基于高压永磁电机的某改造泵站水泵选型分析

2020-10-23田蔷蔷田薇

工程建设与设计 2020年18期

田蔷蔷，田薇

（1.上海勘测设计研究院有限公司，上海200434；2.宁夏德融房地产开发有限公司，银川750000）

1 工程概况

某泵站为单向排涝泵站，设计流量40m3/s，泵站安装3台竖井贯流泵组，单泵设计流量13.33m3/s，设计净扬程2.50m，水泵叶轮直径2.40m，额定转速136.36r/min，配套10kV、710kW永磁同步电动机和高压变频器，电机与水泵采用直联传动方式，改造设计拟将原单向排涝泵站改造为引排双向泵站。

泵站流道在单向排涝工况设计时已考虑到泵站后期增加引水功能的可能性，流道控制尺寸按照双向流道设计，改为双向引排泵站后，流道控制尺寸无须调整，仅需更换水泵转轮，并增设部分机电设备。因此，本改造采用双向竖井贯流泵方案，叶轮采用S形叶片。

2 泵站特征参数

2.1 特征水位

泵站保持现状排涝工况水位不变，增加引水工况特征水位，改造泵站的特征水位如表1所示。

表1 改造泵站特征水位m

2.2 特征扬程

泵站装置总扬程由泵站净扬程和泵站装置损失构成。泵站装置总扬程包括进出水拦污栅、门槽水头损失以及泵站上、下游侧河道的水力坡降等，设计工况下水力损失取0.55m，最高扬程下水力损失取0.5m，最低扬程下水力损失取0.75m。泵站特征扬程如表2所示。

表2 改造泵站特征扬程m

3 泵组改造比选方案

本改造工程属于低扬程大流量双向运行泵站，泵站以排涝工况为主，引水工况与排水工况的设计扬程相差很大，水泵选型须兼顾2种运行工况，保证最高与最低扬程工况下能安全稳定运行。

3.1 水泵原模型相似率

近年来，我国研制了不少低扬程双向轴流泵的水力模型。其中，扬州大学研制的SZM35双向叶轮设计扬程低，模型效率高，使用较多。结合泵站特征水位，本泵站考虑采用SZM35模型转轮，根据相似定律换算泵站的技术参数并绘制水泵装置特性曲线，水泵原模型相似率原理见式（1）和式（2）。

式中，D、Q、H、n分别为水泵原型的叶轮直径、流量、扬程和功率；Dm、Qm、Hm、nm分别为水泵模型的叶轮直径、流量、扬程和功率。

3.2 机组变频调节原理

对于同一台泵，水泵的流量、扬程及功率分别与其转速的一次方、二次方及三次方成正比，因此，泵组在高扬程工况下运行时，可以通过降低水泵转速降低水泵功率和泵组的n值与D值，从而达到节能效果，并提高水泵的汽蚀性能，有利于机组稳定运行。

3.3 水泵机组主要性能参数

根据水泵原模型相似率及机组变频调节原理，经换算，主要就2种方案做比选。

方案一：保持现状电机功率（710kW）及排涝设计流量（13.33m3/s）不变。

排涝工况，当泵站运行扬程不高于设计扬程（3.05）时，水泵转速设定为176.47r/min；当泵站运行扬程高于设计扬程（3.05m）时，通过变频器降低水泵转速以降低轴功率，此时水泵转速设定为160r/min；引水工况中水泵转速为176.47r/min。经换算，泵叶轮直径D1=2 200mm，泵组主要性能参数如表3所示，泵组装置性能曲线如图1～图3所示。

表3 预想的原型泵装置性能参数表

根据GB 50265—2010《泵站设计规范》，电机功率按最大轴功率选配，并留1.05～1.1倍的储备系数[1]。由表3可知，最大轴功率为626.14kW，算得电机功率为657.45～688.46kW，泵站原电机功率为710 kW，满足要求。

图1 原型泵排涝工况装置特性曲线（设计扬程小于3.05m）

图2 原型泵排涝工况装置特性曲线（设计扬程大于3.05m）

图3 原型泵引水工况装置特性曲线

方案二：为了最大限度地发挥排涝、引水工况下的水泵最优性能，保持排涝设计工况下设计流量为13.33m3/s。

经换算，水泵叶轮直径D1=2 350mm，排涝工况下水泵转速设定150r/min，引水工况下水泵转速设定为140r/min。换算的原型泵装置性能曲线如图4和图5所示。泵组主要性能参数如表4所示，最大轴功率为739.95kW，算得电机功率为776.95～813.94kW，泵站原电机功率为710kW，无法满足要求，需将电机功率调整为820kW。