变频调速灯泡贯流泵性能与控制方式

张仁田，朱峰，刘雪芹，梁云辉

(江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州225009)

灯泡贯流泵具有流道顺直、水力损失小、装置性能优的显著特点，其单位容量投资相对较低、机组效率高、运行成本较低，尤其适合于年运行时间长的引调水泵站，在南水北调东线一期工程中有6座泵站安装大型灯泡贯流泵机组28台套，且其中4座泵站采用变频调速方式进行工况调节，其主要技术参数见文献[1-2].

由于采用变频变速工况调节方式，除了机组结构与采用叶片全调节不同外，灯泡贯流泵工作范围内的性能也是随着机组转速的不同而不断变化，而且电动机的控制设备与控制方式也存在差异.虽然有压供水的市政、电力等领域采用变频调速较为普遍、且对其节能效果研究较多[3-4]，但到目前为止，对进水和出水均为自由水面的泵站在南水北调东线工程的灯泡贯流泵机组系首次应用，且关于变速特性除作者有少量的研究成果外[5-9]，国内外均未开展相关研究.因此开展变速工况下的灯泡贯流泵水力性能和控制模式研究，对指导泵站优化运行和推广应用均具有理论意义和实际价值.鉴于淮阴三站与韩庄泵站、泗洪泵站与二级坝站结构类似，且采用同一水力模型，因此文中仅以淮阴三站和泗洪泵站为例.

1 灯泡贯流泵变频调速特性研究

1.1 水泵装置变速特性理论分析

1.1.1 净扬程为0时的变速特性

在水泵机组变速工况运行时，通常都是假定在一定的速度变化范围内效率不变，不同速度下的性能参数按下列相似规律变化

(1)

式中：Q1，H1，P1，n1分别为水泵机组在工况1下的流量、扬程、轴功率和转速；Q2，H2，P2，n2分别为水泵机组在工况2下的流量、扬程、轴功率和转速.

在转速变化时，形成1组不同转速下的Q-H曲线，如图1所示.当水泵运行工况点的净扬程，即上、下游水位差Hsta=0时，装置扬程Hsys即为系统损失，并符合Hsys=K1Q2规律,其中K1为此工况下水泵装置阻力系数，因此不同转速下的运行工况点符合相似定律，可以按照式(1)预测不同转速下的性能指标，效率不变，如图1a所示.但是，当Hsta≠0时，装置扬程Hsys=Hsta+K1Q2，从图1b可以发现，不同转速下的性能并不符合相似定律，而且效率也发生变化.因此采用常规的相似定律确定工况点将产生较大的误差，甚至导致错误的结果[10].

图1 变速工况下泵及装置性能曲线

1.1.2 净扬程不为0时的变速特性

在泵站的实际运行中，净扬程基本不为0，因此，需要研究新的预测方法来确定不同转速下不同工况点的性能参数.对于净扬程为0的装置特性，符合相似定律，即

(2)

式中：H′为净扬程为0工况下水泵装置扬程；Q′为净扬程为0工况下水泵流量.

图2为净扬程不为0时的性能曲线预测简化示意图.在额定转速为n1工况点，切线的斜率A的表达式为

图2 净扬程不为0时的性能曲线预测简化示意图

(3)

对于净扬程为Hsta的装置特性，有

(4)

式中：K2为此工况下水泵装置阻力系数.

在额定转速为n1的(Q1,H1)工况点，切线的斜率B为

(5)

对于泵特性，关键在于对其线性化，假定

H=H0+CQ,

(6)

式中：H0为泵特性线性化后与纵坐标的交点，其中，

由此可以得到下列方程组

(7)

式中：λn为转速比，λn=n/n1.

由此可以得到转速变化时，在转速为n时的流量和扬程

(8)

(9)

上述确定不同转速下能量特性是在假定泵特性为线性的前提下，因此仅适用于转速变化范围不大的区域，而且随着流量和扬程的变化，实际上效率已经改变，因此需要通过试验进一步研究灯泡贯流泵在实际应用中性能随着转速变化的关系.

1.2 灯泡贯流泵装置变速特性试验研究

1.2.1 淮阴三站变速特性

淮阴三站安装整体紧凑型变频调节灯泡贯流泵机组4台套，其中1台为备用机，单机设计流量为33.4 m3/s，设计调水流量为100 m3/s.配套TBP2200-48/2900同步电动机，单机容量为2 200 kW，总装机容量为8 800 kW，电压等级6.6 kV.采用西门子公司生产制造的2 200 kW交-交高压变频器进行工况调节.不同叶片安放角α、不同转速n下的模型装置性能曲线如图3所示.

图3 淮阴三站模型装置变速性能试验曲线

按照叶片安放角为1.1°，假定相似工况点效率不变，采用式(1)预测的原型性能曲线如图4所示.

