“南水北調”泵站水泵機組控制與調節研究

宋強 蘇陽

摘 ? 要：“南水北調”泵站是復雜的水力系統，其運行經濟性不僅依賴于主機效率，同時還取決于運行方式。文章從韓莊泵站燈泡式貫流泵運行方式出發，建立了水泵運行邊界條件，根據運行記錄所采集的參數值，建立了一種新的調節水泵效率的數學模型，這不僅為水泵機組的效率提供了基準，而且為系統優化運行奠定了基礎。通過計算各種工況下水泵機組的效率、分析各參數與水泵機組效率的關系以及采用不同運行方式對水泵機組經濟性的影響進行分析，對“南水北調”泵站最優經濟運行有一定的指導意義。

關鍵詞：“南水北調”;水泵;控制

1 ? ?“南水北調”韓莊泵站簡介

“南水北調”調水量的逐年增加，泵站的經濟運行不僅依賴于機組本身，而且還依賴于機組運行方式。除了要求機組在額定工況下有較高的經濟性外，還要求機組適應不同水位條件下的運行方式。根據調查，目前國內泵站機組普遍存在著運行工況偏離最佳工況點、耗電大、效率低等問題，因此提高水泵機組效率和運行經濟性是“南水北調”節能工作的重要任務之一。

在我國的大型泵站中，“南水北調”韓莊泵站臥式貫流水泵效率普遍高于其他泵站，主要得益于采用永磁同步電機變頻調速運行，具有明顯的運行經濟性。雖然人們很注重主機的性能，但對主機組運行效率和經濟性了解不多、重視不夠，對于其運行方式的經濟性的認識缺乏一定的深度。在實際運行中測量水泵機組的效率是診斷和提高水泵機組運行經濟性的首要課題。通過這種方式，提高了水泵機組的效率，降低了水泵機組的耗功，減少了站用電，提高了整個泵站的經濟性。所以，對水泵機組運行方式的分析不僅是韓莊泵站現在要研究的課題，對“南水北調”泵站機組的經濟性的提高也具有相當重要的意義。

2 ? ?主要研究內容

本課題選取“南水北調”韓莊泵站作為主要研究對象，重點研究水泵主機組的效率計算、運行特性及經濟性，同時對水泵機組不同工況下的效率變化以及運行方式等作一定的研究。

3 ? ?控制與調節的整體要求

根據韓莊泵站自動化系統集成設計要求，系統對水泵機組的控制與調節有3種方式。

3.1 ?經濟轉速運行

在保證機組運行安全、避免機組運行在氣蝕和振動區域的前提下，系統根據上下游水位及泵組運行效率曲線，編制優化運行程序，根據建立的機組最佳運行數學模型，自動確定和調節電機轉速。優化運行程序對每臺參與經濟運行的機組發出調整電機轉速的指令，作閉環自動控制運行。運行人員能夠根據需要使機組在最佳運行工況下運行，降低能耗，實現機組的經濟運行。參與經濟運行的機組可由人工設定，計算機應能自動區分并標識出各臺機組是否參與了經濟運行，并對其做出不同的處理。

3.2 ?額定轉速運行與設定轉速運行

（1）額定轉速運行，根據水量調度要求，在需要時將機組設定在額定轉速下，實現最大出水量運行。

（2）設定轉速運行，運行人員利用鼠標或鍵盤，根據當前的運行情況和調度指令，對機組的運行轉速進行控制，進而實現所需要的瞬時流量，進行開環控制操作和調度。

4 ? ?控制與調節具體方案

下面分別對經濟轉速運行、額定轉速運行、設定轉速運行3種運行方式的實現進行詳細闡述。

4.1 ?額定轉速運行

額定轉速運行，即電機工作于額定轉速點，此時水泵機組流量最大。在此工況下，變頻器輸出頻率F=50 Hz。

4.2 ?經濟轉速運行

經濟轉速運行，即電機工作于最高效率點。根據韓莊泵站水泵機組性能曲線，對應于任一水位，水泵機組最高效率曲線上總有一個確定的轉速（或頻率）。只要向電機下達這一轉速指令，電機就會工作于最高效率點上。在經濟轉速運行工況下，變頻器輸出頻率的數學模型的推導與計算參見論文《水泵性能曲線方程研究》，以下為詳細的數學模型：

