雙向雙速平面S形軸伸泵的應(yīng)用研究

丁 聰

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

為保證泵站機(jī)組安全、高效運(yùn)行，許多工程增加了機(jī)組調(diào)節(jié)手段，如：葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、變頻調(diào)速等[1]。雙速水泵因其較高的適應(yīng)性和節(jié)能性已在電廠循環(huán)冷卻系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了較好的節(jié)能效益[2～4]。因此，擬將雙速電機(jī)引入引排泵站設(shè)計(jì)。

福建九龍江防洪工程漳州段（二期）內(nèi)林泵站引排工況凈揚(yáng)程、規(guī)模均相差較大。因此，在泵型選定及泵組參數(shù)確定時(shí)，考慮配置高、低兩檔雙速電機(jī)，使得機(jī)組在排澇高揚(yáng)程、引水低揚(yáng)程時(shí)均可安全、高效運(yùn)行。

1 工程概況

內(nèi)林泵站為引排雙向泵站，設(shè)計(jì)排澇流量27.0 m3/s，引水流量15 m3/s。泵站引水凈揚(yáng)程范圍0.00～2.16 m，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程1.10 m；排澇凈揚(yáng)程范圍0.00～5.45 m，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程2.50 m。內(nèi)林泵站布置于步文堤堤防內(nèi)側(cè)，需通過(guò)穿堤箱涵與外河出水渠相接，外河側(cè)設(shè)有防洪閘。

2 泵組選型

2.1 選型原則及難點(diǎn)

泵站具有引排雙向功能，因此所選機(jī)組應(yīng)滿(mǎn)足雙向運(yùn)行功能。由于泵站引水工況年利用小時(shí)數(shù)較多，應(yīng)盡可能提高引水工況泵站裝置效率；泵站排澇工況為城市保障、搶險(xiǎn)，應(yīng)保證泵組可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，并便于檢修維護(hù)。泵站布置于堤防內(nèi)測(cè)，需通過(guò)穿堤箱涵與外河出水渠相接。因此，所選泵組型式應(yīng)便于與穿堤箱涵銜接。

泵站凈揚(yáng)程較低，可選用軸流泵組。但軸流泵高效區(qū)范圍一般較窄，并且揚(yáng)程范圍一般不大，高揚(yáng)程時(shí)易進(jìn)入不穩(wěn)定馬鞍區(qū)。而內(nèi)林泵站引水凈揚(yáng)程范圍與排澇凈揚(yáng)程范圍相差較大，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程比值已超過(guò)2。因此，若以排澇工況選定泵組參數(shù)，引水工況裝置效率將會(huì)較低；若以引水工況選定泵組參數(shù)，排澇高揚(yáng)程工況已進(jìn)入不穩(wěn)定馬鞍區(qū)。

2.2 泵型選擇

為實(shí)現(xiàn)泵站引排雙向功能，可采用單向葉輪雙向流道閘門(mén)切換方式，即X 形雙向流道立式軸流泵；或采用雙向葉輪（“S”型葉輪）單一流道方式。

（1）X形雙向流道立式軸流泵，抽排、抽引時(shí)下層流道為進(jìn)水流道，上層流道為出水流道，通過(guò)流道進(jìn)出口閘門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉，切換進(jìn)出水方向?qū)崿F(xiàn)抽排、抽引雙向運(yùn)行功能。由此可見(jiàn)，所需閘門(mén)數(shù)量較多，閘門(mén)配合操作復(fù)雜。電機(jī)、水泵分層布置，泵房層數(shù)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。并且泵站進(jìn)出水為雙層流道，流道總高度較大，與穿堤箱涵銜接難度較大。

（2）采用雙向葉輪單一流道型式是利用水泵葉輪體本身的雙向特性，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的相序，以此改變?nèi)~輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)抽排、抽引雙向功能。雙向葉輪水泵裝置多為臥式布置。根據(jù)葉輪兩側(cè)流道軸線(xiàn)是否在同一直線(xiàn)上可分為貫流泵和軸伸泵。

（3）由于泵站規(guī)模的限制，可供選擇的貫流泵僅有潛水貫流泵。潛水貫流泵技術(shù)雖已成熟，但其機(jī)組密封、防滲漏要求較高，維修難度較大，若機(jī)組故障一般為返廠維修。

