陜甘寧鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程變頻機(jī)組應(yīng)用實(shí)踐

郭永靈，郝瑞甫

（寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)水管理處，寧夏吳忠 751100）

1 工程簡(jiǎn)介

陜甘寧鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程是國(guó)家“八五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是以解決陜西定邊縣、甘肅環(huán)縣和寧夏鹽池縣、同心縣部分地區(qū)人畜飲水為主，防治地方病、改善生態(tài)環(huán)境，在有條件的地區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉的電力揚(yáng)水工程。主要由三省區(qū)共用工程和省區(qū)內(nèi)專(zhuān)用工程組成。

2016年9月27日，寧夏中部干旱帶脫貧攻堅(jiān)水源工程鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程更新改造項(xiàng)目正式開(kāi)工建設(shè)。2018 年初主體工程基本完工，同年4月春灌上水共用工程新建泵站全部投入試運(yùn)行。經(jīng)過(guò)1a 的運(yùn)行觀(guān)測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。更新改造后，泵站由12 座合并成8 座，主要機(jī)電設(shè)備技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 變頻機(jī)組工作及應(yīng)用

2.1 變頻機(jī)組應(yīng)用

變頻調(diào)速技術(shù)是基于交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率成正比的特性，把電網(wǎng)電源通過(guò)變頻調(diào)速裝置變換成電壓、頻率可以調(diào)節(jié)的交流電源提供給三相異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變交流電的頻率來(lái)達(dá)到調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的［1］。

可通過(guò)設(shè)置變頻器改變電動(dòng)機(jī)輸入電源的頻率，達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的；通過(guò)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)水泵流量，滿(mǎn)足供水對(duì)水量、流量的要求。實(shí)際運(yùn)行中采用變速調(diào)節(jié)時(shí)，水泵變頻調(diào)速下降幅度不宜低于額定轉(zhuǎn)速的30%；需要提高轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)在額定的最大頻率內(nèi)調(diào)節(jié)，最高轉(zhuǎn)速不宜超過(guò)額定轉(zhuǎn)速，以防止電動(dòng)機(jī)超載引起機(jī)組振動(dòng)，損壞設(shè)備。

表1 共用工程改造前后主要機(jī)電設(shè)備技術(shù)參數(shù)對(duì)比

根據(jù)水泵的比例定律，若轉(zhuǎn)速n最大降低30%，即轉(zhuǎn)速變化范圍為（100%～70%）n，則流量變化范圍為（100%～70%）Q，揚(yáng)程變化范圍為（100%～49%）H，水泵軸功率變化范圍為（100%～34.3%）N。

為滿(mǎn)足流量匹配的需求，在一定的流量要求變化范圍內(nèi)，對(duì)水泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，水泵的工作點(diǎn)會(huì)偏移設(shè)計(jì)的工況點(diǎn)，容易使效率值發(fā)生一定幅度的下降，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 變頻泵的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍

空管道開(kāi)機(jī)采用變頻機(jī)組具有顯著優(yōu)勢(shì)。由于條件限制，大型揚(yáng)水灌溉泵站無(wú)法設(shè)置揚(yáng)水總管充水系統(tǒng)，在每年春季開(kāi)機(jī)上水時(shí)都會(huì)遇到空管道開(kāi)機(jī)情況。以鹽環(huán)定六泵站為例，出水壓力管道單排DN1400、長(zhǎng)度6.13 km、總揚(yáng)程83.4 m、凈揚(yáng)程76.99 m；在空管道開(kāi)機(jī)前，先將進(jìn)水閥門(mén)打開(kāi)充水，開(kāi)機(jī)時(shí)首先啟動(dòng)變頻機(jī)組。先啟動(dòng)變頻器的頻率為20Hz（額定最大頻率的40%），開(kāi)啟10%出水電動(dòng)閥；根據(jù)出水流量、揚(yáng)程（壓力表顯示出水管壓力）及振動(dòng)擺幅，頻率以5Hz 為單位逐步調(diào)整到45Hz（額定最大頻率的90%）以上，出水電動(dòng)閥以10%為單位逐步調(diào)整到100%全開(kāi)，至壓力管道末端出水達(dá)到正常上水狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程需要2～3 h。在實(shí)際運(yùn)行中，空管道或管道充水70%以下開(kāi)啟其他機(jī)組，均會(huì)出現(xiàn)機(jī)組過(guò)載、無(wú)法正常上水的情況。

