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标题南水北调中线工程变频调速技术应用
技术领域
行业包装
简介惠南庄泵站工程配套大型异步电动机变频驱动，以适应调水工程大幅度流量调节需求。文中结合工程特点，合理配置设备，使泵站运行安全可靠，高效节能。变频调速技术广泛应用于水工业领域是供水、水处理等工艺提升的需求，也是节能降耗的需求。
内容

摘要：惠南庄泵站工程配套大型异步电动机变频驱动，以适应调水工程大幅度流量调节需求。文中结合工程特点，合理配置设备，使泵站运行安全可靠，高效节能。变频调速技术广泛应用于水工业领域是供水、水处理等工艺提升的需求，也是节能降耗的需求。

关键词：南水北调；大型泵站；变频装置；节能

Abstract: In order to meet the requirements of regulating flow with a wide range in the water transfer project, frequency control of large induction motors are used in the Hui 
Nan Zhuang Pump Station. In this paper, reasonable configuration is considered by 
combination with engineering characteristics. It has the capability to improve safety in 
operation and efficiency. The technology of frequency control is widely used in the field
 of water industry for the requirement of techniques upgrade in the water supply, water 
treatment etc, and energy-saving.

Key words: South-to-North Water Diversion; large-scale pump station; frequency control; energy saving

    南水北调工程是为解决我国北方水资源严重短缺，生态环境恶化的一项具有重大战略意义的特大型基础设施, 中线工程是解决北京水资源紧缺的根本措施，该工程建成后将丹江口水库的优质水安全、可靠的从河北境内输送到终点团城湖。工程的实施对彻底解决北京水资源短缺问题，提高城市供水保证率，改善北京水环境，促进北京社会、经济可持续发展具有十分重要的意义。同时，该工程实施过程中，充分运用自动控制技术，成功实现了预计的节能目标。

1 工程概况

    南水北调中线工程北京段采用全线管涵加压输水，渠首设计流量50m 3/s，加大流量60m 3/s。惠南庄泵站上接北拒马河暗渠，经泵站加压输水至大宁调压池。惠南庄~大宁段采用双排DN4000预应力钢筒混凝土压力管(PCCP)，管线长度约56.4km。设计流速2.39m/s，沿线设5处分水口。泵站输水流量Q≤20m 3/s时，加压输水段全线自流，流量Q＞20m 3/s时，启动泵站加压输水至大宁调压池。调压池之后采用重力流低压输水至终点团城湖，全长约80km。

    惠南庄泵站是南水北调中线工程总干渠唯一的一座大型加压泵站，为大（Ⅰ）型1等工程，泵站设计流量60m 3/s，共安装8台卧式单级双吸离心泵（2台备用），水泵设计扬程为58.2m，单泵流量为10m 3/s，单机配套功率7300kW，总装机容量58.4MW。

    水泵采用大型卧式单级双吸离心泵，为国内最大的卧式机组高扬程泵站，年运行5000小时以上。泵站特征参数变幅大，流量变化达3倍，扬程变幅达2.2倍，机组采用大功率异步电动机配套大型中压变频装置，调速运行范围宽，机组关键技术难度高，优选先进可靠的设备并研究能够满足工程供水要求的运行方式，确保供水工程发挥效益。 

2 调速运行的必要性分析

    (1) 供水系统主要特点

    泵站输水流量变幅20～60m 3/s，水泵需要调节运行；泵站起点至终点地形高程差小，几何扬程小，水泵的扬程主要取决于压力管道输水的水力损失；沿线共设5处分水口，系统扬程随分流不同而降低。

    （2）供水频率分析

    北京市需要南水北调供水多年平均为10.5亿m 3，供水频率见表1。

        表1   供水频率表

    Q（m 3/s）    ≤20    20~30    30~40    40~50    >50

    频率          35%    9%        15%       15%    26%

    泵站供水流量在20～40m 3/s范围出现频率约24%，供水流量在40～60m 3/s范围出现的频率最高，占41%，且超过40m 3/s流量的运行几率较高。

    （3）泵站流量~扬程变化

    泵站在各种工况下运行水泵扬程随流量不同将产生变化，当泵站流量在20～60m 3/s范围内调节时，单管20～30m 3/s变化时，设计扬程变幅26.52～58.20 m达2.2倍；另外，根据加压段沿线5 处分水口用户需水的不同，组合不同的分水流量，最大分流14.2m 3/s，双管分流系统扬程最大降低约12m，单管分流系统扬程最大降低约18m。为适应流量扬程变幅，采用水泵调速运行十分必要。该泵站设计扬程58.2m，其中净扬程1.17m，水泵扬程主要取决于压力输水管道的水力损失，此种管路特性更适合水泵调速运行[1]调节流量。

3 设备选择

    根据水泵相似率，同一台水泵有，， ，当调节水泵转速时，其流量、扬程、轴功率等随之变化，而转速在一定范围变化时，其水泵效率变化不大，因此可通过改变水泵转速来实现流量调节，使机组运行在高效区，以保证工程的安全性、经济性。

