南沟门水库取水泵站变频调速设计

李杰，孙军平

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

南沟门水库取水泵站变频调速设计

李杰，孙军平

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

运用数理分析的方法研究了南沟门水库北线供水工程浮船式取水泵站在设计取水的24m变幅范围内，不同站下取水位时变频器应输出多少频率的问题。得出站下水位与水泵配套电机运行频率之间存在一一对应的线性关系，在水库不同的蓄水位条件下又对以上理论计算成果进行多次测试，结果均满足设计要求。实现了变频调速理论与工程实际的紧密结合，方便了泵站工程运行过程中管理者的操作。

浮船式泵站；变频调速装置；水库水位

1 概况

南沟门北线供水工程共设2级加压泵站，两个供水方向累计总扬程分别为94 m及333 m，总装机功率4360 kW，工程总投资为10.9亿元。

工程一级泵站直接从南沟门水库取水，站址位于水库坝址上游约3.5 km处的葫芦河左岸。泵站取水范围为水库死水位至正常蓄水位824.00～848.00 m，水位变幅达24 m。根据工程特点，经经济技术比较，一级泵站采用浮船式取水方式。浮船长34.5 m、宽14 m，通过两根46 m长DN800旋臂钢管与岸边铰支墩联系，铰支墩后敷设长约28 m的2根DN800钢管输水至1#隧洞的进水竖井，然后由隧洞及其他输水建筑物将水输送至二级泵站。船内坞舱共安装4台单级双吸中开卧式离心泵，水泵机组呈一列式布置，3用1备。单机流量0.48 m3/s，泵站设计流量1.44 m3/s，设计净扬程4.74～28.74 m，设计扬程10.9～34.9 m。单机配套电机功率315 kW，泵站总装机功率1260 kW。因站下取水水位变幅达24 m，仅依靠水泵自身扬程调节范围已无法适应库水位变幅，为满足水库死水位至正常蓄水位之间水泵均能达到设计抽水流量，设计拟配套4台变频调速器采用一拖一变频运行。

2 变频调节原理

为满足用户对水量、水压的要求或者使水泵在高效区运行等目的，需要进行水泵的工作点调节。调节的方法较多，常用的有变阀调节、变速调节、变径调节、变压调节、变角调节及分流调节等。

本工程结合自身特点，采用变速调节的方式，即通过改变水泵转速来调节工作点。具体的做法为：为每套水泵电动机组配套一台变频器，变频器主要由整流（将工作频率固定不变的交流电变为直流）、逆变（由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波）、控制器（按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的和电网电压频率完全不同的交流电），根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。通过变频器调节电动机的转速，进而通过电机改变其所拖动的水泵的转速，从而改变水泵的流量、扬程，以达到改变水泵工作点的目的。

3 泵站变频调速运行设计

变速调节的理论如上节所述，结合本工程特点，如何让取水泵站能按照设计工况运行，并让运行管理人员能进行正确合理的操作，则需要设计者拿出一套可行且便于操作的流程。落实到本工程中，此问题即水库位于某一泵站运行区间水位时，如何保证泵站的抽水流量达到设计值，电机对应转速需要在哪一频率下运行。设计者需要经过一系列分析计算回答这一问题，并将分析得到的结论编入变频设备的控制程序，泵站才能按照设想达到设计工作点流量，发挥其应有的工程效益，并安全可靠的运行。

我们知道在抽水装置确定的情况下，管路损失曲线（Q—H需曲线）是一定的，此时通过改变水泵的转速，即可改变水泵特性曲线中的Q—H曲线，则两条曲线的交点，即水泵工作点的流量和扬程将随之改变。变频器给电动机输出一个频率，则电机会对应唯一一个转速，进而拖动水泵在这一特定转速下运行。

电机转速始终和电源的频率成线性关系：

式中，n为电机转速，r/min；f为频率，Hz，我国电流采用50 Hz；p为电机磁极对数（注意是磁极对数而非磁极的个数，如2极电机p=1）。

据此可知，对一台磁极对数确定的电机，其频率与转速为一一对应的关系。而对于本工程抽水过程中当工作的主水泵台数一定时，若想在南沟门水库的不同水位下均保持泵站的抽水流量均维持在特定的设计值，就需要通过变频来改变水泵的转速，此时任意一个水位对应一个泵站的净扬程，不同的扬程又对应一个特定的水泵转速，任意一个转速又对应一个特定的电机频率。通过计算，找到水位与变频器输出频率之间一一对应的一个函数关系。

