大型梯级提水灌溉泵站水泵变频分析研究

孙玉涵，刘绍谦，沈珊珊

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003)

1 工程概况

某扬黄工程主干线经一级泵站(取水泵站)从黄河青铜峡东干渠取水，经改造后的二泵站～五泵站梯级输水至分水闸，向南到达甘肃的分水点，向东到陕西分水点。改造后的泵站级间全部采用压力管道和明渠输水。

改造前，泵站各级之间流量调节主要是依靠调节开停泵的台数来进行流量匹配。根据《泵站2011年-2015年各泵站机组运行统计表》，各泵站年平均开停泵次数达到300次左右。

开停水泵的运行方式会在前池中形成水力振荡。弃水造成水电资源浪费，频繁开停泵造成机组轴承、泵轴加速疲劳坏损，频繁的启动导致大电流加速电动机绝缘老化，缩短电动机使用寿命，增加了运行维护成本。因此，针对现状泵站情况，对改造后新二泵站～五泵站设置水泵变频(调速)措施来解决泵站级间流量偏差大，水电资源浪费的情况。

2 梯级提水系统设计参数

合并后新一泵站～五泵站设计流量详见表1，合并后各级泵站压力管道参数见表2。

表1 一泵站～五泵站流量参数表 m3/s

表2 一泵站～五泵站压力管道参数表

3 水泵变频分析研究

某扬黄工程各新建泵站流量较大，扬程适中，选用单级双吸卧式离心泵。

一级取水泵站现安装有6台立式混流泵，水泵主要参数见表3。

表3 一泵站水泵参数表

从表3可以看出，一级泵站存在大中小三种水泵，单泵流量差别较大，因此下级泵站的水泵选择应考虑与首级泵站的水泵匹配，并且技术经济合理。

根据泵站设计规范，梯级泵站间流量搭配应合理，在正常情况下不应弃水，也不得用阀门调节流量。

通常情况下，若一级提水泵站来流较大，而下级泵站水泵提水能力不足，则下级泵站前池需要频繁弃水，由此造成水资源的浪费以及首级泵站电能的浪费，无法满足泵站节能设计的要求。

若采用阀门调节流量，则阀门过流流量特性与阀门开度相关。阀门流量特性有快开流量特性，等百分比(对数)流量特性，直线流量特性，抛物线流量特性等。

通常泵站进出水阀门采用闸阀，球阀或者蝶阀这三种类型。蝶阀流量特性接近等百分比特性，闸阀流量特性接近于直线特性，球阀流量特性在启闭阶段为直线特性，中间开度为等百分比特性。具体如图1所示。

图1 各种阀门流量特性

采用阀门调节流量时，闸阀只能工作于全开或全关状态，不能用来调流。蝶阀和球阀只在阀门开度为中间状态时为等百分比特性，但启闭阶段为直线特性，尤其蝶阀在小开度开启的过程中，蝶板受到水流扰动大，导致蝶板受力不均衡，容易产生裂纹，因此，蝶阀和球阀也不宜直接用来调节流量。即使是等百分比流量特性的阀门，当开度改变时，阀门水阻系数大大增加，水泵管路特性曲线改变，调流目的虽然达到，但大部分能量都被消耗在阀门上以及泵出口阀的压降上面，同时，流量调节过程中也容易产生压力脉动或水击[5]，对于并联运行的工作机组间的配合运行控制也比较困难，同时被操作阀门本身的稳定性也无法控制。而变频调速则不改变管路特性曲线，只是通过改变水泵的特性曲线来进行调节，操作运行上有较大的灵活性和安全性，相比之下，节能及安全优势明显[7]。

本文以二泵站为例，对水泵工频及变频运行两种方式加以对比分析。

3.1 水泵工频运行时的泵站级间流量匹配

二泵站供水初步确定安装6台单级双吸中开卧式离心泵，其中设置5台大泵(4用1备)和1台小泵，运行方式为4台大泵和1台小泵，备用1台大泵。

泵站分为3个泵组，3排出水管道。其中，泵组2和泵组3分别由一台工频大泵和一台变频大泵组成，出水管线均为一根DN2000 BCCP管道；泵组1由一台工频大泵和一台工频小泵组成，出水管线为一根DN1800 BCCP管道。泵组布置示意图见图2。

