变频技术在泵站技术改造中的应用探讨

李湘晖

（广西柳州市农业基础设施投资建设集团有限公司，广西 柳州 545001）

水利工程建设将对库区内的泵站造成不同程度影响，在泵站复建改建的工作当中，因水库调运运行规则导致库区内泵站前池水位变化范围较大，正常蓄水位时泵站前池运行水位较高，特别是位于库尾的泵站技术改造是库区泵站复建改建的难点问题，需要重点研究改造措施。

1 泵站基本情况

受库区影响泵站建成时间为2010 年。现有泵站均采用卧式离心泵组，水泵设备运行良好，其中农业灌溉泵站水泵设计扬程主要为30～40 m，而工业供水泵站水泵设计扬程主要为50～60 m（见表1）。部分泵组为满足泵站运行，实际最小扬程时已不在最优工况区，效率将明显下降。

表1 库尾泵站资料列表

根据枢纽工程的回水计算成果，建库后，库尾受影响泵站的最小扬程减小较多，已超出原水泵运行范围，技术改造势在必行。

2 技术方案研究

2.1 改造措施拟定

建库后，各泵站进水池运行水位变化范围为22～25 m，现有机组均能满足泵站设计运行水位及最低运行水位的运行工况要求，但泵站最高运行水位下扬程过小，超出水泵高效稳定运行范围。根据离心泵的运行特点，长期如此运行下去势必对机组造成损坏，特别是容易引起电机过载毁坏，甚至引起泵站发生火灾，存在重大安全隐患。

由于各泵站所需的扬程范围较宽，经过调查，目前水泵厂家的水泵机组设备均无法满足要求。此外，考虑泵房空间有限，设置高、低扬程两套水泵机组的空间不足，且涉及泵站的泵房结构改造，对泵房结构稳定造成影响，不利于泵站稳定运行。

因此，根据泵站特征扬程要求，拟定以下3种方案开展研究分析:①改造出水管道，设置旁通管道，前池水位较高时，采用旁通管道供水；②出水管道增设流量调节阀进行调节，实现水泵稳定运行；③采用变频调速运行，增设变频调速设备。

2.2 方案比较分析

水库防洪高水位与正常蓄水位一致，防洪起调水位较防洪高水位低13.4 m。水库汛期6～8月份维持库水位在汛限水位运行，当入库流量较大时，为减少水库回水淹没范围，水库进行防洪调度，坝前水位可降至防洪运行最低水位（较防洪高水位低17 m）；4月、5月、9月份按流量分级控制坝前水位方式运行，允许最高蓄水较正常蓄水位低1.4 m，10 月～次年3 月亦按流量分级控制坝前水位方式运行，允许最高水位达到正常蓄水位运行。

非枯水年的情况下，农田灌溉主要需水时期、企业的生产高峰时期主要为非汛期，水库主要在接近正常蓄水位运行。则各泵站主要运行时段的进水前池水位为高于设计运行水位约14 m，为中高水位、较低扬程工况，水库建成对节能降耗产生积极影响。

2.2.1 设置旁通管道

根据各泵站设置情况，大多数泵站内部已无充足空间针对每台机组设置旁通管道，则必须在主管道上设置旁通管道。但单机运行与多机并联时，因水力损失差异较大，需要设置多根旁通管道。改造方式简单，改造投资小。但需人工根据水位及运行机组情况进行调节，且提水能耗增加明显（与原设计工况基本相当），水库蓄水后的节能效益减弱。

2.2.2 增设流量调节阀

流量调节阀目前已在供水领域有较为广泛的应用，包括引调水工程、水库输水工程、水厂供水工程等，如南水北调工程、大伙房水库。特别是活塞式流量调节阀，具有结构紧凑、消能效果好、调流曲线好等特点，配套自动化监测调节设备，可实现阀门自动化运行。

本工程中因泵站尺寸限制，在总管上设置流量调节阀。通过对水泵出口压力进行检测，联动调节阀门开度，确保出口压力不小于水泵有效运行区间的最小出口压力，实现水泵稳定运行。自动化程度高，运行管理简单，但改造投资相对较大，且同样存在提水能耗高的问题。

