在水電站基坑開(kāi)挖及其它深挖工程施工時(shí)，由于基坑滲水，必須利用排污泵將大量積水抽上地面排到下游河床中去，將積水控制在最低水位線(底閥處)以上。若再多抽水，水泵體內(nèi)就會(huì)因充滿大量氣體而空轉(zhuǎn)不上水，從而會(huì)危害水泵的安全運(yùn)行，造成能源的損耗。在施工實(shí)踐中，為了能確保控制最低水位，必須要：
①調(diào)節(jié)水泵閥門來(lái)控制流量，以避免水抽干后泵體內(nèi)進(jìn)氣;
②關(guān)閉水泵閥門，水位低于最低限制水位線時(shí)就人為停機(jī)。
基于以上兩種情況，本著利用現(xiàn)有的設(shè)備，只添加一些附件和電路，使輕載水泵能全載運(yùn)行，從而達(dá)到既可自動(dòng)控制減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的目的，又能節(jié)約能源消耗并減少工程投資。
1 排污泵自動(dòng)化控制元器件
1.1 磁鋼浮子式水位信號(hào)器
磁鋼浮子式水位信號(hào)器基本上是由浮子、導(dǎo)管、干簧管以及外管等組成。干簧管是把兩片鐵鎳合金簧片封閉在玻璃管內(nèi)，常開(kāi)的舌簧片分別固定在玻璃管的兩端，在永磁場(chǎng)的作用下，簧片被磁化，其自由端產(chǎn)生的磁性正好相反，利用“異性相吸”的原理，克服簧片的作用力矩，使簧片動(dòng)作，從而使電路閉合，當(dāng)永磁體遠(yuǎn)離干簧管時(shí)，簧片即斷開(kāi)。
浮子是一個(gè)內(nèi)裝永磁鐵的可浮動(dòng)的塑料球。水位的升降使浮子相應(yīng)地產(chǎn)生變化，永久磁鐵的磁力使導(dǎo)管內(nèi)的干簧接點(diǎn)動(dòng)作，發(fā)出相應(yīng)的水面信號(hào)，水位信號(hào)器原理見(jiàn)圖1。
1.2 示流信號(hào)器
示流信號(hào)器的原理見(jiàn)圖2。
當(dāng)管中流量大于信號(hào)器規(guī)定的動(dòng)作流量值時(shí)，靶及靶桿受力并帶動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，使其常閉接點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)接點(diǎn)閉合，發(fā)出正常信號(hào);當(dāng)管中水流量減小時(shí)，靶桿上的作用力矩也減小。當(dāng)流量小到低于信號(hào)器動(dòng)作整定值時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)常閉接點(diǎn)閉合、常開(kāi)接點(diǎn)斷開(kāi)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
1.3 水位自動(dòng)檢測(cè)與顯示電路
1.3.1 水位檢測(cè)電路圖
若水位的相應(yīng)變化能通過(guò)信號(hào)燈顯示出來(lái)，則為水泵的開(kāi)停機(jī)提供了良好的監(jiān)測(cè)作用。圖3即為水位自動(dòng)控制與顯示電路圖。
1.3.2 水位自動(dòng)檢測(cè)與顯示電路原理
當(dāng)水位的變化使水位信號(hào)器中的浮子移動(dòng)到下限水位位置時(shí)，浮球中的磁鐵靠近下限水位干簧管0G，干簧管中的鐵鎳合金片受磁力影響，常開(kāi)接點(diǎn)閉合。見(jiàn)圖1和圖3。
路，OZJ繼電器線圈通電，繼電器吸合，OZJ常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，電流經(jīng)A點(diǎn)→1ZJ常閉
當(dāng)水位到達(dá)低水位時(shí)，浮子的磁鐵靠近低水位干簧管1G，1G常開(kāi)接點(diǎn)閉合。電流經(jīng)A點(diǎn)→1C
信號(hào)燈亮表示水位處于低水位。依此類推，2G閉合時(shí)，1XD信號(hào)燈滅，2XD中水位信號(hào)燈亮，表示水位處于中水位。3G閉合時(shí)，2XD信號(hào)燈滅，3XD高水位信號(hào)燈亮，提醒運(yùn)行人員注意設(shè)備安全。
