旋流池水位自动化控制系统分析与改进———武汉一冶机电工程有限

1、引言水处理系统作为冶金工业生产企业环保节能降耗的主要措施之一，对企业经济循环发展、节能降耗、清洁生产发挥了重要作用。旋流池是轧线水处理系统中收集工业废水的工艺设施，它不但保证轧线系统冷却水的循环利用，而且有冲淋氧化铁皮并对其进行收集处理的作用，因而旋流池水位控制直接影响到整个轧线系统的正常运行。本文对旋流池水位自动化控制系统进了行分析，针对现场施工期间出现的问题提出相应的改进措施，为整个轧线系统的稳定运行提供了有力保障。2、旋流池工艺及电气控制2.1 旋流池工艺流程在某大型钢铁企业720轧管系统中，旋流池整体构造及主要设备布局如图一所示：
    在该系统中，旋流池主要作用是收集厂房内各种设备直接、间接冷却过程中的漏水及冲淋氧化铁皮的用水。这些水通过铁皮沟进入旋流池内，经沉淀后除去大颗粒的氧化铁皮，沉淀后的水一部分用水泵（P301泵组，安装于-4.9m处）加压后再次送轧制线用来冲淋氧化铁皮，另一部分水经提升泵（P302泵组，安装于-4.9m处）提升至平流沉淀池处理，其工艺流程如图二。旋流池底沉淀的氧化铁皮用位于旋流池上方的抓斗吊清除出池，装车运走。                                                                                                                             该旋流池深19.1m，施工难度很大，且成本比普通平流池也要高出许多。之所以在该水处理系统中收集工业水采用的是旋流池而非一般的平流池，主要是因为收集来的水需要在生产厂区喷淋重复利用，从铁皮沟流回来的水中含有大量大颗粒氧化铁皮，如果是一般的平流池，铁皮不能充分沉淀，被水泵抽起后会堵塞水泵导致设备损坏。旋流池则不会出现以上问题。水到达旋流池内的流程如图三中箭头方向所示：水沿铁皮沟从旋流池侧边斜切面流入池内，斜切面可使流入池的水具有更大惯性，冲入池的水还会给池内水施以推力，在双重动力作用下，水在圆形池内形成强大旋涡状环流，从而产生向心力，在向心力作用下，水会继续环流，而那些密度大的大颗粒氧化铁皮，则在自身重力作用下完全沉入池底，而冲淋氧化铁皮的水泵是从-10.7m抽出的水，因此就不会含有大颗粒氧化铁皮。 2.2 电气控制旋流池的排水系统采用两组泵组。第一组为P301组，将水送到轧线用以冲淋氧化铁皮。该组泵为两台，采用一用一备的工作方式，当工作泵出现故障时，备用泵自动或手动投入工作。工作泵和备用泵可任意选择。电机容量均为75KW，采用接触器直接起动。水泵与出口电动阀、旋流池吸水井液位联锁，联锁条件与提升泵组P302相同，在P302中详述。第二组为P302提升泵组，当旋流池水位达到一定深度时，将多余的水抽送到平流沉淀池，以保证旋流池在水位突增、冲淋氧化铁皮用水量不大时旋流池不会被淹没。该泵组有三台，工作方式为两用一备。当某台工作泵出故障时，备用泵自动或手动投入使用，工作泵和备用泵可任意选择。电机容量均为185KW，额定电流为340A，由于电机容量大，直接起动电流太大会影响厂内电网，所以采用软启动装置起动并持续运行，软起动主要控制原理图见图四。水泵与出口电动阀、旋流池吸水井水位联锁，开启顺序为：在池内水位达到启泵水位时，先开泵3~6s，再开出口电动阀；停泵时，先关出口电动阀3~6s，再停泵。回流电动阀根据旋流池吸水井内的水位自动开闭，其目的是为了调节水井的水位变化，防止电机频繁起动，造成对设备的损坏。   
2.3 PLC程序调试根据工艺、电气要求，以及各设备（旋流池中冲氧化铁皮水泵组、提升泵组及各泵的出口电动阀）之间的连接关系，做出循环水示意图如下：                   这里主要阐述提升泵的控制逻辑。液位检测设备为两台雷达液位计，量程为0~5m，输出信号为4~20mA。根据联锁要求，在现场操作箱选择到自动控制状态下，如果液位计LT101检测到液位数值大于或等于3.5m（实际位置为-6.4m）时，PLC控制工作泵P302-1/2（以3#为备用泵）同时起动，4秒后对应出口电动阀（图五中V302-1/2）开阀，送水至平流沉淀池。液位计、提升泵与出水电动阀三者之间起动关系及顺序如下图六所示： 如果液位计LT101检测到液位数值小于2.5m（实际位置为-7.4m）时，PLC发出停机信号，根据工艺及机械特性，为防止管道内大量的水回流，应先关闭出口电动阀V302-1，动作4秒后再关闭提升泵P302-1。2#提升泵及其对应出口电动阀停机程序与此相同，停阀的PLC程序段如图七。在两台提升泵运行时，回流电动阀（V302-4）会根据水位变化，将抽出的水适度向旋流池中补充。因为提升泵功率较大，两台泵很快能将1米深（由3.5米到2.5米）的水抽走而立即停下，停泵后管道的水又回流到旋流池，加上工厂排送来的水，很快能使水位再次到达排水液位，让提升泵再次起动，这一循环会使水泵频繁起停，为解决这一问题，我们需延长起停间隔时间，让水泵运行时间加长，因此增加回流阀，在水泵运行时根据水位变化适度往旋流池内补水。 