灌溉泵站流量调节及变频调速节能效益分析

2018-09-11谭剑波何自立王立青

水资源与水工程学报 2018年4期

谭剑波，何自立，王立青

(1.杨凌职业技术学院，陕西杨凌 712100； 2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

1 研究背景

泵站是实现农田高效节水灌溉、促进农村新兴经济体快速发展的重要基础保障设施。截止2010底，全国机电灌排容量已从1994年的7×104kW增加到8753×104kW[1]。遍布全国各地的各类灌排泵站，在新农村社会经济发展、精准扶贫和抗旱应急等方面均发挥着非常重要的作用。然而，受当时建设规划理念、设计标准、施工技术、设备制造水平和运维管理意识等因素制约，加上数十年运行又缺乏合理养护，1990至1995年以前建成的大部分灌排泵站现已处于低效运行甚至病险状况。为提高泵站水泵机组电能转换效率，降低能源损耗，促进农业灌排泵站的技术升级，流量调节节水节能改造是一项重要的工程措施。文献[3-4]基于并联水泵工况点求解基础上，建立水泵并联流量随并联台数间变化的能耗分析模型，可为灌溉泵站节能改造设计提供重要理论支撑。李明思等[5]中探讨了滴灌泵站流量总调节与离心泵变频调速特性间的调速工况等效性因素。文献[6-7] 基于风机泵类变频调速节能改造前后的扬程特性和管阻特性变化规律，对流量调节的节能原理、节能影响因素及节能效果进行了研究。文献[8-10]探讨了水泵流量调节变频控制策略及灌溉泵站运行效率提高的技术措施。田云等[11]、孙洪义[12]、苏丽秋等[13]分析得出：泵站采用恒定供水水压与变流量相结合的恒压变频调速节能改造后，水泵能耗可以减少30%以上。近年来，研究人员和工程实践人员在灌溉水泵变频节能调速控制策略和装备性能等方面做了很大努力，也取得较多研究成果，而基于管网特性与水泵并联的高压变频流量调节方面的应用研究较少。在此背景下，结合灌溉加压泵站管网特性与水泵并联流量调节特性，通过筛珠洞抽水灌区泵站技术升级改造实例，对灌溉泵站流量调节及变频调速节能改造设计方案及应用效益进行了分析研究。通过制定合理的流量调节策略和技术升级改造设计方案，确保灌溉泵站的社会、经济等综合效益高效稳定发挥。

2 水泵运转特性关联性函数

水泵作为将电能转换为水能的一种流体机械，其在不同运行工况下的运转特性复杂多变，不同流量调节方式会对水泵扬程特性和管道阻力特性带来较大影响。要确保水泵长期运行在高效节能工况，必须通过对水泵运转特性曲线进行全面分析，掌握其与实际运行相匹配的运转特性关系，以便选择合理的节能改造方案。

2.1 水泵运转特性曲线

水泵运转特性由水泵各参数间关系表示，但由于这些参数相互间关系较复杂，很难用单一数学函数来表达其变化规律，通常采用关系曲线进行表达。体现水泵运转特性的关系曲线主要有扬程(H)与流量(Q)和效率(η)与流量(Q)两种，其曲线拟合函数表达为[4]：

H=k0+k1Q+k2Q2

η=c0+c1Q+c2Q2

(1)

式中:k0,k1,k2和c0,c1,c2为待定系数，可根据厂家数据结合现场试验确定。

除了扬程特性外，影响水泵运行性能的因素还有管道阻力特性，由管道系统实际运行状况决定，在某一特定条件下其值是固定的。对于农业灌溉泵站而言，水流通过加压水泵的能量增值，除用于提升水流能量外，还需克服管道阻力，也即工程中的需要扬程，其具体函数表达为：

H=H0+kQ2

(2)

式中：k为管阻系数；Q为管道流量，m3/s；H0为泵站净扬程(提水高度)，m。

2.2 水泵运转特性分析

图1 不同调节方式水泵运转工况特性

根据水泵调速原理可认为流量、扬程和轴功率均可由转速来体现，其具体函数表达为[10]：

Q∝n;H∝n2;P轴∝QH∝n3

(3)

采用闸阀进行流量调节实际是人为增加管道阻力，造成大量电能浪费在节流阀上。同时，工况点从(A)调节到(B)时，水泵运行效率(η)从高效工况区转移到低效工况区，电能转换效率降低，能耗增加。采用变频调速技术进行流量调节，水泵闸阀长期处于全开状态，可以降低阀门的节流损失，且轴功率也随流量和扬程减小而大大降低。因此，对于大功率水泵电机采用变频调速技术升级改造后，可在维持现状管道系统不变的基础上，根据灌溉需求流量适时控制水泵转速，完成流量调节的同时实现节能降耗的目的。

