变频器调速水泵与出水阀门联动启停方式研究

李 宝 ，高 航，于永海

（1.甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730400；2.苏州市供排水管理处，江苏 苏州 215026；3.河海大学农业科学与工程学院，江苏 南京 210098）

1 引言

水泵及泵站广泛应用在农田灌溉排涝、城乡供排水、长距离和跨流域调水工程中，对发展生产、满足人们正常生活需要与保障人民生命和财产安全具有至关重要的基础保障作用[1]。

水泵是耗能设备，泵站节能降耗、梯级泵站优化调度一直是研究的重点内容。变速调节是一种水泵工况调节方法，可以使得调节后泵工况处于高效区[2]。目前广泛应用变频技术及变频器实现水泵变速调节，以实现泵站节能降耗、经济运行[3，4]。高扬程泵站一般采用“一管多机”并联泵组运行方式，通过研究可以实现节能经济运行[5，6]。泵站使用变频器，可以实现机组平缓启动，避免对进线电源系统产生冲击；采用软启和软停方式，可以减小转子及轴承的机械冲击磨损。

静止变频器是通过改变电源频率进而改变电动机转速的。高压变频器的种类繁多，其分类方法也多种多样。在高扬程泵站最常用的方式是，先是通过变频器内置降压变压器，将泵站高压进线电源降压为较低的交流电源，然后通过三相可控硅整流技术进行整流，再通过IGBT元件逆变，利用SPWM变换，得到频率和幅值都可变的较低电压交流电，最后通过变频器内置升压变压器变换成泵站电机所需用额定电源。

在梯级高扬程泵站中，以PLC（可编程控制器）为基础的计算机监控系统可以实现变频器、泵、阀联动的远程控制。高压变频器预充电、合闸、设定频率、启动电机、停止、分闸及出水液控阀门启、闭各远程控制点均引出端子并通过硬接线连接至PLC,变频器、断路器和出水阀门各位置信号也通过硬接线传至PLC，保证了联动操控命令的可靠下达。

水泵在启、停的过程中管路中都会产生水锤，变频器可以改变电动机转速进而调节出水阀门开启或关闭时刻的水泵转速，来减小水锤。因此变频器调速水泵与出水阀门联动需考虑以下两个问题。

（1）电动机采取变频启动方式，出水液控阀门背压状态（阀后存在较高水压）下阀板不能过早打开；为有效消除启泵水锤，阀板也不宜打开太迟。水泵转速达到多少时开启出水液控阀门需要进行合理选择。

（2）为有效消除停机水锤升压，可以采取这样的方式：合理选择确定电机转速一个定值，当电机转速下降至这个定值后即关闭出水液控阀门，待出水阀门全关后再下令变频器停止。

针对上述问题，本文对高扬程泵站变频器调速水泵与出水阀门联动启停方式进行研究，以有效减小开机与停机过程中的水锤升压。

2 变频器调速水泵与出水阀门联动启停方式

2.1 开机流程

变频器先设定频率50 Hz，然后变频器（配套功率≥800 kW）预充电；预充电完成后，变频器合闸，启动电动机，变频器频率按设定的规律增加，当变频器频率增加到f1（数值确定方法见下文）时出水液控阀门开启。这样启泵时有效减小了水锤升压，阀前阀后水流平稳衔接，缩短了到达稳定工况的过渡过程历时，减小对出水阀门和管道的的冲击，可延长出水液控阀门、水泵泵轴和轴承使用寿命。

2.2 停机流程

设变频器正常运行时的频率为fs，准备停机时，开始减小变频器频率，当频率减小到f1（数值确定方法见下文）时，关闭出水液控阀门，液控阀门全关后，变频器停止，频率降为0时，变频器分闸。停泵时有效减小了水锤升压，保证了设备及管道安全，可延长出水液控阀门、水泵泵轴和轴承使用寿命。

