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摘要：惠南莊泵站工程配套大型異步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)，以適應(yīng)調(diào)水工程大幅度流量調(diào)節(jié)需求。文中結(jié)合工程特點(diǎn)，合理配置設(shè)備，使泵站運(yùn)行安全可靠，高效節(jié)能。變頻調(diào)速技術(shù)廣泛應(yīng)用于水工業(yè)領(lǐng)域是供水、水處理等工藝提升的需求，也是節(jié)能降耗的需求。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)；大型泵站；變頻裝置；節(jié)能

Abstract: In order to meet the requirements of regulating flow with a wide range in the water transfer project, frequency control of large induction motors are used in the Hui 
Nan Zhuang Pump Station. In this paper, reasonable configuration is considered by 
combination with engineering characteristics. It has the capability to improve safety in 
operation and efficiency. The technology of frequency control is widely used in the field
 of water industry for the requirement of techniques upgrade in the water supply, water 
treatment etc, and energy-saving.

Key words: South-to-North Water Diversion; large-scale pump station; frequency control; energy saving

    南水北調(diào)工程是為解決我國(guó)北方水資源嚴(yán)重短缺，生態(tài)環(huán)境惡化的一項(xiàng)具有重大戰(zhàn)略意義的特大型基礎(chǔ)設(shè)施, 中線(xiàn)工程是解決北京水資源緊缺的根本措施，該工程建成后將丹江口水庫(kù)的優(yōu)質(zhì)水安全、可靠的從河北境內(nèi)輸送到終點(diǎn)團(tuán)城湖。工程的實(shí)施對(duì)徹底解決北京水資源短缺問(wèn)題，提高城市供水保證率，改善北京水環(huán)境，促進(jìn)北京社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。同時(shí)，該工程實(shí)施過(guò)程中，充分運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)計(jì)的節(jié)能目標(biāo)。

1 工程概況

    南水北調(diào)中線(xiàn)工程北京段采用全線(xiàn)管涵加壓輸水，渠首設(shè)計(jì)流量50m ³/s，加大流量60m ³/s。惠南莊泵站上接北拒馬河暗渠，經(jīng)泵站加壓輸水至大寧調(diào)壓池。惠南莊~大寧段采用雙排DN4000預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土壓力管(PCCP)，管線(xiàn)長(zhǎng)度約56.4km。設(shè)計(jì)流速2.39m/s，沿線(xiàn)設(shè)5處分水口。泵站輸水流量Q≤20m ³/s時(shí)，加壓輸水段全線(xiàn)自流，流量Q＞20m ³/s時(shí)，啟動(dòng)泵站加壓輸水至大寧調(diào)壓池。調(diào)壓池之后采用重力流低壓輸水至終點(diǎn)團(tuán)城湖，全長(zhǎng)約80km。

    惠南莊泵站是南水北調(diào)中線(xiàn)工程總干渠唯一的一座大型加壓泵站，為大（Ⅰ）型1等工程，泵站設(shè)計(jì)流量60m ³/s，共安裝8臺(tái)臥式單級(jí)雙吸離心泵（2臺(tái)備用），水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為58.2m，單泵流量為10m ³/s，單機(jī)配套功率7300kW，總裝機(jī)容量58.4MW。

    水泵采用大型臥式單級(jí)雙吸離心泵，為國(guó)內(nèi)最大的臥式機(jī)組高揚(yáng)程泵站，年運(yùn)行5000小時(shí)以上。泵站特征參數(shù)變幅大，流量變化達(dá)3倍，揚(yáng)程變幅達(dá)2.2倍，機(jī)組采用大功率異步電動(dòng)機(jī)配套大型中壓變頻裝置，調(diào)速運(yùn)行范圍寬，機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)難度高，優(yōu)選先進(jìn)可靠的設(shè)備并研究能夠滿(mǎn)足工程供水要求的運(yùn)行方式，確保供水工程發(fā)揮效益。 

2 調(diào)速運(yùn)行的必要性分析

    (1) 供水系統(tǒng)主要特點(diǎn)

