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

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，鄭州 450003)

1 工程概況

某揚黃工程主干線經一級泵站(取水泵站)從黃河青銅峽東干渠取水，經改造后的二泵站～五泵站梯級輸水至分水閘，向南到達甘肅的分水點，向東到陜西分水點。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節主要是依靠調節開停泵的臺數來進行流量匹配。根據《泵站2011年-2015年各泵站機組運行統計表》，各泵站年平均開停泵次數達到300次左右。

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

2 梯級提水系統設計參數

合并后新一泵站～五泵站設計流量詳見表1，合并后各級泵站壓力管道參數見表2。

表1 一泵站～五泵站流量參數表 m3/s

表2 一泵站～五泵站壓力管道參數表

3 水泵變頻分析研究

某揚黃工程各新建泵站流量較大，揚程適中，選用單級雙吸臥式離心泵。

一級取水泵站現安裝有6臺立式混流泵，水泵主要參數見表3。

表3 一泵站水泵參數表

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考慮與首級泵站的水泵匹配，并且技術經濟合理。

根據泵站設計規范，梯級泵站間流量搭配應合理，在正常情況下不應棄水，也不得用閥門調節流量。

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以及首級泵站電能的浪費，無法滿足泵站節能設計的要求。

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

通常泵站進出水閥門采用閘閥，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

采用閥門調節流量時，閘閥只能工作于全開或全關狀態，不能用來調流。蝶閥和球閥只在閥門開度為中間狀態時為等百分比特性，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，導致蝶板受力不均衡，容易產生裂紋，因此，蝶閥和球閥也不宜直接用來調節流量。即使是等百分比流量特性的閥門，當開度改變時，閥門水阻系數大大增加，水泵管路特性曲線改變，調流目的雖然達到，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，流量調節過程中也容易產生壓力脈動或水擊[5]，對于并聯運行的工作機組間的配合運行控制也比較困難，同時被操作閥門本身的穩定性也無法控制。而變頻調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行調節，操作運行上有較大的靈活性和安全性，相比之下，節能及安全優勢明顯[7]。

本文以二泵站為例，對水泵工頻及變頻運行兩種方式加以對比分析。

3.1 水泵工頻運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，其中設置5臺大泵(4用1備)和1臺小泵，運行方式為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計流量為2.63 m3/s，單臺小泵供水設計流量為0.90 m3/s。

根據二泵站3個泵組存在的各種運行工況，分別繪制管路特性曲線和水泵并聯曲線，對各機組運行工況進行分析計算。

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

以上圖2其中一個泵組系統為例，采用折引特性曲線法的基本計算公式如下：

H=▽出-▽進-∑hAC

(1)

∑hAC=Sx·Q2

(2)

對二泵站按設計流量(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泵站設計流量(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，當泵站水泵機組運行在次大流量B(8.7 m3/s)和1/2泵站設計流量(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，二級泵站部分機組將被迫停機至前池水位滿足提水要求才能再次啟動，導致二級泵站水泵機組啟停頻繁，加速機組設備的疲勞，降低機組壽命，因此要針對二級泵站采取一定的措施，使二級泵站水泵運行能與一級泵站匹配，保障機組的安全運行。

3.2 水泵變頻調節運行的泵站流量匹配

流體流過水泵時，揚程增量與葉輪轉速、外徑均有關。當水泵選定后，泵外徑一般固定，調節起來明顯有困難。由水泵的比例定律：

(3)

(4)

(5)

(6)

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

由式(3)～式(6)可見，通過調節水泵轉速就能改變水泵的流量、揚程和軸功率，從而達到流量調節和減少單位流量所消耗的功率的要求。水泵轉速的改變可以通過設置變頻器改變電動機輸入電源的頻率，達到改變電動機的轉速，從而調節水泵轉速來實現水泵流量調節。

水泵機組的轉速比原先的額定轉速調高時，水泵葉輪與電機轉子的離心應力將會增加，如果材質的抗裂性能較差或者鑄造時均勻性較差，就有可能出現機械性的損裂，嚴重時可能出現葉輪飛裂現象。因此，水泵一般不調高轉速運行。

