污水泵的智能控制
- 发布时间：2013/1/17 9:38:42
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泵的堵塞是苏格兰水务公司（ScottishWater）面临的一个严重问题，处理被堵塞的泵*地浪费了他们的工作时间和资源。在问题zui严重的工作地方采用合适的解决方案无疑能够减少意外停工的次数，减小对正常工作的干扰，减弱对健康与安全的风险，缩短输送时间，并减小对客户和环境的影响。但是，问题的实际严重程度并不明确，因为这些问题在有些污水处理泵站看来还能忍受，他们总把它看作是一项日常的维护工作。
苏格兰水务公司zui近发现，Levenhall污水泵站具有严重的泵堵塞问题，是公司在东南运营片区内zui糟糕的工作点。通常，该泵站每周需要清理2-3次堵塞物和杂物的积聚（图1和图2）。因此，该泵站非常适合尝试应用一种低成本的创新解决方案，以便于泵堵塞的检测和控制——即智能泵控制技术（InligentPumpControl，缩写为IPC）。该解决方案使用艾默生下属子公司ControlTechniques提供的一种变速驱动器（VSD）。
堵塞监测与控制
几乎所有类型的叶轮都频繁出现的一个问题是，纤维和其他颗粒容易聚积在叶轮的叶片上。通常，这种杂物聚积的问题会导致泵的液压效率降低，能耗增大，如果该问题继续发展下去还会导致泵的堵塞。
泵内的堵塞物和杂物是影响污水泵送能效和工作效率的重要阻碍因素。此外，英国泵制造商协会（BPMA）认为，为了提供“安全系数”，所有的泵产品中有四分之三在设计时都被增大了20%。变速驱动器可用于减少过大的泵所产生的能耗，并减小液压系统的损耗，但是，在污水泵送中，愈来愈频繁的泵堵塞却变成了一个一直存在的问题。当为了达到有关规定的要求，并为客户提供其所期望的高标准服务时，可靠性往往会比效率更加重要。过去，解决泵堵塞问题的*办法是尝试各种不同类型的污水泵。不过近年来，针对杂物处理的有关泵产品的设计已有所发展，然而目前，市场上仍无一种离心泵能够保证在任何情况下处理所有的杂物聚积的问题。对那些带有变速驱动器的泵来说，日益频繁的堵塞仍然是一个挥之不去的问题。
变速驱动器的应用对于减小能耗起着重要作用，它们使泵的运转与允许流量相适应，并且减小系统内的摩擦（能量）损耗。“软起动”功能还能延长零件，如轴承和密封件的使用寿命。这对于节约能源以及泵的保养维修所占用的资源来说，意义重大。每次不得不将泵抬起并进行维护时，还需要考虑与健康和安全有关的问题。这项工作相当地脏，与理想的工作环境相差甚远，它要求工人们吃苦耐劳的精神。
在使用变速驱动器之后，只要稍微减小一点泵的转速就能够降低能源成本，在系统摩擦损耗较大的情况下尤其如此。尽管过程控制和能源管理是采用变速驱动器的两个主要原因，但还是存在其它的一些问题。污水泵站发生堵塞的几率很大，这使得变速驱动器的节能优点被迅速抵消。此外，泵堵塞还会造成过早的泄漏/溢出，导致水道出现环境问题，发生局部浸水，损害公司的声誉，在那些堵塞频繁发生的地区尤其是这样。由于在污水泵送中使用变速驱动器会增加泵的堵塞风险，所以多年来，业内人士一直青睐的设计方法是“久经验证”的定速泵送解决方案。优良的设计，加上泵的正确选用通常能够保证泵的可靠运转，几乎不会发生堵塞。因此，通常认为，利用传统的设计方法来避免堵塞，并选用防堵塞的泵比节约能源更加重要。泵的顺利运转看起来总是比能效更加重要，因为出问题的地点所涉及的工作成本往往超过了能效的相对边际收益。
无论是定速的还是由变速驱动器控制的，有些泵送系统会因为液压设计差，泵的选用不当，或者系统中有难以处理的大量杂物等原因，而容易发生堵塞。近年来，为了解决有关泵堵塞的检测与控制的问题，已经研发出一些新的方法，即使是在问题zui严重的地方，这些方法也有望终结泵频繁堵塞的现象，同时还能提高工作效率。