（4）采用軸伸泵，可將流道布置成平面S 形，即平面S 形軸伸泵。電機(jī)與水泵放置在同一平面上，布置在流道外，因此泵組對(duì)密封要求相對(duì)較低，電機(jī)通風(fēng)散熱條件好。泵體沿軸線(xiàn)分半，拆卸時(shí)可不必拆除電機(jī)，安裝檢修較為方便。水泵與電機(jī)布置在同一層泵房?jī)?nèi)，泵房結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

因此，從泵房結(jié)構(gòu)布置、管理維護(hù)方便性、工程總體布置等方面綜合比較，選用平面S 形軸伸泵較為合適。

3 雙速異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

3.1 雙速異步電動(dòng)機(jī)電氣方案

雙速電動(dòng)機(jī)屬于異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速，是通過(guò)改變定子繞組的連接方法達(dá)到改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù)，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變定子繞組極對(duì)數(shù)有兩種方法：雙繞組變極（定子槽內(nèi)安放兩套極對(duì)數(shù)不同的獨(dú)立繞組）和單繞組變極（改變定子繞組的接法）[5]。本文工程采用單繞組變極，通過(guò)外部控制線(xiàn)路的切換來(lái)改變電機(jī)繞組連接方式，定子出線(xiàn)與母線(xiàn)接線(xiàn)示意圖見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)定子出線(xiàn)與母線(xiàn)接線(xiàn)

圖2 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)定子出線(xiàn)與母線(xiàn)接線(xiàn)

3.2 泵組參數(shù)選定

經(jīng)臺(tái)數(shù)比選后選定4臺(tái)泵組。考慮到泵站排澇流量較大，以排澇流量作為泵站設(shè)計(jì)流量，水泵排澇設(shè)計(jì)流量為6.75 m3/s。結(jié)合已建平面S形雙向泵站水力性能曲線(xiàn)，確定本泵站葉輪，直徑1.55 m，排引泵組轉(zhuǎn)速分別為268、214.3 r/min，配套電機(jī)功率分別為630、330 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為745、597 r/min，齒輪箱傳動(dòng)比2.785。原型泵裝置性能曲線(xiàn)如圖3和圖4所示，裝置性能見(jiàn)表1和表2。

圖3 正向排澇工況裝置性能曲線(xiàn)

圖4 反向引水工況裝置性能曲線(xiàn)

表1 正向排澇工況裝置性能表

表2 反向引水工況裝置性能表

4 性能評(píng)價(jià)

比較雙速電機(jī)的泵站裝置性能和單速電機(jī)的泵站裝置性能，以此來(lái)檢驗(yàn)雙向雙速方案的合理性。

由于泵站排澇工況揚(yáng)程較高，揚(yáng)程范圍也較大，為保證泵站安全、穩(wěn)定運(yùn)行，單速電機(jī)方案以排澇工況確定泵組參數(shù)。確定為水泵直徑1.55 m，轉(zhuǎn)速268 r/min，配套電機(jī)功率630 kW。

4.1 泵站裝置效率

單速方案原型泵正向排澇工況裝置性能曲線(xiàn)與圖3一致，原型泵反向引水工況裝置性能如圖5、表3所示。

圖5 反向引水工況裝置性能曲線(xiàn)

表3 反向引水工況裝置性能表

由圖5 可知，泵站引水揚(yáng)程范圍均在高效鴨蛋區(qū)以下，偏離高效區(qū)較遠(yuǎn)。

4.2 泵站能耗

能源單耗e指將1 kt水提升1 m所消耗的電能。其表達(dá)式如下：

式中：E 為某一時(shí)間段內(nèi)，泵站所消耗的電度數(shù)；G為某一時(shí)間段內(nèi)，泵站實(shí)際提取的水重；H凈為某一時(shí)間段內(nèi)，泵站的平均凈揚(yáng)程。

能源單耗e 與泵站效率η 的關(guān)系如式（2）所示[6]：由此可得雙速方案與單速方案引水工況下不同揚(yáng)程時(shí)得能源單耗對(duì)比表（見(jiàn)表4）。

表4 單耗對(duì)比表

由表4可知，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程（多年平均揚(yáng)程）時(shí)，泵站雙速方案能源單耗為4.81 kWh/（kt·m），泵站單速方案能源單耗為5.28 kWh/（kt·m），泵站節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以福建九龍江防洪工程漳州段（二期）內(nèi)林泵站的泵組選型為例，分析研究了雙向雙速平面S形軸伸泵方案的可行性，并比較了裝置效率、能源單耗。結(jié)果表明:雙速電機(jī)可有效改變泵組水力特性，較好適應(yīng)水位、流量變化，為雙向引排泵站的設(shè)計(jì)提供方案參考。