變頻設(shè)備在灌溉泵站工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李偉

（新疆奎屯農(nóng)七師勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院（有限公司） 奎屯市 833200）

1 灌溉泵站問(wèn)題的提出

對(duì)于灌溉泵站來(lái)說(shuō)，作物生育期需水量呈峰谷型變化，供水過(guò)程變化頻繁，梯級(jí)泵站也會(huì)因?yàn)樯?、下?jí)流量配合不當(dāng)發(fā)生棄水或斷流等情況，造成運(yùn)行失調(diào)，能源浪費(fèi)，甚至造成工程事故。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，梯級(jí)泵站級(jí)間的不平衡，主要是因?yàn)楣喔戎贫取⑦M(jìn)出水池水位變化、水泵并聯(lián)效應(yīng)等原因造成的，常規(guī)辦法一般是通過(guò)大、小泵配合，減少單機(jī)規(guī)模，增加臺(tái)數(shù)，必要時(shí)設(shè)置專門的調(diào)節(jié)水泵來(lái)解決，甚至依靠產(chǎn)生棄水來(lái)保障灌溉保證率。

水泵臺(tái)數(shù)越多，泵站的靈活性越高，但設(shè)備的閑置率越大，設(shè)備投資、土建工程量也會(huì)相對(duì)偏大；反之，可能會(huì)導(dǎo)致水泵偏離高效區(qū)運(yùn)行或長(zhǎng)期產(chǎn)生棄水，增大成本，給工程運(yùn)行管理造成諸多不便。

2 變頻設(shè)備的應(yīng)用

變頻設(shè)備是利用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)對(duì)供電頻率的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制設(shè)備，可以把50Hz的固定頻率改為（30～130）Hz的變化頻率，使電壓適應(yīng)范圍達(dá)到（142～270）V。在灌溉泵站運(yùn)行中具有啟動(dòng)平緩、隨時(shí)調(diào)整出力、實(shí)現(xiàn)軟停止消除水錘等優(yōu)點(diǎn)。

新疆某新建灌區(qū)灌溉面積0.69萬(wàn)hm2（10.4萬(wàn)畝），南北平均寬7km，落差198m，東西平均長(zhǎng)10 km左右。項(xiàng)目區(qū)屬北溫帶大陸性半荒漠氣候，夏季炎熱干燥，降水少，春秋季氣候多變，冬季寒冷漫長(zhǎng)，多年平均氣溫7.9℃，多年平均降水量170mm，年均蒸發(fā)量1614m，蒸發(fā)量是降水量的9.5倍，是典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)。

由于灌區(qū)地形位置較高，規(guī)劃階段提出采用揚(yáng)水方式來(lái)解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問(wèn)題，項(xiàng)目區(qū)地處資源型缺水地區(qū)，蒸發(fā)量巨大，因此降低蒸發(fā)、滲漏損失顯得尤為重要，特別是對(duì)提水工程來(lái)說(shuō)，水資源就更顯珍貴。設(shè)計(jì)全部采用管道輸水的方案，從提水、配水，一直到田間灌溉，用工程措施在各方面提高灌溉水利用系數(shù)。

在可研、初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)工程布置和運(yùn)行靈活性，將灌區(qū)分為東西兩個(gè)片區(qū)，各片區(qū)分別布置4個(gè)梯級(jí)泵站，灌區(qū)灌溉方式采用提水+自壓滴灌的方式進(jìn)行灌溉，東區(qū)控制灌溉面積0.39萬(wàn)hm2（5.86萬(wàn)畝），西區(qū)控制灌溉面積0.30萬(wàn)hm2（4.54萬(wàn)畝）。以東區(qū)一級(jí)泵站為例，一級(jí)泵站為東區(qū)的龍頭泵站，提水量是整個(gè)東區(qū)的灌溉水量，二、三、四級(jí)泵站提水量逐級(jí)遞減。圖1為一級(jí)泵站的供水過(guò)程線。

圖1 一級(jí)泵站供水過(guò)程線

從供水過(guò)程線來(lái)看，最小流量0.35m3/s出現(xiàn)在4月，最大流量2.18m3/s出現(xiàn)在7月，峰谷比為6.2∶1。按照常規(guī)方法選泵時(shí)，為滿足絕大部分時(shí)間水泵在高效區(qū)運(yùn)行，需配置不同型號(hào)的水泵，通過(guò)流量搭配來(lái)滿足灌溉過(guò)程要求，給工程運(yùn)行管理帶來(lái)諸多不便。本次設(shè)計(jì)引入了變頻設(shè)備控制，在水泵選型時(shí)采用同型號(hào)的水泵，變頻調(diào)整出力，不僅節(jié)約了電能，而且提高了運(yùn)行管理水平，同時(shí)也適當(dāng)?shù)毓?jié)約了土建和設(shè)備工程的投資，提高了對(duì)并聯(lián)后出水管路運(yùn)行的穩(wěn)定性。

