寬揚程范圍取水泵站裝機方案設計

黃正財，鄭錄艷，楊 超，張建勛

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550002）

1 工程概況

宣威水庫位于貴州省麻江縣宣威鎮(zhèn)，壩址位于凱里市城區(qū)上游，距離凱里市主城區(qū)約45 km，壩址所處河段為清水江干流上游。水庫工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模屬大（2）型，其主要任務是以防洪、供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電、生態(tài)和旅游，并為區(qū)域扶貧開發(fā)、生態(tài)文明建設和少數(shù)民族發(fā)展創(chuàng)造條件。

宣威水庫工程由水庫首部樞紐工程（大壩樞紐工程+發(fā)電工程）、凱麻供水工程和輸水工程組成。凱麻供水泵站位于大壩下游左側(cè)約200 m處臺地上，采用一級提水，泵房型式為地面式，原水經(jīng)水庫取水口進水，經(jīng)水泵提至742.00 m高程的高位水池后，自流向凱麻新城供水，沿線向羅伊片區(qū)的威寧村、翁保村、共和村、淑里村、銅鼓村和中壩村進行供水。宣威水庫及凱麻泵站主要參數(shù)下表1。

表1 水庫及泵站主要參數(shù)表

2 取水方式選擇

凱麻泵站位于宣威水庫大壩下游左側(cè)約200 m處臺地上，泵站每年供水提水流量為7913萬m3，其取水方式考慮兩種方案進行比較。

（1）方案①。壩后無壓取水方式，即庫內(nèi)取水管道+消力池+泵站+高位水池的布置形式，其流程圖見圖1。

圖1 方案①無壓取水泵站流程圖

（2）方案②。壩后有壓取水方式，即庫內(nèi)取水管道+泵站+高位水池的布置形式，其流程圖見圖2。

圖2 方案②有壓取水泵站流程圖

方案①優(yōu)點在于泵站機組不考慮水庫水位消落的影響，機組可長期處于水泵高效區(qū)運行，水泵基本能保證設計流量恒定輸水，運行調(diào)度方便；缺點在于水庫水能無法充分利用。經(jīng)選型分析，兩個方案主要指標對比見表2。

表2 方案主要指標對比表

宣威水庫年平均水位676.89 m，說明水庫長期處于正常蓄水位681.00 m附近運行。由表2可知，方案①未利用平均水位與死水位之間的水能，導致兩個方案平均揚程相差24.0 m，雖然方案①水泵長期處于高效區(qū)，但年耗電量卻增加492.1萬kW·h，會導致凱麻泵站年運行費用成本高。經(jīng)比較，從泵站長期運行來看，方案①無壓取水方式未能充分利用水能，不節(jié)能，導致年運行成本增加，故考慮采用方案②有壓取水方式進行泵站布置。

3 機組選型

3.1 臺數(shù)選擇

泵站的臺數(shù)關(guān)系到廠房土建投資、機電設備投資與運行管理等方面，如裝機臺數(shù)多，則泵站運行靈活，能更好地進行流量匹配，但廠房土建與機電設備投資都會增加；反之，裝機臺數(shù)少，單泵過流量大，泵組效率較高，土建及機電設備投資較省，但運行不夠靈活。根據(jù)《泵站設計規(guī)范》（GBT50265-2010）中要求“備用機組的臺數(shù)應根據(jù)工程的重要性、運行條件及年運行小時數(shù)確定，并應符合下列規(guī)定：1、重要的供水泵站，工作機組3臺及3臺以下時，宜設1臺備用機組；多于3臺時，宜設2臺備用機組；2、灌溉泵站，工作機組3～9臺時，宜設1臺備用機組；多于9臺時，宜設2臺備用機組；3、年運行小時數(shù)低的泵站，可不設泵用機組。”

凱麻泵站供水流量為2.536 m3/s，考慮到泵站供水流量較大，且本泵站是向凱麻新城供水，供水泵年利用小時高。綜合考慮機組選型、機電設備投資、土建投資、檢修運行費用，以及受水區(qū)的供水特點，本泵站供水機組設工作泵2臺，備用機組1臺，相互輪切備用，單泵流量為1.268 m3/s。

3.2 機型選擇

凱麻泵站布置于宣威水庫壩后，利用取水管從庫內(nèi)有壓取水，供水泵機組提水設計揚程為90.6 m；單泵流量為1.268 m3/s。根據(jù)泵站揚程和流量范圍，以及泵站的布置形式，適合選擇的泵型為臥式單級雙吸中開離心泵，該泵適用范圍廣，通用化程度高，結(jié)構(gòu)緊湊，運行穩(wěn)定，維護方便，經(jīng)濟效益高。

