陕甘宁盐环定扬黄工程变频机组应用实践

郭永灵，郝瑞甫

（宁夏盐环定扬水管理处，宁夏吴忠 751100）

1 工程简介

陕甘宁盐环定扬黄工程是国家“八五”重点建设项目，是以解决陕西定边县、甘肃环县和宁夏盐池县、同心县部分地区人畜饮水为主，防治地方病、改善生态环境，在有条件的地区发展农业灌溉的电力扬水工程。主要由三省区共用工程和省区内专用工程组成。

2016年9月27日，宁夏中部干旱带脱贫攻坚水源工程盐环定扬黄工程更新改造项目正式开工建设。2018 年初主体工程基本完工，同年4月春灌上水共用工程新建泵站全部投入试运行。经过1a 的运行观测，各项技术指标均达到或优于设计标准。更新改造后，泵站由12 座合并成8 座，主要机电设备技术参数见表1。

2 变频机组工作及应用

2.1 变频机组应用

变频调速技术是基于交流电动机的转速和频率成正比的特性，把电网电源通过变频调速装置变换成电压、频率可以调节的交流电源提供给三相异步电动机，通过改变交流电的频率来达到调整电动机转速的目的［1］。

可通过设置变频器改变电动机输入电源的频率，达到改变电动机转速的目的；通过调节水泵转速来实现调节水泵流量，满足供水对水量、流量的要求。实际运行中采用变速调节时，水泵变频调速下降幅度不宜低于额定转速的30%；需要提高转速时，应在额定的最大频率内调节，最高转速不宜超过额定转速，以防止电动机超载引起机组振动，损坏设备。

表1 共用工程改造前后主要机电设备技术参数对比

根据水泵的比例定律，若转速n最大降低30%，即转速变化范围为（100%～70%）n，则流量变化范围为（100%～70%）Q，扬程变化范围为（100%～49%）H，水泵轴功率变化范围为（100%～34.3%）N。

为满足流量匹配的需求，在一定的流量要求变化范围内，对水泵进行变频调节，水泵的工作点会偏移设计的工况点，容易使效率值发生一定幅度的下降，具体数值见表2。

表2 变频泵的参数调节范围

空管道开机采用变频机组具有显著优势。由于条件限制，大型扬水灌溉泵站无法设置扬水总管充水系统，在每年春季开机上水时都会遇到空管道开机情况。以盐环定六泵站为例，出水压力管道单排DN1400、长度6.13 km、总扬程83.4 m、净扬程76.99 m；在空管道开机前，先将进水阀门打开充水，开机时首先启动变频机组。先启动变频器的频率为20Hz（额定最大频率的40%），开启10%出水电动阀；根据出水流量、扬程（压力表显示出水管压力）及振动摆幅，频率以5Hz 为单位逐步调整到45Hz（额定最大频率的90%）以上，出水电动阀以10%为单位逐步调整到100%全开，至压力管道末端出水达到正常上水状态，整个过程需要2～3 h。在实际运行中，空管道或管道充水70%以下开启其他机组，均会出现机组过载、无法正常上水的情况。

正常上水运行期间，尽量保持变频机组在高效区间（47.5～49.5 Hz）运行，以保证机组的功率、出水流量接近最大值，能耗较低；一般不允许在最大频率50 Hz状况下运行，以防电动机转速过高，引起机组振动摆幅过大。

2.2 功率因数补偿节能

无功功率增加线损和设备的发热，功率因数的降低还会导致电网有功功率的降低，造成设备使用效率低下，电量浪费严重。一般水泵电机的功率因数在0.6～0.7 之间，在使用变频装置后，在变频器内部滤波电容的作用下，功率因数接近于1，大幅降低无功损耗，明显增加了电网的有功功率。

2.3 软启动降低冲击危害［2］

当普通电机为直接启动或Y/D 启动状况时，启动电流等于4～7 倍额定电流，会对机电设备和供电电网造成较严重冲击，影响设备、管路的使用寿命。采用变频设备后，利用变频器的软启动功能会使启动电流从较小值开始，达到最高值也不超过额定电流，降低了对电网的冲击伤害，对电网的供电容量要求也在合理范围内，且节省了设备的维护费用。

