懷其銀

（青島市排水運(yùn)營(yíng)服務(wù)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(tǒng)匯集的污水加壓提升后排放至下一級(jí)泵站或系統(tǒng)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(wù)49 個(gè)社區(qū)，服務(wù)人口超過(guò)30 萬(wàn)，匯水面積約13 km2，匯集污水管線301.11 km，6 座泵站的總裝機(jī)容量1204 kW，日提升能力20.1 萬(wàn)噸。

這6 座污水提升泵站建成至今雖然經(jīng)歷過(guò)多次翻建、改建，但也已普遍運(yùn)行20 年以上，部分設(shè)備因水力條件的改變不能適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境。污水提升泵站所提升的介質(zhì)為生活污水及生產(chǎn)污水，成分較復(fù)雜，釋放的硫化氫、氨氣等有毒有害氣體對(duì)機(jī)械及電氣設(shè)備產(chǎn)生了較強(qiáng)的腐蝕，同時(shí)，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(duì)機(jī)械及電氣設(shè)備的腐蝕也較重，這些因素導(dǎo)致泵站的機(jī)械及電氣故障率較高。為保證城市排水運(yùn)行安全，對(duì)這6 座泵站進(jìn)行了以穩(wěn)定運(yùn)行為目的的提升改造。

1 備用供電系統(tǒng)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(jī)作為備用電源。

改造前，自備發(fā)電機(jī)采用手動(dòng)投切的方式。需主動(dòng)或因外線停電而啟用發(fā)電機(jī)時(shí)，值班人員首先需停止負(fù)載，按下外線供電側(cè)框架斷路器的“分閘”按鈕，將外線供電側(cè)的框架斷路器斷開(kāi)，并使用搖柄搖至“分離”位，到發(fā)電機(jī)房，將發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，待其預(yù)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(jī)側(cè)的框架斷路器使用搖柄搖至“連接”位，按動(dòng)發(fā)電機(jī)側(cè)框架斷路器上的“合閘”按鈕，合閘成功后再依次進(jìn)行后續(xù)線路的送電及啟動(dòng)負(fù)載工作。外線供電恢復(fù)后，工作人員需按相反的流程切換為外線供電。

手動(dòng)操作的缺點(diǎn)較多，一是用時(shí)較長(zhǎng)，工作人員反復(fù)往返發(fā)電機(jī)房和配電室，整個(gè)操作流程一般需要用時(shí)15 min 以上，對(duì)泵站安全運(yùn)行形成威脅；二是對(duì)值班人員的技術(shù)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(chǎn)生安全事故。

針對(duì)這些問(wèn)題，安裝了雙電源自動(dòng)切換控制模塊（ATS Controller），型號(hào)為Hat700，該模塊與發(fā)電機(jī)控制器（Genset Controller）配合適用，可以實(shí)現(xiàn)市電供電與發(fā)電機(jī)供電的自動(dòng)切換。

ATS Controller 采集市電供電的220 V 電壓信號(hào)，當(dāng)電壓為零時(shí)，判斷市電供電出現(xiàn)異常，控制器內(nèi)部中間繼電器失電，通過(guò)輔助觸點(diǎn)將啟動(dòng)信號(hào)發(fā)送給Genset Controller，同時(shí)，ATS Controller 發(fā)送信號(hào)給市電側(cè)的框架斷路器，使該側(cè)框架斷路器分閘。Genset Controller 得到啟動(dòng)信號(hào)后，進(jìn)入“開(kāi)機(jī)延時(shí)”，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)預(yù)熱，預(yù)熱結(jié)束后，若發(fā)電機(jī)正常啟動(dòng)，則進(jìn)入“安全運(yùn)行時(shí)間”，在此時(shí)間內(nèi)若沒(méi)有油壓低、水溫高等報(bào)警，則表示發(fā)電機(jī)已經(jīng)正常啟動(dòng)，Genset Controller 判斷發(fā)電機(jī)電壓、頻率達(dá)到帶載要求后，將信號(hào)發(fā)送給ATS Controller，ATS Controller 判斷發(fā)電機(jī)已正常啟動(dòng)且市電側(cè)框架斷路器已分閘后，發(fā)送合閘信號(hào)到發(fā)電機(jī)側(cè)的框架斷路器使其合閘，完成市電供電轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)供電的自動(dòng)轉(zhuǎn)換[1]。

