變頻技術在泵站技術改造中的應用探討

李湘暉

（廣西柳州市農業基礎設施投資建設集團有限公司，廣西 柳州 545001）

水利工程建設將對庫區內的泵站造成不同程度影響，在泵站復建改建的工作當中，因水庫調運運行規則導致庫區內泵站前池水位變化范圍較大，正常蓄水位時泵站前池運行水位較高，特別是位于庫尾的泵站技術改造是庫區泵站復建改建的難點問題，需要重點研究改造措施。

1 泵站基本情況

受庫區影響泵站建成時間為2010 年。現有泵站均采用臥式離心泵組，水泵設備運行良好，其中農業灌溉泵站水泵設計揚程主要為30～40 m，而工業供水泵站水泵設計揚程主要為50～60 m（見表1）。部分泵組為滿足泵站運行，實際最小揚程時已不在最優工況區，效率將明顯下降。

表1 庫尾泵站資料列表

根據樞紐工程的回水計算成果，建庫后，庫尾受影響泵站的最小揚程減小較多，已超出原水泵運行范圍，技術改造勢在必行。

2 技術方案研究

2.1 改造措施擬定

建庫后，各泵站進水池運行水位變化范圍為22～25 m，現有機組均能滿足泵站設計運行水位及最低運行水位的運行工況要求，但泵站最高運行水位下揚程過小，超出水泵高效穩定運行范圍。根據離心泵的運行特點，長期如此運行下去勢必對機組造成損壞，特別是容易引起電機過載毀壞，甚至引起泵站發生火災，存在重大安全隱患。

由于各泵站所需的揚程范圍較寬，經過調查，目前水泵廠家的水泵機組設備均無法滿足要求。此外，考慮泵房空間有限，設置高、低揚程兩套水泵機組的空間不足，且涉及泵站的泵房結構改造，對泵房結構穩定造成影響，不利于泵站穩定運行。

因此，根據泵站特征揚程要求，擬定以下3種方案開展研究分析:①改造出水管道，設置旁通管道，前池水位較高時，采用旁通管道供水；②出水管道增設流量調節閥進行調節，實現水泵穩定運行；③采用變頻調速運行，增設變頻調速設備。

2.2 方案比較分析

水庫防洪高水位與正常蓄水位一致，防洪起調水位較防洪高水位低13.4 m。水庫汛期6～8月份維持庫水位在汛限水位運行，當入庫流量較大時，為減少水庫回水淹沒范圍，水庫進行防洪調度，壩前水位可降至防洪運行最低水位（較防洪高水位低17 m）；4月、5月、9月份按流量分級控制壩前水位方式運行，允許最高蓄水較正常蓄水位低1.4 m，10 月～次年3 月亦按流量分級控制壩前水位方式運行，允許最高水位達到正常蓄水位運行。

非枯水年的情況下，農田灌溉主要需水時期、企業的生產高峰時期主要為非汛期，水庫主要在接近正常蓄水位運行。則各泵站主要運行時段的進水前池水位為高于設計運行水位約14 m，為中高水位、較低揚程工況，水庫建成對節能降耗產生積極影響。

2.2.1 設置旁通管道

根據各泵站設置情況，大多數泵站內部已無充足空間針對每臺機組設置旁通管道，則必須在主管道上設置旁通管道。但單機運行與多機并聯時，因水力損失差異較大，需要設置多根旁通管道。改造方式簡單，改造投資小。但需人工根據水位及運行機組情況進行調節，且提水能耗增加明顯（與原設計工況基本相當），水庫蓄水后的節能效益減弱。

2.2.2 增設流量調節閥

流量調節閥目前已在供水領域有較為廣泛的應用，包括引調水工程、水庫輸水工程、水廠供水工程等，如南水北調工程、大伙房水庫。特別是活塞式流量調節閥，具有結構緊湊、消能效果好、調流曲線好等特點，配套自動化監測調節設備，可實現閥門自動化運行。

本工程中因泵站尺寸限制，在總管上設置流量調節閥。通過對水泵出口壓力進行檢測，聯動調節閥門開度，確保出口壓力不小于水泵有效運行區間的最小出口壓力，實現水泵穩定運行。自動化程度高，運行管理簡單，但改造投資相對較大，且同樣存在提水能耗高的問題。

