引汉济渭黄金峡泵站水泵机组变频调速运行研究

2019-10-22杨振彪金德山桂绍波

水利规划与设计 2019年10期

杨振彪,金德山，桂绍波

(1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西西安 710000；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010)

黄金峡水利枢纽位于汉江干流上游峡谷段，陕西南部汉中盆地以东的洋县境内，为引汉济渭工程的第一水源地。工程在陕西省陕南地区的汉江干流黄金峡和支流子午河分别修建水源工程黄金峡水利枢纽和三河口水利枢纽，通过穿越秦岭的超长输水隧洞将汉江流域水量调至陕西省关中地区渭河流域。

工程任务分近期和远期两个设计阶段。近期调水10亿m3方案，黄金峡泵站设计抽水流量为52m3/s；远期调水15亿m3方案，黄金峡泵站设计抽水流量为70m3/s。在初步设计阶段推荐装设7台立式单吸、单级离心泵。从单机流量、扬程、装机规模等方面衡量，其规模在国内甚至亚洲范围内位居前列。

黄金峡泵站装机容量巨大，水泵机型为不可调节的立式单级单吸离心泵，且泵站机组是按照远期调水15亿m3方案、泵站设计抽水流量为70m3/s进行选型设计。为同时满足工程近期和远期受水区域流量的需求，最优的发挥工程经济效益，研究黄金峡水泵采用变频调节的可行性以及必要性也就显得尤为必要。本文主要针对黄金峡水利枢纽特有的运行要求和工程特性，采用理论分析和水泵机组模型试验相结合的方法，详细分析和研究了黄金峡巨型泵站水泵机组变频调节方案，包括变频器的台数确定依据、变频调节范围以及调节效果，确保实现工程调水流量的连续性，满足工程调水任务需求。

1 泵站动能参数

1.1 泵站特征水位

(1)泵站进水池水位(黄金峡水库水位)

泵站校核洪水位452.71m；设计洪水位446.97m；正常蓄水位450.00m；多年平均运行进水池水位448.74m；泵站设计进水池水位448.00m；黄金峡水库死水位440.00m。

(2)泵站扬程

泵站设计扬程106.45m；最大扬程114.45m；最小扬程100.9m；加权平均扬程104.5m。

1.2 水泵扬程

黄金峡泵站设计净扬程为106.45m，考虑到水力损失，取水泵设计扬程为108.50m。水泵最小扬程为101.7m，最大扬程116.5m。

2 水泵变频调节的必要性及措施分析

2.1 水泵调节的必要性

依据引汉济渭工程的汉江干流长系列调水过程线，在满足工程调水任务的情况下，近期年调水10亿m3方案，泵站抽水流量为52m3/s；远期年调水15亿m3方案，泵站抽水流量为70m3/s。水泵的设计主要依据是满足远期调水70m3/s的要求，根据水泵的流量-扬程特征曲线，单台水泵在设计扬程108.5m下的设计流量为11.67m3/s、最大扬程116.5m时为抽水流量为10.8m3/s。

在水泵不采取调节措施的前提下，对于本泵站所选用的单级、单吸式离心泵而言，由于水泵无活动导叶，流量调节能力较差，水泵稳定运行允许流量的变化范围较小。因此，水泵在高于设计扬程108.5m变化范围内水泵的工作流量将无法满足泵站设计流量70m3/s要求；另外考虑到近期调水泵站抽水流量为52m3/s，由于水泵的设计流量11.67m3/s，无论水泵是采用4台(泵站工作流量46.68m3/s)还是5台(泵站工作流量58.35m3/s)无法满足泵站设计流量52m3/s要求。同时，根据陕西省院的四水联调的水源保证率计算成果，在水泵没有变频调节措施条件下，水源供水保证率为94.2%，不满足95%保证率的要求。因此，为提高了水泵运行效率、减轻水泵的振动和进口空蚀，保证供水的灵活性和准确性，水泵设置调节措施是必要的。

2.2 水泵调节措施的分析选择

水泵的调节可以通过采取节流或溢流、变频调速、双速电机等方式[1- 2]。

节流调节方案是在水泵出水管上设置流量调节阀，通过改变管道特性使水泵机组在低于设计扬程时能使水泵运行工况点左移(通过增加管道系统的水力损失来提高水泵运行扬程)，改善水泵的空蚀性能，防止水泵出水池出现大量溢流情况。但调节阀进行流量调节时容易产生压力脉动或水击，并联工作机组间的配合运行控制非常困难，流量调节阀本身的稳定性也无法控制，且管路系统水力损失大大增加，泵站提水的年运行电费较高，泵站经济效益不佳。溢流调节不仅将白白产生大量的能量消耗，经济上极不划算，而且水泵在最小扬程下运行时，水泵的空蚀和振动严重。

变频调节方式通过在电机输入端设置变频器来调节电动机的转速，改变水泵在不同水库水位运行时的工作转速，使水泵机组在整个扬程变化范围内均可稳定、高效运行。采用变频调节运行，在水泵能稳定运行高效，减轻水泵运行发生的振动和空化，提高了供水的灵活性和准确性基础上，通过增频增大水泵的工作流量解决水泵在高扬程区间黄金峡泵站调水要求，也可通过降频减小水泵的工作流量决黄金峡泵站前期调水52m3/s的要求。水泵机组若采用变频调节，所需变频器容量不超过18MW，不存在生产能力限制。

双速电机通过改变同步电动机转子的电气接线使水泵实现以两个同步转速运行。但双速电机仅是使黄金峡泵站水泵机组额定转速375r/min和下一级同步转速300r/min运行，或使黄金峡泵站水泵机组额定转速375r/min和上一级同步转速428.6r/min运行。无法同时满足水泵在高于设计扬程108.5m变化范围内水泵的工作流量将黄金峡泵站设计流量70m3/s的要求和到近期调水泵站抽水流量为52m3/s的要求。