當(dāng)市電來(lái)來(lái)電時(shí)，ATS Controller 采集到市電電壓恢復(fù)的信號(hào)，發(fā)送分閘信號(hào)到發(fā)電機(jī)側(cè)的框架斷路器，使其分閘，分閘完成后，發(fā)送發(fā)電機(jī)停機(jī)信號(hào)到Genset Controller，發(fā)電機(jī)延時(shí)停機(jī)。ATS Controller 發(fā)送合閘信號(hào)到市電側(cè)的框架斷路器，使其合閘，完成發(fā)電機(jī)到市電的轉(zhuǎn)換。

市電側(cè)的框架斷路器與發(fā)電機(jī)側(cè)的框架斷路器除通過(guò)ATS Controller 實(shí)現(xiàn)邏輯互鎖外，還通過(guò)鋼絲纜繩實(shí)現(xiàn)機(jī)械互鎖，達(dá)到防止發(fā)電機(jī)向供電系統(tǒng)反送電目的。

2 格柵除污機(jī)提升改造

格柵除污機(jī)是污水提升泵站的關(guān)鍵設(shè)備之一，其功能和作用主要是對(duì)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(shè)備運(yùn)行提供保護(hù)，降低大型異物對(duì)吸砂泵、排污泵、超聲波液位傳感器等設(shè)備的影響，以保證后續(xù)污水提升過(guò)程的正常進(jìn)行。

日常運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，青島老城區(qū)的6 座污水提升泵站的格柵除污機(jī)普遍存在故障率高、維修次數(shù)多、維修困難、維修經(jīng)費(fèi)高、維修時(shí)經(jīng)常需要開(kāi)展有限空間作業(yè)等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，根據(jù)不同的泵站特點(diǎn)，采取以下提升改造措施。

2.1 粉碎性格柵

對(duì)于污水提升量較少的1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)泵站采用粉碎性格柵。粉碎型格柵除污機(jī)由電機(jī)、減速機(jī)及轉(zhuǎn)軸、切割刀片等組成，配備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的電氣控制系統(tǒng)。粉碎性格柵采用雙軸兩組合平行切割系統(tǒng)，每組合配置數(shù)10 對(duì)鋸齒形嚙合結(jié)構(gòu)的鋒利組合刀片，實(shí)現(xiàn)螺旋型切割，將污水中堅(jiān)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(jī)的刀頭經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，也可以切割柔軟的棉紗、纖維等。粉碎性格柵的電機(jī)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，防水密封性能優(yōu)，可以承受較大的過(guò)載而不會(huì)出現(xiàn)故障，配套的電氣控制系統(tǒng)除能為電機(jī)提供可靠的保護(hù)外，還能在刀頭被纖維纏繞或卡住時(shí)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)以退出障礙物，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的自動(dòng)化。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，粉碎性格柵在日排水量不大于1.5 萬(wàn)立方米的污水提升泵站中應(yīng)用良好。粉碎性格柵的優(yōu)點(diǎn)是故障率低、幾乎不需維修、不需清運(yùn)柵渣，避免了柵渣清運(yùn)時(shí)撒漏對(duì)環(huán)境造成的不良影響，減輕工作量，避免柵渣存放產(chǎn)生的惡臭對(duì)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(duì)污水提升量中等、進(jìn)水流速不高的4 號(hào)、5 號(hào)泵站改用鋼絲繩式格柵除污機(jī)。鋼絲繩式格柵除污機(jī)由抓斗、機(jī)架、牽引鋼索、電機(jī)及減速機(jī)、傳感器及電氣控制系統(tǒng)組成。通過(guò)3 根鋼索牽引抓斗實(shí)現(xiàn)撈渣抓斗的下降、閉斗打撈、上升、開(kāi)斗出渣等動(dòng)作，3 根鋼索纏繞在卷筒上，一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，達(dá)到牽引抓斗沿導(dǎo)軌上下滑動(dòng)的目的，另一臺(tái)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制中間鋼索的緊繩、松繩實(shí)現(xiàn)抓斗的閉斗抓渣與開(kāi)斗卸渣。機(jī)架上設(shè)置有接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)抓斗的上下限位與抓斗的開(kāi)閉。電氣控制系統(tǒng)使用PLC，采集接近開(kāi)關(guān)的信號(hào)并控制電機(jī)動(dòng)作。鋼絲繩式格柵除污機(jī)具有維修簡(jiǎn)單、不需進(jìn)行有限空間作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，但鋼絲繩的使用壽命普遍不長(zhǎng)，易斷裂，同時(shí)由于抓斗靠自重下降，抓斗側(cè)面的迎水面較大，在泵站進(jìn)水流速較快的情況下會(huì)加大抓斗與導(dǎo)槽的摩擦力，出現(xiàn)抓斗漂浮的情況，除渣效率降低，因此適用于水量中等、進(jìn)水流速中等的污水提升泵站[3]。

