變頻器調速水泵與出水閥門聯動啟停方式研究

李 寶 ，高 航，于永海

（1.甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400；2.蘇州市供排水管理處，江蘇 蘇州 215026；3.河海大學農業科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

1 引言

水泵及泵站廣泛應用在農田灌溉排澇、城鄉供排水、長距離和跨流域調水工程中，對發展生產、滿足人們正常生活需要與保障人民生命和財產安全具有至關重要的基礎保障作用[1]。

水泵是耗能設備，泵站節能降耗、梯級泵站優化調度一直是研究的重點內容。變速調節是一種水泵工況調節方法，可以使得調節后泵工況處于高效區[2]。目前廣泛應用變頻技術及變頻器實現水泵變速調節，以實現泵站節能降耗、經濟運行[3，4]。高揚程泵站一般采用“一管多機”并聯泵組運行方式，通過研究可以實現節能經濟運行[5，6]。泵站使用變頻器，可以實現機組平緩啟動，避免對進線電源系統產生沖擊；采用軟啟和軟停方式，可以減小轉子及軸承的機械沖擊磨損。

靜止變頻器是通過改變電源頻率進而改變電動機轉速的。高壓變頻器的種類繁多，其分類方法也多種多樣。在高揚程泵站最常用的方式是，先是通過變頻器內置降壓變壓器，將泵站高壓進線電源降壓為較低的交流電源，然后通過三相可控硅整流技術進行整流，再通過IGBT元件逆變，利用SPWM變換，得到頻率和幅值都可變的較低電壓交流電，最后通過變頻器內置升壓變壓器變換成泵站電機所需用額定電源。

在梯級高揚程泵站中，以PLC（可編程控制器）為基礎的計算機監控系統可以實現變頻器、泵、閥聯動的遠程控制。高壓變頻器預充電、合閘、設定頻率、啟動電機、停止、分閘及出水液控閥門啟、閉各遠程控制點均引出端子并通過硬接線連接至PLC,變頻器、斷路器和出水閥門各位置信號也通過硬接線傳至PLC，保證了聯動操控命令的可靠下達。

水泵在啟、停的過程中管路中都會產生水錘，變頻器可以改變電動機轉速進而調節出水閥門開啟或關閉時刻的水泵轉速，來減小水錘。因此變頻器調速水泵與出水閥門聯動需考慮以下兩個問題。

（1）電動機采取變頻啟動方式，出水液控閥門背壓狀態（閥后存在較高水壓）下閥板不能過早打開；為有效消除啟泵水錘，閥板也不宜打開太遲。水泵轉速達到多少時開啟出水液控閥門需要進行合理選擇。

（2）為有效消除停機水錘升壓，可以采取這樣的方式：合理選擇確定電機轉速一個定值，當電機轉速下降至這個定值后即關閉出水液控閥門，待出水閥門全關后再下令變頻器停止。

針對上述問題，本文對高揚程泵站變頻器調速水泵與出水閥門聯動啟停方式進行研究，以有效減小開機與停機過程中的水錘升壓。

2 變頻器調速水泵與出水閥門聯動啟停方式

2.1 開機流程

變頻器先設定頻率50 Hz，然后變頻器（配套功率≥800 kW）預充電；預充電完成后，變頻器合閘，啟動電動機，變頻器頻率按設定的規律增加，當變頻器頻率增加到f1（數值確定方法見下文）時出水液控閥門開啟。這樣啟泵時有效減小了水錘升壓，閥前閥后水流平穩銜接，縮短了到達穩定工況的過渡過程歷時，減小對出水閥門和管道的的沖擊，可延長出水液控閥門、水泵泵軸和軸承使用壽命。

2.2 停機流程

設變頻器正常運行時的頻率為fs，準備停機時，開始減小變頻器頻率，當頻率減小到f1（數值確定方法見下文）時，關閉出水液控閥門，液控閥門全關后，變頻器停止，頻率降為0時，變頻器分閘。停泵時有效減小了水錘升壓，保證了設備及管道安全，可延長出水液控閥門、水泵泵軸和軸承使用壽命。

