變頻設備在灌溉泵站中的應用范文
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《湖南水利水電雜志》2014年第三期
以東區一級泵站為例，一級泵站為東區的龍頭泵站，提水量是整個東區的灌溉水量，二、三、四級泵站提水量逐級遞減。圖1為一級泵站的供水過程線。從供水過程線來看，最小流量0.35m3/s出現在4月，最大流量2.18m3/s出現在7月，峰谷比為6.2∶1。按照常規方法選泵時，為滿足絕大部分時間水泵在高效區運行，需配置不同型號的水泵，通過流量搭配來滿足灌溉過程要求，給工程運行管理帶來諸多不便。本次設計引入了變頻設備控制，在水泵選型時采用同型號的水泵，變頻調整出力，不僅節約了電能，而且提高了運行管理水平，同時也適當地節約了土建和設備工程的投資，提高了對并聯后出水管路運行的穩定性。
根據本工程的具體特點，泵型選擇應遵循以下基本原則：（1）水泵聯合運行時，應滿足灌區作物不同生育期的水量、流量要求。（2）在平均揚程時，水泵應在高效區運行，并具有良好的抗氣蝕性能；在整個揚程范圍內，水泵應能安全、穩定運行，不得產生氣蝕和動力過載。（3）灌溉泵站選擇主泵臺數按流量大小取3～9臺，同時并聯運行的水泵不超過4臺。（4）一級泵站是東區系統重要的水源泵站，站設置一套備用機組；其余3個梯級泵站，可將年利用小時數低的機組作為備用機組，以減少設備閑置，降低投資。（5）本工程共有4個梯級泵站，考慮到水泵型號太多會給以后的運行管理帶來不便。原則上，在工程量相差不大的情況下，同一泵站內，機組型號應統一，方便運行管理；水泵臺數盡量少，降低投資。（6）采用變速調節時，水泵轉速下降幅度不宜超過額定轉速的30%；提高轉速時，不宜超過額定轉速的5%，以防止動力機超載，機組振動，損壞設備。本工程設計選取了4臺工作泵，1臺備用泵，5臺水泵型號相同，運行時最大并聯臺數4臺，5臺水泵互為備用。設計流量1965m3/s，為泵站設計流量的25%，設計揚程97.4m，最大揚程98.7m，最小揚程89.3m，加權平均揚程95.1m，根據水泵流量揚程，摘錄出國內某水泵廠家與之相適應的雙吸單級臥式離心泵的基本特性曲線。見圖2。圖3中列出了η=76%～84%的相似工況拋物線，確定出水泵高效區的范圍。調節水泵轉速時應注意水泵轉速下降幅度不宜超過額定轉速的30%，提高轉速不宜超過額定轉速的5%，以防止動力機超載，機組振動，損壞設備。根據這一原則該水泵轉速調節范圍為（693～1039）r/min，調整時應依據管路特性曲線選取合理的轉速調整范圍。圖4中管路特性曲線Q-H需與水泵基本特性曲線Q-H的交點即為水泵的工作點。圖中B點為單泵額定轉速運行時的工作點，效率為82.7%。
A點為降低水泵轉速到930r/min時的工作點，效率為76%，轉速降低了6%。在基本保證不損失揚程和效率的情況下，流量由額定轉速下的2265m3/h降低到1155m3/h，流量減小了49%，輸出電流頻率46.5Hz，頻率下調7%；C點為提高轉速到1010r/min時的工作點，效率為80%，轉速升高了2%，流量由2265m3/h增加到了2514m3/h，流量增加了11%，輸出電流頻率為50.5Hz，頻率升高了1%。因此可以看出，水泵轉速調節，對運行工況的調整效果十分明顯。轉速只需要進行微小調整，在高效區范圍內，流量會得到較大的改變。
對于本工程，雖然水泵仍有調整的空間，但根據水泵基本特性曲線和管路特性曲線來看，繼續升高或降低轉速水泵會偏離高效區，增加運行費用，根據《泵站設計規范》（GB50265-2010）9.1.11規定：“離心泵站的裝置效率不宜低于65%～70%，新建泵站裝置宜取高值”。對于一些歷時較短的極端工況，也是可以保證灌溉用水要求的。對于本工程而言，在供水過程線變化時，可以通過并聯多臺水泵，調整1臺或2臺水泵的出力來滿足需水過程，運行十分靈活。當水泵調整轉速并聯后，采用不同型號水泵并聯時工作點的確定方法繪制水泵并聯Q-H圖，Q-H線與管路特性曲線的交點即為并聯后水泵的工作點。圖5中“×”為整個灌溉期的供水流量，所有流量過程都在兩條Q-H曲線的中間，水泵基本都能在高效區運行。根據計算，最多需要調整兩臺水泵的出力即可滿足要求，雖然在個別流量下，水泵會偏離高效區運行，但以保證灌溉發生棄水的原則運行時，全年灌溉期內，棄水量共計3.51萬m3，僅占到全年總供水量2083萬m3的0.17%，效益十分明顯。
各級泵站采用變頻設備控制后，可以輕松地控制各梯級的提水流量，基本消除棄水或斷流的工況，對節能減排，降低運行費用有積極作用；變頻設備的軟停止，可以緩慢降低水泵出力，避免因緊急停泵帶來的水錘危害，對工程運行的穩定性和安全性起著不可替代的作用。
變頻控制設備具有調整范圍大、啟動平緩、隨時調整出力、實現軟停止、減小水錘、管路運行穩定等多重優點。特別是在梯級泵站的灌溉運行中，通過不同工況組合使水泵在高效區運行，基本可以達到供水期無棄水。在節能減排、降低運行費用、管理靈活方便、提高經濟效益、簡化設計、減少設備和土建工程量，降低投資等方面都有著不可替代的作用。
作者：李偉單位：新疆奎屯農七師勘測設計研究院