南溝門水庫取水泵站變頻調(diào)速設(shè)計(jì)

李杰，孫軍平

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710001）

南溝門水庫取水泵站變頻調(diào)速設(shè)計(jì)

李杰，孫軍平

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710001）

運(yùn)用數(shù)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(shè)計(jì)取水的24m變幅范圍內(nèi)，不同站下取水位時(shí)變頻器應(yīng)輸出多少頻率的問題。得出站下水位與水泵配套電機(jī)運(yùn)行頻率之間存在一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，在水庫不同的蓄水位條件下又對(duì)以上理論計(jì)算成果進(jìn)行多次測(cè)試，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速理論與工程實(shí)際的緊密結(jié)合，方便了泵站工程運(yùn)行過程中管理者的操作。

浮船式泵站；變頻調(diào)速裝置；水庫水位

1 概況

南溝門北線供水工程共設(shè)2級(jí)加壓泵站，兩個(gè)供水方向累計(jì)總揚(yáng)程分別為94 m及333 m，總裝機(jī)功率4360 kW，工程總投資為10.9億元。

工程一級(jí)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(dá)24 m。根據(jù)工程特點(diǎn)，經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，一級(jí)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(lián)系，鉸支墩后敷設(shè)長約28 m的2根DN800鋼管輸水至1#隧洞的進(jìn)水豎井，然后由隧洞及其他輸水建筑物將水輸送至二級(jí)泵站。船內(nèi)塢艙共安裝4臺(tái)單級(jí)雙吸中開臥式離心泵，水泵機(jī)組呈一列式布置，3用1備。單機(jī)流量0.48 m3/s，泵站設(shè)計(jì)流量1.44 m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程4.74～28.74 m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程10.9～34.9 m。單機(jī)配套電機(jī)功率315 kW，泵站總裝機(jī)功率1260 kW。因站下取水水位變幅達(dá)24 m，僅依靠水泵自身揚(yáng)程調(diào)節(jié)范圍已無法適應(yīng)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(dá)到設(shè)計(jì)抽水流量，設(shè)計(jì)擬配套4臺(tái)變頻調(diào)速器采用一拖一變頻運(yùn)行。

2 變頻調(diào)節(jié)原理

為滿足用戶對(duì)水量、水壓的要求或者使水泵在高效區(qū)運(yùn)行等目的，需要進(jìn)行水泵的工作點(diǎn)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)的方法較多，常用的有變閥調(diào)節(jié)、變速調(diào)節(jié)、變徑調(diào)節(jié)、變壓調(diào)節(jié)、變角調(diào)節(jié)及分流調(diào)節(jié)等。

本工程結(jié)合自身特點(diǎn)，采用變速調(diào)節(jié)的方式，即通過改變水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)工作點(diǎn)。具體的做法為：為每套水泵電動(dòng)機(jī)組配套一臺(tái)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?yōu)橹绷鳎?、逆變（由大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波）、控制器（按設(shè)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(wǎng)電壓頻率完全不同的交流電），根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。通過變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而通過電機(jī)改變其所拖動(dòng)的水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的流量、揚(yáng)程，以達(dá)到改變水泵工作點(diǎn)的目的。

3 泵站變頻調(diào)速運(yùn)行設(shè)計(jì)

變速調(diào)節(jié)的理論如上節(jié)所述，結(jié)合本工程特點(diǎn)，如何讓取水泵站能按照設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，并讓運(yùn)行管理人員能進(jìn)行正確合理的操作，則需要設(shè)計(jì)者拿出一套可行且便于操作的流程。落實(shí)到本工程中，此問題即水庫位于某一泵站運(yùn)行區(qū)間水位時(shí)，如何保證泵站的抽水流量達(dá)到設(shè)計(jì)值，電機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速需要在哪一頻率下運(yùn)行。設(shè)計(jì)者需要經(jīng)過一系列分析計(jì)算回答這一問題，并將分析得到的結(jié)論編入變頻設(shè)備的控制程序，泵站才能按照設(shè)想達(dá)到設(shè)計(jì)工作點(diǎn)流量，發(fā)揮其應(yīng)有的工程效益，并安全可靠的運(yùn)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(shí)通過改變水泵的轉(zhuǎn)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(diǎn)，即水泵工作點(diǎn)的流量和揚(yáng)程將隨之改變。變頻器給電動(dòng)機(jī)輸出一個(gè)頻率，則電機(jī)會(huì)對(duì)應(yīng)唯一一個(gè)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而拖動(dòng)水泵在這一特定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

電機(jī)轉(zhuǎn)速始終和電源的頻率成線性關(guān)系：

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f為頻率，Hz，我國電流采用50 Hz；p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)（注意是磁極對(duì)數(shù)而非磁極的個(gè)數(shù)，如2極電機(jī)p=1）。

據(jù)此可知，對(duì)一臺(tái)磁極對(duì)數(shù)確定的電機(jī)，其頻率與轉(zhuǎn)速為一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。而對(duì)于本工程抽水過程中當(dāng)工作的主水泵臺(tái)數(shù)一定時(shí)，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(shè)計(jì)值，就需要通過變頻來改變水泵的轉(zhuǎn)速，此時(shí)任意一個(gè)水位對(duì)應(yīng)一個(gè)泵站的凈揚(yáng)程，不同的揚(yáng)程又對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的水泵轉(zhuǎn)速，任意一個(gè)轉(zhuǎn)速又對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的電機(jī)頻率。通過計(jì)算，找到水位與變頻器輸出頻率之間一一對(duì)應(yīng)的一個(gè)函數(shù)關(guān)系。

