大型梯級提水灌溉泵站水泵變頻分析研究

孫玉涵，劉紹謙，沈珊珊

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450003)

1 工程概況

某揚(yáng)黃工程主干線經(jīng)一級泵站(取水泵站)從黃河青銅峽東干渠取水，經(jīng)改造后的二泵站～五泵站梯級輸水至分水閘，向南到達(dá)甘肅的分水點(diǎn)，向東到陜西分水點(diǎn)。改造后的泵站級間全部采用壓力管道和明渠輸水。

改造前，泵站各級之間流量調(diào)節(jié)主要是依靠調(diào)節(jié)開停泵的臺數(shù)來進(jìn)行流量匹配。根據(jù)《泵站2011年-2015年各泵站機(jī)組運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表》，各泵站年平均開停泵次數(shù)達(dá)到300次左右。

開停水泵的運(yùn)行方式會在前池中形成水力振蕩。棄水造成水電資源浪費(fèi)，頻繁開停泵造成機(jī)組軸承、泵軸加速疲勞壞損，頻繁的啟動導(dǎo)致大電流加速電動機(jī)絕緣老化，縮短電動機(jī)使用壽命，增加了運(yùn)行維護(hù)成本。因此，針對現(xiàn)狀泵站情況，對改造后新二泵站～五泵站設(shè)置水泵變頻(調(diào)速)措施來解決泵站級間流量偏差大，水電資源浪費(fèi)的情況。

2 梯級提水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

合并后新一泵站～五泵站設(shè)計(jì)流量詳見表1，合并后各級泵站壓力管道參數(shù)見表2。

表1 一泵站～五泵站流量參數(shù)表 m3/s

表2 一泵站～五泵站壓力管道參數(shù)表

3 水泵變頻分析研究

某揚(yáng)黃工程各新建泵站流量較大，揚(yáng)程適中，選用單級雙吸臥式離心泵。

一級取水泵站現(xiàn)安裝有6臺立式混流泵，水泵主要參數(shù)見表3。

表3 一泵站水泵參數(shù)表

從表3可以看出，一級泵站存在大中小三種水泵，單泵流量差別較大，因此下級泵站的水泵選擇應(yīng)考慮與首級泵站的水泵匹配，并且技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理。

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)規(guī)范，梯級泵站間流量搭配應(yīng)合理，在正常情況下不應(yīng)棄水，也不得用閥門調(diào)節(jié)流量。

通常情況下，若一級提水泵站來流較大，而下級泵站水泵提水能力不足，則下級泵站前池需要頻繁棄水，由此造成水資源的浪費(fèi)以及首級泵站電能的浪費(fèi)，無法滿足泵站節(jié)能設(shè)計(jì)的要求。

若采用閥門調(diào)節(jié)流量，則閥門過流流量特性與閥門開度相關(guān)。閥門流量特性有快開流量特性，等百分比(對數(shù))流量特性，直線流量特性，拋物線流量特性等。

通常泵站進(jìn)出水閥門采用閘閥，球閥或者蝶閥這三種類型。蝶閥流量特性接近等百分比特性，閘閥流量特性接近于直線特性，球閥流量特性在啟閉階段為直線特性，中間開度為等百分比特性。具體如圖1所示。

圖1 各種閥門流量特性

采用閥門調(diào)節(jié)流量時，閘閥只能工作于全開或全關(guān)狀態(tài)，不能用來調(diào)流。蝶閥和球閥只在閥門開度為中間狀態(tài)時為等百分比特性，但啟閉階段為直線特性，尤其蝶閥在小開度開啟的過程中，蝶板受到水流擾動大，導(dǎo)致蝶板受力不均衡，容易產(chǎn)生裂紋，因此，蝶閥和球閥也不宜直接用來調(diào)節(jié)流量。即使是等百分比流量特性的閥門，當(dāng)開度改變時，閥門水阻系數(shù)大大增加，水泵管路特性曲線改變，調(diào)流目的雖然達(dá)到，但大部分能量都被消耗在閥門上以及泵出口閥的壓降上面，同時，流量調(diào)節(jié)過程中也容易產(chǎn)生壓力脈動或水擊[5]，對于并聯(lián)運(yùn)行的工作機(jī)組間的配合運(yùn)行控制也比較困難，同時被操作閥門本身的穩(wěn)定性也無法控制。而變頻調(diào)速則不改變管路特性曲線，只是通過改變水泵的特性曲線來進(jìn)行調(diào)節(jié)，操作運(yùn)行上有較大的靈活性和安全性，相比之下，節(jié)能及安全優(yōu)勢明顯[7]。

