變頻技術(shù)在泵站技術(shù)改造中的應(yīng)用探討

李湘暉

（廣西柳州市農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣西 柳州 545001）

水利工程建設(shè)將對庫區(qū)內(nèi)的泵站造成不同程度影響，在泵站復(fù)建改建的工作當(dāng)中，因水庫調(diào)運運行規(guī)則導(dǎo)致庫區(qū)內(nèi)泵站前池水位變化范圍較大，正常蓄水位時泵站前池運行水位較高，特別是位于庫尾的泵站技術(shù)改造是庫區(qū)泵站復(fù)建改建的難點問題，需要重點研究改造措施。

1 泵站基本情況

受庫區(qū)影響泵站建成時間為2010 年?，F(xiàn)有泵站均采用臥式離心泵組，水泵設(shè)備運行良好，其中農(nóng)業(yè)灌溉泵站水泵設(shè)計揚程主要為30～40 m，而工業(yè)供水泵站水泵設(shè)計揚程主要為50～60 m（見表1）。部分泵組為滿足泵站運行，實際最小揚程時已不在最優(yōu)工況區(qū)，效率將明顯下降。

表1 庫尾泵站資料列表

根據(jù)樞紐工程的回水計算成果，建庫后，庫尾受影響泵站的最小揚程減小較多，已超出原水泵運行范圍，技術(shù)改造勢在必行。

2 技術(shù)方案研究

2.1 改造措施擬定

建庫后，各泵站進(jìn)水池運行水位變化范圍為22～25 m，現(xiàn)有機(jī)組均能滿足泵站設(shè)計運行水位及最低運行水位的運行工況要求，但泵站最高運行水位下?lián)P程過小，超出水泵高效穩(wěn)定運行范圍。根據(jù)離心泵的運行特點，長期如此運行下去勢必對機(jī)組造成損壞，特別是容易引起電機(jī)過載毀壞，甚至引起泵站發(fā)生火災(zāi)，存在重大安全隱患。

由于各泵站所需的揚程范圍較寬，經(jīng)過調(diào)查，目前水泵廠家的水泵機(jī)組設(shè)備均無法滿足要求。此外，考慮泵房空間有限，設(shè)置高、低揚程兩套水泵機(jī)組的空間不足，且涉及泵站的泵房結(jié)構(gòu)改造，對泵房結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成影響，不利于泵站穩(wěn)定運行。

因此，根據(jù)泵站特征揚程要求，擬定以下3種方案開展研究分析:①改造出水管道，設(shè)置旁通管道，前池水位較高時，采用旁通管道供水；②出水管道增設(shè)流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)水泵穩(wěn)定運行；③采用變頻調(diào)速運行，增設(shè)變頻調(diào)速設(shè)備。

2.2 方案比較分析

水庫防洪高水位與正常蓄水位一致，防洪起調(diào)水位較防洪高水位低13.4 m。水庫汛期6～8月份維持庫水位在汛限水位運行，當(dāng)入庫流量較大時，為減少水庫回水淹沒范圍，水庫進(jìn)行防洪調(diào)度，壩前水位可降至防洪運行最低水位（較防洪高水位低17 m）；4月、5月、9月份按流量分級控制壩前水位方式運行，允許最高蓄水較正常蓄水位低1.4 m，10 月～次年3 月亦按流量分級控制壩前水位方式運行，允許最高水位達(dá)到正常蓄水位運行。

非枯水年的情況下，農(nóng)田灌溉主要需水時期、企業(yè)的生產(chǎn)高峰時期主要為非汛期，水庫主要在接近正常蓄水位運行。則各泵站主要運行時段的進(jìn)水前池水位為高于設(shè)計運行水位約14 m，為中高水位、較低揚程工況，水庫建成對節(jié)能降耗產(chǎn)生積極影響。

2.2.1 設(shè)置旁通管道

根據(jù)各泵站設(shè)置情況，大多數(shù)泵站內(nèi)部已無充足空間針對每臺機(jī)組設(shè)置旁通管道，則必須在主管道上設(shè)置旁通管道。但單機(jī)運行與多機(jī)并聯(lián)時，因水力損失差異較大，需要設(shè)置多根旁通管道。改造方式簡單，改造投資小。但需人工根據(jù)水位及運行機(jī)組情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，且提水能耗增加明顯（與原設(shè)計工況基本相當(dāng)），水庫蓄水后的節(jié)能效益減弱。

2.2.2 增設(shè)流量調(diào)節(jié)閥

流量調(diào)節(jié)閥目前已在供水領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，包括引調(diào)水工程、水庫輸水工程、水廠供水工程等，如南水北調(diào)工程、大伙房水庫。特別是活塞式流量調(diào)節(jié)閥，具有結(jié)構(gòu)緊湊、消能效果好、調(diào)流曲線好等特點，配套自動化監(jiān)測調(diào)節(jié)設(shè)備，可實現(xiàn)閥門自動化運行。

本工程中因泵站尺寸限制，在總管上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥。通過對水泵出口壓力進(jìn)行檢測，聯(lián)動調(diào)節(jié)閥門開度，確保出口壓力不小于水泵有效運行區(qū)間的最小出口壓力，實現(xiàn)水泵穩(wěn)定運行。自動化程度高，運行管理簡單，但改造投資相對較大，且同樣存在提水能耗高的問題。