图4 淮阴三站原型装置变速特性曲线

1.2.2 泗洪泵站变速特性试验研究

泗洪泵站枢纽工程是南水北调东线一期工程第4梯级泵站，该泵站位于江苏省泗洪县朱湖乡东南的徐洪河上，其主要功能是将第3梯级抽入洪泽湖，江水通过运西线及徐洪河后继续北上送至第5梯级睢宁泵站，再由房亭河入骆马湖.结合地方排涝和通航情况，泵站设计流量为120 m3/s，安装叶轮直径为3 050 mm，变频变速调节灯泡贯流泵机组5台套，单机设计流量为30 m3/s，总装机容量为10 000 kW.采用现场可拆卸灯泡贯流泵装置型式.

叶片安放角为0°和-2°时，不同转速下的能量特性试验结果如图5，6所示.

图5 泗洪泵站模型装置扬程特性曲线

试验转速大于700 r/min时，在失速点附近以下的流量工况点降速至700 r/min测试，然后再换算至规定转速.空载时扭矩为2.03～4.68 N·m.从图6可以发现，随着转速减小，效率有所降低.根据不同转速下试验结果，采用式(9)预测的原型装置性能曲线如图7所示.

图6 泗洪泵站模型装置效率特性曲线

由图7可以发现，在不同工作扬程工况下，为保证调水流量并使泵站尽可能在高效范围内运行，则需要选择不同的运行转速.在运行时间较长的设计扬程至平均扬程区间，可以选择额定转速(工频工况)运行，这有助于通过旁路设置使变频装置退出运行，从而避免因变频装置而产生损失.

图7 泗洪泵站原型装置性能曲线

2 变频装置和电动机变速特性

变频装置作为驱动电动机的电源变换装置，其损耗是客观存在的，主要包括整流损耗、逆变损耗和控制回路损耗，其中整流损耗和逆变损耗取决于电力半导体器件的通态损耗和开关损耗，约占总损耗的90%，而控制回路损耗与变频装置容量和负载无关，负载电流的大小对变频装置的损耗起着决定性作用.

一般情况下，在采用高性能变频器时，变频器的效率在96%以上，而且随着工况改变的变化较小.对于电动机，在60%负荷以上时，效率基本不改变，但在小负荷时，效率明显降低，而且采用变速装置后，由于变频器的高次谐波影响[11]，电动机的效率还会略有降低.对于泵效率，由前面的分析可知，随着转速的改变，在净扬程不为0的工况下，也会发生变化.

变频装置的效率

(10)

式中：Pin为变频装置输入功率；ΔPVFD为变频装置损耗功率，ΔPVFD=Pin-PM，其中PM为变频装置的输出功率，即电动机的输入功率.则

(11)

电动机的损耗主要包括铁损，定、转子铜损，杂散损耗和机械损耗等，其中前3部分损耗之和占全部损耗的90%.根据水泵的负载特性，其中PM可用水泵的轴功率PN与电动机损耗之和表示，即PM=PN+ΔPmot.任意转速n下的水泵轴功率可以用流量的二次多项式表达，即

(12)

(13)

(14)

根据淮阴三站的变频装置和电动机在不同转速下效率数据，可得到效率随转速变化的关系

(15)

不同转速下变频装置和电动机效率变化情况如图8所示，变频装置受转速的影响较小，在60%额定转速以上时，效率相差1%左右；但是电动机受转速的影响较大，当转速在90%以下时，效率明显降低，主要是因为随着频率降低、电动机的端电压也下降，电动机的实际功率减小，损耗所占比例增大，因此变速运行节能分析时必须考虑变频装置和电动机随转速变化而导致的效率变化.对于同步电磁式电动机，可以通过增大励磁电流和励磁电压，使定子电流增加而提高电动机的功率和效率，而永磁同步电动机具有效率优势.

图8 变频装置和电动机效率与转速的关系

3 变频调速灯泡贯流泵运行控制方式

3.1 变频装置的2种运用方式

作为变频调速的主要设备，变频装置在灯泡贯流泵机组运行中起到关键性的作用，其运用方式有2种：一种是直接串接在电动机与电源之间.这种接线方式的电源电压等级可以与电动机电压等级不同，由变频变压器进行电压等级匹配；另一种是设置旁路，根据实际运行需要，变频装置可以投入运行也可以退出运行.

设置旁路的接线方式的先决条件是电动机的电压等级与电源电压等级一致.其优点是在不需要变频，即工频下运行时通过旁路使电动机与电源直接连接，变频装置退出运行，减少系统因变频装置产生损坏引起的效率降低.其关键是需要研究在何种工况下变频装置退出运行才是最佳的运行控制方式.

3.2 以效率最优为目标的运行控制方式

现以泗洪泵站为例，该泵站采用有旁路的运行控制方式，原型装置在工频下的特性曲线可单独表示为图9.

图9 泗洪泵站工频下原型装置特性曲线

由图9可见，供水设计扬程时，工频下运行尚不能满足设计流量的要求.扬程在3.7～3.9 m为马鞍区，当泵站扬程大于3.7 m，不利于水泵安全运行，故需采用变频调速提高水泵运行转速，使水泵能够安全、高效运行，并在设计扬程下满足设计流量要求.扬程接近0时，水泵流量较大，效率下降较快，此时可以采用变频调速降低水泵运行转速，适当减小水泵流量，提高水泵运行效率[8].