本文以二泵站為例，對水泵工頻及變頻運(yùn)行兩種方式加以對比分析。

3.1 水泵工頻運(yùn)行時的泵站級間流量匹配

二泵站供水初步確定安裝6臺單級雙吸中開臥式離心泵，其中設(shè)置5臺大泵(4用1備)和1臺小泵，運(yùn)行方式為4臺大泵和1臺小泵，備用1臺大泵。

泵站分為3個泵組，3排出水管道。其中，泵組2和泵組3分別由一臺工頻大泵和一臺變頻大泵組成，出水管線均為一根DN2000 BCCP管道；泵組1由一臺工頻大泵和一臺工頻小泵組成，出水管線為一根DN1800 BCCP管道。泵組布置示意圖見圖2。

圖2 二泵站泵組布置示意圖

根據(jù)泵站的大小泵組合布置方式及泵站供水流量需求，初步確定單臺供水大泵設(shè)計(jì)流量為2.63 m3/s，單臺小泵供水設(shè)計(jì)流量為0.90 m3/s。

根據(jù)二泵站3個泵組存在的各種運(yùn)行工況，分別繪制管路特性曲線和水泵并聯(lián)曲線，對各機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行分析計(jì)算。

由于存在大小泵在相同的水位下并聯(lián)工作，以及同型號水泵泵組布置不對稱，不能使用等揚(yáng)程下流量疊加的原理，因此需要采用折引特性曲線法[1]將同一泵組上并聯(lián)的每臺水泵在匯合點(diǎn)前的水損扣除，對匯合點(diǎn)以后的水泵采用等揚(yáng)程下流量疊加法來求水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)。

以上圖2其中一個泵組系統(tǒng)為例，采用折引特性曲線法的基本計(jì)算公式如下：

H=▽出-▽進(jìn)-∑hAC

(1)

∑hAC=Sx·Q2

(2)

對二泵站按設(shè)計(jì)流量(11.0 m3/s)、泵站次大流量A(9.7 m3/s)和次大流量B(8.7 m3/s)、1/2泵站設(shè)計(jì)流量(5.5 m3/s)四種流量工況，列表分析一泵站與二泵站級間匹配流量，見表4。

表4 二泵站與一泵站流量匹配

由表4可以看出，當(dāng)泵站水泵機(jī)組運(yùn)行在次大流量B(8.7 m3/s)和1/2泵站設(shè)計(jì)流量(5.5 m3/s)兩種流量工況時，一級泵站與二級泵站之間的流量差較大。具體表現(xiàn)為一級泵站來水流量小于二級泵站的總提水流量，流量差值高達(dá)0.49 m3/s。

一級泵站來流較小，二級泵站前池將很快被抽空，二級泵站部分機(jī)組將被迫停機(jī)至前池水位滿足提水要求才能再次啟動，導(dǎo)致二級泵站水泵機(jī)組啟停頻繁，加速機(jī)組設(shè)備的疲勞，降低機(jī)組壽命，因此要針對二級泵站采取一定的措施，使二級泵站水泵運(yùn)行能與一級泵站匹配，保障機(jī)組的安全運(yùn)行。

3.2 水泵變頻調(diào)節(jié)運(yùn)行的泵站流量匹配

流體流過水泵時，揚(yáng)程增量與葉輪轉(zhuǎn)速、外徑均有關(guān)。當(dāng)水泵選定后，泵外徑一般固定，調(diào)節(jié)起來明顯有困難。由水泵的比例定律：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：n1、n2分別為水泵的轉(zhuǎn)速，r/min；Q1、Q2分別轉(zhuǎn)速為n1、n2時對應(yīng)的水泵的流量，m3/s；H1、H2分別為轉(zhuǎn)速為n1、n2時對應(yīng)的水泵的揚(yáng)程，m；N1、N2分別為轉(zhuǎn)速為n1，n2時對應(yīng)的水泵的軸功率，kW；NPSH1、NPSH2分別為轉(zhuǎn)速為n1、n2時對應(yīng)的水泵的必需汽蝕余量，m。