2 水位自動(dòng)控制
2.1 排污泵自動(dòng)、手動(dòng)排水示意圖(見(jiàn)圖4)。
(1)潛水泵自動(dòng)控制電路，見(jiàn)圖5。
潛水泵自動(dòng)排水簡(jiǎn)單可靠，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班看守運(yùn)行，適用于滲水、積水量不大的低洼地區(qū)。
(2)潛水泵自動(dòng)、手動(dòng)排水工作原理控制電路見(jiàn)圖5。
合上HK開(kāi)關(guān)，拉開(kāi)ZK開(kāi)關(guān)即為手動(dòng)排水，原理簡(jiǎn)單，不再贅述。
2.2 有底閥灌水的離心泵自動(dòng)控制
(1)有底閥的離心泵自動(dòng)灌水示意圖見(jiàn)圖6。
做一水箱專為離心泵灌水，使水泵泵體內(nèi)時(shí)刻充滿水。水泵的吸水管徑在300 mm以下的小型水泵，可在吸水管上設(shè)置底閥，開(kāi)泵前向吸水管中灌水啟動(dòng)，設(shè)備和方法都較簡(jiǎn)單。由于吸水管水頭損失較大，且底閥易被雜質(zhì)、泥沙等堵塞而關(guān)不嚴(yán)，影響灌水啟動(dòng)，需經(jīng)常清理，故只適用于小型水泵。每臺(tái)離心泵出水管上一般都安置逆止閥，當(dāng)揚(yáng)程在20 m以下時(shí)，可以不設(shè)逆止閥。
(2)水箱澆灌水自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7。
為確保水箱內(nèi)有足夠量的水為離心泵灌水，水箱的體積以至少能灌滿一臺(tái)離心泵為準(zhǔn)，可采用防腐處理過(guò)的開(kāi)口油箱即可。
工作原理：電流經(jīng)C相→TA按鈕→ZK開(kāi)關(guān)→C1→C常閉→ZJ1線圈→A相，中間繼電器ZJ1通電吸合后常開(kāi)接點(diǎn)閉合，接通接觸器C線圈，電流經(jīng)C相→TA按鈕→ZJ1常開(kāi)(已閉合)→ZJ0常閉→C線圈→RJ常閉→A相。同時(shí)，接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合自保，鎖定自保回路;接觸器常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，切斷ZJ線圈回路，ZJ1繼電器斷電，常開(kāi)、常閉接點(diǎn)回原位。由此不難看出，接觸器C常閉的作用是避免ZJ1常開(kāi)接點(diǎn)啟動(dòng)接觸器C時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而設(shè)置的，以免在此時(shí)按停止按鈕時(shí)松開(kāi)后又再次啟動(dòng)。
(3)有底閥的離心泵水位自動(dòng)控制與顯示電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖8。
(4)有底閥的離心泵自動(dòng)控制電路原理見(jiàn)圖9。
和0XD信號(hào)燈斷電，繼電器斷電，銜接回歸原位，下限水位信號(hào)燈滅。1ZJ常閉接點(diǎn)的斷開(kāi)，使得2號(hào)電機(jī)回路中2C線圈回路切斷，2號(hào)電機(jī)不能運(yùn)行。
1ZJ常開(kāi)觸點(diǎn)的閉合發(fā)生下列動(dòng)作：
(a)電流經(jīng)A點(diǎn)→1ZJ常開(kāi)(已閉合)→0ZJ常閉→2ZJ常閉→1SJ常閉→1ZJ線圈→0點(diǎn)，低水位
控制線路自鎖;
(b)1號(hào)電機(jī)控制回路電流經(jīng)C點(diǎn)→1TA按鈕→1ZJ常開(kāi)(閉合)→0ZJ常閉→1C線圈→1RJ常閉→A點(diǎn)。
1ZJ常開(kāi)接點(diǎn)啟動(dòng)1號(hào)電機(jī)，1C接觸器吸合后，自保觸點(diǎn)閉合，自鎖回路，(注：1ZJ常開(kāi)接點(diǎn)1 s后會(huì)斷開(kāi)，因此，1ZJ常開(kāi)觸點(diǎn)只閉合1 s)。