在苏格兰水务公司，我们尝试了基于可编程逻辑控制器（PLC）的解决方案，并取得了成功。但是，这种解决方案成本高昂，只有在更换变速驱动器不太经济划算的情况下，才会应用这类成套控制设备。
变速驱动器制造商ControlTechniques公司提出了一种有趣的替代方案——智能泵控制（IPC）软件。该方案集成在变速驱动器内，因此无需任何成套控制设备，可以作为变速驱动器标准选件提供给用户。这不会增加变速驱动器及其内部集成的可编程控制器的购买价格。艾默生变速驱动器的*之处还在于，它通过监测有效电流来测定扭矩的变化，可以在杂物开始聚积在叶轮上时启动一个反转工作周期，将聚积的杂物弄散。有效电流的监测能够监测到工作扭矩的微小变化。简而言之，艾默生变速驱动器是一种相对低成本的解决方案，可用于泵堵塞的检测与控制。此外，提供的变速驱动器还可带有可编程模块，以便将复杂的逻辑控制集成到变速驱动器内，因此不再需要单独的可编程控制器。
Levenhall变速驱动器试验现场
Levenhall污水泵站是一个低扬程泵站，属于东洛锡安地区沿海泵站组的一部分。该泵站允许的顺向流量为675l/s，静压头为7.2m。泵站的上行总管约为17.15m。由于上行总管长度较短，所以这些泵都没有止回阀，并且各泵的排放口之间也无任何连接管道。这就意味着，各台泵分别将污水排放至引力污水渠，而不排放*行总管。
每台泵排放口内的摩擦损失几乎可以忽略不计。实际上，也不可能通过应用变速驱动器来减小液压损失，从而达到提率的目的。所以，堵塞物和杂物是造成泵送效率低下的*直接原因。这使得Levenhall泵站非常适合研究杂物对泵效率的影响，因为只有提高泵送效率才能节约能源。
已经确定Levenhall污水泵站是一个容易发生泵堵塞的地点（图3和图4）。通常每周要发生2-3次堵塞或者部分堵塞的情况，导致泵的跳机和意外停工。在旱季，问题有所减轻，因为杂物在低流量期间会沉积在集水区。但是，堵塞没有明显的变化规律，无论是旱季或者雨季，泵堵塞的情况都同样频繁。湿井中的杂物聚积也是一个问题，需要经常对它们进行手工清理，通常每周1-2次，以减少堵塞物。简而言之，Levenhall泵站是一个需要花费大量人力的地点，*地消耗了工作资源。每隔一天就要在现场处理杂物，每周至少一次需要将泵抬起来进行维护，这些工作对于操作员来说都是常有的事。
当Levenhall污水泵站出现故障时，上游的泵站受到阻碍，导致Prestonpans污水泵站的排放量猛增，过滤后的污水被排放到ForthEstuary地区。向周围环境排放未经处理的污水不仅影响浴场的水质，而且有损英格兰水务公司的声誉。
Levenhall污水泵站安装有四台标称功率均为43kW的污水泵，以及三台暴雨螺杆泵。螺杆泵在工作中未出现任何严重问题，本试验中不考虑它们。泵电机的满载电流（FLC）约为每相70A，在理论上的泵工作点，泵电机应该工作在每相约3的电流状态下。
Levenhall污水泵站每年的耗电成本约为28000英镑，此外，每年还需花费约15000英镑来处理杂物、堵塞物和泵跳机的情况。但是还有一些额外的隐性成本，例如，由于处理污水泵站的问题而占用了某些资源，继而引发连锁反应。
由于不断发生堵塞的问题，工作人员曾考虑更换泵，并且尝试过一种替代的泵，但是就算使用这种泵也还是发生了堵塞现象。所有现有的泵均处于良好工作状态，zui近还检修过。泵的更换，可能是解决问题的另一种办法，估计其成本约为12万-14万英镑，与之相比，更换一台驱动器仅需花费7000英镑左右。
该试验项目zui初在现有的一台泵（1号泵）上安装了一个变速驱动器，以研究泵的能耗，并观察出现堵塞的情况是否显著减少。该试验项目旨在提率，减小堵塞和部分堵塞的频率。尽管系统液压装置的液压损失有所减小，但是*没能真正达到节能的目的。然而，如果能使泵的叶轮不再被杂物缠绕包裹，那么就有望实现能源的节约。
