張仁田，朱峰，劉雪芹，梁云輝

(江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州225009)

燈泡貫流泵具有流道順直、水力損失小、裝置性能優(yōu)的顯著特點(diǎn)，其單位容量投資相對(duì)較低、機(jī)組效率高、運(yùn)行成本較低，尤其適合于年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的引調(diào)水泵站，在南水北調(diào)東線一期工程中有6座泵站安裝大型燈泡貫流泵機(jī)組28臺(tái)套，且其中4座泵站采用變頻調(diào)速方式進(jìn)行工況調(diào)節(jié)，其主要技術(shù)參數(shù)見文獻(xiàn)[1-2].

由于采用變頻變速工況調(diào)節(jié)方式，除了機(jī)組結(jié)構(gòu)與采用葉片全調(diào)節(jié)不同外，燈泡貫流泵工作范圍內(nèi)的性能也是隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的不同而不斷變化，而且電動(dòng)機(jī)的控制設(shè)備與控制方式也存在差異.雖然有壓供水的市政、電力等領(lǐng)域采用變頻調(diào)速較為普遍、且對(duì)其節(jié)能效果研究較多[3-4]，但到目前為止，對(duì)進(jìn)水和出水均為自由水面的泵站在南水北調(diào)東線工程的燈泡貫流泵機(jī)組系首次應(yīng)用，且關(guān)于變速特性除作者有少量的研究成果外[5-9]，國(guó)內(nèi)外均未開展相關(guān)研究.因此開展變速工況下的燈泡貫流泵水力性能和控制模式研究，對(duì)指導(dǎo)泵站優(yōu)化運(yùn)行和推廣應(yīng)用均具有理論意義和實(shí)際價(jià)值.鑒于淮陰三站與韓莊泵站、泗洪泵站與二級(jí)壩站結(jié)構(gòu)類似，且采用同一水力模型，因此文中僅以淮陰三站和泗洪泵站為例.

1 燈泡貫流泵變頻調(diào)速特性研究

1.1 水泵裝置變速特性理論分析

1.1.1 凈揚(yáng)程為0時(shí)的變速特性

在水泵機(jī)組變速工況運(yùn)行時(shí)，通常都是假定在一定的速度變化范圍內(nèi)效率不變，不同速度下的性能參數(shù)按下列相似規(guī)律變化

(1)

式中：Q1，H1，P1，n1分別為水泵機(jī)組在工況1下的流量、揚(yáng)程、軸功率和轉(zhuǎn)速；Q2，H2，P2，n2分別為水泵機(jī)組在工況2下的流量、揚(yáng)程、軸功率和轉(zhuǎn)速.

在轉(zhuǎn)速變化時(shí)，形成1組不同轉(zhuǎn)速下的Q-H曲線，如圖1所示.當(dāng)水泵運(yùn)行工況點(diǎn)的凈揚(yáng)程，即上、下游水位差Hsta=0時(shí)，裝置揚(yáng)程Hsys即為系統(tǒng)損失，并符合Hsys=K1Q2規(guī)律,其中K1為此工況下水泵裝置阻力系數(shù)，因此不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行工況點(diǎn)符合相似定律，可以按照式(1)預(yù)測(cè)不同轉(zhuǎn)速下的性能指標(biāo)，效率不變，如圖1a所示.但是，當(dāng)Hsta≠0時(shí)，裝置揚(yáng)程Hsys=Hsta+K1Q2，從圖1b可以發(fā)現(xiàn)，不同轉(zhuǎn)速下的性能并不符合相似定律，而且效率也發(fā)生變化.因此采用常規(guī)的相似定律確定工況點(diǎn)將產(chǎn)生較大的誤差，甚至導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果[10].

圖1 變速工況下泵及裝置性能曲線

1.1.2 凈揚(yáng)程不為0時(shí)的變速特性

在泵站的實(shí)際運(yùn)行中，凈揚(yáng)程基本不為0，因此，需要研究新的預(yù)測(cè)方法來確定不同轉(zhuǎn)速下不同工況點(diǎn)的性能參數(shù).對(duì)于凈揚(yáng)程為0的裝置特性，符合相似定律，即

(2)

式中：H′為凈揚(yáng)程為0工況下水泵裝置揚(yáng)程；Q′為凈揚(yáng)程為0工況下水泵流量.