根據(jù)本工程的具體特點(diǎn)，泵型選擇應(yīng)遵循以下基本原則：

（1）水泵聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，應(yīng)滿足灌區(qū)作物不同生育期的水量、流量要求。

（2）在平均揚(yáng)程時(shí)，水泵應(yīng)在高效區(qū)運(yùn)行，并具有良好的抗氣蝕性能；在整個(gè)揚(yáng)程范圍內(nèi)，水泵應(yīng)能安全、穩(wěn)定運(yùn)行，不得產(chǎn)生氣蝕和動(dòng)力過(guò)載。

（3）灌溉泵站選擇主泵臺(tái)數(shù)按流量大小取3～9臺(tái)，同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行的水泵不超過(guò)4臺(tái)。

（4）一級(jí)泵站是東區(qū)系統(tǒng)重要的水源泵站，泵站設(shè)置一套備用機(jī)組；其余3個(gè)梯級(jí)泵站，可將年利用小時(shí)數(shù)低的機(jī)組作為備用機(jī)組，以減少設(shè)備閑置，降低投資。

（5）本工程共有4個(gè)梯級(jí)泵站，考慮到水泵型號(hào)太多會(huì)給以后的運(yùn)行管理帶來(lái)不便。原則上，在工程量相差不大的情況下，同一泵站內(nèi)，機(jī)組型號(hào)應(yīng)統(tǒng)一，方便運(yùn)行管理；水泵臺(tái)數(shù)盡量少，降低投資。

（6）采用變速調(diào)節(jié)時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速下降幅度不宜超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的30%；提高轉(zhuǎn)速時(shí)，不宜超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的5%，以防止動(dòng)力機(jī)超載，機(jī)組振動(dòng)，損壞設(shè)備。

本工程設(shè)計(jì)選取了4臺(tái)工作泵，1臺(tái)備用泵，5臺(tái)水泵型號(hào)相同，運(yùn)行時(shí)最大并聯(lián)臺(tái)數(shù)4臺(tái)，5臺(tái)水泵互為備用。設(shè)計(jì)流量1965m3/s，為泵站設(shè)計(jì)流量的25%，設(shè)計(jì)揚(yáng)程97.4m，最大揚(yáng)程98.7m，最小揚(yáng)程89.3m，加權(quán)平均揚(yáng)程95.1m，根據(jù)水泵流量揚(yáng)程，摘錄出國(guó)內(nèi)某水泵廠家與之相適應(yīng)的雙吸單級(jí)臥式離心泵的基本特性曲線。見(jiàn)圖2。

圖2 Sh500-6/6基本特性曲線

附表 不同效率η時(shí)的相似拋物線常數(shù)C

圖3中列出了η=76%～84%的相似工況拋物線，確定出水泵高效區(qū)的范圍。

圖3 相似工況拋物線

變頻設(shè)備改變電流頻率對(duì)水泵進(jìn)行變速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)計(jì)算公式為

式中 n——水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速；

f——電流頻率（50Hz）；

P——電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，Sh500-6/6磁極對(duì)數(shù)為3。根據(jù)比例律公式求出變速后水泵的Q-H特性曲線（圖4）。比例律公式為

圖4 變速后水泵的Q-H特性曲線

式中 Hi——η=76%、78%、80%、84%時(shí)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程；

Qi——各水泵效率下對(duì)應(yīng)的流量；

n——水泵額定轉(zhuǎn)速（r/min）；

Hi′——變速后水泵揚(yáng)程；

Qi′——變速后水泵流量；

ni′——變速后水泵轉(zhuǎn)速（r/min）。

圖4中Q-H′和Q-H″兩條曲線，分別為將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至1010r/min和930r/min后，按照比例律公式確定的流量～揚(yáng)程關(guān)系曲線；同時(shí)根據(jù)相似工況拋物線也基本可以確定出轉(zhuǎn)速改變后水泵的高效區(qū)范圍區(qū)間。

