引漢濟渭黃金峽泵站水泵機組變頻調(diào)速運行研究

楊振彪,金德山，桂紹波

(1.陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

黃金峽水利樞紐位于漢江干流上游峽谷段，陜西南部漢中盆地以東的洋縣境內(nèi)，為引漢濟渭工程的第一水源地。工程在陜西省陜南地區(qū)的漢江干流黃金峽和支流子午河分別修建水源工程黃金峽水利樞紐和三河口水利樞紐，通過穿越秦嶺的超長輸水隧洞將漢江流域水量調(diào)至陜西省關(guān)中地區(qū)渭河流域。

工程任務(wù)分近期和遠期兩個設(shè)計階段。近期調(diào)水10億m3方案，黃金峽泵站設(shè)計抽水流量為52m3/s；遠期調(diào)水15億m3方案，黃金峽泵站設(shè)計抽水流量為70m3/s。在初步設(shè)計階段推薦裝設(shè)7臺立式單吸、單級離心泵。從單機流量、揚程、裝機規(guī)模等方面衡量，其規(guī)模在國內(nèi)甚至亞洲范圍內(nèi)位居前列。

黃金峽泵站裝機容量巨大，水泵機型為不可調(diào)節(jié)的立式單級單吸離心泵，且泵站機組是按照遠期調(diào)水15億m3方案、泵站設(shè)計抽水流量為70m3/s進行選型設(shè)計。為同時滿足工程近期和遠期受水區(qū)域流量的需求，最優(yōu)的發(fā)揮工程經(jīng)濟效益，研究黃金峽水泵采用變頻調(diào)節(jié)的可行性以及必要性也就顯得尤為必要。本文主要針對黃金峽水利樞紐特有的運行要求和工程特性，采用理論分析和水泵機組模型試驗相結(jié)合的方法，詳細分析和研究了黃金峽巨型泵站水泵機組變頻調(diào)節(jié)方案，包括變頻器的臺數(shù)確定依據(jù)、變頻調(diào)節(jié)范圍以及調(diào)節(jié)效果，確保實現(xiàn)工程調(diào)水流量的連續(xù)性，滿足工程調(diào)水任務(wù)需求。

1 泵站動能參數(shù)

1.1 泵站特征水位

(1)泵站進水池水位(黃金峽水庫水位)

泵站校核洪水位452.71m；設(shè)計洪水位446.97m；正常蓄水位450.00m；多年平均運行進水池水位448.74m；泵站設(shè)計進水池水位448.00m；黃金峽水庫死水位440.00m。

(2)泵站揚程

泵站設(shè)計揚程106.45m；最大揚程114.45m；最小揚程100.9m；加權(quán)平均揚程104.5m。

1.2 水泵揚程

黃金峽泵站設(shè)計凈揚程為106.45m，考慮到水力損失，取水泵設(shè)計揚程為108.50m。水泵最小揚程為101.7m，最大揚程116.5m。

2 水泵變頻調(diào)節(jié)的必要性及措施分析

2.1 水泵調(diào)節(jié)的必要性

依據(jù)引漢濟渭工程的漢江干流長系列調(diào)水過程線，在滿足工程調(diào)水任務(wù)的情況下，近期年調(diào)水10億m3方案，泵站抽水流量為52m3/s；遠期年調(diào)水15億m3方案，泵站抽水流量為70m3/s。水泵的設(shè)計主要依據(jù)是滿足遠期調(diào)水70m3/s的要求，根據(jù)水泵的流量-揚程特征曲線，單臺水泵在設(shè)計揚程108.5m下的設(shè)計流量為11.67m3/s、最大揚程116.5m時為抽水流量為10.8m3/s。

