陜甘寧鹽環定揚黃工程變頻機組應用實踐

郭永靈，郝瑞甫

（寧夏鹽環定揚水管理處，寧夏吳忠 751100）

1 工程簡介

陜甘寧鹽環定揚黃工程是國家“八五”重點建設項目，是以解決陜西定邊縣、甘肅環縣和寧夏鹽池縣、同心縣部分地區人畜飲水為主，防治地方病、改善生態環境，在有條件的地區發展農業灌溉的電力揚水工程。主要由三省區共用工程和省區內專用工程組成。

2016年9月27日，寧夏中部干旱帶脫貧攻堅水源工程鹽環定揚黃工程更新改造項目正式開工建設。2018 年初主體工程基本完工，同年4月春灌上水共用工程新建泵站全部投入試運行。經過1a 的運行觀測，各項技術指標均達到或優于設計標準。更新改造后，泵站由12 座合并成8 座，主要機電設備技術參數見表1。

2 變頻機組工作及應用

2.1 變頻機組應用

變頻調速技術是基于交流電動機的轉速和頻率成正比的特性，把電網電源通過變頻調速裝置變換成電壓、頻率可以調節的交流電源提供給三相異步電動機，通過改變交流電的頻率來達到調整電動機轉速的目的［1］。

可通過設置變頻器改變電動機輸入電源的頻率，達到改變電動機轉速的目的；通過調節水泵轉速來實現調節水泵流量，滿足供水對水量、流量的要求。實際運行中采用變速調節時，水泵變頻調速下降幅度不宜低于額定轉速的30%；需要提高轉速時，應在額定的最大頻率內調節，最高轉速不宜超過額定轉速，以防止電動機超載引起機組振動，損壞設備。

表1 共用工程改造前后主要機電設備技術參數對比

根據水泵的比例定律，若轉速n最大降低30%，即轉速變化范圍為（100%～70%）n，則流量變化范圍為（100%～70%）Q，揚程變化范圍為（100%～49%）H，水泵軸功率變化范圍為（100%～34.3%）N。

為滿足流量匹配的需求，在一定的流量要求變化范圍內，對水泵進行變頻調節，水泵的工作點會偏移設計的工況點，容易使效率值發生一定幅度的下降，具體數值見表2。

表2 變頻泵的參數調節范圍

空管道開機采用變頻機組具有顯著優勢。由于條件限制，大型揚水灌溉泵站無法設置揚水總管充水系統，在每年春季開機上水時都會遇到空管道開機情況。以鹽環定六泵站為例，出水壓力管道單排DN1400、長度6.13 km、總揚程83.4 m、凈揚程76.99 m；在空管道開機前，先將進水閥門打開充水，開機時首先啟動變頻機組。先啟動變頻器的頻率為20Hz（額定最大頻率的40%），開啟10%出水電動閥；根據出水流量、揚程（壓力表顯示出水管壓力）及振動擺幅，頻率以5Hz 為單位逐步調整到45Hz（額定最大頻率的90%）以上，出水電動閥以10%為單位逐步調整到100%全開，至壓力管道末端出水達到正常上水狀態，整個過程需要2～3 h。在實際運行中，空管道或管道充水70%以下開啟其他機組，均會出現機組過載、無法正常上水的情況。

正常上水運行期間，盡量保持變頻機組在高效區間（47.5～49.5 Hz）運行，以保證機組的功率、出水流量接近最大值，能耗較低；一般不允許在最大頻率50 Hz狀況下運行，以防電動機轉速過高，引起機組振動擺幅過大。

2.2 功率因數補償節能

無功功率增加線損和設備的發熱，功率因數的降低還會導致電網有功功率的降低，造成設備使用效率低下，電量浪費嚴重。一般水泵電機的功率因數在0.6～0.7 之間，在使用變頻裝置后，在變頻器內部濾波電容的作用下，功率因數接近于1，大幅降低無功損耗，明顯增加了電網的有功功率。

2.3 軟啟動降低沖擊危害［2］

當普通電機為直接啟動或Y/D 啟動狀況時，啟動電流等于4～7 倍額定電流，會對機電設備和供電電網造成較嚴重沖擊，影響設備、管路的使用壽命。采用變頻設備后，利用變頻器的軟啟動功能會使啟動電流從較小值開始，達到最高值也不超過額定電流，降低了對電網的沖擊傷害，對電網的供電容量要求也在合理范圍內，且節省了設備的維護費用。

