宋强 苏阳
摘 要:“南水北调”泵站是复杂的水力系统,其运行经济性不仅依赖于主机效率,同时还取决于运行方式。文章从韩庄泵站灯泡式贯流泵运行方式出发,建立了水泵运行边界条件,根据运行记录所采集的参数值,建立了一种新的调节水泵效率的数学模型,这不仅为水泵机组的效率提供了基准,而且为系统优化运行奠定了基础。通过计算各种工况下水泵机组的效率、分析各参数与水泵机组效率的关系以及采用不同运行方式对水泵机组经济性的影响进行分析,对“南水北调”泵站最优经济运行有一定的指导意义。
关键词:“南水北调”;水泵;控制
1 “南水北调”韩庄泵站简介
“南水北调”调水量的逐年增加,泵站的经济运行不仅依赖于机组本身,而且还依赖于机组运行方式。除了要求机组在额定工况下有较高的经济性外,还要求机组适应不同水位条件下的运行方式。根据调查,目前国内泵站机组普遍存在着运行工况偏离最佳工况点、耗电大、效率低等问题,因此提高水泵机组效率和运行经济性是“南水北调”节能工作的重要任务之一。
在我国的大型泵站中,“南水北调”韩庄泵站卧式贯流水泵效率普遍高于其他泵站,主要得益于采用永磁同步电机变频调速运行,具有明显的运行经济性。虽然人们很注重主机的性能,但对主机组运行效率和经济性了解不多、重视不够,对于其运行方式的经济性的认识缺乏一定的深度。在实际运行中测量水泵机组的效率是诊断和提高水泵机组运行经济性的首要课题。通过这种方式,提高了水泵机组的效率,降低了水泵机组的耗功,减少了站用电,提高了整个泵站的经济性。所以,对水泵机组运行方式的分析不仅是韩庄泵站现在要研究的课题,对“南水北调”泵站机组的经济性的提高也具有相当重要的意义。
2 主要研究内容
本课题选取“南水北调”韩庄泵站作为主要研究对象,重点研究水泵主机组的效率计算、运行特性及经济性,同时对水泵机组不同工况下的效率变化以及运行方式等作一定的研究。
3 控制与调节的整体要求
根据韩庄泵站自动化系统集成设计要求,系统对水泵机组的控制与调节有3种方式。
3.1 经济转速运行
在保证机组运行安全、避免机组运行在气蚀和振动区域的前提下,系统根据上下游水位及泵组运行效率曲线,编制优化运行程序,根据建立的机组最佳运行数学模型,自动确定和调节电机转速。优化运行程序对每台参与经济运行的机组发出调整电机转速的指令,作闭环自动控制运行。运行人员能够根据需要使机组在最佳运行工况下运行,降低能耗,实现机组的经济运行。参与经济运行的机组可由人工设定,计算机应能自动区分并标识出各台机组是否参与了经济运行,并对其做出不同的处理。
3.2 额定转速运行与设定转速运行
(1)额定转速运行,根据水量调度要求,在需要时将机组设定在额定转速下,实现最大出水量运行。
(2)设定转速运行,运行人员利用鼠标或键盘,根据当前的运行情况和调度指令,对机组的运行转速进行控制,进而实现所需要的瞬时流量,进行开环控制操作和调度。
4 控制与调节具体方案
下面分别对经济转速运行、额定转速运行、设定转速运行3种运行方式的实现进行详细阐述。
4.1 额定转速运行
额定转速运行,即电机工作于额定转速点,此时水泵机组流量最大。在此工况下,变频器输出频率F=50 Hz。
4.2 经济转速运行
经济转速运行,即电机工作于最高效率点。根据韩庄泵站水泵机组性能曲线,对应于任一水位,水泵機组最高效率曲线上总有一个确定的转速(或频率)。只要向电机下达这一转速指令,电机就会工作于最高效率点上。在经济转速运行工况下,变频器输出频率的数学模型的推导与计算参见论文《水泵性能曲线方程研究》,以下为详细的数学模型:
变频器输出频率范围2.5~50 Hz。
当静扬程0≤H<3.75 m时,变频器输出频率为:
F=0.4×{SQRT[720.66+(H+0.35)÷0.000 224]-7} (1)
F—变频器输出频率,Hz;计算结果小数点后保留一位数字,采用去尾数法。
SQRT—算术平方根计算式;H—当前水泵进出口水位差,即静扬程,m。
以上数学模型校核计算结果如表1所示。
当静扬程为3.75 m≤H≤4.15 m时,变频器输出频率F=50 Hz。
