變頻變角雙調軸流泵運行節能分析

李 娜，周龍才，侯國鑫(.中國灌溉排水發展中心，北京 00054；.武漢大學水利水電學院，武漢 4007；.湖南省洞庭湖水利工程建設管理局，長沙 40007)

0 引 言

水泵機組的工況調節是其適應運行條件改變，保證機組安全、高效運行的重要手段。然而，我國很多中小型排澇泵站安裝的是葉片固定或半調節軸流泵機組，調節性能差，不能很好地適應運行揚程的變化。近年來，由于區域性水文條件變化、內湖面積減小、外河道淤積和大型水利工程修建等原因，導致泵站揚程變幅較大，且設計揚程與平均揚程偏離較多，雖然一些泵站更新改造后加大了水泵揚程，選用了全調節機組，但靠單一的變角調節很難實現機組在設計揚程和平均揚程下高效運行、在最高揚程和最低揚程下安全穩定運行。

近年來，隨著一些先進的新型水泵機組運行工況調節設備(如內置式液壓調節器[1]、大型凸極雙速同步電機[2]、無刷雙饋電機及其變頻調速系統[3-5])的出現，使得軸流泵機組可方便地實現變速-變角的“雙調”(水泵機組既能變速又能變角的調節技術)運行模式，尤其是變頻調速的全調角軸流泵機組在排灌泵站中得到應用。“雙調”機組可方便地實現運行工況優化調節，從而提高大中型灌溉泵站運行效率、降低泵站能源單耗，同時提高泵站運行的安全性和可靠性，保證泵站充分發揮效益[6]。

變頻變角雙調軸流泵可在一定范圍內連續變速和調角，調節得當可獲得較好的節能效果。本文建立數學模型變頻變角雙調軸流泵不同裝置揚程下變速、調角運行方案，進而通過比較不同運行方案的最高裝置效率隨裝置揚程變化曲線，分析了變頻變角雙調軸流泵運行節能效果。

1 “雙調”機組特性

1.1 通用性能曲線

分析“雙調”機組特性的前提是假定水泵變速后仍然滿足水泵比例律[7]。同一臺水泵在不同轉速下運行時的流量、揚程、功率與轉速之間的關系，根據比例律有：

(1)

式中：下標“1”、“2”分別表示二種不同轉速所對應的性能參數。

有關試驗表明：水泵轉速的變化對容積效率和水力效率的影響不太大，而對機械效率影響較大。在應用比例律時，要注意轉速的變化不能太大，通常轉速的變化范圍以增速不大于10%、降速不大于60%為宜。

對全調節軸(混)流泵機組，對已知額定轉速下的通用性能曲線的縱橫坐標按比例律進行變換，可得到變速后的通用性能曲線，如圖1所示。由圖1可看出，變速調節后全調節軸(混)流泵的性能范圍得到極大拓寬，如果沒有流量限制，則可在較寬的范圍內選擇裝置效率最高的工作點運行。

圖1 “雙調”軸流泵性能曲線

1.2 裝置效率曲線

1.2.1裝置效率

裝置效率是裝置輸出功率與輸入功率的百分比。已建成的泵站可以通過現場測試，測出其流量、裝置揚程、輸入功率等參數后，按式(2)計算：

(2)

式中：ηsy為裝置效率，%；P1為裝置輸入功率，kW；Q為機組流量，m3/s；Hsy為裝置揚程，m，即進、出水池水位之差；ρ為水泵所輸送液體的密度，kg/m3。

裝置效率也可近似為電動機、水泵、傳動裝置、管路等項效率的乘積：

ηsy=ηmoηtrηpηpi

(3)

式中：ηmo為電動機效率，%；ηtr為傳動裝置效率，直聯傳動視為100%；ηp為水泵效率，%；ηpi為管路效率，%。

水泵效率ηp和管路效率ηpi通過水泵工作點求解。在水泵比例律適用范圍內，當進行變速調節時，同一相似拋物線與不同裝置揚程需要曲線(流道阻力參數S不變)相交獲得的工作點的水泵效率ηp和管路效率ηpi不變。

一般中小型泵站采用異步電動機，運行中功率因數是變化的，其變化大小與負載大小有關，電動機空載運行時，定子繞組的電流基本上是產生旋轉磁場的無功電流分量，功率因數很低。當電動機帶上負載運行時，定子繞組電流中的有功電流分量增加，功率因數也隨之提高，在額定負載下運行時，功率因數達到最大值。因此，當泵站揚程下降，輕載運行時，普通異步電動機效率會大為較低。