3.2.1 保证机组安全运行的转速控制分析

3.2.2 保证机组流量满足要求的转速控制分析

通过变频调速，水泵运行需要满足设计扬程(3.23 m)时达到设计流量(30 m3/s)要求，额定转速下装置扬程-流量拟合关系式(马鞍区以下段)为

(16)

变频后

(17)

(18)

由此可得λ≥1.166，即设计扬程3.23 m时，提高水泵转速为nsj=λsj×n0≥124.9 r/min，能满足设计流量要求，变频后频率f=λ×50≥58.3 Hz.综合考虑安全运行和设计扬程下满足设计流量要求，当扬程在设计扬程及以上时，水泵转速设置为124.9 r/min，既能满足设计扬程时流量要求，又能保证水泵运行不进入马鞍区.

3.2.3 保证机组高效运行的转速控制分析

上、下游为自由水面的引调水泵站在实际运行过程中某一时刻上下游水位差与水泵装置特性曲线的交点即为水泵的运行工况点.调节水泵运行工况的目的就是当扬程出现变幅时，调整水泵转速至对应最优转速，使得调速后的水泵能高效运行.首先考虑变频装置始终运行，得出转速随扬程变化的最优调节方式，再与工频情况进行对比，即可确定变速运行的控制方式.

当扬程为H时，采用变频调速可以提高水泵运行转速为n1或n2.若提高转速为n1，则水泵运行状态点为A1、水泵流量为Q1、输入功率为Pin1，其中装置运行总效率η1=ηz1×ηmot1×ηint1×ηVFD1，其中ηz1,ηmot1,ηint1,ηVFD1分别为水泵装置效率、电动机效率、传动效率和变频效率；若提高转速为n2，则水泵运行状态点为A2、水泵流量Q2、输入功率Pin2，同样η2=ηz2×ηmot2×ηint2×ηVFD2，这种情形下一般按照单位流量的能耗进行比较节能与否[10].因此对于扬程H，2种转速n1，n2运行条件下，单位流量能耗差为

(19)

即某一扬程条件下，比较2种工况单位流量能耗差即是比较装置运行总效率的大小，总效率越大，单位流量能耗越低，水泵装置运行越节能.ηz可由图9原型水泵装置特性曲线拟合，传动效率ηint=1，变频装置和电动机在转速为75～125 r/min的效率ηmot，ηVFD随转速变化关系如式(15)所列.

图10 泗洪泵站水泵装置变转速特性曲线

由图10可见，高效区以上部分，同一扬程条件下，转速增大，效率提高，最高效率点在n=1.166n0特性曲线上；高效区以下部分，同一扬程条件下，随着转速增大，效率先增大后减小，在某一转速装置总效率达到最高.根据图10，找出各扬程下最高效率工况点，与工频情况下流量和效率进行对比，见图11.

图11 泗洪泵站变频最高效率与工频工况对比曲线

由图11可见，变频能够得到更宽广的高效区，只有扬程在1.3～2.5 m时，工频运行工况效率更高，在其他扬程条件下，变频运行效率更高.但在低扬程情况下(H<1.3 m)，变频追求高效率的同时，流量会相应减小.例如在扬程为1 m时，工频工况流量Q0=32.8 m3/s，效率η0=64%，变频高效工况流量Q1=23.5 m3/s,效率η1=69%，变频后总效率提高了5%，流量却减小了28.4%.即变频后提升相同水量，所用电量减小约7.3%，所用时间却增加约39.6%.这将大大增加泵站运行时间，显然也是不合理的.不妨考虑低水位变频条件下，确保流量减小不大于10%(即Q1≥27 m3/s)作为限制条件，由图3确定各扬程下最高效率工况点，与工频情况下流量和效率进行对比，见图12.

图12 泗洪泵站变频高效(Q1≥27 m3/s)与工频工况对比曲线

由图12可见，同样是供水扬程在1.3～2.5 m，工频运行工况效率更高，在扬程H≤1.3 m时，确保流量Q1≥27 m3/s作为限制条件变频，效率比工频条件下效率高.故考虑扬程在1.3～2.5 m切除变频装置、采用旁路下工频运行；在其他扬程条件下，采用变频运行，变频调速运行控制条件见表1.由表1与图7对比发现，在考虑变频装置和电动机在不同转速下的效率变化后，不同扬程下的变速明显不同.

表1 变速运行调节控制条件

4 结 论

1) 变频调速的灯泡贯流泵性能受到水泵叶轮性能和流道性能两方面的制约，在一定变速范围内可以采用效率不变的相似定律进行预测；在变速范围较大时，建议采用模型试验时不同转速下的结果分别进行预测.

2) 变频装置是耗能的电气元器件，在确定灯泡贯流泵机组运行性能时必须考虑变频装置的损耗、同时应分析随着频率改变引起的变频装置及电动机效率变化，在电气设备配置方面可以考虑设置旁路实现工频运行时切除变频装置.

3) 以泗洪站为例，综合考虑机电设备损耗后发现，在(40%～80%)供水设计扬程范围内采用无变频装置的工频运行优于有变频装置的变速运行，该结论可作为灯泡贯流泵站变频变速优化运行参考.