图2 二泵站泵组布置示意图

根据泵站的大小泵组合布置方式及泵站供水流量需求，初步确定单台供水大泵设计流量为2.63 m3/s，单台小泵供水设计流量为0.90 m3/s。

根据二泵站3个泵组存在的各种运行工况，分别绘制管路特性曲线和水泵并联曲线，对各机组运行工况进行分析计算。

由于存在大小泵在相同的水位下并联工作，以及同型号水泵泵组布置不对称，不能使用等扬程下流量叠加的原理，因此需要采用折引特性曲线法[1]将同一泵组上并联的每台水泵在汇合点前的水损扣除，对汇合点以后的水泵采用等扬程下流量叠加法来求水泵的运行工况点。

以上图2其中一个泵组系统为例，采用折引特性曲线法的基本计算公式如下：

H=▽出-▽进-∑hAC

(1)

∑hAC=Sx·Q2

(2)

对二泵站按设计流量(11.0 m3/s)、泵站次大流量A(9.7 m3/s)和次大流量B(8.7 m3/s)、1/2泵站设计流量(5.5 m3/s)四种流量工况，列表分析一泵站与二泵站级间匹配流量，见表4。

表4 二泵站与一泵站流量匹配

由表4可以看出，当泵站水泵机组运行在次大流量B(8.7 m3/s)和1/2泵站设计流量(5.5 m3/s)两种流量工况时，一级泵站与二级泵站之间的流量差较大。具体表现为一级泵站来水流量小于二级泵站的总提水流量，流量差值高达0.49 m3/s。

一级泵站来流较小，二级泵站前池将很快被抽空，二级泵站部分机组将被迫停机至前池水位满足提水要求才能再次启动，导致二级泵站水泵机组启停频繁，加速机组设备的疲劳，降低机组寿命，因此要针对二级泵站采取一定的措施，使二级泵站水泵运行能与一级泵站匹配，保障机组的安全运行。

3.2 水泵变频调节运行的泵站流量匹配

流体流过水泵时，扬程增量与叶轮转速、外径均有关。当水泵选定后，泵外径一般固定，调节起来明显有困难。由水泵的比例定律：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：n1、n2分别为水泵的转速，r/min；Q1、Q2分别转速为n1、n2时对应的水泵的流量，m3/s；H1、H2分别为转速为n1、n2时对应的水泵的扬程，m；N1、N2分别为转速为n1，n2时对应的水泵的轴功率，kW；NPSH1、NPSH2分别为转速为n1、n2时对应的水泵的必需汽蚀余量，m。

由式(3)～式(6)可见，通过调节水泵转速就能改变水泵的流量、扬程和轴功率，从而达到流量调节和减少单位流量所消耗的功率的要求。水泵转速的改变可以通过设置变频器改变电动机输入电源的频率，达到改变电动机的转速，从而调节水泵转速来实现水泵流量调节。

水泵机组的转速比原先的额定转速调高时，水泵叶轮与电机转子的离心应力将会增加，如果材质的抗裂性能较差或者铸造时均匀性较差，就有可能出现机械性的损裂，严重时可能出现叶轮飞裂现象。因此，水泵一般不调高转速运行。

水泵机组的转速比原先的额定转速调低时，由于水泵的压力与水泵转速的平方成正比，转速下降会导致压力急剧下降。当转速下降到额定转速的70%时，压力会下降到原设计压力的49%[6]。正常水泵的工作压力范围为最大静压的60%左右[4]，因此一般建议水泵正常运行时水泵转速下降不超过额定转速的25%。

另外，相似定律的提出是基于同一模型，同一水质，同一环境条件，水泵叶轮，进出口不变的条件下，效率不变的情况下得出。实际上根据实验，水泵调速范围超过一定值时，相应点的效率会发生变化。实测效率曲线与理论效率曲线只在高效段范围内才吻合[1]。

因此采用变速调节时，水泵变频调速下降幅度不宜低于额定转速20%。

实际制作变频曲线时，为了保证水泵变频后工作点仍处于高效区，采用等效率法计算水泵变频后的工作曲线。等效率法曲线是一条工况相似的二次抛物线，如图3所示。

图3 等效率曲线示意图

计算公式如下：

(7)

H=kQ2

(8)