造成堵塞问题的很大一部分原因在于现有的泵大量的杂物，而替换的泵依然遭遇堵塞问题，所以，即使采用替换的泵，还是会面临堵塞问题继续存在的巨大风险。但是，如果能够证明某个解决方案在问题非常严重的地方颇具成效，就说明即使在泵自身不能够处理杂物的情况下，也可以将该技术用在堵塞问题突出的地方，以延缓基本建设支出，实现运营开支效率。
试验结果
2010年6月
Levenhall污水泵站的试验于2010年6月10日开始，当时在1号泵上安装了一台变速驱动器。下述内容基于工作一周的观测结果，所以尚不能下结论。
6月12日，除了安装有变速驱动器和IPC系统的1号泵，泵站内的其他所有泵都发生了堵塞，不得不将它们抬起以清理堵塞物。6月16日，2号泵和3号泵再次发生堵塞或者部分堵塞，但是1号泵内无任何堵塞物。当时未检查4号泵。
因为安装了变速驱动器，1号泵的平均运转电流比2、3、4号泵少15-30%。变速驱动器参数设置的一些小问题导致了泵的提前跳机，不过，问题很快就解决了。
检查泵的叶轮发现，由于堵塞，2号泵的叶轮上出现气蚀损伤。气蚀导致叶轮过早磨损老化，使用寿命缩短。现场工作人员DavyCampbell称，气蚀带来的轰隆隆的噪声明确表明泵发生了堵塞，应该采取措施来解决问题…但是，请相信，如果发出的只是微弱的噪声，则情况并非如此。
由于上行总管的长度较短，各台泵都没有止回阀，所以当泵停机或者跳机时，泵内的堵塞物会被冲回湿井内。值得一提的是，在一台泵内形成的堵塞物被冲回湿井后会分散，然后又可能被吸入其他的泵内。“杂物球”由一大堆紧密聚积在一起的杂物组成，其尺寸超过了泵能够处理的固体的zui大直径。所以，如果这些杂物球被吸入泵中，泵它们，因而就可能发生跳机。
2010年7月
运行*个月的结果相对成功，实践证明，在日常运转期间，泵的入口处一直都没有出现杂物；但是，2、3、4号泵由于吸入杂物球而频繁跳机的问题依然存在。每周依然需要清理湿井2-3次，以清除其中的杂物球。除了报告2、3、4号泵的吸入端有杂物，还报告了1号泵的吸入端出现阻塞的情况——当该现象发生时，2、3、4号泵也都已经跳机了。
运行日志中记载的跳机模式和堵塞情况不是特别清楚——但是，由于吸入杂物球而需要手动干预工作的次数与前几个月相似。
有关工作电流的记录（图5）清楚地表明，1号泵工作时的平均运行电流比其他驱动器低得多。这意味着1号泵的工作效率比2、3、4号泵高得多。
在起动时出现非常高的峰值电流，也表示了堵塞的出现。图5显示的运转周期中未包括出现高峰值电流的周期，因为它们会影响结果的准确性。但是，起动电流的这些峰值经常出现。每六个运转周期中就有一次出现了很高的峰值电流。图6中记录了每台泵的zui高峰值电流。这些高运转电流往往会导致泵跳机。注意，1号泵安装有变速驱动器，在该驱动器上不再出现高起动电流。
1号泵的平均运行电流和峰值运行电流都显著减小，这对于泵的工作效率有着重大的影响。没有任何堵塞检测和控制措施的泵，其运行电流能比1号泵高出40%，不过典型的情况是，工作电流会高出10%-25%。从已知的数据来看，如果所有的泵都安装带有IPC系统的变速驱动器，那么工作现场每年能够减少多达15%的平均能耗。
杂物球的问题被工作人员再次提出来。在Levenhall污水泵站观察到的密实的杂物球，其直径可达600mm，有些甚至更大（图7）。它们的尺寸太大了，任何泵都难以处理；而且又太密实，难以用抗杂物技术将它们击碎。当这种大尺寸的密实杂物球进入泵的吸入端时，会导致泵的堵塞或者跳机。这些大型的密实杂物球不断的形成，成为了一个严重的问题。如前文所述，有关人士认为，这些杂物球在不受控制的泵的吸入端形成，但是在现阶段，尚不能确定事实是否如此。
2010年8月：安装第2台变速驱动器
将第2台变速驱动器安装在2号泵上，以观察变速器对泵运行效率的影响是否会在2号泵上重现。如图8所示，2号泵的工作电流发生了相当显著的变化。从试验头一个月的结果（图5和图6）来看，2号泵的效率zui低。