    泵站輸水流量變幅20～60m ³/s，水泵需要調(diào)節(jié)運(yùn)行；泵站起點(diǎn)至終點(diǎn)地形高程差小，幾何揚(yáng)程小，水泵的揚(yáng)程主要取決于壓力管道輸水的水力損失；沿線(xiàn)共設(shè)5處分水口，系統(tǒng)揚(yáng)程隨分流不同而降低。

    （2）供水頻率分析

    北京市需要南水北調(diào)供水多年平均為10.5億m ³，供水頻率見(jiàn)表1。

        表1   供水頻率表

    Q（m ³/s）    ≤20    20~30    30~40    40~50    >50

    頻率          35%    9%        15%       15%    26%

    泵站供水流量在20～40m ³/s范圍出現(xiàn)頻率約24%，供水流量在40～60m ³/s范圍出現(xiàn)的頻率最高，占41%，且超過(guò)40m ³/s流量的運(yùn)行幾率較高。

    （3）泵站流量~揚(yáng)程變化

    泵站在各種工況下運(yùn)行水泵揚(yáng)程隨流量不同將產(chǎn)生變化，當(dāng)泵站流量在20～60m ³/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，單管20～30m ³/s變化時(shí)，設(shè)計(jì)揚(yáng)程變幅26.52～58.20 m達(dá)2.2倍；另外，根據(jù)加壓段沿線(xiàn)5 處分水口用戶(hù)需水的不同，組合不同的分水流量，最大分流14.2m ³/s，雙管分流系統(tǒng)揚(yáng)程最大降低約12m，單管分流系統(tǒng)揚(yáng)程最大降低約18m。為適應(yīng)流量揚(yáng)程變幅，采用水泵調(diào)速運(yùn)行十分必要。該泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程58.2m，其中凈揚(yáng)程1.17m，水泵揚(yáng)程主要取決于壓力輸水管道的水力損失，此種管路特性更適合水泵調(diào)速運(yùn)行^[1]調(diào)節(jié)流量。

3 設(shè)備選擇

    根據(jù)水泵相似率，同一臺(tái)水泵有，， ，當(dāng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速時(shí)，其流量、揚(yáng)程、軸功率等隨之變化，而轉(zhuǎn)速在一定范圍變化時(shí)，其水泵效率變化不大，因此可通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，使機(jī)組運(yùn)行在高效區(qū)，以保證工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

    該泵站在如此大的流量~揚(yáng)程變幅下運(yùn)行，水泵機(jī)組配置大功率變頻裝置，泵站的設(shè)計(jì)和機(jī)電設(shè)備配置著眼于國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備。

    （1）水泵

    泵站設(shè)計(jì)流量為 60m ³/s， 安裝8臺(tái)臥式單級(jí)雙吸離心泵（2臺(tái)備用），單泵流量為10m ³/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程58.20m，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速375 r/min。

    （2）電動(dòng)機(jī)

    根據(jù)水泵運(yùn)行最大軸功率進(jìn)行電動(dòng)機(jī)配套功率選擇。運(yùn)行工況最大軸功率為6560kW，考慮一定的儲(chǔ)備量，電動(dòng)機(jī)功率取7300kW，轉(zhuǎn)速為375r/min。

    型式比選：① 同步電動(dòng)機(jī)：效率高（>96%），比相同容量的異步電動(dòng)機(jī)約高一個(gè)百分點(diǎn)，功率因數(shù)高（0.95～1），與電網(wǎng)匹配合理，穩(wěn)定性能好，抗干擾能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，不受電網(wǎng)電壓的影響，但同步電動(dòng)機(jī)較異步電動(dòng)機(jī)一次性投資大。② 異步電動(dòng)機(jī)：與同步電動(dòng)機(jī)相比，其效率略低（≤96%），功率因數(shù)低（0.85～0.88），會(huì)消耗大量無(wú)功，在小負(fù)荷情況下較為突出，影響電網(wǎng)品質(zhì)，須增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

    惠南莊泵站水泵由變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)而構(gòu)成的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此，可抑制異步電動(dòng)機(jī)的劣勢(shì)，而突出其優(yōu)點(diǎn)，選定異步電動(dòng)機(jī)。

