南溝門水庫取水泵站變頻調速設計

李杰，孫軍平

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001）

南溝門水庫取水泵站變頻調速設計

李杰，孫軍平

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001）

運用數理分析的方法研究了南溝門水庫北線供水工程浮船式取水泵站在設計取水的24m變幅范圍內，不同站下取水位時變頻器應輸出多少頻率的問題。得出站下水位與水泵配套電機運行頻率之間存在一一對應的線性關系，在水庫不同的蓄水位條件下又對以上理論計算成果進行多次測試，結果均滿足設計要求。實現了變頻調速理論與工程實際的緊密結合，方便了泵站工程運行過程中管理者的操作。

浮船式泵站；變頻調速裝置；水庫水位

1 概況

南溝門北線供水工程共設2級加壓泵站，兩個供水方向累計總揚程分別為94 m及333 m，總裝機功率4360 kW，工程總投資為10.9億元。

工程一級泵站直接從南溝門水庫取水，站址位于水庫壩址上游約3.5 km處的葫蘆河左岸。泵站取水范圍為水庫死水位至正常蓄水位824.00～848.00 m，水位變幅達24 m。根據工程特點，經經濟技術比較，一級泵站采用浮船式取水方式。浮船長34.5 m、寬14 m，通過兩根46 m長DN800旋臂鋼管與岸邊鉸支墩聯系，鉸支墩后敷設長約28 m的2根DN800鋼管輸水至1#隧洞的進水豎井，然后由隧洞及其他輸水建筑物將水輸送至二級泵站。船內塢艙共安裝4臺單級雙吸中開臥式離心泵，水泵機組呈一列式布置，3用1備。單機流量0.48 m3/s，泵站設計流量1.44 m3/s，設計凈揚程4.74～28.74 m，設計揚程10.9～34.9 m。單機配套電機功率315 kW，泵站總裝機功率1260 kW。因站下取水水位變幅達24 m，僅依靠水泵自身揚程調節范圍已無法適應庫水位變幅，為滿足水庫死水位至正常蓄水位之間水泵均能達到設計抽水流量，設計擬配套4臺變頻調速器采用一拖一變頻運行。

2 變頻調節原理

為滿足用戶對水量、水壓的要求或者使水泵在高效區運行等目的，需要進行水泵的工作點調節。調節的方法較多，常用的有變閥調節、變速調節、變徑調節、變壓調節、變角調節及分流調節等。

本工程結合自身特點，采用變速調節的方式，即通過改變水泵轉速來調節工作點。具體的做法為：為每套水泵電動機組配套一臺變頻器，變頻器主要由整流（將工作頻率固定不變的交流電變為直流）、逆變（由大功率開關晶體管陣列組成電子開關，將直流電轉化成不同頻率、寬度、幅度的方波）、控制器（按設定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的和電網電壓頻率完全不同的交流電），根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的。通過變頻器調節電動機的轉速，進而通過電機改變其所拖動的水泵的轉速，從而改變水泵的流量、揚程，以達到改變水泵工作點的目的。

3 泵站變頻調速運行設計

變速調節的理論如上節所述，結合本工程特點，如何讓取水泵站能按照設計工況運行，并讓運行管理人員能進行正確合理的操作，則需要設計者拿出一套可行且便于操作的流程。落實到本工程中，此問題即水庫位于某一泵站運行區間水位時，如何保證泵站的抽水流量達到設計值，電機對應轉速需要在哪一頻率下運行。設計者需要經過一系列分析計算回答這一問題，并將分析得到的結論編入變頻設備的控制程序，泵站才能按照設想達到設計工作點流量，發揮其應有的工程效益，并安全可靠的運行。

我們知道在抽水裝置確定的情況下，管路損失曲線（Q—H需曲線）是一定的，此時通過改變水泵的轉速，即可改變水泵特性曲線中的Q—H曲線，則兩條曲線的交點，即水泵工作點的流量和揚程將隨之改變。變頻器給電動機輸出一個頻率，則電機會對應唯一一個轉速，進而拖動水泵在這一特定轉速下運行。

電機轉速始終和電源的頻率成線性關系：

式中，n為電機轉速，r/min；f為頻率，Hz，我國電流采用50 Hz；p為電機磁極對數（注意是磁極對數而非磁極的個數，如2極電機p=1）。

據此可知，對一臺磁極對數確定的電機，其頻率與轉速為一一對應的關系。而對于本工程抽水過程中當工作的主水泵臺數一定時，若想在南溝門水庫的不同水位下均保持泵站的抽水流量均維持在特定的設計值，就需要通過變頻來改變水泵的轉速，此時任意一個水位對應一個泵站的凈揚程，不同的揚程又對應一個特定的水泵轉速，任意一個轉速又對應一個特定的電機頻率。通過計算，找到水位與變頻器輸出頻率之間一一對應的一個函數關系。