但是，杂物在湿井内聚积成球仍然是一个突出的问题，它继续导致3、4号泵跳机和堵塞。研究2号泵的跳机现象之后发现，它们与泵的保护继电器出故障有关，而不是变速驱动器造成的。变速驱动器没有记录这种假性跳机，所以显然这不是它引起的问题。仅发生了一次变速驱动器跳机的小事故，原因是过载，可能和杂物球有关。1号泵没有关于跳机的问题。自从安装变速驱动器之后，仅记录了两次跳机，没有关于泵堵塞的报告。
艾默生公司在试验之初指出，未受控制泵中形成的杂物球可能造成风险，就像他们曾在受控和不受控泵混用的其他地方所遇到过的情况一样。
早期结论
四台泵中有两台使用了具有堵塞检测与控制功能的变速驱动器，但是杂物堵塞依然是Levenhall污水泵站面临的一个严重问题，它导致能源成本居高不下，需要频繁的手动干预来维持泵站的正常运作。
记录显示2号泵发生跳机的频率较高，但是这与变速驱动器或者抗杂物聚积技术无关。
1、2号泵的平均运行电流和峰值工作电流显著减小，因为它们安装了爱默生ControlTechniques公司提供的带有IPC系统的变速驱动器，能够检测到杂物的聚积，并采取相应措施，通过反向运转将杂物球击碎。这意味着对泵工作效率的重大影响。对于那些没有安装变速驱动器，无法进行堵塞检测与控制的泵来说，它们在一天工作中的平均运行电流要高出15%-25%。对平均工作电流的分析表明，如果所有的泵都安装IPC系统，那么工作现场每年能够减少多达15%的平均能耗。
杂物成球仍然是一个突出的问题。由于并非所有的泵都安装了变速驱动器进行堵塞检测与控制，所以现阶段我们还不能下结论断定此项技术是否有效，我们认为，如果未受控制的泵内形成的杂物球进入受控制泵的吸入端，就会导致受控制泵的跳机。正如前文所述，泵的保护继电器故障会导致假性跳机，这使得我们难以得到关于杂物球的形成，以及它们对泵的影响的明确结论。
2010年秋季：在所有泵上安装变速驱动器
2010年10月，剩下的3、4号泵上也安装了变速驱动器。大家一致认为，要确定是否能控制湿井内的杂物球或者阻止它们的形成，这是*可靠的办法。
工作的*周，杂物球和泵堵塞的情况与本试验项目之初一样糟糕，所有的泵都发生了堵塞或者部分堵塞的情况，并且在湿井内形成了大量的杂物球。所有泵的运行电流都明显高于预期值。调查分析了问题之后发现，变速驱动器的堵塞检测与控制功未能启用，当出现堵塞时，泵未能进入清洁工作周期。苏格兰水务公司不得不租用一台起重机来疏通泵，这是一项相当麻烦的工作。然而，这却突出了艾默生公司的设备在控制堵塞方面的成效。
从2010年10月25日开始，启用全部四台泵的堵塞检测与控制功能，泵的堵塞现象立即消失。在工作的*周，湿井内的杂物成球问题已经有所好转，所有驱动器的运行电流恢复到之前观察到的较低值，大约在38A-43A之间。
简短总结
运营费用
能耗的节约——每年4200英镑
泵的维护费用的节约——每年15000英镑
资本支出
泵更换费用的节省——150000英镑
投资于四台新的45kW驱动器的成本——39000英镑
建议
◆应该将带有堵塞检测与控制功能的变速驱动器应用在出现堵塞和杂物聚积问题的地方，或是用于面临堵塞的高风险情况，以减小对正常工作的干扰。
◆应该规定，所有用于泵送未处理污水的变速驱动器都必须具有泵堵塞检测与控制的功能，使其成为标准配置。
◆在所有面临严重的泵堵塞问题的地方，只要有可能，就应该为其提供带有泵堵塞检测与控制功能的变速驱动器，在这些地方可以计算出合理的率。在进行资本投资时，应该优先考虑那些有堵塞问题的泵站。优先的原则需要得到大家的一致同意，但是运营费用和能耗成本当属关键的两项原则。
◆所有新的潜水污水泵都应当是双向的，以利于应用泵堵塞检测与控制技术。
◆对于所有的半小时计量泵站，或者所有要求控制起动电流的泵站（通常泵的功率超过7.5kW），都应当考虑应用带有泵堵塞检测与控制功能的变速驱动器，使其成为一种标准配置。
◆如果要实现预先维护，我们强烈建议所有的半小时计量点都具备更佳的能耗和性能监测，以及预警和控制措施。