無刷雙饋電機(BDFM)通過調節控制繞組電壓可以調節功率繞組的功率因數，因此不存在一般異步電動機輕載時效率嚴重下降的問題[8]。無刷雙饋電機損耗包括銅耗、鐵耗和機械損耗，另外還需要在設計上對電機參數進行合理的設計，減少其中的高次諧波。本文進行對比計算時，考慮無刷雙饋式電機按同步方式運行，近似按效率與轉速呈線性關系考慮電機效率。

1.2.2裝置效率曲線

定速全調節軸流泵在裝置揚程Hsy確定的情況下，可以提供從最小葉片角度到最大葉片角度范圍內的連續流量，不同工作點的葉片角度Qk，流量Qk與裝置效率ηsyk之間有近似函數關系繪制ηsy隨θ或Q的變化曲線，即得到軸流泵的裝置效率特性曲線，如圖2所示。

圖2 軸流泵的裝置效率特性曲線

采用插值法或擬合法求裝置效率特性曲線求最大極值點，即可獲得在裝置揚程Hsy下按轉速n運行時的最優葉片角度(或流量)和最佳裝置效率η*sy,n。

1.2.3黃金分割法求水泵的最優轉速

在裝置揚程Hsy下，水泵按不同的轉速n運行時，相應地有最大裝置效率η*sy,n。一般，在變速范圍內，近似函數關系式η*sy=f(n)，有唯一極值，可采用黃金分割法求水泵的最優轉速。根據水泵機組的變速范圍，在圖3的橫坐標上取nmin和nmax，這是尋求最優轉速的搜索區間。另外確定搜索區間的兩個黃金分割法轉速點n1、n2：

(4)

根據上述求泵站效率的方法，求出η*sy,nmin、η*sy,nmax、η*sy,n1和η*sy,n2，然后比較縮小搜索區間：

(1)如果η*sy,n1>η*sy,n2，則消去nmin、n2之間的一段，即令n′min=n2，η′*sy,nmin=η*sy,n2，n′max=nmax，η′*sy,nmax=η*sy,nmax，n′2=n1，η*sy,n2=η*sy,n1，計算新的n′1和η′*sy,n1，然后重進進行比較。

(2)如果η*sy,n1<η*sy,n2，則消去n1、nmax之間的一段，即令n′max=n1，η′*sy,nmax=η*sy,n1，n′min=nmin，η′*sy,nmin=η*sy,nmin，n′1=n2，η′*sy,n1=η*sy,n2，計算新的n′2和η′*sy,n2，然后重進進行比較。

(3)繼續下去不斷縮小搜索區間，當兩點的兩個黃金分割法轉速之差小于等于某一允許誤差時，即可認為該轉速為泵站效率最高所對應的水泵轉速。

對定速全調節軸(混)流泵，當無流量約束時，在某一裝置揚程Hsy下，按裝置效率最高求得Q～ηsy隨曲線的極佳點，即可得到最高裝置效率值ηsy.max和相應的最優葉片角度。

圖3 區間分割法求最優轉速

1.2.4最高裝置效率隨裝置揚程變化的曲線

按上述方法，在不同的裝置揚程Hsy下進行優化，可繪制變頻變角雙調的最高裝置效率隨裝置揚程變化的曲線，將變頻變角“雙調”運行時的最高裝置效率隨裝置揚程變化曲線與不變速運行時的最高裝置效率隨裝置揚程變化曲線的對比，即可獲得“雙調”機組相對于非“雙調”機組的節能效果。

2 實例分析

某排澇泵站原4臺安裝900ZLQ-85型立式軸流泵，額定轉速585 rpm，水泵設計流量3.15 m3/s，設計揚程6.97 m，水泵性能曲線如圖4所示。配用6 kV YR450-10高壓異步電動機，電機額定效率95%。后一臺機組改為配套BDFM-355-6-0.38無刷雙饋交流異步電動機及其變頻調速系統，變頻后電機的轉速為500～630 rpm，變頻電機效率按85%～95%考慮。

白麗筠握著小銀匙，像握著一把匕首，說，那個季經理垂涎于我已經很久了。他是李老板介紹我認識的，可是我一直沒有答應他的非分要求，頂多只讓他在酒桌下面踩一下腳尖，摸一下大腿什么的。