圖2為凈揚(yáng)程不為0時(shí)的性能曲線預(yù)測(cè)簡(jiǎn)化示意圖.在額定轉(zhuǎn)速為n1工況點(diǎn)，切線的斜率A的表達(dá)式為

圖2 凈揚(yáng)程不為0時(shí)的性能曲線預(yù)測(cè)簡(jiǎn)化示意圖

(3)

對(duì)于凈揚(yáng)程為Hsta的裝置特性，有

(4)

式中：K2為此工況下水泵裝置阻力系數(shù).

在額定轉(zhuǎn)速為n1的(Q1,H1)工況點(diǎn)，切線的斜率B為

(5)

對(duì)于泵特性，關(guān)鍵在于對(duì)其線性化，假定

H=H0+CQ,

(6)

式中：H0為泵特性線性化后與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)，其中，

由此可以得到下列方程組

(7)

式中：λn為轉(zhuǎn)速比，λn=n/n1.

由此可以得到轉(zhuǎn)速變化時(shí)，在轉(zhuǎn)速為n時(shí)的流量和揚(yáng)程

(8)

(9)

上述確定不同轉(zhuǎn)速下能量特性是在假定泵特性為線性的前提下，因此僅適用于轉(zhuǎn)速變化范圍不大的區(qū)域，而且隨著流量和揚(yáng)程的變化，實(shí)際上效率已經(jīng)改變，因此需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步研究燈泡貫流泵在實(shí)際應(yīng)用中性能隨著轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系.

1.2 燈泡貫流泵裝置變速特性試驗(yàn)研究

1.2.1 淮陰三站變速特性

淮陰三站安裝整體緊湊型變頻調(diào)節(jié)燈泡貫流泵機(jī)組4臺(tái)套，其中1臺(tái)為備用機(jī)，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為33.4 m3/s，設(shè)計(jì)調(diào)水流量為100 m3/s.配套TBP2200-48/2900同步電動(dòng)機(jī)，單機(jī)容量為2 200 kW，總裝機(jī)容量為8 800 kW，電壓等級(jí)6.6 kV.采用西門子公司生產(chǎn)制造的2 200 kW交-交高壓變頻器進(jìn)行工況調(diào)節(jié).不同葉片安放角α、不同轉(zhuǎn)速n下的模型裝置性能曲線如圖3所示.

圖3 淮陰三站模型裝置變速性能試驗(yàn)曲線

按照葉片安放角為1.1°，假定相似工況點(diǎn)效率不變，采用式(1)預(yù)測(cè)的原型性能曲線如圖4所示.

圖4 淮陰三站原型裝置變速特性曲線

1.2.2 泗洪泵站變速特性試驗(yàn)研究

泗洪泵站樞紐工程是南水北調(diào)東線一期工程第4梯級(jí)泵站，該泵站位于江蘇省泗洪縣朱湖鄉(xiāng)東南的徐洪河上，其主要功能是將第3梯級(jí)抽入洪澤湖，江水通過運(yùn)西線及徐洪河后繼續(xù)北上送至第5梯級(jí)睢寧泵站，再由房亭河入駱馬湖.結(jié)合地方排澇和通航情況，泵站設(shè)計(jì)流量為120 m3/s，安裝葉輪直徑為3 050 mm，變頻變速調(diào)節(jié)燈泡貫流泵機(jī)組5臺(tái)套，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為30 m3/s，總裝機(jī)容量為10 000 kW.采用現(xiàn)場(chǎng)可拆卸燈泡貫流泵裝置型式.

葉片安放角為0°和-2°時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的能量特性試驗(yàn)結(jié)果如圖5，6所示.

圖5 泗洪泵站模型裝置揚(yáng)程特性曲線

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速大于700 r/min時(shí)，在失速點(diǎn)附近以下的流量工況點(diǎn)降速至700 r/min測(cè)試，然后再換算至規(guī)定轉(zhuǎn)速.空載時(shí)扭矩為2.03～4.68 N·m.從圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速減小，效率有所降低.根據(jù)不同轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)結(jié)果，采用式(9)預(yù)測(cè)的原型裝置性能曲線如圖7所示.