由式(3)～式(6)可見，通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速就能改變水泵的流量、揚(yáng)程和軸功率，從而達(dá)到流量調(diào)節(jié)和減少單位流量所消耗的功率的要求。水泵轉(zhuǎn)速的改變可以通過設(shè)置變頻器改變電動機(jī)輸入電源的頻率，達(dá)到改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)水泵流量調(diào)節(jié)。

水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速比原先的額定轉(zhuǎn)速調(diào)高時，水泵葉輪與電機(jī)轉(zhuǎn)子的離心應(yīng)力將會增加，如果材質(zhì)的抗裂性能較差或者鑄造時均勻性較差，就有可能出現(xiàn)機(jī)械性的損裂，嚴(yán)重時可能出現(xiàn)葉輪飛裂現(xiàn)象。因此，水泵一般不調(diào)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速比原先的額定轉(zhuǎn)速調(diào)低時，由于水泵的壓力與水泵轉(zhuǎn)速的平方成正比，轉(zhuǎn)速下降會導(dǎo)致壓力急劇下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的70%時，壓力會下降到原設(shè)計(jì)壓力的49%[6]。正常水泵的工作壓力范圍為最大靜壓的60%左右[4]，因此一般建議水泵正常運(yùn)行時水泵轉(zhuǎn)速下降不超過額定轉(zhuǎn)速的25%。

另外，相似定律的提出是基于同一模型，同一水質(zhì)，同一環(huán)境條件，水泵葉輪，進(jìn)出口不變的條件下，效率不變的情況下得出。實(shí)際上根據(jù)實(shí)驗(yàn)，水泵調(diào)速范圍超過一定值時，相應(yīng)點(diǎn)的效率會發(fā)生變化。實(shí)測效率曲線與理論效率曲線只在高效段范圍內(nèi)才吻合[1]。

因此采用變速調(diào)節(jié)時，水泵變頻調(diào)速下降幅度不宜低于額定轉(zhuǎn)速20%。

實(shí)際制作變頻曲線時，為了保證水泵變頻后工作點(diǎn)仍處于高效區(qū)，采用等效率法計(jì)算水泵變頻后的工作曲線。等效率法曲線是一條工況相似的二次拋物線，如圖3所示。

圖3 等效率曲線示意圖

計(jì)算公式如下：

(7)

H=kQ2

(8)

實(shí)際工作時首先求取水泵工頻運(yùn)行時的額定工作點(diǎn)，通過水泵單泵特性曲線(圖3中Q～H曲線)與管路特性曲線(圖3中Q～∑h曲線)交點(diǎn)求出額定工作點(diǎn)A的參數(shù)，得出額定工作點(diǎn)流量QA及工作揚(yáng)程HA的參數(shù)。求出系數(shù)k并做出相似拋物線(圖3中H=kQ2曲線)，然后利用公式(7)和(8)得出水泵各個變頻曲線下的工作點(diǎn)參數(shù)。從圖3中可以看出，A、B點(diǎn)均坐落在相似工況拋物線，二者效率基本相同。

二泵站泵組2中的1臺大泵和泵組3中的1臺大泵配置變頻器用于調(diào)節(jié)匹配的流量。針對泵站4種運(yùn)行流量工況的運(yùn)行流量調(diào)節(jié)，實(shí)際運(yùn)行時，考慮機(jī)組的合理搭配運(yùn)行，4種流量工況只開啟泵組2中的1臺大泵變頻運(yùn)行。

二泵站的變頻參數(shù)范圍，見曲線圖4。圖中示意了水泵轉(zhuǎn)速為100%n、98.93%n、98.56%n、96.45%n和92.00%n五條揚(yáng)程～流量以及流量～效率曲線、二條汽蝕余量曲線(因?yàn)槠g余量隨著轉(zhuǎn)速變化的變化量很小，為了便于看圖清晰，只示意了100%n和92%n的汽蝕余量曲線)和壓力管道特性曲線。虛線示意了水泵的參數(shù)工作范圍。