2.3 壁爬式格柵

對(duì)污水量提升量大、流速較快的6 號(hào)泵站采用壁爬式格柵除污機(jī)進(jìn)行改造。壁爬式格柵除污機(jī)使用帶剎車(chē)的電機(jī)與減速機(jī)隨齒耙運(yùn)動(dòng)到格柵除污機(jī)底部將柵渣撈起的方式除渣，具有除渣效率高的特點(diǎn)，適合于流速較快、臟物量較大的排水泵站，6 號(hào)泵站日提升水量在9 萬(wàn)噸左右，受限于建成年代較早及周邊地形限制，進(jìn)水流速較快，所屬污水系統(tǒng)為直排式，柵渣量大，故選用了壁爬式格柵除污機(jī)。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，因帶剎車(chē)的電機(jī)及減速機(jī)需接觸污水，故障率較高，出現(xiàn)故障時(shí)如果電機(jī)停在渠道底部，維修人員需下井作業(yè)拆卸電機(jī)，危險(xiǎn)性較高。對(duì)此進(jìn)行了改造，改造內(nèi)容包括：①提高格柵除污機(jī)電機(jī)及減速機(jī)的防水等級(jí)。格柵應(yīng)選擇合適的防水等級(jí)足夠高的電機(jī)及減速機(jī)，受限于既有的安裝條件，實(shí)踐中采用了對(duì)電機(jī)及減速機(jī)進(jìn)行改造的辦法：去除電機(jī)尾部的散熱風(fēng)扇，加工一鋁制端蓋，將電機(jī)尾部剎車(chē)線圈與電機(jī)殼體密封，輔以環(huán)氧樹(shù)脂、密封膠等密封材料，使其達(dá)到防水的目的；②重新優(yōu)化格柵除污機(jī)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(zhì)，上部的柵條較稀疏，當(dāng)水位升高時(shí)，可以有效提高過(guò)水量，避免出現(xiàn)雜物將格柵整體堵塞的情況；③改變格柵除污機(jī)電機(jī)的工作制，由連續(xù)工作制調(diào)整為每10 min 工作一次的短時(shí)工作制，避免格柵除污機(jī)電機(jī)因沒(méi)有散熱風(fēng)扇可能出現(xiàn)的過(guò)熱。通過(guò)改造，保證了格柵除污機(jī)的正常運(yùn)行，改造后格柵除污機(jī)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(bào)警

污水提升泵是泵站的核心設(shè)備，保證污水提升泵的高效運(yùn)行是完成排水工作的關(guān)鍵。為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的提升介質(zhì)，6 座泵站普遍選用的是進(jìn)口或合資品牌水泵，這些水泵的特點(diǎn)是智能化程度高，配備完善的智能化診斷、報(bào)警功能，通過(guò)發(fā)揮這些功能，能夠更好地保障污水提升泵運(yùn)行的低故障率，降低維修頻率，節(jié)省維修費(fèi)用。

以使用的飛力牌污水提升泵為例，其診斷與報(bào)警功能通過(guò)MAS 模塊（檢測(cè)和狀態(tài)模塊，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“MAS”）及MAS 網(wǎng)絡(luò)工具實(shí)現(xiàn)。目前使用的MAS 型號(hào)是MAS711，其主要任務(wù)是檢測(cè)和保護(hù)水泵并且記錄來(lái)自傳感器和測(cè)量模塊的測(cè)量結(jié)果。異常狀況發(fā)生時(shí)，MAS 可以將異常狀態(tài)信號(hào)發(fā)送給PLC，達(dá)到停止水泵并發(fā)出報(bào)警信號(hào)的目的。同時(shí)，報(bào)警的信息也會(huì)存儲(chǔ)在MAS 的數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，可以使用電腦和Web 瀏覽器操作MAS。

