淺談庫區泵站水泵電機電壓選擇對技術、經濟指標分析的影響

郭秀勇，李花珍

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

在庫區泵站設計過程中，水泵電機電壓等級的選擇，對泵站工程的各項指標都有很大影響[1]，因此通過某水電站庫區新縣城供水工程的一個取水泵站設計實例，對水廠取水泵站水泵配套電機選型提出切實有效的理論與工程實踐相結合的比較方法。

1 工程概況

某水電站庫區某縣城新址規劃人口38 406人，為滿足其供水需求，新建縣城新址水廠，該水廠設計規模為20 000 m3/d，水源為水庫水，水庫原水經取水泵站提升后，由1根DN500的輸送流體用無縫鋼管輸送至凈水廠凈化處理[2，3]。設置水泵站最低運行水位為375 m，最高運行水位為380.47 m，出水口特征水位為577.35 m，水泵工作最高凈揚程為202.35 m，凈揚程為197.35 m，最低凈揚程為196.88 m，輸水管管材采用輸送流體用無縫鋼管，擬定管徑DN500。

1.1 水泵選型原則

水泵選型的主要依據是所需的流量、揚程以及變化規律。應該遵循以下原則：第一，在滿足最大工況要求的條件下，全面顧及用水量變化；第二，合理利用水泵高效段，使水泵在較寬的流量范圍內運行；第三，選擇的水泵在長期運行中，設計常水位條件下效率最高，運行費用最少；第四，盡可能選用同型號水泵，使型號整齊，互為備用。

1.2 水泵選型

根據兩種離心泵性能曲線對水泵在各運行工況下的揚程和流量進行試算，方案一和方案二計算成果分別如表1和表2所示。

經水力計算，兩種方案所選水泵在各種水位情況下均能滿足供水要求，且在高效區內運行。

2 水泵配套電機的選型

2.1 水泵配套電機選型原則

水泵配套電機的選擇主要考慮以下兩點：第一，滿足水泵所需求的最大功率、轉矩和轉速的要求。電動機的額定功率要稍大于水泵的設計軸功率，驅動轉矩要大于水泵的啟動轉矩，轉速應和水泵的設計轉速基本一致；第二，滿足投資少、效率高和運行方便的要求。

表1 方案一在各運行工況下揚程和流量計算成果表

表2 方案二在各運行工況下揚程和流量計算成果表

2.2 水泵配套電機容量的選擇

按泵站設計參數并考慮一定容量儲備來選配電機容量，水泵機組配套電機容量計算公式為：

式中：

N——電機容量，kW；

k——容量儲備系數，取1.10；

γ——水的容重，kN/m3；

Q——設計流量，m3/s；

H——設計揚程，本工程初估為209 m；

η——設計點水泵效率，初算取75 %；

η傳——傳動效率，水泵電機采用直聯式時取1，取0.94。

方案（一）中200SLD280-100-2離心泵實際所需的電機輸出功率，根據公式（1）求得結果為：

方案（二）的250SLD450-60-3離心泵實際所需的電機輸出功率，根據公式（1）求得結果為：

根據計算所需電機容量，并結合電動機容量宜選標準系列的要求，參照電網對用戶供電的一般經驗：用戶用電設備容量在250 kW至350 kW之間時，供電電壓等級可采用0.4 kV或10 kV電壓等級；方案（一）中，水泵配用電機功率按250 kW進行設計，采用低壓電機；方案（二）中，水泵配用電機功率按355 kW進行設計，采用高壓電機。

3 水泵電機電壓選擇方案比較

通過上述對縣城新址水廠取水泵站水泵和水泵配套電機的容量分析，水泵電機可分別按照250 kW的低壓電機和355 kW的高壓電機兩種功率進行配備，通過對高、低壓電機方案的技術、經濟指標的分析，來比較兩個方案的適用性。

因工程處于庫區新建縣城，暫時無法提供兩回獨立的外部10 kV電源，為保證對縣城水廠供水的穩定性和可靠性，工程暫定：選用低壓電機時，考慮采用10 kV單電源加備用發電機的配電方案；選用高壓電機時，考慮采用一回10 kV專線的配電方案。

