高原地區(qū)給水水泵與電機選型設計

馬延強

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

泵房是給水廠至關重要的組成部分，不僅是水廠運行中能耗最大的一個單元，更關系到整個城市供水系統(tǒng)是否能夠順利運行。

在低海拔地區(qū)水泵的選型可以根據(jù)水泵廠家給出的樣本進行設計，但是在高海拔地區(qū)氣候條件特殊，高原氣候的特點主要表現(xiàn)為大氣壓強低、空氣密度低、氧氣含量小、空氣濕度小、溫差變化大、紫外線強度大、降水量小等，需要對水泵和電機的參數(shù)進行修正。

1 水泵安裝高度設計

1.1 水泵安裝高度計算方法

離心泵的正常工作是建立在水泵吸水條件正確的基礎上，水泵的故障常常是由于吸水條件選擇不當，所謂的正確的吸水條件就是指在吸水過程中不產(chǎn)生氣蝕情況下的最大吸水高度。當泵中的最低壓力降低到被抽液體工作溫度下的飽和蒸氣壓時，水就大量氣化，同時原先溶解在水里的氣體也會自動逸出，產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象[1]。水的飽和蒸氣壓和溫度有密切的關系，如表1所示。

另外,水泵的氣蝕條件和運行環(huán)境下的大氣壓有關系，大氣壓力和海拔高度有密切的關系，如表2所示。

表1 水的飽和蒸氣壓和溫度關系表

表2 大氣壓力和海拔高度關系表

(1)

當水泵廠家給出NPSHR時，可根據(jù)式(2)換算。

(2)

其中：Hg—水泵安裝地點的大氣壓力，m H2O，其值和海拔高程相關；

Hz—液體相應溫度下的飽和蒸汽壓力水頭，m，其值和水溫有關；

V1—水泵吸入口流速，m3/s。

水泵的實際安裝需要考慮吸水管的水頭損失，水泵的安裝高度如式(3)。

(3)

其中：Zs—吸水高度，m；

[Hs]—實際采用真空吸上高度，m，為考慮安全一般采用[HsJB)]≤(0～90%)Hs；

∑hs—吸水管路沿程和局部損失之和，m。

一般吸水管路的沿程損失可由式(4)計算。

(4)

其中：Ch—海曾·威廉系數(shù)；

Q—設計流量，m3/s；

Dj—管道計算內(nèi)徑，m。

吸水管路的局部管道損失可由式(5)計算。

(5)

其中：ε—局部阻力系數(shù)；

v—吸水管中流速，m/s。

1.2 高原地區(qū)水泵安裝高度計算實例

拉薩某水廠海拔高度為3 650 m，最熱月的平均氣溫為15.5 ℃，最冷月的平均氣溫為-2.3 ℃，極端最高溫度為29.4 ℃，極端最低溫度為-16.5 ℃。由表1、表2得出，當?shù)卮髿鈮簽?.65 m H2O、最高月平均氣溫為15.5 ℃時，水飽和蒸氣壓為0.17 m H2O。

在設計工程中，以水泵A為例，水泵流量為3 750 m3/h，揚程為41 m，水泵進水口直徑為700 mm，進水口流速為3.7 m/s，參考水泵樣本給出的NPSHR為3.5 m，水泵流量由式(6)可以得出。

(6)

由此可以得出Hs為3.52 m。

另外，吸水管管徑為DN 900，吸水管中流速為1.63 m/s，管路損失∑hs經(jīng)計算得出，∑hs=1.8 m。

水泵的安裝高度可由式(7)計算。

(7)

由此可以得出Zs=1.2 m，一般使用過程中需要考慮0.5 m的富余量，因此水泵的安裝高度為 0.7 m。

另外水泵在運行過程中可能不在最佳工況點，水泵工況點往右偏移時，水泵的NPSHR可能達到5 m左右，在這個工況點水泵的安裝高度經(jīng)過計算是小于0的。也就是說水泵的吸水水位要比水泵的泵軸水位要高。因此在二級泵房設計時，考慮到安全因素，盡量采用正進水形式。

水泵的必需氣蝕余量越小越安全，水泵的氣蝕余量和水泵的構(gòu)造有關系，一般來講水泵的轉(zhuǎn)速越低，必需氣蝕余量越小，因此在高原地區(qū)盡量選擇低轉(zhuǎn)速的水泵，提高水泵的安全運行性能。

2 高原水泵電機選擇

高原地區(qū)的電機選擇與平原地區(qū)有很大區(qū)別，在海拔高于1 000 m時，需要采用高原電機，高原氣候?qū)﹄姍C有很大影響。

2.1 對電機功率的影響

由于高原地區(qū)海拔高，空氣稀薄，電機轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙內(nèi)導磁能力降低，直接影響電機額定功率輸出，相同功率的電機在高原運轉(zhuǎn)時，實際功率會有所降低，電機帶負荷能力降低，同時發(fā)熱量增加，因此選用電機時需要對電機降容使用[3]。