    该泵站在如此大的流量~扬程变幅下运行，水泵机组配置大功率变频装置，泵站的设计和机电设备配置着眼于国内外的先进技术和设备。

    （1）水泵

    泵站设计流量为 60m 3/s， 安装8台卧式单级双吸离心泵（2台备用），单泵流量为10m 3/s，设计扬程58.20m，设计转速375 r/min。

    （2）电动机

    根据水泵运行最大轴功率进行电动机配套功率选择。运行工况最大轴功率为6560kW，考虑一定的储备量，电动机功率取7300kW，转速为375r/min。

    型式比选：① 同步电动机：效率高（>96%），比相同容量的异步电动机约高一个百分点，功率因数高（0.95～1），与电网匹配合理，稳定性能好，抗干扰能力强，转速稳定，不受电网电压的影响，但同步电动机较异步电动机一次性投资大。② 异步电动机：与同步电动机相比，其效率略低（≤96%），功率因数低（0.85～0.88），会消耗大量无功，在小负荷情况下较为突出，影响电网品质，须增设无功补偿装置。

    惠南庄泵站水泵由变频器驱动电动机而构成的变速驱动系统，因此，可抑制异步电动机的劣势，而突出其优点，选定异步电动机。

    （3）变频装置

    早期的LCI型变频器不适用于惠南庄泵站，谐波含量大，电网功率因数低，且必须使用同步电动机。现代PWM控制型变频器克服了上述的缺点，采用了输入电流和输出电压的PWM控制，使电网和负载侧的电压与电流波形更逼近正弦波，提高了功率因数，减少了谐波，取消了谐波滤波装置。

    电压源型变频器采用先进的自关断大功率半导体器件 [2] ，应用现代PWM控制技术，大大改善了整流与逆变的正弦波形质量，降低了高次谐波，提高了功率因数，不必增加无功补偿装置，因此改善了LCI型变频器对电网的不良影响，是今后变频技术的发展方向。电压源型变频器可以驱动异步电动机，而LCI型变频器必须配同步电动机，这也是电压源型变频器的优势。

    同步电动机需要一套励磁装置，增加了设备，也就降低了可靠性，但同步机提高了功率因数，因此可减少定子电流，降低电动机造价。电压源型变频器由于直流回路电容的作用，可以改善异步电动机的功率因数，异步机的造价低于同步电动机，且可靠性高于同步电动机。

    变频器的型式采用半导体器件、PWM控制、实现交-直-交频率变换、静止型中压变频器。整流器使用IGCT开关管 [3] ，采用PWM技术，使电网中的电压及电流谐波含量大大的减少，整流器件为有源模块化结构，便于安装维护，逆变单元采用PWM控制技术，使变频器输出端流入电动机的电流接近正弦波，减少谐波对电动机以及通过空间对其他设备和通信的影响及干扰。根据本工程的技术参数，经综合比较，泵站采用异步电动机，PWM型变频驱动。

    （4）电动机/变频装置主要参数

    电动机：卧式鼠笼型变频异步电动机，冷却方式IC81W，输出功率7300kW，额定转速375r/min，效率97%，功率因数0.86。

    变频变压器：三相油浸双绕组变压器，冷却方式ONAN，电压10000/3160V，额定容量8620kVA。

    变频器：冷却方式水冷，额定电压3150V，额定容量8760kVA。

4 泵站运行及流量调节

    泵站的运行需要满足各种运行工况，在保证机组安全、平稳运行的前提下，以泵站节能为目标组合运行方式。变频装置台数的配置是保证流量调节可靠性的关键。下面就其配置的可行性、经济性及运行的合理性进行分析。 

    （1）3台泵并联调速运行结果如图1所示，当水泵转速降至70%额定转速时，水泵运行效率均在其较优效率区内，对应水泵最大和最小扬程时的流量为20.5～23.5m 3/s。

    图1   3台泵并联运行

    （2）为达到进一步调节小流量要求，需采用2台水泵并联调速运行见图2所示。水泵运行效率略降低，但运行区域内靠近最低几何扬程的效率仍在85%范围内。水泵在70%额定转速时的流量调至18.6m 3/s，若要下调流量至17.5m 3/s，转速需下降至65%额定转速，此时泵的效率仍在较优效率区内，汽蚀性能满足设计要求。

    图2   2台泵并联运行

    （3）8台泵每4台（含1台备用）一组并联供一根输水管运行，按减少1~2台变频装置进行匹配，由于定速泵的运行限制了调速泵的调速范围，调速泵调节幅度小于10%，根据供水排频，大流量输水几率较高，有些流量段将无法实现，且配套电动机功率需加大到8000kW，水泵安装高程需降低5.0~5.5m，机电设备及土建投资加大，方案不合理。通过对水泵运行工况分析，若减少变频装置数量，由于水泵性能的限制，无法实现该工程所有流量段的连续调节。