圖6 泗洪泵站模型裝置效率特性曲線

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，在不同工作揚(yáng)程工況下，為保證調(diào)水流量并使泵站盡可能在高效范圍內(nèi)運(yùn)行，則需要選擇不同的運(yùn)行轉(zhuǎn)速.在運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)揚(yáng)程至平均揚(yáng)程區(qū)間，可以選擇額定轉(zhuǎn)速(工頻工況)運(yùn)行，這有助于通過旁路設(shè)置使變頻裝置退出運(yùn)行，從而避免因變頻裝置而產(chǎn)生損失.

圖7 泗洪泵站原型裝置性能曲線

2 變頻裝置和電動(dòng)機(jī)變速特性

變頻裝置作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電源變換裝置，其損耗是客觀存在的，主要包括整流損耗、逆變損耗和控制回路損耗，其中整流損耗和逆變損耗取決于電力半導(dǎo)體器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，約占總損耗的90%，而控制回路損耗與變頻裝置容量和負(fù)載無關(guān)，負(fù)載電流的大小對(duì)變頻裝置的損耗起著決定性作用.

一般情況下，在采用高性能變頻器時(shí)，變頻器的效率在96%以上，而且隨著工況改變的變化較小.對(duì)于電動(dòng)機(jī)，在60%負(fù)荷以上時(shí)，效率基本不改變，但在小負(fù)荷時(shí)，效率明顯降低，而且采用變速裝置后，由于變頻器的高次諧波影響[11]，電動(dòng)機(jī)的效率還會(huì)略有降低.對(duì)于泵效率，由前面的分析可知，隨著轉(zhuǎn)速的改變，在凈揚(yáng)程不為0的工況下，也會(huì)發(fā)生變化.

變頻裝置的效率

(10)

式中：Pin為變頻裝置輸入功率；ΔPVFD為變頻裝置損耗功率，ΔPVFD=Pin-PM，其中PM為變頻裝置的輸出功率，即電動(dòng)機(jī)的輸入功率.則

(11)

電動(dòng)機(jī)的損耗主要包括鐵損，定、轉(zhuǎn)子銅損，雜散損耗和機(jī)械損耗等，其中前3部分損耗之和占全部損耗的90%.根據(jù)水泵的負(fù)載特性，其中PM可用水泵的軸功率PN與電動(dòng)機(jī)損耗之和表示，即PM=PN+ΔPmot.任意轉(zhuǎn)速n下的水泵軸功率可以用流量的二次多項(xiàng)式表達(dá)，即

(12)

(13)

(14)

根據(jù)淮陰三站的變頻裝置和電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下效率數(shù)據(jù)，可得到效率隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系

(15)

不同轉(zhuǎn)速下變頻裝置和電動(dòng)機(jī)效率變化情況如圖8所示，變頻裝置受轉(zhuǎn)速的影響較小，在60%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，效率相差1%左右；但是電動(dòng)機(jī)受轉(zhuǎn)速的影響較大，當(dāng)轉(zhuǎn)速在90%以下時(shí)，效率明顯降低，主要是因?yàn)殡S著頻率降低、電動(dòng)機(jī)的端電壓也下降，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率減小，損耗所占比例增大，因此變速運(yùn)行節(jié)能分析時(shí)必須考慮變頻裝置和電動(dòng)機(jī)隨轉(zhuǎn)速變化而導(dǎo)致的效率變化.對(duì)于同步電磁式電動(dòng)機(jī)，可以通過增大勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓，使定子電流增加而提高電動(dòng)機(jī)的功率和效率，而永磁同步電動(dòng)機(jī)具有效率優(yōu)勢(shì).

圖8 變頻裝置和電動(dòng)機(jī)效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3 變頻調(diào)速燈泡貫流泵運(yùn)行控制方式

3.1 變頻裝置的2種運(yùn)用方式

作為變頻調(diào)速的主要設(shè)備，變頻裝置在燈泡貫流泵機(jī)組運(yùn)行中起到關(guān)鍵性的作用，其運(yùn)用方式有2種：一種是直接串接在電動(dòng)機(jī)與電源之間.這種接線方式的電源電壓等級(jí)可以與電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)不同，由變頻變壓器進(jìn)行電壓等級(jí)匹配；另一種是設(shè)置旁路，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要，變頻裝置可以投入運(yùn)行也可以退出運(yùn)行.

設(shè)置旁路的接線方式的先決條件是電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)與電源電壓等級(jí)一致.其優(yōu)點(diǎn)是在不需要變頻，即工頻下運(yùn)行時(shí)通過旁路使電動(dòng)機(jī)與電源直接連接，變頻裝置退出運(yùn)行，減少系統(tǒng)因變頻裝置產(chǎn)生損壞引起的效率降低.其關(guān)鍵是需要研究在何種工況下變頻裝置退出運(yùn)行才是最佳的運(yùn)行控制方式.