2.3 开启、关闭阀门时刻对应的变频器频率的确定

每种型号水泵都有一个额定工况点，此时水泵转速为额定转速nr，水泵效率为最大值，扬程为额定扬程，流量为额定流量。图1为某种型号水泵不同转速下的H-Q曲线，额定转速为970 r/min，额定工况点用三角符号表示，当流量为0时扬程则为HrO。

根据泵站设计资料，可知出水阀门阀底位置高程Zv，运行实测的出水池水位为Zout，从而可知阀后压强水头Hv=Zout-Zv。作一条H=Hv的水平线，与纵坐标轴相交，该交点对应的流量为0，扬程为Hv。在额定转速H-Q曲线基础上可作出图1中的曲线1，曲线1对应的转速为扬程Hv、流量为零时的转速，根据水泵比例律可得对应的转速：

图1 某型号水泵不同转速下扬程与流量关系曲线图

交流电动机转速值(0～n）与选用的变频器的频率值（0～50 Hz）有线性关系，因此可以得到推算出的对应转速n0的变频器频率：

这样确定的变频器频率f0下打开或关闭阀门，阀前压力比阀后压力略大一些，可有效减小水锤升压。如果在额定转速下打开或关闭阀门时，阀前压力比阀后压力大得多，引起水力过渡过程比较急剧，从而产生较大的水锤升压。从安全考虑选择启、闭出水阀门时的变频器频率值较f0增大1～2 Hz即

式中，Δf可取1～2 Hz。

3 泵站现场试验与分析

甘肃省景泰川电力提灌工程二期南干一泵站装 机8台，1号、2号、3号泵并联 运 行，4号、5号泵并联运行，6号、7号、8号泵并联运行。3号泵为变频器调速水泵，水泵型号：HS900-800-850B，额定转速730 r/min，额定流量1.7 m3/s，额定扬程29.41 m，其性能曲线如图2所示。图2中曲线3为所选泵的H-Q性能曲线，可得到Hro=39.8 m。实测出水池水位1 802.95 m，出水阀门阀底高程1 773.27 m，则Hv=29.68 m，由公式（2）计算可得f0=43.2 Hz，从而开启或关闭阀门时刻的变频器频率f1可取为44.2～45.2 Hz。

图2 HS900-800-850B泵H-Q性能曲线

南干一泵站3号机组原为工频运行机组，后加装变频器改为变频机组。机组水泵出口安装有液控半球阀，口径DN800，采用快慢两阶段关闭方式。半球阀后压力管道安装有压力变送器，压力数据采集后传至计算机监控系统后台进行应用。3号机工频运行时，实测启泵时管道升压峰值为32.28 m，停机时升压峰值B点为30.3 m，最低压力值A点为23.5 m，图3为3号机工频单机单管停机时阀后压力波形曲线。改为变频机组后，变频器配套功率900 kW，最大频率50 Hz。取f1=44.5 Hz进行启停泵试验，测得启泵时管道升压最大值为31 m；从3号机组变频停机时阀后压力波形图（图4）可知，阀门在C点已完全关闭，全关后阀后管道升压峰值D点为29.1 m，最低压力值E点为26 m。工频跟变频状态启停机压力波动二者比较来看，变频状态下压力波动更小，对管路及设备的冲击更小，启停机更安全。

图3 南干一泵站3号机组工频单机单管停机时阀后压力波形

图4 南干一泵站3号机组变频单机单管停机时阀后压力波形

4 结论

利用变频器调速水泵的变速特性，研究提出了变频器调速水泵与出口阀门联动启动与停机方式，以有效减小开机与停机过程中的水锤升压，缩短了到达稳定工况的过渡过程历时，减小对出水阀门和管道的的冲击，保证了设备及管道安全，可延长出水液控阀门、水泵泵轴和轴承使用寿命。

以启动时刻与停机时刻阀前阀后压力基本相等、水流平稳衔接为原则，确定启停时刻变频器调速水泵转速及变频器输出频率。现场实测表明：变频状态下启停机与工频状态启停机比较，前者的压力波动较小，对管路及设备的冲击较小，启停机更安全。