基于高壓永磁電機(jī)的某改造泵站水泵選型分析

田薔薔，田薇

（1.上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434；2.寧夏德融房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，銀川750000）

1 工程概況

某泵站為單向排澇泵站，設(shè)計(jì)流量40m3/s，泵站安裝3臺豎井貫流泵組，單泵設(shè)計(jì)流量13.33m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程2.50m，水泵葉輪直徑2.40m，額定轉(zhuǎn)速136.36r/min，配套10kV、710kW永磁同步電動機(jī)和高壓變頻器，電機(jī)與水泵采用直聯(lián)傳動方式，改造設(shè)計(jì)擬將原單向排澇泵站改造為引排雙向泵站。

泵站流道在單向排澇工況設(shè)計(jì)時(shí)已考慮到泵站后期增加引水功能的可能性，流道控制尺寸按照雙向流道設(shè)計(jì)，改為雙向引排泵站后，流道控制尺寸無須調(diào)整，僅需更換水泵轉(zhuǎn)輪，并增設(shè)部分機(jī)電設(shè)備。因此，本改造采用雙向豎井貫流泵方案，葉輪采用S形葉片。

2 泵站特征參數(shù)

2.1 特征水位

泵站保持現(xiàn)狀排澇工況水位不變，增加引水工況特征水位，改造泵站的特征水位如表1所示。

表1 改造泵站特征水位m

2.2 特征揚(yáng)程

泵站裝置總揚(yáng)程由泵站凈揚(yáng)程和泵站裝置損失構(gòu)成。泵站裝置總揚(yáng)程包括進(jìn)出水?dāng)r污柵、門槽水頭損失以及泵站上、下游側(cè)河道的水力坡降等，設(shè)計(jì)工況下水力損失取0.55m，最高揚(yáng)程下水力損失取0.5m，最低揚(yáng)程下水力損失取0.75m。泵站特征揚(yáng)程如表2所示。

表2 改造泵站特征揚(yáng)程m

3 泵組改造比選方案

本改造工程屬于低揚(yáng)程大流量雙向運(yùn)行泵站，泵站以排澇工況為主，引水工況與排水工況的設(shè)計(jì)揚(yáng)程相差很大，水泵選型須兼顧2種運(yùn)行工況，保證最高與最低揚(yáng)程工況下能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 水泵原模型相似率

近年來，我國研制了不少低揚(yáng)程雙向軸流泵的水力模型。其中，揚(yáng)州大學(xué)研制的SZM35雙向葉輪設(shè)計(jì)揚(yáng)程低，模型效率高，使用較多。結(jié)合泵站特征水位，本泵站考慮采用SZM35模型轉(zhuǎn)輪，根據(jù)相似定律換算泵站的技術(shù)參數(shù)并繪制水泵裝置特性曲線，水泵原模型相似率原理見式（1）和式（2）。

式中，D、Q、H、n分別為水泵原型的葉輪直徑、流量、揚(yáng)程和功率；Dm、Qm、Hm、nm分別為水泵模型的葉輪直徑、流量、揚(yáng)程和功率。

3.2 機(jī)組變頻調(diào)節(jié)原理

對于同一臺泵，水泵的流量、揚(yáng)程及功率分別與其轉(zhuǎn)速的一次方、二次方及三次方成正比，因此，泵組在高揚(yáng)程工況下運(yùn)行時(shí)，可以通過降低水泵轉(zhuǎn)速降低水泵功率和泵組的n值與D值，從而達(dá)到節(jié)能效果，并提高水泵的汽蝕性能，有利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 水泵機(jī)組主要性能參數(shù)

根據(jù)水泵原模型相似率及機(jī)組變頻調(diào)節(jié)原理，經(jīng)換算，主要就2種方案做比選。

方案一：保持現(xiàn)狀電機(jī)功率（710kW）及排澇設(shè)計(jì)流量（13.33m3/s）不變。

排澇工況，當(dāng)泵站運(yùn)行揚(yáng)程不高于設(shè)計(jì)揚(yáng)程（3.05）時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為176.47r/min；當(dāng)泵站運(yùn)行揚(yáng)程高于設(shè)計(jì)揚(yáng)程（3.05m）時(shí)，通過變頻器降低水泵轉(zhuǎn)速以降低軸功率，此時(shí)水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為160r/min；引水工況中水泵轉(zhuǎn)速為176.47r/min。經(jīng)換算，泵葉輪直徑D1=2 200mm，泵組主要性能參數(shù)如表3所示，泵組裝置性能曲線如圖1～圖3所示。

表3 預(yù)想的原型泵裝置性能參數(shù)表

根據(jù)GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，電機(jī)功率按最大軸功率選配，并留1.05～1.1倍的儲備系數(shù)[1]。由表3可知，最大軸功率為626.14kW，算得電機(jī)功率為657.45～688.46kW，泵站原電機(jī)功率為710 kW，滿足要求。

圖1 原型泵排澇工況裝置特性曲線（設(shè)計(jì)揚(yáng)程小于3.05m）

圖2 原型泵排澇工況裝置特性曲線（設(shè)計(jì)揚(yáng)程大于3.05m）

圖3 原型泵引水工況裝置特性曲線

方案二：為了最大限度地發(fā)揮排澇、引水工況下的水泵最優(yōu)性能，保持排澇設(shè)計(jì)工況下設(shè)計(jì)流量為13.33m3/s。

經(jīng)換算，水泵葉輪直徑D1=2 350mm，排澇工況下水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定150r/min，引水工況下水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為140r/min。換算的原型泵裝置性能曲線如圖4和圖5所示。泵組主要性能參數(shù)如表4所示，最大軸功率為739.95kW，算得電機(jī)功率為776.95～813.94kW，泵站原電機(jī)功率為710kW，無法滿足要求，需將電機(jī)功率調(diào)整為820kW。

表4 預(yù)想的原型泵裝置性能參數(shù)表

圖4 原型泵正向裝置特性曲線（排澇工況）

圖5 原型泵反向裝置特性曲線（引水工況）

2個(gè)方案在水泵運(yùn)行過程中均需要通過變頻器對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，對變頻器的可靠性有一定要求。雖然方案二在泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程以上運(yùn)行時(shí)泵組流量較方案一大，但方案二電機(jī)功率增加，不僅需要重新購置電機(jī)，投資比方案一多，且需要重新進(jìn)行用電申請，因此，本工程推薦采用方案一。

4 結(jié)語

泵站采用變頻器對水泵進(jìn)行調(diào)速，使泵組運(yùn)行高效區(qū)比較寬，特別是在泵站高揚(yáng)程附近，通過變頻器降低水泵轉(zhuǎn)速，降低水泵功率，還提高了泵組汽蝕性能以及水泵運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。高壓永磁電機(jī)通過變頻器調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速具有節(jié)能優(yōu)勢，在大中型泵站中具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

考慮泵站改造原則，在不影響泵站性能和安全的前提下，充分利用原有設(shè)施及設(shè)備。本工程選取方案一，即泵葉輪直徑D1取2 200mm，電機(jī)保持不變。