3.2 以效率最優(yōu)為目標(biāo)的運(yùn)行控制方式

現(xiàn)以泗洪泵站為例，該泵站采用有旁路的運(yùn)行控制方式，原型裝置在工頻下的特性曲線可單獨(dú)表示為圖9.

圖9 泗洪泵站工頻下原型裝置特性曲線

由圖9可見，供水設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)，工頻下運(yùn)行尚不能滿足設(shè)計(jì)流量的要求.揚(yáng)程在3.7～3.9 m為馬鞍區(qū)，當(dāng)泵站揚(yáng)程大于3.7 m，不利于水泵安全運(yùn)行，故需采用變頻調(diào)速提高水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速，使水泵能夠安全、高效運(yùn)行，并在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下滿足設(shè)計(jì)流量要求.揚(yáng)程接近0時(shí)，水泵流量較大，效率下降較快，此時(shí)可以采用變頻調(diào)速降低水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速，適當(dāng)減小水泵流量，提高水泵運(yùn)行效率[8].

3.2.1 保證機(jī)組安全運(yùn)行的轉(zhuǎn)速控制分析

3.2.2 保證機(jī)組流量滿足要求的轉(zhuǎn)速控制分析

通過變頻調(diào)速，水泵運(yùn)行需要滿足設(shè)計(jì)揚(yáng)程(3.23 m)時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)流量(30 m3/s)要求，額定轉(zhuǎn)速下裝置揚(yáng)程-流量擬合關(guān)系式(馬鞍區(qū)以下段)為

(16)

變頻后

(17)

(18)

由此可得λ≥1.166，即設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.23 m時(shí)，提高水泵轉(zhuǎn)速為nsj=λsj×n0≥124.9 r/min，能滿足設(shè)計(jì)流量要求，變頻后頻率f=λ×50≥58.3 Hz.綜合考慮安全運(yùn)行和設(shè)計(jì)揚(yáng)程下滿足設(shè)計(jì)流量要求，當(dāng)揚(yáng)程在設(shè)計(jì)揚(yáng)程及以上時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速設(shè)置為124.9 r/min，既能滿足設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)流量要求，又能保證水泵運(yùn)行不進(jìn)入馬鞍區(qū).

3.2.3 保證機(jī)組高效運(yùn)行的轉(zhuǎn)速控制分析

上、下游為自由水面的引調(diào)水泵站在實(shí)際運(yùn)行過程中某一時(shí)刻上下游水位差與水泵裝置特性曲線的交點(diǎn)即為水泵的運(yùn)行工況點(diǎn).調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行工況的目的就是當(dāng)揚(yáng)程出現(xiàn)變幅時(shí)，調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速至對(duì)應(yīng)最優(yōu)轉(zhuǎn)速，使得調(diào)速后的水泵能高效運(yùn)行.首先考慮變頻裝置始終運(yùn)行，得出轉(zhuǎn)速隨揚(yáng)程變化的最優(yōu)調(diào)節(jié)方式，再與工頻情況進(jìn)行對(duì)比，即可確定變速運(yùn)行的控制方式.

當(dāng)揚(yáng)程為H時(shí)，采用變頻調(diào)速可以提高水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速為n1或n2.若提高轉(zhuǎn)速為n1，則水泵運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)為A1、水泵流量為Q1、輸入功率為Pin1，其中裝置運(yùn)行總效率η1=ηz1×ηmot1×ηint1×ηVFD1，其中ηz1,ηmot1,ηint1,ηVFD1分別為水泵裝置效率、電動(dòng)機(jī)效率、傳動(dòng)效率和變頻效率；若提高轉(zhuǎn)速為n2，則水泵運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)為A2、水泵流量Q2、輸入功率Pin2，同樣η2=ηz2×ηmot2×ηint2×ηVFD2，這種情形下一般按照單位流量的能耗進(jìn)行比較節(jié)能與否[10].因此對(duì)于揚(yáng)程H，2種轉(zhuǎn)速n1，n2運(yùn)行條件下，單位流量能耗差為

(19)

即某一揚(yáng)程條件下，比較2種工況單位流量能耗差即是比較裝置運(yùn)行總效率的大小，總效率越大，單位流量能耗越低，水泵裝置運(yùn)行越節(jié)能.ηz可由圖9原型水泵裝置特性曲線擬合，傳動(dòng)效率ηint=1，變頻裝置和電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為75～125 r/min的效率ηmot，ηVFD隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系如式(15)所列.

