恒速泵改變頻驅(qū)動(dòng)及解決其過(guò)流量問(wèn)題的探討

仲崇威，張大奇，紀(jì)豐遠(yuǎn)

（大連市供水有限公司，遼寧 大連 116011）

1 問(wèn)題的提出

大連市英那河泵站1號(hào)恒速泵在運(yùn)行中存在過(guò)流量問(wèn)題，即水泵在運(yùn)行時(shí)的流量超過(guò)額定流量，最多時(shí)超出30%以上。過(guò)流量可導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇、噪聲加大，長(zhǎng)期下去就將使設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生金屬疲勞；過(guò)流量時(shí)水泵也容易產(chǎn)生汽蝕，造成泵殼及葉輪損傷，縮短水泵的使用壽命；過(guò)流量也使水泵效率降低，導(dǎo)致供水單耗增加。這些情況對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行是不利的。

2 解決問(wèn)題的辦法

2.1 車(chē)削水泵葉輪

適當(dāng)車(chē)削水泵葉輪來(lái)降低恒速泵的流量，水泵葉輪車(chē)削定律是：水泵葉輪車(chē)削后的直徑D1、流量Q1、揚(yáng)程H1、功率P1與水泵車(chē)削前的直徑D、流量Q、揚(yáng)程H、功率P之間的關(guān)系是 Q/Q1=D/D1，H/H1=（D/D1）2，P/P1=（D/D1）3。用這些關(guān)系式可以作出水泵葉輪車(chē)削后的水泵特性曲線，這條曲線被稱作是原特性曲線的相似特性曲線。相似特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)就為新的水泵工作點(diǎn)。葉輪車(chē)削后，水泵運(yùn)行時(shí)的輸出流量相對(duì)減少了，降低了水泵的過(guò)流量程度，甚至可以完全解決水泵的過(guò)流量問(wèn)題。

水泵的比轉(zhuǎn)速：

式中：n為水泵的轉(zhuǎn)速，r/min；q為水泵的流量，m3/s；j為首級(jí)葉輪吸入口數(shù)，雙吸泵為2倍（英那河泵站的水泵為水平中開(kāi)雙吸離心泵）；h為水泵的揚(yáng)程，m；i為葉輪級(jí)數(shù)，在這里為1。

根據(jù)水泵的車(chē)削規(guī)定，比轉(zhuǎn)速為60＜Ns＜120的水泵，葉輪外徑車(chē)削的最大允許量為葉輪直徑的20%。這么大的車(chē)削量可以使恒速泵的工作流量基本滿足要求，處于額定流量附近，運(yùn)行中不會(huì)過(guò)流量或略過(guò)一點(diǎn)，這是允許的。最大允許量是以水泵效率不因葉輪的車(chē)削而降低為前提的。

以上是1臺(tái)泵供水走1根管線時(shí)的情況。因?yàn)橛⒛呛颖谜竟┧性S多的特殊性在里面，即有許多的運(yùn)行方式，如：開(kāi)1臺(tái)機(jī)供水、開(kāi)2臺(tái)機(jī)供水、開(kāi)3臺(tái)機(jī)供水、開(kāi)4臺(tái)機(jī)供水。而且在有些時(shí)候還有2條供水管線與機(jī)組的排列組合問(wèn)題，還有水庫(kù)水位的變化，等等。所以，水泵葉輪車(chē)削問(wèn)題，要慎重、要考慮這些特殊情況（各種運(yùn)行方式），應(yīng)使之相互兼顧，留有裕量。具體車(chē)削多少，需要詳細(xì)計(jì)算。

2.2 恒速機(jī)改為變頻器驅(qū)動(dòng)

將恒速機(jī)改為變頻器驅(qū)動(dòng)（利用現(xiàn)有的變頻器）可以解決水泵過(guò)流量問(wèn)題。

1）首先將恒速電機(jī)的接線方式由星接（Y）改為角接（△）。

現(xiàn)有的2～5號(hào)機(jī)變頻器的輸出電壓最高為4 160 V，而目前恒速電機(jī)的工作電壓為10 kV（10 000 V），二者的差距太大，不能直接由變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)。1號(hào)恒速電機(jī)的接線為星接（Y），它的額定相電壓為U相=U線/=10/1.732=5.77 kV。當(dāng)把星接（Y）改為角接（△）時(shí)，1號(hào)恒速機(jī)工作的額定電壓就變?yōu)?.77 kV（線電壓、也是相電壓），比較接近于輸出電壓4 160 V，就可以用1臺(tái)變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)恒速電機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻供水，解決了恒速泵過(guò)流量的問(wèn)題。

恒速電機(jī)接線改動(dòng)后額定功率的變化：恒速電機(jī)繞組中的額定電流為196 A，改動(dòng)后額定輸出功率變?yōu)?P1=I相·U相·3cosφ=196×4.16×0.8×3=1 957 kW（0.8為電機(jī)的功率因數(shù)）。這是最大的允許輸出功率，約為2 000 kW。應(yīng)當(dāng)注意，恒速電機(jī)改為角接后的線電流（原線電流為196 A，這個(gè)值也是原來(lái)的相電流）變?yōu)镮線=I相=1.732×196=339 A，這是額定電流，運(yùn)行中不允許超過(guò)此值。

