牛栏江-滇池补水工程高扬程大型离心水泵调节方式

郭 建 平

（云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650051）

前言

离心泵在运行中工况点偏离高效区或水泵的流量、扬程不能满足需要，需通过改变水泵性能或改变需要管道特性曲线来移动工况点，使其符合要求。常用的调节方法有变速调节、节流调节等措施。

牛栏江—滇池补水工程是一项改善滇池水环境外流域调水重点工程，工程多年平均设计输水量为5.72亿m3，引水、输水系统设计流量为23m3/s，多年平均年运行时间6910h。该工程由德泽水库、干河泵站、输水线路三大枢纽工程组成，输水线路自泵站出水池经 115.7km地下输水建筑物自流至昆明滇池。

干河泵站位于水库上游，泵站装机总容量为90MW，设计提水流量23m3/s，装置4台单机设计流量 7.67m3/s、容量 22.5MW 的高扬程大功率离心泵组；按照需水过程要求，存在着3台并联运行、2台并联运行、单台运行的可能性。

干河泵站为库内取水，地下式厂房，水泵扬程187.4～233.3m，扬程变幅约 46m，由于受长距离输水线路设计流量限制，如果水泵不采取任何调节措施，水泵在低扬程段的流量及空化特性均无法满足本工程运行要求。本文从牛栏江-滇池补水工程用水及泵站运行工况出发，以 A1054离心泵叶轮作为对象叶轮，重点论述水泵调节方式选择及调节特性，提出了本工程水泵在不同运行工况的变速范围。

1 水泵主要参数

台数 4台（3工作1备用）

水泵型式 单吸单级立式离心泵

比转速 106

设计流量 7.67m3/s

设计扬程 219.3m

扬程范围 187.4m～233.3m

最优效率 93.1%

水泵安装高程 1725.0m

额定转速 600r/min

A1054原型水泵特性见表1。

2 水泵调节方式

水泵的调节可以通过采取节流、变频调速等方式。节流调节方式是在水泵压水管上设流量调节阀，通过改变管道特性使水泵机组在低于设计扬程时能使水泵运行工况点左移，改善水泵的空蚀性能，防止水泵出水池出现大量溢流情况。但调节阀进行流量调节时容易产生压力脉动或水击，机组间的配合运行控制非常困难，且管路系统水力损失大大增加，对于大容量泵站显然不符合节能降耗要求。

变频调节方式是通过调节电机转速，从而改变了水泵特性（如出口压力等）和运行工况点，确保水泵在水库高水位低扬程段能稳定运行在高效率区，避开高空化区，最终实现工程供水要求。

变频调节方案虽然设备投资高，但由于其调节方式满足泵站设备安全稳定运行，且技术成熟可靠，成功运行业绩多，节能降耗优势明显等优点，已成为大型泵站广泛采用的调节方式。

3 水泵变频调节后运行特性

以 A1054原型水泵、单机运行的设计工况（设计扬程 219.3m、设计流量 7.67m3/s）为基点，按以下 4个方案进行水泵变速运行特性分析，如图 1所示。

表1 A1054原型水泵特性数据表

图1 A1054水泵调速后运行特性

方案一：增速＋降速运行（最高扬程 233.3m～最低扬程185.5m之间水泵均可抽水7.67m3/s），变速比（n/nr）为101.67～89.83%；方案二：降速运行1（设计扬程 219.3m～最低扬程 185.5m之间水泵均可抽水流量 7.67m3/s），变速比（n/nr）为 99.17～92.83%；方案三：降速运行2(扬程211m～最低扬程185.5m之间水泵均可抽水流量 8.0m3/s)，变速比（n/nr）为98.5%～93.83%；方案四：降速运行3（最高扬程 233.3m～最低扬程 185.5m之间水泵均可实现抽水流量 6m3/s），变速比（n/nr）为 98.83%～89.0%；不同转速方案水泵技术参数对比见表2。

4 变频调节范围选择

从图1及表2可以看出：

（1）在设计扬程219.3m～最大扬程233.3m的扬程区间，若使水泵均能实现按7.67m3/s流量运行，水泵要求的最大转速为102%倍额定转速，增速后水泵在最高扬程下的运行效率提高 1.3%，且增速运行要求的必需临界空化余量下降（由不变速的 19.6m降低至 15.02m），水泵运行的空化裕度提高，对水泵的增速运行有利。

（2）在设计扬程219.3m～最小扬程185.5m的扬程区间，若使水泵均能实现按7.67m3/s、8m3/s流量运行，水泵要求的最小转速分别为92.83%、93.83%倍额定转速，降速后水泵的运行效率接近最高效率，且降速运行要求的必需空化余量降低，水泵运行的空化裕度增加，对水泵的运行有利。

（3）水泵可在设计扬程 219.3m～最小扬程185.5m的全扬程区间通过降速实现6m3/s流量运行，水泵要求的最小转速为 89%倍额定转速，降速运行要求的必需空化余量降低，水泵运行的空化裕度增加，但最高扬程下（相应 3台水泵同时运行）降速至6m3/s流量运行时，水泵要求的NPSH值增大，按水泵安装高程1725m考虑，水泵在空化条件下运行，建议水泵在最高扬程下不作降速运行。水泵降速至6m3/s流量的运行效率下降达3.25%～1.5%，设计扬程下的下降幅度最大。

表2 不同转速方案水泵性能对比表

（4）在最大扬程下水泵增速至7.67m3/s、8m3/s流量运行时水泵运行效率提高，空化裕度及运行稳定性改善，水泵在最高扬程下可增速至额定流量附近运行，建议配套变频器的频率调节范围预留不少于＋3%的频率调节裕量。

（5）水泵采用变频调速运行时，7.0～8m3/s的工作流量区间为高效率区间，水泵空化性能良好，运行时宜优先考虑。水泵流量调节的下限不宜低于6m3/s，在低扬程区间水泵的流量调节上限可在 8.5～9.0m3/s之间。

5 结论

（1）根据 A1054模型水泵试验结果，水泵在最小扬程区间（195～185.5m）运行时，水泵流量超出设计流量甚多，如果不采取调节措施，无法实现水泵在最小扬程区间的无空化运行，且水泵的工作流量明显过大，难以实现供水流量（供水量）与隧洞过流能力的兼顾。为满足工程供水量的要求，并保证输水隧洞的安全，水泵需采取变频调速装置进行流量调节。

（2）从水泵在运行扬程区间内的空化性能分析，水泵安装高程选择1725m是可行的。水泵可在设计扬程 219.3m～最小扬程 185.5m的扬程区间通过降速至6m3/s流量运行，但最高扬程下降速至6m3/s流量时水泵在空化条件下运行，建议在最高扬程下水泵不作降速运行。在最大扬程下水泵增速至7.67m3/s、8m3/s流量运行时水泵运行效率提高，空化裕度及运行稳定性改善，实际运行时可予以考虑，建议配套变频器的频率调节范围预留不少于＋3%的频率调节裕量。

（3）水泵采用变频调速运行时，7.0～8m3/s的工作流量区间为高效率区间，水泵空化性能良好，运行时宜优先考虑。水泵流量调节的下限不宜低于6m3/s；在最大扬程下水泵可增速至7.67m3/s流量运行；在低扬程区间水泵的流量调节上限可在8.5～9.0m3/s之间。

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