牛欄江-滇池補(bǔ)水工程高揚(yáng)程大型離心水泵調(diào)節(jié)方式

郭 建 平

（云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，昆明 650051）

前言

離心泵在運(yùn)行中工況點(diǎn)偏離高效區(qū)或水泵的流量、揚(yáng)程不能滿足需要，需通過改變水泵性能或改變需要管道特性曲線來移動(dòng)工況點(diǎn)，使其符合要求。常用的調(diào)節(jié)方法有變速調(diào)節(jié)、節(jié)流調(diào)節(jié)等措施。

牛欄江—滇池補(bǔ)水工程是一項(xiàng)改善滇池水環(huán)境外流域調(diào)水重點(diǎn)工程，工程多年平均設(shè)計(jì)輸水量為5.72億m3，引水、輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為23m3/s，多年平均年運(yùn)行時(shí)間6910h。該工程由德澤水庫(kù)、干河泵站、輸水線路三大樞紐工程組成，輸水線路自泵站出水池經(jīng) 115.7km地下輸水建筑物自流至昆明滇池。

干河泵站位于水庫(kù)上游，泵站裝機(jī)總?cè)萘繛?0MW，設(shè)計(jì)提水流量23m3/s，裝置4臺(tái)單機(jī)設(shè)計(jì)流量 7.67m3/s、容量 22.5MW 的高揚(yáng)程大功率離心泵組；按照需水過程要求，存在著3臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行、2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行、單臺(tái)運(yùn)行的可能性。

干河泵站為庫(kù)內(nèi)取水，地下式廠房，水泵揚(yáng)程187.4～233.3m，揚(yáng)程變幅約 46m，由于受長(zhǎng)距離輸水線路設(shè)計(jì)流量限制，如果水泵不采取任何調(diào)節(jié)措施，水泵在低揚(yáng)程段的流量及空化特性均無法滿足本工程運(yùn)行要求。本文從牛欄江-滇池補(bǔ)水工程用水及泵站運(yùn)行工況出發(fā)，以 A1054離心泵葉輪作為對(duì)象葉輪，重點(diǎn)論述水泵調(diào)節(jié)方式選擇及調(diào)節(jié)特性，提出了本工程水泵在不同運(yùn)行工況的變速范圍。

1 水泵主要參數(shù)

臺(tái)數(shù) 4臺(tái)（3工作1備用）

水泵型式 單吸單級(jí)立式離心泵

比轉(zhuǎn)速 106

設(shè)計(jì)流量 7.67m3/s

設(shè)計(jì)揚(yáng)程 219.3m

揚(yáng)程范圍 187.4m～233.3m

最優(yōu)效率 93.1%

水泵安裝高程 1725.0m

額定轉(zhuǎn)速 600r/min

A1054原型水泵特性見表1。

2 水泵調(diào)節(jié)方式

水泵的調(diào)節(jié)可以通過采取節(jié)流、變頻調(diào)速等方式。節(jié)流調(diào)節(jié)方式是在水泵壓水管上設(shè)流量調(diào)節(jié)閥，通過改變管道特性使水泵機(jī)組在低于設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)能使水泵運(yùn)行工況點(diǎn)左移，改善水泵的空蝕性能，防止水泵出水池出現(xiàn)大量溢流情況。但調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí)容易產(chǎn)生壓力脈動(dòng)或水擊，機(jī)組間的配合運(yùn)行控制非常困難，且管路系統(tǒng)水力損失大大增加，對(duì)于大容量泵站顯然不符合節(jié)能降耗要求。

變頻調(diào)節(jié)方式是通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變了水泵特性（如出口壓力等）和運(yùn)行工況點(diǎn)，確保水泵在水庫(kù)高水位低揚(yáng)程段能穩(wěn)定運(yùn)行在高效率區(qū)，避開高空化區(qū)，最終實(shí)現(xiàn)工程供水要求。

變頻調(diào)節(jié)方案雖然設(shè)備投資高，但由于其調(diào)節(jié)方式滿足泵站設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，且技術(shù)成熟可靠，成功運(yùn)行業(yè)績(jī)多，節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)明顯等優(yōu)點(diǎn)，已成為大型泵站廣泛采用的調(diào)節(jié)方式。

3 水泵變頻調(diào)節(jié)后運(yùn)行特性

以 A1054原型水泵、單機(jī)運(yùn)行的設(shè)計(jì)工況（設(shè)計(jì)揚(yáng)程 219.3m、設(shè)計(jì)流量 7.67m3/s）為基點(diǎn)，按以下 4個(gè)方案進(jìn)行水泵變速運(yùn)行特性分析，如圖 1所示。

表1 A1054原型水泵特性數(shù)據(jù)表

圖1 A1054水泵調(diào)速后運(yùn)行特性

方案一：增速＋降速運(yùn)行（最高揚(yáng)程 233.3m～最低揚(yáng)程185.5m之間水泵均可抽水7.67m3/s），變速比（n/nr）為101.67～89.83%；方案二：降速運(yùn)行1（設(shè)計(jì)揚(yáng)程 219.3m～最低揚(yáng)程 185.5m之間水泵均可抽水流量 7.67m3/s），變速比（n/nr）為 99.17～92.83%；方案三：降速運(yùn)行2(揚(yáng)程211m～最低揚(yáng)程185.5m之間水泵均可抽水流量 8.0m3/s)，變速比（n/nr）為98.5%～93.83%；方案四：降速運(yùn)行3（最高揚(yáng)程 233.3m～最低揚(yáng)程 185.5m之間水泵均可實(shí)現(xiàn)抽水流量 6m3/s），變速比（n/nr）為 98.83%～89.0%；不同轉(zhuǎn)速方案水泵技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表2。

