“南水北調(diào)”泵站水泵機(jī)組控制與調(diào)節(jié)研究

宋強(qiáng) 蘇陽

摘 ? 要：“南水北調(diào)”泵站是復(fù)雜的水力系統(tǒng)，其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不僅依賴于主機(jī)效率，同時(shí)還取決于運(yùn)行方式。文章從韓莊泵站燈泡式貫流泵運(yùn)行方式出發(fā)，建立了水泵運(yùn)行邊界條件，根據(jù)運(yùn)行記錄所采集的參數(shù)值，建立了一種新的調(diào)節(jié)水泵效率的數(shù)學(xué)模型，這不僅為水泵機(jī)組的效率提供了基準(zhǔn)，而且為系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。通過計(jì)算各種工況下水泵機(jī)組的效率、分析各參數(shù)與水泵機(jī)組效率的關(guān)系以及采用不同運(yùn)行方式對(duì)水泵機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行分析，對(duì)“南水北調(diào)”泵站最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：“南水北調(diào)”;水泵;控制

1 ? ?“南水北調(diào)”韓莊泵站簡(jiǎn)介

“南水北調(diào)”調(diào)水量的逐年增加，泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不僅依賴于機(jī)組本身，而且還依賴于機(jī)組運(yùn)行方式。除了要求機(jī)組在額定工況下有較高的經(jīng)濟(jì)性外，還要求機(jī)組適應(yīng)不同水位條件下的運(yùn)行方式。根據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)泵站機(jī)組普遍存在著運(yùn)行工況偏離最佳工況點(diǎn)、耗電大、效率低等問題，因此提高水泵機(jī)組效率和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性是“南水北調(diào)”節(jié)能工作的重要任務(wù)之一。

在我國的大型泵站中，“南水北調(diào)”韓莊泵站臥式貫流水泵效率普遍高于其他泵站，主要得益于采用永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行，具有明顯的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。雖然人們很注重主機(jī)的性能，但對(duì)主機(jī)組運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性了解不多、重視不夠，對(duì)于其運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性的認(rèn)識(shí)缺乏一定的深度。在實(shí)際運(yùn)行中測(cè)量水泵機(jī)組的效率是診斷和提高水泵機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的首要課題。通過這種方式，提高了水泵機(jī)組的效率，降低了水泵機(jī)組的耗功，減少了站用電，提高了整個(gè)泵站的經(jīng)濟(jì)性。所以，對(duì)水泵機(jī)組運(yùn)行方式的分析不僅是韓莊泵站現(xiàn)在要研究的課題，對(duì)“南水北調(diào)”泵站機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性的提高也具有相當(dāng)重要的意義。

2 ? ?主要研究內(nèi)容

本課題選取“南水北調(diào)”韓莊泵站作為主要研究對(duì)象，重點(diǎn)研究水泵主機(jī)組的效率計(jì)算、運(yùn)行特性及經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)對(duì)水泵機(jī)組不同工況下的效率變化以及運(yùn)行方式等作一定的研究。

3 ? ?控制與調(diào)節(jié)的整體要求

根據(jù)韓莊泵站自動(dòng)化系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)對(duì)水泵機(jī)組的控制與調(diào)節(jié)有3種方式。

3.1 ?經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行

在保證機(jī)組運(yùn)行安全、避免機(jī)組運(yùn)行在氣蝕和振動(dòng)區(qū)域的前提下，系統(tǒng)根據(jù)上下游水位及泵組運(yùn)行效率曲線，編制優(yōu)化運(yùn)行程序，根據(jù)建立的機(jī)組最佳運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)確定和調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。優(yōu)化運(yùn)行程序?qū)γ颗_(tái)參與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的機(jī)組發(fā)出調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的指令，作閉環(huán)自動(dòng)控制運(yùn)行。運(yùn)行人員能夠根據(jù)需要使機(jī)組在最佳運(yùn)行工況下運(yùn)行，降低能耗，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。參與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的機(jī)組可由人工設(shè)定，計(jì)算機(jī)應(yīng)能自動(dòng)區(qū)分并標(biāo)識(shí)出各臺(tái)機(jī)組是否參與了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并對(duì)其做出不同的處理。

3.2 ?額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行與設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行

（1）額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，根據(jù)水量調(diào)度要求，在需要時(shí)將機(jī)組設(shè)定在額定轉(zhuǎn)速下，實(shí)現(xiàn)最大出水量運(yùn)行。

（2）設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，運(yùn)行人員利用鼠標(biāo)或鍵盤，根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行情況和調(diào)度指令，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所需要的瞬時(shí)流量，進(jìn)行開環(huán)控制操作和調(diào)度。

4 ? ?控制與調(diào)節(jié)具體方案

下面分別對(duì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行、額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行、設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行3種運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

4.1 ?額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行

額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，即電機(jī)工作于額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)，此時(shí)水泵機(jī)組流量最大。在此工況下，變頻器輸出頻率F=50 Hz。

4.2 ?經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行

經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行，即電機(jī)工作于最高效率點(diǎn)。根據(jù)韓莊泵站水泵機(jī)組性能曲線，對(duì)應(yīng)于任一水位，水泵機(jī)組最高效率曲線上總有一個(gè)確定的轉(zhuǎn)速（或頻率）。只要向電機(jī)下達(dá)這一轉(zhuǎn)速指令，電機(jī)就會(huì)工作于最高效率點(diǎn)上。在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況下，變頻器輸出頻率的數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)與計(jì)算參見論文《水泵性能曲線方程研究》，以下為詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型：

