淺談高壓變頻技術在大型多梯級提水泵站中的應用

武昱翰

（甘肅省景泰川電力提灌管理局,甘肅 景泰 730400）

1 項目背景

景泰川電力提灌工程（以下簡稱景電工程）屬于甘肅省大型水利提灌工程項目，自身帶有高揚程、多梯級、大流量等特征，作為典型的大Ⅱ型提灌工程項目，其同時跨越了不同省份[1]。二期工程早在20 世紀80 年代中期已經動工建設，80 年代后期順利投入使用。最初水流量設計為每秒鐘18 m3，后將流量提升至每秒鐘21 m3。而最近兩年內，受客觀因素影響，每秒最大流量已經達到25 m3，提水量也相對更大；目前，其修建的泵站共計30 座，裝機容量也達到了192700 kw；其能夠同時解決34700hm2土地灌溉問題。

2 利用高壓變頻設備的必要性

上文中我們了解到，受景電工程項目自身特征影響，在整個供水階段內，不同梯級泵站機組運行狀態也存在很大差異，包括水流量在內，彼此之間的差異范圍也基本保持在每秒0.5 m3左右。雖然技術部門應用葉輪車削等技術進行水流控制，但是始終未能達到預期效果，只能反復進行開機、關機處理，使存在問題得到相應緩解。不僅如此，景電工程的耗電規模十分龐大，其想要實現可持續發展目標，必須優先解決停機次數過多、運行成本過高等問題。

從調查信息中能夠了解到，景電工程每年都要進行800～900 次的開停機操作，換算下來，每日都要進行十幾臺次的開停機操作。這樣的行為不僅使電極絕緣強度下滑，而且很容易引發故障的形成，能耗持續提升，整個機組使用壽命也會受到極大不良影響。每一次檢修都要投入成本，而且費用越來越高。從最近幾年發展狀況來看，高壓變頻設備應用行業也相對十分廣泛，水泵出水量調控理論也基本滿足成熟化應用要求。只是在整個黃河流域，能夠滿足高揚程、多梯級，且有一定規模的輸水泵站基本都沒有引入高壓變頻設備，所以無法在具體應用環節內將實際效用體現出來，而且泵站建設階段內，很多參數都不能提供準確數據，而且泥沙水質勢必對部件造成一定損壞，客觀環境導致景電工程必須安裝變頻設備，這樣才能夠確保自身所提出的高效率、低成本、安全性能突出的運作需求得到全面滿足。

3 高壓變頻工作原理

高壓變頻機組主要是指在安裝高壓變頻器以后，利用變頻技術對流速進行調整，電源頻率不同，對應電機轉速也會存在很大差異，這樣即可以達到對水泵運行狀態進行科學調整的目的。應用該方式進行水泵出水量的關系，從根本角度來看，計算公式即是：n=60f/p (其中，p 代表電機極對數；f 代表電機運作速率；n 代表動機的同步轉速)，從中可以判斷出，n 與f 之間呈現正向作用關系，隨著頻率持續提升，電機的轉動速率也會不斷上漲。而n 與p 則呈現反向作用關系，在電極極對數不斷提升狀態下，電極轉動速率卻持續下滑。但在客觀因素影響下，能夠調整的只有兩種或者三種極對速度，而且無法滿足平滑調速要求。應用高壓變頻模式，其能夠達到降低能耗的目的，因為高壓異步電動機是在改變供電頻率前提下，實現對電機速度的控制；速度調整階段內，功率低、效率高，因此成為工業發展的常用方式，同時自身也屬于最為科學的速度調整方法。

4 高壓變頻技術在景電工程中的應用分析

現階段，景電工程進行項目的更新改造，也從國外采購了一批知名度很高的變頻器，其主要在二期工程項目中進行使用。該類高壓變頻器都是通過對變壓器的控制，實現電流的轉變，而后利用三相可控硅整流技術實現對電流的管理，最后在晶體管以及逆變器充分發揮自身作用條件下，形成了690 V 交流電，驅動泵站電機所需要的6 kV 電源也是在此過程中逐步形成的。

4.1 有效調節泵站之間的不平衡流量

高壓變頻器的調頻精度一般設定為0.01Hz，其可以在規定范圍內通過平滑方式進行調整[2]。只是具體調頻階段內，如果頻率過低，水泵會停止出水，因此要結合實際需要，在眾多運行方式中進行科學選擇，機組頻率是影響調整范圍的重要因素。水泵在具體水位設計階段，揚程、機組運行模式等會導致變頻范圍與流量控制范圍有所差異，應當以高效運行要求為核心，設定具體的頻率調整范圍，這樣才能夠避免水泵出現脫離高效區運作狀態，同時確保泵站流量也可以達到相互匹配要求。