調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)注意水泵轉(zhuǎn)速下降幅度不宜超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的30%，提高轉(zhuǎn)速不宜超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的5%，以防止動(dòng)力機(jī)超載，機(jī)組振動(dòng)，損壞設(shè)備。根據(jù)這一原則該水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為（693～1039）r/ min，調(diào)整時(shí)應(yīng)依據(jù)管路特性曲線選取合理的轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍。

圖4中管路特性曲線Q-H需與水泵基本特性曲線Q-H的交點(diǎn)即為水泵的工作點(diǎn)。圖中B點(diǎn)為單泵額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)，效率為82.7%。

A點(diǎn)為降低水泵轉(zhuǎn)速到930r/min時(shí)的工作點(diǎn)，效率為76%，轉(zhuǎn)速降低了6%。在基本保證不損失揚(yáng)程和效率的情況下，流量由額定轉(zhuǎn)速下的2265m3/h降低到1155m3/h，流量減小了49%，輸出電流頻率46.5Hz，頻率下調(diào)7%；C點(diǎn)為提高轉(zhuǎn)速到1010r/ min時(shí)的工作點(diǎn)，效率為80%，轉(zhuǎn)速升高了2%，流量由 2265m3/h增加到了 2514m3/h，流量增加了11%，輸出電流頻率為50.5Hz，頻率升高了1%。

因此可以看出，水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，對(duì)運(yùn)行工況的調(diào)整效果十分明顯。轉(zhuǎn)速只需要進(jìn)行微小調(diào)整，在高效區(qū)范圍內(nèi)，流量會(huì)得到較大的改變。

對(duì)于本工程，雖然水泵仍有調(diào)整的空間，但根據(jù)水泵基本特性曲線和管路特性曲線來(lái)看，繼續(xù)升高或降低轉(zhuǎn)速水泵會(huì)偏離高效區(qū)，增加運(yùn)行費(fèi)用，根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50265-2010）9.1.11規(guī)定：“離心泵站的裝置效率不宜低于65%～70%，新建泵站裝置宜取高值”。對(duì)于一些歷時(shí)較短的極端工況，也是可以保證灌溉用水要求的。

對(duì)于本工程而言，在供水過(guò)程線變化時(shí)，可以通過(guò)并聯(lián)多臺(tái)水泵，調(diào)整1臺(tái)或2臺(tái)水泵的出力來(lái)滿足需水過(guò)程，運(yùn)行十分靈活。當(dāng)水泵調(diào)整轉(zhuǎn)速并聯(lián)后，采用不同型號(hào)水泵并聯(lián)時(shí)工作點(diǎn)的確定方法繪制水泵并聯(lián)Q-H圖，Q-H線與管路特性曲線的交點(diǎn)即為并聯(lián)后水泵的工作點(diǎn)。圖5中“×”為整個(gè)灌溉期的供水流量，所有流量過(guò)程都在兩條Q-H曲線的中間，水泵基本都能在高效區(qū)運(yùn)行。

圖5 水泵并聯(lián)Q-H圖

根據(jù)計(jì)算，最多需要調(diào)整兩臺(tái)水泵的出力即可滿足要求，雖然在個(gè)別流量下，水泵會(huì)偏離高效區(qū)運(yùn)行，但以保證灌溉發(fā)生棄水的原則運(yùn)行時(shí)，全年灌溉期內(nèi)，棄水量共計(jì)3.51萬(wàn)m3，僅占到全年總供水量2083萬(wàn)m3的0.17%，效益十分明顯。

各級(jí)泵站采用變頻設(shè)備控制后，可以輕松地控制各梯級(jí)的提水流量，基本消除棄水或斷流的工況，對(duì)節(jié)能減排，降低運(yùn)行費(fèi)用有積極作用；變頻設(shè)備的軟停止，可以緩慢降低水泵出力，避免因緊急停泵帶來(lái)的水錘危害，對(duì)工程運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性起著不可替代的作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

變頻控制設(shè)備具有調(diào)整范圍大、啟動(dòng)平緩、隨時(shí)調(diào)整出力、實(shí)現(xiàn)軟停止、減小水錘、管路運(yùn)行穩(wěn)定等多重優(yōu)點(diǎn)。特別是在梯級(jí)泵站的灌溉運(yùn)行中，通過(guò)不同工況組合使水泵在高效區(qū)運(yùn)行，基本可以達(dá)到供水期無(wú)棄水。在節(jié)能減排、降低運(yùn)行費(fèi)用、管理靈活方便、提高經(jīng)濟(jì)效益、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減少設(shè)備和土建工程量，降低投資等方面都有著不可替代的作用。

[1]欒鴻儒.水泵與水泵站[M].北京：中國(guó)水利水電出版社.