正常上水運(yùn)行期間，盡量保持變頻機(jī)組在高效區(qū)間（47.5～49.5 Hz）運(yùn)行，以保證機(jī)組的功率、出水流量接近最大值，能耗較低；一般不允許在最大頻率50 Hz狀況下運(yùn)行，以防電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高，引起機(jī)組振動(dòng)擺幅過(guò)大。

2.2 功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能

無(wú)功功率增加線(xiàn)損和設(shè)備的發(fā)熱，功率因數(shù)的降低還會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，造成設(shè)備使用效率低下，電量浪費(fèi)嚴(yán)重。一般水泵電機(jī)的功率因數(shù)在0.6～0.7 之間，在使用變頻裝置后，在變頻器內(nèi)部濾波電容的作用下，功率因數(shù)接近于1，大幅降低無(wú)功損耗，明顯增加了電網(wǎng)的有功功率。

2.3 軟啟動(dòng)降低沖擊危害［2］

當(dāng)普通電機(jī)為直接啟動(dòng)或Y/D 啟動(dòng)狀況時(shí)，啟動(dòng)電流等于4～7 倍額定電流，會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成較嚴(yán)重沖擊，影響設(shè)備、管路的使用壽命。采用變頻設(shè)備后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能會(huì)使啟動(dòng)電流從較小值開(kāi)始，達(dá)到最高值也不超過(guò)額定電流，降低了對(duì)電網(wǎng)的沖擊傷害，對(duì)電網(wǎng)的供電容量要求也在合理范圍內(nèi)，且節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

2.4 梯級(jí)泵站間的流量與水量調(diào)節(jié)

原2～8泵站未配備運(yùn)行中可進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的機(jī)組或其他流量調(diào)節(jié)設(shè)備，尤其是二干渠、三干渠、四干渠的渠道較短（分別為2.6，2.32 km 和2.67 km），渠道可調(diào)蓄的容量小，沿線(xiàn)無(wú)調(diào)蓄水池或配水斗口進(jìn)行調(diào)節(jié)。各泵站的揚(yáng)程不等，出水管路長(zhǎng)度不同，即沿程損失也不同，因此運(yùn)行期間泵站級(jí)間水量難以匹配，造成干渠水位不穩(wěn)定，經(jīng)常采用退水閘棄水或頻繁開(kāi)停機(jī)方式平衡上下級(jí)泵站的流量，以穩(wěn)定干渠水位。棄水造成水電資源浪費(fèi)，頻繁開(kāi)停機(jī)造成機(jī)組軸承、泵軸加速疲勞，頻繁啟動(dòng)大電流，加速電動(dòng)機(jī)絕緣老化，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)使用壽命。

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)規(guī)范，梯級(jí)泵站級(jí)間流量應(yīng)合理搭配，在正常情況下做到不棄水，也不得用閥門(mén)調(diào)節(jié)流量。因此在鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程更新改造建設(shè)中，新建二、三、四、五、六泵站都配置可調(diào)節(jié)流量的變頻機(jī)組，有效解決了梯級(jí)泵站級(jí)間水量、流量匹配問(wèn)題。

3 更新改造后各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)情況

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)變化對(duì)比（以新五泵站為例）

在鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程更新改造項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)中，新五泵站（原八泵站）土建結(jié)構(gòu)不再重建，水泵和電機(jī)等機(jī)電設(shè)備只進(jìn)行更新改造。泵站原裝設(shè)機(jī)組11 臺(tái)，設(shè)計(jì)運(yùn)行方式為9 大1 小1 備（大），大泵單機(jī)流量1.47 m3/s，小泵單機(jī)流量0.88 m3/s；泵站總揚(yáng)程36.25 m，凈揚(yáng)程30.75 m；設(shè)計(jì)流量10.68 m3/s。2018年改造后，裝備機(jī)組9臺(tái)（變頻機(jī)組2臺(tái)，異步機(jī)組7臺(tái)），其中大機(jī)8臺(tái)，單機(jī)流量1.53 m3/s；小機(jī)1臺(tái)，單機(jī)流量0.96 m3/s；泵站設(shè)計(jì)流量10.68 m3/s。

