至90%以上，上游某關鍵節(jié)點由改造前平均每年冒溢5 次降低為0 次，達到泵站提質增效運行的目的。