3、现场临时自动控制在现场施工中曾出现夜间水漫旋流池的情况。原因是旋流池电气设备未安装完毕，且PLC系统没投入运行。当下雨或工厂内某设备将冷却水大量排往旋流池时，水面会迅速上升到-4.9M平台以上，严重威胁电气设备安全。为摆脱在施工期间，排水设备无法自动运行的尴尬处境，特提出两种简易处理方法，即用液位显示仪和浮球控制器，临时替代PLC的调试方法。3.1液位显示仪液位显示仪是一种用得相当普遍的二次显示仪表，配合已安装好的雷达液位计使用，一次设备为两线制，由显示表供电源，输入4~20mA模拟信号，输出4~20mA模拟信号，另有高低液位无源报警点输出。设备选取应符合以下条件：量程为0~5m，信号输出至少有高低水位无源报警点，且高液位至少有一对常开点，低液位至少有一对常闭点输出。该系统起停泵液位分别是3.5m和2.5m，考虑到停泵后，管道内有水回流，应加大起停液位差距，设起停泵液位分别为3.5m和1.5m。如果现场已有的显示仪量程不是0~5m，也可根据量程与模拟量信号对应关系作相应转换。雷达液位计输送4~20mA信号与转换后的起停信号没有影响。例如实际显示仪量程为0~7m，则设置对应起泵液位X为：3.5/5=X/7 èX=4.9所以在液位显示仪上设定高液位为4.9m时报警开点输出，同理可换算低液位为2.1m时报警闭点输出。再看显示仪高低液位的报警输出信号，根据图四的提升泵软启动电气控制原理图，将高液位的常开报警点（即起泵命令）接入图中105、107号端子，将低液位的常闭报警点（即停泵命令）接入图中的111、113号端子，现场操作箱选择自动位，显示仪、软启动装置上电，相应出口阀全开，即可实现简易直观的自动控制。既可看到当前池内水位变化，更不必担心水位突涨给设备带来淹没的威胁。如果需要两台或三台同时起动排水，则将显示仪的高低液位报警点分别并联接入相应设备起停控制线路中即可。这里须注意的是显示仪输出的是无源点信号，所以各软启动装置的控制线L（如图四）必须是同相电源，否则将信号并联时会引起相间短路。3.2浮球控制器
  比起用液位显示仪，浮球则更为简易实用。所需浮球的最低要求：高液位时有一对常开点，低液位时有一对常闭点。起停泵液位依然是3.5m和1.5m，将浮球的活动线缆长度定于略大于1m处，将固定点安装池内悬梯上的2.5m处，对应实际位置是：-4.9 + (-2.5) = -7.4 m，安装示意图如图八：控制方式跟液位显示仪相同，参照图四将高液位的开点接到105、107端子，低液位的闭点接到111、113端子。相关设备上电后，即可投入到自动控制运行。以上两种方法均可在施工期间临时替代PLC将三台提升泵投入自动运行，但各有长短。第一种既可直观的看到水位变化，又能使提升泵在一个精确液位值起停，但设备成本略高；第二种价格便宜，市场上也容易买到，但在液位控制上不如前者精确，具体选取依据实际施工现场而定。4、注意事项   在现场调试中，由于考虑不周会导致一些操作上的失误，下面对调试过程容易发生的问题，提出几点注意事项。电机和电缆检测绝缘必须分开进行。在接电缆前应先用500V兆欧表检测电机定子绝缘，根据《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》，对于100KW以上电机还需测试三相直流电阻。电缆绝缘尤其要独立进行检测，当电缆接上电机后就不能用兆欧表直接测线间绝缘。当电机使用软启动装置时，不允许直接用兆欧表检测电缆线路的绝缘，否则会因检测电压反送至软启动装置，烧坏软启动装置的内部电子元件。软启动装置的绝缘应用普通万能表检测。在使用软启动装置时，试车前应先将电机及相关运行参数设定到软启动装置程序中，否则会引装置报警，水泵不能正常运行。对于装置出现的各种故障代码，可查询说明书，对应故障原因进行排除即可。软启动装置起动后，散热风扇应运行，否则长时间运行温度升高会烧坏装置。初次起动装置应注意电机电流变化，作好相应记录。5、结束语   通过对旋流池电气设备的调试，发现了在施工初期自动化控制存在控制上问题，提出了现场替代改进措施，不但取得了理想的效果，而且节省了资源。提出的两种替代措施也可应用于其它类似项目施工中。参考文献[1]中国电力企业联合会 电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S]. 北京：中国计划出版社，2006作者简介：张志高（1980-），男，湖北武穴人，主要从事电气与仪表自动化技术工作工作单位：武汉一冶机电工程有限责任公司电装分公司自动化部联系电话：13545396400     E-mail: guyun0920@163.com通讯地址：武汉市青山区建设四路一冶机电电装自动化部   邮编：430081