淺談高壓變頻技術(shù)在大型多梯級提水泵站中的應(yīng)用

武昱翰

（甘肅省景泰川電力提灌管理局,甘肅 景泰 730400）

1 項目背景

景泰川電力提灌工程（以下簡稱景電工程）屬于甘肅省大型水利提灌工程項目，自身帶有高揚程、多梯級、大流量等特征，作為典型的大Ⅱ型提灌工程項目，其同時跨越了不同省份[1]。二期工程早在20 世紀80 年代中期已經(jīng)動工建設(shè)，80 年代后期順利投入使用。最初水流量設(shè)計為每秒鐘18 m3，后將流量提升至每秒鐘21 m3。而最近兩年內(nèi)，受客觀因素影響，每秒最大流量已經(jīng)達到25 m3，提水量也相對更大；目前，其修建的泵站共計30 座，裝機容量也達到了192700 kw；其能夠同時解決34700hm2土地灌溉問題。

2 利用高壓變頻設(shè)備的必要性

上文中我們了解到，受景電工程項目自身特征影響，在整個供水階段內(nèi)，不同梯級泵站機組運行狀態(tài)也存在很大差異，包括水流量在內(nèi)，彼此之間的差異范圍也基本保持在每秒0.5 m3左右。雖然技術(shù)部門應(yīng)用葉輪車削等技術(shù)進行水流控制，但是始終未能達到預期效果，只能反復進行開機、關(guān)機處理，使存在問題得到相應(yīng)緩解。不僅如此，景電工程的耗電規(guī)模十分龐大，其想要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標，必須優(yōu)先解決停機次數(shù)過多、運行成本過高等問題。

從調(diào)查信息中能夠了解到，景電工程每年都要進行800～900 次的開停機操作，換算下來，每日都要進行十幾臺次的開停機操作。這樣的行為不僅使電極絕緣強度下滑，而且很容易引發(fā)故障的形成，能耗持續(xù)提升，整個機組使用壽命也會受到極大不良影響。每一次檢修都要投入成本，而且費用越來越高。從最近幾年發(fā)展狀況來看，高壓變頻設(shè)備應(yīng)用行業(yè)也相對十分廣泛，水泵出水量調(diào)控理論也基本滿足成熟化應(yīng)用要求。只是在整個黃河流域，能夠滿足高揚程、多梯級，且有一定規(guī)模的輸水泵站基本都沒有引入高壓變頻設(shè)備，所以無法在具體應(yīng)用環(huán)節(jié)內(nèi)將實際效用體現(xiàn)出來，而且泵站建設(shè)階段內(nèi)，很多參數(shù)都不能提供準確數(shù)據(jù)，而且泥沙水質(zhì)勢必對部件造成一定損壞，客觀環(huán)境導致景電工程必須安裝變頻設(shè)備，這樣才能夠確保自身所提出的高效率、低成本、安全性能突出的運作需求得到全面滿足。

3 高壓變頻工作原理

高壓變頻機組主要是指在安裝高壓變頻器以后，利用變頻技術(shù)對流速進行調(diào)整，電源頻率不同，對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速也會存在很大差異，這樣即可以達到對水泵運行狀態(tài)進行科學調(diào)整的目的。應(yīng)用該方式進行水泵出水量的關(guān)系，從根本角度來看，計算公式即是：n=60f/p (其中，p 代表電機極對數(shù)；f 代表電機運作速率；n 代表動機的同步轉(zhuǎn)速)，從中可以判斷出，n 與f 之間呈現(xiàn)正向作用關(guān)系，隨著頻率持續(xù)提升，電機的轉(zhuǎn)動速率也會不斷上漲。而n 與p 則呈現(xiàn)反向作用關(guān)系，在電極極對數(shù)不斷提升狀態(tài)下，電極轉(zhuǎn)動速率卻持續(xù)下滑。但在客觀因素影響下，能夠調(diào)整的只有兩種或者三種極對速度，而且無法滿足平滑調(diào)速要求。應(yīng)用高壓變頻模式，其能夠達到降低能耗的目的，因為高壓異步電動機是在改變供電頻率前提下，實現(xiàn)對電機速度的控制；速度調(diào)整階段內(nèi)，功率低、效率高，因此成為工業(yè)發(fā)展的常用方式，同時自身也屬于最為科學的速度調(diào)整方法。

4 高壓變頻技術(shù)在景電工程中的應(yīng)用分析

現(xiàn)階段，景電工程進行項目的更新改造，也從國外采購了一批知名度很高的變頻器，其主要在二期工程項目中進行使用。該類高壓變頻器都是通過對變壓器的控制，實現(xiàn)電流的轉(zhuǎn)變，而后利用三相可控硅整流技術(shù)實現(xiàn)對電流的管理，最后在晶體管以及逆變器充分發(fā)揮自身作用條件下，形成了690 V 交流電，驅(qū)動泵站電機所需要的6 kV 電源也是在此過程中逐步形成的。

4.1 有效調(diào)節(jié)泵站之間的不平衡流量

高壓變頻器的調(diào)頻精度一般設(shè)定為0.01Hz，其可以在規(guī)定范圍內(nèi)通過平滑方式進行調(diào)整[2]。只是具體調(diào)頻階段內(nèi)，如果頻率過低，水泵會停止出水，因此要結(jié)合實際需要，在眾多運行方式中進行科學選擇，機組頻率是影響調(diào)整范圍的重要因素。水泵在具體水位設(shè)計階段，揚程、機組運行模式等會導致變頻范圍與流量控制范圍有所差異，應(yīng)當以高效運行要求為核心，設(shè)定具體的頻率調(diào)整范圍，這樣才能夠避免水泵出現(xiàn)脫離高效區(qū)運作狀態(tài)，同時確保泵站流量也可以達到相互匹配要求。