2.4 梯级泵站间的流量与水量调节

原2～8泵站未配备运行中可进行流量调节的机组或其他流量调节设备，尤其是二干渠、三干渠、四干渠的渠道较短（分别为2.6，2.32 km 和2.67 km），渠道可调蓄的容量小，沿线无调蓄水池或配水斗口进行调节。各泵站的扬程不等，出水管路长度不同，即沿程损失也不同，因此运行期间泵站级间水量难以匹配，造成干渠水位不稳定，经常采用退水闸弃水或频繁开停机方式平衡上下级泵站的流量，以稳定干渠水位。弃水造成水电资源浪费，频繁开停机造成机组轴承、泵轴加速疲劳，频繁启动大电流，加速电动机绝缘老化，严重影响电动机使用寿命。

根据泵站设计规范，梯级泵站级间流量应合理搭配，在正常情况下做到不弃水，也不得用阀门调节流量。因此在盐环定扬黄工程更新改造建设中，新建二、三、四、五、六泵站都配置可调节流量的变频机组，有效解决了梯级泵站级间水量、流量匹配问题。

3 更新改造后各项主要技术指标情况

3.1 主要技术指标变化对比（以新五泵站为例）

在盐环定扬黄工程更新改造项目初步设计中，新五泵站（原八泵站）土建结构不再重建，水泵和电机等机电设备只进行更新改造。泵站原装设机组11 台，设计运行方式为9 大1 小1 备（大），大泵单机流量1.47 m3/s，小泵单机流量0.88 m3/s；泵站总扬程36.25 m，净扬程30.75 m；设计流量10.68 m3/s。2018年改造后，装备机组9台（变频机组2台，异步机组7台），其中大机8台，单机流量1.53 m3/s；小机1台，单机流量0.96 m3/s；泵站设计流量10.68 m3/s。

从表3分析可知，由于采用了变频机组，站级间

表3 盐环定共用工程新五泵站改造前后主要技术参数对照表

表4 盐环定共用工程改造前后泵站主要技术参数对照

水量匹配，泵站开停机次数大幅减少40 台次，降幅43%；加之采用了节能降耗的新电机、水泵机组，在上水量增加206.4 万m3，增幅2%的前提下，新五泵站能源单耗降低0.27 kW·h/kt·m，降幅7%，平均负荷降低0.04万kW，降幅11%。主要技术参数均有明显降低，取得明显的节能效果。

3.2 改造前后主要技术指标变化

由表4 可知，统计分析盐环定扬黄工程更新改造后2018年4～8月用电量、上水量、能源单耗、开机台次等主要技术指标，并与2017 年同期比较，有功电量减少1 320.75万kW·h，降低13%；提水总量增加214.73万m3，增加2%；能源单耗降低0.55 kW·h/kt·m，降低15%；平均负荷降低0.56 万kW，降低18%；开机台次减少1 275次。

机电设备运行更加方便、快捷、安全，各项主要技术指标明显提升。使用变频机组对整体效能提高起了关键作用。

4 结 论

变频调速技术是一种新型、较为成熟、控制性能优良的交流电机调速技术，逐渐在速度控制领域和供水行业中推广应用。

（1）有效降低水泵电量损耗和能源单耗，提高水泵运行效率是扬水泵站节能的关键。水泵节能的方式有许多种，采用变频调速技术具有效率高、机械特性强、调速范围宽、操作简单方便等优点，是目前改变水泵运行工况条件、实现节能降耗的理想方式，是具有推广价值的新技术。

（2）变频器还集成了过流、过压、欠压、防人身触电等一系列保护装置，因此防误操作性和安全性高，有利于提升泵房安全运行的可靠性，效率高且调速范围宽，特别适用于运行期间启动停止频繁的泵站［3］。

（3）变频机组的使用，有效解决了梯级泵站间的机组出水流量匹配问题。经过盐环定扬黄工程1a的运行，泵站间干渠水位稳定，流量调节准确、反应迅速，操作方便。

（4）对于高扬程（大于60 m）、长管道（出水压力管道3 km以上）的灌溉扬水泵站，在空管道情况下，要启动水泵机组。由于管道内空气阻力、负压影响等因素存在不确定性，容易出现机组过载、无法正常上水情况。利用变频机组先扬水将管道充满水，再开启其他水泵机组是一种可行的方法。

（5）变频机组在盐环定扬黄工程中的推广应用，使水泵机组的启动性能和功率因数得到较大改善，且节能效果显著。可为同类型扬水工程的更新改造提供参考。