淺析高壓變頻設備在大型多梯級提水泵站的應用

楊永春 彭 軍

（寧夏鹽環定揚水管理處，寧夏 吳忠 751100）

寧夏鹽環定揚黃工程是國家 “八五”重點建設項目，是解決寧夏、甘肅、陜西部分地區革命老區人畜飲水問題、防治地方病和發展農業灌溉、改善生態環境、促進老區人民脫貧致富而興建的一項民生工程。工程自青銅峽東干渠引水，設計流量11立方米/秒，總揚程651米，裝機容量6.6萬千瓦，建有梯級泵站12座。工程運行二十多年，設備老化、效率降低，安全隱患增多。2017年，工程在李克強總理的關懷下實施了泵站更新改造項目，泵站級數由12級合并為8級，工程改造利用了國內處于領先水平的機泵設備和自動化、信息化監控技術，建設成為了國內一流的現代化泵站。特別是在梯級泵站中安裝了12臺高壓變頻設備，改變了以往泵站級間供水生產模式，節能降耗效果明顯，系統運行安全穩定，極大地提高了工程供水保障能力。

1 利用高壓變頻設備的必要性

鹽環定揚黃工程屬多梯級、高揚程提水工程，在供水期間，由于各梯級泵站機組運行工況不同，泵站之間輸水流量普遍存在0.5m3/s左右的差異，雖經過葉輪車削等技術措施和調度管理手段，但泵站級間水量調節效果不佳，只能采取機組頻繁開停方式進行解決。據統計，2014年至2016年，工程每年開停機組達2350次左右，平均每天開停機組16次。由于操作頻繁導致電機絕緣強度降低，水泵機械故障增多，能耗增大，極大地縮短了設備的使用壽命，檢修費用高。近幾年，高壓變頻設備已被各行業廣泛利用，通過變頻設備調節水泵出水流量在理論上也較為成熟。但在黃河流域，針對高揚程、多梯級大型輸水泵站利用高壓變頻設備的工程還較少，特別是在實踐應用中成果還未得到有效體現，考慮在泵站建設中存在水泵選型計算參數的不確定性、多泥沙水質對過流部件的磨損程度的不確定性以及高揚程水泵的啟動要求等綜合分析，認為在鹽環定揚黃工程通過變頻設備的安裝應用，對實現泵站經濟、高效、安全運行意義重大。

2 高壓變頻機組工作原理

圖1 變頻器控制原理圖

高壓變頻機組是應用高壓變頻器的變頻調速技術，通過改變電源的頻率來調整電機的轉速，再通過電機的不同轉速運行來改變水泵運行的工況，實現水泵的水量調節。

表1 各泵站變頻機組頻率與流量調節對照表

鹽環定揚黃工程通過更新改造項目，分別在二至六泵站共五級泵站安裝了高壓變頻裝置12臺，變頻裝置為電壓源型，直接高-高輸出結構，能直接輸出10KV電壓，電路采用拓撲結構，主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。采用功率單元相互串聯的方式，可直接驅動交流電動機。

變頻器控制原理：10KV高壓電經真空接觸器1KM、高壓隔離開關1QS到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經高壓隔離開關2QS、真空接觸器2KM送至電動機，電動機變頻運行；10KV高壓電也可經真空斷路器2QF直接起動電動機，電動機工頻運行。1QS、2QS、1KM、2KM與2QF電氣閉鎖，保證任何時候不能同時合閘。隔離開關1QS、2QS作用是：隔離變頻器以保證在工頻進行時維護變頻器，保證維護人員安全，非維護期兩個隔離開關處于閉合狀態。當變頻器發生重故障時可以在2-3秒內切換至工頻運行，滿足系統對電機可靠運行的要求。