圖10 泗洪泵站水泵裝置變轉(zhuǎn)速特性曲線

由圖10可見，高效區(qū)以上部分，同一揚(yáng)程條件下，轉(zhuǎn)速增大，效率提高，最高效率點(diǎn)在n=1.166n0特性曲線上；高效區(qū)以下部分，同一揚(yáng)程條件下，隨著轉(zhuǎn)速增大，效率先增大后減小，在某一轉(zhuǎn)速裝置總效率達(dá)到最高.根據(jù)圖10，找出各揚(yáng)程下最高效率工況點(diǎn)，與工頻情況下流量和效率進(jìn)行對(duì)比，見圖11.

圖11 泗洪泵站變頻最高效率與工頻工況對(duì)比曲線

由圖11可見，變頻能夠得到更寬廣的高效區(qū)，只有揚(yáng)程在1.3～2.5 m時(shí)，工頻運(yùn)行工況效率更高，在其他揚(yáng)程條件下，變頻運(yùn)行效率更高.但在低揚(yáng)程情況下(H<1.3 m)，變頻追求高效率的同時(shí)，流量會(huì)相應(yīng)減小.例如在揚(yáng)程為1 m時(shí)，工頻工況流量Q0=32.8 m3/s，效率η0=64%，變頻高效工況流量Q1=23.5 m3/s,效率η1=69%，變頻后總效率提高了5%，流量卻減小了28.4%.即變頻后提升相同水量，所用電量減小約7.3%，所用時(shí)間卻增加約39.6%.這將大大增加泵站運(yùn)行時(shí)間，顯然也是不合理的.不妨考慮低水位變頻條件下，確保流量減小不大于10%(即Q1≥27 m3/s)作為限制條件，由圖3確定各揚(yáng)程下最高效率工況點(diǎn)，與工頻情況下流量和效率進(jìn)行對(duì)比，見圖12.

圖12 泗洪泵站變頻高效(Q1≥27 m3/s)與工頻工況對(duì)比曲線

由圖12可見，同樣是供水揚(yáng)程在1.3～2.5 m，工頻運(yùn)行工況效率更高，在揚(yáng)程H≤1.3 m時(shí)，確保流量Q1≥27 m3/s作為限制條件變頻，效率比工頻條件下效率高.故考慮揚(yáng)程在1.3～2.5 m切除變頻裝置、采用旁路下工頻運(yùn)行；在其他揚(yáng)程條件下，采用變頻運(yùn)行，變頻調(diào)速運(yùn)行控制條件見表1.由表1與圖7對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在考慮變頻裝置和電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的效率變化后，不同揚(yáng)程下的變速明顯不同.

表1 變速運(yùn)行調(diào)節(jié)控制條件

4 結(jié) 論

1) 變頻調(diào)速的燈泡貫流泵性能受到水泵葉輪性能和流道性能兩方面的制約，在一定變速范圍內(nèi)可以采用效率不變的相似定律進(jìn)行預(yù)測(cè)；在變速范圍較大時(shí)，建議采用模型試驗(yàn)時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的結(jié)果分別進(jìn)行預(yù)測(cè).

2) 變頻裝置是耗能的電氣元器件，在確定燈泡貫流泵機(jī)組運(yùn)行性能時(shí)必須考慮變頻裝置的損耗、同時(shí)應(yīng)分析隨著頻率改變引起的變頻裝置及電動(dòng)機(jī)效率變化，在電氣設(shè)備配置方面可以考慮設(shè)置旁路實(shí)現(xiàn)工頻運(yùn)行時(shí)切除變頻裝置.

3) 以泗洪站為例，綜合考慮機(jī)電設(shè)備損耗后發(fā)現(xiàn)，在(40%～80%)供水設(shè)計(jì)揚(yáng)程范圍內(nèi)采用無變頻裝置的工頻運(yùn)行優(yōu)于有變頻裝置的變速運(yùn)行，該結(jié)論可作為燈泡貫流泵站變頻變速優(yōu)化運(yùn)行參考.