摘要：惠南莊泵站工程配套大型異步電動機變頻驅(qū)動，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，合理配置設(shè)備，使泵站運行安全可靠，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)工程是為解決我國北方水資源嚴(yán)重短缺，生態(tài)環(huán)境惡化的一項具有重大戰(zhàn)略意義的特大型基礎(chǔ)設(shè)施, 中線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的優(yōu)質(zhì)水安全、可靠的從河北境內(nèi)輸送到終點團城湖。工程的實施對徹底解決北京水資源短缺問題，提高城市供水保證率，改善北京水環(huán)境，促進北京社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。同時，該工程實施過程中，充分運用自動控制技術(shù)，成功實現(xiàn)了預(yù)計的節(jié)能目標(biāo)。

1 工程概況

    南水北調(diào)中線工程北京段采用全線管涵加壓輸水，渠首設(shè)計流量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)，管線長度約56.4km。設(shè)計流速2.39m/s，沿線設(shè)5處分水口。泵站輸水流量Q≤20m ³/s時，加壓輸水段全線自流，流量Q＞20m ³/s時，啟動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團城湖，全長約80km。

    惠南莊泵站是南水北調(diào)中線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)計流量60m ³/s，共安裝8臺臥式單級雙吸離心泵（2臺備用），水泵設(shè)計揚程為58.2m，單泵流量為10m ³/s，單機配套功率7300kW，總裝機容量58.4MW。

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

2 調(diào)速運行的必要性分析

    (1) 供水系統(tǒng)主要特點

    泵站輸水流量變幅20～60m ³/s，水泵需要調(diào)節(jié)運行；泵站起點至終點地形高程差小，幾何揚程小，水泵的揚程主要取決于壓力管道輸水的水力損失；沿線共設(shè)5處分水口，系統(tǒng)揚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40m ³/s流量的運行幾率較高。

    （3）泵站流量~揚程變化

    泵站在各種工況下運行水泵揚程隨流量不同將產(chǎn)生變化，當(dāng)泵站流量在20～60m ³/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時，單管20～30m ³/s變化時，設(shè)計揚程變幅26.52～58.20 m達2.2倍；另外，根據(jù)加壓段沿線5 處分水口用戶需水的不同，組合不同的分水流量，最大分流14.2m ³/s，雙管分流系統(tǒng)揚程最大降低約12m，單管分流系統(tǒng)揚程最大降低約18m。為適應(yīng)流量揚程變幅，采用水泵調(diào)速運行十分必要。該泵站設(shè)計揚程58.2m，其中凈揚程1.17m，水泵揚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，同一臺水泵有，， ，當(dāng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速時，其流量、揚程、軸功率等隨之變化，而轉(zhuǎn)速在一定范圍變化時，其水泵效率變化不大，因此可通過改變水泵轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，使機組運行在高效區(qū)，以保證工程的安全性、經(jīng)濟性。

    該泵站在如此大的流量~揚程變幅下運行，水泵機組配置大功率變頻裝置，泵站的設(shè)計和機電設(shè)備配置著眼于國內(nèi)外的先進技術(shù)和設(shè)備。

    （1）水泵

    泵站設(shè)計流量為 60m ³/s， 安裝8臺臥式單級雙吸離心泵（2臺備用），單泵流量為10m ³/s，設(shè)計揚程58.20m，設(shè)計轉(zhuǎn)速375 r/min。

    （2）電動機

    根據(jù)水泵運行最大軸功率進行電動機配套功率選擇。運行工況最大軸功率為6560kW，考慮一定的儲備量，電動機功率取7300kW，轉(zhuǎn)速為375r/min。

    型式比選：① 同步電動機：效率高（>96%），比相同容量的異步電動機約高一個百分點，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，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，不受電網(wǎng)電壓的影響，但同步電動機較異步電動機一次性投資大。② 異步電動機：與同步電動機相比，其效率略低（≤96%），功率因數(shù)低（0.85～0.88），會消耗大量無功，在小負(fù)荷情況下較為突出，影響電網(wǎng)品質(zhì)，須增設(shè)無功補償裝置。

    惠南莊泵站水泵由變頻器驅(qū)動電動機而構(gòu)成的變速驅(qū)動系統(tǒng)，因此，可抑制異步電動機的劣勢，而突出其優(yōu)點，選定異步電動機。

    （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機。現(xiàn)代PWM控制型變頻器克服了上述的缺點，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)，不必增加無功補償裝置，因此改善了LCI型變頻器對電網(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)動異步電動機，而LCI型變頻器必須配同步電動機，這也是電壓源型變頻器的優(yōu)勢。

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

    變頻器的型式采用半導(dǎo)體器件、PWM控制、實現(xiàn)交-直-交頻率變換、靜止型中壓變頻器。整流器使用IGCT開關(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，逆變單元采用PWM控制技術(shù)，使變頻器輸出端流入電動機的電流接近正弦波，減少諧波對電動機以及通過空間對其他設(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，泵站采用異步電動機，PWM型變頻驅(qū)動。