2.3 变频调节模型试验效果分析

水泵变频调节是通过改变水泵运行转速对水泵运行工况点进行调节。为了检验转速调节对黄金峡泵站水泵机组性能的影响，试验测量了模型水泵转速在100%nr～20%nr范围内(nr为水泵额定转速)，按5%nr间隔进行各转速条件下水泵模型的效率试验，模型和真机之间的效率换算采用GB/T15613中规定的两步法进行计算，换算得到的水泵真机效率如图1所示。

图1 黄金峡水泵变频调节效率试验

由图1可以看出，随着水泵转速的变化，水泵最优点的效率值变化很小，这也就说明水泵转速的改变对最优点的效率极值影响相对较小，但是最优点的位置会发生偏移。其原因主要在于水泵转速的变化，水泵叶轮进口最优相对入流角度会相应作出改变，在外特性上就表现出水泵最优点的位置发生偏移。

从泵站运行能耗的角度考虑，由于黄金峡泵站单机功率较大，年利用小时数较高，因此泵站高效节能的运行模式是黄金峡泵站充分发挥调水效益的关键影响因素之一。由图1可以看出，当水泵进行变频调节时，随着水泵最优点位置的偏移，相较于工频运行而言，在抽调相同流量时，水泵运行效率明显提高，因此节能效果明显，同时也降低了叶轮进口的脱流和头部空蚀，改善了在该流量工况条件下叶轮进口的流态，延长了机组的使用寿命。

综上所述，从技术可靠、设备高效稳定运行、供水的灵活性和准确性等多方面考虑，推荐水泵采用变频调节方式进行流量调节。

3 水泵调节技术分析

3.1 变频调节计算方法

依据相似律，水泵变频前后的能量特性按照下述公式换算。

流量换算：

(1)

扬程换算：

(2)

轴功率换算：

(3)

式中：Q1、H1、P1—变频后流量、扬程、轴功率参数；Q0、H0、P0—变频前流量、扬程、轴功率参数；nr—额定转速。

3.2 变频调节计算工况

变频调节主要目的在于在近期和远期两种设计条件下，黄金峡泵站在不同进水侧库水位条件下均可以满足设计流量的要求。同时可以较好的匹配受水区的流量需求。本文以黄金峡水泵在设计工况(设计扬程108.5m，设计流量11.67m3/s，额定转速375r/min为基点)，主要考虑以下四种工况：

方案1：近期调水10亿m3，在死水位440m工况，通过水泵变频调节可满足调水设计流量52m3/s要求。

方案2：近期调水10亿m3，在正常蓄水位450m工况，通过水泵变频调节可满足调水设计流量52m3/s要求。

方案3：远期调水15亿m3，在死水位440m工况，通过水泵变频调节可满足调水设计流量70m3/s要求。

方案4：远期调水15亿m3，在正常蓄水位450m工况，通过水泵变频调节可满足调水设计流量70m3/s要求。

3.3 变频调节计算结果分析

图2给出了泵站5台水泵在死水位440m并联工频运行时总管流量。由图2可以看出，通过调整并联运行的水泵台数，在没有变频调节时，泵站出水总管调水流量为52.879m3/s，大于近期设计流量52.0m3/s，因此基本满足要求。所以对方案1，可以通过减小水泵运行台数达到调水流量为52.0m3/s的要求。

图2 440m水位，5台水泵并联运行

对方案2，图3给出了4台泵并联运行(其中3台变频运行，1台工频运行)的运行工况点以及4台水泵全部工频运行时的工况点。由图3可知，当4台水泵全部工频运行时，泵站出水总管的流量为49.217m3/s，显然达不到近期规划的设计流量要求。通过改变部分机组的运行方式，将其中3台水泵改为变频运行，当变速比为1.023增速运行时，4台水泵并联运行(其中3台变频，1台工频)的抽调水流量为52.0m3/s，可以满足近期设计调水流量为52m3/s的要求。表1给出了变频泵与工频运行水泵在工况点的实际运行参数。

图3 450m水位，3台变频1台工频并联运行

对方案3，图4给出了6台泵并联运行(其中3台变频)的运行工况点以及6台泵全部工频运行时的运行工况点。由图4可以看出，当6台水泵全部工频运行时，泵站出水总管的流量为63.005m3/s，显然达不到远期规划的设计流量70m3/s要求。

表1 变频泵与非变频泵工况点参数(450m，调水流量52m3/s)

通过调整3台水泵为变频运行，且当变速比为1.046时，6台水泵并联运行(其中3台变频，3台工频)时泵站出水总管供水流量可以满足调水流量为70m3/s的要求。变频泵与非变频泵运行工况点参数见表2。

图4 440m水位，3台变频3台工频并联运行

无变频泵参数(3台)变频泵参数(3台)流量/(m3/s)10.44流量/(m3/s)12.93扬程/m116.594扬程/m116.594效率/%89.514效率/%89.3轴功率/kW13317.051轴功率/kW16527.560

对方案4，图5给出了6台水泵并联运行(其中3台变频，3台工频)的运行工况点以及6台泵全部工频运行时的运行工况点。由图5可以看出，当6台水泵全部工频运行时，泵站出水总管的流量为71.10m3/s，显然已经超过了远期规划的设计流量要求。通过改变部分机组的运行方式，将其中3台水泵改为变频运行，当变速比为0.991降速运行时，6台泵并联运行(其中3台变频，3台工频)可以满足远期调水流量为70m3/s的要求。变频泵与非变频泵工况点参数见表3。