變頻設備在灌溉泵站工程設計中的應用

李偉

（新疆奎屯農七師勘測設計研究院（有限公司） 奎屯市 833200）

1 灌溉泵站問題的提出

對于灌溉泵站來說，作物生育期需水量呈峰谷型變化，供水過程變化頻繁，梯級泵站也會因為上、下級流量配合不當發生棄水或斷流等情況，造成運行失調，能源浪費，甚至造成工程事故。

設計過程中，梯級泵站級間的不平衡，主要是因為灌溉制度、進出水池水位變化、水泵并聯效應等原因造成的，常規辦法一般是通過大、小泵配合，減少單機規模，增加臺數，必要時設置專門的調節水泵來解決，甚至依靠產生棄水來保障灌溉保證率。

水泵臺數越多，泵站的靈活性越高，但設備的閑置率越大，設備投資、土建工程量也會相對偏大；反之，可能會導致水泵偏離高效區運行或長期產生棄水，增大成本，給工程運行管理造成諸多不便。

2 變頻設備的應用

變頻設備是利用變頻技術與微電子技術，通過對供電頻率的轉換來實現電動機轉速自動調節的控制設備，可以把50Hz的固定頻率改為（30～130）Hz的變化頻率，使電壓適應范圍達到（142～270）V。在灌溉泵站運行中具有啟動平緩、隨時調整出力、實現軟停止消除水錘等優點。

新疆某新建灌區灌溉面積0.69萬hm2（10.4萬畝），南北平均寬7km，落差198m，東西平均長10 km左右。項目區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，多年平均氣溫7.9℃，多年平均降水量170mm，年均蒸發量1614m，蒸發量是降水量的9.5倍，是典型的綠洲灌溉農業。

由于灌區地形位置較高，規劃階段提出采用揚水方式來解決農業灌溉用水的問題，項目區地處資源型缺水地區，蒸發量巨大，因此降低蒸發、滲漏損失顯得尤為重要，特別是對提水工程來說，水資源就更顯珍貴。設計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。

在可研、初步設計階段，根據工程布置和運行靈活性，將灌區分為東西兩個片區，各片區分別布置4個梯級泵站，灌區灌溉方式采用提水+自壓滴灌的方式進行灌溉，東區控制灌溉面積0.39萬hm2（5.86萬畝），西區控制灌溉面積0.30萬hm2（4.54萬畝）。以東區一級泵站為例，一級泵站為東區的龍頭泵站，提水量是整個東區的灌溉水量，二、三、四級泵站提水量逐級遞減。圖1為一級泵站的供水過程線。

圖1 一級泵站供水過程線

從供水過程線來看，最小流量0.35m3/s出現在4月，最大流量2.18m3/s出現在7月，峰谷比為6.2∶1。按照常規方法選泵時，為滿足絕大部分時間水泵在高效區運行，需配置不同型號的水泵，通過流量搭配來滿足灌溉過程要求，給工程運行管理帶來諸多不便。本次設計引入了變頻設備控制，在水泵選型時采用同型號的水泵，變頻調整出力，不僅節約了電能，而且提高了運行管理水平，同時也適當地節約了土建和設備工程的投資，提高了對并聯后出水管路運行的穩定性。

根據本工程的具體特點，泵型選擇應遵循以下基本原則：

（1）水泵聯合運行時，應滿足灌區作物不同生育期的水量、流量要求。

（2）在平均揚程時，水泵應在高效區運行，并具有良好的抗氣蝕性能；在整個揚程范圍內，水泵應能安全、穩定運行，不得產生氣蝕和動力過載。

（3）灌溉泵站選擇主泵臺數按流量大小取3～9臺，同時并聯運行的水泵不超過4臺。

（4）一級泵站是東區系統重要的水源泵站，泵站設置一套備用機組；其余3個梯級泵站，可將年利用小時數低的機組作為備用機組，以減少設備閑置，降低投資。

（5）本工程共有4個梯級泵站，考慮到水泵型號太多會給以后的運行管理帶來不便。原則上，在工程量相差不大的情況下，同一泵站內，機組型號應統一，方便運行管理；水泵臺數盡量少，降低投資。