    （4）電動機/變頻裝置主要參數(shù)

    電動機：臥式鼠籠型變頻異步電動機，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 泵站運行及流量調(diào)節(jié)

    泵站的運行需要滿足各種運行工況，在保證機組安全、平穩(wěn)運行的前提下，以泵站節(jié)能為目標(biāo)組合運行方式。變頻裝置臺數(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)濟性及運行的合理性進行分析。 

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

    圖1   3臺泵并聯(lián)運行

    （2）為達到進一步調(diào)節(jié)小流量要求，需采用2臺水泵并聯(lián)調(diào)速運行見圖2所示。水泵運行效率略降低，但運行區(qū)域內(nèi)靠近最低幾何揚程的效率仍在85%范圍內(nèi)。水泵在70%額定轉(zhuǎn)速時的流量調(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，此時泵的效率仍在較優(yōu)效率區(qū)內(nèi)，汽蝕性能滿足設(shè)計要求。

    圖2   2臺泵并聯(lián)運行

    （3）8臺泵每4臺（含1臺備用）一組并聯(lián)供一根輸水管運行，按減少1~2臺變頻裝置進行匹配，由于定速泵的運行限制了調(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，有些流量段將無法實現(xiàn)，且配套電動機功率需加大到8000kW，水泵安裝高程需降低5.0~5.5m，機電設(shè)備及土建投資加大，方案不合理。通過對水泵運行工況分析，若減少變頻裝置數(shù)量，由于水泵性能的限制，無法實現(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)、高效運行。

5 節(jié)能分析    

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

    水泵軸功率：；調(diào)速運行時計算某一頻率下的供水耗電量：噸水耗電=累計耗電/累計流量；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)此三式進行能耗計算，按日供水216萬m ³，單管25m ³/s運行24小時與單管30m ³/s運行20小時運行比較，單管輸水25m ³/s采用3臺泵調(diào)速運行與單管輸水30m ³/s采用3臺泵工頻運行比較，調(diào)速運行理論上節(jié)電達30%。待工程正式投入運行可根據(jù)機組實測值進行檢驗。

    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)速變化相對于流量變化更顯著，且調(diào)速運行使水泵在較高效率點運行，在流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)水泵調(diào)速運行降低能耗，改善了設(shè)備運行工況，延長了設(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)濟效益。

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

    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，大規(guī)模供水的特點；另一方面是工程項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滿足流量或水位變化，機組臺數(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，此方法雖然簡單，極不節(jié)能，且設(shè)備易損。針對此兩種情況，通過改變水泵轉(zhuǎn)速實現(xiàn)調(diào)節(jié)，克服了對工程的不利影響，其優(yōu)點是水泵臺數(shù)少，水量調(diào)節(jié)靈活性大，節(jié)電效果好，但變頻裝置價格是制約工程采用的條件，有些項目只能部分配套，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)合及國產(chǎn)大功率變頻裝置的發(fā)展，變頻設(shè)備價格越來越趨于合理。

    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)機風(fēng)量調(diào)節(jié)，提升泵房的潛水泵和脫水離心機用于軟啟動；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)合工程實際，在滿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 

    我國目前中、高壓大功率調(diào)速電動機已廣泛應(yīng)用于供水行業(yè)的大中型抽水泵站，在一定范圍內(nèi)控制機組的抽水量、水壓，高效運行，達到了節(jié)能效果。

    在水泵調(diào)速中常用的調(diào)速設(shè)備有兩種，一種是在電動機和水泵之間加變速傳動裝置，電動機轉(zhuǎn)速不變，實現(xiàn)水泵的無級調(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，另一種是改變電動機的轉(zhuǎn)速，主要有串級調(diào)速和變頻調(diào)速。在變頻調(diào)速、串級調(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)速可無級調(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，低速運行時損耗大、效率低，調(diào)速過程中電動機功率因數(shù)降低，產(chǎn)生高次諧波污染；串級調(diào)速調(diào)速范圍不大，有時需配合節(jié)流手段調(diào)節(jié)流量，增加損耗。變頻調(diào)速裝置的動態(tài)跟蹤性能優(yōu)越，可實現(xiàn)無級調(diào)速，當(dāng)輸水流量變化或上下游水位不能適應(yīng)機組的高效運行時，調(diào)速設(shè)備能動態(tài)調(diào)整機組的運行速度，使機組仍然運行在高效區(qū)。

7 結(jié)語

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


參考文獻

[1]  丘傳忻. 泵站節(jié)能技術(shù)[M]. 北京: 水利電力出版社，1985.

[2]  張選正，顧紅兵. 中高壓變頻器應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2007.

[3]  馬小亮. 大功率風(fēng)機、泵節(jié)能調(diào)速發(fā)展方向探討[J]. 電氣傳動，1999(1).