    （3）變頻裝置

    早期的LCI型變頻器不適用于惠南莊泵站，諧波含量大，電網(wǎng)功率因數(shù)低，且必須使用同步電動(dòng)機(jī)。現(xiàn)代PWM控制型變頻器克服了上述的缺點(diǎn)，采用了輸入電流和輸出電壓的PWM控制，使電網(wǎng)和負(fù)載側(cè)的電壓與電流波形更逼近正弦波，提高了功率因數(shù)，減少了諧波，取消了諧波濾波裝置。

    電壓源型變頻器采用先進(jìn)的自關(guān)斷大功率半導(dǎo)體器件 ^[2] ，應(yīng)用現(xiàn)代PWM控制技術(shù)，大大改善了整流與逆變的正弦波形質(zhì)量，降低了高次諧波，提高了功率因數(shù)，不必增加無(wú)功補(bǔ)償裝置，因此改善了LCI型變頻器對(duì)電網(wǎng)的不良影響，是今后變頻技術(shù)的發(fā)展方向。電壓源型變頻器可以驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，而LCI型變頻器必須配同步電動(dòng)機(jī)，這也是電壓源型變頻器的優(yōu)勢(shì)。

    同步電動(dòng)機(jī)需要一套勵(lì)磁裝置，增加了設(shè)備，也就降低了可靠性，但同步機(jī)提高了功率因數(shù)，因此可減少定子電流，降低電動(dòng)機(jī)造價(jià)。電壓源型變頻器由于直流回路電容的作用，可以改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，異步機(jī)的造價(jià)低于同步電動(dòng)機(jī)，且可靠性高于同步電動(dòng)機(jī)。

    變頻器的型式采用半導(dǎo)體器件、PWM控制、實(shí)現(xiàn)交-直-交頻率變換、靜止型中壓變頻器。整流器使用IGCT開(kāi)關(guān)管 ^[3] ，采用PWM技術(shù)，使電網(wǎng)中的電壓及電流諧波含量大大的減少，整流器件為有源模塊化結(jié)構(gòu)，便于安裝維護(hù)，逆變單元采用PWM控制技術(shù)，使變頻器輸出端流入電動(dòng)機(jī)的電流接近正弦波，減少諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)以及通過(guò)空間對(duì)其他設(shè)備和通信的影響及干擾。根據(jù)本工程的技術(shù)參數(shù)，經(jīng)綜合比較，泵站采用異步電動(dòng)機(jī)，PWM型變頻驅(qū)動(dòng)。

    （4）電動(dòng)機(jī)/變頻裝置主要參數(shù)

    電動(dòng)機(jī)：臥式鼠籠型變頻異步電動(dòng)機(jī)，冷卻方式IC81W，輸出功率7300kW，額定轉(zhuǎn)速375r/min，效率97%，功率因數(shù)0.86。

    變頻變壓器：三相油浸雙繞組變壓器，冷卻方式ONAN，電壓10000/3160V，額定容量8620kVA。

    變頻器：冷卻方式水冷，額定電壓3150V，額定容量8760kVA。

4 泵站運(yùn)行及流量調(diào)節(jié)

    泵站的運(yùn)行需要滿(mǎn)足各種運(yùn)行工況，在保證機(jī)組安全、平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，以泵站節(jié)能為目標(biāo)組合運(yùn)行方式。變頻裝置臺(tái)數(shù)的配置是保證流量調(diào)節(jié)可靠性的關(guān)鍵。下面就其配置的可行性、經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行的合理性進(jìn)行分析。 

    （1）3臺(tái)泵并聯(lián)調(diào)速運(yùn)行結(jié)果如圖1所示，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速降至70%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，水泵運(yùn)行效率均在其較優(yōu)效率區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)水泵最大和最小揚(yáng)程時(shí)的流量為20.5～23.5m ³/s。

    圖1   3臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行

    （2）為達(dá)到進(jìn)一步調(diào)節(jié)小流量要求，需采用2臺(tái)水泵并聯(lián)調(diào)速運(yùn)行見(jiàn)圖2所示。水泵運(yùn)行效率略降低，但運(yùn)行區(qū)域內(nèi)靠近最低幾何揚(yáng)程的效率仍在85%范圍內(nèi)。水泵在70%額定轉(zhuǎn)速時(shí)的流量調(diào)至18.6m ³/s，若要下調(diào)流量至17.5m ³/s，轉(zhuǎn)速需下降至65%額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)泵的效率仍在較優(yōu)效率區(qū)內(nèi)，汽蝕性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