2.2.3 采用變頻調(diào)速運行

變頻調(diào)速主要設(shè)備為變頻電機(jī)及變頻器，目前均已在水泥、化工、石油和天然氣、船舶、冶金、紙漿和造紙、發(fā)電、水處理等行業(yè)有了較為廣泛的應(yīng)用，高、中、低壓產(chǎn)品線齊全，最大功率已超10 000 kW，變頻器的市場規(guī)模已超100億。我國的變頻器技術(shù)也在逐步進(jìn)步提高，故障率降低，壽命提高，如英威騰gooddirve5000 系列，平均故障間隔時間標(biāo)稱50 000 h。

本工程若采用變頻技術(shù)，需更換電動機(jī)組為變頻電機(jī)，配套變頻器，根據(jù)水位變化情況擬定供電頻率，可實現(xiàn)水泵的穩(wěn)定運行。自動化程度高，對運行管理要求高，改造投資最大。泵站前池水位較高時，無附加水力損失，且水泵效率可在最高效率點運行，運行費用明顯降低。

2.2.4 經(jīng)濟(jì)比較

關(guān)節(jié)腔注射用雙醋瑞因聚乳酸-羥基乙酸共聚物微球的制備及相關(guān)性質(zhì)研究 ……………………………… 蔡 雁等（12）：1600

以灌溉泵站C 為例，按泵站水位62 m，泵站設(shè)計年運行小時取2500 h，按15 a 運行費用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。各改造方案，15 a后的總費用差別不大，變頻調(diào)速方案略?。ㄒ姳?）。但考慮到部分時段單機(jī)運行時，設(shè)置旁通管或流量調(diào)節(jié)閥方案損失增加明顯，電費差距將進(jìn)步一拉大，則變頻調(diào)速方案具有更為明顯優(yōu)勢。

表2 灌溉泵站C經(jīng)濟(jì)比較表

2.2.5 技術(shù)改造方案的確定

作為庫區(qū)改建項目，充分考慮庫區(qū)沿岸群眾充分享受到庫區(qū)建設(shè)效益，提高泵站自動化水平，推薦采用變頻調(diào)速改造方案。一次性投資雖然較高，但能降低地方企業(yè)、農(nóng)民的提水費用，有效促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2.3 變頻調(diào)速范圍確定

水泵變頻后高效區(qū)是基于水泵工頻運行的特性曲線高效區(qū)按相似定律向原點收縮，變頻調(diào)速范圍也存在一定的限制，不宜過大，一般控制在40%～50%額定轉(zhuǎn)速以上。根據(jù)設(shè)備廠家反饋，水泵頻率低于工頻的40%容易出現(xiàn)無法供水現(xiàn)象。

根據(jù)泵站管路特性，各泵站變頻范圍均在50%以上，可滿足穩(wěn)定供水（見表3）。

表3 各泵站水位調(diào)頻運行參數(shù)表

3 實踐過程中的問題

3.1 泵組安裝高程及檢修

水庫主汛期維持庫水位在發(fā)電死水位47.6 m運行，導(dǎo)致泵站前池運行水位較低，各泵站水泵安裝高程可提高2～5 m，但改造工程量較大，改造影響較大，進(jìn)水管道的重新鑿孔布設(shè)將影響泵房結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，拆除機(jī)組填高水泵層期間泵站需停運。同時考慮到水庫分期蓄水，初期蓄水位未達(dá)到發(fā)電死水位時，提高水泵安裝高程后將無法提水，影響農(nóng)業(yè)灌溉及企業(yè)生產(chǎn)。

運行管理單位需要注意在主汛期前檢查泵站進(jìn)水閥門等設(shè)備，并在庫區(qū)低水位運行時及時處理進(jìn)水閥故障，否則庫區(qū)在正常蓄水位時檢修難度將相對較大。

3.2 運行管理

變頻調(diào)速運行需要根據(jù)水位變化進(jìn)行水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，編制運行特性圖表，通過變頻器自動控制程序?qū)崿F(xiàn)。但人工調(diào)節(jié)、設(shè)備維護(hù)需要運行管理人員具備一定的技術(shù)能力，人工操作不當(dāng)屬于變頻器早期損壞的主要因素之一。

在實際實施過程中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)泵站配備有相應(yīng)的機(jī)電專業(yè)運管人員，運行維護(hù)有規(guī)范化的管理程序，對變頻器較為熟悉，也符合企業(yè)節(jié)水的發(fā)展趨勢需求，有利于企業(yè)未來發(fā)展。而灌溉泵站的受制于運行管理經(jīng)費等問題，聘用的現(xiàn)場運管人員文化水平不高、技術(shù)能力較差，若操作不當(dāng)可能引起變頻器故障，存在運行管理風(fēng)險。

因而，對泵站的運行管理人員加強(qiáng)運行管理培訓(xùn)及技能提升，或引入機(jī)電專業(yè)人才，提高泵站運行管理維護(hù)及服務(wù)水平是有必要的。

4 結(jié)語

水位變化較大且常水位較高的庫區(qū)泵站技改工程中，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)具有節(jié)能降耗、提高運行管理自動化的優(yōu)勢，同時也對運行管理水平提出了較高的要求。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展成熟、設(shè)備價格水平的逐步下降及運行管理人員的技術(shù)水平提高，變頻調(diào)速技術(shù)，特別是低壓變頻技術(shù)可考慮更多地應(yīng)用到水利行業(yè)的應(yīng)用當(dāng)中，降低提水能耗，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。