    惠南庄泵站全部配套变频装置可适应流量20~60m 3/s调节，水泵转速调节范围65%~100%可行，确保泵站安全、平稳、高效运行。

5 节能分析    

    该泵站为大型高扬程泵站，配套单机功率大，年运行时间长，安全可靠、高效节能的运行模式是调水工程充分发挥效益的关键。采用水泵变频调速运行，水泵流量、扬程和轴功率与转速的关系：；；，当流量Q下降到80%额定流量时，供水单耗将降至工频状态的64%，节电率理论上可达到36%。故降低转速调流，而降低供水单耗，在满足南水北调全线供水不同时段流量变化的同时，节约大量能源。 

    水泵轴功率：；调速运行时计算某一频率下的供水耗电量：吨水耗电=累计耗电/累计流量；节电率=[(工频吨水耗电-变频吨水耗电)/工频吨水耗电]×100%。根据此三式进行能耗计算，按日供水216万m 3，单管25m 3/s运行24小时与单管30m 3/s运行20小时运行比较，单管输水25m 3/s采用3台泵调速运行与单管输水30m 3/s采用3台泵工频运行比较，调速运行理论上节电达30%。待工程正式投入运行可根据机组实测值进行检验。

    以上分析节电效果明显，降低转速调节流量，轴功率随转速变化相对于流量变化更显著，且调速运行使水泵在较高效率点运行，在流量调节范围内水泵调速运行降低能耗，改善了设备运行工况，延长了设备使用寿命，并增加了工程调水的灵活性，提高了供水可靠性，可取得较大的经济效益。

6 国内水工业变频调速发展需求

    （1）水工业领域的节能现状

    目前，我国总电网负荷中，拖动各种设备的电动机耗电约占60%，其中拖动风机、水泵的电机耗电量约占全国总用电量的31%，而这些设备中约有50%负荷的变化需要变工况运行，而水泵运行有些还采用阀门调流，节流损耗大，造成能源大量浪费。

    多数供水工程的工况变化，一方面需要流量调节，是目前多用户，大规模供水的特点；另一方面是工程项目中泵站加压提水水位变幅大，需要水泵适应这两方面的要求。解决的办法一是采用大小泵匹配来满足流量或水位变化，机组台数增加，造成节电效果不理想，土建投资加大，且操作不灵活，特别目前大型引调水工程不断增加，此方法不能满足现代化泵站的供水要求。二是采用关阀调节，增加管道阻力，此方法虽然简单，极不节能，且设备易损。针对此两种情况，通过改变水泵转速实现调节，克服了对工程的不利影响，其优点是水泵台数少，水量调节灵活性大，节电效果好，但变频装置价格是制约工程采用的条件，有些项目只能部分配套，近年随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的结合及国产大功率变频装置的发展，变频设备价格越来越趋于合理。

    水工业领域中目前广泛采用变频调速技术是给水、水处理、排水工程等工艺提升的需求，也是节能减排的需求，如大型引调水工程源水取水泵站、供水泵站进行流量水位调节；给水处理厂站中调流降耗；城市污水排放泵站中用于污水流量调节；污水处理厂曝气风机风量调节，提升泵房的潜水泵和脱水离心机用于软启动；城市楼宇恒压变频供水等等。变频调速技术的采用必须是科学、合理的，节能降耗要有科学依据，首先要结合工程实际，在满足功能要求的前提下，力求安全可靠、高效节能。

    （2）水工业领域的节能措施 

    我国目前中、高压大功率调速电动机已广泛应用于供水行业的大中型抽水泵站，在一定范围内控制机组的抽水量、水压，高效运行，达到了节能效果。

    在水泵调速中常用的调速设备有两种，一种是在电动机和水泵之间加变速传动装置，电动机转速不变，实现水泵的无级调速，主要有调速型液力耦合器和电磁转差离合器两种，另一种是改变电动机的转速，主要有串级调速和变频调速。在变频调速、串级调速、电磁转差离合器、液力耦合调速等方式中，液力耦合器调速可无级调速，调速范围大，但设备本身有能耗、效率低、占地面积大；电磁滑差离合器调速存在转差损耗，低速运行时损耗大、效率低，调速过程中电动机功率因数降低，产生高次谐波污染；串级调速调速范围不大，有时需配合节流手段调节流量，增加损耗。变频调速装置的动态跟踪性能优越，可实现无级调速，当输水流量变化或上下游水位不能适应机组的高效运行时，调速设备能动态调整机组的运行速度，使机组仍然运行在高效区。

7 结语

    惠南庄泵站采用大型水泵配套大功率电动机变频驱动，既满足泵站大幅度流量调节的供水需求，同时又取得好的节能效果。变频调速技术具有启动电流小、调速范围宽、稳速精度高、动态响应快、节约能源等优点，因此，在水工业领域推广采用变频调速技术，对变工况运行，提高运行的灵活性、节能降耗具有重大意义。


参考文献

[1]  丘传忻. 泵站节能技术[M]. 北京: 水利电力出版社，1985.

[2]  张选正，顾红兵. 中高压变频器应用技术[M]. 北京: 电子工业出版社，2007.

[3]  马小亮. 大功率风机、泵节能调速发展方向探讨[J]. 电气传动，1999(1).