2.4 梯級泵站間的流量與水量調節

原2～8泵站未配備運行中可進行流量調節的機組或其他流量調節設備，尤其是二干渠、三干渠、四干渠的渠道較短（分別為2.6，2.32 km 和2.67 km），渠道可調蓄的容量小，沿線無調蓄水池或配水斗口進行調節。各泵站的揚程不等，出水管路長度不同，即沿程損失也不同，因此運行期間泵站級間水量難以匹配，造成干渠水位不穩定，經常采用退水閘棄水或頻繁開停機方式平衡上下級泵站的流量，以穩定干渠水位。棄水造成水電資源浪費，頻繁開停機造成機組軸承、泵軸加速疲勞，頻繁啟動大電流，加速電動機絕緣老化，嚴重影響電動機使用壽命。

根據泵站設計規范，梯級泵站級間流量應合理搭配，在正常情況下做到不棄水，也不得用閥門調節流量。因此在鹽環定揚黃工程更新改造建設中，新建二、三、四、五、六泵站都配置可調節流量的變頻機組，有效解決了梯級泵站級間水量、流量匹配問題。

3 更新改造后各項主要技術指標情況

3.1 主要技術指標變化對比（以新五泵站為例）

在鹽環定揚黃工程更新改造項目初步設計中，新五泵站（原八泵站）土建結構不再重建，水泵和電機等機電設備只進行更新改造。泵站原裝設機組11 臺，設計運行方式為9 大1 小1 備（大），大泵單機流量1.47 m3/s，小泵單機流量0.88 m3/s；泵站總揚程36.25 m，凈揚程30.75 m；設計流量10.68 m3/s。2018年改造后，裝備機組9臺（變頻機組2臺，異步機組7臺），其中大機8臺，單機流量1.53 m3/s；小機1臺，單機流量0.96 m3/s；泵站設計流量10.68 m3/s。

從表3分析可知，由于采用了變頻機組，站級間

表3 鹽環定共用工程新五泵站改造前后主要技術參數對照表

表4 鹽環定共用工程改造前后泵站主要技術參數對照

水量匹配，泵站開停機次數大幅減少40 臺次，降幅43%；加之采用了節能降耗的新電機、水泵機組，在上水量增加206.4 萬m3，增幅2%的前提下，新五泵站能源單耗降低0.27 kW·h/kt·m，降幅7%，平均負荷降低0.04萬kW，降幅11%。主要技術參數均有明顯降低，取得明顯的節能效果。

3.2 改造前后主要技術指標變化

由表4 可知，統計分析鹽環定揚黃工程更新改造后2018年4～8月用電量、上水量、能源單耗、開機臺次等主要技術指標，并與2017 年同期比較，有功電量減少1 320.75萬kW·h，降低13%；提水總量增加214.73萬m3，增加2%；能源單耗降低0.55 kW·h/kt·m，降低15%；平均負荷降低0.56 萬kW，降低18%；開機臺次減少1 275次。

機電設備運行更加方便、快捷、安全，各項主要技術指標明顯提升。使用變頻機組對整體效能提高起了關鍵作用。

4 結 論

變頻調速技術是一種新型、較為成熟、控制性能優良的交流電機調速技術，逐漸在速度控制領域和供水行業中推廣應用。

（1）有效降低水泵電量損耗和能源單耗，提高水泵運行效率是揚水泵站節能的關鍵。水泵節能的方式有許多種，采用變頻調速技術具有效率高、機械特性強、調速范圍寬、操作簡單方便等優點，是目前改變水泵運行工況條件、實現節能降耗的理想方式，是具有推廣價值的新技術。

（2）變頻器還集成了過流、過壓、欠壓、防人身觸電等一系列保護裝置，因此防誤操作性和安全性高，有利于提升泵房安全運行的可靠性，效率高且調速范圍寬，特別適用于運行期間啟動停止頻繁的泵站［3］。

（3）變頻機組的使用，有效解決了梯級泵站間的機組出水流量匹配問題。經過鹽環定揚黃工程1a的運行，泵站間干渠水位穩定，流量調節準確、反應迅速，操作方便。

（4）對于高揚程（大于60 m）、長管道（出水壓力管道3 km以上）的灌溉揚水泵站，在空管道情況下，要啟動水泵機組。由于管道內空氣阻力、負壓影響等因素存在不確定性，容易出現機組過載、無法正常上水情況。利用變頻機組先揚水將管道充滿水，再開啟其他水泵機組是一種可行的方法。

（5）變頻機組在鹽環定揚黃工程中的推廣應用，使水泵機組的啟動性能和功率因數得到較大改善，且節能效果顯著。可為同類型揚水工程的更新改造提供參考。