3 灌溉泵站变频调速节能技术改造实例分析

3.1 工程概况

筛珠洞抽水灌区位于泾阳县王桥镇西北部，泾惠渠渠首下游，始建于1982年，从泾河直接引水。灌区由一级至四级泵站提水，总装机7台，装机容量1 395 kW，总扬程176 m，设计引水流量0.56 m3/s，灌区设施灌溉面积1 400 hm2，有效灌溉面积1 120 hm2。其中，三级泵站装机2台(原设计3台)，装机功率600 kW，设计流量0.44 m3/s，净扬程73 m,电压等级为6 kV。三级泵站目前输水渠道、进水前池、压力管道和泵站厂房等水工建筑物运行性能良好。但水泵机组、电气设备和辅助设备从机组及设备选型就存在一定的技术问题，加上多年非设计工况运行且没有得到合理养护，机组效率逐年降低、能耗逐年增加，安全隐患凸显，亟待对水泵机组进行全面技术升级改造[14]。

3.2 机组技术升级改造方案

三级泵站一是向四级泵站引水渠供水，二是向西苗、范李、宗沟等8个村约267 hm2滴灌和喷灌区管网供水。泵房内原安装2台设计流量为900 m3/h工频泵，由水泵出口闸阀控制流量。实际运行统计数据发现，水泵长期运行在低效工况区，单位配水能耗高[15]。由于三级泵站供水管网复杂且流量、水压波动较大，常规闸阀调节方案在调节可靠性、准确性和节能经济性等方面，均很难满足灌区精细化、精益化调节供水需求。另外，规划在太和村和岳家坡村新建喷灌区约100 hm2，经水资源供需平衡分析，原2台水泵供水水量不能满足新增喷灌区用水需求。为此，设计在泵房原预留3#机的位置增设1台6kV机组，装机容量由600kW扩容到900kW。同时，结合二级泵站6kV机组变频调速改造经验，三级泵站3台机组均采用SLW节能型单级单吸卧式离心泵，并配置高压变频调速系统进行变频调速节能控制。6kV水泵机组“一拖一”高压变频调速电气方案，如图2所示。

图2 一拖一高压变频调速电气方案

水泵变频调速改造选用西安西驰公司生产的“CFV高-高电压源型”双核数字控制变频调速系统，配置DL进线断路器柜1面和CFV变频柜1面。高压变频柜内装设1台CFV-300kW型6.3kV变频器，3个高压真空接触器KM1-KM3和2个高压负荷开关QS1-QS2。6kV电源经DL进线断路器柜、QS1和KM2将高压电源送入变频器，经内部DSP算法硬核+并发控制硬核双控制引擎运算分析后形成对应控制策略，通过调节变频器输出电源频率经KM3和QS2完成水泵电机转速(流量)的动态调节，以匹配实时灌溉用水需求[16-17]。另外，对于灌溉用水高峰期，电动机需长期运行在满负荷工况，如继续采用变频调速控制，则一方面变频器自身运行会带来4%～8%电能损耗，且变频器大功率运行会产生大量热量对设备性能和质量会带来损坏。为此，设计在高峰灌水期由控制模块自动将控制方式切换到工频运行工况，由KM1不经变频器直接将电源供给电动机，以额定工况工频运行[18]。

3.3 改造效益分析

技改设计采用3台SLW300-500、0.25 m3/s型单级单吸卧式离心泵，配3面DL进线断路器柜和3面CFV变频启动柜。经电能统计数据分析，泵站配水综合能耗(全站总电耗(含站用电)/供水总流量)和配水能耗(水泵机组总电耗/(供水总流量×水头))的变化特性如图3所示。

图3 泵站2013-2017年运行能耗分析

从图3可知，改造前2013-2016年期间配水能耗和配水综合能耗均呈上升趋势，机组运行效率不断降低，且在2015-2016年期间有明显恶化加剧趋势，技术改造已刻不容缓。

3台机组全部更新升级改造并采用CFV变频调速智能控制，配水能耗从改造前2016年的0.433(kW·h)/(m3·MPa)降低到改造后2017年的0.368(kW·h)/(m3·MPa)；配水综合能耗也从改造前2016年的0.343(kW·h)/m3降低到改造后2017年的0.255(kW·h)/m3。改造前后，单机运行工况下水泵机组运行特性参数如表1所示。

从图3和表1水泵机组运行状况来看，在灌溉同面积条件下改造前后机组运行电流、出口压强和频率均有明显降低，运行条件得到明显改善。在机组100%～50%负荷区间，电流下降幅度达29.2%～56.8%。按年均供水800×104m3计算，采取CFV变频调速智能控制后，2017年相比2016年泵站全年总节省电能=800×104m3×(0.343 kW·h/m3-0.255 kW·h/m3)=70.4×104(kW·h)。按陕西省2017年农业生产用电电价0.433元/(kW·h)计算，泵站经技术升级节能改造后，2017年比2016年全年节约电费30.48×104元，节电效果非常明显。

采用CFV变频调速智能控制为核心的泵站改造,达到预期机组自动化技术升级和节能降耗的目的，不仅提高机组运行效率、减少供水用电单耗和电费支出，同时CFV变频器双核数字控制引擎实现控制数据高速并行处理，能在很大程度上提高机组自动控制水平、降低冲击振动及运行噪声，确保泵站机组高效优质、节能经济的变频调节运行。