4.2 減少資源浪費、提高效率

變頻技術(shù)與高壓變頻器在水流調(diào)整階段內(nèi)廣泛應(yīng)用，其有助于實現(xiàn)最大化節(jié)能目標。對比安裝前后數(shù)據(jù)，開停機頻率大幅度降低，系統(tǒng)總耗電量也出現(xiàn)大幅度下滑，此外，在變頻設(shè)備器內(nèi)部濾波電容影響下，無功損耗得到了有效控制，這些都能夠促進電網(wǎng)有功功率全面增長。

變頻技術(shù)不僅可以改善泵站存在的資源利用率低等問題，同時還能夠提升整體運行效益，合理控制物資損耗，避免產(chǎn)生嚴重噪音，更為關(guān)鍵的即是調(diào)水質(zhì)量、調(diào)水效率均得到不同程度的改善。應(yīng)用變頻技術(shù)以后，不必采用輸入諧波濾波器等裝置，即可以達到節(jié)約成本的目的。而且年度調(diào)水量節(jié)能方面也會有更為突出的表現(xiàn)。

4.3 提高運行的安全性、可靠性

變頻設(shè)備滿足軟啟動電動機要求，其能夠從工頻直接向變頻模式轉(zhuǎn)化。在低頻環(huán)境下啟動電機，不僅不會產(chǎn)生巨大熱量，而且絕緣老化速率也會全面下滑。此外，變頻機組在出水管道也能夠避免出現(xiàn)沖擊、壓力過大等現(xiàn)象，因此不會出現(xiàn)管道破裂等問題。對比應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的前后數(shù)據(jù)信息，我們不難看出，對于大規(guī)模泵站而言，如果能夠成功應(yīng)用高壓變頻器，調(diào)水規(guī)模會更為精準，而且產(chǎn)生的諧波污染也相對較低，改善輸入功率因數(shù)條件下，安全運作目標也能夠最終實現(xiàn)。

4.4 為實現(xiàn)“少人值守、無人值班”提供有力依據(jù)

調(diào)水變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠二十四小時持續(xù)運作，而且系統(tǒng)進入工頻狀態(tài)以后，在泵口壓力值達到標準以后，通過工頻機組的啟動，達到合理控制水量的目標。此種狀態(tài)下，系統(tǒng)自動對水流量進行管理，變頻系統(tǒng)始終在固定值范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)；接到調(diào)度指令以后，機位上即可以進行定值的調(diào)整，避免調(diào)水精確性出現(xiàn)問題。對于景電工程項目而言，變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用很長時間，其的確有效降低了能耗，每年節(jié)約的電能規(guī)模也超過了178 萬度。而且工頻電機不再頻繁啟停，安全隱患得到有效控制，調(diào)水效率也有了全面提升，這些都為調(diào)水節(jié)能指標達成做出了巨大貢獻。

4.5 是泵站現(xiàn)代化、自動化控制的重要環(huán)節(jié)

變頻技術(shù)與高壓變頻器能夠在大規(guī)模泵站得到廣泛應(yīng)用，而且計算機技術(shù)水平持續(xù)提升，都是因為PLC 與變速調(diào)速技術(shù)的有效結(jié)合創(chuàng)造了良好基礎(chǔ)條件，其將有助于泵站作用的全面發(fā)揮。變頻調(diào)速系統(tǒng)自身具備操作簡單、性能穩(wěn)定、不受干擾、調(diào)水壓力恒定等特征；此外，在該系統(tǒng)應(yīng)用程度不斷加深條件下，也能夠滿足多臺水泵同時運作等要求，這樣傳統(tǒng)操作模式所存在的管網(wǎng)水錘效應(yīng)等問題也將得到有效解決；借助于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對水泵機房的遠程數(shù)據(jù)維護和遠程控制，拓展變頻器的操作靈活性并提高其工作可靠性[3]。

泵站控制系統(tǒng)以DCS 結(jié)構(gòu)為核心，整體控制難度并不高。通過多級控制方法，雖然功能并不集中，但是系統(tǒng)運作穩(wěn)定性方面不會存在任何問題。不僅如此，進入現(xiàn)代化管理階段以后，泵站也要進行全面調(diào)整，滿足數(shù)據(jù)信息共享需求，將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)器中進行數(shù)據(jù)的存入;生產(chǎn)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)都在相同數(shù)據(jù)庫中存檔，這樣便于對綜合處理接收和生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進行快速、方便的進行存檔和查詢[4]。使用雙硬盤配置的服務(wù)器，避免數(shù)據(jù)安全性方面存在一定威脅;客戶端和服務(wù)器以100Mb 網(wǎng)卡為主，這樣才能夠時刻保持高數(shù)據(jù)信息傳輸速率。

5 結(jié)束語

從實踐結(jié)果中能夠看出，高壓變壓器不僅性能突出，而且可以長期處于穩(wěn)定運作狀態(tài)，自身屬于高效節(jié)能裝置管理范疇。景電工程具備梯級泵站多、揚程高等特征，在進行變頻設(shè)備引入以后，長期存在的不同泵站水量不均衡問題得到了妥善解決，而且不再需要頻繁的進行機組啟停，整個運行方式也將得到全面改善。綜上所述，河流域高揚程多梯級泵站應(yīng)當廣泛應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，其將有助于我國大規(guī)模泵站調(diào)水技術(shù)能力得到顯著提升。