4.2 減少資源浪費、提高效率

變頻技術與高壓變頻器在水流調整階段內廣泛應用，其有助于實現最大化節能目標。對比安裝前后數據，開停機頻率大幅度降低，系統總耗電量也出現大幅度下滑，此外，在變頻設備器內部濾波電容影響下，無功損耗得到了有效控制，這些都能夠促進電網有功功率全面增長。

變頻技術不僅可以改善泵站存在的資源利用率低等問題，同時還能夠提升整體運行效益，合理控制物資損耗，避免產生嚴重噪音，更為關鍵的即是調水質量、調水效率均得到不同程度的改善。應用變頻技術以后，不必采用輸入諧波濾波器等裝置，即可以達到節約成本的目的。而且年度調水量節能方面也會有更為突出的表現。

4.3 提高運行的安全性、可靠性

變頻設備滿足軟啟動電動機要求，其能夠從工頻直接向變頻模式轉化。在低頻環境下啟動電機，不僅不會產生巨大熱量，而且絕緣老化速率也會全面下滑。此外，變頻機組在出水管道也能夠避免出現沖擊、壓力過大等現象，因此不會出現管道破裂等問題。對比應用變頻調速技術的前后數據信息，我們不難看出，對于大規模泵站而言，如果能夠成功應用高壓變頻器，調水規模會更為精準，而且產生的諧波污染也相對較低，改善輸入功率因數條件下，安全運作目標也能夠最終實現。

4.4 為實現“少人值守、無人值班”提供有力依據

調水變頻調速系統能夠二十四小時持續運作，而且系統進入工頻狀態以后，在泵口壓力值達到標準以后，通過工頻機組的啟動，達到合理控制水量的目標。此種狀態下，系統自動對水流量進行管理，變頻系統始終在固定值范圍內運轉；接到調度指令以后，機位上即可以進行定值的調整，避免調水精確性出現問題。對于景電工程項目而言，變頻調速系統已經應用很長時間，其的確有效降低了能耗，每年節約的電能規模也超過了178 萬度。而且工頻電機不再頻繁啟停，安全隱患得到有效控制，調水效率也有了全面提升，這些都為調水節能指標達成做出了巨大貢獻。

4.5 是泵站現代化、自動化控制的重要環節

變頻技術與高壓變頻器能夠在大規模泵站得到廣泛應用，而且計算機技術水平持續提升，都是因為PLC 與變速調速技術的有效結合創造了良好基礎條件，其將有助于泵站作用的全面發揮。變頻調速系統自身具備操作簡單、性能穩定、不受干擾、調水壓力恒定等特征；此外，在該系統應用程度不斷加深條件下，也能夠滿足多臺水泵同時運作等要求，這樣傳統操作模式所存在的管網水錘效應等問題也將得到有效解決；借助于網絡通信技術，能夠實現對水泵機房的遠程數據維護和遠程控制，拓展變頻器的操作靈活性并提高其工作可靠性[3]。

泵站控制系統以DCS 結構為核心，整體控制難度并不高。通過多級控制方法，雖然功能并不集中，但是系統運作穩定性方面不會存在任何問題。不僅如此，進入現代化管理階段以后，泵站也要進行全面調整，滿足數據信息共享需求，將網絡系統服務器中進行數據的存入;生產數據和管理數據都在相同數據庫中存檔，這樣便于對綜合處理接收和生產的數據進行快速、方便的進行存檔和查詢[4]。使用雙硬盤配置的服務器，避免數據安全性方面存在一定威脅;客戶端和服務器以100Mb 網卡為主，這樣才能夠時刻保持高數據信息傳輸速率。

5 結束語

從實踐結果中能夠看出，高壓變壓器不僅性能突出，而且可以長期處于穩定運作狀態，自身屬于高效節能裝置管理范疇。景電工程具備梯級泵站多、揚程高等特征，在進行變頻設備引入以后，長期存在的不同泵站水量不均衡問題得到了妥善解決，而且不再需要頻繁的進行機組啟停，整個運行方式也將得到全面改善。綜上所述，河流域高揚程多梯級泵站應當廣泛應用變頻調速技術，其將有助于我國大規模泵站調水技術能力得到顯著提升。