變頻器調(diào)速水泵與出水閥門聯(lián)動(dòng)啟停方式研究

李 寶 ，高 航，于永海

（1.甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400；2.蘇州市供排水管理處，江蘇 蘇州 215026；3.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

1 引言

水泵及泵站廣泛應(yīng)用在農(nóng)田灌溉排澇、城鄉(xiāng)供排水、長距離和跨流域調(diào)水工程中，對發(fā)展生產(chǎn)、滿足人們正常生活需要與保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全具有至關(guān)重要的基礎(chǔ)保障作用[1]。

水泵是耗能設(shè)備，泵站節(jié)能降耗、梯級泵站優(yōu)化調(diào)度一直是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。變速調(diào)節(jié)是一種水泵工況調(diào)節(jié)方法，可以使得調(diào)節(jié)后泵工況處于高效區(qū)[2]。目前廣泛應(yīng)用變頻技術(shù)及變頻器實(shí)現(xiàn)水泵變速調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)泵站節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3，4]。高揚(yáng)程泵站一般采用“一管多機(jī)”并聯(lián)泵組運(yùn)行方式，通過研究可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[5，6]。泵站使用變頻器，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組平緩啟動(dòng)，避免對進(jìn)線電源系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊；采用軟啟和軟停方式，可以減小轉(zhuǎn)子及軸承的機(jī)械沖擊磨損。

靜止變頻器是通過改變電源頻率進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的。高壓變頻器的種類繁多，其分類方法也多種多樣。在高揚(yáng)程泵站最常用的方式是，先是通過變頻器內(nèi)置降壓變壓器，將泵站高壓進(jìn)線電源降壓為較低的交流電源，然后通過三相可控硅整流技術(shù)進(jìn)行整流，再通過IGBT元件逆變，利用SPWM變換，得到頻率和幅值都可變的較低電壓交流電，最后通過變頻器內(nèi)置升壓變壓器變換成泵站電機(jī)所需用額定電源。

在梯級高揚(yáng)程泵站中，以PLC（可編程控制器）為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變頻器、泵、閥聯(lián)動(dòng)的遠(yuǎn)程控制。高壓變頻器預(yù)充電、合閘、設(shè)定頻率、啟動(dòng)電機(jī)、停止、分閘及出水液控閥門啟、閉各遠(yuǎn)程控制點(diǎn)均引出端子并通過硬接線連接至PLC,變頻器、斷路器和出水閥門各位置信號(hào)也通過硬接線傳至PLC，保證了聯(lián)動(dòng)操控命令的可靠下達(dá)。

水泵在啟、停的過程中管路中都會(huì)產(chǎn)生水錘，變頻器可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)節(jié)出水閥門開啟或關(guān)閉時(shí)刻的水泵轉(zhuǎn)速，來減小水錘。因此變頻器調(diào)速水泵與出水閥門聯(lián)動(dòng)需考慮以下兩個(gè)問題。

（1）電動(dòng)機(jī)采取變頻啟動(dòng)方式，出水液控閥門背壓狀態(tài)（閥后存在較高水壓）下閥板不能過早打開；為有效消除啟泵水錘，閥板也不宜打開太遲。水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到多少時(shí)開啟出水液控閥門需要進(jìn)行合理選擇。

（2）為有效消除停機(jī)水錘升壓，可以采取這樣的方式：合理選擇確定電機(jī)轉(zhuǎn)速一個(gè)定值，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降至這個(gè)定值后即關(guān)閉出水液控閥門，待出水閥門全關(guān)后再下令變頻器停止。

針對上述問題，本文對高揚(yáng)程泵站變頻器調(diào)速水泵與出水閥門聯(lián)動(dòng)啟停方式進(jìn)行研究，以有效減小開機(jī)與停機(jī)過程中的水錘升壓。

2 變頻器調(diào)速水泵與出水閥門聯(lián)動(dòng)啟停方式

2.1 開機(jī)流程

變頻器先設(shè)定頻率50 Hz，然后變頻器（配套功率≥800 kW）預(yù)充電；預(yù)充電完成后，變頻器合閘，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，變頻器頻率按設(shè)定的規(guī)律增加，當(dāng)變頻器頻率增加到f1（數(shù)值確定方法見下文）時(shí)出水液控閥門開啟。這樣啟泵時(shí)有效減小了水錘升壓，閥前閥后水流平穩(wěn)銜接，縮短了到達(dá)穩(wěn)定工況的過渡過程歷時(shí)，減小對出水閥門和管道的的沖擊，可延長出水液控閥門、水泵泵軸和軸承使用壽命。

2.2 停機(jī)流程

設(shè)變頻器正常運(yùn)行時(shí)的頻率為fs，準(zhǔn)備停機(jī)時(shí)，開始減小變頻器頻率，當(dāng)頻率減小到f1（數(shù)值確定方法見下文）時(shí)，關(guān)閉出水液控閥門，液控閥門全關(guān)后，變頻器停止，頻率降為0時(shí)，變頻器分閘。停泵時(shí)有效減小了水錘升壓，保證了設(shè)備及管道安全，可延長出水液控閥門、水泵泵軸和軸承使用壽命。

2.3 開啟、關(guān)閉閥門時(shí)刻對應(yīng)的變頻器頻率的確定

每種型號(hào)水泵都有一個(gè)額定工況點(diǎn)，此時(shí)水泵轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速nr，水泵效率為最大值，揚(yáng)程為額定揚(yáng)程，流量為額定流量。圖1為某種型號(hào)水泵不同轉(zhuǎn)速下的H-Q曲線，額定轉(zhuǎn)速為970 r/min，額定工況點(diǎn)用三角符號(hào)表示，當(dāng)流量為0時(shí)揚(yáng)程則為HrO。

