宽扬程范围取水泵站装机方案设计

黄正财，郑录艳，杨 超，张建勋

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002）

1 工程概况

宣威水库位于贵州省麻江县宣威镇，坝址位于凯里市城区上游，距离凯里市主城区约45 km，坝址所处河段为清水江干流上游。水库工程等别为Ⅱ等，工程规模属大（2）型，其主要任务是以防洪、供水和灌溉为主，兼顾发电、生态和旅游，并为区域扶贫开发、生态文明建设和少数民族发展创造条件。

宣威水库工程由水库首部枢纽工程（大坝枢纽工程+发电工程）、凯麻供水工程和输水工程组成。凯麻供水泵站位于大坝下游左侧约200 m处台地上，采用一级提水，泵房型式为地面式，原水经水库取水口进水，经水泵提至742.00 m高程的高位水池后，自流向凯麻新城供水，沿线向罗伊片区的威宁村、翁保村、共和村、淑里村、铜鼓村和中坝村进行供水。宣威水库及凯麻泵站主要参数下表1。

表1 水库及泵站主要参数表

2 取水方式选择

凯麻泵站位于宣威水库大坝下游左侧约200 m处台地上，泵站每年供水提水流量为7913万m3，其取水方式考虑两种方案进行比较。

（1）方案①。坝后无压取水方式，即库内取水管道+消力池+泵站+高位水池的布置形式，其流程图见图1。

图1 方案①无压取水泵站流程图

（2）方案②。坝后有压取水方式，即库内取水管道+泵站+高位水池的布置形式，其流程图见图2。

图2 方案②有压取水泵站流程图

方案①优点在于泵站机组不考虑水库水位消落的影响，机组可长期处于水泵高效区运行，水泵基本能保证设计流量恒定输水，运行调度方便；缺点在于水库水能无法充分利用。经选型分析，两个方案主要指标对比见表2。

表2 方案主要指标对比表

宣威水库年平均水位676.89 m，说明水库长期处于正常蓄水位681.00 m附近运行。由表2可知，方案①未利用平均水位与死水位之间的水能，导致两个方案平均扬程相差24.0 m，虽然方案①水泵长期处于高效区，但年耗电量却增加492.1万kW·h，会导致凯麻泵站年运行费用成本高。经比较，从泵站长期运行来看，方案①无压取水方式未能充分利用水能，不节能，导致年运行成本增加，故考虑采用方案②有压取水方式进行泵站布置。

3 机组选型

3.1 台数选择

泵站的台数关系到厂房土建投资、机电设备投资与运行管理等方面，如装机台数多，则泵站运行灵活，能更好地进行流量匹配，但厂房土建与机电设备投资都会增加；反之，装机台数少，单泵过流量大，泵组效率较高，土建及机电设备投资较省，但运行不够灵活。根据《泵站设计规范》（GBT50265-2010）中要求“备用机组的台数应根据工程的重要性、运行条件及年运行小时数确定，并应符合下列规定：1、重要的供水泵站，工作机组3台及3台以下时，宜设1台备用机组；多于3台时，宜设2台备用机组；2、灌溉泵站，工作机组3～9台时，宜设1台备用机组；多于9台时，宜设2台备用机组；3、年运行小时数低的泵站，可不设泵用机组。”

凯麻泵站供水流量为2.536 m3/s，考虑到泵站供水流量较大，且本泵站是向凯麻新城供水，供水泵年利用小时高。综合考虑机组选型、机电设备投资、土建投资、检修运行费用，以及受水区的供水特点，本泵站供水机组设工作泵2台，备用机组1台，相互轮切备用，单泵流量为1.268 m3/s。

3.2 机型选择

凯麻泵站布置于宣威水库坝后，利用取水管从库内有压取水，供水泵机组提水设计扬程为90.6 m；单泵流量为1.268 m3/s。根据泵站扬程和流量范围，以及泵站的布置形式，适合选择的泵型为卧式单级双吸中开离心泵，该泵适用范围广，通用化程度高，结构紧凑，运行稳定，维护方便，经济效益高。

经市场调研，具备生产该泵型的厂家和满足本泵站的参数要求的产品均较多，本设计通过对行业内较优的不同厂家推荐方案进行比选，推荐工频运行水泵参数见表3。

表3 工频运行机组主要参数表

从机组选型结果分析，凯麻泵站最大扬程为92.0 m，最小扬程为65.5 m，扬程变幅为26.5 m，变幅较大，最大扬程与最小扬程工况下单台机组流量输出相差0.55 m3/s，两台工作泵运行时流量输出1.1 m3/s（即3960 m3/h）。宣威水库年平均水位676.89 m，说明水库长期处于正常蓄水位681.00 m附近运行，即水泵长期在低扬程65.5 m附近运行，此时，水泵并不在高效区运行，且机组输出流量比设计流量大许多，可能造成水资源的大量浪费和运行成本的大幅增加[1]，故需采取合理的调节方法及措施解决出现的问题。

4 调节方式分析

基于以上问题，解决思路应从泵站运行方式考虑，离心泵相应工况点是建立在水泵和管道系统能量供求关系的平衡上，只要两者之一的情况发生变化，其工况点就会转移。工况点的改变由两方面引起：一是管道系统特性曲线改变，二是水泵本身的特性曲线改变。

（1）改变管道系统特性曲线可以通过节流措施实现[2]，如调流阀或其它节流措施，此种方式小水泵转速保持不变（一般为额定转速），其实质是改变管路特性曲线的位置来改变泵的工况点。阀门开度减小时，管道局部阻力增加，水泵工况点向左移，相应流量减少。此种方式来控制流量时，水泵本身的供水能力不变，扬程特性不变，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，这种方法操作简便、流量连续，但是以消耗离心泵的多余能量来维持一定的供给量，离心泵的效率也将随之下降，能量浪费较大[3]。