南溝門北線供水工程一級取水泵站主水泵工作的設計工況為3臺水泵并聯運行，由2根輸水干管輸水。亦存在單泵運行，由2根輸水干管輸水；2泵并聯運行，由2根輸水干管輸水；事故工況時，其中1根輸水干管無法工作，3臺泵并聯運行，由1根輸水干管輸水等工況。根據同時工作的輸水干管根數的不同可以將水泵的設計工況分為正常工況和事故工況兩大類，通過泵站水力計算及其他相關計算，得出兩類工況下該泵站變頻運行的規律，總結如下：

3.1 正常工況（雙出水母管輸水）

站上水位為852.74 m；

站下水位為南溝門水庫死水位824.0 m時，水泵為工頻運行，轉速為980 r/min，對應電機為額定頻率50 Hz；

站下水位為848.0 m時，水泵為變頻運行，轉速為630 r/min，由式1經等比計算可得，對應電機頻率為32.14 Hz；

由此經計算即可得到，庫水位位于824.0 m～848.0 m之間時，頻率與水位間存在如下線性函數關系：

式中，y為電機頻率，Hz，位于[32.14,50]區間內；x為水位，m，位于[824,848]區間內。

表1 不同水位水泵運行工況點匯總（均為該工況1臺泵參數）

將式（2）結果編入變頻器控制程序，泵站在正常工況運行過程中，變頻器就可以根據安裝在水庫的液位計反饋的水庫實時水位來確定變頻器的輸出頻率，以實現泵站在此水位下滿足設計抽水流量運行。

3.2 事故工況（3泵并聯單母管出水）

站上水位為852.74 m；庫水位位于824.0 m～838.0 m之間時，水泵為工頻運行，對應電機額定頻率，為50Hz（其中庫水位為838.0 m時，泵站抽水流量為1.44 m3/s）；站下水位為848.0 m時，水泵為變頻運行，轉速為858 r/min，由式1經等比計算可得，對應電機頻率為43.78 Hz；由此經計算即可得到，庫水位位于838.0 m～848.0 m之間時，頻率與水位間存在如下線性關系：

y=50-0.622（x-838）（3）式中，y為電機頻率，Hz，位于[43.78,50）區間內；x為水位，m，位于[838,848]區間內。

同樣，將式3結果編入變頻器控制程序，泵站在事故工況運行過程中，變頻器就可以根據安裝在水庫的液位計反饋的水庫實時水位來確定變頻器的輸出頻率，以實現泵站在此水位下滿足事故工況抽水流量運行。

設計者在為業主及變頻器供應商提供以上結論的同時，還給業主運行管理單位提供了表1所示的庫水位對應的水泵工作點及電機對應輸出頻率，作為泵站后續運行管理的參考。

4 泵站變頻調速運行實踐

2016年12月南溝門水庫北線供水工程完成后，對泵站及輸水線路進行了試通水運行，試通水時期間，水庫蓄水位基本穩定在830 m高程，結合以上理論計算出變頻器應該輸出頻為45.65 Hz，作為泵站變頻器控制參數輸入后，取水泵站啟動運行一次成功、達到水泵設計工作點所需流量。后來在水庫不同的蓄水位條件下又對以上理論計算成果進行了多次測試，均滿足設計要求，因此本設計理論是成功的。

5 結語

引調水工程中由水庫或河道取水的工程實例有很多，在水庫或河道水位變幅較大，需設置泵站進行加壓抽水時，可通過設置變頻調速裝置，實現在泵站設計運行水位區間內的任一水位均獲得不變的取水流量或使水泵均在高效區范圍內運行。本文以南溝門水庫北線供水工程取水泵站為實例，研究了泵站在不同站下取水位與電機運行頻率之間的對應關系。實現了變頻調速理論與工程實際的緊密結合，方便了泵站工程后續運行過程中運行管理者的操作，也為后續其他相似工程提供了借鑒意義。

TV67

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1673-9000（2017）04-0095-03

2017-04-10

李杰（1985-），男，河南滑縣人，工程師，主要從事引調水及河道防洪設計工作。