2.2.3 采用變頻調速運行

變頻調速主要設備為變頻電機及變頻器，目前均已在水泥、化工、石油和天然氣、船舶、冶金、紙漿和造紙、發電、水處理等行業有了較為廣泛的應用，高、中、低壓產品線齊全，最大功率已超10 000 kW，變頻器的市場規模已超100億。我國的變頻器技術也在逐步進步提高，故障率降低，壽命提高，如英威騰gooddirve5000 系列，平均故障間隔時間標稱50 000 h。

本工程若采用變頻技術，需更換電動機組為變頻電機，配套變頻器，根據水位變化情況擬定供電頻率，可實現水泵的穩定運行。自動化程度高，對運行管理要求高，改造投資最大。泵站前池水位較高時，無附加水力損失，且水泵效率可在最高效率點運行，運行費用明顯降低。

2.2.4 經濟比較

關節腔注射用雙醋瑞因聚乳酸-羥基乙酸共聚物微球的制備及相關性質研究 ……………………………… 蔡 雁等（12）：1600

以灌溉泵站C 為例，按泵站水位62 m，泵站設計年運行小時取2500 h，按15 a 運行費用進行經濟比較。各改造方案，15 a后的總費用差別不大，變頻調速方案略省（見表2）。但考慮到部分時段單機運行時，設置旁通管或流量調節閥方案損失增加明顯，電費差距將進步一拉大，則變頻調速方案具有更為明顯優勢。

表2 灌溉泵站C經濟比較表

2.2.5 技術改造方案的確定

作為庫區改建項目，充分考慮庫區沿岸群眾充分享受到庫區建設效益，提高泵站自動化水平，推薦采用變頻調速改造方案。一次性投資雖然較高，但能降低地方企業、農民的提水費用，有效促進地方經濟發展。

2.3 變頻調速范圍確定

水泵變頻后高效區是基于水泵工頻運行的特性曲線高效區按相似定律向原點收縮，變頻調速范圍也存在一定的限制，不宜過大，一般控制在40%～50%額定轉速以上。根據設備廠家反饋，水泵頻率低于工頻的40%容易出現無法供水現象。

根據泵站管路特性，各泵站變頻范圍均在50%以上，可滿足穩定供水（見表3）。

表3 各泵站水位調頻運行參數表

3 實踐過程中的問題

3.1 泵組安裝高程及檢修

水庫主汛期維持庫水位在發電死水位47.6 m運行，導致泵站前池運行水位較低，各泵站水泵安裝高程可提高2～5 m，但改造工程量較大，改造影響較大，進水管道的重新鑿孔布設將影響泵房結構穩定性，拆除機組填高水泵層期間泵站需停運。同時考慮到水庫分期蓄水，初期蓄水位未達到發電死水位時，提高水泵安裝高程后將無法提水，影響農業灌溉及企業生產。

運行管理單位需要注意在主汛期前檢查泵站進水閥門等設備，并在庫區低水位運行時及時處理進水閥故障，否則庫區在正常蓄水位時檢修難度將相對較大。

3.2 運行管理

變頻調速運行需要根據水位變化進行水泵轉速調節，編制運行特性圖表，通過變頻器自動控制程序實現。但人工調節、設備維護需要運行管理人員具備一定的技術能力，人工操作不當屬于變頻器早期損壞的主要因素之一。

在實際實施過程中發現，企業泵站配備有相應的機電專業運管人員，運行維護有規范化的管理程序，對變頻器較為熟悉，也符合企業節水的發展趨勢需求，有利于企業未來發展。而灌溉泵站的受制于運行管理經費等問題，聘用的現場運管人員文化水平不高、技術能力較差，若操作不當可能引起變頻器故障，存在運行管理風險。

因而，對泵站的運行管理人員加強運行管理培訓及技能提升，或引入機電專業人才，提高泵站運行管理維護及服務水平是有必要的。

4 結語

水位變化較大且常水位較高的庫區泵站技改工程中，應用變頻調速技術具有節能降耗、提高運行管理自動化的優勢，同時也對運行管理水平提出了較高的要求。隨著變頻技術的發展成熟、設備價格水平的逐步下降及運行管理人員的技術水平提高，變頻調速技術，特別是低壓變頻技術可考慮更多地應用到水利行業的應用當中，降低提水能耗，促進經濟發展。