实际工作时首先求取水泵工频运行时的额定工作点，通过水泵单泵特性曲线(图3中Q～H曲线)与管路特性曲线(图3中Q～∑h曲线)交点求出额定工作点A的参数，得出额定工作点流量QA及工作扬程HA的参数。求出系数k并做出相似抛物线(图3中H=kQ2曲线)，然后利用公式(7)和(8)得出水泵各个变频曲线下的工作点参数。从图3中可以看出，A、B点均坐落在相似工况抛物线，二者效率基本相同。

二泵站泵组2中的1台大泵和泵组3中的1台大泵配置变频器用于调节匹配的流量。针对泵站4种运行流量工况的运行流量调节，实际运行时，考虑机组的合理搭配运行，4种流量工况只开启泵组2中的1台大泵变频运行。

二泵站的变频参数范围，见曲线图4。图中示意了水泵转速为100%n、98.93%n、98.56%n、96.45%n和92.00%n五条扬程～流量以及流量～效率曲线、二条汽蚀余量曲线(因为汽蚀余量随着转速变化的变化量很小，为了便于看图清晰，只示意了100%n和92%n的汽蚀余量曲线)和压力管道特性曲线。虚线示意了水泵的参数工作范围。

为了便于了解变频+工频的运行参数范围，在图5中，示意了100%n和94.5%n的水泵工作参数变化范围。

图4 二泵站变频泵单泵运行的参数调节范围曲线

图5 二泵站变频泵+工频泵运行的参数调节范围曲线

二泵站泵组2中的1台大泵和泵组3中的1台大泵配置变频器用于调节匹配的流量。针对泵站4种运行流量工况的运行流量调节，实际运行时，考虑机组的合理搭配运行，4种流量工况只开启泵组2中的1台大泵变频运行。

由表5看出：

(1)在泵站供水流量为11.4 m3/s的工作条件下，为消除级间流量的不平衡差值，二泵站泵组2 的1台变频水泵需要将水泵流量由3.09 m3/s调节为2.90 m3/s，由此必须将电机频率由50 Hz的频率调节为49.28 Hz，变频泵的效率由工频运行时的92.24%调节为91.71%，效率下降0.53%。

(2)在泵站供水流量为9.6 m3/s的工作条件下，为消除级间流量的不平衡差值，二泵站泵组2 的1台变频水泵需要将水泵流量由3.09 m3/s调节为2.95 m3/s，由此必须将电机频率由50 Hz的频率调节为49.46 Hz，变频泵的效率由工频运行时的92.24%调节为91.82%，效率下降0.42%。

(3)在泵站供水流量为8.7 m3/s的工作条件下，为消除级间流量的不平衡差值，二泵站泵组2 的1台变频水泵需要将水泵流量由3.09 m3/s调节为2.61 m3/s，由此必须将电机频率由50 Hz的频率调节为48.22 Hz，变频泵的效率由工频运行时的92.24%调节为90.59%，效率下降1.65%。

(4)在泵站供水流量为5.6 m3/s的工作条件下，为消除级间流量的不平衡差值，二泵站泵组2 的1台变频水泵需要将水泵流量由3.09 m3/s调节为2.60 m3/s，由此必须将电机频率由50 Hz的频率调节为48.22 Hz，变频泵的效率会由工频运行时的92.24%调节为90.59%，效率下降1.65%。

表5 二泵站泵组2单泵变频调节工作参数变化情况

由以上的数据可以看出，若变频水泵的流量调节是往流量下降方向调节，即流量调节将向水泵特性曲线的左侧移动，水泵工作越偏左，级间流量的不匹配流量差值越大，调节范围将会越大，由此引起的效率下降值也会越多。

因为汽蚀余量的变化与水泵转速的二次方成正比，转速变化范围不大，由此汽蚀余量的变化也不大，因此在数据表格中没有列出汽蚀余量的数值，可以基本忽略转速变化对汽蚀余量的影响。

4 结 论

随着变频供水技术的逐渐普及，以及日益突出的大型泵站节能要求，变频技术在水泵站的应用越来越广泛。本文针对某扬黄工程梯级泵站调水的运行特点及要求，结合水泵相似理论求解了下级泵站水泵机组在各种转速下的单泵特性以及汽蚀，效率性能曲线，分析总结了下级泵站水泵机组采用变频运行的必要性和可行性，研究结果表明，通过对下级泵站工频及变频泵曲线的分析，能合理地确定下级泵站水泵的变频范围，从而调整水泵供水流量，达到与上级泵站的流量匹配，实现泵站流量调节的目的，同时还能保证水泵高效、稳定的运行。