水泵機組的轉速比原先的額定轉速調低時，由于水泵的壓力與水泵轉速的平方成正比，轉速下降會導致壓力急劇下降。當轉速下降到額定轉速的70%時，壓力會下降到原設計壓力的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行時水泵轉速下降不超過額定轉速的25%。

另外，相似定律的提出是基于同一模型，同一水質，同一環境條件，水泵葉輪，進出口不變的條件下，效率不變的情況下得出。實際上根據實驗，水泵調速范圍超過一定值時，相應點的效率會發生變化。實測效率曲線與理論效率曲線只在高效段范圍內才吻合[1]。

因此采用變速調節時，水泵變頻調速下降幅度不宜低于額定轉速20%。

實際制作變頻曲線時，為了保證水泵變頻后工作點仍處于高效區，采用等效率法計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

計算公式如下：

(7)

H=kQ2

(8)

實際工作時首先求取水泵工頻運行時的額定工作點，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)交點求出額定工作點A的參數，得出額定工作點流量QA及工作揚程HA的參數。求出系數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參數。從圖3中可以看出，A、B點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節匹配的流量。針對泵站4種運行流量工況的運行流量調節，實際運行時，考慮機組的合理搭配運行，4種流量工況只開啟泵組2中的1臺大泵變頻運行。

二泵站的變頻參數范圍，見曲線圖4。圖中示意了水泵轉速為100%n、98.93%n、98.56%n、96.45%n和92.00%n五條揚程～流量以及流量～效率曲線、二條汽蝕余量曲線(因為汽蝕余量隨著轉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工作范圍。

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

圖4 二泵站變頻泵單泵運行的參數調節范圍曲線

圖5 二泵站變頻泵+工頻泵運行的參數調節范圍曲線

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節匹配的流量。針對泵站4種運行流量工況的運行流量調節，實際運行時，考慮機組的合理搭配運行，4種流量工況只開啟泵組2中的1臺大泵變頻運行。

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調節為2.90 m3/s，由此必須將電機頻率由50 Hz的頻率調節為49.28 Hz，變頻泵的效率由工頻運行時的92.24%調節為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調節為2.95 m3/s，由此必須將電機頻率由50 Hz的頻率調節為49.46 Hz，變頻泵的效率由工頻運行時的92.24%調節為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調節為2.61 m3/s，由此必須將電機頻率由50 Hz的頻率調節為48.22 Hz，變頻泵的效率由工頻運行時的92.24%調節為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調節為2.60 m3/s，由此必須將電機頻率由50 Hz的頻率調節為48.22 Hz，變頻泵的效率會由工頻運行時的92.24%調節為90.59%，效率下降1.65%。

表5 二泵站泵組2單泵變頻調節工作參數變化情況

由以上的數據可以看出，若變頻水泵的流量調節是往流量下降方向調節，即流量調節將向水泵特性曲線的左側移動，水泵工作越偏左，級間流量的不匹配流量差值越大，調節范圍將會越大，由此引起的效率下降值也會越多。

因為汽蝕余量的變化與水泵轉速的二次方成正比，轉速變化范圍不大，由此汽蝕余量的變化也不大，因此在數據表格中沒有列出汽蝕余量的數值，可以基本忽略轉速變化對汽蝕余量的影響。

4 結 論

隨著變頻供水技術的逐漸普及，以及日益突出的大型泵站節能要求，變頻技術在水泵站的應用越來越廣泛。本文針對某揚黃工程梯級泵站調水的運行特點及要求，結合水泵相似理論求解了下級泵站水泵機組在各種轉速下的單泵特性以及汽蝕，效率性能曲線，分析總結了下級泵站水泵機組采用變頻運行的必要性和可行性，研究結果表明，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，從而調整水泵供水流量，達到與上級泵站的流量匹配，實現泵站流量調節的目的，同時還能保證水泵高效、穩定的運行。