变频设备在灌溉泵站工程设计中的应用

李伟

（新疆奎屯农七师勘测设计研究院（有限公司） 奎屯市 833200）

1 灌溉泵站问题的提出

对于灌溉泵站来说，作物生育期需水量呈峰谷型变化，供水过程变化频繁，梯级泵站也会因为上、下级流量配合不当发生弃水或断流等情况，造成运行失调，能源浪费，甚至造成工程事故。

设计过程中，梯级泵站级间的不平衡，主要是因为灌溉制度、进出水池水位变化、水泵并联效应等原因造成的，常规办法一般是通过大、小泵配合，减少单机规模，增加台数，必要时设置专门的调节水泵来解决，甚至依靠产生弃水来保障灌溉保证率。

水泵台数越多，泵站的灵活性越高，但设备的闲置率越大，设备投资、土建工程量也会相对偏大；反之，可能会导致水泵偏离高效区运行或长期产生弃水，增大成本，给工程运行管理造成诸多不便。

2 变频设备的应用

变频设备是利用变频技术与微电子技术，通过对供电频率的转换来实现电动机转速自动调节的控制设备，可以把50Hz的固定频率改为（30～130）Hz的变化频率，使电压适应范围达到（142～270）V。在灌溉泵站运行中具有启动平缓、随时调整出力、实现软停止消除水锤等优点。

新疆某新建灌区灌溉面积0.69万hm2（10.4万亩），南北平均宽7km，落差198m，东西平均长10 km左右。项目区属北温带大陆性半荒漠气候，夏季炎热干燥，降水少，春秋季气候多变，冬季寒冷漫长，多年平均气温7.9℃，多年平均降水量170mm，年均蒸发量1614m，蒸发量是降水量的9.5倍，是典型的绿洲灌溉农业。

由于灌区地形位置较高，规划阶段提出采用扬水方式来解决农业灌溉用水的问题，项目区地处资源型缺水地区，蒸发量巨大，因此降低蒸发、渗漏损失显得尤为重要，特别是对提水工程来说，水资源就更显珍贵。设计全部采用管道输水的方案，从提水、配水，一直到田间灌溉，用工程措施在各方面提高灌溉水利用系数。

在可研、初步设计阶段，根据工程布置和运行灵活性，将灌区分为东西两个片区，各片区分别布置4个梯级泵站，灌区灌溉方式采用提水+自压滴灌的方式进行灌溉，东区控制灌溉面积0.39万hm2（5.86万亩），西区控制灌溉面积0.30万hm2（4.54万亩）。以东区一级泵站为例，一级泵站为东区的龙头泵站，提水量是整个东区的灌溉水量，二、三、四级泵站提水量逐级递减。图1为一级泵站的供水过程线。

图1 一级泵站供水过程线

从供水过程线来看，最小流量0.35m3/s出现在4月，最大流量2.18m3/s出现在7月，峰谷比为6.2∶1。按照常规方法选泵时，为满足绝大部分时间水泵在高效区运行，需配置不同型号的水泵，通过流量搭配来满足灌溉过程要求，给工程运行管理带来诸多不便。本次设计引入了变频设备控制，在水泵选型时采用同型号的水泵，变频调整出力，不仅节约了电能，而且提高了运行管理水平，同时也适当地节约了土建和设备工程的投资，提高了对并联后出水管路运行的稳定性。

根据本工程的具体特点，泵型选择应遵循以下基本原则：

（1）水泵联合运行时，应满足灌区作物不同生育期的水量、流量要求。

（2）在平均扬程时，水泵应在高效区运行，并具有良好的抗气蚀性能；在整个扬程范围内，水泵应能安全、稳定运行，不得产生气蚀和动力过载。

（3）灌溉泵站选择主泵台数按流量大小取3～9台，同时并联运行的水泵不超过4台。

（4）一级泵站是东区系统重要的水源泵站，泵站设置一套备用机组；其余3个梯级泵站，可将年利用小时数低的机组作为备用机组，以减少设备闲置，降低投资。

（5）本工程共有4个梯级泵站，考虑到水泵型号太多会给以后的运行管理带来不便。原则上，在工程量相差不大的情况下，同一泵站内，机组型号应统一，方便运行管理；水泵台数尽量少，降低投资。

（6）采用变速调节时，水泵转速下降幅度不宜超过额定转速的30%；提高转速时，不宜超过额定转速的5%，以防止动力机超载，机组振动，损坏设备。

本工程设计选取了4台工作泵，1台备用泵，5台水泵型号相同，运行时最大并联台数4台，5台水泵互为备用。设计流量1965m3/s，为泵站设计流量的25%，设计扬程97.4m，最大扬程98.7m，最小扬程89.3m，加权平均扬程95.1m，根据水泵流量扬程，摘录出国内某水泵厂家与之相适应的双吸单级卧式离心泵的基本特性曲线。见图2。