2.3 開啟、關閉閥門時刻對應的變頻器頻率的確定

每種型號水泵都有一個額定工況點，此時水泵轉速為額定轉速nr，水泵效率為最大值，揚程為額定揚程，流量為額定流量。圖1為某種型號水泵不同轉速下的H-Q曲線，額定轉速為970 r/min，額定工況點用三角符號表示，當流量為0時揚程則為HrO。

根據泵站設計資料，可知出水閥門閥底位置高程Zv，運行實測的出水池水位為Zout，從而可知閥后壓強水頭Hv=Zout-Zv。作一條H=Hv的水平線，與縱坐標軸相交，該交點對應的流量為0，揚程為Hv。在額定轉速H-Q曲線基礎上可作出圖1中的曲線1，曲線1對應的轉速為揚程Hv、流量為零時的轉速，根據水泵比例律可得對應的轉速：

圖1 某型號水泵不同轉速下揚程與流量關系曲線圖

交流電動機轉速值(0～n）與選用的變頻器的頻率值（0～50 Hz）有線性關系，因此可以得到推算出的對應轉速n0的變頻器頻率：

這樣確定的變頻器頻率f0下打開或關閉閥門，閥前壓力比閥后壓力略大一些，可有效減小水錘升壓。如果在額定轉速下打開或關閉閥門時，閥前壓力比閥后壓力大得多，引起水力過渡過程比較急劇，從而產生較大的水錘升壓。從安全考慮選擇啟、閉出水閥門時的變頻器頻率值較f0增大1～2 Hz即

式中，Δf可取1～2 Hz。

3 泵站現場試驗與分析

甘肅省景泰川電力提灌工程二期南干一泵站裝 機8臺，1號、2號、3號泵并聯 運 行，4號、5號泵并聯運行，6號、7號、8號泵并聯運行。3號泵為變頻器調速水泵，水泵型號：HS900-800-850B，額定轉速730 r/min，額定流量1.7 m3/s，額定揚程29.41 m，其性能曲線如圖2所示。圖2中曲線3為所選泵的H-Q性能曲線，可得到Hro=39.8 m。實測出水池水位1 802.95 m，出水閥門閥底高程1 773.27 m，則Hv=29.68 m，由公式（2）計算可得f0=43.2 Hz，從而開啟或關閉閥門時刻的變頻器頻率f1可取為44.2～45.2 Hz。

圖2 HS900-800-850B泵H-Q性能曲線

南干一泵站3號機組原為工頻運行機組，后加裝變頻器改為變頻機組。機組水泵出口安裝有液控半球閥，口徑DN800，采用快慢兩階段關閉方式。半球閥后壓力管道安裝有壓力變送器，壓力數據采集后傳至計算機監控系統后臺進行應用。3號機工頻運行時，實測啟泵時管道升壓峰值為32.28 m，停機時升壓峰值B點為30.3 m，最低壓力值A點為23.5 m，圖3為3號機工頻單機單管停機時閥后壓力波形曲線。改為變頻機組后，變頻器配套功率900 kW，最大頻率50 Hz。取f1=44.5 Hz進行啟停泵試驗，測得啟泵時管道升壓最大值為31 m；從3號機組變頻停機時閥后壓力波形圖（圖4）可知，閥門在C點已完全關閉，全關后閥后管道升壓峰值D點為29.1 m，最低壓力值E點為26 m。工頻跟變頻狀態啟停機壓力波動二者比較來看，變頻狀態下壓力波動更小，對管路及設備的沖擊更小，啟停機更安全。

圖3 南干一泵站3號機組工頻單機單管停機時閥后壓力波形

圖4 南干一泵站3號機組變頻單機單管停機時閥后壓力波形

4 結論

利用變頻器調速水泵的變速特性，研究提出了變頻器調速水泵與出口閥門聯動啟動與停機方式，以有效減小開機與停機過程中的水錘升壓，縮短了到達穩定工況的過渡過程歷時，減小對出水閥門和管道的的沖擊，保證了設備及管道安全，可延長出水液控閥門、水泵泵軸和軸承使用壽命。

以啟動時刻與停機時刻閥前閥后壓力基本相等、水流平穩銜接為原則，確定啟停時刻變頻器調速水泵轉速及變頻器輸出頻率。現場實測表明：變頻狀態下啟停機與工頻狀態啟停機比較，前者的壓力波動較小，對管路及設備的沖擊較小，啟停機更安全。