變頻器輸出頻率范圍2.5～50 Hz。

當(dāng)靜揚(yáng)程0≤H<3.75 m時(shí)，變頻器輸出頻率為：

F=0.4×{SQRT[720.66+（H+0.35）÷0.000 224]-7} ? ? ? ? ?（1）

F—變頻器輸出頻率，Hz;計(jì)算結(jié)果小數(shù)點(diǎn)后保留一位數(shù)字，采用去尾數(shù)法。

SQRT—算術(shù)平方根計(jì)算式;H—當(dāng)前水泵進(jìn)出口水位差，即靜揚(yáng)程，m。

以上數(shù)學(xué)模型校核計(jì)算結(jié)果如表1所示。

當(dāng)靜揚(yáng)程為3.75 m≤H≤4.15 m時(shí)，變頻器輸出頻率F=50 Hz。

當(dāng)靜揚(yáng)程為4.15 m

上述變頻器頻率數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)過程，詳見附文《水泵運(yùn)行高效點(diǎn)計(jì)算》。設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由操作員在系統(tǒng)監(jiān)控畫面中手動(dòng)輸入，不斷調(diào)整直至達(dá)到調(diào)度要求的瞬時(shí)流量，并按照該轉(zhuǎn)速始終運(yùn)行，直至接收到下一個(gè)調(diào)度指令。要求輸入的頻率數(shù)值應(yīng)該在2.5～50 Hz范圍內(nèi)。

5 ? ?在操作員工作站中的實(shí)現(xiàn)

在監(jiān)控系統(tǒng)“開、停機(jī)流程畫面”或“機(jī)組剖面”畫面中，建立3個(gè)命令按鈕，實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行、設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的定義如表2所示。

在監(jiān)控系統(tǒng)中，根據(jù)各臺(tái)機(jī)組的當(dāng)前轉(zhuǎn)速區(qū)分出運(yùn)行狀態(tài)，并且在單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控畫面（機(jī)組剖面）中標(biāo)識(shí)出該運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)機(jī)組處于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，每隔10 min自動(dòng)檢查水泵進(jìn)出口水位差，重新計(jì)算并調(diào)整機(jī)組的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速。

需要注意：上下游水位差等于設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程時(shí)，點(diǎn)擊“經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行”按鈕進(jìn)行機(jī)組調(diào)節(jié)，機(jī)組應(yīng)恰好處于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

6 ? ?結(jié)語

本文圍繞韓莊泵站自動(dòng)化控制與調(diào)節(jié)研究這一課題著重分析了機(jī)組運(yùn)行效率問題。無論是在額定轉(zhuǎn)速還是其他轉(zhuǎn)速情況下，首先，針對(duì)整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行變化，在水位與轉(zhuǎn)速確定的前提下，提出了一種效率的計(jì)算方法，能夠使主機(jī)組在運(yùn)行過程中根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算出此時(shí)工況下的效率，不僅為水泵機(jī)組效率監(jiān)測(cè)提供了基準(zhǔn)，而且為系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。其次，針對(duì)韓莊泵站的水泵特點(diǎn)、水泵運(yùn)行特性曲線以及在3種運(yùn)行方式下運(yùn)行參數(shù)、水位、流量、轉(zhuǎn)速的確定等方面進(jìn)行了理論分析計(jì)算。最后，對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式進(jìn)行了分析和理論計(jì)算。

通過上面的分析，總結(jié)出以下結(jié)論：本文提出了一種新的變速調(diào)節(jié)水泵機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，此方法不限于泵體本身，而是從整個(gè)機(jī)組運(yùn)行方式出發(fā)，運(yùn)用泵的性能曲線來確定水泵的各參數(shù)值。在計(jì)算水泵機(jī)組效率時(shí)，考慮水位的變化，再根據(jù)流量及轉(zhuǎn)速等其他參數(shù)推導(dǎo)出其效率。經(jīng)過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算，得出的結(jié)果與原設(shè)計(jì)值基本吻合，適用于現(xiàn)場(chǎng)的快捷計(jì)算，具有一定的通用性。

機(jī)組在不同工況運(yùn)行時(shí)，水泵機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性不僅隨著水位、轉(zhuǎn)速的變化而變化，也因?yàn)檫\(yùn)行方式的改變而有所不同。

在今后的泵站發(fā)展中，水泵機(jī)組的效率是要不斷提高的，對(duì)于機(jī)組運(yùn)行不同工況運(yùn)行方式的研究也應(yīng)該進(jìn)一步加深，使整個(gè)水泵機(jī)組效率和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步得到提高。

Abstract：The pumping station of South-to-North Water transfer Project is a complex hydraulic system， and its operation economy depends not only on the efficiency of the main engine， but also on the operation mode. Based on the operation mode of bubble tubular pump in Hanzhuang pumping station， the boundary conditions of pump operation are established. According to the parameters collected from the operation records， a new mathematical model for regulating pump efficiency is established， which not only provides the benchmark for the efficiency of pump unit， but also provides the basis for the optimal operation of the system. By calculating the efficiency of the pump unit under various working conditions， the relationship between the parameters and the efficiency of the pump unit is analyzed， as well as the influence of different operation modes on the economy of the pump unit， and the influence on the economy of the pump unit. The optimal economic operation of water transfer pump station has certain guiding significance.

Key words：“South-to-North Water Transfer”; water pump; control