在水泵不采取調(diào)節(jié)措施的前提下，對于本泵站所選用的單級、單吸式離心泵而言，由于水泵無活動導葉，流量調(diào)節(jié)能力較差，水泵穩(wěn)定運行允許流量的變化范圍較小。因此，水泵在高于設(shè)計揚程108.5m變化范圍內(nèi)水泵的工作流量將無法滿足泵站設(shè)計流量70m3/s要求；另外考慮到近期調(diào)水泵站抽水流量為52m3/s，由于水泵的設(shè)計流量11.67m3/s，無論水泵是采用4臺(泵站工作流量46.68m3/s)還是5臺(泵站工作流量58.35m3/s)無法滿足泵站設(shè)計流量52m3/s要求。同時，根據(jù)陜西省院的四水聯(lián)調(diào)的水源保證率計算成果，在水泵沒有變頻調(diào)節(jié)措施條件下，水源供水保證率為94.2%，不滿足95%保證率的要求。因此，為提高了水泵運行效率、減輕水泵的振動和進口空蝕，保證供水的靈活性和準確性，水泵設(shè)置調(diào)節(jié)措施是必要的。

2.2 水泵調(diào)節(jié)措施的分析選擇

水泵的調(diào)節(jié)可以通過采取節(jié)流或溢流、變頻調(diào)速、雙速電機等方式[1- 2]。

節(jié)流調(diào)節(jié)方案是在水泵出水管上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，通過改變管道特性使水泵機組在低于設(shè)計揚程時能使水泵運行工況點左移(通過增加管道系統(tǒng)的水力損失來提高水泵運行揚程)，改善水泵的空蝕性能，防止水泵出水池出現(xiàn)大量溢流情況。但調(diào)節(jié)閥進行流量調(diào)節(jié)時容易產(chǎn)生壓力脈動或水擊，并聯(lián)工作機組間的配合運行控制非常困難，流量調(diào)節(jié)閥本身的穩(wěn)定性也無法控制，且管路系統(tǒng)水力損失大大增加，泵站提水的年運行電費較高，泵站經(jīng)濟效益不佳。溢流調(diào)節(jié)不僅將白白產(chǎn)生大量的能量消耗，經(jīng)濟上極不劃算，而且水泵在最小揚程下運行時，水泵的空蝕和振動嚴重。

變頻調(diào)節(jié)方式通過在電機輸入端設(shè)置變頻器來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，改變水泵在不同水庫水位運行時的工作轉(zhuǎn)速，使水泵機組在整個揚程變化范圍內(nèi)均可穩(wěn)定、高效運行。采用變頻調(diào)節(jié)運行，在水泵能穩(wěn)定運行高效，減輕水泵運行發(fā)生的振動和空化，提高了供水的靈活性和準確性基礎(chǔ)上，通過增頻增大水泵的工作流量解決水泵在高揚程區(qū)間黃金峽泵站調(diào)水要求，也可通過降頻減小水泵的工作流量決黃金峽泵站前期調(diào)水52m3/s的要求。水泵機組若采用變頻調(diào)節(jié)，所需變頻器容量不超過18MW，不存在生產(chǎn)能力限制。

雙速電機通過改變同步電動機轉(zhuǎn)子的電氣接線使水泵實現(xiàn)以兩個同步轉(zhuǎn)速運行。但雙速電機僅是使黃金峽泵站水泵機組額定轉(zhuǎn)速375r/min和下一級同步轉(zhuǎn)速300r/min運行，或使黃金峽泵站水泵機組額定轉(zhuǎn)速375r/min和上一級同步轉(zhuǎn)速428.6r/min運行。無法同時滿足水泵在高于設(shè)計揚程108.5m變化范圍內(nèi)水泵的工作流量將黃金峽泵站設(shè)計流量70m3/s的要求和到近期調(diào)水泵站抽水流量為52m3/s的要求。

2.3 變頻調(diào)節(jié)模型試驗效果分析

水泵變頻調(diào)節(jié)是通過改變水泵運行轉(zhuǎn)速對水泵運行工況點進行調(diào)節(jié)。為了檢驗轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)對黃金峽泵站水泵機組性能的影響，試驗測量了模型水泵轉(zhuǎn)速在100%nr～20%nr范圍內(nèi)(nr為水泵額定轉(zhuǎn)速)，按5%nr間隔進行各轉(zhuǎn)速條件下水泵模型的效率試驗，模型和真機之間的效率換算采用GB/T15613中規(guī)定的兩步法進行計算，換算得到的水泵真機效率如圖1所示。

