变频变角双调轴流泵运行节能分析

李 娜，周龙才，侯国鑫(.中国灌溉排水发展中心，北京 00054；.武汉大学水利水电学院，武汉 4007；.湖南省洞庭湖水利工程建设管理局，长沙 40007)

0 引 言

水泵机组的工况调节是其适应运行条件改变，保证机组安全、高效运行的重要手段。然而，我国很多中小型排涝泵站安装的是叶片固定或半调节轴流泵机组，调节性能差，不能很好地适应运行扬程的变化。近年来，由于区域性水文条件变化、内湖面积减小、外河道淤积和大型水利工程修建等原因，导致泵站扬程变幅较大，且设计扬程与平均扬程偏离较多，虽然一些泵站更新改造后加大了水泵扬程，选用了全调节机组，但靠单一的变角调节很难实现机组在设计扬程和平均扬程下高效运行、在最高扬程和最低扬程下安全稳定运行。

近年来，随着一些先进的新型水泵机组运行工况调节设备(如内置式液压调节器[1]、大型凸极双速同步电机[2]、无刷双馈电机及其变频调速系统[3-5])的出现，使得轴流泵机组可方便地实现变速-变角的“双调”(水泵机组既能变速又能变角的调节技术)运行模式，尤其是变频调速的全调角轴流泵机组在排灌泵站中得到应用。“双调”机组可方便地实现运行工况优化调节，从而提高大中型灌溉泵站运行效率、降低泵站能源单耗，同时提高泵站运行的安全性和可靠性，保证泵站充分发挥效益[6]。

变频变角双调轴流泵可在一定范围内连续变速和调角，调节得当可获得较好的节能效果。本文建立数学模型变频变角双调轴流泵不同装置扬程下变速、调角运行方案，进而通过比较不同运行方案的最高装置效率随装置扬程变化曲线，分析了变频变角双调轴流泵运行节能效果。

1 “双调”机组特性

1.1 通用性能曲线

分析“双调”机组特性的前提是假定水泵变速后仍然满足水泵比例律[7]。同一台水泵在不同转速下运行时的流量、扬程、功率与转速之间的关系，根据比例律有：

(1)

式中：下标“1”、“2”分别表示二种不同转速所对应的性能参数。

有关试验表明：水泵转速的变化对容积效率和水力效率的影响不太大，而对机械效率影响较大。在应用比例律时，要注意转速的变化不能太大，通常转速的变化范围以增速不大于10%、降速不大于60%为宜。

对全调节轴(混)流泵机组，对已知额定转速下的通用性能曲线的纵横坐标按比例律进行变换，可得到变速后的通用性能曲线，如图1所示。由图1可看出，变速调节后全调节轴(混)流泵的性能范围得到极大拓宽，如果没有流量限制，则可在较宽的范围内选择装置效率最高的工作点运行。

图1 “双调”轴流泵性能曲线

1.2 装置效率曲线

1.2.1装置效率

装置效率是装置输出功率与输入功率的百分比。已建成的泵站可以通过现场测试，测出其流量、装置扬程、输入功率等参数后，按式(2)计算：

(2)

式中：ηsy为装置效率，%；P1为装置输入功率，kW；Q为机组流量，m3/s；Hsy为装置扬程，m，即进、出水池水位之差；ρ为水泵所输送液体的密度，kg/m3。

装置效率也可近似为电动机、水泵、传动装置、管路等项效率的乘积：

ηsy=ηmoηtrηpηpi

(3)

式中：ηmo为电动机效率，%；ηtr为传动装置效率，直联传动视为100%；ηp为水泵效率，%；ηpi为管路效率，%。

水泵效率ηp和管路效率ηpi通过水泵工作点求解。在水泵比例律适用范围内，当进行变速调节时，同一相似抛物线与不同装置扬程需要曲线(流道阻力参数S不变)相交获得的工作点的水泵效率ηp和管路效率ηpi不变。

一般中小型泵站采用异步电动机，运行中功率因数是变化的，其变化大小与负载大小有关，电动机空载运行时，定子绕组的电流基本上是产生旋转磁场的无功电流分量，功率因数很低。当电动机带上负载运行时，定子绕组电流中的有功电流分量增加，功率因数也随之提高，在额定负载下运行时，功率因数达到最大值。因此，当泵站扬程下降，轻载运行时，普通异步电动机效率会大为较低。