◆如果希望预先维护体系取得成效，则需要评估有关泵的性能和能耗的数据量。我们幸运地发现，Levenhall泵站拥有运行电流的记录数据，否则就无法报告对能耗的影响。应该慎重考虑达到及超过电流自动测量记录所要求的zui小数据集。我们建议的数据集如下，可以获得按时间顺序排列的数据记录，特别针对半小时计量的泵站：
每台泵
◆运行电流（所有相位）
◆能耗（kWh）
◆比能（l/kWh或m3/kWh）
◆独立的跳机状态监测
◆顺向和逆向的旋转
◆清理/反转周期的累计数量
每个泵站
◆泵送流量
11月的头两周内，工作报告显示，湿井内杂物球的个数显著减少。早期迹象表明，要么是因为湿井内不再形成杂物球，要么是因为流入湿井内的杂物球在清理周期内被击碎，因而使得杂物能被泵送而不发生堵塞泵。工作人员认为，在各种杂物得以在湿井内形成较大的杂物球之前，它们就已经被输送走了。
zui终结论
从Levenhall污水泵站的试验结果来看，爱默生ControlTechniques公司的变速驱动器解决方案能够提供有效的泵堵塞检测与控制功能。
当泵因为杂物积聚或者堵塞而导致其实际工作电流大大超过其理论运行电流时，可以应用泵堵塞检测与控制技术来减小泵的运转电流，使其接近理论值。
试验一开始的结果就表明，Levenhall污水泵站的泵送效率提高了15%。与堵塞有关的其他成本将使泵站每年的运营费用减少多达15000英镑。这还不包括由堵塞问题在工作现场引起的连锁反应所产生的运营费用，例如，堵塞问题影响了Levenhall污水泵站的工作计划和常规工作，为了保障这些工作能够正常完成就必须超时加班。
zui近一个月的工作记录表明，泵电机跳机的情况从原来的每周2-3次变为一次都没有了。自从全面试验开始，所有安装了泵堵塞检测与控制系统的泵都无须租用起重机来进行移动清理。
自从所有驱动器都投入运行之后，湿井内的杂物球显著减少，不再需要频繁地手动清理杂物球和堵塞物，没有任何关于堵塞的报告，截至本文撰写之时，它们已经在Levenhall泵站*运行了至少两个月。泵站过去经常出现的泵堵塞情况已经成为历史，从此，泵能够更加地运作。
工作组长还表示，加班的情况也有明显下降；员工们现在能够专心从事日常工作，不再分散精力去处理Levenhall泵站没完没了的堵塞和杂物球问题。
还有一点值得一提，工作人员还能够帮助当地的废水处理部门去解决2010年末的寒冬所带来的一系列问题，这在以前是*不可能的，因为那时他们通常还在疲于应付Levenhall污水泵站的堵塞和相关问题。
如果Levenhall泵站没有关于运行电流的数据记录，那么就很难理解能效和泵性能之间的关系。从该试验可以明显地看出，我们丧失了评估泵性能的重要契机，因为大多数泵站在现场都没有记录足够多的性能数据，例如运行电流、流量和比能。
如果没有通过单独地监测泵送的流量和能耗（kWh）来获得比能的有关数据，就无法比较各台泵的性能。我们需要更多的数据来对泵的性能进行全面比较，并选择哪台泵或者哪些泵的组合对于所有的泵送方式来说都是zui的。
没有流量数据就无法对能耗做出更加详细的评估，但是运行电流的减小显然意味着，拥有堵塞检测与控制的泵，其工作效率更高。如果要有效地管理能效，就需要有关泵性能的那些数据。
通常，变速驱动器还可用于减小系统内的液压损失。但是，Levenhall泵站的液压损失还不足以改变泵的控制特性。
分阶段地安装变速驱动器来进行泵堵塞监测的这种方法，使得我们难以断定堵塞检测与控制是可行的，因为湿井内的杂物球仍然是一个严重的问题。如果同时安装变速驱动器，那么可以在两年内实现。假设工作干预减少90%，能耗减少15%，那么分阶段安装的方法需要大约三年的时间来实现。然而，即使不考虑能耗的节约，也还是能够实现的。
泵站的*性能，以及试验的持续功效将由苏格兰水务运营公司继续监测。但是，这项工作并不复杂，只需随时验证结果即可，因而可以*坚持。
致谢
感谢苏格兰水务公司客户服务部的ChrisTurton和DavyCampbell。如果没有他们的支持以及对这种新颖的解决方案的认可，该试验项目就不可能产生如此好的效益。