淺談庫區(qū)泵站水泵電機(jī)電壓選擇對技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析的影響

郭秀勇，李花珍

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

在庫區(qū)泵站設(shè)計過程中，水泵電機(jī)電壓等級的選擇，對泵站工程的各項(xiàng)指標(biāo)都有很大影響[1]，因此通過某水電站庫區(qū)新縣城供水工程的一個取水泵站設(shè)計實(shí)例，對水廠取水泵站水泵配套電機(jī)選型提出切實(shí)有效的理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的比較方法。

1 工程概況

某水電站庫區(qū)某縣城新址規(guī)劃人口38 406人，為滿足其供水需求，新建縣城新址水廠，該水廠設(shè)計規(guī)模為20 000 m3/d，水源為水庫水，水庫原水經(jīng)取水泵站提升后，由1根DN500的輸送流體用無縫鋼管輸送至凈水廠凈化處理[2，3]。設(shè)置水泵站最低運(yùn)行水位為375 m，最高運(yùn)行水位為380.47 m，出水口特征水位為577.35 m，水泵工作最高凈揚(yáng)程為202.35 m，凈揚(yáng)程為197.35 m，最低凈揚(yáng)程為196.88 m，輸水管管材采用輸送流體用無縫鋼管，擬定管徑DN500。

1.1 水泵選型原則

水泵選型的主要依據(jù)是所需的流量、揚(yáng)程以及變化規(guī)律。應(yīng)該遵循以下原則：第一，在滿足最大工況要求的條件下，全面顧及用水量變化；第二，合理利用水泵高效段，使水泵在較寬的流量范圍內(nèi)運(yùn)行；第三，選擇的水泵在長期運(yùn)行中，設(shè)計常水位條件下效率最高，運(yùn)行費(fèi)用最少；第四，盡可能選用同型號水泵，使型號整齊，互為備用。

1.2 水泵選型

根據(jù)兩種離心泵性能曲線對水泵在各運(yùn)行工況下的揚(yáng)程和流量進(jìn)行試算，方案一和方案二計算成果分別如表1和表2所示。

經(jīng)水力計算，兩種方案所選水泵在各種水位情況下均能滿足供水要求，且在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行。

2 水泵配套電機(jī)的選型

2.1 水泵配套電機(jī)選型原則

水泵配套電機(jī)的選擇主要考慮以下兩點(diǎn)：第一，滿足水泵所需求的最大功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的要求。電動機(jī)的額定功率要稍大于水泵的設(shè)計軸功率，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩要大于水泵的啟動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速應(yīng)和水泵的設(shè)計轉(zhuǎn)速基本一致；第二，滿足投資少、效率高和運(yùn)行方便的要求。

表1 方案一在各運(yùn)行工況下?lián)P程和流量計算成果表

表2 方案二在各運(yùn)行工況下?lián)P程和流量計算成果表

2.2 水泵配套電機(jī)容量的選擇

按泵站設(shè)計參數(shù)并考慮一定容量儲備來選配電機(jī)容量，水泵機(jī)組配套電機(jī)容量計算公式為：

式中：

N——電機(jī)容量，kW；

k——容量儲備系數(shù)，取1.10；

γ——水的容重，kN/m3；

Q——設(shè)計流量，m3/s；

H——設(shè)計揚(yáng)程，本工程初估為209 m；

η——設(shè)計點(diǎn)水泵效率，初算取75 %；

η傳——傳動效率，水泵電機(jī)采用直聯(lián)式時取1，取0.94。

方案（一）中200SLD280-100-2離心泵實(shí)際所需的電機(jī)輸出功率，根據(jù)公式（1）求得結(jié)果為：

方案（二）的250SLD450-60-3離心泵實(shí)際所需的電機(jī)輸出功率，根據(jù)公式（1）求得結(jié)果為：

根據(jù)計算所需電機(jī)容量，并結(jié)合電動機(jī)容量宜選標(biāo)準(zhǔn)系列的要求，參照電網(wǎng)對用戶供電的一般經(jīng)驗(yàn)：用戶用電設(shè)備容量在250 kW至350 kW之間時，供電電壓等級可采用0.4 kV或10 kV電壓等級；方案（一）中，水泵配用電機(jī)功率按250 kW進(jìn)行設(shè)計，采用低壓電機(jī)；方案（二）中，水泵配用電機(jī)功率按355 kW進(jìn)行設(shè)計，采用高壓電機(jī)。

3 水泵電機(jī)電壓選擇方案比較

通過上述對縣城新址水廠取水泵站水泵和水泵配套電機(jī)的容量分析，水泵電機(jī)可分別按照250 kW的低壓電機(jī)和355 kW的高壓電機(jī)兩種功率進(jìn)行配備，通過對高、低壓電機(jī)方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的分析，來比較兩個方案的適用性。

因工程處于庫區(qū)新建縣城，暫時無法提供兩回獨(dú)立的外部10 kV電源，為保證對縣城水廠供水的穩(wěn)定性和可靠性，工程暫定：選用低壓電機(jī)時，考慮采用10 kV單電源加備用發(fā)電機(jī)的配電方案；選用高壓電機(jī)時，考慮采用一回10 kV專線的配電方案。