為了便于了解變頻+工頻的運(yùn)行參數(shù)范圍，在圖5中，示意了100%n和94.5%n的水泵工作參數(shù)變化范圍。

圖4 二泵站變頻泵單泵運(yùn)行的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍曲線

圖5 二泵站變頻泵+工頻泵運(yùn)行的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍曲線

二泵站泵組2中的1臺大泵和泵組3中的1臺大泵配置變頻器用于調(diào)節(jié)匹配的流量。針對泵站4種運(yùn)行流量工況的運(yùn)行流量調(diào)節(jié)，實(shí)際運(yùn)行時，考慮機(jī)組的合理搭配運(yùn)行，4種流量工況只開啟泵組2中的1臺大泵變頻運(yùn)行。

由表5看出：

(1)在泵站供水流量為11.4 m3/s的工作條件下，為消除級間流量的不平衡差值，二泵站泵組2 的1臺變頻水泵需要將水泵流量由3.09 m3/s調(diào)節(jié)為2.90 m3/s，由此必須將電機(jī)頻率由50 Hz的頻率調(diào)節(jié)為49.28 Hz，變頻泵的效率由工頻運(yùn)行時的92.24%調(diào)節(jié)為91.71%，效率下降0.53%。

(2)在泵站供水流量為9.6 m3/s的工作條件下，為消除級間流量的不平衡差值，二泵站泵組2 的1臺變頻水泵需要將水泵流量由3.09 m3/s調(diào)節(jié)為2.95 m3/s，由此必須將電機(jī)頻率由50 Hz的頻率調(diào)節(jié)為49.46 Hz，變頻泵的效率由工頻運(yùn)行時的92.24%調(diào)節(jié)為91.82%，效率下降0.42%。

(3)在泵站供水流量為8.7 m3/s的工作條件下，為消除級間流量的不平衡差值，二泵站泵組2 的1臺變頻水泵需要將水泵流量由3.09 m3/s調(diào)節(jié)為2.61 m3/s，由此必須將電機(jī)頻率由50 Hz的頻率調(diào)節(jié)為48.22 Hz，變頻泵的效率由工頻運(yùn)行時的92.24%調(diào)節(jié)為90.59%，效率下降1.65%。

(4)在泵站供水流量為5.6 m3/s的工作條件下，為消除級間流量的不平衡差值，二泵站泵組2 的1臺變頻水泵需要將水泵流量由3.09 m3/s調(diào)節(jié)為2.60 m3/s，由此必須將電機(jī)頻率由50 Hz的頻率調(diào)節(jié)為48.22 Hz，變頻泵的效率會由工頻運(yùn)行時的92.24%調(diào)節(jié)為90.59%，效率下降1.65%。

表5 二泵站泵組2單泵變頻調(diào)節(jié)工作參數(shù)變化情況

由以上的數(shù)據(jù)可以看出，若變頻水泵的流量調(diào)節(jié)是往流量下降方向調(diào)節(jié)，即流量調(diào)節(jié)將向水泵特性曲線的左側(cè)移動，水泵工作越偏左，級間流量的不匹配流量差值越大，調(diào)節(jié)范圍將會越大，由此引起的效率下降值也會越多。

因?yàn)槠g余量的變化與水泵轉(zhuǎn)速的二次方成正比，轉(zhuǎn)速變化范圍不大，由此汽蝕余量的變化也不大，因此在數(shù)據(jù)表格中沒有列出汽蝕余量的數(shù)值，可以基本忽略轉(zhuǎn)速變化對汽蝕余量的影響。

4 結(jié) 論

隨著變頻供水技術(shù)的逐漸普及，以及日益突出的大型泵站節(jié)能要求，變頻技術(shù)在水泵站的應(yīng)用越來越廣泛。本文針對某揚(yáng)黃工程梯級泵站調(diào)水的運(yùn)行特點(diǎn)及要求，結(jié)合水泵相似理論求解了下級泵站水泵機(jī)組在各種轉(zhuǎn)速下的單泵特性以及汽蝕，效率性能曲線，分析總結(jié)了下級泵站水泵機(jī)組采用變頻運(yùn)行的必要性和可行性，研究結(jié)果表明，通過對下級泵站工頻及變頻泵曲線的分析，能合理地確定下級泵站水泵的變頻范圍，從而調(diào)整水泵供水流量，達(dá)到與上級泵站的流量匹配，實(shí)現(xiàn)泵站流量調(diào)節(jié)的目的，同時還能保證水泵高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。