3.1 低壓電機的配電方案

泵站配套機組為5臺250 kW的低壓電機，因新縣城暫時無法提供兩回獨立的外部10 kV電源，為保證對縣城水廠供水的穩定性和可靠性，設計采用10 kV單電源加備用0.4 kV發電機的供電方式。

泵站主要設備為5臺離心泵電機以及泵房、變電所、管理用房等的綜合用電，所有用電設備電壓等級均為380/220 V。同時配備兩臺單機容量為800 kW的低壓柴油發電機組作為泵站的備用電源。0.4 kV母線采用單母線分段接線，兩臺變壓器不考慮并列運行，0.4 kV內部網絡采用放射式配電網絡，設置0.4 kV進線柜2臺、0.4 kV電容補償柜2臺、0.4 kV出線柜5臺和0.4 kV聯絡柜1臺，共計10臺低壓配電柜，其中0.4 kV進線柜同時考慮市電與柴油發電機的自動切換功能。本工程5臺250 kW的低壓電機，除一臺應工藝要求采用變頻控制外，其余均采用軟啟動的方式。

選用低壓電機配電方案時，泵站主要電氣設備材料及工程造價等經濟指標如表3所示。

表3 取水泵站主要電氣設備材料及經濟指標表

3.2 高壓電機的配電方案

泵站配套機組采用4臺355 kW的高壓電機時，高壓電機有6 kV和10 kV的兩種選擇，因此針對這兩種高壓電機的配電方案分別進行比較分析。

3.2.1 10kV高壓電機的配電方案

本方案中，泵站配套機組為4臺355 kW的10 kV高壓電機，本工程屬于二級用電負荷，因庫區無法提供兩回10 kV外部獨立電源，為保證對縣城水廠供水的穩定性和可靠性，本工程考慮從110 kV變電站引來一回10 kV專線為泵站供電，并設置一臺50 kVA的站用變壓器。

本工程考慮采用10 kV電纜架空和埋地相結合的敷設方式，共需新建10 km外部線路6.0 km，其中3.0 km架空敷設，3.0 km埋地敷設，并且需在110 kV變電站側新建一個10 kV出線間隔。

經啟動電壓降計算，本工程4臺355 kW的高壓電機中，除一臺應工藝要求采用變頻控制外，其余均可采用全壓直接啟動的方式。

3.2.2 6 kV高壓電機的配電方案

參照0.4 kV配電方案，即設計采用10 kV單電源加備用6 kV發電機的供電方式，該配電方案與0.4 kV的相似，但因電壓等級升高，所有設備將都為中壓設備，且需要增加一臺站用變壓器，因此配電工程的投資將明顯比0.4 kV的低壓電機方案增大很多，且不利于后期維護，因此，其技術、經濟指標都低于0.4 kV的低壓電機方案；若參照10 kV配電方案，即考慮從110 kV變電站引來一回10 kV專線為泵站供電，并設置一臺50 kVA的站用變壓器，該配電方案與10 kV高壓電機的相比，又將增加兩臺10 kV/6 kV的降壓變壓器和相應的中壓配電柜，其投資也將比10 kV的高壓電機方案增大很多，因此，其技術、經濟指標都低于10 kV的高壓電機方案。

4 結論

此次研究通過對庫區一個泵站設計過程中高、低壓電機方案的比較，并結合庫區移民安置城鎮遷建規劃新址和庫區電力網絡結構的特點，對庫區泵站水泵電機電壓選擇的技術、經濟指標進行分析，得出以下結論：

（1）采用低壓電機方案的供電可靠性更高。因為庫區電源一般較為薄弱，很難滿足二級負荷應設兩個外部獨立電源的要求，因此水泵電機采用0.4 kV低壓電機時，一般設計采用10 kV單電源加備用0.4 kV發電機的供電方式，備用發電機的選用對于庫區暫不能有效保證穩定性的電力網絡，是一個強有力的保證措施，將有效提高泵站的供電可靠性。

（2）采用低壓電機方案更有利于工程的運行維護。采用高壓電機時，泵站配電工程的機電設備基本上都為中高壓設備，這對泵站建成后的運行維護也有了更高的要求。