圖1 黃金峽水泵變頻調(diào)節(jié)效率試驗

由圖1可以看出，隨著水泵轉(zhuǎn)速的變化，水泵最優(yōu)點的效率值變化很小，這也就說明水泵轉(zhuǎn)速的改變對最優(yōu)點的效率極值影響相對較小，但是最優(yōu)點的位置會發(fā)生偏移。其原因主要在于水泵轉(zhuǎn)速的變化，水泵葉輪進口最優(yōu)相對入流角度會相應(yīng)作出改變，在外特性上就表現(xiàn)出水泵最優(yōu)點的位置發(fā)生偏移。

從泵站運行能耗的角度考慮，由于黃金峽泵站單機功率較大，年利用小時數(shù)較高，因此泵站高效節(jié)能的運行模式是黃金峽泵站充分發(fā)揮調(diào)水效益的關(guān)鍵影響因素之一。由圖1可以看出，當水泵進行變頻調(diào)節(jié)時，隨著水泵最優(yōu)點位置的偏移，相較于工頻運行而言，在抽調(diào)相同流量時，水泵運行效率明顯提高，因此節(jié)能效果明顯，同時也降低了葉輪進口的脫流和頭部空蝕，改善了在該流量工況條件下葉輪進口的流態(tài)，延長了機組的使用壽命。

綜上所述，從技術(shù)可靠、設(shè)備高效穩(wěn)定運行、供水的靈活性和準確性等多方面考慮，推薦水泵采用變頻調(diào)節(jié)方式進行流量調(diào)節(jié)。

3 水泵調(diào)節(jié)技術(shù)分析

3.1 變頻調(diào)節(jié)計算方法

依據(jù)相似律，水泵變頻前后的能量特性按照下述公式換算。

流量換算：

(1)

揚程換算：

(2)

軸功率換算：

(3)

式中：Q1、H1、P1—變頻后流量、揚程、軸功率參數(shù)；Q0、H0、P0—變頻前流量、揚程、軸功率參數(shù)；nr—額定轉(zhuǎn)速。

3.2 變頻調(diào)節(jié)計算工況

變頻調(diào)節(jié)主要目的在于在近期和遠期兩種設(shè)計條件下，黃金峽泵站在不同進水側(cè)庫水位條件下均可以滿足設(shè)計流量的要求。同時可以較好的匹配受水區(qū)的流量需求。本文以黃金峽水泵在設(shè)計工況(設(shè)計揚程108.5m，設(shè)計流量11.67m3/s，額定轉(zhuǎn)速375r/min為基點)，主要考慮以下四種工況：

方案1：近期調(diào)水10億m3，在死水位440m工況，通過水泵變頻調(diào)節(jié)可滿足調(diào)水設(shè)計流量52m3/s要求。

方案2：近期調(diào)水10億m3，在正常蓄水位450m工況，通過水泵變頻調(diào)節(jié)可滿足調(diào)水設(shè)計流量52m3/s要求。

方案3：遠期調(diào)水15億m3，在死水位440m工況，通過水泵變頻調(diào)節(jié)可滿足調(diào)水設(shè)計流量70m3/s要求。

方案4：遠期調(diào)水15億m3，在正常蓄水位450m工況，通過水泵變頻調(diào)節(jié)可滿足調(diào)水設(shè)計流量70m3/s要求。

3.3 變頻調(diào)節(jié)計算結(jié)果分析

圖2給出了泵站5臺水泵在死水位440m并聯(lián)工頻運行時總管流量。由圖2可以看出，通過調(diào)整并聯(lián)運行的水泵臺數(shù)，在沒有變頻調(diào)節(jié)時，泵站出水總管調(diào)水流量為52.879m3/s，大于近期設(shè)計流量52.0m3/s，因此基本滿足要求。所以對方案1，可以通過減小水泵運行臺數(shù)達到調(diào)水流量為52.0m3/s的要求。

圖2 440m水位，5臺水泵并聯(lián)運行

對方案2，圖3給出了4臺泵并聯(lián)運行(其中3臺變頻運行，1臺工頻運行)的運行工況點以及4臺水泵全部工頻運行時的工況點。由圖3可知，當4臺水泵全部工頻運行時，泵站出水總管的流量為49.217m3/s，顯然達不到近期規(guī)劃的設(shè)計流量要求。通過改變部分機組的運行方式，將其中3臺水泵改為變頻運行，當變速比為1.023增速運行時，4臺水泵并聯(lián)運行(其中3臺變頻，1臺工頻)的抽調(diào)水流量為52.0m3/s，可以滿足近期設(shè)計調(diào)水流量為52m3/s的要求。表1給出了變頻泵與工頻運行水泵在工況點的實際運行參數(shù)。