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)資料，可知出水閥門閥底位置高程Zv，運(yùn)行實(shí)測的出水池水位為Zout，從而可知閥后壓強(qiáng)水頭Hv=Zout-Zv。作一條H=Hv的水平線，與縱坐標(biāo)軸相交，該交點(diǎn)對應(yīng)的流量為0，揚(yáng)程為Hv。在額定轉(zhuǎn)速H-Q曲線基礎(chǔ)上可作出圖1中的曲線1，曲線1對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為揚(yáng)程Hv、流量為零時(shí)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)水泵比例律可得對應(yīng)的轉(zhuǎn)速：

圖1 某型號(hào)水泵不同轉(zhuǎn)速下?lián)P程與流量關(guān)系曲線圖

交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值(0～n）與選用的變頻器的頻率值（0～50 Hz）有線性關(guān)系，因此可以得到推算出的對應(yīng)轉(zhuǎn)速n0的變頻器頻率：

這樣確定的變頻器頻率f0下打開或關(guān)閉閥門，閥前壓力比閥后壓力略大一些，可有效減小水錘升壓。如果在額定轉(zhuǎn)速下打開或關(guān)閉閥門時(shí)，閥前壓力比閥后壓力大得多，引起水力過渡過程比較急劇，從而產(chǎn)生較大的水錘升壓。從安全考慮選擇啟、閉出水閥門時(shí)的變頻器頻率值較f0增大1～2 Hz即

式中，Δf可取1～2 Hz。

3 泵站現(xiàn)場試驗(yàn)與分析

甘肅省景泰川電力提灌工程二期南干一泵站裝 機(jī)8臺(tái)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)泵并聯(lián) 運(yùn) 行，4號(hào)、5號(hào)泵并聯(lián)運(yùn)行，6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)泵并聯(lián)運(yùn)行。3號(hào)泵為變頻器調(diào)速水泵，水泵型號(hào)：HS900-800-850B，額定轉(zhuǎn)速730 r/min，額定流量1.7 m3/s，額定揚(yáng)程29.41 m，其性能曲線如圖2所示。圖2中曲線3為所選泵的H-Q性能曲線，可得到Hro=39.8 m。實(shí)測出水池水位1 802.95 m，出水閥門閥底高程1 773.27 m，則Hv=29.68 m，由公式（2）計(jì)算可得f0=43.2 Hz，從而開啟或關(guān)閉閥門時(shí)刻的變頻器頻率f1可取為44.2～45.2 Hz。

圖2 HS900-800-850B泵H-Q性能曲線

南干一泵站3號(hào)機(jī)組原為工頻運(yùn)行機(jī)組，后加裝變頻器改為變頻機(jī)組。機(jī)組水泵出口安裝有液控半球閥，口徑DN800，采用快慢兩階段關(guān)閉方式。半球閥后壓力管道安裝有壓力變送器，壓力數(shù)據(jù)采集后傳至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用。3號(hào)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，實(shí)測啟泵時(shí)管道升壓峰值為32.28 m，停機(jī)時(shí)升壓峰值B點(diǎn)為30.3 m，最低壓力值A(chǔ)點(diǎn)為23.5 m，圖3為3號(hào)機(jī)工頻單機(jī)單管停機(jī)時(shí)閥后壓力波形曲線。改為變頻機(jī)組后，變頻器配套功率900 kW，最大頻率50 Hz。取f1=44.5 Hz進(jìn)行啟停泵試驗(yàn)，測得啟泵時(shí)管道升壓最大值為31 m；從3號(hào)機(jī)組變頻停機(jī)時(shí)閥后壓力波形圖（圖4）可知，閥門在C點(diǎn)已完全關(guān)閉，全關(guān)后閥后管道升壓峰值D點(diǎn)為29.1 m，最低壓力值E點(diǎn)為26 m。工頻跟變頻狀態(tài)啟停機(jī)壓力波動(dòng)二者比較來看，變頻狀態(tài)下壓力波動(dòng)更小，對管路及設(shè)備的沖擊更小，啟停機(jī)更安全。

圖3 南干一泵站3號(hào)機(jī)組工頻單機(jī)單管停機(jī)時(shí)閥后壓力波形

圖4 南干一泵站3號(hào)機(jī)組變頻單機(jī)單管停機(jī)時(shí)閥后壓力波形

4 結(jié)論

利用變頻器調(diào)速水泵的變速特性，研究提出了變頻器調(diào)速水泵與出口閥門聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)與停機(jī)方式，以有效減小開機(jī)與停機(jī)過程中的水錘升壓，縮短了到達(dá)穩(wěn)定工況的過渡過程歷時(shí)，減小對出水閥門和管道的的沖擊，保證了設(shè)備及管道安全，可延長出水液控閥門、水泵泵軸和軸承使用壽命。

以啟動(dòng)時(shí)刻與停機(jī)時(shí)刻閥前閥后壓力基本相等、水流平穩(wěn)銜接為原則，確定啟停時(shí)刻變頻器調(diào)速水泵轉(zhuǎn)速及變頻器輸出頻率。現(xiàn)場實(shí)測表明：變頻狀態(tài)下啟停機(jī)與工頻狀態(tài)啟停機(jī)比較，前者的壓力波動(dòng)較小，對管路及設(shè)備的沖擊較小，啟停機(jī)更安全。