從表3分析可知，由于采用了變頻機(jī)組，站級(jí)間

表3 鹽環(huán)定共用工程新五泵站改造前后主要技術(shù)參數(shù)對(duì)照表

表4 鹽環(huán)定共用工程改造前后泵站主要技術(shù)參數(shù)對(duì)照

水量匹配，泵站開(kāi)停機(jī)次數(shù)大幅減少40 臺(tái)次，降幅43%；加之采用了節(jié)能降耗的新電機(jī)、水泵機(jī)組，在上水量增加206.4 萬(wàn)m3，增幅2%的前提下，新五泵站能源單耗降低0.27 kW·h/kt·m，降幅7%，平均負(fù)荷降低0.04萬(wàn)kW，降幅11%。主要技術(shù)參數(shù)均有明顯降低，取得明顯的節(jié)能效果。

3.2 改造前后主要技術(shù)指標(biāo)變化

由表4 可知，統(tǒng)計(jì)分析鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程更新改造后2018年4～8月用電量、上水量、能源單耗、開(kāi)機(jī)臺(tái)次等主要技術(shù)指標(biāo)，并與2017 年同期比較，有功電量減少1 320.75萬(wàn)kW·h，降低13%；提水總量增加214.73萬(wàn)m3，增加2%；能源單耗降低0.55 kW·h/kt·m，降低15%；平均負(fù)荷降低0.56 萬(wàn)kW，降低18%；開(kāi)機(jī)臺(tái)次減少1 275次。

機(jī)電設(shè)備運(yùn)行更加方便、快捷、安全，各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)明顯提升。使用變頻機(jī)組對(duì)整體效能提高起了關(guān)鍵作用。

4 結(jié) 論

變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型、較為成熟、控制性能優(yōu)良的交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)，逐漸在速度控制領(lǐng)域和供水行業(yè)中推廣應(yīng)用。

（1）有效降低水泵電量損耗和能源單耗，提高水泵運(yùn)行效率是揚(yáng)水泵站節(jié)能的關(guān)鍵。水泵節(jié)能的方式有許多種，采用變頻調(diào)速技術(shù)具有效率高、機(jī)械特性強(qiáng)、調(diào)速范圍寬、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前改變水泵運(yùn)行工況條件、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的理想方式，是具有推廣價(jià)值的新技術(shù)。

（2）變頻器還集成了過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、防人身觸電等一系列保護(hù)裝置，因此防誤操作性和安全性高，有利于提升泵房安全運(yùn)行的可靠性，效率高且調(diào)速范圍寬，特別適用于運(yùn)行期間啟動(dòng)停止頻繁的泵站［3］。

（3）變頻機(jī)組的使用，有效解決了梯級(jí)泵站間的機(jī)組出水流量匹配問(wèn)題。經(jīng)過(guò)鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程1a的運(yùn)行，泵站間干渠水位穩(wěn)定，流量調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、反應(yīng)迅速，操作方便。

（4）對(duì)于高揚(yáng)程（大于60 m）、長(zhǎng)管道（出水壓力管道3 km以上）的灌溉揚(yáng)水泵站，在空管道情況下，要啟動(dòng)水泵機(jī)組。由于管道內(nèi)空氣阻力、負(fù)壓影響等因素存在不確定性，容易出現(xiàn)機(jī)組過(guò)載、無(wú)法正常上水情況。利用變頻機(jī)組先揚(yáng)水將管道充滿(mǎn)水，再開(kāi)啟其他水泵機(jī)組是一種可行的方法。

（5）變頻機(jī)組在鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程中的推廣應(yīng)用，使水泵機(jī)組的啟動(dòng)性能和功率因數(shù)得到較大改善，且節(jié)能效果顯著。可為同類(lèi)型揚(yáng)水工程的更新改造提供參考。