經(jīng)市場調(diào)研，具備生產(chǎn)該泵型的廠家和滿足本泵站的參數(shù)要求的產(chǎn)品均較多，本設計通過對行業(yè)內(nèi)較優(yōu)的不同廠家推薦方案進行比選，推薦工頻運行水泵參數(shù)見表3。

表3 工頻運行機組主要參數(shù)表

從機組選型結(jié)果分析，凱麻泵站最大揚程為92.0 m，最小揚程為65.5 m，揚程變幅為26.5 m，變幅較大，最大揚程與最小揚程工況下單臺機組流量輸出相差0.55 m3/s，兩臺工作泵運行時流量輸出1.1 m3/s（即3960 m3/h）。宣威水庫年平均水位676.89 m，說明水庫長期處于正常蓄水位681.00 m附近運行，即水泵長期在低揚程65.5 m附近運行，此時，水泵并不在高效區(qū)運行，且機組輸出流量比設計流量大許多，可能造成水資源的大量浪費和運行成本的大幅增加[1]，故需采取合理的調(diào)節(jié)方法及措施解決出現(xiàn)的問題。

4 調(diào)節(jié)方式分析

基于以上問題，解決思路應從泵站運行方式考慮，離心泵相應工況點是建立在水泵和管道系統(tǒng)能量供求關(guān)系的平衡上，只要兩者之一的情況發(fā)生變化，其工況點就會轉(zhuǎn)移。工況點的改變由兩方面引起：一是管道系統(tǒng)特性曲線改變，二是水泵本身的特性曲線改變。

（1）改變管道系統(tǒng)特性曲線可以通過節(jié)流措施實現(xiàn)[2]，如調(diào)流閥或其它節(jié)流措施，此種方式小水泵轉(zhuǎn)速保持不變（一般為額定轉(zhuǎn)速），其實質(zhì)是改變管路特性曲線的位置來改變泵的工況點。閥門開度減小時，管道局部阻力增加，水泵工況點向左移，相應流量減少。此種方式來控制流量時，水泵本身的供水能力不變，揚程特性不變，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，這種方法操作簡便、流量連續(xù)，但是以消耗離心泵的多余能量來維持一定的供給量，離心泵的效率也將隨之下降，能量浪費較大[3]。

（2）水泵特性曲線主要指Q-H、Q-P、Q-η曲線，分別表示流量與揚程、流量與軸功率、流量與效率之間的關(guān)系。根據(jù)水泵葉輪的相似原理[4]，其轉(zhuǎn)速與相應參數(shù)存在以下比例關(guān)系：

式中：n為轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速；S為電機轉(zhuǎn)差率；f為定子頻率；Q為流量；H為水泵揚程；P為電機功率。

從比例關(guān)系可以看出通過改變水泵轉(zhuǎn)速能達到改變流量及揚程的目的。根據(jù)電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式：

式中：n為電動機的轉(zhuǎn)速；f為異步電動機的頻率；s為電動機轉(zhuǎn)差率；p為電動機極對數(shù)。

由式（4）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50%，最好處于75%～100%，故考慮通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，從而達到流量調(diào)節(jié)，是一種高效率、高性能的調(diào)節(jié)手段。

綜合以上分析，與閥門節(jié)流相比，變頻調(diào)速的節(jié)能效果很突出，離心泵的工作效率也更高。另外，采用變頻調(diào)速后，不僅有利于降低離心泵發(fā)生汽蝕的可能性，而且還可以通過對升速/降速時間的預置來延長開機/停機過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而在很大程度上消除了極具破壞性的水錘效應，大大延長了水泵和管道系統(tǒng)的壽命。

5 運行方式優(yōu)選

變頻調(diào)速也有局限性，除了投資較大外，當水泵變速過大時會造成效率下降，超出泵比例定律范圍，不可能無限制調(diào)速[5]。結(jié)合凱麻泵站機組選型及實際情況，對其運行方式進行以下兩種方案的經(jīng)濟技術(shù)比選。①方案A：工頻運行，利用高位水池進行調(diào)節(jié)運行；②方案B：變頻運行。