1SJ時(shí)間繼電器通電延時(shí)1 s后，1SJ常開(kāi)接點(diǎn)閉合，自鎖回路;1SJ常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)切斷1ZJ線圈回路。
依此類推，中水位干簧管常開(kāi)接點(diǎn)2G閉合時(shí)，和上述情況相似，分別會(huì)使2XD信號(hào)燈亮顯示中水位和啟動(dòng)2號(hào)離心泵電機(jī)運(yùn)行。
綜上所述，水位到達(dá)下限水位時(shí)停1號(hào)電機(jī);水位到達(dá)低水位時(shí)啟動(dòng)1號(hào)泵電機(jī)，停2號(hào)泵電機(jī);水位到達(dá)中水位時(shí)啟動(dòng)2號(hào)泵電機(jī)。
另外，從電路圖中還可看出，當(dāng)1號(hào)泵上水量小或流量中斷時(shí)，示流信號(hào)器1SLX常閉接點(diǎn)閉合。電流經(jīng)A點(diǎn)→1C常開(kāi)(已閉合)→1SLX常閉→1DL→0點(diǎn)，電鈴1DL報(bào)警、鳴叫。2號(hào)泵流量小或不上水時(shí)，電鈴2DL報(bào)警鳴叫。
(5)帶底閥的離心泵自動(dòng)控制失靈時(shí)，可改為手動(dòng)操作。這時(shí)只需拉下HK開(kāi)關(guān)，按常規(guī)方法進(jìn)行手工操作。
2.3 無(wú)底閥的離心泵排水自動(dòng)化
2.3.1 真空吊水分析
吸水管不設(shè)底閥，水頭損失小，常用真空泵啟動(dòng)。真空泵引水啟動(dòng)迅速，效率較高，適用于各種規(guī)模的水泵。尤其是大型水泵和吸水管較長(zhǎng)的水管。水泵引水時(shí)間一般為3～5 min。
據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，有不少大型的給水泵站、排水泵站用的是水環(huán)式真空泵真空引水方式。這種方式中采用了真空罐、水封罐、汽水分離器、自動(dòng)排氣閥、電接點(diǎn)真空壓力表等設(shè)備。通過(guò)對(duì)它們的剖析不難看出，真空度越高，引水管中的水位被提得越高。盡管如此，由于離心泵泵體、進(jìn)水管中難免漏氣，實(shí)際上并不是很理想。筆者認(rèn)為，去掉真空罐、水封罐、自動(dòng)排氣閥后的真空泵仍能保持原有的排氣流量，保持其氣、水混合物在離心泵體內(nèi)的比值。
為了檢測(cè)氣、水的各自流量，制作了一個(gè)氣、水檢測(cè)器。該檢測(cè)器節(jié)省投資、安裝方便，適用于工地排水。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖10。
圖10中氣管、水管有一定高度差。氣管到積水水面的高度應(yīng)大于真空泵的吸程，以保證氣、水的正常分離。當(dāng)從離心泵里的氣、水混合物經(jīng)過(guò)氣、水檢測(cè)器時(shí)，根據(jù)氣、水分離原理，氣體的比重輕，大部分從氣管道中經(jīng)過(guò);水的比重比較大，絕大部分從水管中通過(guò)。氣道中的示流器檢測(cè)氣體流量;水管道中的示流器檢測(cè)水的流量。其氣體流量加水量就是氣、水混合體的總流量。
氣體流量臨界值是指在離心泵內(nèi)充滿水、氣的情況下，離心泵內(nèi)葉片旋轉(zhuǎn)能抽上水時(shí)，氣體在氣水混合物中所占的最小百分比。不同型號(hào)的水泵有其不同的氣體流量臨界值，需要在實(shí)踐中測(cè)定。
氣、水檢測(cè)器的原理就是氣體流量大于整定動(dòng)作流量時(shí)，示流器1SLX的電接點(diǎn)閉合或斷開(kāi)，
出信號(hào)，水流量大于整定動(dòng)作流量時(shí)，2SLX的電接點(diǎn)閉合或斷開(kāi)，發(fā)出信號(hào)見(jiàn)圖11。它們的組合接點(diǎn)回路的開(kāi)、斷會(huì)發(fā)出開(kāi)啟離心泵的信號(hào)。
2.3.2 真空泵吊水示意圖(見(jiàn)圖12)
此電路和上一節(jié)中所講的差不多，只不過(guò)多加了兩個(gè)電磁閥線圈。在開(kāi)啟離心泵前先開(kāi)啟真空泵抽出離心泵中的空氣，當(dāng)空氣和水的混合體被抽上來(lái)時(shí)，由于真空泵的吸程較氣管的高度低，所以氣體和水在氣水檢測(cè)器中分離。氣體經(jīng)過(guò)氣體管道，水經(jīng)過(guò)水管道后被真空泵抽入氣體分離器。氣體分離器中的水是專為真空泵密封和冷卻用的。