登錄MAS 網(wǎng)絡(luò)工具后，可以查看MAS711 存儲(chǔ)的各類(lèi)數(shù)據(jù)。MAS711 一般監(jiān)控以下幾個(gè)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(gè)報(bào)警信息的具體內(nèi)容，據(jù)此就可以判斷水泵出故障的地方，有針對(duì)性地進(jìn)行維修。連接MAS 網(wǎng)絡(luò)工具后，可以很直觀的判斷水泵內(nèi)各保護(hù)傳感器的實(shí)時(shí)狀態(tài)。MAS 網(wǎng)絡(luò)工具還可以顯示各個(gè)溫度的歷史曲線，通過(guò)曲線也可以判斷水泵的運(yùn)行狀態(tài)。MAS 網(wǎng)絡(luò)工具界面如圖1 所示。

圖1 MAS 網(wǎng)絡(luò)工具界面

通過(guò)分析曲線可以看出，2017 年10 月23 日上午9:00 出現(xiàn)了一次定子室溫度急劇升高的情況，同時(shí)通過(guò)主軸承溫度曲線發(fā)現(xiàn)主軸承的溫度也出現(xiàn)了急劇升高，結(jié)合水泵電流正常這一情況，基本判斷故障原因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)不通暢，疏通冷卻流道后恢復(fù)正常。

通過(guò)MAS 網(wǎng)絡(luò)工具的使用以及將MAS 報(bào)警信號(hào)接入PLC 控制系統(tǒng)，可以避免原來(lái)單純靠經(jīng)驗(yàn)判斷水泵狀態(tài)的情況，使水泵的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息變的一目了然，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)報(bào)警，避免水泵不必要的維修，為智能排水的實(shí)現(xiàn)奠定了良好基礎(chǔ)。

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)改造

污水提升泵站的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、PLC、變頻器及軟啟動(dòng)器、超聲波液位傳感器等組成。超聲波液位傳感器測(cè)量集水池內(nèi)的水位，PLC 通過(guò)讀取超聲波液位計(jì)的4～20 mA 信號(hào)獲得水位數(shù)據(jù)，根據(jù)水位數(shù)據(jù)控制變頻器及軟啟動(dòng)器的啟停

污水提升泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)最主要的運(yùn)行目標(biāo)是保證上游管道正常運(yùn)行、不冒溢，在此基礎(chǔ)上，可以發(fā)揮泵站集水池、管網(wǎng)系統(tǒng)的納容能力，以實(shí)現(xiàn)泵站的低能耗運(yùn)行。污水提升泵站應(yīng)根據(jù)自身的實(shí)際情況，為滿足運(yùn)行目標(biāo)，采取合理、有針對(duì)性的運(yùn)行策略。

以6 號(hào)泵站為例，其特點(diǎn)是匯水面積大、建成年代早、目前運(yùn)行的進(jìn)水量與設(shè)計(jì)初期有非常大的增加、管網(wǎng)老舊、排水系統(tǒng)的管網(wǎng)龐雜、陳舊、老化且部分排水管網(wǎng)緊靠海岸線，泵站一旦運(yùn)行水位較高，非常容易造成溢流、污水排海，對(duì)海洋環(huán)境造成影響，在環(huán)保要求越來(lái)越高的環(huán)境下，必須進(jìn)行設(shè)備改造。

基于這些特點(diǎn)，對(duì)該泵站的開(kāi)泵梯次進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)低停泵水位，采用低水位的運(yùn)行策略，更好地滿足了上游管網(wǎng)的運(yùn)行要求（表1）。

表1 6 號(hào)泵站水泵調(diào)整前后運(yùn)行水位 m

5 總結(jié)

作為城市運(yùn)行的大型基礎(chǔ)設(shè)施，污水提升泵站的運(yùn)行應(yīng)以穩(wěn)定、低故障率為第一目標(biāo)，針對(duì)不同泵站的實(shí)際情況，通過(guò)分析影響城鎮(zhèn)污水提升泵站穩(wěn)定運(yùn)行的重要制約因素，并采取有針對(duì)性的糾正措施，對(duì)重點(diǎn)設(shè)備、關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化提升，徹底打通制約泵站穩(wěn)定運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)，降低設(shè)備故障率，減少維修頻次，以達(dá)到提升泵站運(yùn)行質(zhì)量的目的。以青島市老城區(qū)6 號(hào)泵站為例，優(yōu)化改造后每年可節(jié)約設(shè)備維修經(jīng)費(fèi)15 萬(wàn)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(guān)鍵節(jié)點(diǎn)由改造前平均每年冒溢5 次降低為0 次，達(dá)到泵站提質(zhì)增效運(yùn)行的目的。