浅谈库区泵站水泵电机电压选择对技术、经济指标分析的影响

郭秀勇，李花珍

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

在库区泵站设计过程中，水泵电机电压等级的选择，对泵站工程的各项指标都有很大影响[1]，因此通过某水电站库区新县城供水工程的一个取水泵站设计实例，对水厂取水泵站水泵配套电机选型提出切实有效的理论与工程实践相结合的比较方法。

1 工程概况

某水电站库区某县城新址规划人口38 406人，为满足其供水需求，新建县城新址水厂，该水厂设计规模为20 000 m3/d，水源为水库水，水库原水经取水泵站提升后，由1根DN500的输送流体用无缝钢管输送至净水厂净化处理[2，3]。设置水泵站最低运行水位为375 m，最高运行水位为380.47 m，出水口特征水位为577.35 m，水泵工作最高净扬程为202.35 m，净扬程为197.35 m，最低净扬程为196.88 m，输水管管材采用输送流体用无缝钢管，拟定管径DN500。

1.1 水泵选型原则

水泵选型的主要依据是所需的流量、扬程以及变化规律。应该遵循以下原则：第一，在满足最大工况要求的条件下，全面顾及用水量变化；第二，合理利用水泵高效段，使水泵在较宽的流量范围内运行；第三，选择的水泵在长期运行中，设计常水位条件下效率最高，运行费用最少；第四，尽可能选用同型号水泵，使型号整齐，互为备用。

1.2 水泵选型

根据两种离心泵性能曲线对水泵在各运行工况下的扬程和流量进行试算，方案一和方案二计算成果分别如表1和表2所示。

经水力计算，两种方案所选水泵在各种水位情况下均能满足供水要求，且在高效区内运行。

2 水泵配套电机的选型

2.1 水泵配套电机选型原则

水泵配套电机的选择主要考虑以下两点：第一，满足水泵所需求的最大功率、转矩和转速的要求。电动机的额定功率要稍大于水泵的设计轴功率，驱动转矩要大于水泵的启动转矩，转速应和水泵的设计转速基本一致；第二，满足投资少、效率高和运行方便的要求。

表1 方案一在各运行工况下扬程和流量计算成果表

表2 方案二在各运行工况下扬程和流量计算成果表

2.2 水泵配套电机容量的选择

按泵站设计参数并考虑一定容量储备来选配电机容量，水泵机组配套电机容量计算公式为：

式中：

N——电机容量，kW；

k——容量储备系数，取1.10；

γ——水的容重，kN/m3；

Q——设计流量，m3/s；

H——设计扬程，本工程初估为209 m；

η——设计点水泵效率，初算取75 %；

η传——传动效率，水泵电机采用直联式时取1，取0.94。

方案（一）中200SLD280-100-2离心泵实际所需的电机输出功率，根据公式（1）求得结果为：

方案（二）的250SLD450-60-3离心泵实际所需的电机输出功率，根据公式（1）求得结果为：

根据计算所需电机容量，并结合电动机容量宜选标准系列的要求，参照电网对用户供电的一般经验：用户用电设备容量在250 kW至350 kW之间时，供电电压等级可采用0.4 kV或10 kV电压等级；方案（一）中，水泵配用电机功率按250 kW进行设计，采用低压电机；方案（二）中，水泵配用电机功率按355 kW进行设计，采用高压电机。

3 水泵电机电压选择方案比较

通过上述对县城新址水厂取水泵站水泵和水泵配套电机的容量分析，水泵电机可分别按照250 kW的低压电机和355 kW的高压电机两种功率进行配备，通过对高、低压电机方案的技术、经济指标的分析，来比较两个方案的适用性。

因工程处于库区新建县城，暂时无法提供两回独立的外部10 kV电源，为保证对县城水厂供水的稳定性和可靠性，工程暂定：选用低压电机时，考虑采用10 kV单电源加备用发电机的配电方案；选用高压电机时，考虑采用一回10 kV专线的配电方案。