    圖2   2臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行

    （3）8臺(tái)泵每4臺(tái)（含1臺(tái)備用）一組并聯(lián)供一根輸水管運(yùn)行，按減少1~2臺(tái)變頻裝置進(jìn)行匹配，由于定速泵的運(yùn)行限制了調(diào)速泵的調(diào)速范圍，調(diào)速泵調(diào)節(jié)幅度小于10%，根據(jù)供水排頻，大流量輸水幾率較高，有些流量段將無(wú)法實(shí)現(xiàn)，且配套電動(dòng)機(jī)功率需加大到8000kW，水泵安裝高程需降低5.0~5.5m，機(jī)電設(shè)備及土建投資加大，方案不合理。通過(guò)對(duì)水泵運(yùn)行工況分析，若減少變頻裝置數(shù)量，由于水泵性能的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)該工程所有流量段的連續(xù)調(diào)節(jié)。

    惠南莊泵站全部配套變頻裝置可適應(yīng)流量20~60m ³/s調(diào)節(jié)，水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍65%~100%可行，確保泵站安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

5 節(jié)能分析    

    該泵站為大型高揚(yáng)程泵站，配套單機(jī)功率大，年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，安全可靠、高效節(jié)能的運(yùn)行模式是調(diào)水工程充分發(fā)揮效益的關(guān)鍵。采用水泵變頻調(diào)速運(yùn)行，水泵流量、揚(yáng)程和軸功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：；；，當(dāng)流量Q下降到80%額定流量時(shí)，供水單耗將降至工頻狀態(tài)的64%，節(jié)電率理論上可達(dá)到36%。故降低轉(zhuǎn)速調(diào)流，而降低供水單耗，在滿(mǎn)足南水北調(diào)全線(xiàn)供水不同時(shí)段流量變化的同時(shí)，節(jié)約大量能源。 

    水泵軸功率：；調(diào)速運(yùn)行時(shí)計(jì)算某一頻率下的供水耗電量：噸水耗電=累計(jì)耗電/累計(jì)流量；節(jié)電率=[(工頻噸水耗電-變頻噸水耗電)/工頻噸水耗電]×100%。根據(jù)此三式進(jìn)行能耗計(jì)算，按日供水216萬(wàn)m ³，單管25m ³/s運(yùn)行24小時(shí)與單管30m ³/s運(yùn)行20小時(shí)運(yùn)行比較，單管輸水25m ³/s采用3臺(tái)泵調(diào)速運(yùn)行與單管輸水30m ³/s采用3臺(tái)泵工頻運(yùn)行比較，調(diào)速運(yùn)行理論上節(jié)電達(dá)30%。待工程正式投入運(yùn)行可根據(jù)機(jī)組實(shí)測(cè)值進(jìn)行檢驗(yàn)。

    以上分析節(jié)電效果明顯，降低轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，軸功率隨轉(zhuǎn)速變化相對(duì)于流量變化更顯著，且調(diào)速運(yùn)行使水泵在較高效率點(diǎn)運(yùn)行，在流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)水泵調(diào)速運(yùn)行降低能耗，改善了設(shè)備運(yùn)行工況，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，并增加了工程調(diào)水的靈活性，提高了供水可靠性，可取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

6 國(guó)內(nèi)水工業(yè)變頻調(diào)速發(fā)展需求

    （1）水工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能現(xiàn)狀

    目前，我國(guó)總電網(wǎng)負(fù)荷中，拖動(dòng)各種設(shè)備的電動(dòng)機(jī)耗電約占60%，其中拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵的電機(jī)耗電量約占全國(guó)總用電量的31%，而這些設(shè)備中約有50%負(fù)荷的變化需要變工況運(yùn)行，而水泵運(yùn)行有些還采用閥門(mén)調(diào)流，節(jié)流損耗大，造成能源大量浪費(fèi)。