圖3 450m水位，3臺變頻1臺工頻并聯(lián)運行

對方案3，圖4給出了6臺泵并聯(lián)運行(其中3臺變頻)的運行工況點以及6臺泵全部工頻運行時的運行工況點。由圖4可以看出，當6臺水泵全部工頻運行時，泵站出水總管的流量為63.005m3/s，顯然達不到遠期規(guī)劃的設(shè)計流量70m3/s要求。

表1 變頻泵與非變頻泵工況點參數(shù)(450m，調(diào)水流量52m3/s)

通過調(diào)整3臺水泵為變頻運行，且當變速比為1.046時，6臺水泵并聯(lián)運行(其中3臺變頻，3臺工頻)時泵站出水總管供水流量可以滿足調(diào)水流量為70m3/s的要求。變頻泵與非變頻泵運行工況點參數(shù)見表2。

圖4 440m水位，3臺變頻3臺工頻并聯(lián)運行

無變頻泵參數(shù)(3臺)變頻泵參數(shù)(3臺)流量/(m3/s)10.44流量/(m3/s)12.93揚程/m116.594揚程/m116.594效率/%89.514效率/%89.3軸功率/kW13317.051軸功率/kW16527.560

對方案4，圖5給出了6臺水泵并聯(lián)運行(其中3臺變頻，3臺工頻)的運行工況點以及6臺泵全部工頻運行時的運行工況點。由圖5可以看出，當6臺水泵全部工頻運行時，泵站出水總管的流量為71.10m3/s，顯然已經(jīng)超過了遠期規(guī)劃的設(shè)計流量要求。通過改變部分機組的運行方式，將其中3臺水泵改為變頻運行，當變速比為0.991降速運行時，6臺泵并聯(lián)運行(其中3臺變頻，3臺工頻)可以滿足遠期調(diào)水流量為70m3/s的要求。變頻泵與非變頻泵工況點參數(shù)見表3。

3.4 變頻調(diào)節(jié)技術(shù)小結(jié)

根據(jù)分析可知，為滿足泵站輸水工程的高效、安全運行要求，以水泵變頻調(diào)節(jié)范圍+5%～-10%的調(diào)節(jié)裕量為條件計算，黃金峽泵站初步擬定3臺變頻裝置，在上游不同庫水位時，通過調(diào)整泵站水泵實際運行臺數(shù)以及部分水泵變頻運行的調(diào)度方式，可以滿足工程近期52m3/s和遠期70m3/s調(diào)水流量要求。

圖5 450m水位，3臺變頻3臺工頻并聯(lián)運行

無變頻泵參數(shù)變頻泵參數(shù)流量/(m3/s)11.861流量/(m3/s)11.478揚程/m107.145揚程/m107.145效率/%89.5效率/%89.3軸功率/kW13888.88軸功率/kW13482.91

4 結(jié)論

本文針對黃金峽泵站調(diào)水的運行特點及調(diào)水任務(wù)的要求，結(jié)合理論分析和水泵機組模型試驗，分析總結(jié)了黃金峽泵站水泵機組采用變頻運行的必要性和可行性，研究結(jié)果表明：

(1)為滿足引漢濟渭工程受水區(qū)的流量需求，黃金峽泵站推薦采用調(diào)節(jié)機組運行臺數(shù)和變頻相結(jié)合的方法進行泵站供水量和受水區(qū)需求流量之間的匹配調(diào)節(jié)。

(2)為滿足泵站輸水工程的高效、安全運行要求，以水泵變頻調(diào)節(jié)范圍+5%～-10%的調(diào)節(jié)裕量為條件計算，黃金峽泵站初步擬定3臺變頻裝置，可以滿足近期和遠期調(diào)水流量要求。

(3)水泵變頻調(diào)節(jié)是一種有效的泵站運行節(jié)能方式。通過變頻調(diào)節(jié)改變水泵進口入流條件和工況流態(tài)，可以同時達到調(diào)整水泵供水流量和保持水泵高效、穩(wěn)定運行的目的。