离心泵供水泵站自动化系统变频运行工况研究

曹 扬

（山西省水利建筑工程局集团有限公司 山西太原 030006）

0 引言

山西省某供水泵站实验室自动化系统自建成以来，多次进行更新改造，目前实验室平台运行稳定，组态界面友好，经多次改造后，愈趋于智能化、高精度化、人性化运行管理[1]。由于线路及自动化监测系统更新改造过程历时较长，为检验现有线路及监控程序的准确率，本文拟将泵站实验室在变频运行的不同工况下的数值模拟结果与实测结果进行比较分析，以期寻求规律性结论，为大型泵站工程提供参考经验。

1 山西省某供水泵站实验室简介

山西省某供水泵站实验室于2012年初步建成并完成计算机自动监控系统安装调试，2018年对部分泵站设备进行更换与维护，进行供水泵站管路改造和老旧水泵更换，优化计算机自动监控系统，增强自动化系统安全性，提高监测精度[2]。

供水泵站实验室现有卧式离心泵2 台（TQW100-160A）、液控蝶阀2 个（DN100）、10W1H DN100 一体化电磁流量计1 台、ASQ-100 电动蝶阀1 个、PMC41系列压力变送器9 只、PLC 控制柜、工控机等设备仪器。管路设计采用钢管，进水管管长3.2 m，出水管管长1.43 m，总管管长12.72 m。供水泵站实验室管网布置示意图如图1所示。

图1 供水泵站实验室管网布置示意图

本实验系统带有变频运行调节功能，但由于实验室建设期所采用的变频器功率限制，只能实现在实验过程中两台水泵中的一台水泵进行变频运行，因此基于供水泵站实验室的变频运行模拟对比实验可分为以下两种工况：1）单独一台水泵变频运行；2）同型号的两台水泵，一台水泵变频运行，另一台水泵工频运行。

2 水泵变频调节稳态运行的数学模型

2.1 频率与转速关系

本系统采用近似方法对实验过程中的转速进行测量，根据实验系统在工作状态下的运行频率间接反映电动机转速。其工作原理为：根据系统变频器输送至PLC 控制柜中的频率信号所占整个系统额定频率信号的比值近似换算为电动机的瞬间转速[3]。

对于异步电动机而言，其转速n受到转差率S的影响，通过公式（1）进行计算：

式中：n0表示交流电动机的同步转速，其值与电源频率f、磁极对数p等参数相关，如公式（2）所示：

将公式（1）和公式（2）联立求解，可以得到异步电动机转速n 的表达式：

由此可得，若要实现交流电动机转速调节，可以通过改变电源频率f、磁极对数p或转差率S中任意参数即达到改变转速的目的，由于本系统在建设时所采用的电动机磁极对数一定，在转差率变化范围较小的区域内，电动机转速与电源频率基本呈现成正比例关系[4]。故本系统采用变频器作为变频电源对水泵转速进行调节，通过变频器的工作从而改变离心泵电动机的电源频率，当电源频率发生变化时，电动机的转速亦会发改变，进而实现改变离心泵转速的目的。

在实际运行及模拟中，水泵的转速变化应控制在一定范围内。水泵转速的下降幅度应控制在30%范围内，若水泵的实际降幅超过30%时，实际的等效率曲线将会与相似抛物线相差较大，即相似工况点对应的效率与水泵在实际运行中的效率不可等同对待，实际运行中的水泵效率大幅下降，如果再采用比例率公式进行变频运行工况求解就会引起较大偏差；水泵转速的提高不宜超过额定转速的10%，过大的转速会引起电机超载运行，压力升高，机组振动，损坏设备等严重事故。综上，在进行水泵变频调节运行过程中，应将水泵的调速范围控制在额定转速的70%～110%之间，这一控制要素在编写软件程序代码中已有体现。

2.2 同水位、同型号并联运行的两台水泵在额定转速下工况点的确定

确定并联运行水泵在额定转速下的工作点，可以利用水泵厂家所提供的某种型号水泵特性曲线参数，采用最小二乘法的方法拟合该水泵的Q-H曲线方程[5]，即水泵特性曲线方程：

由于两台水泵型号相同，运行水位相同，故两台水泵Q-H曲线相同。在已知一台水泵Q-H曲线的基础上，采用扣损法的方式扣除并联节点前进水管、出水管的水头损失，即得到水泵在扣除损失后的曲线（Q-H）’，方程如公式（5），曲线见图2：