3.1 低压电机的配电方案

泵站配套机组为5台250 kW的低压电机，因新县城暂时无法提供两回独立的外部10 kV电源，为保证对县城水厂供水的稳定性和可靠性，设计采用10 kV单电源加备用0.4 kV发电机的供电方式。

泵站主要设备为5台离心泵电机以及泵房、变电所、管理用房等的综合用电，所有用电设备电压等级均为380/220 V。同时配备两台单机容量为800 kW的低压柴油发电机组作为泵站的备用电源。0.4 kV母线采用单母线分段接线，两台变压器不考虑并列运行，0.4 kV内部网络采用放射式配电网络，设置0.4 kV进线柜2台、0.4 kV电容补偿柜2台、0.4 kV出线柜5台和0.4 kV联络柜1台，共计10台低压配电柜，其中0.4 kV进线柜同时考虑市电与柴油发电机的自动切换功能。本工程5台250 kW的低压电机，除一台应工艺要求采用变频控制外，其余均采用软启动的方式。

选用低压电机配电方案时，泵站主要电气设备材料及工程造价等经济指标如表3所示。

表3 取水泵站主要电气设备材料及经济指标表

3.2 高压电机的配电方案

泵站配套机组采用4台355 kW的高压电机时，高压电机有6 kV和10 kV的两种选择，因此针对这两种高压电机的配电方案分别进行比较分析。

3.2.1 10kV高压电机的配电方案

本方案中，泵站配套机组为4台355 kW的10 kV高压电机，本工程属于二级用电负荷，因库区无法提供两回10 kV外部独立电源，为保证对县城水厂供水的稳定性和可靠性，本工程考虑从110 kV变电站引来一回10 kV专线为泵站供电，并设置一台50 kVA的站用变压器。

本工程考虑采用10 kV电缆架空和埋地相结合的敷设方式，共需新建10 km外部线路6.0 km，其中3.0 km架空敷设，3.0 km埋地敷设，并且需在110 kV变电站侧新建一个10 kV出线间隔。

经启动电压降计算，本工程4台355 kW的高压电机中，除一台应工艺要求采用变频控制外，其余均可采用全压直接启动的方式。

3.2.2 6 kV高压电机的配电方案

参照0.4 kV配电方案，即设计采用10 kV单电源加备用6 kV发电机的供电方式，该配电方案与0.4 kV的相似，但因电压等级升高，所有设备将都为中压设备，且需要增加一台站用变压器，因此配电工程的投资将明显比0.4 kV的低压电机方案增大很多，且不利于后期维护，因此，其技术、经济指标都低于0.4 kV的低压电机方案；若参照10 kV配电方案，即考虑从110 kV变电站引来一回10 kV专线为泵站供电，并设置一台50 kVA的站用变压器，该配电方案与10 kV高压电机的相比，又将增加两台10 kV/6 kV的降压变压器和相应的中压配电柜，其投资也将比10 kV的高压电机方案增大很多，因此，其技术、经济指标都低于10 kV的高压电机方案。

4 结论

此次研究通过对库区一个泵站设计过程中高、低压电机方案的比较，并结合库区移民安置城镇迁建规划新址和库区电力网络结构的特点，对库区泵站水泵电机电压选择的技术、经济指标进行分析，得出以下结论：

（1）采用低压电机方案的供电可靠性更高。因为库区电源一般较为薄弱，很难满足二级负荷应设两个外部独立电源的要求，因此水泵电机采用0.4 kV低压电机时，一般设计采用10 kV单电源加备用0.4 kV发电机的供电方式，备用发电机的选用对于库区暂不能有效保证稳定性的电力网络，是一个强有力的保证措施，将有效提高泵站的供电可靠性。

（2）采用低压电机方案更有利于工程的运行维护。采用高压电机时，泵站配电工程的机电设备基本上都为中高压设备，这对泵站建成后的运行维护也有了更高的要求。