圖12中的電磁閥只在真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)打開(kāi)，而在離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)關(guān)閉。
真空泵開(kāi)啟后，電磁閥1DCF通電打開(kāi)閥門，真空泵吊水，氣、水經(jīng)過(guò)氣、水檢測(cè)器時(shí)發(fā)出開(kāi)1號(hào)離心泵信號(hào)，1號(hào)離心泵啟動(dòng)運(yùn)行。
同理，當(dāng)積水水位到達(dá)中水位時(shí)，2ZJ常開(kāi)接點(diǎn)的閉合開(kāi)啟真空泵，電磁閥2DCF打開(kāi)，氣、水經(jīng)過(guò)氣、水檢測(cè)器時(shí)發(fā)出開(kāi)啟2號(hào)離心泵的信號(hào)，2號(hào)離心泵啟動(dòng)運(yùn)行，見(jiàn)圖13。
當(dāng)自動(dòng)控制失靈時(shí)，可拉下HK開(kāi)關(guān)，合上1SK，開(kāi)啟真空泵吊水，最后開(kāi)啟1號(hào)離心泵。同理，合上2SK，開(kāi)啟真空泵吊水，再開(kāi)啟2號(hào)離心泵就達(dá)到了手動(dòng)控制的目的。
2.3.3 真空泵吊水自動(dòng)控制及1號(hào)離心泵、2號(hào)離心泵自動(dòng)控制線路設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖14)
當(dāng)積水水位到達(dá)低水位時(shí)，1ZJ常開(kāi)接點(diǎn)的閉開(kāi)啟真空泵，如在3～5 min內(nèi)1號(hào)泵不開(kāi)啟時(shí)電鈴報(bào)警。真空泵開(kāi)啟后，電磁閥1DCF通電打開(kāi)閥門，真空吊水、氣、水經(jīng)過(guò)氣、水檢測(cè)器時(shí)發(fā)出開(kāi)1號(hào)離心泵信號(hào)，1號(hào)離心泵啟動(dòng)進(jìn)行。
同理，當(dāng)積水水位到達(dá)中水位時(shí)，2ZJ常開(kāi)接點(diǎn)的閉合開(kāi)啟真空泵，電磁閥2DCF打開(kāi)，氣、水經(jīng)過(guò)氣、水檢測(cè)器時(shí)發(fā)出開(kāi)啟2號(hào)離心泵的信號(hào)，2號(hào)離心泵啟動(dòng)運(yùn)行，見(jiàn)圖13。
當(dāng)自動(dòng)控制失靈時(shí)，可拉下HK開(kāi)關(guān)，合上1SK，開(kāi)啟真空泵吊水，最后開(kāi)啟1號(hào)離心泵。同理，合上2SK，開(kāi)啟真空泵吊水，再開(kāi)啟2號(hào)離心泵就達(dá)到了手動(dòng)控制的目的。
工地排水是每一個(gè)工地不可缺少的重要工序，消耗能源大、投入人力多，對(duì)排水控制電路要求簡(jiǎn)單、可靠。以上介紹的自動(dòng)控制原理，能節(jié)省勞力投入，在控制電路出故障時(shí)能很方便地改為人工操作，以保證排水工作不間斷，因此，節(jié)電效果明顯。
以一枯為例，某一泵點(diǎn)設(shè)置了一臺(tái)8(20.3 cm)泵，流量為400 m\+3/h，揚(yáng)程40 m，電機(jī)功率為55kW，通常情況下，控制閥門的出水量24 h運(yùn)轉(zhuǎn)。基坑滲水量為150 m\+3/h。由于閥門關(guān)小了，水泵負(fù)載減輕，實(shí)測(cè)電機(jī)運(yùn)行電流60 A左右，折合功率，按此推算，每臺(tái)8(20.3 cm)泵每月可節(jié)約13 500 kW·h電。年節(jié)約達(dá)162 000 kW·h。節(jié)電效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
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