将曲线（Q-H）’进行横加法计算，纵坐标（扬程）不变，横坐标（流量）扩大二倍，方程表示如公式（6），曲线见图2。

根据管路特性，在同一坐标轴上绘制Q-H需曲线，即管路特性曲线，方程表示如公式（7），曲线见图2。

图2 同型号两台水泵并联时的性能曲线

将公式（6）和公式（7）联立求解，可得水泵特性曲线Q-H曲线和管路特性曲线Q-H需在同一坐标系下的交点B点，B点为同型号、同水位两台水泵并联运行时的工况点。过B点作垂直于纵坐标的垂线，交（Q-H）’于点A，A点为两台水泵并联运行时，单台泵在整个系统中的工况点。

2.3 同水位、同型号并联运行的两台水泵在变频调节下工况点的确定

水泵的变频调节运行采用相似工况法进行求解。

由比例律：

式中：n1、Q1、H1、N1——水泵变频运行时的转速、流量、扬程、功率；

n2、Q2、H2、N2——水泵的额定转速、流量、扬程、功率。

将公式（8）中的转速替换消元，可得：

公式（10）表示为一条过原点的抛物线曲线，由于满足比例律关系，所以该曲线上的所有点效率相等。

由公式（4）和公式（10）整合，可得水泵在改变转速后，其特性方程：

将公式（6）与公式（11）整合，可得两台同型号变频水泵在并联运行后其特性方程：

管路特性曲线Q-H需曲线方程与水泵在额定转速工况下运行相同，如公式（7），将公式（7）与公式（12）连立求得两台同型号、同水位变频泵在并联情况下的工作点。

3 数值模拟计算软件介绍

本实验所采用的数值模拟计算软件是利用Visual Basic 6.0 作为开发语言，自行开发“同型号并联泵稳态计算软件”，数值模拟计算软件界面友好，操作简便，分为同型号无变频并联泵稳态计算和同型号有变频并联泵稳态计算两大部分。软件初始界面如图3所示，同型号无变频并联泵稳态计算界面如图4所示，同型号有变频并联泵稳态计算界面如图5所示。

图3 软件初始界面

图4 同型号无变频并联泵稳态计算界面

图5 同型号有变频并联泵稳态计算界面

4 结果分析

本实验利用水泵循环抽取实验室水箱内的水进行实验，测得单独一台水泵变频运行、两台水泵中一台变频运行，另一台工频运行两种工况下水泵的流量、泵后压力、泵站流量等参数。将实测结果和VB 程序计算机数值模拟结果对比分析，验证供水泵站实验室仪器及供水泵站自动化监控系统准确性；在此基础上，探究水泵变频运行中，泵站内流量、扬程、效率等参数的变化趋势，力求为大型泵站工程运行提供参考经验。

表1 为山西省某供水泵站实验室所选用的TQW100-160A 型水泵的特性曲线参数。

表1 TQW100-160A 水泵性能参数表

4.1 数值模拟计算结果

一台变频泵运行时的模拟成果见表2，一台变频泵一台工频泵运行时的模拟成果见表3。

表2 一台变频泵运行时的模拟成果表

表3 一台变频泵一台工频泵运行时的模拟成果表

4.2 供水泵站实验室实测结果

一台变频泵运行时的实测成果见表4，一台变频泵一台工频泵运行时的实测成果见表5。

表4 一台变频泵运行时的实测成果表

表5 一台变频泵一台工频泵运行时的实测成果表

4.3 数值模拟计算结果与实测结果对比分析

一台变频泵不同转速下运行时结果对比分析图如图6所示，一台变频泵一台工频泵不同转速运行时结果对比分析图如图7所示。

图6 一台变频泵不同转速下运行时结果对比分析图

图7 一台变频泵一台工频泵不同转速运行时结果对比分析图

4.4 结果分析

根据图6、图7所示，将计算机数值模拟结果与实测结果相对比，可以看出二者在变化趋势上大体处于基本吻合状态，由此可得，该计算机模拟系统具有一定的可靠性，可以在实际工程投入运行前，先运用本计算机模拟系统进行模拟计算，以确保工程安全高效运行。

在上述两种工况下，随着转速的增大，水泵的流量、扬程均随之增大。当两台水泵中一台变频运行，另一台工频运行的工况下，当转速增大时，变频泵的效率逐渐减小，工频泵的效率逐渐增大，当应用于实际工程中时，当多台水泵处于并联运行工况时，可基于计算机模拟计算，对变频泵适当降低水泵转速，以保证工频泵运行效率，使整个水泵系统处于相对高效区的转速范围。

5 结论

本文利用山西省某供水泵站实验室进行工频运行和变频运行相组合运行的研究方法，以实测数据为基础，在此基础上编写VB 程序进行计算机数值模拟计算，将模拟计算结果与实测结果对比分析，验证了供水泵站实验室自动化系统的可靠性，同时提出了供水系统不同运行方式组合下水泵变化规律，为实现供水系统优化调度运行提供参考。但本文仅针对两台水泵的不同运行工况进行VB 程序的编写，后续还需完善改进。