当静扬程为4.15 m 上述变频器频率数学模型的推导过程,详见附文《水泵运行高效点计算》。设定转速运行,电机的转速由操作员在系统监控画面中手动输入,不断调整直至达到调度要求的瞬时流量,并按照该转速始终运行,直至接收到下一个调度指令。要求输入的频率数值应该在2.5~50 Hz范围内。 5 在操作员工作站中的实现 在监控系统“开、停机流程画面”或“机组剖面”画面中,建立3个命令按钮,实现3个功能:额定转速运行、经济转速运行、设定转速运行。机组运行状态的定义如表2所示。 在监控系统中,根据各台机组的当前转速区分出运行状态,并且在单台机组运行监控画面(机组剖面)中标识出该运行状态。 当机组处于经济转速运行时,每隔10 min自动检查水泵进出口水位差,重新计算并调整机组的经济转速。
需要注意:上下游水位差等于設计净扬程时,点击“经济转速运行”按钮进行机组调节,机组应恰好处于额定转速运行。
6 结语
本文围绕韩庄泵站自动化控制与调节研究这一课题着重分析了机组运行效率问题。无论是在额定转速还是其他转速情况下,首先,针对整个机组的运行变化,在水位与转速确定的前提下,提出了一种效率的计算方法,能够使主机组在运行过程中根据各个测点的数据来计算出此时工况下的效率,不仅为水泵机组效率监测提供了基准,而且为系统优化运行奠定了基础。其次,针对韩庄泵站的水泵特点、水泵运行特性曲线以及在3种运行方式下运行参数、水位、流量、转速的确定等方面进行了理论分析计算。最后,对经济运行方式进行了分析和理论计算。
通过上面的分析,总结出以下结论:本文提出了一种新的变速调节水泵机组的数学模型,此方法不限于泵体本身,而是从整个机组运行方式出发,运用泵的性能曲线来确定水泵的各参数值。在计算水泵机组效率时,考虑水位的变化,再根据流量及转速等其他参数推导出其效率。经过实测数据的计算,得出的结果与原设计值基本吻合,适用于现场的快捷计算,具有一定的通用性。
机组在不同工况运行时,水泵机组的经济性不仅随着水位、转速的变化而变化,也因为运行方式的改变而有所不同。
在今后的泵站发展中,水泵机组的效率是要不断提高的,对于机组运行不同工况运行方式的研究也应该进一步加深,使整个水泵机组效率和经济性进一步得到提高。
Abstract:The pumping station of South-to-North Water transfer Project is a complex hydraulic system, and its operation economy depends not only on the efficiency of the main engine, but also on the operation mode. Based on the operation mode of bubble tubular pump in Hanzhuang pumping station, the boundary conditions of pump operation are established. According to the parameters collected from the operation records, a new mathematical model for regulating pump efficiency is established, which not only provides the benchmark for the efficiency of pump unit, but also provides the basis for the optimal operation of the system. By calculating the efficiency of the pump unit under various working conditions, the relationship between the parameters and the efficiency of the pump unit is analyzed, as well as the influence of different operation modes on the economy of the pump unit, and the influence on the economy of the pump unit. The optimal economic operation of water transfer pump station has certain guiding significance.
Key words:“South-to-North Water Transfer”; water pump; control