從電機(jī)輸出功率的角度來(lái)估算它帶動(dòng)水泵時(shí)的供水量。因?yàn)殚_(kāi)1臺(tái)機(jī)走1根管線供水時(shí)，在水庫(kù)低水位（60 m）時(shí)輸入電機(jī)的功率大約為1 391 kW（額定流量供水），1 391<2 000，所以改動(dòng)后的1號(hào)機(jī)在變頻器的驅(qū)動(dòng)下，可以按額定流量供水，而不管水庫(kù)水位怎樣變化都能滿足要求。但在開(kāi)2臺(tái)機(jī)走1根管線供水時(shí)，在水庫(kù)平均水位附近區(qū)域（65～70 m）及以上，1號(hào)水泵可以維持額定流量（6 875 m3/h）供水；而在水庫(kù)低水位時(shí)，1號(hào)泵的出水量會(huì)略低于額定流量，因?yàn)槠漭敵龅念~定功率不足，低水位額定供水大約需要2 100 kW左右，按額定量供水則電機(jī)略過(guò)負(fù)荷。

2）變頻器 1拖 2（1-2）供水方案。

1拖2是指用1臺(tái)變頻器來(lái)帶2臺(tái)電機(jī)，其中1臺(tái)為1號(hào)機(jī)，但這2臺(tái)電機(jī)不同時(shí)工作，1臺(tái)工作時(shí)另1臺(tái)必須停止。泵站有4臺(tái)變頻器，可以從中選擇1臺(tái)來(lái)完成1拖2的任務(wù)。這種運(yùn)行方式不改動(dòng)變頻器內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)程序，變頻器內(nèi)部的輸出電壓、電流與功率之間的相對(duì)調(diào)節(jié)關(guān)系是不變的。這樣，變頻器可為1號(hào)機(jī)提供的最大功率為1 600 kW左右（實(shí)測(cè)），可見(jiàn)，不管水庫(kù)水位怎樣變化，開(kāi)1號(hào)機(jī)走1根管線供水時(shí)，1號(hào)泵可按額定流量運(yùn)行。當(dāng)開(kāi)2臺(tái)機(jī)走一根管線供水時(shí)，1號(hào)機(jī)只能在水庫(kù)水位處于高水位區(qū)域時(shí)按額定流量供水，因?yàn)榇藭r(shí)變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)為（實(shí)際的）：電壓3 436 V，電流327 A，功率1 593 kW。而改動(dòng)接線后的1號(hào)機(jī)的額定電流為339 A，已接近327 A?？梢赃x擇2號(hào)機(jī)變頻器來(lái)作為1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組的共用變頻器。

變頻調(diào)速可以改變水泵的流量是因?yàn)樗玫谋壤墒牵簩?duì)于同1臺(tái)水泵，當(dāng)它的轉(zhuǎn)速改變后，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。所以改變轉(zhuǎn)速就可以改變水泵的流量。

3）單獨(dú)拿出1臺(tái)變頻器來(lái)給1號(hào)機(jī)組專用。

這種做法可以充分利用變頻器的輸出功率，但需要修改變頻器內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)軟件，使之當(dāng)變頻器的輸出電壓在4 160 V時(shí)，輸出電流為339 A，輸出的有功功率為2 000 kW。這樣，基本可以保證1號(hào)機(jī)組在各種運(yùn)行方式下按額定流量供水。剩下的4臺(tái)機(jī)組就必須有2臺(tái)機(jī)組為1拖2運(yùn)行方式。此時(shí)的變頻器內(nèi)部控制軟件不用做任何變動(dòng)，維持原樣。這種做法，設(shè)備的改動(dòng)量比較大，這是其缺點(diǎn)。

水庫(kù)低水位時(shí)開(kāi)1號(hào)恒速機(jī)，其過(guò)流量會(huì)小一些。這只是開(kāi)1號(hào)機(jī)時(shí)的選擇，而不是從根本上來(lái)解決問(wèn)題。水庫(kù)在低水位時(shí)，對(duì)于運(yùn)行中的水泵來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于它的揚(yáng)水地形高度增加了，使水泵的工作點(diǎn)由低揚(yáng)程位置向高揚(yáng)程位置移動(dòng)，這樣就導(dǎo)致水泵在運(yùn)行時(shí)的流量變小。

3 變頻器與電機(jī)參數(shù)的匹配

單獨(dú)選1臺(tái)變頻器來(lái)給恒速專用，這也是一個(gè)可行的方案。但是投資比較大，要有相應(yīng)的土建工程，需要建造房屋等等。有些型號(hào)的變頻器對(duì)電機(jī)的控制項(xiàng)目是比較多的，不只是頻率、電壓、電流的控制，也要對(duì)電機(jī)固有的一些參數(shù)進(jìn)行控制，即對(duì)于不同型號(hào)的鼠籠式三相交流異步電機(jī)，變頻器內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)軟件要做相應(yīng)的調(diào)整，使之與電機(jī)所固有的部分參數(shù)相匹配。而有些廠家生產(chǎn)的變頻器就具有廣泛的適應(yīng)性，對(duì)于它所能驅(qū)動(dòng)的不同型號(hào)的電機(jī)，自己的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)程序無(wú)需做任何改動(dòng)。

綜上，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)方式的辦法可以解決過(guò)流量問(wèn)題。

［1］陳國(guó)呈，等.變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009,4.

［2］姚永剛.機(jī)電傳動(dòng)與控制技術(shù)［M］.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2005,4.