    多數(shù)供水工程的工況變化，一方面需要流量調(diào)節(jié)，是目前多用戶(hù)，大規(guī)模供水的特點(diǎn)；另一方面是工程項(xiàng)目中泵站加壓提水水位變幅大，需要水泵適應(yīng)這兩方面的要求。解決的辦法一是采用大小泵匹配來(lái)滿(mǎn)足流量或水位變化，機(jī)組臺(tái)數(shù)增加，造成節(jié)電效果不理想，土建投資加大，且操作不靈活，特別目前大型引調(diào)水工程不斷增加，此方法不能滿(mǎn)足現(xiàn)代化泵站的供水要求。二是采用關(guān)閥調(diào)節(jié)，增加管道阻力，此方法雖然簡(jiǎn)單，極不節(jié)能，且設(shè)備易損。針對(duì)此兩種情況，通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，克服了對(duì)工程的不利影響，其優(yōu)點(diǎn)是水泵臺(tái)數(shù)少，水量調(diào)節(jié)靈活性大，節(jié)電效果好，但變頻裝置價(jià)格是制約工程采用的條件，有些項(xiàng)目只能部分配套，近年隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的結(jié)合及國(guó)產(chǎn)大功率變頻裝置的發(fā)展，變頻設(shè)備價(jià)格越來(lái)越趨于合理。

    水工業(yè)領(lǐng)域中目前廣泛采用變頻調(diào)速技術(shù)是給水、水處理、排水工程等工藝提升的需求，也是節(jié)能減排的需求，如大型引調(diào)水工程源水取水泵站、供水泵站進(jìn)行流量水位調(diào)節(jié)；給水處理廠站中調(diào)流降耗；城市污水排放泵站中用于污水流量調(diào)節(jié)；污水處理廠曝氣風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)，提升泵房的潛水泵和脫水離心機(jī)用于軟啟動(dòng)；城市樓宇恒壓變頻供水等等。變頻調(diào)速技術(shù)的采用必須是科學(xué)、合理的，節(jié)能降耗要有科學(xué)依據(jù)，首先要結(jié)合工程實(shí)際，在滿(mǎn)足功能要求的前提下，力求安全可靠、高效節(jié)能。

    （2）水工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能措施 

    我國(guó)目前中、高壓大功率調(diào)速電動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用于供水行業(yè)的大中型抽水泵站，在一定范圍內(nèi)控制機(jī)組的抽水量、水壓，高效運(yùn)行，達(dá)到了節(jié)能效果。

    在水泵調(diào)速中常用的調(diào)速設(shè)備有兩種，一種是在電動(dòng)機(jī)和水泵之間加變速傳動(dòng)裝置，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，實(shí)現(xiàn)水泵的無(wú)級(jí)調(diào)速，主要有調(diào)速型液力耦合器和電磁轉(zhuǎn)差離合器兩種，另一種是改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，主要有串級(jí)調(diào)速和變頻調(diào)速。在變頻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力耦合調(diào)速等方式中，液力耦合器調(diào)速可無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大，但設(shè)備本身有能耗、效率低、占地面積大；電磁滑差離合器調(diào)速存在轉(zhuǎn)差損耗，低速運(yùn)行時(shí)損耗大、效率低，調(diào)速過(guò)程中電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)降低，產(chǎn)生高次諧波污染；串級(jí)調(diào)速調(diào)速范圍不大，有時(shí)需配合節(jié)流手段調(diào)節(jié)流量，增加損耗。變頻調(diào)速裝置的動(dòng)態(tài)跟蹤性能優(yōu)越，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，當(dāng)輸水流量變化或上下游水位不能適應(yīng)機(jī)組的高效運(yùn)行時(shí)，調(diào)速設(shè)備能動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行速度，使機(jī)組仍然運(yùn)行在高效區(qū)。

7 結(jié)語(yǔ)

    惠南莊泵站采用大型水泵配套大功率電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)，既滿(mǎn)足泵站大幅度流量調(diào)節(jié)的供水需求，同時(shí)又取得好的節(jié)能效果。變頻調(diào)速技術(shù)具有啟動(dòng)電流小、調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，因此，在水工業(yè)領(lǐng)域推廣采用變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)變工況運(yùn)行，提高運(yùn)行的靈活性、節(jié)能降耗具有重大意義。


參考文獻(xiàn)

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