根據(jù)《泵站設計規(guī)范》（GB50265-2010）中規(guī)定的“從河流、湖泊或水庫取水時，設計運行水位應取滿足設計供水保證率的日平均或旬平均水位”要求，工頻泵確定設計揚程按90.6 m進行選型；變頻泵則按最高揚程92.0 m進行選型，可覆蓋水庫水位變幅引起的揚程范圍。按以上原則選型，工頻機組和變頻機組性能特性曲線分別見圖3和圖4。

圖3 工頻機組性能曲線圖

圖4 變頻機組性能曲線圖

根據(jù)工頻機組和變頻機組性能特性曲線[6]，結(jié)合凱麻泵站實際情況，得出兩個運行方案各主要參數(shù)指標，指標對比見表4。

根據(jù)以上兩種方案選型及表4數(shù)據(jù)進行分析：

表4 艱工頻運行與變頻運行主要指標對比表

（1）從輸出流量方面分析，在方案A工頻運行方式下，泵站在最高揚程下輸出總流量為2.440 m3/s，每小時少于設計總流量329.6 m3；在最低揚程下總流量輸出為3.540 m3/s，每小時超設計總流量3570.4 m3。根據(jù)水文專業(yè)提供水庫多年平均水位為676.89 m，所對應的平均揚程為68.6 m，說明泵站機組將長期處于低揚程段運行，泵站總流量將長期處于超設計流量輸出狀態(tài)[7]，輸水系統(tǒng)為滿足該狀態(tài)下運行，勢必加大用于調(diào)節(jié)的高位水池有效容積或增加輸水管道（或渠道）的斷面面積來保證其過流能力，由于流量超量較大（超設計流量約1 m3/s），所需高位水池調(diào)節(jié)容積很大，投資增加較大。方案B為機組變頻運行，可以實現(xiàn)恒定設計流量輸出，不存在流量超標（或不足）的情況。

（2）從水泵效率方面分析，在方案A工頻運行方式下，水泵需覆蓋的揚程范圍較寬，在最低揚程下效率僅為80.0%，單泵軸功率達1 416.7 kW。方案B在變頻運行方式下，最高揚程到最低揚程下對應的變頻調(diào)速范圍為1000～880 r/min，頻率范圍為50～44 Hz，，最低轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的88.0%，效率下降不大。在最低揚程下，水泵效率為88.0%，單泵軸功率為925.9 kW。由于方案A泵站機組將長期處于低揚程段運行，經(jīng)計算，方案B變頻運行方式（考慮扣除3%變頻器自身損耗）比方案A工頻運行方式效率能提高約5%的效率，每年將節(jié)約電能117.9萬kW·h，節(jié)能效果明顯。

（3）從投資方面分析，方案A工頻運行時，每臺機組需配備軟啟動[8]，經(jīng)市場調(diào)研，每臺軟啟動比相同容量變頻器投資每臺少15萬元，但考慮方案A所需增大高位水池容積或增大輸水管道（或渠道）所帶來的投資較大，故方案B更經(jīng)濟，更合理。

（4）從泵站運行維護方面分析，方案A需要通過高位水池來調(diào)節(jié)，每年泵站大部分運行時間里，7200 m3的高位水池有效容積僅可調(diào)節(jié)2 h機組運行，即機組間隔2 h就得啟停一次，啟停頻繁，調(diào)度很復雜，不利于泵站運行維護工作；方案B基本保證恒定設計流量輸出，調(diào)度簡單。

綜合以上分析，在流量輸出、節(jié)能效果、經(jīng)濟投資及運行維護方面，方案B變頻運行方式均較優(yōu)，故本階段凱麻泵站機組運行方式推薦采用變頻調(diào)速運行。最終，凱麻泵站推薦裝機方案說明見表5。

表5 凱麻泵站推薦裝機方案說明表

6 結(jié)語

水泵特性曲線上每個點均對應一個工況，在最高效率工況點下運行是最理想的，當工況點發(fā)生偏移時，其水泵效率、流量及軸功率等指標均發(fā)生變化。我國西南地區(qū)水庫往往存在水位消落大的特點，這就導致庫內(nèi)取水泵站面臨充分利用水能問題與機組揚程范圍變化大選型問題之間的矛盾。如何平衡兩者，使得水泵滿足提水流量和揚程的前提下，長期在高效范圍內(nèi)運行，并考慮盡量節(jié)約工程投資，調(diào)度簡單和降低運行成本等因素，選擇合理的裝機方案，是泵站產(chǎn)生最大效益的關(guān)鍵。