圖4 900ZLQ(B)-70型軸流泵性能曲線

通過數據計算，得到該機組的不同裝置揚程Hsy下最高裝置效率。為進行對比分析，將變頻變角機組雙調運行和不變速機組的變角運行、不變角運行(設按0°運行)等3種運行方案下最高裝置效率隨裝置揚程的變化曲線繪在一起，如圖5所示。圖6進一步給出了雙調機組相對于非雙調機組的裝置效率增加值隨Hsy的變化曲線。可以看出：

圖5 不同裝置揚程下最高裝置效率變化曲線

圖6 雙調機組相對于不調機組效率增加值

(1)當不采用變頻電機，僅按對全調節軸流泵進行調角優化時，Hsy=7.0 m時機組達到最大裝置效率67.81%，Hsy偏離7.0 m后裝置效率下降。當Hsy<3.7 m時，裝置效率低于55%；當Hsy<3.1 m時，裝置效率低于50%；Hsy繼續減小時，因水泵效率和管路效率加快下降，裝置效率急劇下降。

(2)當采用變頻變角雙調機組時，Hsy=7.0 m時機組達到最大裝置效率67.81%。在較寬的裝置揚程范圍內，機組具有較高的裝置效率，如當3.1 m60%；當2.5 m55%。變頻變角雙調機組不僅提高了裝置效率，而且因轉速增加，使得可以運行的裝置揚程由8.8 m提高到10 m。

(3)雙調運行相對于不變速運行，裝置效率有顯著提高。如相對于不變速機組的變角運行，在非設計工況下Hsy<5 m時，通過合理的變頻調角，可以提高裝置效率2.6%～11.33%；相對于不變速機組的不變角運行，在非設計工況下Hsy<5 m，可以提高裝置效率6.7%～16.33%。

(4)為進一步進行雙調節運行的節能分析，圖7給出了3種運行方案下的不同裝置揚程下單位能耗變化曲線，圖8給出了雙調機組相對于非雙調機組的單位能耗減小值隨Hsy的變化曲線。不調節運行的單位能耗明顯高于調角運行和雙調運行。在設計工況6.0 m

圖7 不同裝置揚程下單位能耗變化曲線

圖8 雙調機組相對于不調機組單位能耗減小值

3 結 語

(1)隨著先進的新型水泵機組運行工況調節設備的出現，在中小型泵站中的排澇泵站，推廣新型變頻變角雙調節機組變頻調速電機結合的雙調機組，對拓寬泵的性能使用范圍，確保機組的安全和經濟運行，具有重要的現實意義。本文分析了變頻變角雙調軸流泵運行節能效果，結果表明，對所研究的機組，雙調運行相對于不調節的運行，在非設計工況下Hsy<5 m，可以提高裝置效率6.7%～16.33%，降低單位能耗2.34～5.80 kWh/kt。

(2)文中分析的雙調節機組為無刷雙饋式異步電機(BDFM)配套全調節軸流泵。鑒于國內的無刷雙饋電機的應用尚處于試點階段，其與水泵配套時的本身效率分析還測試尚未見公開資料或報道，本文采用了電機效率隨轉速線性變化假定，這一假定可能使節能分析存在誤差，但即使是無刷雙饋電機的效率下降到與輕載的異步電機一樣，由于變速后可保證較高的水泵效率和管道效率，雙調節運行也具有較好的節能效果。

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[1] 黃 誠．新型大型水泵葉片可調機組內置式液壓調節器[J]．中國水利，2010 ,(12)，68．

[2] 梁湘燕，陳 堅，朱澤堂，等．雙速凸極同步電動機研究及其在泵站中的應用[J]．科技創新與應用，2013,(8)：8-9．

[3] 王雪帆．繞線轉子無刷雙饋電機空載電流分析[J]．華中科技大學學報(自然科學版)，2014,42(10):79-82．

[4] 張愛玲，熊光煜，劉振富，等．無刷雙饋電機能量傳遞關系和功率因數特性的實驗研究[J]．中國電機工程學報，2011,(6)：92-97．

[5] 李端明，許建中，李 娜．泵站節能技術的研究與推廣應用[J]．中國農村水利水電，2011,(10)：160-161．

[6] 周龍才，李 娜．大型泵站雙調機組的工況調節優化計算[J]．水電能源科學，2014,32(5)：144-146．

[7] 馮衛民，于永海．水泵及水泵站[M]．5版. 北京：中國水利水電出版社，2016.

[8] 湯海梅．提高無刷雙饋電機效率的方法和途徑[J]. 天津職業院校聯合學報，2009,11(2)：6-8．