2.2.3 采用变频调速运行

变频调速主要设备为变频电机及变频器，目前均已在水泥、化工、石油和天然气、船舶、冶金、纸浆和造纸、发电、水处理等行业有了较为广泛的应用，高、中、低压产品线齐全，最大功率已超10 000 kW，变频器的市场规模已超100亿。我国的变频器技术也在逐步进步提高，故障率降低，寿命提高，如英威腾gooddirve5000 系列，平均故障间隔时间标称50 000 h。

本工程若采用变频技术，需更换电动机组为变频电机，配套变频器，根据水位变化情况拟定供电频率，可实现水泵的稳定运行。自动化程度高，对运行管理要求高，改造投资最大。泵站前池水位较高时，无附加水力损失，且水泵效率可在最高效率点运行，运行费用明显降低。

2.2.4 经济比较

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以灌溉泵站C 为例，按泵站水位62 m，泵站设计年运行小时取2500 h，按15 a 运行费用进行经济比较。各改造方案，15 a后的总费用差别不大，变频调速方案略省（见表2）。但考虑到部分时段单机运行时，设置旁通管或流量调节阀方案损失增加明显，电费差距将进步一拉大，则变频调速方案具有更为明显优势。

表2 灌溉泵站C经济比较表

2.2.5 技术改造方案的确定

作为库区改建项目，充分考虑库区沿岸群众充分享受到库区建设效益，提高泵站自动化水平，推荐采用变频调速改造方案。一次性投资虽然较高，但能降低地方企业、农民的提水费用，有效促进地方经济发展。

2.3 变频调速范围确定

水泵变频后高效区是基于水泵工频运行的特性曲线高效区按相似定律向原点收缩，变频调速范围也存在一定的限制，不宜过大，一般控制在40%～50%额定转速以上。根据设备厂家反馈，水泵频率低于工频的40%容易出现无法供水现象。

根据泵站管路特性，各泵站变频范围均在50%以上，可满足稳定供水（见表3）。

表3 各泵站水位调频运行参数表

3 实践过程中的问题

3.1 泵组安装高程及检修

水库主汛期维持库水位在发电死水位47.6 m运行，导致泵站前池运行水位较低，各泵站水泵安装高程可提高2～5 m，但改造工程量较大，改造影响较大，进水管道的重新凿孔布设将影响泵房结构稳定性，拆除机组填高水泵层期间泵站需停运。同时考虑到水库分期蓄水，初期蓄水位未达到发电死水位时，提高水泵安装高程后将无法提水，影响农业灌溉及企业生产。

运行管理单位需要注意在主汛期前检查泵站进水阀门等设备，并在库区低水位运行时及时处理进水阀故障，否则库区在正常蓄水位时检修难度将相对较大。

3.2 运行管理

变频调速运行需要根据水位变化进行水泵转速调节，编制运行特性图表，通过变频器自动控制程序实现。但人工调节、设备维护需要运行管理人员具备一定的技术能力，人工操作不当属于变频器早期损坏的主要因素之一。

在实际实施过程中发现，企业泵站配备有相应的机电专业运管人员，运行维护有规范化的管理程序，对变频器较为熟悉，也符合企业节水的发展趋势需求，有利于企业未来发展。而灌溉泵站的受制于运行管理经费等问题，聘用的现场运管人员文化水平不高、技术能力较差，若操作不当可能引起变频器故障，存在运行管理风险。

因而，对泵站的运行管理人员加强运行管理培训及技能提升，或引入机电专业人才，提高泵站运行管理维护及服务水平是有必要的。

4 结语

水位变化较大且常水位较高的库区泵站技改工程中，应用变频调速技术具有节能降耗、提高运行管理自动化的优势，同时也对运行管理水平提出了较高的要求。随着变频技术的发展成熟、设备价格水平的逐步下降及运行管理人员的技术水平提高，变频调速技术，特别是低压变频技术可考虑更多地应用到水利行业的应用当中，降低提水能耗，促进经济发展。