图2 Sh500-6/6基本特性曲线

附表 不同效率η时的相似抛物线常数C

图3中列出了η=76%～84%的相似工况抛物线，确定出水泵高效区的范围。

图3 相似工况抛物线

变频设备改变电流频率对水泵进行变速调节，转速调节计算公式为

式中 n——水泵电机转速；

f——电流频率（50Hz）；

P——电机磁极对数，Sh500-6/6磁极对数为3。根据比例律公式求出变速后水泵的Q-H特性曲线（图4）。比例律公式为

图4 变速后水泵的Q-H特性曲线

式中 Hi——η=76%、78%、80%、84%时对应的扬程；

Qi——各水泵效率下对应的流量；

n——水泵额定转速（r/min）；

Hi′——变速后水泵扬程；

Qi′——变速后水泵流量；

ni′——变速后水泵转速（r/min）。

图4中Q-H′和Q-H″两条曲线，分别为将转速调节至1010r/min和930r/min后，按照比例律公式确定的流量～扬程关系曲线；同时根据相似工况抛物线也基本可以确定出转速改变后水泵的高效区范围区间。

调节水泵转速时应注意水泵转速下降幅度不宜超过额定转速的30%，提高转速不宜超过额定转速的5%，以防止动力机超载，机组振动，损坏设备。根据这一原则该水泵转速调节范围为（693～1039）r/ min，调整时应依据管路特性曲线选取合理的转速调整范围。

图4中管路特性曲线Q-H需与水泵基本特性曲线Q-H的交点即为水泵的工作点。图中B点为单泵额定转速运行时的工作点，效率为82.7%。

A点为降低水泵转速到930r/min时的工作点，效率为76%，转速降低了6%。在基本保证不损失扬程和效率的情况下，流量由额定转速下的2265m3/h降低到1155m3/h，流量减小了49%，输出电流频率46.5Hz，频率下调7%；C点为提高转速到1010r/ min时的工作点，效率为80%，转速升高了2%，流量由 2265m3/h增加到了 2514m3/h，流量增加了11%，输出电流频率为50.5Hz，频率升高了1%。

因此可以看出，水泵转速调节，对运行工况的调整效果十分明显。转速只需要进行微小调整，在高效区范围内，流量会得到较大的改变。

对于本工程，虽然水泵仍有调整的空间，但根据水泵基本特性曲线和管路特性曲线来看，继续升高或降低转速水泵会偏离高效区，增加运行费用，根据《泵站设计规范》（GB50265-2010）9.1.11规定：“离心泵站的装置效率不宜低于65%～70%，新建泵站装置宜取高值”。对于一些历时较短的极端工况，也是可以保证灌溉用水要求的。

对于本工程而言，在供水过程线变化时，可以通过并联多台水泵，调整1台或2台水泵的出力来满足需水过程，运行十分灵活。当水泵调整转速并联后，采用不同型号水泵并联时工作点的确定方法绘制水泵并联Q-H图，Q-H线与管路特性曲线的交点即为并联后水泵的工作点。图5中“×”为整个灌溉期的供水流量，所有流量过程都在两条Q-H曲线的中间，水泵基本都能在高效区运行。

图5 水泵并联Q-H图

根据计算，最多需要调整两台水泵的出力即可满足要求，虽然在个别流量下，水泵会偏离高效区运行，但以保证灌溉发生弃水的原则运行时，全年灌溉期内，弃水量共计3.51万m3，仅占到全年总供水量2083万m3的0.17%，效益十分明显。

各级泵站采用变频设备控制后，可以轻松地控制各梯级的提水流量，基本消除弃水或断流的工况，对节能减排，降低运行费用有积极作用；变频设备的软停止，可以缓慢降低水泵出力，避免因紧急停泵带来的水锤危害，对工程运行的稳定性和安全性起着不可替代的作用。

3 结 语

变频控制设备具有调整范围大、启动平缓、随时调整出力、实现软停止、减小水锤、管路运行稳定等多重优点。特别是在梯级泵站的灌溉运行中，通过不同工况组合使水泵在高效区运行，基本可以达到供水期无弃水。在节能减排、降低运行费用、管理灵活方便、提高经济效益、简化设计、减少设备和土建工程量，降低投资等方面都有着不可替代的作用。

[1]栾鸿儒.水泵与水泵站[M].北京：中国水利水电出版社.