（6）采用變速調節時，水泵轉速下降幅度不宜超過額定轉速的30%；提高轉速時，不宜超過額定轉速的5%，以防止動力機超載，機組振動，損壞設備。

本工程設計選取了4臺工作泵，1臺備用泵，5臺水泵型號相同，運行時最大并聯臺數4臺，5臺水泵互為備用。設計流量1965m3/s，為泵站設計流量的25%，設計揚程97.4m，最大揚程98.7m，最小揚程89.3m，加權平均揚程95.1m，根據水泵流量揚程，摘錄出國內某水泵廠家與之相適應的雙吸單級臥式離心泵的基本特性曲線。見圖2。

圖2 Sh500-6/6基本特性曲線

附表 不同效率η時的相似拋物線常數C

圖3中列出了η=76%～84%的相似工況拋物線，確定出水泵高效區的范圍。

圖3 相似工況拋物線

變頻設備改變電流頻率對水泵進行變速調節，轉速調節計算公式為

式中 n——水泵電機轉速；

f——電流頻率（50Hz）；

P——電機磁極對數，Sh500-6/6磁極對數為3。根據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%時對應的揚程；

Qi——各水泵效率下對應的流量；

n——水泵額定轉速（r/min）；

Hi′——變速后水泵揚程；

Qi′——變速后水泵流量；

ni′——變速后水泵轉速（r/min）。

圖4中Q-H′和Q-H″兩條曲線，分別為將轉速調節至1010r/min和930r/min后，按照比例律公式確定的流量～揚程關系曲線；同時根據相似工況拋物線也基本可以確定出轉速改變后水泵的高效區范圍區間。

調節水泵轉速時應注意水泵轉速下降幅度不宜超過額定轉速的30%，提高轉速不宜超過額定轉速的5%，以防止動力機超載，機組振動，損壞設備。根據這一原則該水泵轉速調節范圍為（693～1039）r/ min，調整時應依據管路特性曲線選取合理的轉速調整范圍。

圖4中管路特性曲線Q-H需與水泵基本特性曲線Q-H的交點即為水泵的工作點。圖中B點為單泵額定轉速運行時的工作點，效率為82.7%。

A點為降低水泵轉速到930r/min時的工作點，效率為76%，轉速降低了6%。在基本保證不損失揚程和效率的情況下，流量由額定轉速下的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7%；C點為提高轉速到1010r/ min時的工作點，效率為80%，轉速升高了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，水泵轉速調節，對運行工況的調整效果十分明顯。轉速只需要進行微小調整，在高效區范圍內，流量會得到較大的改變。

對于本工程，雖然水泵仍有調整的空間，但根據水泵基本特性曲線和管路特性曲線來看，繼續升高或降低轉速水泵會偏離高效區，增加運行費用，根據《泵站設計規范》（GB50265-2010）9.1.11規定：“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”。對于一些歷時較短的極端工況，也是可以保證灌溉用水要求的。

對于本工程而言，在供水過程線變化時，可以通過并聯多臺水泵，調整1臺或2臺水泵的出力來滿足需水過程，運行十分靈活。當水泵調整轉速并聯后，采用不同型號水泵并聯時工作點的確定方法繪制水泵并聯Q-H圖，Q-H線與管路特性曲線的交點即為并聯后水泵的工作點。圖5中“×”為整個灌溉期的供水流量，所有流量過程都在兩條Q-H曲線的中間，水泵基本都能在高效區運行。

圖5 水泵并聯Q-H圖

根據計算，最多需要調整兩臺水泵的出力即可滿足要求，雖然在個別流量下，水泵會偏離高效區運行，但以保證灌溉發生棄水的原則運行時，全年灌溉期內，棄水量共計3.51萬m3，僅占到全年總供水量2083萬m3的0.17%，效益十分明顯。

各級泵站采用變頻設備控制后，可以輕松地控制各梯級的提水流量，基本消除棄水或斷流的工況，對節能減排，降低運行費用有積極作用；變頻設備的軟停止，可以緩慢降低水泵出力，避免因緊急停泵帶來的水錘危害，對工程運行的穩定性和安全性起著不可替代的作用。

3 結 語

變頻控制設備具有調整范圍大、啟動平緩、隨時調整出力、實現軟停止、減小水錘、管路運行穩定等多重優點。特別是在梯級泵站的灌溉運行中，通過不同工況組合使水泵在高效區運行，基本可以達到供水期無棄水。在節能減排、降低運行費用、管理靈活方便、提高經濟效益、簡化設計、減少設備和土建工程量，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：中國水利水電出版社.