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      基于高壓永磁電機(jī)的某改造泵站水泵選型分析

      2020-10-23 09:16:26田薔薔田薇
      工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2020年18期
      關(guān)鍵詞:揚(yáng)程葉輪泵站

      田薔薔,田薇

      (1.上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海200434;2.寧夏德融房地產(chǎn)開發(fā)有限公司,銀川750000)

      1 工程概況

      某泵站為單向排澇泵站,設(shè)計(jì)流量40m3/s,泵站安裝3臺豎井貫流泵組,單泵設(shè)計(jì)流量13.33m3/s,設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程2.50m,水泵葉輪直徑2.40m,額定轉(zhuǎn)速136.36r/min,配套10kV、710kW永磁同步電動機(jī)和高壓變頻器,電機(jī)與水泵采用直聯(lián)傳動方式,改造設(shè)計(jì)擬將原單向排澇泵站改造為引排雙向泵站。

      泵站流道在單向排澇工況設(shè)計(jì)時(shí)已考慮到泵站后期增加引水功能的可能性,流道控制尺寸按照雙向流道設(shè)計(jì),改為雙向引排泵站后,流道控制尺寸無須調(diào)整,僅需更換水泵轉(zhuǎn)輪,并增設(shè)部分機(jī)電設(shè)備。因此,本改造采用雙向豎井貫流泵方案,葉輪采用S形葉片。

      2 泵站特征參數(shù)

      2.1 特征水位

      泵站保持現(xiàn)狀排澇工況水位不變,增加引水工況特征水位,改造泵站的特征水位如表1所示。

      表1 改造泵站特征水位m

      2.2 特征揚(yáng)程

      泵站裝置總揚(yáng)程由泵站凈揚(yáng)程和泵站裝置損失構(gòu)成。泵站裝置總揚(yáng)程包括進(jìn)出水?dāng)r污柵、門槽水頭損失以及泵站上、下游側(cè)河道的水力坡降等,設(shè)計(jì)工況下水力損失取0.55m,最高揚(yáng)程下水力損失取0.5m,最低揚(yáng)程下水力損失取0.75m。泵站特征揚(yáng)程如表2所示。

      表2 改造泵站特征揚(yáng)程m

      3 泵組改造比選方案

      本改造工程屬于低揚(yáng)程大流量雙向運(yùn)行泵站,泵站以排澇工況為主,引水工況與排水工況的設(shè)計(jì)揚(yáng)程相差很大,水泵選型須兼顧2種運(yùn)行工況,保證最高與最低揚(yáng)程工況下能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

      3.1 水泵原模型相似率

      近年來,我國研制了不少低揚(yáng)程雙向軸流泵的水力模型。其中,揚(yáng)州大學(xué)研制的SZM35雙向葉輪設(shè)計(jì)揚(yáng)程低,模型效率高,使用較多。結(jié)合泵站特征水位,本泵站考慮采用SZM35模型轉(zhuǎn)輪,根據(jù)相似定律換算泵站的技術(shù)參數(shù)并繪制水泵裝置特性曲線,水泵原模型相似率原理見式(1)和式(2)。

      式中,D、Q、H、n分別為水泵原型的葉輪直徑、流量、揚(yáng)程和功率;Dm、Qm、Hm、nm分別為水泵模型的葉輪直徑、流量、揚(yáng)程和功率。

      3.2 機(jī)組變頻調(diào)節(jié)原理

      對于同一臺泵,水泵的流量、揚(yáng)程及功率分別與其轉(zhuǎn)速的一次方、二次方及三次方成正比,因此,泵組在高揚(yáng)程工況下運(yùn)行時(shí),可以通過降低水泵轉(zhuǎn)速降低水泵功率和泵組的n值與D值,從而達(dá)到節(jié)能效果,并提高水泵的汽蝕性能,有利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

      3.3 水泵機(jī)組主要性能參數(shù)

      根據(jù)水泵原模型相似率及機(jī)組變頻調(diào)節(jié)原理,經(jīng)換算,主要就2種方案做比選。

      方案一:保持現(xiàn)狀電機(jī)功率(710kW)及排澇設(shè)計(jì)流量(13.33m3/s)不變。

      排澇工況,當(dāng)泵站運(yùn)行揚(yáng)程不高于設(shè)計(jì)揚(yáng)程(3.05)時(shí),水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為176.47r/min;當(dāng)泵站運(yùn)行揚(yáng)程高于設(shè)計(jì)揚(yáng)程(3.05m)時(shí),通過變頻器降低水泵轉(zhuǎn)速以降低軸功率,此時(shí)水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為160r/min;引水工況中水泵轉(zhuǎn)速為176.47r/min。經(jīng)換算,泵葉輪直徑D1=2 200mm,泵組主要性能參數(shù)如表3所示,泵組裝置性能曲線如圖1~圖3所示。

      表3 預(yù)想的原型泵裝置性能參數(shù)表

      根據(jù)GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》,電機(jī)功率按最大軸功率選配,并留1.05~1.1倍的儲備系數(shù)[1]。由表3可知,最大軸功率為626.14kW,算得電機(jī)功率為657.45~688.46kW,泵站原電機(jī)功率為710 kW,滿足要求。

      圖1 原型泵排澇工況裝置特性曲線(設(shè)計(jì)揚(yáng)程小于3.05m)

      圖2 原型泵排澇工況裝置特性曲線(設(shè)計(jì)揚(yáng)程大于3.05m)

      圖3 原型泵引水工況裝置特性曲線

      方案二:為了最大限度地發(fā)揮排澇、引水工況下的水泵最優(yōu)性能,保持排澇設(shè)計(jì)工況下設(shè)計(jì)流量為13.33m3/s。

      經(jīng)換算,水泵葉輪直徑D1=2 350mm,排澇工況下水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定150r/min,引水工況下水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為140r/min。換算的原型泵裝置性能曲線如圖4和圖5所示。泵組主要性能參數(shù)如表4所示,最大軸功率為739.95kW,算得電機(jī)功率為776.95~813.94kW,泵站原電機(jī)功率為710kW,無法滿足要求,需將電機(jī)功率調(diào)整為820kW。

      表4 預(yù)想的原型泵裝置性能參數(shù)表

      圖4 原型泵正向裝置特性曲線(排澇工況)

      圖5 原型泵反向裝置特性曲線(引水工況)

      2個(gè)方案在水泵運(yùn)行過程中均需要通過變頻器對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),對變頻器的可靠性有一定要求。雖然方案二在泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程以上運(yùn)行時(shí)泵組流量較方案一大,但方案二電機(jī)功率增加,不僅需要重新購置電機(jī),投資比方案一多,且需要重新進(jìn)行用電申請,因此,本工程推薦采用方案一。

      4 結(jié)語

      泵站采用變頻器對水泵進(jìn)行調(diào)速,使泵組運(yùn)行高效區(qū)比較寬,特別是在泵站高揚(yáng)程附近,通過變頻器降低水泵轉(zhuǎn)速,降低水泵功率,還提高了泵組汽蝕性能以及水泵運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。高壓永磁電機(jī)通過變頻器調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速具有節(jié)能優(yōu)勢,在大中型泵站中具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

      考慮泵站改造原則,在不影響泵站性能和安全的前提下,充分利用原有設(shè)施及設(shè)備。本工程選取方案一,即泵葉輪直徑D1取2 200mm,電機(jī)保持不變。

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