3.1 低壓電機(jī)的配電方案

泵站配套機(jī)組為5臺250 kW的低壓電機(jī)，因新縣城暫時無法提供兩回獨(dú)立的外部10 kV電源，為保證對縣城水廠供水的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計采用10 kV單電源加備用0.4 kV發(fā)電機(jī)的供電方式。

泵站主要設(shè)備為5臺離心泵電機(jī)以及泵房、變電所、管理用房等的綜合用電，所有用電設(shè)備電壓等級均為380/220 V。同時配備兩臺單機(jī)容量為800 kW的低壓柴油發(fā)電機(jī)組作為泵站的備用電源。0.4 kV母線采用單母線分段接線，兩臺變壓器不考慮并列運(yùn)行，0.4 kV內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用放射式配電網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置0.4 kV進(jìn)線柜2臺、0.4 kV電容補(bǔ)償柜2臺、0.4 kV出線柜5臺和0.4 kV聯(lián)絡(luò)柜1臺，共計10臺低壓配電柜，其中0.4 kV進(jìn)線柜同時考慮市電與柴油發(fā)電機(jī)的自動切換功能。本工程5臺250 kW的低壓電機(jī)，除一臺應(yīng)工藝要求采用變頻控制外，其余均采用軟啟動的方式。

選用低壓電機(jī)配電方案時，泵站主要電氣設(shè)備材料及工程造價等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表3所示。

表3 取水泵站主要電氣設(shè)備材料及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

3.2 高壓電機(jī)的配電方案

泵站配套機(jī)組采用4臺355 kW的高壓電機(jī)時，高壓電機(jī)有6 kV和10 kV的兩種選擇，因此針對這兩種高壓電機(jī)的配電方案分別進(jìn)行比較分析。

3.2.1 10kV高壓電機(jī)的配電方案

本方案中，泵站配套機(jī)組為4臺355 kW的10 kV高壓電機(jī)，本工程屬于二級用電負(fù)荷，因庫區(qū)無法提供兩回10 kV外部獨(dú)立電源，為保證對縣城水廠供水的穩(wěn)定性和可靠性，本工程考慮從110 kV變電站引來一回10 kV專線為泵站供電，并設(shè)置一臺50 kVA的站用變壓器。

本工程考慮采用10 kV電纜架空和埋地相結(jié)合的敷設(shè)方式，共需新建10 km外部線路6.0 km，其中3.0 km架空敷設(shè)，3.0 km埋地敷設(shè)，并且需在110 kV變電站側(cè)新建一個10 kV出線間隔。

經(jīng)啟動電壓降計算，本工程4臺355 kW的高壓電機(jī)中，除一臺應(yīng)工藝要求采用變頻控制外，其余均可采用全壓直接啟動的方式。

3.2.2 6 kV高壓電機(jī)的配電方案

參照0.4 kV配電方案，即設(shè)計采用10 kV單電源加備用6 kV發(fā)電機(jī)的供電方式，該配電方案與0.4 kV的相似，但因電壓等級升高，所有設(shè)備將都為中壓設(shè)備，且需要增加一臺站用變壓器，因此配電工程的投資將明顯比0.4 kV的低壓電機(jī)方案增大很多，且不利于后期維護(hù)，因此，其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都低于0.4 kV的低壓電機(jī)方案；若參照10 kV配電方案，即考慮從110 kV變電站引來一回10 kV專線為泵站供電，并設(shè)置一臺50 kVA的站用變壓器，該配電方案與10 kV高壓電機(jī)的相比，又將增加兩臺10 kV/6 kV的降壓變壓器和相應(yīng)的中壓配電柜，其投資也將比10 kV的高壓電機(jī)方案增大很多，因此，其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都低于10 kV的高壓電機(jī)方案。

4 結(jié)論

此次研究通過對庫區(qū)一個泵站設(shè)計過程中高、低壓電機(jī)方案的比較，并結(jié)合庫區(qū)移民安置城鎮(zhèn)遷建規(guī)劃新址和庫區(qū)電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對庫區(qū)泵站水泵電機(jī)電壓選擇的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）采用低壓電機(jī)方案的供電可靠性更高。因?yàn)閹靺^(qū)電源一般較為薄弱，很難滿足二級負(fù)荷應(yīng)設(shè)兩個外部獨(dú)立電源的要求，因此水泵電機(jī)采用0.4 kV低壓電機(jī)時，一般設(shè)計采用10 kV單電源加備用0.4 kV發(fā)電機(jī)的供電方式，備用發(fā)電機(jī)的選用對于庫區(qū)暫不能有效保證穩(wěn)定性的電力網(wǎng)絡(luò)，是一個強(qiáng)有力的保證措施，將有效提高泵站的供電可靠性。

（2）采用低壓電機(jī)方案更有利于工程的運(yùn)行維護(hù)。采用高壓電機(jī)時，泵站配電工程的機(jī)電設(shè)備基本上都為中高壓設(shè)備，這對泵站建成后的運(yùn)行維護(hù)也有了更高的要求。