（2）水泵特性曲线主要指Q-H、Q-P、Q-η曲线，分别表示流量与扬程、流量与轴功率、流量与效率之间的关系。根据水泵叶轮的相似原理[4]，其转速与相应参数存在以下比例关系：

式中：n为转子实际转速；S为电机转差率；f为定子频率；Q为流量；H为水泵扬程；P为电机功率。

从比例关系可以看出通过改变水泵转速能达到改变流量及扬程的目的。根据电动机的同步转速表达式：

式中：n为电动机的转速；f为异步电动机的频率；s为电动机转差率；p为电动机极对数。

由式（4）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，变频调速不宜低于额定转速50%，最好处于75%～100%，故考虑通过改变电动机电源频率实现速度调节的，从而达到流量调节，是一种高效率、高性能的调节手段。

综合以上分析，与阀门节流相比，变频调速的节能效果很突出，离心泵的工作效率也更高。另外，采用变频调速后，不仅有利于降低离心泵发生汽蚀的可能性，而且还可以通过对升速/降速时间的预置来延长开机/停机过程，使动态转矩大为减小，从而在很大程度上消除了极具破坏性的水锤效应，大大延长了水泵和管道系统的寿命。

5 运行方式优选

变频调速也有局限性，除了投资较大外，当水泵变速过大时会造成效率下降，超出泵比例定律范围，不可能无限制调速[5]。结合凯麻泵站机组选型及实际情况，对其运行方式进行以下两种方案的经济技术比选。①方案A：工频运行，利用高位水池进行调节运行；②方案B：变频运行。

根据《泵站设计规范》（GB50265-2010）中规定的“从河流、湖泊或水库取水时，设计运行水位应取满足设计供水保证率的日平均或旬平均水位”要求，工频泵确定设计扬程按90.6 m进行选型；变频泵则按最高扬程92.0 m进行选型，可覆盖水库水位变幅引起的扬程范围。按以上原则选型，工频机组和变频机组性能特性曲线分别见图3和图4。

图3 工频机组性能曲线图

图4 变频机组性能曲线图

根据工频机组和变频机组性能特性曲线[6]，结合凯麻泵站实际情况，得出两个运行方案各主要参数指标，指标对比见表4。

根据以上两种方案选型及表4数据进行分析：

表4 艰工频运行与变频运行主要指标对比表

（1）从输出流量方面分析，在方案A工频运行方式下，泵站在最高扬程下输出总流量为2.440 m3/s，每小时少于设计总流量329.6 m3；在最低扬程下总流量输出为3.540 m3/s，每小时超设计总流量3570.4 m3。根据水文专业提供水库多年平均水位为676.89 m，所对应的平均扬程为68.6 m，说明泵站机组将长期处于低扬程段运行，泵站总流量将长期处于超设计流量输出状态[7]，输水系统为满足该状态下运行，势必加大用于调节的高位水池有效容积或增加输水管道（或渠道）的断面面积来保证其过流能力，由于流量超量较大（超设计流量约1 m3/s），所需高位水池调节容积很大，投资增加较大。方案B为机组变频运行，可以实现恒定设计流量输出，不存在流量超标（或不足）的情况。

（2）从水泵效率方面分析，在方案A工频运行方式下，水泵需覆盖的扬程范围较宽，在最低扬程下效率仅为80.0%，单泵轴功率达1 416.7 kW。方案B在变频运行方式下，最高扬程到最低扬程下对应的变频调速范围为1000～880 r/min，频率范围为50～44 Hz，，最低转速为额定转速的88.0%，效率下降不大。在最低扬程下，水泵效率为88.0%，单泵轴功率为925.9 kW。由于方案A泵站机组将长期处于低扬程段运行，经计算，方案B变频运行方式（考虑扣除3%变频器自身损耗）比方案A工频运行方式效率能提高约5%的效率，每年将节约电能117.9万kW·h，节能效果明显。

（3）从投资方面分析，方案A工频运行时，每台机组需配备软启动[8]，经市场调研，每台软启动比相同容量变频器投资每台少15万元，但考虑方案A所需增大高位水池容积或增大输水管道（或渠道）所带来的投资较大，故方案B更经济，更合理。

（4）从泵站运行维护方面分析，方案A需要通过高位水池来调节，每年泵站大部分运行时间里，7200 m3的高位水池有效容积仅可调节2 h机组运行，即机组间隔2 h就得启停一次，启停频繁，调度很复杂，不利于泵站运行维护工作；方案B基本保证恒定设计流量输出，调度简单。

综合以上分析，在流量输出、节能效果、经济投资及运行维护方面，方案B变频运行方式均较优，故本阶段凯麻泵站机组运行方式推荐采用变频调速运行。最终，凯麻泵站推荐装机方案说明见表5。

表5 凯麻泵站推荐装机方案说明表

6 结语

水泵特性曲线上每个点均对应一个工况，在最高效率工况点下运行是最理想的，当工况点发生偏移时，其水泵效率、流量及轴功率等指标均发生变化。我国西南地区水库往往存在水位消落大的特点，这就导致库内取水泵站面临充分利用水能问题与机组扬程范围变化大选型问题之间的矛盾。如何平衡两者，使得水泵满足提水流量和扬程的前提下，长期在高效范围内运行，并考虑尽量节约工程投资，调度简单和降低运行成本等因素，选择合理的装机方案，是泵站产生最大效益的关键。