4 變頻調(diào)節(jié)范圍選擇

從圖1及表2可以看出：

（1）在設(shè)計(jì)揚(yáng)程219.3m～最大揚(yáng)程233.3m的揚(yáng)程區(qū)間，若使水泵均能實(shí)現(xiàn)按7.67m3/s流量運(yùn)行，水泵要求的最大轉(zhuǎn)速為102%倍額定轉(zhuǎn)速，增速后水泵在最高揚(yáng)程下的運(yùn)行效率提高 1.3%，且增速運(yùn)行要求的必需臨界空化余量下降（由不變速的 19.6m降低至 15.02m），水泵運(yùn)行的空化裕度提高，對(duì)水泵的增速運(yùn)行有利。

（2）在設(shè)計(jì)揚(yáng)程219.3m～最小揚(yáng)程185.5m的揚(yáng)程區(qū)間，若使水泵均能實(shí)現(xiàn)按7.67m3/s、8m3/s流量運(yùn)行，水泵要求的最小轉(zhuǎn)速分別為92.83%、93.83%倍額定轉(zhuǎn)速，降速后水泵的運(yùn)行效率接近最高效率，且降速運(yùn)行要求的必需空化余量降低，水泵運(yùn)行的空化裕度增加，對(duì)水泵的運(yùn)行有利。

（3）水泵可在設(shè)計(jì)揚(yáng)程 219.3m～最小揚(yáng)程185.5m的全揚(yáng)程區(qū)間通過降速實(shí)現(xiàn)6m3/s流量運(yùn)行，水泵要求的最小轉(zhuǎn)速為 89%倍額定轉(zhuǎn)速，降速運(yùn)行要求的必需空化余量降低，水泵運(yùn)行的空化裕度增加，但最高揚(yáng)程下（相應(yīng) 3臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行）降速至6m3/s流量運(yùn)行時(shí)，水泵要求的NPSH值增大，按水泵安裝高程1725m考慮，水泵在空化條件下運(yùn)行，建議水泵在最高揚(yáng)程下不作降速運(yùn)行。水泵降速至6m3/s流量的運(yùn)行效率下降達(dá)3.25%～1.5%，設(shè)計(jì)揚(yáng)程下的下降幅度最大。

表2 不同轉(zhuǎn)速方案水泵性能對(duì)比表

（4）在最大揚(yáng)程下水泵增速至7.67m3/s、8m3/s流量運(yùn)行時(shí)水泵運(yùn)行效率提高，空化裕度及運(yùn)行穩(wěn)定性改善，水泵在最高揚(yáng)程下可增速至額定流量附近運(yùn)行，建議配套變頻器的頻率調(diào)節(jié)范圍預(yù)留不少于＋3%的頻率調(diào)節(jié)裕量。

（5）水泵采用變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，7.0～8m3/s的工作流量區(qū)間為高效率區(qū)間，水泵空化性能良好，運(yùn)行時(shí)宜優(yōu)先考慮。水泵流量調(diào)節(jié)的下限不宜低于6m3/s，在低揚(yáng)程區(qū)間水泵的流量調(diào)節(jié)上限可在 8.5～9.0m3/s之間。

5 結(jié)論

（1）根據(jù) A1054模型水泵試驗(yàn)結(jié)果，水泵在最小揚(yáng)程區(qū)間（195～185.5m）運(yùn)行時(shí)，水泵流量超出設(shè)計(jì)流量甚多，如果不采取調(diào)節(jié)措施，無法實(shí)現(xiàn)水泵在最小揚(yáng)程區(qū)間的無空化運(yùn)行，且水泵的工作流量明顯過大，難以實(shí)現(xiàn)供水流量（供水量）與隧洞過流能力的兼顧。為滿足工程供水量的要求，并保證輸水隧洞的安全，水泵需采取變頻調(diào)速裝置進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。

（2）從水泵在運(yùn)行揚(yáng)程區(qū)間內(nèi)的空化性能分析，水泵安裝高程選擇1725m是可行的。水泵可在設(shè)計(jì)揚(yáng)程 219.3m～最小揚(yáng)程 185.5m的揚(yáng)程區(qū)間通過降速至6m3/s流量運(yùn)行，但最高揚(yáng)程下降速至6m3/s流量時(shí)水泵在空化條件下運(yùn)行，建議在最高揚(yáng)程下水泵不作降速運(yùn)行。在最大揚(yáng)程下水泵增速至7.67m3/s、8m3/s流量運(yùn)行時(shí)水泵運(yùn)行效率提高，空化裕度及運(yùn)行穩(wěn)定性改善，實(shí)際運(yùn)行時(shí)可予以考慮，建議配套變頻器的頻率調(diào)節(jié)范圍預(yù)留不少于＋3%的頻率調(diào)節(jié)裕量。

（3）水泵采用變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，7.0～8m3/s的工作流量區(qū)間為高效率區(qū)間，水泵空化性能良好，運(yùn)行時(shí)宜優(yōu)先考慮。水泵流量調(diào)節(jié)的下限不宜低于6m3/s；在最大揚(yáng)程下水泵可增速至7.67m3/s流量運(yùn)行；在低揚(yáng)程區(qū)間水泵的流量調(diào)節(jié)上限可在8.5～9.0m3/s之間。

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