南沟门北线供水工程一级取水泵站主水泵工作的设计工况为3台水泵并联运行，由2根输水干管输水。亦存在单泵运行，由2根输水干管输水；2泵并联运行，由2根输水干管输水；事故工况时，其中1根输水干管无法工作，3台泵并联运行，由1根输水干管输水等工况。根据同时工作的输水干管根数的不同可以将水泵的设计工况分为正常工况和事故工况两大类，通过泵站水力计算及其他相关计算，得出两类工况下该泵站变频运行的规律，总结如下：

3.1 正常工况（双出水母管输水）

站上水位为852.74 m；

站下水位为南沟门水库死水位824.0 m时，水泵为工频运行，转速为980 r/min，对应电机为额定频率50 Hz；

站下水位为848.0 m时，水泵为变频运行，转速为630 r/min，由式1经等比计算可得，对应电机频率为32.14 Hz；

由此经计算即可得到，库水位位于824.0 m～848.0 m之间时，频率与水位间存在如下线性函数关系：

式中，y为电机频率，Hz，位于[32.14,50]区间内；x为水位，m，位于[824,848]区间内。

表1 不同水位水泵运行工况点汇总（均为该工况1台泵参数）

将式（2）结果编入变频器控制程序，泵站在正常工况运行过程中，变频器就可以根据安装在水库的液位计反馈的水库实时水位来确定变频器的输出频率，以实现泵站在此水位下满足设计抽水流量运行。

3.2 事故工况（3泵并联单母管出水）

站上水位为852.74 m；库水位位于824.0 m～838.0 m之间时，水泵为工频运行，对应电机额定频率，为50Hz（其中库水位为838.0 m时，泵站抽水流量为1.44 m3/s）；站下水位为848.0 m时，水泵为变频运行，转速为858 r/min，由式1经等比计算可得，对应电机频率为43.78 Hz；由此经计算即可得到，库水位位于838.0 m～848.0 m之间时，频率与水位间存在如下线性关系：

y=50-0.622（x-838）（3）式中，y为电机频率，Hz，位于[43.78,50）区间内；x为水位，m，位于[838,848]区间内。

同样，将式3结果编入变频器控制程序，泵站在事故工况运行过程中，变频器就可以根据安装在水库的液位计反馈的水库实时水位来确定变频器的输出频率，以实现泵站在此水位下满足事故工况抽水流量运行。

设计者在为业主及变频器供应商提供以上结论的同时，还给业主运行管理单位提供了表1所示的库水位对应的水泵工作点及电机对应输出频率，作为泵站后续运行管理的参考。

4 泵站变频调速运行实践

2016年12月南沟门水库北线供水工程完成后，对泵站及输水线路进行了试通水运行，试通水时期间，水库蓄水位基本稳定在830 m高程，结合以上理论计算出变频器应该输出频为45.65 Hz，作为泵站变频器控制参数输入后，取水泵站启动运行一次成功、达到水泵设计工作点所需流量。后来在水库不同的蓄水位条件下又对以上理论计算成果进行了多次测试，均满足设计要求，因此本设计理论是成功的。

5 结语

引调水工程中由水库或河道取水的工程实例有很多，在水库或河道水位变幅较大，需设置泵站进行加压抽水时，可通过设置变频调速装置，实现在泵站设计运行水位区间内的任一水位均获得不变的取水流量或使水泵均在高效区范围内运行。本文以南沟门水库北线供水工程取水泵站为实例，研究了泵站在不同站下取水位与电机运行频率之间的对应关系。实现了变频调速理论与工程实际的紧密结合，方便了泵站工程后续运行过程中运行管理者的操作，也为后续其他相似工程提供了借鉴意义。

TV67

B

1673-9000（2017）04-0095-03

2017-04-10

李杰（1985-），男，河南滑县人，工程师，主要从事引调水及河道防洪设计工作。