2.2 對絕緣材質(zhì)介質(zhì)強度的影響

空氣壓力或密度的降低，會引起低密度、低濃度、多空隙材料(如電工絕緣材料、隔熱材料等)的物理和化學性能發(fā)生變化，導致外絕緣強度的降低，在5 000 m范圍內(nèi)，每升高1 000 m，平均大氣壓力降低7.7～10.5 kPa，外絕緣強度降低8%～13%。

另外，紫外輻射強度在海拔3 000 m時已達到低海拔時的2倍。高強度紫外線也會引起有機絕緣材料的迅速老化，使空氣容易電離，以而導致外絕緣強度降低。

2.3 對電氣間隙擊穿電壓的影響

對于設計定型的電機，由于其電器間隙已經(jīng)固定，隨著空氣壓力的降低，其耐擊穿電壓也下降，為了保證產(chǎn)品在高原環(huán)境使用時有足夠的耐穿能力，必須增大電氣間隙。

電氣間隙可按照表3進行修正。

表3 電氣間隙海拔高度修正表

2.4 對溫升的影響

空氣壓力或空氣密度的降低，會引起空氣介質(zhì)冷卻效應的降低。對于以自熱對流、強迫通風或空氣散熱為主要方式的電機，由于散熱能力的下降、溫升增加，在海拔5 000 m內(nèi)，海拔每升高1 000 m，則平均氣壓降低7.7～10.5 kPa，溫升增加3%～10%。因此，電機在高原運轉(zhuǎn)時需要增強其溫升等級。

高原環(huán)境下，若電機的額定輸出功率需保持不變，則需滿足式(8)。

(h-1 000)Δi?40-tat

(8)

其中：h—電機使用海拔，m；

tat—電機使用地點的環(huán)境溫度；

Δi—為海拔在1 000～5 000 m，海拔每提高100 m所需要的最高環(huán)境溫度補償值，取Δi=0.01×電機繞組溫升極限/100，℃/m。

若無法滿足這一環(huán)境溫度需求，則電機額定輸出功率將有所降低，額定功率降低一半可按照每補償1 ℃，功率降低1%計算，其關系如式(9)。

(9)

其中：Ne—電機的額定功率，kW；

ΔNe—電機額定功率降低值。

在拉薩地區(qū)，海拔高度為3 650 m，如果電氣保護選用F級，允許溫升為155 ℃，代入式(8)：(3 650-1 000)×155×0.01/100?40-tat。由此可得出，tat=-1.075 ℃，即環(huán)境溫度需要在-1.075 ℃條件下，電機才能在溫升極限內(nèi)安全運行。拉薩夏季極端最高溫度為29.4 ℃，不能滿足環(huán)境要求，因此需要對電機進行降容處理。

代入式(9)得式(10)。

ΔNe=[(3 650-1 000)×155×0.01/1 000

(10)

由此可得到ΔNe/Ne=30%，因此需要降容30%使用。

以水泵A為例，水泵的流量為3 750 m，揚程為41 m，泵和電機的效率為80%，電機功率如式(11)。

=444.7 kW

(11)

由此可得出水泵需要的電機功率為444.7 kW，一般水泵廠家在配電機時考慮1.1～1.3的安全系數(shù)，按1.2計算，水泵所選電機功率為533 kW。

在高原需要考慮降容30%使用，因此水泵選用的功率為762 kW，對照電機功率等級表，水泵最終選用800 kW的電機。由此可見，最終選的電機功率和計算功率之間差值很大，這是高原地區(qū)特殊氣候條件所致。

2.5 強紫外對電氣設備的影響

2.5.1 對塑料性能的影響

海拔5 000 m時的最大太陽輻射強度為低海拔時相應值的1.25倍。熱輻射對物體有加熱作用，對于戶外用電產(chǎn)品，太陽熱輻射的增加會引起較大的表面附加溫升，降低有機絕緣材料的性質(zhì)性能，使材料變形，產(chǎn)生機械熱應力等影響。熱固性塑料分子鍵呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，密度相對較大，因此光化裂解作用對其機械性能影響不大，對熱塑性的機械性能影響較大，比如絕緣材料等。

2.5.2 對油漆涂層的影響

高原地區(qū)日照強烈，溫差變化大，會加速油漆涂層的老化和龜裂。據(jù)分析，油漆涂層的老化是光氧老化，其速度和太陽光的輻射強度和輻射量總量有關，也和大氣中的水分、氧氣、溫度、濕度都有關。

3 結(jié)論

(1)在高原地區(qū)，水泵的安裝高度和平原地區(qū)差別很大，為了避免產(chǎn)生氣蝕，影響水泵的正常運轉(zhuǎn)，高原地區(qū)水泵最好采用正進水。

(2)高原的特殊氣候?qū)﹄姍C的功率、絕緣、溫升等有顯著影響，電機需要降容使用。

(3)在高原地區(qū)選擇水泵盡量選擇必需氣蝕余量小的水泵，選擇電機時充分計算電機功率降低余量及絕緣溫升要求，選用適當?shù)碾姍C。

[1]姜乃昌.泵與泵站[M].5版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007:143-174.

[2]上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司.給水排水設計手冊(第三冊)[M].3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2017:289-315.

[3]中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院.工業(yè)與民用配電設計手冊[M].3版.北京:中國電力出版社,2005:480-483.