3 高壓變頻機組應用成果分析

（1）有效解決高揚程、長距離空管道離心泵啟動運行的問題。

按照《泵站設計規范》中規定，對于中高揚程離心泵站需管道注水后，形成壓力，才能實現關閥啟動，應設充水系統，即對“空”的高壓壓力管道進行平壓預充水。

鹽環定揚黃工程泵站合并后，單級泵站揚程相對較高、壓力輸水管道也較長，揚程最高泵站為92米，壓力管道最長達6.2公里。在實際過程過程中，不需專門設置壓力管道預充水系統，而是通過優先啟動變頻機組對空管道緩慢注水，將所有泵組對應的壓力管道全部充滿后，滿足其它離心泵的啟動條件。根據泵站的流量需求調度，待機啟動運行。

利用變頻機組對壓力管道充水原則：小流量緩充水。如果管道以等于滿管流速0.3m/s或者更小的速度充水，將不會發生由水擊造成的管道破壞，為了盡量減少管內剩余氣體和避免發生水擊，任何情況下充水速度不應超過0.6m/s。

（2）有效調節泵站之間的不平衡流量。

高壓變頻器的調頻精度為 0.01Hz，可以從 0～50Hz的范圍內進行平滑調節。但在實際調頻運行中，頻率低于一定的頻率時水泵就不出水了，根據泵站不同揚程，以及泵組不同的運行方式等，變頻機組頻率可調節的范圍也不同。

水泵在設計水位運行時，變頻范圍和流量調節大小與泵站揚程不同和機組運行方式有關。從以上分析看，對于變頻機組，泵站揚程越低可調節頻率范圍越寬，單機一管比多機一管可調節頻率范圍寬。結合水泵高效區運行要求和機組振動情況，對變頻機組的調頻范圍作了表1規定，保證機組在此頻率間，水泵不偏離高效區運行，且機組運行平穩，可完全滿足了級間泵站流量匹配的需要。

（3）節電、節能明顯

鹽環定揚黃工程變頻機組的安裝應用，使泵站實現了最大限度地節能運行。僅上半年同期相比，機組開停機次數 2018年（安裝后）比 2017年（安裝前）減幅達77%，系統總電量減少了860萬度，能源單耗指標下降了 0.45Kw·h/kt·m，節約電費近 100萬元。 同時，由于變頻設備器內部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。

（4）提高安全運行可靠性

變頻設備可實現電動機的軟啟動，使電動機實現由工頻到變頻的無沖擊切換，起動電流僅為額定電流的1.2～1.5倍，起動轉矩為70%～120%額定轉矩，電機在低頻下的壓頻比系數進行電壓和頻率的輸出，電機發熱量低，電動機絕緣老化速度降低。且變頻機組在出水管道也有效防止了水沖擊、避免出水管道壓力超限，管道破裂等現象發生，確保了工程的安全運行。

4 變頻機組運行注意事項

由于變頻設備內變壓器及功率單元運行時要產生大量的熱量，所以對變頻器的運行環境和維護特別注意。

（1）經常檢查室內溫度、通風情況，注意室內溫度不要超過40度。

（2）室內保持清潔，防止顆粒等雜物吸入柜體內。

（3）經常檢查變頻器是否有異響、異味，柜體是否發熱。

（4）經常用一張A4紙檢查變壓器柜和單元柜進風風量（A4紙應能被過濾網牢牢吸住，如有問題及時排除)。

（5）投運一個月內，檢查所有進出線電纜及功率單元連接電纜，若有松動，應將之緊固；以后每6個月定期檢查緊固一遍，并用吸塵器將柜內灰塵清除干凈。

（6）經常記錄變頻器運行情況（運行模式、電壓、電流、速度、功率等），發生跳閘時，要記錄下故障情況，查明原因后方可再次送電。

5 結束語

利用高壓變頻設備是當今泵站節約電能，改善生產工藝，提高泵站運行效率，改善運行環境的一種主要手段。鹽環定揚黃共用工程梯級泵站多、揚程高，通過采用機組變頻設備有效解決了泵站之間的水量不平衡問題，機組開停次數大幅減少，機組運行方式得到改善，能耗指標明顯降低，值得在黃河流域高揚程多梯級泵站廣泛推廣應用。