无刷双馈电机(BDFM)通过调节控制绕组电压可以调节功率绕组的功率因数，因此不存在一般异步电动机轻载时效率严重下降的问题[8]。无刷双馈电机损耗包括铜耗、铁耗和机械损耗，另外还需要在设计上对电机参数进行合理的设计，减少其中的高次谐波。本文进行对比计算时，考虑无刷双馈式电机按同步方式运行，近似按效率与转速呈线性关系考虑电机效率。

1.2.2装置效率曲线

定速全调节轴流泵在装置扬程Hsy确定的情况下，可以提供从最小叶片角度到最大叶片角度范围内的连续流量，不同工作点的叶片角度Qk，流量Qk与装置效率ηsyk之间有近似函数关系绘制ηsy随θ或Q的变化曲线，即得到轴流泵的装置效率特性曲线，如图2所示。

图2 轴流泵的装置效率特性曲线

采用插值法或拟合法求装置效率特性曲线求最大极值点，即可获得在装置扬程Hsy下按转速n运行时的最优叶片角度(或流量)和最佳装置效率η*sy,n。

1.2.3黄金分割法求水泵的最优转速

在装置扬程Hsy下，水泵按不同的转速n运行时，相应地有最大装置效率η*sy,n。一般，在变速范围内，近似函数关系式η*sy=f(n)，有唯一极值，可采用黄金分割法求水泵的最优转速。根据水泵机组的变速范围，在图3的横坐标上取nmin和nmax，这是寻求最优转速的搜索区间。另外确定搜索区间的两个黄金分割法转速点n1、n2：

(4)

根据上述求泵站效率的方法，求出η*sy,nmin、η*sy,nmax、η*sy,n1和η*sy,n2，然后比较缩小搜索区间：

(1)如果η*sy,n1>η*sy,n2，则消去nmin、n2之间的一段，即令n′min=n2，η′*sy,nmin=η*sy,n2，n′max=nmax，η′*sy,nmax=η*sy,nmax，n′2=n1，η*sy,n2=η*sy,n1，计算新的n′1和η′*sy,n1，然后重进进行比较。

(2)如果η*sy,n1<η*sy,n2，则消去n1、nmax之间的一段，即令n′max=n1，η′*sy,nmax=η*sy,n1，n′min=nmin，η′*sy,nmin=η*sy,nmin，n′1=n2，η′*sy,n1=η*sy,n2，计算新的n′2和η′*sy,n2，然后重进进行比较。

(3)继续下去不断缩小搜索区间，当两点的两个黄金分割法转速之差小于等于某一允许误差时，即可认为该转速为泵站效率最高所对应的水泵转速。

对定速全调节轴(混)流泵，当无流量约束时，在某一装置扬程Hsy下，按装置效率最高求得Q～ηsy随曲线的极佳点，即可得到最高装置效率值ηsy.max和相应的最优叶片角度。

图3 区间分割法求最优转速

1.2.4最高装置效率随装置扬程变化的曲线

按上述方法，在不同的装置扬程Hsy下进行优化，可绘制变频变角双调的最高装置效率随装置扬程变化的曲线，将变频变角“双调”运行时的最高装置效率随装置扬程变化曲线与不变速运行时的最高装置效率随装置扬程变化曲线的对比，即可获得“双调”机组相对于非“双调”机组的节能效果。

2 实例分析

某排涝泵站原4台安装900ZLQ-85型立式轴流泵，额定转速585 rpm，水泵设计流量3.15 m3/s，设计扬程6.97 m，水泵性能曲线如图4所示。配用6 kV YR450-10高压异步电动机，电机额定效率95%。后一台机组改为配套BDFM-355-6-0.38无刷双馈交流异步电动机及其变频调速系统，变频后电机的转速为500～630 rpm，变频电机效率按85%～95%考虑。

白丽筠握着小银匙，像握着一把匕首，说，那个季经理垂涎于我已经很久了。他是李老板介绍我认识的，可是我一直没有答应他的非分要求，顶多只让他在酒桌下面踩一下脚尖，摸一下大腿什么的。