變頻器輸出頻率范圍2.5～50 Hz。

當靜揚程0≤H<3.75 m時，變頻器輸出頻率為：

F=0.4×{SQRT[720.66+（H+0.35）÷0.000 224]-7} ? ? ? ? ?（1）

F—變頻器輸出頻率，Hz;計算結果小數點后保留一位數字，采用去尾數法。

SQRT—算術平方根計算式;H—當前水泵進出口水位差，即靜揚程，m。

以上數學模型校核計算結果如表1所示。

當靜揚程為3.75 m≤H≤4.15 m時，變頻器輸出頻率F=50 Hz。

當靜揚程為4.15 m

上述變頻器頻率數學模型的推導過程，詳見附文《水泵運行高效點計算》。設定轉速運行，電機的轉速由操作員在系統監控畫面中手動輸入，不斷調整直至達到調度要求的瞬時流量，并按照該轉速始終運行，直至接收到下一個調度指令。要求輸入的頻率數值應該在2.5～50 Hz范圍內。

5 ? ?在操作員工作站中的實現

在監控系統“開、停機流程畫面”或“機組剖面”畫面中，建立3個命令按鈕，實現3個功能：額定轉速運行、經濟轉速運行、設定轉速運行。機組運行狀態的定義如表2所示。

在監控系統中，根據各臺機組的當前轉速區分出運行狀態，并且在單臺機組運行監控畫面（機組剖面）中標識出該運行狀態。

當機組處于經濟轉速運行時，每隔10 min自動檢查水泵進出口水位差，重新計算并調整機組的經濟轉速。

需要注意：上下游水位差等于設計凈揚程時，點擊“經濟轉速運行”按鈕進行機組調節，機組應恰好處于額定轉速運行。

6 ? ?結語

本文圍繞韓莊泵站自動化控制與調節研究這一課題著重分析了機組運行效率問題。無論是在額定轉速還是其他轉速情況下，首先，針對整個機組的運行變化，在水位與轉速確定的前提下，提出了一種效率的計算方法，能夠使主機組在運行過程中根據各個測點的數據來計算出此時工況下的效率，不僅為水泵機組效率監測提供了基準，而且為系統優化運行奠定了基礎。其次，針對韓莊泵站的水泵特點、水泵運行特性曲線以及在3種運行方式下運行參數、水位、流量、轉速的確定等方面進行了理論分析計算。最后，對經濟運行方式進行了分析和理論計算。

通過上面的分析，總結出以下結論：本文提出了一種新的變速調節水泵機組的數學模型，此方法不限于泵體本身，而是從整個機組運行方式出發，運用泵的性能曲線來確定水泵的各參數值。在計算水泵機組效率時，考慮水位的變化，再根據流量及轉速等其他參數推導出其效率。經過實測數據的計算，得出的結果與原設計值基本吻合，適用于現場的快捷計算，具有一定的通用性。

機組在不同工況運行時，水泵機組的經濟性不僅隨著水位、轉速的變化而變化，也因為運行方式的改變而有所不同。

在今后的泵站發展中，水泵機組的效率是要不斷提高的，對于機組運行不同工況運行方式的研究也應該進一步加深，使整個水泵機組效率和經濟性進一步得到提高。

Abstract：The pumping station of South-to-North Water transfer Project is a complex hydraulic system， and its operation economy depends not only on the efficiency of the main engine， but also on the operation mode. Based on the operation mode of bubble tubular pump in Hanzhuang pumping station， the boundary conditions of pump operation are established. According to the parameters collected from the operation records， a new mathematical model for regulating pump efficiency is established， which not only provides the benchmark for the efficiency of pump unit， but also provides the basis for the optimal operation of the system. By calculating the efficiency of the pump unit under various working conditions， the relationship between the parameters and the efficiency of the pump unit is analyzed， as well as the influence of different operation modes on the economy of the pump unit， and the influence on the economy of the pump unit. The optimal economic operation of water transfer pump station has certain guiding significance.

Key words：“South-to-North Water Transfer”; water pump; control