浅析高压变频设备在大型多梯级提水泵站的应用

杨永春 彭 军

（宁夏盐环定扬水管理处，宁夏 吴忠 751100）

宁夏盐环定扬黄工程是国家 “八五”重点建设项目，是解决宁夏、甘肃、陕西部分地区革命老区人畜饮水问题、防治地方病和发展农业灌溉、改善生态环境、促进老区人民脱贫致富而兴建的一项民生工程。工程自青铜峡东干渠引水，设计流量11立方米/秒，总扬程651米，装机容量6.6万千瓦，建有梯级泵站12座。工程运行二十多年，设备老化、效率降低，安全隐患增多。2017年，工程在李克强总理的关怀下实施了泵站更新改造项目，泵站级数由12级合并为8级，工程改造利用了国内处于领先水平的机泵设备和自动化、信息化监控技术，建设成为了国内一流的现代化泵站。特别是在梯级泵站中安装了12台高压变频设备，改变了以往泵站级间供水生产模式，节能降耗效果明显，系统运行安全稳定，极大地提高了工程供水保障能力。

1 利用高压变频设备的必要性

盐环定扬黄工程属多梯级、高扬程提水工程，在供水期间，由于各梯级泵站机组运行工况不同，泵站之间输水流量普遍存在0.5m3/s左右的差异，虽经过叶轮车削等技术措施和调度管理手段，但泵站级间水量调节效果不佳，只能采取机组频繁开停方式进行解决。据统计，2014年至2016年，工程每年开停机组达2350次左右，平均每天开停机组16次。由于操作频繁导致电机绝缘强度降低，水泵机械故障增多，能耗增大，极大地缩短了设备的使用寿命，检修费用高。近几年，高压变频设备已被各行业广泛利用，通过变频设备调节水泵出水流量在理论上也较为成熟。但在黄河流域，针对高扬程、多梯级大型输水泵站利用高压变频设备的工程还较少，特别是在实践应用中成果还未得到有效体现，考虑在泵站建设中存在水泵选型计算参数的不确定性、多泥沙水质对过流部件的磨损程度的不确定性以及高扬程水泵的启动要求等综合分析，认为在盐环定扬黄工程通过变频设备的安装应用，对实现泵站经济、高效、安全运行意义重大。

2 高压变频机组工作原理

图1 变频器控制原理图

高压变频机组是应用高压变频器的变频调速技术，通过改变电源的频率来调整电机的转速，再通过电机的不同转速运行来改变水泵运行的工况，实现水泵的水量调节。

表1 各泵站变频机组频率与流量调节对照表

盐环定扬黄工程通过更新改造项目，分别在二至六泵站共五级泵站安装了高压变频装置12台，变频装置为电压源型，直接高-高输出结构，能直接输出10KV电压，电路采用拓扑结构，主要由输入变压器、功率单元和控制单元三大部分组成。采用功率单元相互串联的方式，可直接驱动交流电动机。

变频器控制原理：10KV高压电经真空接触器1KM、高压隔离开关1QS到高压变频装置，变频装置输出经高压隔离开关2QS、真空接触器2KM送至电动机，电动机变频运行；10KV高压电也可经真空断路器2QF直接起动电动机，电动机工频运行。1QS、2QS、1KM、2KM与2QF电气闭锁，保证任何时候不能同时合闸。隔离开关1QS、2QS作用是：隔离变频器以保证在工频进行时维护变频器，保证维护人员安全，非维护期两个隔离开关处于闭合状态。当变频器发生重故障时可以在2-3秒内切换至工频运行，满足系统对电机可靠运行的要求。

3 高压变频机组应用成果分析

（1）有效解决高扬程、长距离空管道离心泵启动运行的问题。

按照《泵站设计规范》中规定，对于中高扬程离心泵站需管道注水后，形成压力，才能实现关阀启动，应设充水系统，即对“空”的高压压力管道进行平压预充水。

盐环定扬黄工程泵站合并后，单级泵站扬程相对较高、压力输水管道也较长，扬程最高泵站为92米，压力管道最长达6.2公里。在实际过程过程中，不需专门设置压力管道预充水系统，而是通过优先启动变频机组对空管道缓慢注水，将所有泵组对应的压力管道全部充满后，满足其它离心泵的启动条件。根据泵站的流量需求调度，待机启动运行。

利用变频机组对压力管道充水原则：小流量缓充水。如果管道以等于满管流速0.3m/s或者更小的速度充水，将不会发生由水击造成的管道破坏，为了尽量减少管内剩余气体和避免发生水击，任何情况下充水速度不应超过0.6m/s。

（2）有效调节泵站之间的不平衡流量。

高压变频器的调频精度为 0.01Hz，可以从 0～50Hz的范围内进行平滑调节。但在实际调频运行中，频率低于一定的频率时水泵就不出水了，根据泵站不同扬程，以及泵组不同的运行方式等，变频机组频率可调节的范围也不同。

水泵在设计水位运行时，变频范围和流量调节大小与泵站扬程不同和机组运行方式有关。从以上分析看，对于变频机组，泵站扬程越低可调节频率范围越宽，单机一管比多机一管可调节频率范围宽。结合水泵高效区运行要求和机组振动情况，对变频机组的调频范围作了表1规定，保证机组在此频率间，水泵不偏离高效区运行，且机组运行平稳，可完全满足了级间泵站流量匹配的需要。

（3）节电、节能明显

盐环定扬黄工程变频机组的安装应用，使泵站实现了最大限度地节能运行。仅上半年同期相比，机组开停机次数 2018年（安装后）比 2017年（安装前）减幅达77%，系统总电量减少了860万度，能源单耗指标下降了 0.45Kw·h/kt·m，节约电费近 100万元。 同时，由于变频设备器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

（4）提高安全运行可靠性

变频设备可实现电动机的软启动，使电动机实现由工频到变频的无冲击切换，起动电流仅为额定电流的1.2～1.5倍，起动转矩为70%～120%额定转矩，电机在低频下的压频比系数进行电压和频率的输出，电机发热量低，电动机绝缘老化速度降低。且变频机组在出水管道也有效防止了水冲击、避免出水管道压力超限，管道破裂等现象发生，确保了工程的安全运行。

4 变频机组运行注意事项

由于变频设备内变压器及功率单元运行时要产生大量的热量，所以对变频器的运行环境和维护特别注意。

（1）经常检查室内温度、通风情况，注意室内温度不要超过40度。

（2）室内保持清洁，防止颗粒等杂物吸入柜体内。

（3）经常检查变频器是否有异响、异味，柜体是否发热。

（4）经常用一张A4纸检查变压器柜和单元柜进风风量（A4纸应能被过滤网牢牢吸住，如有问题及时排除)。

（5）投运一个月内，检查所有进出线电缆及功率单元连接电缆，若有松动，应将之紧固；以后每6个月定期检查紧固一遍，并用吸尘器将柜内灰尘清除干净。

（6）经常记录变频器运行情况（运行模式、电压、电流、速度、功率等），发生跳闸时，要记录下故障情况，查明原因后方可再次送电。

5 结束语

利用高压变频设备是当今泵站节约电能，改善生产工艺，提高泵站运行效率，改善运行环境的一种主要手段。盐环定扬黄共用工程梯级泵站多、扬程高，通过采用机组变频设备有效解决了泵站之间的水量不平衡问题，机组开停次数大幅减少，机组运行方式得到改善，能耗指标明显降低，值得在黄河流域高扬程多梯级泵站广泛推广应用。