图4 900ZLQ(B)-70型轴流泵性能曲线

通过数据计算，得到该机组的不同装置扬程Hsy下最高装置效率。为进行对比分析，将变频变角机组双调运行和不变速机组的变角运行、不变角运行(设按0°运行)等3种运行方案下最高装置效率随装置扬程的变化曲线绘在一起，如图5所示。图6进一步给出了双调机组相对于非双调机组的装置效率增加值随Hsy的变化曲线。可以看出：

图5 不同装置扬程下最高装置效率变化曲线

图6 双调机组相对于不调机组效率增加值

(1)当不采用变频电机，仅按对全调节轴流泵进行调角优化时，Hsy=7.0 m时机组达到最大装置效率67.81%，Hsy偏离7.0 m后装置效率下降。当Hsy<3.7 m时，装置效率低于55%；当Hsy<3.1 m时，装置效率低于50%；Hsy继续减小时，因水泵效率和管路效率加快下降，装置效率急剧下降。

(2)当采用变频变角双调机组时，Hsy=7.0 m时机组达到最大装置效率67.81%。在较宽的装置扬程范围内，机组具有较高的装置效率，如当3.1 m60%；当2.5 m55%。变频变角双调机组不仅提高了装置效率，而且因转速增加，使得可以运行的装置扬程由8.8 m提高到10 m。

(3)双调运行相对于不变速运行，装置效率有显著提高。如相对于不变速机组的变角运行，在非设计工况下Hsy<5 m时，通过合理的变频调角，可以提高装置效率2.6%～11.33%；相对于不变速机组的不变角运行，在非设计工况下Hsy<5 m，可以提高装置效率6.7%～16.33%。

(4)为进一步进行双调节运行的节能分析，图7给出了3种运行方案下的不同装置扬程下单位能耗变化曲线，图8给出了双调机组相对于非双调机组的单位能耗减小值随Hsy的变化曲线。不调节运行的单位能耗明显高于调角运行和双调运行。在设计工况6.0 m

图7 不同装置扬程下单位能耗变化曲线

图8 双调机组相对于不调机组单位能耗减小值

3 结 语

(1)随着先进的新型水泵机组运行工况调节设备的出现，在中小型泵站中的排涝泵站，推广新型变频变角双调节机组变频调速电机结合的双调机组，对拓宽泵的性能使用范围，确保机组的安全和经济运行，具有重要的现实意义。本文分析了变频变角双调轴流泵运行节能效果，结果表明，对所研究的机组，双调运行相对于不调节的运行，在非设计工况下Hsy<5 m，可以提高装置效率6.7%～16.33%，降低单位能耗2.34～5.80 kWh/kt。

(2)文中分析的双调节机组为无刷双馈式异步电机(BDFM)配套全调节轴流泵。鉴于国内的无刷双馈电机的应用尚处于试点阶段，其与水泵配套时的本身效率分析还测试尚未见公开资料或报道，本文采用了电机效率随转速线性变化假定，这一假定可能使节能分析存在误差，但即使是无刷双馈电机的效率下降到与轻载的异步电机一样，由于变速后可保证较高的水泵效率和管道效率，双调节运行也具有较好的节能效果。

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[1] 黄 诚．新型大型水泵叶片可调机组内置式液压调节器[J]．中国水利，2010 ,(12)，68．

[2] 梁湘燕，陈 坚，朱泽堂，等．双速凸极同步电动机研究及其在泵站中的应用[J]．科技创新与应用，2013,(8)：8-9．

[3] 王雪帆．绕线转子无刷双馈电机空载电流分析[J]．华中科技大学学报(自然科学版)，2014,42(10):79-82．

[4] 张爱玲，熊光煜，刘振富，等．无刷双馈电机能量传递关系和功率因数特性的实验研究[J]．中国电机工程学报，2011,(6)：92-97．

[5] 李端明，许建中，李 娜．泵站节能技术的研究与推广应用[J]．中国农村水利水电，2011,(10)：160-161．

[6] 周龙才，李 娜．大型泵站双调机组的工况调节优化计算[J]．水电能源科学，2014,32(5)：144-146．

[7] 冯卫民，于永海．水泵及水泵站[M]．5版. 北京：中国水利水电出版社，2016.

[8] 汤海梅．提高无刷双馈电机效率的方法和途径[J]. 天津职业院校联合学报，2009,11(2)：6-8．