南溝門北線供水工程一級(jí)取水泵站主水泵工作的設(shè)計(jì)工況為3臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行，由2根輸水干管輸水。亦存在單泵運(yùn)行，由2根輸水干管輸水；2泵并聯(lián)運(yùn)行，由2根輸水干管輸水；事故工況時(shí)，其中1根輸水干管無法工作，3臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行，由1根輸水干管輸水等工況。根據(jù)同時(shí)工作的輸水干管根數(shù)的不同可以將水泵的設(shè)計(jì)工況分為正常工況和事故工況兩大類，通過泵站水力計(jì)算及其他相關(guān)計(jì)算，得出兩類工況下該泵站變頻運(yùn)行的規(guī)律，總結(jié)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(shí)，水泵為工頻運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為980 r/min，對(duì)應(yīng)電機(jī)為額定頻率50 Hz；

站下水位為848.0 m時(shí)，水泵為變頻運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為630 r/min，由式1經(jīng)等比計(jì)算可得，對(duì)應(yīng)電機(jī)頻率為32.14 Hz；

由此經(jīng)計(jì)算即可得到，庫水位位于824.0 m～848.0 m之間時(shí)，頻率與水位間存在如下線性函數(shù)關(guān)系：

式中，y為電機(jī)頻率，Hz，位于[32.14,50]區(qū)間內(nèi)；x為水位，m，位于[824,848]區(qū)間內(nèi)。

表1 不同水位水泵運(yùn)行工況點(diǎn)匯總（均為該工況1臺(tái)泵參數(shù)）

將式（2）結(jié)果編入變頻器控制程序，泵站在正常工況運(yùn)行過程中，變頻器就可以根據(jù)安裝在水庫的液位計(jì)反饋的水庫實(shí)時(shí)水位來確定變頻器的輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)泵站在此水位下滿足設(shè)計(jì)抽水流量運(yùn)行。

3.2 事故工況（3泵并聯(lián)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(shí)，水泵為工頻運(yùn)行，對(duì)應(yīng)電機(jī)額定頻率，為50Hz（其中庫水位為838.0 m時(shí)，泵站抽水流量為1.44 m3/s）；站下水位為848.0 m時(shí)，水泵為變頻運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為858 r/min，由式1經(jīng)等比計(jì)算可得，對(duì)應(yīng)電機(jī)頻率為43.78 Hz；由此經(jīng)計(jì)算即可得到，庫水位位于838.0 m～848.0 m之間時(shí)，頻率與水位間存在如下線性關(guān)系：

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

同樣，將式3結(jié)果編入變頻器控制程序，泵站在事故工況運(yùn)行過程中，變頻器就可以根據(jù)安裝在水庫的液位計(jì)反饋的水庫實(shí)時(shí)水位來確定變頻器的輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)泵站在此水位下滿足事故工況抽水流量運(yùn)行。

設(shè)計(jì)者在為業(yè)主及變頻器供應(yīng)商提供以上結(jié)論的同時(shí)，還給業(yè)主運(yùn)行管理單位提供了表1所示的庫水位對(duì)應(yīng)的水泵工作點(diǎn)及電機(jī)對(duì)應(yīng)輸出頻率，作為泵站后續(xù)運(yùn)行管理的參考。

4 泵站變頻調(diào)速運(yùn)行實(shí)踐

2016年12月南溝門水庫北線供水工程完成后，對(duì)泵站及輸水線路進(jìn)行了試通水運(yùn)行，試通水時(shí)期間，水庫蓄水位基本穩(wěn)定在830 m高程，結(jié)合以上理論計(jì)算出變頻器應(yīng)該輸出頻為45.65 Hz，作為泵站變頻器控制參數(shù)輸入后，取水泵站啟動(dòng)運(yùn)行一次成功、達(dá)到水泵設(shè)計(jì)工作點(diǎn)所需流量。后來在水庫不同的蓄水位條件下又對(duì)以上理論計(jì)算成果進(jìn)行了多次測(cè)試，均滿足設(shè)計(jì)要求，因此本設(shè)計(jì)理論是成功的。

5 結(jié)語

引調(diào)水工程中由水庫或河道取水的工程實(shí)例有很多，在水庫或河道水位變幅較大，需設(shè)置泵站進(jìn)行加壓抽水時(shí)，可通過設(shè)置變頻調(diào)速裝置，實(shí)現(xiàn)在泵站設(shè)計(jì)運(yùn)行水位區(qū)間內(nèi)的任一水位均獲得不變的取水流量或使水泵均在高效區(qū)范圍內(nèi)運(yùn)行。本文以南溝門水庫北線供水工程取水泵站為實(shí)例，研究了泵站在不同站下取水位與電機(jī)運(yùn)行頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速理論與工程實(shí)際的緊密結(jié)合，方便了泵站工程后續(xù)運(yùn)行過程中運(yùn)行管理者的操作，也為后續(xù)其他相似工程提供了借鑒意義。

TV67

B

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(diào)水及河道防洪設(shè)計(jì)工作。