牛欄江-滇池補水工程高揚程大型離心水泵調節方式

郭 建 平

（云南省水利水電勘測設計研究院，昆明 650051）

前言

離心泵在運行中工況點偏離高效區或水泵的流量、揚程不能滿足需要，需通過改變水泵性能或改變需要管道特性曲線來移動工況點，使其符合要求。常用的調節方法有變速調節、節流調節等措施。

牛欄江—滇池補水工程是一項改善滇池水環境外流域調水重點工程，工程多年平均設計輸水量為5.72億m3，引水、輸水系統設計流量為23m3/s，多年平均年運行時間6910h。該工程由德澤水庫、干河泵站、輸水線路三大樞紐工程組成，輸水線路自泵站出水池經 115.7km地下輸水建筑物自流至昆明滇池。

干河泵站位于水庫上游，泵站裝機總容量為90MW，設計提水流量23m3/s，裝置4臺單機設計流量 7.67m3/s、容量 22.5MW 的高揚程大功率離心泵組；按照需水過程要求，存在著3臺并聯運行、2臺并聯運行、單臺運行的可能性。

干河泵站為庫內取水，地下式廠房，水泵揚程187.4～233.3m，揚程變幅約 46m，由于受長距離輸水線路設計流量限制，如果水泵不采取任何調節措施，水泵在低揚程段的流量及空化特性均無法滿足本工程運行要求。本文從牛欄江-滇池補水工程用水及泵站運行工況出發，以 A1054離心泵葉輪作為對象葉輪，重點論述水泵調節方式選擇及調節特性，提出了本工程水泵在不同運行工況的變速范圍。

1 水泵主要參數

臺數 4臺（3工作1備用）

水泵型式 單吸單級立式離心泵

比轉速 106

設計流量 7.67m3/s

設計揚程 219.3m

揚程范圍 187.4m～233.3m

最優效率 93.1%

水泵安裝高程 1725.0m

額定轉速 600r/min

A1054原型水泵特性見表1。

2 水泵調節方式

水泵的調節可以通過采取節流、變頻調速等方式。節流調節方式是在水泵壓水管上設流量調節閥，通過改變管道特性使水泵機組在低于設計揚程時能使水泵運行工況點左移，改善水泵的空蝕性能，防止水泵出水池出現大量溢流情況。但調節閥進行流量調節時容易產生壓力脈動或水擊，機組間的配合運行控制非常困難，且管路系統水力損失大大增加，對于大容量泵站顯然不符合節能降耗要求。

變頻調節方式是通過調節電機轉速，從而改變了水泵特性（如出口壓力等）和運行工況點，確保水泵在水庫高水位低揚程段能穩定運行在高效率區，避開高空化區，最終實現工程供水要求。

變頻調節方案雖然設備投資高，但由于其調節方式滿足泵站設備安全穩定運行，且技術成熟可靠，成功運行業績多，節能降耗優勢明顯等優點，已成為大型泵站廣泛采用的調節方式。

3 水泵變頻調節后運行特性

以 A1054原型水泵、單機運行的設計工況（設計揚程 219.3m、設計流量 7.67m3/s）為基點，按以下 4個方案進行水泵變速運行特性分析，如圖 1所示。

表1 A1054原型水泵特性數據表

圖1 A1054水泵調速后運行特性

方案一：增速＋降速運行（最高揚程 233.3m～最低揚程185.5m之間水泵均可抽水7.67m3/s），變速比（n/nr）為101.67～89.83%；方案二：降速運行1（設計揚程 219.3m～最低揚程 185.5m之間水泵均可抽水流量 7.67m3/s），變速比（n/nr）為 99.17～92.83%；方案三：降速運行2(揚程211m～最低揚程185.5m之間水泵均可抽水流量 8.0m3/s)，變速比（n/nr）為98.5%～93.83%；方案四：降速運行3（最高揚程 233.3m～最低揚程 185.5m之間水泵均可實現抽水流量 6m3/s），變速比（n/nr）為 98.83%～89.0%；不同轉速方案水泵技術參數對比見表2。

4 變頻調節范圍選擇

從圖1及表2可以看出：

（1）在設計揚程219.3m～最大揚程233.3m的揚程區間，若使水泵均能實現按7.67m3/s流量運行，水泵要求的最大轉速為102%倍額定轉速，增速后水泵在最高揚程下的運行效率提高 1.3%，且增速運行要求的必需臨界空化余量下降（由不變速的 19.6m降低至 15.02m），水泵運行的空化裕度提高，對水泵的增速運行有利。

（2）在設計揚程219.3m～最小揚程185.5m的揚程區間，若使水泵均能實現按7.67m3/s、8m3/s流量運行，水泵要求的最小轉速分別為92.83%、93.83%倍額定轉速，降速后水泵的運行效率接近最高效率，且降速運行要求的必需空化余量降低，水泵運行的空化裕度增加，對水泵的運行有利。

（3）水泵可在設計揚程 219.3m～最小揚程185.5m的全揚程區間通過降速實現6m3/s流量運行，水泵要求的最小轉速為 89%倍額定轉速，降速運行要求的必需空化余量降低，水泵運行的空化裕度增加，但最高揚程下（相應 3臺水泵同時運行）降速至6m3/s流量運行時，水泵要求的NPSH值增大，按水泵安裝高程1725m考慮，水泵在空化條件下運行，建議水泵在最高揚程下不作降速運行。水泵降速至6m3/s流量的運行效率下降達3.25%～1.5%，設計揚程下的下降幅度最大。

表2 不同轉速方案水泵性能對比表

（4）在最大揚程下水泵增速至7.67m3/s、8m3/s流量運行時水泵運行效率提高，空化裕度及運行穩定性改善，水泵在最高揚程下可增速至額定流量附近運行，建議配套變頻器的頻率調節范圍預留不少于＋3%的頻率調節裕量。

（5）水泵采用變頻調速運行時，7.0～8m3/s的工作流量區間為高效率區間，水泵空化性能良好，運行時宜優先考慮。水泵流量調節的下限不宜低于6m3/s，在低揚程區間水泵的流量調節上限可在 8.5～9.0m3/s之間。

5 結論

（1）根據 A1054模型水泵試驗結果，水泵在最小揚程區間（195～185.5m）運行時，水泵流量超出設計流量甚多，如果不采取調節措施，無法實現水泵在最小揚程區間的無空化運行，且水泵的工作流量明顯過大，難以實現供水流量（供水量）與隧洞過流能力的兼顧。為滿足工程供水量的要求，并保證輸水隧洞的安全，水泵需采取變頻調速裝置進行流量調節。

（2）從水泵在運行揚程區間內的空化性能分析，水泵安裝高程選擇1725m是可行的。水泵可在設計揚程 219.3m～最小揚程 185.5m的揚程區間通過降速至6m3/s流量運行，但最高揚程下降速至6m3/s流量時水泵在空化條件下運行，建議在最高揚程下水泵不作降速運行。在最大揚程下水泵增速至7.67m3/s、8m3/s流量運行時水泵運行效率提高，空化裕度及運行穩定性改善，實際運行時可予以考慮，建議配套變頻器的頻率調節范圍預留不少于＋3%的頻率調節裕量。

（3）水泵采用變頻調速運行時，7.0～8m3/s的工作流量區間為高效率區間，水泵空化性能良好，運行時宜優先考慮。水泵流量調節的下限不宜低于6m3/s；在最大揚程下水泵可增速至7.67m3/s流量運行；在低揚程區間水泵的流量調節上限可在8.5～9.0m3/s之間。

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